Op de pikkedonkere bodem van de diepzee, op vier kilometer diepte, blijkt zuurstof te worden geproduceerd. Iets wat tot nu voor onmogelijk werd gehouden. Het proces vindt hoogstwaarschijnlijk plaats aan het oppervlak van mangaanknollen, metaalrijke stenen waar mijnbedrijven hun zinnen op hebben gezet.
Zestien wetenschappers melden hun vondst in een brief communication, een korte communicatie, die deze maandag is gepubliceerd in Nature Geoscience. Ze beschrijven dat de mangaanknollen werken als een soort batterij – ze noemen het ‘geo-battery’ – die water splitst in waterstof en zuurstof.
Volgens Andrew Sweetman, eerste auteur van het artikel en hoogleraar zeebodem-ecologie en -biogeochemie bij de Scottish Association for Marine Science, heeft de vondst „behoorlijk grote implicaties”. Het idee was tot nog toe dat algen en planten via fotosynthese zuurstof maken, en dat ze daarbij zonlicht nodig hebben. De vondst werpt volgens Sweetman wellicht ook nieuw licht op de evolutie van complex leven op aarde. Het idee is dat er zo’n drie miljard jaar geleden bepaalde algen op aarde ontstonden die met zonlicht zuurstof wisten te produceren. Vervolgens was er een geleidelijke ontwikkeling van complex leven. „Nu we weten dat er misschien een andere potentiële bron van zuurstof was, moeten we dit serieus heroverwegen.” Wel moet daarvoor nog worden onderzocht of het nu beschreven proces op meer diepzeebodems plaatsvindt. En wat voor rol de zuurstof speelt voor ecosystemen daar.
Zuurstofrijk zout water
„Een spectaculaire vondst”, zegt Tanja Stratmann, biogeochemicus bij het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, en niet betrokken bij de studie. Volgens de tekstboeken, legt Stratmann uit, is de zuurstof op diepzeebodems afkomstig uit de bovenste lagen van de oceanen, waar het door fytoplankton wordt geproduceerd, met behulp van zonlicht. In het arctisch gebied zakt zuurstofrijk, zout water naar beneden, en van daaruit verspreidt dat water zich traag over diepzeebodems wereldwijd. Daar wordt zuurstof door allerlei micro-organismen verbruikt, bij de afbraak van dood organisch materiaal (plankton, vissen etc.) dat vanuit het bovenste deel van de waterkolom naar beneden is gezakt. Stratmann: „Maar nu blijkt er dus ook een onverwachte, andere bron van zuurstof.”
De onderzoekers beschrijven hoe ze hun ontdekking deden tijdens drie expedities in 2021 en 2022, in een deel van de Clarion-Clipperton-Zone in de Grote Oceaan. Deze zone is rijk aan mangaanknollen, stenen ongeveer zo groot als een tennisbal, die naast mangaan rijk zijn aan onder meer nikkel, kobalt en koper. Om experimenten te doen lieten ze een zogeheten lander naar beneden, een platform met instrumenten, meetapparatuur, camera’s, en capsules om monsters mee terug naar boven te nemen. Op de lander bevonden zich ook drie ‘kamers’ die een stukje de zeebodem in werden geduwd, en daarna afgesloten. Daarin werd de zuurstofconcentratie gemeten met zogeheten optoden. Toen bij de eerste expeditie de lander op 12 mei 2021 bovenkwam, en de bemanning de meetapparatuur uitlas, zagen ze dat de zuurstofconcentraties in de kamers waren gestegen. „Ik was kwaad”, zegt Sweetman, . „Want ik dacht dat de optoden wéér niet goed hadden gewerkt.” Weer, omdat hij bij eerdere expedities in 2015 en 2018 ook al zuurstofproductie op de diepzeebodem had gemeten. Hij had die resultaten van tafel geveegd omdat hij ze niet geloofde. „Na een expeditie stuurde ik de optoden klagend naar de leverancier. Maar die vertelde me steeds dat er niks mis mee was.”
Geen gejuich
„Voor de expeditie in 2021 hebben we extra veel tijd besteed aan het calibreren van de optoden”, zegt marien ecoloog Danielle de Jonge, derde auteur van de publicatie, en collega van Sweetman. „Ik ben er drie dagen mee bezig geweest.” Ze herinnert zich het moment dat ze in mei 2021 zagen dat de zuurstofconcentratie omhoog was gegaan. „Er was geen gejuich, maar vooral gevloek.” Het was totaal niet wat ze verwachtten. „Maar gaandeweg”, zegt De Jonge, „daalde het besef in dat we misschien op iets bijzonders waren gestuit”.
In volgende expedities gingen ze allerlei dingen controleren en afstrepen. Kon het zijn dat er ergens in de apparatuur of de kamers een lek zat, en dat er zuurstof binnen was gekomen? Dat bleek niet het geval. Ook gingen ze op zoek naar de bron van de zuurstof. Kon het een micro-organisme zijn – inmiddels zijn er een paar publicaties verschenen over micro-organismen die in het donker zuurstof kunnen produceren.
Dat bleek niet het geval, want toen ze een gif toedienden dat alle micro-organismen doodt, bleef de zuurstofproductie doorgaan. Het viel hen ook op dat de mate van zuurstofproductie verband hield met de dichtheid van de mangaanknollen. „Vervolgens zag ik in 2023 in een hotel in São Paulo een Youtube-filmpje van iemand die een mangaanknol vasthield en zei: dit is een batterij in een steen”, zegt Sweetman.
Flinke voltages
Daarna zocht hij elektrochemicus Franz Geiger aan de Northwestern University op, om metingen aan de mangaanknollen uit te voeren. „We maten flinke voltages aan het oppervlak van de knollen.” Daarmee was de hypothese, dat de mangaanknollen als een batterij werken en zuurstof produceren, geboren.
Sweetman zegt dat ze het onderzoek eerst hebben aangeboden aan Science. Dat blad wees het af. Vervolgens deden Nature en PNAS hetzelfde. Uiteindelijk besloten ze het niet als onderzoeksartikel, maar als brief communication in te dienen, zegt hij. Wetenschappelijk minder prestigieus. „Maar we wilden het gewoon zo snel mogelijk de wereld in hebben.”
Of de vondst impact zal hebben op de mijnbouwindustrie, durft Sweetman niet te zeggen. De International Seabed Authority, de VN-organisatie die regels opstelt voor grondstoffenactiviteiten op de diepzeebodem, wil in 2025 de eerste code publiceren.
