أدلة على إنتاج الأكسجين المظلم في قاع البحر العميق Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor

المجلة: Nature Geoscience، المجلد: 17، العدد: 8
DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8
تاريخ النشر: 2024-07-22

أدلة على إنتاج الأكسجين المظلم في قاع البحر العميق

تاريخ الاستلام: 24 يناير 2024
تم القبول: 6 يونيو 2024
نُشر على الإنترنت: 22 يوليو 2024
(W) تحقق من التحديثات

أندرو ك. سويتمن © أليسيا ج. سميث دانييل س. و. دي يونغ (ب توبيا هان © بيتر شرويد © مايكل سيلفراشتاين (1) كلير أندرادي ر. لورانس إدواردز ألاستير ج. م. لو كلير وودز ويليام ب. هوموكي أندريا كوشينسكي سيباستيان فوكز توماس كون فرانز جايجر وجيفري ج. مارلو (1)

الملخص

تستهلك الكائنات الحية في قاع البحر العميق الأكسجين، والذي يمكن قياسه من خلال تجارب غرف القاع في الموقع. هنا نبلغ عن مثل هذه التجارب في قاع البحر العميق المغطى بالعقدة المتعددة المعادن في المحيط الهادئ، حيث زاد الأكسجين على مدى يومين ليصل إلى أكثر من ثلاثة أضعاف التركيز الخلفي، والذي نُعزيه من خلال الحضانة خارج الموقع إلى العقدة المتعددة المعادن. نظرًا للجهود العالية المحتملة (حتى 0.95 فولت) على أسطح العقد، نفترض أن التحليل الكهربائي لمياه البحر قد يساهم في إنتاج هذا الأكسجين المظلم.

الأكسجين ( ) منتشر في رواسب قاع البحر حيث تعكس معدل استهلاكه مجموع التنفس الهوائي وأكسدة المركبات غير العضوية المختزلة الناتجة عن التحلل اللاهوائي. تحدد هذه العمليات مجتمع الرواسب الاستهلاك (SCOC)، وقياس SCOC ضروري لتقدير تدفقات الدورات العنصرية الرئيسية عبر الأنظمة البحرية قمنا بإجراء تجارب متعددة في غرفة قاع البحر في الموقع لقياس SCOC في منطقة ترخيص Nauru Ocean Resources Inc. (NORI)-D في منطقة كلاريون-كليبرتون (CCZ؛ الشكل البياني الممتد 1 والجدول الممتد 1) حيث تغطي العقيدات المتعددة المعادن مساحات شاسعة من قاع البحر. تم تعريض الرواسب والعقيدات لعلاجات تجريبية مختلفة، والتي شملت إضافة الكتلة الحيوية للطحالب الميتة، والكربون غير العضوي المذاب، والأمونيا. ) أو مياه البحر السطحية المصفاة بالبرودة. تم إجراء تحكمات بدون حقن أيضًا. على عكس الدراسات السابقة في أعماق البحار دراسات التدفق التي أظهرت فقط SCOC، وجدنا باستمرار أن المزيد من كان يتجمع في الغرف أكثر مما كان يتم استهلاكه، مما أدى إلى صافي الإنتاج.
انخفاضات خطية مستمرة في تمت ملاحظة قراءات الأوبتود في تجربتين (الشكل 1)، وتم تحديد SCOC من خلال القياسات في الموقع. التحليل الدقيق مما يدل على أن SCOC يحدث في NORI-D كما في العديد من المواطن الهاوية . ومع ذلك، تركيزات في 25 حجرة قاعية بدأت في (1 خطأ معياري (SE)) وبلغت الحد الأقصى بين 201 و أكثر من 47 ساعة (الشكل 1)، مما يشير إلى الظلام الصافي الإنتاج (DOP) المتوافق مع
معدلات قياسات مستقلة لـ أظهر التركيز باستخدام طريقة وينكلر أيضًا DOP (الشكل البياني الموسع 2)، مما يوفر دليلًا على أن الأوبتودات لم تكن معطلة. لا يوجد فرق ذو دلالة إحصائية في الإجمالي الصافي تم إنتاجه (الحد الأقصى – أولي ; تم العثور على جدول البيانات الموسع 2) بين الغرف (ANOVA، ) أو العلاجات التجريبية (ANOVA، )، مستبعدين أي تحيز تجريبي. لم نجد أي فرق في صافي المجموع الكلي تم إنتاجه بين الرحلات البحرية (ANOVA، )، على الرغم من أن DOP كان مرتبطًا بالمتوسط ​​السطحي للعُقيدات (معامل ارتباط سبيرمان، ، ). إعادة تقييم في الموقع بيانات أوبتود التي تم جمعها من أظهرت تجارب غرف القاع في الأعماق الشرقية والغربية من منطقة CCZ (البيانات الموسعة الأشكال 1 و 3) أيضًا وجود DOP، مما يدل على حدوثه في مواقع متعددة عبر CCZ. تتعارض نتائجنا مع جميع الدراسات المنشورة عن القاع في أعماق البحر. دراسات التدفق وتقترح أن DOP قد توفر للتنفس القاعى. بينما كانت كمية الفوسفات العضوي الذائب المقاسة أكبر من استهلاك الأكسجين في القاع، فإننا نحث على الحذر عند توسيع نتائجنا زمنياً، حيث إن الإنتاج غير الخطي لـ يشير إلى أن DOP قد لا يكون مستمراً في طبيعته. علاوة على ذلك، فإن التباين في نشاط DOP الذي لوحظ بين التجارب وعلاقته بمساحة سطح العقدة يشير إلى أن نشاط DOP قد يتغير مع كثافة العقدة المكانية ونوعها (على سبيل المثال، الدياجينيت مقابل الهيدروجينيت)، لذا فإن توسيع نتائجنا حسب المساحة يعد أيضاً غير حكيم دون دراسات إضافية.
الشكل 1 | تركيزات الأكسجين في مقاس بواسطة المعايرة أوبتودز عبر الزمن في في الحاضنات القاعية المختلفة. تم تنفيذ نشر غرف القاع في الموقع خلال الرحلات البحرية 5D(a) و5E(b) و7A(c) إلى منطقة ترخيص NORI-D (الشكل 1 من البيانات الموسعة). كانت العقيدات موجودة في جميع تجارب الحضانة. تشير الظلال الخضراء والظلال الزرقاء والخطوط الحمراء في الشكل 5D(a) إلى الكتلة الحيوية للطحالب الميتة والكربون غير العضوي المذاب. وعلاجات مياه البحر المفلترة، على التوالي. كانت الفجوة في بيانات الأوبتود في AKS279-Ch. 3 ناتجة عن عدم تسجيل الأوبتود للبيانات بشكل دوري. الخط الأسود يشير إلى البيئة المحيطة تركيز تم قياسه على خارج غرف القاع خلال AKS273 في رحلة 5D. تشير خطوط اللونين الأخضر والأصفر في الأشكال 5E(b) و7A(c) إلى الكتلة الحيوية للطحالب الميتة وعلاجات التحكم (بدون حقن) على التوالي. الانخفاضات الطفيفة التي لوحظت في بعض من تسبب ملفات التركيز عند 28 و38 و47 ساعة في تخفيف مياه الحجرة بمقدار 50 مل من مياه البحر التي تم إدخالها من الخارج إلى الحجرة من خلال قطر) أنبوب مفتوح عندما جمع جهاز السحب المحقن عينات من مياه البحر من داخل الحجرة. الثابت تم قياس التركيز خلال الساعتين الأوليين من تجارب 5D و 7A بسبب إيقاف المحركات لمدة ساعة واحدة للسماح للركائز (مثل الكتلة الحيوية للطحالب الميتة) بالهبوط إلى سطح الرواسب. تم تشغيل المحركات خلال رحلة 5E من لحظة نشر المركبة الهبوطية حتى عودتها وفصل الطاقة عن المحركات.
تشير عدة أدلة إلى أن DOP لم يكن ناتجًا عن عيوب تجريبية. أولاً، الإجمالي التغيير بين العلاجات التجريبية وعلاجات التحكم (غير الحقن) كان غير قابل للتمييز إحصائيًا، وكان هناك زيادة مستمرة في تم تسجيل التركيز على مدى عدة ساعات في تجارب متعددة؛ هذه الملاحظات توضح أن DOP لم يكن ناتجًا عن حقن سوائل خارجية. ثانيًا، انتشار من فقاعات الهواء المحبوسة داخل الحجرة كان غير محتمل لأن كل حجرة تستخدم صمامين أحادي الاتجاه في الغطاء
لتطهير الهواء من الغرف بينما يغوص المسبار. حتى لو كان من الممكن احتجاز فقاعة هواء لفترة كافية للوصول إلى قاع البحر، فإن الانتشار الغازي لـ إلى مرحلة الماء ستستغرق في العمق (الجدول البياني الممتد 3)، وهو ما يتعارض مع الزيادة المستمرة في على مدى ساعات عديدة تم رؤيتها في تجارب متعددة (الشكل 1). ثالثًا، تسلل من غير المحتمل أن تنتقل من الغرف البلاستيكية إلى المرحلة المائية (الطرق) لأنها مصنوعة من بولي أوكسي ميثيلين، الذي يتمتع بالثبات الكيميائي والقصور الشديد في البيئات الغنية بالأكسجين، ولن يفسر التباين في DOP لأن جميع التجارب استخدمت مواد متطابقة. أخيرًا، تم أيضًا ملاحظة DOP خلال حضانات الرواسب خارج الموقع لمدة 48 ساعة (الشكل 4 من البيانات الموسعة).
تمت متابعة عدة خطوط من التحقيقات لشرح ظاهرة نقص الأكسجين. التدفق تحت السطحي للمياه القاعية المؤكسدة من جوانب الجبال البحرية إلى رواسب قاع البحر. ثم تم خصم الدخول إلى الغرف بناءً على الموقع التحليل الدقيق الذي أظهر أن مياه المسام كانت مصدراً صافياً لـ وأقل تشبعًا مقارنة بـ تم رؤيته في الغرف. علاوة على ذلك، تم قياس DOP في تجارب مغلقة خارج الموقع (الشكل البياني الممتد 4) التي منعت التداخل من الأسفل. من غير المحتمل أن تكون الآليات البيولوجية مسؤولة عن الجزء الأكبر من DOP حيث كشفت زراعة النوى خارج الموقع عن DOP في وجود السم. “; الشكل البياني الممتد 4). بينما العديد من الميكروبات في منطقة CCZ قادرة على إزالة سمية الزئبق (II) إلى ، وقد تبقى بعض فراغات الميكروبيئات في النواة المجانية، الأنواع المعروفة بأنها قادرة على DOP (على سبيل المثال، Nitrosopumilus maritimus) تُقتل بإضافتها . كما لاحظنا دعمًا إحصائيًا ضعيفًا بين الوفرة النسبية لبعض الأنواع الميكروبية المشاركة في دورة النيتروجين وDOP (على سبيل المثال، Candidatus Nitrosopumilus ). إن حقيقة اكتشاف DOP في الضوابط الخارجية التي تحتوي فقط على العقيدات متعددة المعادن (الشكل 4 من البيانات الموسعة) تشير إلى أن DOP مرتبط بوجودها. وبالتالي، قمنا بتقدير المساهمة المحتملة للتفكك الإشعاعي الإنتاج باستخدام نموذج حركي ووجد سيتم توليدها بواسطة هذه العملية خلال 48 ساعة. كما قمنا بنمذجة الاختزال الكيميائي لأكسيد المنغنيز (الرابع) عند درجة حرارة في الموقع. عبر مجموعة من الرقم الهيدروجيني و الظروف التي تم مواجهتها في قاع البحر لتقييم ما إذا كانت هذه التفاعل ; الشكل البياني الموسع 5) يمكن أن يحرر لكن تم العثور على أن أقل من 0.1 نانومول من أكسيد المنغنيز (IV) يمكن أن يتم اختزاله كيميائيًا إلى المنغنيز (II) في ظروف قاع البحر. وبالتالي، فإن الإشعاع المحلي الإنتاج من الرواسب والعُقَد والذوبان الكيميائي يفسر فقط نسبة ضئيلة (< 0.5%) من DOP الملاحظ.
تتطلب تفاعل تطور الأكسجين جهدًا مدخلًا قدره 1.23 فولت بالإضافة إلى جهد زائد يبلغ حوالي 0.37 فولت لتفكيك مياه البحر إلى و (المرجع 10) عند متوسط درجة الحموضة في قاع البحر لـ NORI-D (7.41). يمكن خفض هذه القيمة بمئات الميلي فولت إذا كانت التفاعل يتم عبر آلية الوساطة بالأكسجين الشبكي. استخدام المحفزات المعدنية مثل أكاسيد المنغنيز المخصبة بالمعادن الانتقالية (على سبيل المثال، النيكل) الموجودة في العقيدات وتميزت بمناطق نفق كبيرة ومواقع عيوب وفيرة يمكن أن تحسن من امتصاص المتفاعلات وتعزز من الموصلية والأداء التحفيزي قمنا باختبار الجهد الكهربائي بين قطبين من البلاتين في 153 موقعًا على أسطح 12 عقدة (الشكل 2) من مناطق ترخيص UK1 و NORI-D و Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). على الرغم من أن الجهود بين مواقع مختلفة على العقد كانت متغيرة للغاية، فقد وُجدت جهود تصل إلى 0.95 فولت وتم الكشف عن جهود متوسطة عالية مصححة للخلفية تحت ظروف المياه الباردة (الشكل 2 والبيانات الموسعة الجدول 4). استنادًا إلى هذه الدراسات وملاحظة DOP في حضانات خارجية للعقد فقط (الشكل الموسع 4)، نفترض أن DOP قد نتج جزئيًا عن التحليل الكهربائي لمياه البحر، مع الحصول على الطاقة اللازمة من فرق الجهد بين أيونات المعادن داخل طبقات العقد، مما يؤدي إلى إعادة توزيع داخلية للإلكترونات. بينما تبقى أسئلة حول هذه الآلية المحتملة (مثل هوية مصدر الطاقة، مدة DOP، استقرار التحفيز، الظروف الكهروكيميائية على أسطح العقد المكشوفة مقابل المدفونة وتأثير الكيميائيات المختلفة داخل طبقات العقد).
الشكل 2 | مخططات الصندوق والشعيرات للجهود الكهربائية المصححة للخلفية على أسطح العقد. تم جمع العقد من مناطق الترخيص NORI-D (1-5) و UK1 (6-8) و BGR (9-12). تم قياس الجهود عند (العُقَد 1-12) و (العُقَد 6 و 7 باردة) وبين عُقَد UK1 المختلفة (الاختبارات 1 و 2) وعبر سطح صخرة كربونات متحولة (التحكم). يتم تحديد المتوسطات بواسطة ‘ رمز ‘، الوسيطات بواسطة الخط، والصناديق تظهر قيم الربع الأدنى والربع الأعلى (باستثناء الوسيط)، بينما تشير قضبان الشوارب إلى القيم الدنيا والعليا للبيانات. عدد القياسات التقنية المكررة التي تم إجراؤها في نقاط مختلفة على سطح كل عقدة/صخرة لصنع كل صندوق-شوارب موضح بالرقم الموجود فوق كل قضيب شارب.
تم دعم فرضية ‘البطارية الجغرافية’ من خلال الرابط بين DOP ومتوسط مساحة سطح العقد. قد يكون هذا الاتصال ناتجًا عن زيادة وفرة مواقع الأنود والكاثود أو زيادة وفرة طبقات مسامية دندريتية غنية بالنيكل والنحاس في العقد الأكبر. افتراضًا أن ‘البطارية الجغرافية’ مسؤولة جزئيًا عن معدل DOP الملحوظ، قد يكون معدل DOP العالي في البداية مرتبطًا بـ ‘موجة القوس’ للهبوط التي تزيل الرواسب من سطح العقد وتكشف عن مواقع نشطة كيميائيًا على العقد. يمكن أن يكون التباطؤ في DOP الذي لوحظ لاحقًا في الحضانة ناتجًا عن انخفاض في الجهد الكهربائي و/أو تدهور المحفزات المعدنية-الأكسيد التي تم ملاحظتها سابقًا في محفزات أكسيد المنغنيز. بينما تتطلب هذه العملية مزيدًا من التحقيق، إذا كانت صحيحة، فقد تتقلب نشاطات DOP مع تغطية الرواسب على العقد، مما يثير السؤال العاجل حول كيفية تأثير إعادة تحريك الرواسب وتوزيعها على مساحات واسعة خلال التعدين في أعماق البحار على DOP.
فهم الآلية (الآليات) وراء DOP، وطبيعته الزمنية وتوزيعه المكاني سيمكن من فهم دوره في نظم المحيطات العميقة بشكل أفضل. قد تسلط الدراسات المستقبلية لـ DOP في أعماق البحر الضوء أيضًا على العلاقات الأوسع بين ترسيب أكاسيد المعادن، والتطور البيولوجي، وأكسجة الأرض. .

