DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8
تاريخ النشر: 2024-07-22
المؤلف: Andrew K. Sweetman وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث علم الأحياء البحرية والبيئة
طرق
في هذه الدراسة، تم نشر جهاز هبوط غرفة قاع البحر في منطقة ترخيص NORI-D عبر ثلاث رحلات منفصلة (5D، 5E، و7A) للتحقيق في العمليات الرسوبية. كان الجهاز يحتوي على ثلاث غرف قاع بحرية مستقلة (484 سم² لكل منها) تم دفعها في الرواسب بعد فترة انتظار قصيرة. تم حقن كل غرفة بواحد من ثلاثة محاليل – مياه بحرية مُصفاة مع الطحالب، محلول مغذي، أو مياه بحرية تحكمية – بعد عشر دقائق من الحضانة. تم مراقبة ظروف قاع البحر، مما كشف عن درجة حرارة 1.6 °م ودرجة حموضة 7.41. تم تسجيل تركيزات الأكسجين بشكل مستمر باستخدام أجهزة قياس الأكسجين، التي تم معايرتها قبل النشر وأظهرت انحرافًا ضئيلًا خلال التجارب.
بعد حضانة استمرت 47 ساعة، تم إغلاق الغرف واسترجاعها، مع جمع عينات من الرواسب والمياه للتحليل. تم تحديد عدد العقد المعدنية المتعددة المعادن بـ 1170 ± 97 م². تم تحديد تركيزات الأكسجين المذاب باستخدام طريقة تيتريشن ميكرو-وينكلر، مع نتائج تشير إلى أن قياسات وينكلر كانت باستمرار أقل من قراءات أجهزة القياس، على الأرجح بسبب انبعاث الغاز أثناء الاسترجاع. تم حساب قيم تركيز الأكسجين النهائية بناءً على بيانات أجهزة القياس، والمعايرة، والضغط في الموقع، مما سمح بتقييم شامل لديناميات الأكسجين في الميكروكوزمات الرسوبية.
نقاش
في قسم النقاش هذا، يستكشف المؤلفون الآليات وراء إنتاج الأكسجين المذاب الملحوظ (DOP) في حضانات الرواسب في أعماق البحار، خاصة فيما يتعلق بالعقد المعدنية المتعددة المعادن. إنهم يستبعدون عدة مصادر محتملة لـ DOP، بما في ذلك انتشار الغاز من فقاعات الهواء المحبوسة ودخول الأكسجين من غرف البولي أوكسي ميثيلين الخاملة المستخدمة في التجارب. من الجدير بالذكر أن DOP تم تسجيله حتى في التجارب المغلقة خارج الموقع، مما يشير إلى أن العمليات البيولوجية من غير المحتمل أن تكون المحركات الرئيسية، خاصة بالنظر إلى أن إضافة كلوريد الزئبق (HgCl₂) أعاقت نشاط الميكروبات المعروفة المنتجة للأكسجين.
يقترح المؤلفون أن DOP قد يكون مرتبطًا بالعمليات الكهروكيميائية التي تحدث داخل العقد، مفترضين آلية “بطارية جغرافية” حيث يسهل الفرق المحتمل بين أيونات المعادن في العقد التحليل الكهربائي لمياه البحر. تدعم هذه الفرضية اكتشاف فرق جهد كبير على أسطح العقد، مما يشير إلى أن العقد الأكبر، ذات المساحة السطحية الأكبر ومحتوى المعادن الأعلى، قد تعزز DOP من خلال زيادة النشاط الكهروكيميائي. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الديناميات الزمنية والمكانية لـ DOP، خاصة في سياق أنشطة التعدين في أعماق البحار، التي قد تعطل تغطية الرواسب وتؤثر على إنتاج الأكسجين في النظم البيئية في الأعماق. يمكن أن يوفر فهم هذه الآليات رؤى حول العمليات البيئية والجغرافية الأوسع، بما في ذلك أكسجة الأرض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8
Publication Date: 2024-07-22
Author(s): Andrew K. Sweetman et al.
Primary Topic: Marine Biology and Ecology Research
Methods
In this study, a benthic chamber lander was deployed in the NORI-D license area across three separate cruises (5D, 5E, and 7A) to investigate sedimentary processes. The lander featured three autonomous benthic chambers (484 cm² each) that were pushed into the sediment after a brief waiting period. Each chamber was injected with one of three solutions—filtered seawater with algae, a nutrient solution, or control seawater—ten minutes into the incubation. The seafloor conditions were monitored, revealing a temperature of 1.6 °C and a pH of 7.41. Oxygen concentrations were continuously logged using optodes, which were calibrated prior to deployment and showed negligible drift during the experiments.
After a 47-hour incubation, the chambers were sealed and retrieved, with sediment and water samples collected for analysis. The number of polymetallic nodules was quantified at 1170 ± 97 m². Dissolved oxygen concentrations were determined using micro-Winkler titration, with results indicating that Winkler measurements were consistently lower than optode readings, likely due to outgassing during recovery. Final oxygen concentration values were calculated based on optode data, calibration, and in situ pressure, allowing for a comprehensive assessment of oxygen dynamics in the sediment microcosms.
Discussion
In this discussion section, the authors explore the mechanisms behind the observed dissolved oxygen production (DOP) in deep-sea sediment incubations, particularly in relation to polymetallic nodules. They dismiss several potential sources of DOP, including gas diffusion from trapped air bubbles and oxygen intrusion from the inert polyoxymethylene chambers used in experiments. Notably, DOP was recorded even in sealed ex situ experiments, indicating that biological processes were unlikely to be the primary drivers, especially given that the addition of mercury chloride (HgCl₂) inhibited the activity of known oxygen-producing microbes.
The authors propose that the DOP may be linked to electrochemical processes occurring within the nodules, hypothesizing a “geo-battery” mechanism where the potential difference between metal ions in the nodules facilitates seawater electrolysis. This hypothesis is supported by the detection of significant voltage potentials on nodule surfaces, suggesting that larger nodules, with greater surface area and metal content, may enhance DOP through increased electrochemical activity. The authors emphasize the need for further investigation into the temporal and spatial dynamics of DOP, particularly in the context of deep-sea mining activities, which could disrupt sediment coverage and influence oxygen production in abyssal ecosystems. Understanding these mechanisms could provide insights into broader ecological and geological processes, including the oxygenation of Earth.