Stratmann onderzocht de reactie van het diepzee-ecosysteem op de winning van mangaanknollen op de bodem van de diepzee, op een waterdiepte rond 4000 meter. Ook inventariseerde zij de kansen op herstel in een experimentele setting in het Peru Bekken, in het zuidoosten van de Stille Oceaan. "Op de mangaanknollen vastzittende diersoorten, zoals koralen en sponzen, waren na 26 jaar nog steeds niet teruggekeerd", vertelt Stratmann. "Mobiele soorten blijken zich veel beter te herstellen, wat we bijvoorbeeld zagen bij de zeekomkommer."

Metalen voor smartphones
Mangaanknollen hebben de grootte van forse aardappelen en zijn zeer gewild bij mijnbouwbedrijven omdat ze relatief grote hoeveelheden kobalt, nikkel, koper en zeldzame aardmetalen bevatten. Deze metalen zijn onmisbaar in moderne producten zoals smartphones, computers en windturbines. Andere metaalbronnen in de diepzee zijn hydrothermale 'schoorstenen' en kobaltkorsten. De voorraden van deze metalen zijn in de diepzee zeer groot.

"De knollen liggen op het diepzeesediment en vormen zich zeer traag rondom een kern, bijvoorbeeld een haaientand", legt Stratmann uit. "Dit vormingsproces duurt miljoenen jaren, met een groeisnelheid van enkele mm per miljoen jaar."

Mangaanknollen op de diepzeebodem van de Stille Oceaan. Foto: Kiel ROV 6000, GEOmar.

Extreme omstandigheden
Mijnbouw in de diepzee is door de extreme omstandigheden - op grote diepte, onder hoge druk en bij lage temperatuur - zeer kostbaar.  Meerdere bedrijven investeren al decennialang in onderzoek. Stratmann: "Bedrijven uit onder meer Frankrijk, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk hebben vooral de Clarion-Clipperton Fracture Zone in het vizier, een gebied zo groot als Europa in het centrale deel van de Stille Oceaan, tussen Californië en Hawaï."

Met haar onderzoek borduurt Stratmann voort op het in 1989 uitgevoerde DISCOL-experiment ('DISturbance and reCOLonization'), toen 22% van een ca. 11 km2 groot gebied in het Peru Bekken is omgeploegd door een Duits onderzoeksteam. Het doel was om de langetermijneffecten van deze verstoring van de zeebodem op de diepzeefauna te monitoren. Stratmann voerde in 2015, 26 jaar na dato, haar onderzoek uit; viermaal eerder was de site nog door andere expedities bezocht.

Kastjes onder hoge druk
Analyse van de gehele diepzeefauna (variërend van bacteriën, organismen kleiner dan 0,25 mm, macrofauna en zeekomkommers) bracht aan het licht dat in het verstoorde sediment na 26 jaar de voedselopname door alle organismen samen nog steeds lager was dat in het controlegebied.

In de in 1989 omgeploegde delen - waarbij de mangaanknollen niet verwijderd werden, maar dieper in het sediment kwamen te liggen - bleek de gemiddelde fauna-activiteit 54% lager te liggen dan in de niet verstoorde delen. Voor filter-feeders (koralen en sponzen) was de groei zelfs 79,5% lager. De mangaanknollen zijn de enige en daardoor belangrijke vestigingsplaats voor deze filter-feeders, die hard substraat nodig hebben om zich aan te kunnen hechten.

De door het NIOZ ontworpen inCUBEator omsluit een zeekomkommer op een diepte van 4000 meter in het Peru Bekken. Foto: Kiel ROV 6000, GEOmar.

Zeekomkommers (Holothuroidea) hebben zich dankzij hun mobiliteit wel kunnen herstellen, concludeerde Stratmann. Zij onderzocht dit door de diertjes in speciale door NIOZ gebouwde kubusvormige kastjes te 'vangen' - wat een hele klus is op ruim 4 km diepte - en hun metabolisme te meten (een maat voor productiviteit).
"Het was heel spannend of de kastjes het zouden houden bij een waterdruk op 4 km diepte", aldus Stratmann, die op het onderzoeksschip alles via camera's kon observeren, gezeten naast de 'piloot' die de grijparm van de diepzeerobot bestuurde. "Soms had ik er zelfs nachtmerries van!"

Nieuwe wetgeving
Stratmann hoopt dat haar onderzoeksresultaten gebruikt zullen worden door de VN International Seabed Authority (ISA) bij het opstellen van de nieuwe Mining Code, de wetgeving voor mijnbouw in de diepzee. In een vervolgproject zal ze de invloed van sedimentpluimen op de diepzeefauna gaan onderzoeken. Die pluimen zijn eveneens een gevolg van verstoring van de diepzeebodem en verplaatsen zich met de stroming over een groter gebied, ook bij moderne technieken die de 'maritieme bedrijven toepassen waarbij de mangaanknollen worden opgezogen. In het EU-project 'Blue Nodules' werken NIOZ zeeonderzoekers samen met een aantal van deze bedrijven om de pluimen in kaart te brengen en te kijken hoe de pluimen geminimaliseerd kunnen worden.


Samenwerkende organisaties en onderzoeksprogramma's
Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van twee internationale onderzoeksprogramma’s (MIDAS-Managing Impacts of Deep-seA reSource exploitation en MiningImpact-Ecological Aspects of Deep-Sea Mining en is mede gefinancieerd door NWO (NWO-ALW grant 856.14.002).

English version

Deep sea mining causes long-term damage to ecosystem
 
The extraction of polymetallic nodules in the deep sea causes irreversible long-term environmental damage. This is the conclusion of NIOZ researcher Tanja Stratmann in her PhD thesis 'Benthic ecosystem response to polymetallic nodule extraction in the deep sea', which she defended successfully at the University of Ghent on October 1st.  Stratmann made an inventory of the consequences of the removal of metal-rich manganese nodules on the fauna on and in the deep seabed. The effects affected the filter feeders most, such as corals and sponges, which are attached to the manganese nodules on the seabed. Restoring the deep-sea ecosystem will take decades to centuries, while some species may never return.

The largest ecosystem on Earth is the abyss: the seafloor between 3,000 and 6,000 m water depth, that extends over 54% of the Earth’s surface. In some areas, the abyssal plains are covered with polymetallic nodules that lay on the sediment surface or are buried within the upper 10 cm of sediment. These nodules are composed of concretions of iron oxide-hydroxide and manganese oxide and contain relatively high concentrations of nickel, cobalt, copper, and rare earth elements. Because of their high metal content, polymetallic nodules are of economic interest. The Clarion-Clipperton Fracture Zone (CCZ) in the central Pacific, e.g., is estimated to contain more manganese, nickel, and cobalt in the form of polymetallic nodules than land-based reserves of these metals. However, a commercial extraction of nodules will have environmental impacts, such as light and noise pollution, release of toxic metals, the spreading of sediment plumes, habitat modification and destruction.

In her thesis, Stratmann investigates the response of the benthic ecosystem to the extraction of polymetallic nodules in the deep sea. She focused in particular on the response of the ecosystem to habitat modification and destruction and studied the recovery from a small-scale sediment disturbance experiment in the Peru Basin in the Pacific Ocean in 1989: “Even after 26 years, the sessile corals and sponges have not fully returned to the test-site; more mobile benthic fauna, like sea-cucumbers are more successful in recovering from the disturbance caused by mining."