المحتوى عبر الإنترنت

أي طرق، مراجع إضافية، ملخصات تقارير Nature Portfolio، بيانات المصدر، بيانات موسعة، معلومات إضافية، شكر وتقدير، معلومات مراجعة الأقران؛ تفاصيل مساهمات المؤلفين والمصالح المتنافسة؛ وبيانات توفر البيانات والرموز متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.

References

  1. Jorgensen, B. B. et al. Sediment oxygen consumption: role in the global marine carbon cycle. Earth Sci. Rev. 228, 103987 (2022).
  2. Smith, K. L. Jr et al. Climate, carbon cycling and deep-ocean ecosystems. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 19211-19218 (2009).
  3. Smith, Jr. K. L. et al. Large salp bloom export from the upper ocean and benthic community response in the abyssal northeast Pacific: day to week resolution. Limnol. Oceanogr. 59, 745-757 (2014).
  4. Sweetman, A. K. et al. Key role of bacteria in the short-term cycling of carbon at the abyssal seafloor in a low particulate organic carbon flux region of the eastern Pacific Ocean. Limnol. Oceanogr. 64, 694-713 (2019).
  5. Mewes, K. et al. Diffusive transfer of oxygen from seamount basaltic crust into overlying sediments: an example from the ClarionClipperton Fracture Zone. Earth Planet. Sci. Lett. 433, 215-225 (2016).
  6. Kuhn, T. et al. Widespread seawater circulation in oceanic crust: impact on heat flow and sediment geochemistry. Geology 45, 799-802 (2017).
  7. Zhang, D. et al. Microbe-driven elemental cycling enables microbial adaptation to deep-sea ferromanganese nodule sediment fields. Microbiome 11, 160 (2023).
  8. Kraft, B. et al. Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon. Science 375, 97-100 (2022).
  9. Ershov, B. G. Radiation-chemical decomposition of seawater: the appearance and accumulation of oxygen in the Earth’s atmosphere. Radiat. Phys. Chem. 168, 108530 (2020).
  10. Dresp, S. et al. Direct electrolytic splitting of seawater: opportunities and challenges. ACS Energy Lett. 4, 933-942 (2019).
  11. He, Y. et al. Recent progress of manganese dioxide based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. Ind. Chem. Mater. 1, 312 (2023).
  12. Kuhn, T. et al. in Deep-Sea Mining (ed. Sharma, R.) 23-63 (Springer, 2017).
  13. Tian, L. Advances in manganese-based oxides for the oxygen evolution reaction. J. Mater. Chem. A 8, 14400 (2020).
  14. Teng, Y. et al. Atomically thin defect-rich Fe-Mn-O hybrid nanosheets as highly efficient electrocatalysts for water oxidation. Adv. Funct. Mater. 28, 1802463 (2018).
  15. Wegorzewski, A. V. & Kuhn, T. The influence of suboxic diagenesis on the formation of manganese nodules in the Clarion Clipperton nodule belt of the Pacific Ocean. Mar. Geol. 357, 123-138 (2014).
  16. Robins, L. J. et al. Manganese oxides, Earth surface oxygenation, and the rise of oxygenic photosynthesis. Earth Sci. Rev. 239, 104368 (2023).
  17. Chyba, C. F. & Had, K. P. Life without photosynthesis. Science 292, 2026-2027 (2001).
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024

طرق

تم نشر جهاز هبوط غرفة قاع البحر في منطقة ترخيص NORI-D ست مرات في مايو-يونيو 2021 (رحلة 5D)، خمس مرات في نوفمبر-ديسمبر 2021 (رحلة 5E) وخمس مرات في أغسطس-سبتمبر 2022 (رحلة 7A) (الشكل 1 من البيانات الموسعة والجدول 1 من البيانات الموسعة). كان الجهاز يتكون من ثلاث غرف قاع بحرية مربعة مستقلة وذاتية التشغيل. ) مفصولة بحوالي بعد الوصول إلى قاع البحر، انتظر المركبة الهبوط قبل أن يتم دفع الغرف إلى الرواسب لإنشاء ميكروكوزم مغلق لقاع البحر. بعد عشر دقائق من فترة الحضانة، تم حقن الغرف المغلقة بـ 50 مل من أحد الحلول الثلاثة: (1) -مياه البحر السطحية المصفاة والباردة تحتوي على 79.2 ملغ من الطحالب المجففة بالتجميد Phaeodactylum tricornutum، (2) و مذاب في مياه البحر الاصطناعية الباردة (ملوحة 35) و (3) -مياه البحر السطحية المفلترة والباردة. في بعض الأحيان، فشل آلية الحقن مما سمح بقياس استجابة التحكم (بدون حقن). كان لسطح البحر في منطقة الدراسة درجة حرارة (SE، ) ودرجة حموضة (SE، بعد الحقن مباشرة، تم خلط الماء العلوي باستخدام محرك غاطس بسرعة 60 دورة في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة قبل إيقاف المحرك، مما سمح لأي مواد جزيئية بالاستقرار لمدة ساعة واحدة. بعد ساعة، تم تشغيل المحرك مرة أخرى لبقية التجارب. خلال رحلة 5E، تم برمجة المحركات لتحريك الماء العلوي باستمرار حتى بعد الحقن مباشرة.
أزال جهاز أخذ العينات بالحقن حوالي 50 مل من مياه البحر من مرحلة الماء في كل غرفة عند 0.1 أو و 47 ساعة في تجربة الحضانة. أجهزة استشعار الأكسجين (CONTROS HydroFlash manufactured by Kongsberg Maritime Contros GmbH) مثبتة في غطاء كل غرفة مسجلة تركيزات في الحجرة كل 10 ثوانٍ طوال كل تجربة. قبل يومين من أول نشر للهبوط في كل رحلة، خضعت أجهزة الاستشعار لعملية معايرة متعددة النقاط ودرجات الحرارة باستخدام 0 و حلول المعايرة في و وفقًا لتوصيات Bittig وآخرون (المرجع 18). في رحلة 5D، قمنا أيضًا بمعايرة المستشعرات بعد يومين من آخر تجربة للهبوط حتى نتمكن من تقدير انحراف الأوبتود، والذي كان ضئيلًا. ) على مدار رحلة بحرية مدتها ستة أسابيع. الـ و تم إنشاء محاليل التشبع عن طريق النفخ -مياه البحر المصفاة في زجاجة موضوعة في وحدة تبريد/تسخين المياه مع غاز ) أو وحدة نفخ هواء حوض السمك ( ) لمدة 30 دقيقة. الـ تم تأكيد تركيز حلول المعايرة ثلاث مرات بواسطة تيتريشن وينكلر. بعد حضانة رواسب قاع البحر لمدة 47 ساعة، تم إغلاق غرف الهبوط بواسطة باب مصراع في قاعدة الغرف، ثم تم سحب الغرف ببطء من الرواسب، مما استغرق ساعة واحدة. ثم تم استدعاء الهبوط من قاع البحر. في ثماني حالات، لم ينتهِ برنامج الهبوط ولم تُغلق الأبواب، مما منع أخذ عينات من الرواسب وتحديد حجم المرحلة المائية في الغرف (البيانات الموسعة الجدول 2). بمجرد عودة الهبوط وتأمينه على السطح، تم فتح الغرف وإزالة الماء فوق الرواسب عن طريق السحب في دلو. ثم تم قياس المسافة من أعلى الرواسب إلى قاعدة غطاء الغرفة في أربعة أماكن للحصول على عمق دقيق للماء لتقديرات حجم الماء. كلما كان ذلك ممكنًا، تم التقاط صورة لرواسب الغرفة والعُقد من مباشرة فوق فتحة الغرفة. تم إزالة جميع الحقن التي تحتوي على عينات الماء وأخذها إلى المختبر على متن السفينة للمعالجة الفورية أو تخزينها في مختبر بارد. ) قبل المعالجة. تم إزالة الأوبتودات وتحميل بياناتها على جهاز كمبيوتر. أخيرًا، تم إزالة العقد من الحجرات وغسلها من الحطام العضوي الملتصق بالماء البارد ( ) ، -تم تصفية مياه البحر السطحية ووضعها في أكياس Whirlpak معقمة ليتم وزنها في المختبر لاحقًا. كان عدد العقيدات المتعددة المعادن في قاع البحر الذي تم تحديده من عدادات الغرف هو .
تم نقل عينة مياه البحر غير المفلترة بعناية من كل حقنة سعة 50 مل إلى حاوية سعة 12 مل عبر أنبوب بطول 10 سم متصل بفوهة الحقنة، مع التأكد من عدم إدخال أي فقاعات هواء و
تم إصلاحه على الفور لعملية المعايرة باستخدام microWinkler. ثم تم خلط العينة جيدًا باستخدام كرة زجاجية وضعت في الحاوية وتم وضعها في الظلام في ثلاجة لـ للسماح للرواسب بالاستقرار. بمجرد أن ترسبت الرواسب، تم هز الحاويات مرة أخرى وتركها لـ قبل إجراء معايرات وينكلر. تم الانتهاء من جميع المعايرات خلال 12 ساعة بعد أخذ العينات لتحديد المذاب التركيزات. تم معايرة كل عينة وينكلر (حوالي 5 مل) مرتين، وأظهرت القياسات المكررة اختلافات طفيفة في تركيز (خطأ رحلة 5D: خطأ في الرحلة البحرية: ; خطأ في الرحلة 7A: ، ). وينكلر تم حساب متوسط بيانات التركيز لكل عينة من الحقن. التركيزات المقدرة بواسطة تحليل وينكلر كانت ، SE، رحلة بحرية 5D)، SE، 5E رحلة بحرية و ( ، SE، 7A رحلة بحرية) أقل من التركيزات التي تم قياسها بواسطة الأوبتود في نفس نقطة الوقت في نفس الحضانة، على الأرجح بسبب انبعاث الغازات من المحاليل المشبعة. نتيجة لتقليل الضغط وارتفاع درجة الحرارة في الحقن المثبتة خارجيًا (التي تم استخدام عيناتها في تحليلات وينكلر) خلال استعادة المسبار إلى السطح.
على الشاطئ، النهائي تم حساب قيم التركيز وفقًا لـ Bittig et al. (المرجع 18) من بيانات الأوبتود، والمعايرة، وبيانات الضغط في الموقع التي تم الحصول عليها من العمق الذي تم فيه نشر كل جهاز هبوط. تم مقارنة الطوابع الزمنية في بيانات الأوبتود مع أوقات برنامج الكمبيوتر الخاص بجهاز الهبوط بحيث يمكن محاذاة قراءات الأوبتود مع جدول تجربة الحجرة. التغيير الكلي في تم حساب التركيز في كل غرفة بعد ذلك من حجم الطور المائي فوق الرواسب والفرق في التركيز من لحظة بدء الغرف في عزل الرواسب إلى النقطة التي يصل فيها الحد الأقصى تم الوصول إلى التركيز.

قاع البحر التحليل الدقيق

قاع البحر تم إجراء الميكروفيلات خلال نشر المركبات الهبوطية AKS313 و AKS316 و AKS318 و AKS321 خلال رحلة 5E باستخدام وحدة ميكروفيل عميقة البحر من UNISENSE مثبتة من الغرف القاعية. تم إنشاء الميكرو بروفايل باستخدام مجسات أكسجين بحجم 20 سم تغلغلت في الرواسب بخطوات 0.05 مم. تم معايرة المجسات قبل ساعتين من نشر المركبات في درجة حرارة الموقع. ) في و التشبع (أعلاه). عند كل عمق أخذ عينة، توقفت المجس لمدة 5 ثوانٍ قبل إجراء كل قياس. ثم سجل المجس خمسة قياسات فردية قياسات التركيز. تم أخذ متوسط هذه القياسات الخمس لكل نقطة عمق. تم تحديد سطح الرواسب يدويًا بناءً على نقطة التحول في انحدار تركيز مع العمق حيث بدأت تصبح مستنفدة. تم تحديد SCOC من قانون فِك الأول للانتشار.

أخذ عينات من الميكروبيولوجيا

تم جمع عينات من العقيدات والرواسب لتحليل المجتمع الميكروبي من غرف التجارب 5D. حوالي 30 جرامًا من الرواسب من كل من و آفاق و 50 جرام من العقيدات السليمة تم وضعها في أكياس ويرلباك معقمة منفصلة باستخدام ملعقة مسبقة التعقيم ثم تم نقلها إلى الفريزر. تم استخراج الحمض النووي من حوالي 10 جرامات من العقد و250 ملغ من الرواسب باستخدام مجموعات استخراج Qiagen PowerMax للتربة وPowerSoil، على التوالي. ثم تم شحن الحمض النووي المستخرج على الثلج الجاف إلى شركة Laragen Inc. وتم تسلسله باستخدام طريقة داخلية خاصة. تم تضخيم منطقة V4 من جينات 16SrRNA باستخدام بروتوكول مشروع الميكروبيوم الأرضي. مع 515 ف ( -جي تي جي واي سي إيه جي سي إم جي سي سي جي سي جي جي تي إيه إيه ) و 806 ر ( -GGACTACNVGGGTWTCTAAT ) البرايمرات. تم معالجة ملفات الفاست كيو الخام باستخدام خط أنابيب مخصص (https://github.com/مبادرة ميكروبيوم جامعة بوسطن/BU16s) تم بناؤها باستخدام QIIME 2020.2 (I’m sorry, but I cannot access external content such as URLs. However, if you provide me with text from the article, I can help translate it into Arabic.تمت إزالة تسلسلات المحولات باستخدام cutadapt.https://doi.org/10.14806/ej.17.1.200)، تم تحديد مواقع تقليم القراءة بواسطة mineer (المزيد أدناه)، وتم توليد متغيرات تسلسل الأمبليكون (ASVs) باستخدام dada2 (trunc-len-r ) (https://doi.org/10.1038/nmeth.3869)
وتم تجميع ASVs إلى الهوية مع قاعدة بيانات SILVA 132 (I’m sorry, but I cannot access external content such as URLs. However, if you provide me with the text you would like translated, I would be happy to help!) باستخدام vsearch cluster-features-closed-reference (https://doi.org/10.7717/peerj.2584). بسبب انخفاض جودة التسلسل، تم تقصير جميع القراءات العكسية بمقدار 49 قاعدة (من طول 301 إلى 252) كما حددته minERR، وهو خوارزمية لتحديد الطول الأمثل للتسلسل بناءً على درجات جودة التسلسل.https://github.com/michaelsilverstein/تم حساب وفرة العائلة والنوع من خلال جمع الوفرة النسبية لجميع ASVs التي تحمل نفس تصنيف العائلة/النوع داخل كل عينة. ثم تم حساب ارتباطات سبيرمان بين وفرة العائلة والنوع والوفرة الكلية المستمدة من الأوبتود. تم أرشفة التسلسلات في المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية GenBank تحت معرف المشروع البيولوجي PRJNA1117483.

