Important role for cold-water coral and sponge reefs in the deep sea

~~for Dutch scroll down~~

The deep sea, below 200 meters water depth, where sunlight cannot enter, is one of the least studied environments of our planet. It is often considered an unfavorable habitat for animals due to its immense pressure, darkness and low temperatures. In addition, food supply to the deep sea is very limited, since only a small part of sinking organic matter produced at the surface ocean reaches the deep ocean. Surprisingly, sponges and cold-water corals build thriving reefs at specific sites, similar to oases occurring in an otherwise water deprived desert.

Deep-sea sponge ground is an oasis in a desert
During her PhD research at the NIOZ Royal Netherlands Institute for Sea Research, marine ecologist Ulrike Hanz mainly focused on deep sea sponges. Hanz: “The deep sea could be considered a desert in most places, but sponge grounds can form oases of biomass and biodiversity similar to shallow tropical reefs. Even after sponges die, their skeletons, which are built out of glass needles, form a thick carpet at the seafloor.” This three-dimensional structure creates an important habitat for many other species that use the reef as nursery, feeding ground, substrate or shelter.

First-time underwater observations
To determine why sponge grounds grow where they grow and how they can sustain themselves, Hanz studied the environmental conditions influencing deep-sea sponge grounds through time. “For the first time, we deployed underwater observatories, so-called ‘landers’ equipped with a variety of sensors that measured the daily and seasonal changes in temperature, salinity, currents and food supply, in the vicinity of the reefs for several months up to a year. Hanz collected her data from several places in the Atlantic Ocean: “From the Canadian Shelf, from the Arctic Mid-Atlantic Ridge between the Norwegian and Greenland Seas and from the Azores to the African margin.”

How to survive in an extreme environment
These long-term deployments showed that sponges are able to live in quite extreme conditions. Hanz: “Sponges were found in ice-cold waters of minus 0.5 degrees Celsius at the Arctic Mid-Oceanic Ridge, in nearly anoxic waters at the African margin and extremely turbid conditions at the Scotian Shelf. In all of these areas the unfavorable conditions are compensated by a constant increased food supply that is caused by specific hydrodynamic conditions, that for example influence current speed and turbulence.”

Special water conditions, so-called tidal currents, deliver water with food from above or below towards the sponge grounds, which allows them to receive enough energy in an otherwise food-limited deep-sea environment. Still, the amount of fresh organic matter arriving at the sponge grounds in the Arctic region was not enough to sustain the demands of the sponge ground community, implying that other food sources must play an important role.

Base of the deep-sea food web
Sponges are filter feeders, taking up food that is present in a constant water stream through their bodies. This food does not necessary need to be composed of bigger particles. A food web study showed that sponges are not only relying on organic matter sinking down from the surface ocean, but also take up abundant dissolved food sources from the surrounding water masses. By processing these resources they produce particulate matter, which they transfer to the associated fauna placing them at the base of the food web.

Hanz placed incubation chambers on the seafloor, deployed with remotely operated vehicles. They showed that sponge grounds are hotspots of carbon and nutrient cycling, similar to for example cold-water coral reefs. “My main outcomes are that sponges are really important for the deep sea. By creating living habitats for all kinds of animals, sponges are linking the pelagic - water - environment with the benthic - seafloor - environment, and this makes them important for the cycling of carbon and nitrogen in the deep sea.”

Possibly resilient to environmental change
Even though the effects of climate change and anthropogenic pressures are difficult to observe in the deep sea, deep-sea biological hotpots are likely influenced by similar stressors as their shallow water counterparts. The ability of sponge grounds to thrive in a large range of environmental conditions implies that they might be very resilient to environmental change. Moreover, sponges can use a multitude of food sources that might make them more competitive to other animals that do not have that ability.

On the other hand, these deep-sea ecosystems often live in a fragile equilibrium, whereby the change of a single factor can cause stress, especially since they are slow-growing and long-lived. Improved understanding of the environmental ranges suitable for the development and sustenance of biological hotspots will help to predict and model their distribution, which is vital for marine management and policy making.

Belangrijke rol voor koudwaterkoraal en sponsriffen in de diepzee

Nu de diepzee meer en meer wordt beïnvloed door menselijke druk, is het van groot belang dat we beginnen te begrijpen hoe het kan dat deze riffen groeien waar ze groeien en wat de rol van biologische hotspots is in het in stand houden van diepzee-ecoystemen. Dat was het onderzoeksdoel van zeeonderzoeker Ulrike Hanz, die op vrijdag 12 november haar proefschrift verdedigt aan de Universiteit Utrecht.

De diepzee, onder 200 meter waterdiepte, waar zonlicht niet kan doordringen, is één van de minst onderzochte omgevingen van onze planeet. Het staat bekend als een onprettige leefomgeving voor dieren want de waterdruk is er immens, het is er donker en koud. Daarnaast komt er weinig voedsel terecht in de diepzee, door maar een klein deel van het zinkende organische materiaal dat wordt geproduceerd aan het oppervlakte, de diepe oceaan bereikt. Verrassend genoeg bouwen sponzen en koudwaterkoralen grote riffen op specifieke plekken.

