Iets pompt grote hoeveelheden zuurstof uit de bodem van de Stille Oceaan, op diepten waar een volledig gebrek aan zonlicht fotosynthese onmogelijk maakt.

Het fenomeen werd ontdekt in een gebied bedekt met oude formaties ter grootte van een pruim, polymetallische knobbeltjes genaamd, die de zuurstofproductie zouden kunnen katalyseren door vermoedelijk de splitsing van watermoleculen te bevorderen. De resultaten zijn binnenNatuur Geowetenschappen 1gepubliceerd.

‘We hebben naast de fotosynthese nog een andere bron van zuurstof op de planeet’, zegt co-auteur Andrew Sweetman, een zeebodemecoloog bij de Scottish Association for Marine Science in Oban, VK – hoewel het mechanisme achter deze zuurstofproductie een mysterie blijft. De bevindingen kunnen ook implicaties hebben voor het begrijpen van hoe het leven begon, zegt hij, en voor de mogelijke impact daarvan diepzee mijnbouw in de regio.

De waarneming is ‘fascinerend’, zegt Donald Canfield, biogeochimist aan de Universiteit van Zuid-Denemarken in Odense. “Maar ik vind het frustrerend omdat het veel vragen oproept en niet veel antwoorden oplevert.”

Sweetman en zijn medewerkers merkten voor het eerst iets afwijkends op tijdens veldwerk in 2013. De onderzoekers bestudeerden ecosystemen op de zeebodem in de Clarion-Clipperton-zone tussen Hawaï en Mexico, dat groter is dan India en een potentieel doelwit is voor de mijnbouw van metaalrijke knobbeltjes. Tijdens dergelijke expedities laat het team een ​​module vrij die naar de oceaanbodem zinkt om geautomatiseerde experimenten uit te voeren. Daar drijft de module cilindrische kamers af om kleine delen van de zeebodem – samen met wat zeewater – af te sluiten en ‘een gesloten microkosmos van de zeebodem’ te creëren, schrijven de auteurs. De ‘lander’ meet vervolgens hoe de zuurstofconcentratie in het afgesloten zeewater verandert gedurende perioden van maximaal meerdere dagen.

Zuurstof stromen

Zonder dat fotosynthetische organismen zuurstof in het water afgeven, en als enig ander organisme het gas consumeert, zouden de zuurstofconcentraties in de kamers langzaam moeten afnemen. Sweetman heeft dit waargenomen in onderzoeken die hij uitvoerde in gebieden in de Zuidelijke, Noordelijke en Indische Oceaan, maar ook in de Atlantische Oceaan. Zeebodemecosystemen over de hele wereld danken hun bestaan ​​aan zuurstof die door stromingen van het oppervlak wordt meegevoerd en zouden snel uitsterven als ze zouden worden afgesneden. (Het grootste deel van deze zuurstof komt uit de Noord-Atlantische Oceaan en wordt via een ‘mondiale transportband’ naar de diepe oceanen van de wereld getransporteerd.)

Maar in de Clarion-Clipperton-zone toonden instrumenten aan dat het afgesloten water rijker werd in plaats van armer aan zuurstof. In eerste instantie schreef Sweetman de metingen toe aan een sensorfout. Maar het fenomeen deed zich tijdens daaropvolgende expedities in 2021 en 2022 keer op keer voor en werd bevestigd door metingen met een alternatieve techniek. “Plotseling besefte ik dat ik acht jaar lang dit potentieel verbazingwekkende nieuwe proces, op 4.000 meter diepte op de oceaanbodem, had genegeerd”, zegt Sweetman.

Eine detaillierte Ansicht einer Knolle auf einer Petrischale.

De hoeveelheid geproduceerde zuurstof is niet klein: het gas in de kamers bereikt concentraties die hoger zijn dan die in algenrijk oppervlaktewater, zegt Sweetman. Geen van de andere door Sweetman onderzochte regio's bevatte polymetallische knobbeltjes, wat erop wijst dat deze rotsen een belangrijke rol spelen bij de productie van deze 'donkere zuurstof'.

Als eerste test van deze hypothese reproduceerde het team de omstandigheden die ze op de zeebodem aantroffen in een laboratorium op hun schip. Ze volgden monsters verzameld van de zeebodem – inclusief polymetallische knobbeltjes – en ontdekten dat de zuurstofconcentraties toenamen, althans tijdelijk. "Ze beginnen tot een bepaald punt zuurstof te produceren. Dan stoppen ze", zegt Sweetman - vermoedelijk omdat de energie die de splitsing van watermoleculen aanstuurt, is uitgeput. Dit roept de vraag op waar deze energie vandaan komt. Als de knollen zelf als batterijen zouden fungeren en energie zouden opwekken via een chemische reactie, zouden ze al lang geleden uitgeput zijn.

Elektrisch potentieel

Maar de knobbeltjes zouden als katalysator kunnen dienen, waardoor water kan worden gesplitst en moleculaire zuurstof kan worden gevormd. De onderzoekers maten spanningen op het oppervlak van knollen en vonden spanningsverschillen tot 0,95 volt. Hoewel dit niet helemaal in de buurt komt van de 1,5 volt die nodig is om een ​​watermolecuul te splitsen, kunnen er in principe hogere spanningen worden gegenereerd, vergelijkbaar met hoe batterijspanningen kunnen worden verdubbeld door twee batterijen in serie te schakelen, zegt Sweetman.

Co-auteur Franz Geiger, een scheikundige aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, zegt dat het nog steeds onduidelijk is of de reactie ook moleculaire waterstof produceert (wat gebeurt in industriële elektrolysereacties dankzij een katalysator) of dat er protonen in het water vrijkomen terwijl de overgebleven elektronen naar elders worden geduwd. Maar het inzicht zou uiteindelijk nuttige toepassingen kunnen hebben, zegt hij. “Misschien ligt daar op de zeebodem een ​​blauwdruk die ons kan helpen betere katalysatoren te maken.”

Eva Stüeken, een biogeochimist aan de Universiteit van St. Andrews, VK, zegt dat de resultaten ook implicaties kunnen hebben voor voorstellen om te zoeken naar de signatuur van mogelijk leven in het lichtspectrum van exoplaneten. “De aanwezigheid van O2“Gas op andere planeten moet mogelijk met extra voorzichtigheid worden geïnterpreteerd”, zegt ze.

Sweetman zegt dat onderzoekers, voordat de diepzeemijnbouw begint, de gebieden in kaart moeten brengen waar zuurstof wordt geproduceerd. Anders zouden ecosystemen die afhankelijk zijn geworden van deze zuurstof kunnen instorten als de knobbeltjes worden verwijderd. “Als er grote hoeveelheden zuurstof geproduceerd worden, is dat potentieel van belang voor de dieren die daar leven.”