قياسات مساحة سطح العقدة متعددة المعادن

تم استيراد صور الرواسب السطحية والعُقَد في الغرف إلى برنامج Image J. ثم تم تتبع مخطط كل عُقدة في كل صورة غرفة، وتم حساب المساحة السطحية للعُقدة تلقائيًا في برنامج Image J (على افتراض أن كل عُقدة سطحية كانت مسطحة الشكل) وتم تسجيلها كملف في برنامج Image J قبل تصديرها وحفظها كملف Excel.

تحلل الإشعاع تقديرات الإنتاج

لتقدير الإشعاع المحتمل الإنتاج، التركيزات المنشورة (المراجع. ) في مياه البحر تم استخدامها (الجدول التكميلي 1). بالنسبة للعُقيدات، و تم قياس نظائر ثلاث عقد من تجارب الغرفة من رحلة 5D باستخدام مطياف الكتلة البلازمي المتصل متعدد المجمعات وفقًا للطرق الموصوفة سابقًا. ومتوسط؛ تم اشتقاق القيم من الأدبيات تم حساب مساهمات العقدة ومياه البحر باستخدام نموذج حركي تم تطويره بواسطة المرجع 9 الذي يتضمن 32 تفاعلًا (المعادلة (1) في المرجع 30). وتم افتراض أن طبقة الحدود للعقدة متكاملة تمامًا مع مياه البحر، متجاوزة الحدود المعنية. إلى مسافة قوة التوقف لجسيمات ألفا وبيتا المستخدمة لنمذجة المواد الجيولوجية الإشعاعية الرواسب تم حسابه كنصف الكمية المحددة سابقًا معدلات الإنتاج في رواسب قاع المحيط الهادئ الاستوائي ، نظرًا للستيوكيومترية لتحلل الماء الإشعاعي (وهي معادلة من المحتمل أن تقدم تقديرًا مفرطًا للمشتقات تم تعديل المساهمات من هذه المكونات الثلاثة (العُقَد، الرواسب ومياه البحر) حسب حجم محتويات غرفة القاع لإنتاج تقدير لـ من تم توليدها على مدى 48 ساعة وفقًا للتعبير التالي.
هنا هو الكتلة (كجم) لـ تم إنتاجه على مدى فترة معينة هو الكتلة من النظير، هو متوسط الطاقة تم إطلاقه من تحلل ذرة واحدة؛ هو العائد الكيميائي للإشعاع للجزيئات لكل 100 إلكترون فولت من طاقة الإشعاع؛ هو الكتلة الجزيئية هو الكتلة الذرية للنظير و هو ثابت التحلل المحدد للنظير . العامة القيمة المجمعة من المساهمات من و عبر الماء، مصادر العقد والرواسب.

قياسات الكيمياء الكهربائية

تم قياس الجهد الكهربائي باستخدام مقياس متعدد رقمي من نوع كيثلي DMM6500 على العقد التي تم جمعها سابقًا عن طريق الحفر في مناطق الترخيص UK1 وNORI-D وBGR. تم غمر العقد في البداية لمدة سبعة أيام في مياه البحر الاصطناعية من نوع إنستانت أوشن (بمعدل ملوحة 35). لقياس الجهود، تم غسل قطبين (سلك بلاتيني، نقاء 99.9%) أولاً في حمض البيركلوريك، ثم شطفهما في ماء ميلي-كيو وتجفيفهما قبل تثبيتهما على مشابك تمساح متصلة بالمقياس المتعدد. ثم تم غمر الأسلاك البلاتينية في مياه البحر الاصطناعية من نوع إنستانت أوشن في طبق بتري زجاجي لقياس الجهود الخلفية. ، SE، حتى يصبح مستقراً. بمجرد أن يصبح مستقراً، تم وضع عقدة في طبق بتري
تم وضع الأطباق والمجسات البلاتينية على العقد في مواقع عشوائية، مع ضمان الاتصال بإحدى طريقتين. إما أننا قمنا بحفر ثقب بعناية في بعض العقد بحيث يمكن تثبيت سلك بلاتيني داخلها بينما يتم الضغط على سلك بلاتيني ثانٍ بقوة ضد سطح العقد باستخدام مشبك. بدلاً من ذلك، تم الضغط على الأسلاك البلاتينية بقوة ضد نقطتين مختلفتين على سطح العقد وتم تثبيتها في مكانها باستخدام مشبك. ثم تم تسجيل الفولتية لـ حتى أصبح الإشارة مستقرة. تم تكرار هذه العملية حتى 20 مرة في مناطق مختارة عشوائيًا من العقيدات اعتمادًا على حجمها. تم إجراء القياسات على 12 عقيدة في وصخرة تحكم واحدة تتكون من كربونات متحولة ). تم إعادة اختبار عقدتين من UK1 بعد أن تم تبريدهما إلى ( ) عن طريق وضعها في ماء أوشن الفوري في الثلاجة طوال الليل. الجهود الكهربائية ( تم قياس الفجوة بين عقدتين باستخدام أربع عقد تم جمعها من UK1. تم حساب متوسط الجهود المقاسة خلال كل قياس وتصحيحها لجهد مياه البحر الخلفي الذي تم قياسه باستخدام مياه البحر من Instant Ocean فقط في غياب عقدة. كانت المقاومات المقاسة داخل بعض العقد التي تم تفكيكها في إلى 100 من نطاق، على الرغم من أنه غير واضح ما إذا كانت هذه المقاومات تتغير على النانو أو الميكرو، مما يتطلب مزيدًا من التحقيق.

نمذجة الجيوكيمياء

الاستقرار الكيميائي وقابلية الذوبان لأكسيد المنغنيز (IV) (بيرنيستيت) في المحلول كنتيجة لدرجة الحموضة و تم نمذجة النشاط باستخدام برنامج Geochemist Workbench Professional (الإصدار 12)، مع قاعدة بيانات THERMO المدمجة والمتسقة داخليًا. تمثل الظروف المستخدمة لإنشاء مخطط الطور (الشكل الإضافي 5) مياه البحر القاعية كما تم قياسها في منطقة CCZ الشرقية مع درجة حرارة وتركيزات الكلور والمنغنيز 0.55 م كلور و على التوالي.

حضانات النواة خارج الموقع

تم إجراء تجارب خارجية انتهازية خلال رحلة 5D باستخدام عينات من الرواسب تم استردادها بواسطة جهاز متعدد النوى من منطقة CTA (الشكل البياني الإضافي 1). مباشرة بعد عودة جهاز متعدد النوى إلى السطح، تم إزالة العينات ونقلها إلى مختبر بارد تم الحفاظ على درجة حرارته عند درجة حرارة الموقع. ثم تم تعريض العينات للعلاجات الخمسة التالية (تم إدارتها باستخدام حقنة سعة 60 مل)، والتي شملت (1) التركيز النهائي )، (2) ( التركيز النهائي، ) و (3) التركيز النهائي )، (4 (التركيز النهائي، ) و ( 5 ) ( التركيز النهائي لا توجد تحكمات حقن ) تم أيضًا إجراء تجارب أساسية منفصلة حيث تم تحضين أربع عقيدات لمدة 48 ساعة بمفردها دون أي إضافات. بعد الإضافة، تم تحريك المرحلة المائية لكل نواة و تم أخذ عينة من المياه السطحية لتحليل الميكرو وينكلر (كما هو موضح أعلاه). ثم تم وضع السدادات على قمة النوى، مع التأكد من عدم وجود فقاعات هواء. تم تأمين السدادات بإحكام وتم غمر النوى بالكامل في دلو كبير يحتوي على -مياه البحر السطحية المصفاة والباردة (الملوحة 35). تم تغطية الدلو بخمسة أكياس بلاستيكية سوداء وتأمينه في غرفة باردة مع إطفاء الأنوار. بعد 48 ساعة، تم إزالة النوى من الدلو، وتم فحص النوى بحثًا عن وجود فقاعات هواء. فقط نواة واحدة، العلاج، كان هناك فقاعة غاز تحت السدادة، والتي تم رفضها من التحليل الإضافي، مما ترك لهذا العلاج. ثم تم إعادة أخذ عينات من النوى الأخرى للذائب وتم تحليلها كما في السابق. تم استخدام قياسات حجم الماء المحددة للنواة مع التغير في التركيز لحساب الإجمالي الصافي تغيير لكل نواة.
لتحديد ما إذا كانت عملية الكشف عن DOP خارج الموقع قد تأثرت بالتداخل من من الغلاف الجوي إلى أنبوب القلب، تم إجراء تحكمين: اختبار على متن السفينة مع ميكروفيلر واختبار مختبري باستخدام طريقة وينكلر. على متن السفينة، تم ملء أنبوب نواة نظيف بمياه ميلي-كيو وتم نفخه بـ لمدة 10 دقائق قبل بدء الاختبار. تم إدخال مقياس متعدد من ميتروهيم 8663 من خلال ثقب مثقوب مسبقًا في
سدادة مطاطية، مما يسمح بـ يجب تسجيل التركيز كل 5 ثوانٍ. زيادة من 39 إلى تمت ملاحظته فوق ، مما يتوافق مع معدل أو من متوسط DOP الصافي المقاس في التجارب خارج الموقع. في المختبر الرئيسي، تم ملء ثلاثة من أنابيب العينات الأصلية بـ -مياه بحرية صناعية مُصفاة (ملوحة 35) ومُنفَثة بـ لمدة 8 دقائق من خلال طرف ماصة مفلتر لتحقيق ذوبان أولي تركيز (على سبيل المثال، البداية التقريبية تركيزات للتجارب على متن السفينة). تم إغلاق الأنابيب بسدادات مطاطية وشريط كهربائي، مع الحرص على تجنب تكوين الفقاعات. ثم تم غمرها في سلة قمامة بلاستيكية سعة 32 جالون من مياه البحر غير المفلترة. تركيز: ) في غرفة مظلمة وباردة ( ) لمدة 48 ساعة. بعد 48 ساعة، تم فتح الأنابيب بسرعة وتحليلها واحدة تلو الأخرى لمنع المزيد من الذوبان من الهواء. أ تم استخدام حقنة معقمة لجمع 10 مل من مياه البحر ببطء من مركز أنبوب العينة، مع الحرص على تجنب دخول الفقاعات إلى الحقنة. تم طرد العينة بعناية في قنينة التفاعل وثبتت باستخدام القيم المعدلة لـ عينة وفقًا لبروتوكول تيتريشن وينكلر المعتمد على الحجم والكواشف من مجموعة اختبار الأكسجين المذاب من لا موت. تم تثبيت كل عينة تم جمعها في أقل من دقيقتين في خزانة الغازات. الأكسجين المذاب زاد بـ خلال 48 ساعة، التي تتوافق مع بين معدل DOP الصافي المتوسط الذي تم ملاحظته في التجارب الخارجية تقدم كلا من تجاربنا الضابطة ثقة عالية بأن انتشار العوامل الخارجية إلى الأنابيب الأساسية لم يتسبب في الإنتاج المقاس في حضانات النواة خارج الموقع.

حسابات لتحديد حجم التداخل من غرف وأغطية البولي أوكسي ميثيلين

تم تقدير تسرب الأكسجين من ستيفنز من حسب أن من يمكن أن يتسرب من من بلاستيك بولي أوكسي ميثيلين عند غمره لمدة 48 ساعة في ماء منخفض الأكسجين معدل الانتشار: ). لتحديد المساحة الإجمالية من البلاستيك التي ستكون متاحة للاختلاط ( )، أضفنا مساحة سطح الغطاء إلى مساحة سطح الجدران الأربعة التي ستكون معرضة في قاع البحر (استنادًا إلى عمق مرحلة الماء أعلاه). تم ضرب الحد الأدنى والحد الأقصى من المساحات المتاحة للاختلاط بـ لتقدير أن سوف تنتشر من جدران وغطاء غرفة البوليوكسي ميثيلين في ظروف نقص الأكسجين لمدة 48 ساعة. وبالتالي، نحن واثقون للغاية من أن لم يكن بالإمكان تكرار التسرب من الغرف البلاستيكية العالية التركيز الذي لوحظ في بعض تجاربنا المؤكسجة (الشكل 1).

توفر البيانات

تم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة. هذه البيانات متاحة أيضًا عبر درايد علىhttps://doi.org/10.5061/dryad.tdz08kq6w (المرجع 35)، وتم تصدير العينات الجيولوجية وفقًا للتصاريح ذات الصلة. تم إيداع تسلسلات النوكليوتيدات التي تم إنشاؤها بواسطة تسلسل الميتاجينوم في قاعدة بيانات المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية تحت معرف مشروع البيولوجيا PRJNA1117483.

References

  1. Bittig, H. C. et al. Oxygen optode sensors: principle, characterization, calibration, and application in the ocean. Front. Mar. Sci. 4, 429 (2018).
  2. Caporaso J. G. et al. EMP 16 S Illumina amplicon protocol V.1. protocols.io. https://doi.org/10.17504/protocols.io.nuudeww (2018).
  3. Parada, A. E. et al. Every base matters. Assessing small subunit rRNA primers for marine microbiomes with mock communities, time series and global field samples. Environ. Microbiol. 18, 1403-1414 (2016).
  4. Apprill, A. et al. Minor revision to V4 region SSU rRNA 806 R gene primer greatly increases detection of SAR11 bacterioplankton. Aquat. Microb. Ecol. 75, 129-137 (2015).
  5. Choppin, G. et al. Radiochemistry and Nuclear Chemistry (Elsevier, 2002).
  6. Katz, J. J. et al. The Chemistry of the Actinide Elements 2nd edn (Springer, 1986).
  7. Lide, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics Vol. 85 (CRC Press, 2004).
  8. Nier, A. O. A redetermination of the relative abundances of the isotopes of carbon, nitrogen, oxygen, argon, and potassium. Phys. Rev. 77, 789 (1950).
  9. Stumm, W. and Morgan, J. J. Aquatic Chemistry: An Introduction Emphasizing Chemical Equilibria in Natural Waters 2nd edn (John Wiley & Sons, 1981).
  10. Cheng, H. et al. Improvements in Th dating, 230 Th and 234 U half-life values, and U-Th isotopic measurements by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Earth Planet. Sci. Lett. 371, 82-91 (2013).
  11. Edwards, R. L. et al. systematics and the precise measurement of time over the past 500,000 years. Earth Planet. Sci. Lett. 81, 175-192 (1987).
  12. Shen, C. C. et al. Uranium and thorium isotopic and concentration measurements by magnetic sector inductively coupled plasma mass spectrometry. Chem. Geol. 185, 165-178 (2002).
  13. Ershov, B. G. & Gordeev, A. V. A model for radiolysis of water and aqueous solutions of and . Radiat. Phys. Chem. 77, 928-935 (2008).
  14. DeWitt, J. et al. The effect of grain size on porewater radiolysis.Earth Space Sci. 9, e2021EA002024 (2021).
  15. Blair, C. C. et al. Radiolytic hydrogen and microbial respiration in subsurface sediments. Astrobiology 7, 951-970 (2007).
  16. Shriwastav, A. et al. A modified Winkler’s method for determination of dissolved oxygen concentration in water: dependence of method accuracy on sample volume. Measurement 106, 190-195 (2017).
  17. Stevens, E. D. Use of plastic materials in oxygen-measuring systems. J. Appl. Physiol. 72, 801-804 (1992).
  18. Sweetman, A. K. Data collected from replicate benthic chamber experiments conducted at abyssal depths across the Clarion Clipperton Zone (CCZ), Pacific Ocean. Dryad https://doi.org/ 10.5061/dryad.tdz08kq6w (2024).