Diepzeesponsrif is een oase in de woestijn
Tijdens haar promotieonderzoek bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), focuste marien ecoloog Ulrike Hanz zich vooral op diepzeesponzen. Hanz: “Op de meeste plekken kun je de diepzee beschouwen als een woestijn, maar sponsriffen kunnen oases van biomassa en biodiversiteit vormen, vergelijkbaar met ondiepe tropische riffen. Zelf als sponzen dood zijn, vormen hun skeletten, die gebouwd zijn van glasachtige naalden, een dik vloerkleed op de zeebodem.” Deze driedimensionale structuur is een belangrijke leefplek voor veel andere soorten die het rif gebruiken als kraamkamer, voedselgebied, materiaal om aan vast te hechten of als schuilplaats.

Allereerste onderwaterobservatoria
Om vast te kunnen stellen hoe het kan dat sponsriffen groeien wáár ze groeien en hoe ze zichzelf in leven houden, bestudeerde Hanz de factoren in de omgeving die diepzeesponsriffen door de tijd beïnvloeden. “Als allereerste gebruikten we onderwaterobservatoria, zogeheten ‘landers’ die we voorzagen van een keur aan sensoren om gedurende enkele maanden tot een jaar de dagelijkse en seizoenale veranderingen in temperatuur, zoutgehalte, stroming en voedselaanvoer te meten in de buurt van riffen.” Hanz verzamelde haar data van verschillende plekken in de Atlantische Oceaan: “Van het Canadese continentaal plat, van de Mid-Atlantische Rug tussen de Noorse en Groenlandse Zeeën en van de Azoren tot de Afrikaanse kust.”

Hoe te overleven in een extreem milieu
Dit lange-termijn onderzoek toont aan dat sponzen in staat zijn om te leven onder nogal extreme omstandigheden. Hanz: “Sponzen zijn gevonden in ijskoud water van -0,5 graden Celsius op de Arctische Mid-Oceanische Rug, in bijna zuurstofloos water aan de Afrikaanse kust en in extreem troebele omstandigheden op het continentaal plat ten zuidwesten van Nova Scotia. In al deze gebieden werden de nadelige omstandigheden gecompenseerd door een constante grote aanvoer van voedsel, veroorzaakt door specifieke omstandigheden in het water die de snelheid van de waterstroom en de turbulentie beïnvloeden.”

Speciale watercondities, zogeheten getijdestromen, leveren water met voedsel van boven of onder aan naar de sponsriffen, wat ervoor zorgt dat ze genoeg nutrienten ontvangen in de anders voedselarme diepzee. Toch was de hoeveelheid vers organisch materiaal dat aankwam in de sponsgronden in de Arctische regio niet genoeg om te kunnen voldoen aan de vraag van de sponsgronden. Dat suggereerde dat andere voedselbronnen een belangrijke rol spelen.

Basis van het voedselweb
Sponzen filter en hun voedsel uit de waterkolom, via een constante waterstroom door hun lichaam. Dit voedsel bestaat niet noodzakelijkerwijs uit grote deeltjes. Onderzoek naar het voedselweb toonde aan dat sponzen niet alleen afhankelijk zijn van zinkend organisch materiaal uit de oppervlaktewateren, maar ook het aanwezige opgeloste voedsel opnemen uit hun omgeving. Door dit voedsel te verwerken, produceren ze deeltjes die ze doorgeven aan de dieren die om hen heen leven. Dat maakt sponzen de basis van het voedselweb.

Hanz plaatste incubatiekamers op de zeebodem, die ze uitrustte met op afstand bestuurbare robots. Ze liet zien dat sponsriffen de hotspots zijn van de koolstof- en nutriëntenkringloop, vergelijkbaar met bijvoorbeeld koudwaterkoraalriffen. “Mijn belangrijkste uitkomsten zijn dat sponzen erg belangrijk zijn voor de diepzee. Door een leefplek te creëren voor allerlei soorten dieren, verbinden sponzen de pelagische omgeving van het open water met de benthische – de zeebodem. Dat maakt hen belangrijk voor de koolstof- en stikstofcycli in de diepzee.”

Wellicht bestand tegen milieuveranderingen
Ook al zijn de effecten van klimaatveranderingen en menselijke druk op de diepzee moeilijk te observeren, biologische hotspots worden waarschijnlijk beïnvloed door vergelijkbare stressfactoren als de ondiepe varianten. Het feit dat sponsriffen kunnen overleven in een groot aantal verschillende omgevingscondities, laat zien dat ze wellicht bestand zijn tegen milieuveranderingen. Bovendien kunnen sponzen een grote hoeveelheid voedselbronnen gebruiken die hen mogelijk beter in staat stelt om de competitie met andere dieren aan te gaan die dat niet kunnen.

Aan de andere kant leven deze diepzee-ecosystemen vaak in een kwetsbaar evenwicht, waar de verandering van een enkele factor stress kan veroorzaken, zeker omdat ze langzaam groeien en lang leven. Verbeterde kennis van de kenmerken die een omgeving geschikt maken voor de ontwikkeling en overleving van biologische hotspots, zullen helpen om de verspreiding ervan te voorspellen en modelleren, wat onmisbaar is om zeeën te beheren en beleid op te stellen.