Strong currents supply food towards deep-sea reefs

~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

Underwater tropical rainforest

"Cold-water corals and sponges in the deep sea," says PhD candidate at the Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) Evert de Froe, "are known as the underwater equivalents of tropical rainforest. They are tremendously diverse: all kinds of fish, lobsters and crabs live there." The deep-sea ecosystems play a key role in the ocean carbon cycle but are under pressure of amongst other fishing activities and ocean acidification. This is why NIOZ has been researching cold-water corals and sponges for years.

The question for NIOZ researchers has long been how it is possible that there are such hotspots of biodiversity in the deep sea, because on the ocean floor it is pitch black and cold. "We also thought that there was little food available," said Dick van Oevelen, De Froe's supervisor and senior researcher at NIOZ. "But now we know better."

During this research, De Froe and Van Oevelen's team discovered how it is possible that some places in the deep sea are not at all as food-poor as scientists long thought, but that there is enough food available to support the coral reefs. To do so, he joined two expeditions with the research vessel Pelagia to Rockall Bank, an area 400 kilometers northwest of Ireland. At a depth of 700 meters, cold-water coral reefs can be found there on the ocean floor.

For the first time the exact metabolism measured of deep-sea corals

Firstly, the ocean currents at that site were investigated. De Froe: "In this area, water masses with different densities flow past one another. This creates underwater waves that can sometimes be 200 to 300 meters high. When these so-called internal waves come into contact with a coral mountain on the sea floor, a relatively strong downward current can be created that causes fresh food particles to reach the coral reefs at a depth of 700 meters."

In addition, De Froe measured a process that hadn’t been measured for cold-water coral reefs before. To do so, he sampled a quarter square meter of coral reef, with live corals, sponges and crabs in it, with a sealable box, a box core. "In such a cube with a diameter of 50 cm, the coral lives on,” explains the researcher. “We measured the inorganic nitrogen concentration, such as nitrate and ammonium in the water – before and after 24 hours. This allowed us to determine the release of inorganic nitrogen by the reef."

These measurements showed that a cold-water coral reef is a hotspot of carbon and nitrogen cycling in the deep sea. "On average, a coral reef converts five times more carbon than a sediment-only area, and therefore also needs a higher food supply to do so," he said.  The inorganic nitrogen that the coral reef emits, can in turn can be used by bacteria in the water.”

Predicting presence of deep-sea reefs

After all this De Froe wanted to answer whether he can predict on what locations deep-water reefs can be found elsewhere. Validated by the measurements, De Froe was able to develop a simulation model of food particle transport above the reef. "We don't yet know where in the worldwide oceans those deep-sea coral reefs occur and this computer model is a start to being able to predict that. If you can predict many corals in a specific area, then you can agree to protect that spot in the deep sea from human influence such as bottom-intensive fishing, oil drilling, or seismic surveys."

Sterke stromingen brengen voedsel naar riffen in de diepzee

Zeebioloog Evert de Froe ontdekte hoe het kan dat koudwaterkoralen en sponzen in de diepzee rijke riffen kunnen maken: stromingen zorgen voor de aanvoer van voldoende voedsel naar de oceaanbodem. Met een simulatiemodel kan De Froe nu de aanwezigheid van diepzeeriffen voorspellen. Op maandag 13 maart verdedigt hij bij de Universiteit Utrecht zijn proefschrift.

Tropisch regenwoud onder water

“Koudwaterkoralen en sponzen in de diepzee”, zegt promovendus aan het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) Evert de Froe, “worden gezien als het onderwater-equivalent van tropisch regenwoud. Ze zijn enorm divers: er leven allerlei soorten vissen, kreeften en krabben.” Deze diepzee ecosystemen spelen een sleutelrol in de koolstofcyclus van de oceaan en zijn hotspots van biodiversiteit. Deze bijzondere systemen staan onder druk van onder andere visserij en oceanverzuring. Daarom doet het NIOZ al jaren onderzoek naar koudwaterkoralen.

Voor NIOZ-onderzoekers speelt al langer de vraag hoe het mogelijk is dat er zulke hotspots van biodiversiteit zijn in de diepzee, want op de oceaanbodem is het aardedonker en koud. “We dachten ook altijd dat er weinig voedsel beschikbaar was,” aldus Dick van Oevelen, de begeleider van De Froe en senior onderzoeker bij het NIOZ. “Maar inmiddels weten we beter.”

Het team van De Froe en Van Oevelen ontdekte tijdens dit onderzoek hoe het kan dat sommige plekken in de diepzee helemaal niet zo voedselarm zijn als wetenschappers lang dachten, maar dat er genoeg voedsel beschikbaar is om koraalriffen te voeden. Daarvoor ging hij twee keer met het onderzoeksschip de Pelagia mee op expeditie naar Rockall Bank, een gebied 400 kilometer ten noordwesten van Ierland. Op 700 meter diepte zijn daar koudwaterkoraalriffen te vinden op de oceaanbodem.

Voor het eerst de exacte stofwisseling gemeten van diepzeekoraal

Allereerst werd onderzocht hoe het zeewater op die plek stroomt. De Froe: “In dit gebied stromen watermassa’s met verschillende dichtheden boven elkaar langs. Daardoor ontstaan onderwatergolven die soms 200 tot 300 meter hoog kunnen zijn. Als deze zogeheten interne golven in contact komen met een koraalberg op de zeebodem, kan een relatief sterke neerwaartse stroming ontstaan die ervoor zorgt dat verse voedseldeeltjes de koraalriffen op 700 meter diepte bereiken.”

De Froe mat daarnaast een proces dat nog niet eerder gemeten was voor koraalrif in de diepzee. Daarvoor werd een kwart vierkante meter zeebodem, met levende koralen, sponzen en krabben erin, bemonsterd. Monsters werden aan boord gebracht met behulp van een afsluitbare doos, een box core. “In zo’n kubus met een doorsnede van 50 cm leeft het koraal door,” aldus de onderzoeker. “Wij maten vooraf en na 24 uur de concentratie van inorganisch stikstof, zoals nitraat en ammonium, in het water. Hierdoor konden we de afgifte van inorganisch stikstof door het rif vaststellen.”

Zo ontdekte De Froe dat het koudwaterkoraalrif een belangrijk speler is in de koolstof- en stikstofcyclus in de diepzee. “Een koraalrif zet gemiddeld vijf keer zoveel koolstof om als een gebied met alleen maar zand, en heeft daarvoor dus ook een hogere voedseltoevoer nodig. Daarnaast stoot het koraalrif bijvoorbeeld veel ammonium uit, wat weer gebruikt kan worden door bacteriën in het water.”

Aanwezigheid diepzeeriffen voorspellen

Vervolgens wilde De Froe de vraag beantwoorden of hij kon voorspellen waar diepzeeriffen elders te vinden zijn. Op basis van de metingen kon hij een simulatiemodel maken van voedseltransport boven het diepzeerif. “We weten nog niet waar ter wereld in de diepzee diepzeekoraalriffen voorkomen en dit computermodel is een aanzet om dat te kunnen voorspellen. Als je bijvoorbeeld veel koralen in een gebied voorspelt, dan kun je afspreken om die plek in de diepzee te beschermen van menselijk invloed zoals bodem-intensieve visserij, olieboringen, of seismisch onderzoek.”