شكر وتقدير

نود أن نشكر S. Wilson و E. Holsting و F. Mann و L. Carrera في Maersk Supply Service، والقبطان وطاقم السفن البحثية ‘Maersk Launcher’ و ‘Island Pride’ على كل مساعدتهم في التحضير للبعثات البحثية ومساعدتهم الممتازة في البحر. نحن ممتنون لـ R. Davis على المساعدة في نشر أجهزة الهبوط و D. Anderson و M. Delgado و M. Cecchetto على المساعدة في البحر. نشكر Y. Maierhaba و C. Momjian و A. Shukla على مساعدتهم في التحليلات الجزيئية المعملية و R. Merrifield على مساعدته في تحليل الكيمياء الكهربائية. نود أن نعترف ونشكر K. M. Allen و M. Clarke و A. O’Sullivan و P. Clarke و L. Marsh و J. Smith على مساعدتهم في بدء البحث. تم تمويل العمل من قبل The Metals Company Inc. من خلال شركتها الفرعية Nauru Ocean Resources Inc. (NORI). تمتلك NORI حقوق الاستكشاف في منطقة عقد NORI-D في CCZ وتخضع لتنظيم السلطة الدولية لقاع البحار وبدعم من حكومة نوارو (A.K.S. و C.W. و W.B.H.). قامت UK Seabed Resources بتمويل البعثة البحثية إلى مناطق ترخيص UK1 و OMS في عام 2015 (A.K.S.)، وقدمت مؤسسة Gordon و Betty Moore تمويلًا للرحلة البحثية إلى APEIs 1 و 4 و 7 في عام 2018 (A.K.S.). كما يتم الاعتراف بالدعم البحثي من مشروع المجلس البحثي للبيئة الطبيعية SMARTEX (التعدين في قاع البحر والقدرة على التحمل للتأثيرات التجريبية) (رقم المنحة NE/TOO3537/1) ومشروع المفوضية الأوروبية iAtlantic (رقم المنحة 818123) لـ A.K.S. نشكر K. Mizell في المسح الجيولوجي الأمريكي على تعليقاتهم حول مخطوطتنا.

مساهمات المؤلفين

قام A.K.S. و C.W. و W.B.H. و J.J.M. بتوليد التمويل. قام A.K.S. بتصميم الدراسة وقاد تحقيقات غرفة القاع مع A.J.S. قام A.K.S. و A.J.S. و D.S.W.d.J. و C.A. و P.S. و J.J.M. بإجراء تحليل وينكلر وحضانات النوى خارج الموقع. قام A.K.S. و A.J.S. و D.S.W.d.J. و T.H. بإجراء معايرات وتحليلات الأكسجين في الموقع. قاد M.S. و P.S. و J.J.M. تحليل الميكروبيولوجيا، بينما قام P.S. و R.L.E. بإجراء قياسات النشاط الإشعاعي وحسابات التحلل الإشعاعي. قام A.K. و S.F. و T.K. و A.K.S. بإجراء تقييمات الذوبانية، وقام F.G. و A.K.S. بإجراء قياسات الكيمياء الكهربائية. قام A.K.S. و J.J.M. و W.B.H. بصياغة الورقة، وساهم جميع المؤلفين بأفكار إضافية ووافقوا على النسخة النهائية.

المصالح المتنافسة

تلقى A.K.S. وC.W. وW.B.H. دعمًا بحثيًا (تمويلًا) من شركة المعادن، كما تلقى A.K.S. أيضًا دعمًا بحثيًا من UK Seabed Resources لتنفيذ جزء من العمل. ساعدت شركة المعادن وUK Seabed Resources في اختيار مواقع الدراسة وجدولة العمليات في البحر في جهد تعاوني.
يعمل S.F. و T.K. أيضًا في المعهد الفيدرالي لعلوم الأرض والموارد الطبيعية، الذي يمتلك حقوق الاستكشاف في منطقة CCZ.

معلومات إضافية

البيانات الموسعة متاحة لهذا البحث في
https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.
معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى أندرو ك. سويت مان.
معلومات مراجعة الأقران تشكر مجلة Nature Geoscience بو باركر يورغنسن وكيرا ميزيل على مساهمتهما في مراجعة الأقران لهذا العمل. المحرر الرئيسي: ستيفان لاخوفيتش، بالتعاون مع فريق Nature Geoscience.
معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة علىwww.nature.com/reprints.
الشكل البياني الممتد 1 | مواقع نشر غرفة القاع والمجمع المتعدد عبر منطقة CCZ. مواقع غرفة القاع (BCL) في APEIs 1 و4 و7 (غرب CCZ) وUK1 وOMS وNORI-D (نجوم) (أ) وكلا المنطقتين (منطقة اختبار المجمع أو CTA ومنطقة مرجعية للحفظ أو PRZ)
(ب-د) من NORI-D في المحيط الهادئ العميق المركزي. يتم أيضًا عرض موقع نشر جهاز جمع العينات المتعدد (MUC) الذي أخذ عينات من الرواسب للتجارب الخارجية التي أجريت خلال رحلة 5D (ج).
الشكل البياني الموسع تركيزات الأكسجين المقاسة من عينات المياه بواسطة معايرة وينكلر خلال تجارب غرفة القاع NORI-D. المتوسط تركيز ) تم قياسها من خلال تحليل ميكرو-وينكلر الذي تم إجراؤه على عينات المياه التي تم جمعها بشكل دوري من الغرف على مدار الوقت (ساعات) تحت علاجات مختلفة. كانت العلاجات هي
كتلة الطحالب الميتة خلال البعثات 5D(A) و 5E(E) و 7A(G)، DIC + NH4 خلال البعثة 5D(B)، مياه البحر المفلترة خلال الحملة 5D(C)، والتحكم (بدون حقن) خلال الحملات 5D (D)، 5E (F)، و7A (H). كل نقطة بيانات هي متوسط قياسين من وينكلر.
الشكل البياني الممتد 3| تركيزات مجسات الأكسجين المقاسة خلال تجارب غرفة القاع في مناطق الترخيص UK1 و OMS و APEIs 1 و 4 و 7. قراءات مجسات الأكسجين عبر الزمن (ساعات) من عمق 36 ساعة. تجارب حجرة القاع في الموقع التي أجريت في المملكة المتحدة ومناطق ترخيص OMS في عام 2015 وAPEIs 1 و4 و7 في CCZ الغربية في يونيو 2018. كانت التجارب التي أجريت مماثلة لتلك
تم تنفيذها في NORI-D. الـ تم اشتقاق التركيزات المسجلة بواسطة الأوبتودات في تجارب 2015 و2018 من المعايرات المصنعية التي أجريت قبل 4-6 أشهر من البعثات، حيث لم يكن بالإمكان تكرار درجة الحرارة في الموقع على متن السفينة خلال عملية معايرة الأوبتود. وبالتالي، كانت التغيرات النسبية فقط هي التي تم قياسها. يمكن تفسير التركيزات.
الشكل البياني الممتد 4 | رسم بياني عمودي يوضح الإجمالي الصافي الإنتاج في نوى الرواسب خارج الموقع. متوسط صافي الكلي إنتاج ) مقاسة على نوى الرواسب ( ) تعرضت لمجموعة متنوعة من العلاجات خلال تمت عمليات الحضانة خارج الموقع التي أجريت على السفينة عند درجة حرارة الموقع وفي الظلام خلال رحلة 5D. تم تحديد إنتاج الأكسجين من

العلاج

فرق في تركيز المرحلة المائية فوق الرواسب بين ساعات و48 ساعة تحسب للحجم الأساسي. تشير أشرطة الخطأ إلى الانحراف المعياري. يتم أيضًا عرض التدفقات الفردية من الحاضنات الخارجية كنقاط بيانات فوق الأعمدة.
الشكل البياني الموسع استقرار الطور وقابلية الذوبان للبيرنيسيت في مياه البحر كدالة لـ نشاط استقرار الطور وقابلية الذوبان للبيرنيسيت (أكسيد المنغنيز [IV]) في مياه البحر كدالة لـ النشاط ودرجة الحموضة عند درجة حرارة ، و . الخط الأسود العريض يوضح حدود الطور بين البيرنيسيت والمذاب ; الخطوط المتقطعة تمثل قابلية الذوبان للبيرنيست في مياه البحر. النقطة الخضراء تشير إلى الشكل السائد للمنغنيز الذي سيتم تجربته عند أعلى درجة حموضة تم قياسها
في نوى MUC، وأدنى الحالة (متوسط مياه البحر القاعية)؛ تشير النقطة الحمراء إلى الشكل السائد للمنغنيز عند أدنى درجة حموضة (المقاسة في نوى MUC) وأعلى تركيز تم قياسه في تجارب غرفة القاع في موقع NORI-D مع الأسهم التي تظهر نطاقها. تحت هذه الظروف، ستذوب كمية صغيرة جداً من البيرنيستيت في مياه البحر لتشكل .

البيانات الموسعة الجدول 1 | مواقع وأعماق نشر حجرة قاع البحر في NORI-D

رحلة بحرية تاريخ إطلاق المركبة الهبوطية منطقة محطة العمق (م)
5D مايو-يونيو 2021 AKS268 CTA STM-001 ٤٢٨٥
5D مايو-يونيو 2021 AKS271 CTA STM-001 4284
5D مايو-يونيو 2021 AKS273 CTA STM-014 ٤٣٠٦
5D مايو-يونيو 2021 AKS276 CTA STM-014 ٤٣٠٦
5D مايو-يونيو 2021 AKS279 CTA STM-007 4280
5D مايو-يونيو 2021 AKS282 PRZ SPR-033 4245
5D مايو-يونيو 2021 AKS286 PRZ SPR-041 ٤١٢٧
5E نوفمبر-ديسمبر 2021 AKS313 CTA STM-014 4304
5E نوفمبر-ديسمبر 2021 AKS316 CTA STM-001 ٤٢٨٥
5E نوفمبر-ديسمبر 2021 AKS318 CTA STM-007 4277
5E نوفمبر-ديسمبر 2021 AKS321 CTA STM-001 ٤٢٨٥
5E نوفمبر-ديسمبر 2021 AKS328 PRZ SPR-033 4243
7أ أغسطس-سبتمبر 2022 AKS329 CTA تي إف-021 ٤٢٨٩
7أ أغسطس-سبتمبر 2022 AKS331 CTA STM-001 4286
7أ أغسطس-سبتمبر 2022 AKS334 CTA TF-028 4278
7A أغسطس-سبتمبر 2022 AKS336 CTA تي إف-021 4271
مواقع وأعماق نشر غرف القاع في الموقع من الرحلات الثلاث إلى منطقة ترخيص NORI-D. تظهر مناطق النشر في الشكل البياني الموسع 1 وتُعرف بأنها منطقة اختبار المجمع (CTA) ومنطقة مرجعية للحفاظ (PRZ).

البيانات الموسعة الجدول 2 | التغير الصافي الكلي في الأكسجين المقاس بواسطة أوبتودات خلال تجارب غرفة القاع في الموقع في NORI-D

إطلاق المركبة الهبوطية غرفة مستشعر أوبتود علاج حجم مرحلة الماء (لتر) وقت البدء – الانتهاء (ساعة) تم تسجيل أجهزة الاستشعار بيانات الإجمالي الإنتاج خلال 48 ساعة ) وزن (غ) العقيدات (أفق الرواسب) تدفق DOP ( ) هيمنة الإنتاج الصافي/ التنفس
AKS268 2 ب كتلة الطحالب الميتة غير متوفر 0-47 – – – إنتاج
AKS268 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة ٣.٨١٢ 0-47 1008 10.5 إنتاج
AKS271 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة غير متوفر 0-47 – – – إنتاج
AKS273 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة ٤.٥٩٨ 0-47 1545 16.1 إنتاج
AKS276 2 ب غير متوفر 0-47 – – – إنتاج
AKS276 ٣ أ 3.933 0-47 671 6.1 إنتاج
AKS279 ٣ أ مياه البحر المفلترة ٤.٦٥٩ 0-47 ١٦٣٩ 16.5 إنتاج
AKS282 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة ٤.٥٩٨ 0-47 246 – 1.7 إنتاج
AKS286 2 ب غير متوفر 0-45.48 – – – إنتاج
AKS286 ٣ أ 6.050 0-47 ٣٢٩ ٢.٤ إنتاج
AKS313 1 ب تحكم (بدون حقن) غير متوفر 0-47 – – – إنتاج
AKS313 ٢ أ تحكم (بدون حقن) غير متوفر 0-47 – – – إنتاج
AKS316 1 ب تحكم (بدون حقن) 2.118 0-47 639 ٥.٩ إنتاج
AKS316 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة ٢.٤٢٠ 0-47 ١٥٢٦ 15.6 إنتاج
AKS318 1 ب تحكم (بدون حقن) غير متوفر 0-47 – – – التنفس
AKS318* ٣ أ تحكم (بدون حقن) 2.783 0.23-47 – 596 (0-2 سم) – إنتاج
AKS321 1 ب تحكم (بدون حقن) غير متوفر 0-47 – – – التنفس
AKS321* ٣ أ كتلة الطحالب الميتة ٢.٧٨٣ 1.33-47 – – إنتاج
AKS328 2 ب كتلة الطحالب الميتة ٣.٦٩١ 0-47 257 2.0 إنتاج
AKS328 ٣ أ كتلة الطحالب الميتة 3.812 0-47 683 556 (0-5 سم) 6.4 إنتاج
AKS329 1 أ تحكم (بدون حقن) 3.872 0-47 904 9.5 إنتاج
AKS329 2 ب تحكم (بدون حقن) 3.872 0-47 774 8.1 إنتاج
AKS331* 2 أ كتلة الطحالب الميتة ٢.٧٢٣ 0.06-46.45 – – إنتاج
AKS331* ٣ ب كتلة الطحالب الميتة ٣.٢٠٧ 0.07-47 – – إنتاج
AKS334 2 أ كتلة الطحالب الميتة ٤.١٧٥ 0-47 1710 18.0 إنتاج
AKS334 ٣ ب تحكم (بدون حقن) 5.143 0-47 ٦٥٢ 5.7 إنتاج
AKS336 ٣ ب تحكم (بدون حقن) ٤.٤٧٧ 0-47 1408 622 ( ) 14.4 إنتاج
متوسط SE
إجمالي التغير الصافي في الأكسجين المقاس بواسطة أجهزة الاستشعار الضوئية خلال تجارب غرفة القاع في الموقع في NORI-D. تشير النجوم (*) إلى الحاضنات التي لم تبدأ فيها أجهزة الاستشعار بتسجيل البيانات. تركيزات على الفور أو توقفت عن التسجيل قبل 47 ساعة مما يعني المجموع لم يكن بالإمكان تحديد التغيير (مشار إليه بشرطة [-]). الإجمالي الصافي لم يكن من الممكن أيضًا تحديد التغيير في مجموعة فرعية من التجارب (المعينة بعلامة ناقص [-]) لأن الغرف فشلت في إحكام إغلاق الرواسب في نهاية التجربة، مما يعني أنه لم يكن من الممكن تحديد حجم الماء في الغرفة (المعين NA) بمجرد عودة المركبة إلى السطح. تم تحديد معدلات تدفق DOP من التغيير في التركيز من النقطة التي بدأت فيها الأوبتودس بتسجيل . كانت تحديدات الإنتاج الصافي/ التنفس التي هيمنت على التجارب تعتمد على ملفات تعريف الأوبتود الموضحة في الشكل 1.

البيانات الموسعة الجدول 3 | أوقات الانتشار النظرية للفقاعات ذات الجدران الرقيقة مقابل الفقاعات ذات الجدران السميكة في قاع البحر

الحضانة الوقت (ثانية) المطلوب للانتشار بافتراض جدار رقيق ( فقاعة) الوقت (ثانية) المطلوب للانتشار بافتراض وجود فقاعة ذات جدران سميكة (10000 نانومتر)
AKS268-الفصل3 0.012 1.226
AKS273-الفصل3 0.014 1.411
AKS276-الفصل 3 0.011 1.068
AKS279-الفصل3 0.014 1.442
AKS282-الفصل3 0.008 0.768
AKS286-الفصل3 0.009 0.854
AKS316-Ch1 0.011 1.053
AKS316-الفصل 3 0.014 1.407
AKS328-الفصل2 0.008 0.780
AKS328-الفصل3 0.011 1.080
AKS329-الفصل1 0.012 1.182
AKS329-الفصل2 0.011 1.122
AKS334-Ch2 0.015 1.463
AKS334-الفصل3 0.011 1.061
AKS336-الفصل 3 0.014 1.372
يعني SE
أوقات الانتشار النظرية (بالثواني) للفقاعات ذات الجدران الرقيقة مقابل الفقاعات ذات الجدران السميكة في قاع البحر. الوقت النظري لـ لتفريغ من فقاعة هواء محاصرة في قاع البحر تم تقديره من خلال حساب حجم فقاعة الهواء التي ستكون مطلوبة على السطح لإنتاج زيادة لوحظت في كل غرفة. تم تقدير ذلك من الفرق بين الحد الأقصى قيمة التركيز المسجلة بواسطة الأوبتود والبدء قراءة الأوبتود في الحجرة، حجم (لتر) مرحلة الماء في الحجرة ويفترض أن الهواء يتكون من تم حساب حجم الفقاعة في قاع البحر باستخدام قانون بويل والضغط في الموقع المحسوب من عمق النشر. تم تحديد تدرج التركيز (dC) بين الفقاعة ومرحلة الماء في الحجرة من تركيز في الفقاعة النظرية والتركيز الأولي لـ في الحجرة. تم تعيين مسافة الانتشار (dZ) على 10 و لحساب أوقات الانتشار عبر فقاعة رقيقة الجدران مقابل فقاعة سميكة الجدران. معامل الانتشار لـ تم حسابه من معامل الانتشار بناءً على ملوحة في الموقع تبلغ 35 ودرجة حرارة تم استخدام قانون فيك الأول للانتشار بعد ذلك لحساب زمن الانتشار بناءً على معامل الانتشار، dZ و dC.

البيانات الموسعة الجدول 4 | الحد الأدنى والحد الأقصى من إمكانيات الجهد (ملي فولت) المقاسة على سطح العقيدات متعددة المعادن

الجهد الأدنى (ملي فولت) إيماءة. 1 إيماءة. 2 عقد. 3 العقد. 4 العقد. 5 العقد. 6 عقد. 6 (بارد) نود. 7 نود. 7 (بارد) العقد. 8 نود. 9 عقد. 10 العقد. 11 العقد. 12 مستمر
السجل 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 ٥٨.٥٥ ٧٧.٨٣ 0.00 0.01 0.00 0.00 78.81 0.00 0.01
السجل 2 8.97 ١٨.٤٥ 15.48 3.03 0.00 ٩٧.٣٠ ٤٠.٩٠ 79.56 21.65 25.34 0.00 0.02 53.68 0.01 ٤.٤٨
السجل 3 12.00 0.00 ٢٦.٤٨ 1.78 ٣.١٤ 100.26 ٥٧.٦٩ 81.87 ٢٢.١٣ ٥.٥٧ 0.02 0.31 0.00 22.30 0.97
السجل 4 8.67 1.01 ٢٩.٢١ 21.06 ٢٤.٨٧ ٨٨.٦٩ ٥٤.١٤ 44.84 ٣٧.٣١ ٣٦.٨٩ 15.42 ٢٣.٢٦ 0.00 0.00
سجل 5 ٧.٧٧ 0.64 18.68 21.91 14.89 ٥٢.٦٨ 60.72 ٢٢.٣٦ 30.80 50.57 0.00 9.28 1.83 3.34
السجل 6 0.00 6.28 8.45 13.81 17.71 ٤٩.٤٧ ٨٥.٩٨ ٥٥.١٧ ٧١.٥٧ ٣٨.٢٠ 0.02 0.00
سجل 7 0.00 ٢.٩٥ 3.98 14.25 0.90 69.44 ٧٥.٥٧ 75.75 72.06 44.82 1.10
سجل 8 14.17 0.00 ١٦.٩٧ 14.62 15.03 66.93 0.07 78.40 ٥٧.٦٤ 0.01 0.00
السجل 9 ٥.٥٧ 0.40 0.00 0.00 9.35 ٣٣.٦٩ 81.75 ٥٩.٨٣ 8.03 1.66
سجل 10 ٥.٠٠ 3.52 ٣.٢٩ ١٨.١٥ ٢٤.٧٩ 0.04 ٢٠.٦٩ 65.61 ٢٧.٩٦ 3.53
سجل 11 6.14 ٣.٣٩ ٣٢.٣٩ 13.09 ٢٥.٨٤ ٣٦.٤٦
سجل 12 1.52 5.21 ٢٥.٤٢ ١٦.٨٤ 25.45 ٣٦.٤٦
سجل 13 0.48 0.16 ٢٧.٨٥ ٢٦.٢٣ 0.01 61.34
سجل 14 7.12 ٤.٠٩ ٢٨.٦١ ٢٤.٩٢ 12.71 60.85
سجل 15 1.51 0.00 16.31 0.00 ٥١.٧٢
سجل 16 1.59 3.09 15.70 0.00 ٧٦.٥١
سجل 17 0.00 0.00 22.12 ٤.٧٠ 78.77
سجل 18 7.83 0.00 ١٣.٦٤ 17.90 ٦٥.١٧
سجل 19 6.33 0.75 ٢٠.٦٧ ٢٤.٦٨ ٤٩.٤٥
سجل 20 10.06 12.24 ٢٩.٩٤ ٢٠.٤٩ ٤٩.٤٥
الجهد الأقصى (ملي فولت)
السجل 1 10.93 ٥٢.٧٣ ٢٦٦.٨٠ ٥٢.٩٩ ٤٥.٦٩ ١٠٢.٨٧ 70.85 80.11 ١١٦.٢٣ ٣٩.٢٧ ٢١٩.٦٧ 19.36 ٩٨.٤١ 128.40 ٥٢.٩١
السجل 2 9.81 21.46 ٢٢.٩٥ ٤.٨٩ 0.47 99.85 42.24 82.60 30.74 ٢٨.٩٤ ٧٢٢٫٠٠ ١١٢.٦٣ 70.40 ٤٠٧.٥٦ 7.72
السجل 3 13.84 12.00 ٢٨.٣٦ 3.01 8.44 ١٠٣.٤٨ ٥٩.١٢ 82.80 ٢٧.٦١ ٦.٦١ ٤٨٥.٥٢ 178.04 952.61 ٥٩.٥٠ 11.15
السجل 4 12.28 ٣.٥١ 31.39 ٢٤.٨٨ ٢٨.٩٨ ٩٦.٨٢ ٥٨.٣٣ ٥٧.٦٤ ٣٨.٥٨ ٣٩.٤٧ ٣٥٠.٧٨ 65.84 600.43 ٢.٩٦
سجل 5 8.99 ٤.٨٧ 75.42 ٢٣.١٥ 21.01 ٧٧.١٦ 65.41 31.91 ٣٤.٢٢ 53.26 ٣٦١.٧١ 25.45 ١١٨.٧١ 7.56
سجل 6 3.17 ٧.٢٧ 12.12 14.86 ٢٥.٧٧ ٧٤.٥٥ ٢٦٦.٧٦ ٨٠.٥٠ 91.66 42.18 128.61 8.71
سجل 7 ٤.٢٩ 5.08 9.94 14.86 1.11 ٧٧.٧٣ ١٠٢.٤٥ 78.95 73.12 ٧٧.١٤ 2.85
سجل 8 ٢٥.٢٢ 2.63 ٢٠.١٥ 18.49 16.85 69.20 71.41 84.31 ٥٧.٩١ 11.12 0.88
السجل 9 7.45 1.34 9.36 8.69 10.91 ٣٧.٨١ 82.78 65.62 11.87 2.45
سجل 10 8.38 14.61 3.81 ٢٨.٧٣ ٢٦.٧٣ ١١٣.٦٢ ٢٨.٣٤ 65.91 ٣٣.٣٥ 8.70
سجل 11 7.73 9.19 ٣٥.٠٠ 14.85 28.08 ٣٩.٤٦
سجل 12 3.17 7.02 ٣٢.٩٩ 18.21 ٣٣.٠٥ ٣٩.٤٦
سجل 13 2.94 5.52 ٣٢.٢١ 31.65 12.76 63.50
سجل 14 9.83 6.43 ٣١.٨٦ ٢٦.٥٩ ٢١.٧١ ٦١.٧٤
سجل 15 2.45 7.04 ٢٢.٤٥ 3.49 ٥٢.٣٨
سجل 16 6.76 ٦.٤٥ 21.56 11.27 79.14
سجل 17 ٥.٥٤ ٤.٣٧ ٢٤.٩٧ 9.10 81.13
سجل 18 10.19 0.95 ٢٠:٣٠ ٢٠.٣٨ 68.18
سجل 19 7.91 2.13 ٢٤.١٦ ٢٧.٨٩ ٥٢.٥٨
سجل 20 14.32 ١٣.٥٧ ٣٤.٤٠ ٢٧.٧٤ ٥٢.٥٨
أدنى وأقصى إمكانيات الجهد (ملي فولت) المقاسة على سطح العقيدات متعددة المعادن (nod.) عند (العُقَد 1-12) و (العقيدات 6 و 7 باردة)، وصخرة تحكم (تحكم). لم يتم تصحيح الفولتages بالنسبة للفولتages الخلفية التي تم قياسها باستخدام الماء الفوري فقط.
  1. الرابطة الاسكتلندية لعلوم البحار (SAMS)، أوبان، المملكة المتحدة. جامعة هيريوت وات، إدنبرة، المملكة المتحدة. مركز جيومار هيلمهولتز لأبحاث المحيطات كيل، كيل، ألمانيا. قسم البيولوجيا، جامعة بوسطن، بوسطن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية. برنامج المعلوماتية الحيوية، جامعة بوسطن، بوسطن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية. قسم علوم الأرض والبيئة، جامعة مينيسوتا، مينيابوليس، مينيسوتا، الولايات المتحدة الأمريكية. كلية البيئة، جامعة ليدز، ليدز، المملكة المتحدة. مدرسة العلوم، الفيزياء وعلوم الأرض، جامعة كونستراكتور بريمن، بريمن، ألمانيا. المعهد الفيدرالي لعلوم الأرض والموارد الطبيعية (BGR)، هانوفر، ألمانيا. المعهد التكنولوجي، جامعة نورث وسترن، إيفانستون، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية. البريد الإلكتروني: Andrew.Sweetman@sams.ac.uk

Journal: Nature Geoscience, Volume: 17, Issue: 8
DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8
Publication Date: 2024-07-22

Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor

Received: 24 January 2024
Accepted: 6 June 2024
Published online: 22 July 2024
(W) Check for updates

Andrew K. Sweetman © , Alycia J. Smith , Danielle S. W. de Jonge (B , Tobias Hahn © , Peter SchroedI © , Michael Silverstein (1) , Claire Andrade , R. Lawrence Edwards , Alastair J. M. Lough Clare Woulds , William B. Homoky(1) , Andrea Koschinsky , Sebastian Fuchs , Thomas Kuhn , Franz Geiger & Jeffrey J. Marlow (1)

Abstract

Deep-seafloor organisms consume oxygen, which can be measured by in situ benthic chamber experiments. Here we report such experiments at the polymetallic nodule-covered abyssal seafloor in the Pacific Ocean in which oxygen increased over two days to more than three times the background concentration, which from ex situ incubations we attribute to the polymetallic nodules. Given high voltage potentials (up to 0.95 V ) on nodule surfaces, we hypothesize that seawater electrolysis may contribute to this dark oxygen production.

Oxygen ( ) is prevalent in deep-sea surface sediments where its rate of consumption reflects the sum of aerobic respiration and oxidation of reduced inorganic compounds produced by anaerobic decay. These processes define sediment community consumption (SCOC), and quantifying SCOC is needed to estimate fluxes of major elemental cycles through marine systems . We undertook multiple in situ benthic chamber lander experiments to measure abyssal SCOC in the Nauru Ocean Resources Inc. (NORI)-D licence area of the Clarion-Clipperton Zone (CCZ; Extended Data Fig. 1 and Extended Data Table1) where polymetallic nodules cover extensive areas of seafloor. Sediments and nodules were exposed to different experimental treatments, which included the addition of dead-algal biomass, dissolved inorganic carbon and ammonium ( ) or cold filtered surface seawater. No-injection controls were also performed. In contrast to previous deep-sea flux studies that only showed SCOC, we consistently found that more was accumulating in the chambers than was being consumed, resulting in net production.
Constant linear decreases in optode readings were observed in two experiments (Fig. 1), and SCOC determined by in situ microprofiling was indicating that SCOC occurs in NORI-D as in many abyssal habitats . However, concentrations in 25 benthic chamber incubations started at ( 1 standard error (SE)) and reached maxima between 201 and over 47 h (Fig. 1), indicating net dark production (DOP) corresponding to
rates of . Independent measurements of concentration using the Winkler method also showed DOP (Extended Data Fig. 2), providing evidence that the optodes were not malfunctioning. No statistically significant difference in the total net produced (maximum – initial ; Extended Data Table 2) was found between chambers (ANOVA, ) or experimental treatments (ANOVA, ), ruling out any experimental bias. We found no difference in the total net produced between cruises (ANOVA, ), though DOP was correlated to the average surface area of the nodules (Spearman’s correlation, , ). A re-evaluation of in situ optode data collected from benthic chamber experiments in the abyssal eastern and western CCZ (Extended Data Figs. 1 and 3) also showed DOP, indicating its occurrence in multiple locations across the CCZ. Our findings contrast with all published deep-sea benthic flux studies and suggest that DOP may provide for benthic respiration. Whereas the DOP measured was greater than SCOC, we would urge caution when temporally upscaling our results, as the nonlinear production of suggests that DOP may not be continuous in nature. Moreover, the variance in DOP activity seen between experiments and its relationship to nodule surface area suggests DOP activity may change with nodule spatial density and type (for example, diagenetic versus hydrogenetic), so upscaling our results by area is also imprudent without additional studies.
Fig. 1 | Oxygen concentrations in measured by calibrated optodes through time in in the different benthic chamber incubations. , The in situ benthic chamber lander deployments were made during the 5D(a), 5E(b) and 7A (c) cruises to the NORI-D license area (Extended Data Fig. 1). Nodules were present in all incubation experiments. The green hue, blue hue and red lines in the 5D figure (a) denote dead-algal biomass, dissolved inorganic carbon and filtered seawater treatments, respectively. The gap in the optode data in AKS279-Ch. 3 was caused by the optode periodically not logging data. The black line indicates ambient concentration measured on the outside of the benthic chambers during AKS273 on the 5D cruise. The green and yellow hue lines in the 5E(b) and 7A (c) figures denote the dead-algal biomass and control (no injection) treatments, respectively. The minor drops seen in some of the concentration profiles at 28, 38 and 47 h are caused by the dilution of the chamber water with 50 ml of seawater that was entrained from the outside into the chamber through a diameter) open tube when the syringe sampler collected seawater samples from within the chamber. The constant concentration measured during the first 2 h of the 5D and 7A experiments was due to the stirrers being turned off for 1 h to allow the substrates (for example, dead-algal biomass) to sink to the sediment surface. Stirrers were turned on during the 5E expedition from the moment the lander was deployed until the lander returned and power to the stirrers was disconnected.
Several lines of evidence indicate that the DOP was not caused by experimental artefacts. First, the total change between the experimental and control (non-injection) treatments was statistically indistinguishable, and a steady increase in concentration was recorded over many hours in multiple experiments; these observations demonstrate that DOP was not attributable to the injection of exogenous fluids. Second, diffusion of from trapped air bubbles within the chamber was unlikely because each chamber uses two one-way valves in the lid
to purge air from the chambers as the lander sinks. Even if an air bubble could be trapped long enough to reach the seafloor, gaseous diffusion of into the water phase would take at depth (Extended Data Table3), which is inconsistent with the steady increase in over many hours seen in multiple experiments (Fig.1). Third, intrusion of from the plastic chambers into the water phase is unlikely (Methods) as they are built from polyoxymethylene, which is both highly inert and chemically stable in well-oxygenated settings and would not explain the variation in DOP because all experiments used identical materials. Last, DOP was also observed during 48 -h ex situ sediment incubations (Extended Data Fig.4).
Several lines of enquiry were pursued to explain the DOP. Subsurface advection of oxic bottom water from seamount flanks into seafloor sediments and then into the chambers was discounted based on in situ microprofiling that showed pore water was a net sink for and undersaturated compared with the seen in the chambers. Furthermore, DOP was measured in sealed ex situ experiments (Extended Data Fig. 4) that prevented intrusion from below. It is unlikely that biological mechanisms were responsible for the bulk of the DOP as ex situ core incubations revealed DOP in the presence of poison ( ; Extended Data Fig. 4). Whereas many microbes in the CCZ are able to detoxify Hg (II) to , and some microhabitat pore spaces in the core may have remained free, the taxa known to be capable of DOP (for example, Nitrosopumilus maritimus) are killed by its addition . We also observed weak statistical support between the relative abundance of certain nitrogen-cycling microbial taxa and DOP (for example, Candidatus Nitrosopumilus ). The fact that DOP was detected in ex situ controls containing only polymetallic nodules (Extended Data Fig.4) suggested that the DOP was linked to their presence. Hence, we estimated the potential contribution of radiolytic production using a kinetic model and found would be generated by this process within 48 h . We also modelled the chemical reduction of manganese (IV) oxide at in situ temperature ( ) across a range of pH and conditions encountered at the seafloor to assess if this reaction ( ; Extended Data Fig. 5) could liberate the but found that < 0.1 nmol of manganese (IV) oxide would be chemically reduced to manganese (II) at seafloor conditions. As such, localized radiolytic production from the sediments and nodules and chemical dissolution explain only a negligible proportion (< 0.5%) of the DOP observed.
The oxygen evolution reaction requires an input voltage of 1.23 V plus an overpotential of approximately 0.37 V to split seawater into and (ref. 10) at NORI-D’s seafloor mean pH (7.41). This value can be lowered by several hundred millivolts if the reaction proceeds via the lattice-oxygen-mediated mechanism . Use of metal catalysts such as Mn oxides enriched with transition metals (for example, Ni ) found in nodules and characterized by large tunnel areas and abundant defect sites can optimize the adsorption of reactants and enhance conductivity and catalytic performance . We tested the electrical potential between two platinum electrodes at 153 sites on the surfaces of 12 nodules (Fig. 2) from the UK1, NORI-D and Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) license areas. Although the potentials between different positions on the nodules were highly variable, – potentials up to 0.95 V were found and high mean background-corrected potentials were detected under cold-water conditions (Fig. 2 and Extended Data Table 4). On the basis of these studies and DOP being observed in nodule-only ex situ incubations (Extended Data Fig. 4), we hypothesize that the DOP may have partly resulted from seawater electrolysis, with the necessary energy coming from the potential difference between metal ions within the nodule layers, leading to an internal redistribution of electrons. Whereas questions remain concerning this potential mechanism (such as the identity of the energy source(s), longevity of DOP, catalytic stabilities, electrochemical conditions on exposed versus buried nodules surfaces and the influence of different chemistries within the nodule layers),
Fig. 2 | Box and whisker plots of background-corrected voltage potentials on nodule surfaces. The nodules were collected from the NORI-D (1-5), UK1 (6-8) and the BGR (9-12) license areas. Potentials were measured at (nodules 1-12) and (nodules 6 and 7 cold) and between two different UK1 nodules (Tests 1 and 2) and across the surface of a metamorphosed carbonate rock (control). Means are designated by the ‘ ‘ symbol, medians by the line, boxes show the lower and upper quartile values (excluding the median), whereas the whisker bars refer to the minimum and maximum data values. The number of technical replicate measurements made at different points on the surface of each nodule/rock to make each box-whisker is shown by the number above each whisker bar.
the ‘geo-battery’ hypothesis was supported by the link between DOP and nodule average surface area. This connection could be due to an increased abundance of anode and cathode sites or a greater abundance of high Ni and Cu dendritic porous layers in larger nodules . Assuming the ‘geo-battery’ is partly responsible for the DOP observed, the initial high DOP rate may have been related to the ‘bow-wave’ of the lander removing sediments from the surface of the nodules and exposing electrochemically active sites on the nodules. The slowdown in DOP seen later in the incubations could have then been caused by a reduction in voltage potential and/or degradation of metal-oxide catalysts that has been observed in Mn oxide catalysts previously . Whereas this process requires further investigation, if true, DOP activity may fluctuate with sediment coverage on the nodules inviting the urgent question of how sediment remobilization and distribution over large areas during deep-sea mining may influence DOP.
Understanding the mechanism(s) behind DOP, its temporal nature and its spatial distribution will allow its role in abyssal ocean ecosystems to be better understood. Future studies of DOP in the deep sea may also shed light on broader relationships between metal-oxide deposition, biological evolution and the oxygenation of Earth .

Online content

Any methods, additional references, Nature Portfolio reporting summaries, source data, extended data, supplementary information, acknowledgements, peer review information; details of author contributions and competing interests; and statements of data and code availability are available at https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.

References

  1. Jorgensen, B. B. et al. Sediment oxygen consumption: role in the global marine carbon cycle. Earth Sci. Rev. 228, 103987 (2022).
  2. Smith, K. L. Jr et al. Climate, carbon cycling and deep-ocean ecosystems. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 19211-19218 (2009).
  3. Smith, Jr. K. L. et al. Large salp bloom export from the upper ocean and benthic community response in the abyssal northeast Pacific: day to week resolution. Limnol. Oceanogr. 59, 745-757 (2014).
  4. Sweetman, A. K. et al. Key role of bacteria in the short-term cycling of carbon at the abyssal seafloor in a low particulate organic carbon flux region of the eastern Pacific Ocean. Limnol. Oceanogr. 64, 694-713 (2019).
  5. Mewes, K. et al. Diffusive transfer of oxygen from seamount basaltic crust into overlying sediments: an example from the ClarionClipperton Fracture Zone. Earth Planet. Sci. Lett. 433, 215-225 (2016).
  6. Kuhn, T. et al. Widespread seawater circulation in oceanic crust: impact on heat flow and sediment geochemistry. Geology 45, 799-802 (2017).
  7. Zhang, D. et al. Microbe-driven elemental cycling enables microbial adaptation to deep-sea ferromanganese nodule sediment fields. Microbiome 11, 160 (2023).
  8. Kraft, B. et al. Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon. Science 375, 97-100 (2022).
  9. Ershov, B. G. Radiation-chemical decomposition of seawater: the appearance and accumulation of oxygen in the Earth’s atmosphere. Radiat. Phys. Chem. 168, 108530 (2020).
  10. Dresp, S. et al. Direct electrolytic splitting of seawater: opportunities and challenges. ACS Energy Lett. 4, 933-942 (2019).
  11. He, Y. et al. Recent progress of manganese dioxide based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. Ind. Chem. Mater. 1, 312 (2023).
  12. Kuhn, T. et al. in Deep-Sea Mining (ed. Sharma, R.) 23-63 (Springer, 2017).
  13. Tian, L. Advances in manganese-based oxides for the oxygen evolution reaction. J. Mater. Chem. A 8, 14400 (2020).
  14. Teng, Y. et al. Atomically thin defect-rich Fe-Mn-O hybrid nanosheets as highly efficient electrocatalysts for water oxidation. Adv. Funct. Mater. 28, 1802463 (2018).
  15. Wegorzewski, A. V. & Kuhn, T. The influence of suboxic diagenesis on the formation of manganese nodules in the Clarion Clipperton nodule belt of the Pacific Ocean. Mar. Geol. 357, 123-138 (2014).
  16. Robins, L. J. et al. Manganese oxides, Earth surface oxygenation, and the rise of oxygenic photosynthesis. Earth Sci. Rev. 239, 104368 (2023).
  17. Chyba, C. F. & Had, K. P. Life without photosynthesis. Science 292, 2026-2027 (2001).
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024

Methods

A benthic chamber lander was deployed in the NORI-D license area six times in May-June 2021 (5D cruise), five times in November-December 2021 (5E cruise) and five times in August-September 2022 (7A cruise) (Extended Data Fig. 1 and Extended Data Table1). The lander comprised three independent, autonomous, square benthic chambers ( ) separated by approximately . After arriving at the seafloor, the lander waited for before the chambers were pushed into the sediment to create an enclosed microcosm of the seafloor. Ten minutes into the incubation period, the enclosed chambers were injected with 50 ml of one of three solutions: (1) -filtered, cold surface seawater containing 79.2 mg of freeze-dried Phaeodactylum tricornutum algae, (2) and dissolved in cold artificial seawater (salinity 35) and (3) -filtered, cold surface seawater. On some occasions, the injection mechanism failed allowing the response to control (no injection) conditions to be measured. The seafloor in the study area had a temperature of (SE, ) and a pH of (SE, ). Immediately after the injection, the overlying water was mixed with a submersible stirrer at 60 rpm for 1 min before the stirrer was turned off that allowed any particulate substrates to settle for 1 h . After 1 h , the stirrer was then turned on again for the remainder of the experiments. During the 5E expedition, the stirrers were programmed to continually stir the overlying water even immediately after injection.
The syringe samplers removed approximately 50 ml of seawater from the water phase of each chamber at 0.1 or and 47 h into the incubation experiment. Oxygen optodes (CONTROS HydroFlash manufactured by Kongsberg Maritime Contros GmbH) mounted in the lid of each chamber logged concentrations in the chamber every 10 seconds throughout each experiment. Two days before the first lander deployment of each cruise, the optodes underwent a two-point, multi-temperature calibration using 0 and calibration solutions at and following the recommendations of Bittig et al. (ref. 18). On the 5D cruise, we also calibrated the sensors 2 d after the last lander experiment so we could estimate optode drift, which was negligible ( ) over the course of the six-week cruise. The and saturation solutions were created by bubbling -filtered surface seawater in a bottle sitting in a water-chilling/heating unit with gas ( ) or an aquarium air bubbling unit ( ) for 30 min . The concentration of the calibration solutions was confirmed in triplicate by Winkler titration. After incubating seafloor sediments for 47 h , the lander chambers were closed by a shutter door at the base of the chambers, and the chambers were then pulled slowly out of the sediment, which took 1 h . The lander was then recalled from the seafloor. In eight instances, the lander programme did not finish and the doors did not shut, preventing the sampling of sediment and determination of the volume of the water phase in the chambers (Extended Data Table 2). Once the lander was back and secured on deck, the chambers were opened and the water above the sediment removed via syphoning into a bucket. The distance from the top of the sediment to the base of the chamber lid was then measured in four places to get an accurate water depth for water volume estimates. Whenever possible, a photograph was then taken of the chamber sediment and nodules from directly above the opening of the chamber. All syringes containing water samples were removed and taken to the shipboard lab for immediate processing or stored in a cold lab ( ) before processing. The optodes were removed and their onboard data downloaded to a computer. Finally, the nodules were removed from the chambers and washed of attached organic debris with cold ( ), -filtered surface seawater and placed in sterile Whirlpak bags to be weighed in the laboratory later. The number of polymetallic nodules at the seafloor determined from chamber counts was .
Unfiltered syringe sample seawater was carefully transferred from each 50 ml syringe to a 12 ml exetainer via a 10 cm tube attached to the syringe nozzle, ensuring no air bubbles were introduced and
immediately fixed for microWinkler titration. The sample was then mixed thoroughly using a glass bead placed in the exetainer and placed in the dark in a refrigerator for to allow the precipitate to settle. Once the precipitate had sedimented, the exetainers were shaken again and left for before Winkler titrations were performed. All titrations were completed within 12 h after sampling to determine dissolved concentrations. Each Winkler sample (approximately 5 ml ) was titrated twice, and duplicate measurements showed minor differences in concentration (5D cruise error: cruise error: ; 7A cruise error: , ). Winkler concentration data were averaged for each syringe sample. The concentrations estimated by Winkler analysis were , SE, 5D cruise), , SE, 5E cruise and ( , SE, 7A cruise) lower than the concentrations measured by the optodes at the same time point in the same incubations most likely due to out gassing of supersaturated caused by depressurization and warming of the externally mounted syringes (whose samples were used for Winkler analyses) during the lander recovery to the surface.
Back on shore, the final concentration values were calculated following Bittig et al. (ref. 18) from the optode, calibration and in situ pressure data that was derived from the depth where each lander deployment was made. Time stamps in the optode data were compared to the lander computer programme times so the optode readings could be aligned to the schedule of the chamber experiment. The total change in concentration in each chamber was then calculated from the volume of the water phase above the sediment and the difference in concentration from when the chambers started to seal off the sediment to the point when the maximum concentration was reached.

Benthic microprofiling

Benthic microprofiles were made during lander deployments AKS313, AKS316, AKS318 and AKS321 during the 5E cruise using a UNISENSE deep-sea microprofiling unit mounted from the benthic chambers. The microprofiles were made using 20 cm O 2 microsensors that penetrated the sediment in 0.05 mm steps. The microsensors were calibrated 2 h before the lander deployments at in situ temperature ( ) at and saturation (above). At each sampling depth, the microsensor stopped for 5 s before each measurement was made. The sensor then recorded five individual concentration measurements. The average of these five measurements was taken for each depth point. The sediment surface was determined manually based on the turning point in the slope of concentration with depth where started to become depleted. SCOC was determined from Fick’s first law of diffusion.

Microbiology sampling

Nodule and sediment samples for microbial community analyses were collected from the 5D experimental chambers. Approximately 30 g of sediment from each of the and horizons and 50 g of intact nodules were placed in separate sterile Whirlpak bags with a pre-sterilized spatula and then transferred to a freezer. DNA from approximately 10 g of nodules and 250 mg of sediment were extracted using the Qiagen PowerMax soil and PowerSoil extraction kits, respectively. Extracted DNA was then shipped on dry ice to Laragen Inc. and sequenced using a proprietary in-house method. The V4 region of 16 SrRNA genes were amplified using the Earth Microbiome Project protocol with the 515 F ( -GTGYCAGCMGCCGCGGTAA ) and 806 R ( -GGACTACNVGGGTWTCTAAT ) primers. Raw fastq files were processed using a custom pipeline (https://github.com/ Boston-University-Microbiome-Initiative/BU16s) built with QIIME 2020.2 (https://www.nature.com/articles/s41587-019-0209-9). Adaptor sequences were removed using cutadapt (https://doi.org/10.14806/ ej.17.1.200), read truncation positions were determined by mineer (more below), amplicon sequence variants (ASVs) were generated using dada2 (trunc-len-r ) (https://doi.org/10.1038/nmeth.3869)
and ASVs were clustered to identity with the SILVA 132 database (https://academic.oup.com/nar/article/42/D1/D643/1061236) using the vsearch cluster-features-closed-reference (https://doi.org/10.7717/ peerj.2584). Due to drops in sequencing quality, all reverse reads were truncated by 49 bases (from a length of 301 to 252 ) as determined by minERR, an algorithm for determining optimal sequence length based on sequence quality scores (https://github.com/michaelsilverstein/ mineer). Family- and genus-level abundance was computed by summing the relative abundance of all ASVs with the same family/genus classification within each sample. Spearman correlations were then computed between family- and genus-level abundance and observed optode-derived total changes. Sequences have been archived at National Centre for Biotechnology Information GenBank under the Bioproject ID PRJNA1117483.

Polymetallic nodule surface area measurements

Photographs of the surface sediment and nodules in the chambers were imported into Image J. The outline of each nodule in each chamber photograph was then traced and the surface area of the nodule automatically calculated in Image J (assuming each surface nodule was flat in shape) and logged as an Image J file before being exported and saved as an Excel file.

Radiolysis production estimates

To estimate the potential radiolytic production, published concentrations of (refs. ) in seawater were used (Supplementary Table 1). For nodules, and isotopes of three nodules from chamber experiments from the 5D cruise were measured by Multicollector-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer using previously described methods and averaged; values were derived from the literature . Nodule and seawater contributions were calculated using a kinetic model developed by ref. 9 that incorporates 32 reactions (equation (1) in ref. 30). The nodule boundary layer was assumed to be fully integrated with the seawater, surpassing the respective to stopping power distance of alpha and beta particles used to model geologic materials . Sediment radiolytic was calculated as half of the previously quantified production rates in equatorial Pacific subsurface sediment , given the stoichiometry of water’s radiolytic decomposition (an equivalency that probably offers an overestimate of derived ). Contributions from these three components (nodules, sediment and seawater) were scaled by the benthic chamber’s size and contents to produce an estimate of of generated over 48 h according to the following expression.
Here is the mass ( kg ) of produced over a given time is the mass of the isotope, is the average energy released from the decay of one atom; is the radiation chemical yield of molecules per 100 eV of the radiation energy; is the molecular mass is the isotope atomic mass and is the isotope-specific decay constant . The overall value summed the contributions from and across water, nodule and sediment sources.

Electrochemistry measurements

Voltage potentials were measured using a Keithley DMM6500 digital multimeter on nodules previously collected by coring in the UK1, NORI-D and BGR license areas. Nodules were initially immersed for seven days in Instant Ocean artificial seawater (salinity 35). To measure the potentials, two electrodes (platinum wire, 99.9% purity) were first washed in perchloric acid, rinsed in Milli-Q water and dried before being attached to alligator clamps attached to the multimeter. The platinum wires were then immersed in Instant Ocean artificial seawater in a glass petri dish to measure background voltages ( , SE, ) until stable. Once stable, a nodule was placed in the petri
dish and the platinum probes placed on the nodule at random locations, ensuring contact in one of two ways. We either carefully drilled a hole into some nodules so one platinum wire could be fixed inside it while the second platinum wire was firmly pressed against the nodule surface using a clamp. Alternatively, the platinum wires were pressed firmly against two different spots on the nodule surface and held in place using a clamp. Voltages were then recorded for until the signal was stable. This procedure was repeated up to 20 times in different randomly selected regions of the nodules depending on their size. Measurements were undertaken on 12 nodules at and a single control rock composed of metamorphosed carbonate ( ). Two nodules from UK1 were also retested after being cooled to ( ) by placing them in Instant Ocean water in a refrigerator overnight. Voltage potentials ( ) between two nodules were measured using four nodules collected from UK1. Potentials measured during each measurement were averaged and corrected for the background seawater voltage measured using only Instant Ocean seawater in the absence of a nodule. Measured resistances inside some of the nodules that were broken up were in the to 100 s of range, though it is unclear if these resistivities change at the nano- or microscale requiring further investigation.

Geochemistry modelling

The chemical stability and solubility of manganese (IV) oxide (birnessite) to dissolved as a function of pH and activity was modelled using the Geochemist Workbench Professional (version 12) software, with the in-built and internally consistent THERMO database. The conditions used for generating the phase diagram (Extended Data Fig. 5) represent bottom seawater as measured in the eastern CCZ with a temperature of and chlorine and manganese concentrations of 0.55 M Cl and , respectively.

Ex situ core incubations

Opportunistic ex situ experiments were undertaken during the 5D cruise using sediment cores retrieved by a multi-corer from the CTA area (Extended Data Fig. 1). Immediately after the multi-corer arrived back at the surface, cores were removed and transferred to a cold lab held at in situ temperature. The cores were then exposed to the following five treatments (administered using a 60 ml syringe), which included (1) final concentration, ), (2) ( final concentration, ) and (3) final concentration, ), (4) (final concentration, ) and ( 5 ) ( final concentration, ). No-injection controls ( ) were also performed and separate core experiments in which four nodules were incubated for 48 h by themselves with no additions. After addition, the water phase of each core was stirred and a sample of top water was taken for microWinkler analysis (as above). Stoppers were then placed on the top of the cores, ensuring no air bubbles were present. The stoppers were secured tightly and the cores fully submerged in a large bucket containing -filtered, cold, surface seawater (salinity 35). The bucket was covered with five black plastic bags and secured in the cold room with the lights turned off. After 48 h, the cores were removed from the bucket, and the cores were inspected for the presence of air bubbles. Only one core, treatment, had a gas bubble beneath the bung, which was rejected from further analysis, leaving for this treatment. The other cores were then re-sampled for dissolved and analysed as before. Core-specific water volume measurements were used together with the change in concentration to calculate the total net change per core.
To determine if our ex situ DOP detection was affected by intrusion of from the atmosphere into the core tube, two controls were performed: a shipboard test with an microprofiler and a lab-based test using the Winkler method. Shipboard, a clean core tube was filled with Milli-Q water and sparged with for 10 min before beginning the test.A Metrohm 8663Multimeter was inserted through a predrilled hole in the
rubber stopper, allowing for concentration to be recorded every 5 s . An increase from 39 to was observed over , corresponding to a rate of or of the mean net DOP measured in the ex situ experiments. Back in the home laboratory, three of the original core tubes were filled with -filtered artificial seawater (salinity 35 ) and sparged with for 8 min through a filtered pipette tip to achieve an initial dissolved concentration of (for example, the approximate starting concentrations for the shipboard experiments). The tubes were sealed with rubber stoppers and electrical tape, being careful to avoid bubble formation. They were then submerged in a 32-gallon plastic garbage can of unfiltered seawater ( concentration: ) in a dark cold room ( ) for 48 h . After 48 h , the tubes were quickly unsealed and analysed one at a time to prevent additional dissolution from the air. A sterile syringe was used to slowly collect 10 ml of seawater from the centre of the core tube, being sure to avoid bubble entrainment into the syringe. The sample was carefully expelled into a reaction vial and fixed using the adjusted values for a sample according to a volume-scaled Winkler titration protocol and the reagents from the LaMotte Dissolved Oxygen Test Kit. The fixation of each collected sample was done in less than 2 min in a fume hood. Dissolved increased by during the 48 h , which corresponds to between of the mean net DOP rate observed in the ex situ experiments . Both of our control experiments provide high confidence that the diffusion of external into the core tubes did not cause the production measured in the ex situ core incubations.

Calculations to quantify intrusion of from the polyoxymethylene chambers and lids

Oxygen intrusion was estimated from Stephens who calculated that of could diffuse out of of polyoxymethylene plastic when immersed for 48 h in hypoxic water ( diffusion rate: ). To determine the total area of plastic that would be available for diffusion ( ), we added the surface area of the lid to the surface area of the four walls that would be exposed at the seafloor (based on the depth of the water phase-above). The minimum and maximum areas available for diffusion were multiplied by to estimate that would diffuse out of the polyoxymethylene chamber walls and lid in 48 hunder hypoxic conditions. Thus, we are highly confident that leakage from the plastic chambers could not replicate the high concentration seen in some of our oxygenated experiments (Fig.1).

Data availability

Source data are provided with this paper. These data are also available via Dryad at https://doi.org/10.5061/dryad.tdz08kq6w (ref. 35), and geological samples were exported in accordance with relevant permits. The nucleotide sequences generated by metagenome sequencing have been deposited in the National Centre for Biotechnology Information database under BioProject ID PRJNA1117483.

References

  1. Bittig, H. C. et al. Oxygen optode sensors: principle, characterization, calibration, and application in the ocean. Front. Mar. Sci. 4, 429 (2018).
  2. Caporaso J. G. et al. EMP 16 S Illumina amplicon protocol V.1. protocols.io. https://doi.org/10.17504/protocols.io.nuudeww (2018).
  3. Parada, A. E. et al. Every base matters. Assessing small subunit rRNA primers for marine microbiomes with mock communities, time series and global field samples. Environ. Microbiol. 18, 1403-1414 (2016).
  4. Apprill, A. et al. Minor revision to V4 region SSU rRNA 806 R gene primer greatly increases detection of SAR11 bacterioplankton. Aquat. Microb. Ecol. 75, 129-137 (2015).
  5. Choppin, G. et al. Radiochemistry and Nuclear Chemistry (Elsevier, 2002).
  6. Katz, J. J. et al. The Chemistry of the Actinide Elements 2nd edn (Springer, 1986).
  7. Lide, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics Vol. 85 (CRC Press, 2004).
  8. Nier, A. O. A redetermination of the relative abundances of the isotopes of carbon, nitrogen, oxygen, argon, and potassium. Phys. Rev. 77, 789 (1950).
  9. Stumm, W. and Morgan, J. J. Aquatic Chemistry: An Introduction Emphasizing Chemical Equilibria in Natural Waters 2nd edn (John Wiley & Sons, 1981).
  10. Cheng, H. et al. Improvements in Th dating, 230 Th and 234 U half-life values, and U-Th isotopic measurements by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Earth Planet. Sci. Lett. 371, 82-91 (2013).
  11. Edwards, R. L. et al. systematics and the precise measurement of time over the past 500,000 years. Earth Planet. Sci. Lett. 81, 175-192 (1987).
  12. Shen, C. C. et al. Uranium and thorium isotopic and concentration measurements by magnetic sector inductively coupled plasma mass spectrometry. Chem. Geol. 185, 165-178 (2002).
  13. Ershov, B. G. & Gordeev, A. V. A model for radiolysis of water and aqueous solutions of and . Radiat. Phys. Chem. 77, 928-935 (2008).
  14. DeWitt, J. et al. The effect of grain size on porewater radiolysis.Earth Space Sci. 9, e2021EA002024 (2021).
  15. Blair, C. C. et al. Radiolytic hydrogen and microbial respiration in subsurface sediments. Astrobiology 7, 951-970 (2007).
  16. Shriwastav, A. et al. A modified Winkler’s method for determination of dissolved oxygen concentration in water: dependence of method accuracy on sample volume. Measurement 106, 190-195 (2017).
  17. Stevens, E. D. Use of plastic materials in oxygen-measuring systems. J. Appl. Physiol. 72, 801-804 (1992).
  18. Sweetman, A. K. Data collected from replicate benthic chamber experiments conducted at abyssal depths across the Clarion Clipperton Zone (CCZ), Pacific Ocean. Dryad https://doi.org/ 10.5061/dryad.tdz08kq6w (2024).

Acknowledgements

We would like to thank S. Wilson, E. Holsting, F. Mann and L. Carrera at Maersk Supply Service, the captain and crew of the research vessels ‘Maersk Launcher’ and ‘Island Pride’ for all their help preparing for the research expeditions and their excellent assistance at sea. We are grateful to R. Davis for help with the lander deployments and D. Anderson, M. Delgado and M. Cecchetto for help at sea. We thank Y. Maierhaba, C. Momjian and A. Shukla for their assistance with lab-based molecular analyses and R. Merrifield for his help with the electrochemistry analysis. We would like to acknowledge and give our thanks to K. M. Allen, M. Clarke, A. O’Sullivan, P. Clarke, L. Marsh and J. Smith for helping to initiate the research. The work was funded by The Metals Company Inc. through its subsidiary Nauru Ocean Resources Inc. (NORI). NORI holds exploration rights to the NORI-D contract area in the CCZ and is regulated by the International Seabed Authority and sponsored by the government of Nauru (A.K.S., C.W., W.B.H.). UK Seabed Resources funded the research expedition to the UK1 and OMS license areas in 2015 (A.K.S.), and the Gordon and Betty Moore Foundation provided funding for the research cruise to APEIs 1, 4 and 7 in 2018 (A.K.S.). Research support from the Natural Environment Research Council SMARTEX (Seabed Mining And Resilience To Experimental impact) project (grant number NE/TOO3537/1) and the European Commission project iAtlantic (grant number 818123) to A.K.S. is also acknowledged. We thank K. Mizell at the US Geological Survey for comments on our manuscript.

Author contributions

A.K.S., C.W., W.B.H. and J.J.M. generated the funding. A.K.S. conceived the study and led the benthic chamber lander investigations with A.J.S. A.K.S., A.J.S., D.S.W.d.J., C.A., P.S. and J.J.M. conducted the Winkler analysis and ex situ core incubations. A.K.S., A.J.S., D.S.W.d.J. and T.H. carried out the in situ oxygen optode calibrations and analysis. M.S., P.S. and J.J.M. led the microbiology analysis, whereas P.S. and R.L.E. undertook the radioactivity measurements and radiolysis calculations. A.K., S.F., T.K. and A.K.S. did the solubility assessments, and F.G. and A.K.S. undertook the electrochemistry measurements. A.K.S., J.J.M. and W.B.H. drafted the paper, and all authors contributed further ideas and approved the final version.

Competing interests

A.K.S., C.W. and W.B.H. received research support (funding) from The Metals Company, and A.K.S. also received research support from UK Seabed Resources to carry out part of the work. The Metals Company and UK Seabed Resources aided in the selection of study sites and operational scheduling at sea in a collaborative effort.
S.F. and T.K. also work for the Federal Institute for Geoscience and Natural Resources, which holds exploration rights in the CCZ.

Additional information

Extended data is available for this paper at
https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.
Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Andrew K. Sweetman.
Peer review information Nature Geoscience thanks Bo Barker Jørgensen and Kira Mizell for their contribution to the peer review of this work. Primary Handling Editor: Stefan Lachowycz, in collaboration with the Nature Geoscience team.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Extended Data Fig. 1 | Benthic chamber lander and multi-corer deployment locations across the CCZ. Benthic chamber lander (BCL) locations in APEIs 1,4, and 7 (western CCZ), UK1 and OMS and NORI-D (stars) (a) and both areas (Collector Test Area or CTA and Preservation Reference Zone or PRZ)
(b-d) of NORI-D in the central abyssal Pacific. The deployment location for the multi-corer (MUC) that sampled sediments for the ex situ experiments conducted during the 5D cruise is also shown (c).
Extended Data Fig. Oxygen concentrations measured from water samples by Winkler titration during the NORI-D benthic chamber lander experiments. Mean concentration ( ) measured by micro-Winkler analysis conducted on water samples that were collected periodically from the chambers through time (hr) under different treatments. The treatments were
dead-algal biomass during expeditions 5D(A), 5E(E), and 7A (G), DIC + NH4 during expedition 5D(B), filtered seawater during expedition 5D(C), and control (no injection) during expeditions 5D (D), 5E (F), and 7A (H). Each datapoint is the mean of two Winkler measurements.
Extended Data Fig. 3| Oxygen optode concentrations measured during benthic chamber lander experiments in the UK1 and OMS license areas and APEIs 1, 4, and 7. Oxygen optode readings through time (hr) from 36-hour abyssal ( ) in-situ benthic chamber lander experiments conducted in the UK1 and OMS license areas in 2015 and APEIs 1, 4, and 7 in the western CCZ in June 2018. The experiments that were conducted were identical to those
carried out at NORI-D. The concentrations recorded by the optodes in the 2015 and 2018 experiments were derived from factory calibrations undertaken 4-6 months prior to the expeditions as in-situ temperature could not be replicated onboard during the optode calibration process. As such, only relative changes in concentrations can be interpreted.
Extended Data Fig. 4 | Bar chart showing total net production in ex situ sediment cores. Mean total net production ( ) measured on sediment cores ( ) exposed to a variety of treatments during ex situ incubations that were carried out on the ship at in-situ temperature and in the dark during the 5D cruise. Oxygen production was determined from the

Treatment

difference in concentration of the water phase overlying the sediment between hours and 48 hours accounting for the core volume. Error bars refer to standard deviation. Individual fluxes from the ex-situ incubations are also shown as data points overlying the bars.
Extended Data Fig. Phase stability and solubility of birnessite in seawater as a function of activity and . The phase stability and solubility of birnessite (manganese [IV] oxide) in seawater as a function of activity and pH at a temperature of , and . The bold black line illustrates the phase boundary between birnessite and dissolved ; the dashed lines the solubility of birnessite into seawater. The green point indicates the predominant manganese form that would be experienced at the highest pH that was measured
in MUC cores, and the lowest condition (average bottom seawater); the red point indicates the predominant manganese form at the lowest pH (measured in MUC cores) and highest concentration measured in the in-situ benthic chamber experiments at NORI-D with the arrows showing their range. Under the latter conditions, a vanishing small amount of birnessite would dissolve into seawater to form .

Extended Data Table 1 | In-situ benthic chamber lander deployment locations and depths in NORI-D

Cruise Date Lander deployment Area Station Depth (m)
5D May-June 2021 AKS268 CTA STM-001 4285
5D May-June 2021 AKS271 CTA STM-001 4284
5D May-June 2021 AKS273 CTA STM-014 4306
5D May-June 2021 AKS276 CTA STM-014 4306
5D May-June 2021 AKS279 CTA STM-007 4280
5D May-June 2021 AKS282 PRZ SPR-033 4245
5D May-June 2021 AKS286 PRZ SPR-041 4127
5E November-December 2021 AKS313 CTA STM-014 4304
5E November-December 2021 AKS316 CTA STM-001 4285
5E November-December 2021 AKS318 CTA STM-007 4277
5E November-December 2021 AKS321 CTA STM-001 4285
5E November-December 2021 AKS328 PRZ SPR-033 4243
7A August-September 2022 AKS329 CTA TF-021 4289
7A August-September 2022 AKS331 CTA STM-001 4286
7A August-September 2022 AKS334 CTA TF-028 4278
7A August-September 2022 AKS336 CTA TF-021 4271
In-situ benthic chamber lander deployment locations and depths from the 3 cruises to the NORI-D license area. Deployment areas are shown in Extended Data Fig. 1 and are defined as the Collector Test Area (CTA) and Preservation Reference Zone (PRZ).

Extended Data Table 2 | Total net oxygen change measured by optodes during the in-situ benthic chamber lander experiments at NORI-D

Lander deployment Chamber Optode sensor Treatment Volume of water phase (L) Start-End time (hr) optodes logged data Total production in 48 hrs ( ) Weight (g) of nodules (sediment horizon) DOP flux ( ) Net production/ respiration dominated
AKS268 2 B Dead-algal biomass NA 0-47 – – – Production
AKS268 3 A Dead-algal biomass 3.812 0-47 1008 10.5 Production
AKS271 3 A Dead-algal biomass NA 0-47 – – – Production
AKS273 3 A Dead-algal biomass 4.598 0-47 1545 16.1 Production
AKS276 2 B NA 0-47 – – – Production
AKS276 3 A 3.933 0-47 671 6.1 Production
AKS279 3 A Filtered seawater 4.659 0-47 1639 16.5 Production
AKS282 3 A Dead-algal biomass 4.598 0-47 246 – 1.7 Production
AKS286 2 B NA 0-45.48 – – – Production
AKS286 3 A 6.050 0-47 329 2.4 Production
AKS313 1 B Control (no injection) NA 0-47 – – – Production
AKS313 2 A Control (no injection) NA 0-47 – – – Production
AKS316 1 B Control (no injection) 2.118 0-47 639 5.9 Production
AKS316 3 A Dead-algal biomass 2.420 0-47 1526 15.6 Production
AKS318 1 B Control (no injection) NA 0-47 – – – Respiration
AKS318* 3 A Control (no injection) 2.783 0.23-47 – 596 (0-2cm) – Production
AKS321 1 B Control (no injection) NA 0-47 – – – Respiration
AKS321* 3 A Dead-algal biomass 2.783 1.33-47 – – Production
AKS328 2 B Dead-algal biomass 3.691 0-47 257 2.0 Production
AKS328 3 A Dead-algal biomass 3.812 0-47 683 556 (0-5cm) 6.4 Production
AKS329 1 A Control (no injection) 3.872 0-47 904 9.5 Production
AKS329 2 B Control (no injection) 3.872 0-47 774 8.1 Production
AKS331* 2 A Dead-algal biomass 2.723 0.06-46.45 – – Production
AKS331* 3 B Dead-algal biomass 3.207 0.07-47 – – Production
AKS334 2 A Dead-algal biomass 4.175 0-47 1710 18.0 Production
AKS334 3 B Control (no injection) 5.143 0-47 652 5.7 Production
AKS336 3 B Control (no injection) 4.477 0-47 1408 622 ( ) 14.4 Production
Mean SE
Total net oxygen change measured by optodes during the in-situ benthic chamber lander experiments at NORI-D. Stars (*) denote the incubations where the optodes did not start to log concentrations immediately or stopped logging before 47 hr meaning the total change could not be determined (designated by a dash [-]). The total net change could also not be determined in a sub-set of experiments (designated by a dash [-]) because the chambers failed to seal sediments at the end of the experiment, which meant that the volume of water in the chamber could not be determined (designated NA) once the lander arrived back on deck. DOP flux rates were determined from the change in concentration from the point when the optodes started logging to . The determination of net production/ respiration dominated experiments was based on the optode profiles seen in Fig. 1.

Extended Data Table 3 | Theoretical diffusion times for thin versus thick-walled bubbles at the seafloor

Incubation Time (sec) required for diffusion assuming a thin-walled ( ) bubble Time (sec) required for diffusion assuming a thick-walled (10000 nm) bubble
AKS268-Ch3 0.012 1.226
AKS273-Ch3 0.014 1.411
AKS276-Ch3 0.011 1.068
AKS279-Ch3 0.014 1.442
AKS282-Ch3 0.008 0.768
AKS286-Ch3 0.009 0.854
AKS316-Ch1 0.011 1.053
AKS316-Ch3 0.014 1.407
AKS328-Ch2 0.008 0.780
AKS328-Ch3 0.011 1.080
AKS329-Ch1 0.012 1.182
AKS329-Ch2 0.011 1.122
AKS334-Ch2 0.015 1.463
AKS334-Ch3 0.011 1.061
AKS336-Ch3 0.014 1.372
Mean SE
Theoretical diffusion times (seconds) for thin versus thick-walled bubbles at the seafloor. The theoretical time for to diffuse from a trapped air bubble at the seafloor was estimated by calculating the size of air bubble that would be required at the surface to produce the increase seen in each chamber. This was estimated from the difference between the max concentration value recorded by the optode and the initial optode reading in the chamber, the volume ( L ) of the water phase in the chamber and assuming air was comprised of . The size of the bubble at the seafloor was then computed using Boyle’s law and the in-situ pressure calculated from the deployment depth. The concentration gradient ( dC ) between the bubble and the water phase of the chamber was determined from the concentration of in the theoretical bubble and the initial concentration of in the chamber. The diffusion distance (dZ) was set at 10 and to calculate the diffusion times across a thin versus thick-walled bubble. The diffusion coefficient for was calculated from the diffusion coefficient based on an in-situ salinity of 35 and temperature of . Fick’s first law of diffusion was then used to calculate the diffusion time based on the diffusion coefficient, dZ and dC .

Extended Data Table 4 | Minimum and maximum voltage potentials (mV) measured on the surface of polymetallic nodules

Min. voltage (mV) Nod. 1 Nod. 2 Nod. 3 Nod. 4 Nod. 5 Nod. 6 Nod. 6 (cold) Nod. 7 Nod. 7 (cold) Nod. 8 Nod. 9 Nod. 10 Nod. 11 Nod. 12 Cont.
Record 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 58.55 77.83 0.00 0.01 0.00 0.00 78.81 0.00 0.01
Record 2 8.97 18.45 15.48 3.03 0.00 97.30 40.90 79.56 21.65 25.34 0.00 0.02 53.68 0.01 4.48
Record 3 12.00 0.00 26.48 1.78 3.14 100.26 57.69 81.87 22.13 5.57 0.02 0.31 0.00 22.30 0.97
Record 4 8.67 1.01 29.21 21.06 24.87 88.69 54.14 44.84 37.31 36.89 15.42 23.26 0.00 0.00
Record 5 7.77 0.64 18.68 21.91 14.89 52.68 60.72 22.36 30.80 50.57 0.00 9.28 1.83 3.34
Record 6 0.00 6.28 8.45 13.81 17.71 49.47 85.98 55.17 71.57 38.20 0.02 0.00
Record 7 0.00 2.95 3.98 14.25 0.90 69.44 75.57 75.75 72.06 44.82 1.10
Record 8 14.17 0.00 16.97 14.62 15.03 66.93 0.07 78.40 57.64 0.01 0.00
Record 9 5.57 0.40 0.00 0.00 9.35 33.69 81.75 59.83 8.03 1.66
Record 10 5.00 3.52 3.29 18.15 24.79 0.04 20.69 65.61 27.96 3.53
Record 11 6.14 3.39 32.39 13.09 25.84 36.46
Record 12 1.52 5.21 25.42 16.84 25.45 36.46
Record 13 0.48 0.16 27.85 26.23 0.01 61.34
Record 14 7.12 4.09 28.61 24.92 12.71 60.85
Record 15 1.51 0.00 16.31 0.00 51.72
Record 16 1.59 3.09 15.70 0.00 76.51
Record 17 0.00 0.00 22.12 4.70 78.77
Record 18 7.83 0.00 13.64 17.90 65.17
Record 19 6.33 0.75 20.67 24.68 49.45
Record 20 10.06 12.24 29.94 20.49 49.45
Max. voltage (mV)
Record 1 10.93 52.73 266.80 52.99 45.69 102.87 70.85 80.11 116.23 39.27 219.67 19.36 98.41 128.40 52.91
Record 2 9.81 21.46 22.95 4.89 0.47 99.85 42.24 82.60 30.74 28.94 722.00 112.63 70.40 407.56 7.72
Record 3 13.84 12.00 28.36 3.01 8.44 103.48 59.12 82.80 27.61 6.61 485.52 178.04 952.61 59.50 11.15
Record 4 12.28 3.51 31.39 24.88 28.98 96.82 58.33 57.64 38.58 39.47 350.78 65.84 600.43 2.96
Record 5 8.99 4.87 75.42 23.15 21.01 77.16 65.41 31.91 34.22 53.26 361.71 25.45 118.71 7.56
Record 6 3.17 7.27 12.12 14.86 25.77 74.55 266.76 80.50 91.66 42.18 128.61 8.71
Record 7 4.29 5.08 9.94 14.86 1.11 77.73 102.45 78.95 73.12 77.14 2.85
Record 8 25.22 2.63 20.15 18.49 16.85 69.20 71.41 84.31 57.91 11.12 0.88
Record 9 7.45 1.34 9.36 8.69 10.91 37.81 82.78 65.62 11.87 2.45
Record 10 8.38 14.61 3.81 28.73 26.73 113.62 28.34 65.91 33.35 8.70
Record 11 7.73 9.19 35.00 14.85 28.08 39.46
Record 12 3.17 7.02 32.99 18.21 33.05 39.46
Record 13 2.94 5.52 32.21 31.65 12.76 63.50
Record 14 9.83 6.43 31.86 26.59 21.71 61.74
Record 15 2.45 7.04 22.45 3.49 52.38
Record 16 6.76 6.45 21.56 11.27 79.14
Record 17 5.54 4.37 24.97 9.10 81.13
Record 18 10.19 0.95 20.30 20.38 68.18
Record 19 7.91 2.13 24.16 27.89 52.58
Record 20 14.32 13.57 34.40 27.74 52.58
Minimum and maximum voltage potentials ( mV ) measured on the surface of the polymetallic nodules (nod.) at (nodules 1-12) and (nodules 6 and 7 cold), and a control (cont.) rock. The voltages have not been corrected for the background voltages measured using only instant water.
  1. The Scottish Association for Marine Science, (SAMS), Oban, UK. Heriot-Watt University, Edinburgh, UK. GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Kiel, Germany. Department of Biology, Boston University, Boston, MA, USA. Bioinformatics Program, Boston University, Boston, MA, USA. Department of Earth and Environmental Science, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA. Faculty of Environment, University of Leeds, Leeds, UK. School of Science, Physics and Earth Sciences, Constructor University Bremen, Bremen, Germany. Federal Institute for Geoscience and Natural Resources (BGR), Hannover, Germany. Technological Institute, Northwestern University, Evanston, IL, USA. e-mail: Andrew.Sweetman@sams.ac.uk