Donkere zuurstof stelt wetenschap voor raadsels en dilemma’s

Het is lang een hoeksteen van de biologie geweest: zuurstof wordt geproduceerd door fotosynthetische organismen die zonlicht nodig hebben. Grote algen, microscopische fytoplankton en landplanten zetten met behulp van zonne-energie koolstofdioxide om in zuurstof. Maar een reeks recente ontdekkingen stelt dit vertrouwde paradigma behoorlijk op de proef. Op de bodem van de diepzee, kilometers onder de wateroppervlakte en omgeven door inktzwarte duisternis, blijken mysterieuze processen zuurstof te produceren zonder ook maar één straal zonlicht. Dit fenomeen, door wetenschappers ‘donkere zuurstof’ genoemd, vormt niet alleen een wetenschappelijke sensatie, maar ook een nieuwe bron van controverse rond diepzeemijnbouw en het behoud van kwetsbare oceaanecosystemen.

De klassieke kijk op zuurstofproductie
Eeuwenlang was het voor wetenschappers vanzelfsprekend dat zuurstof op aarde vrijwel uitsluitend voortkwam uit twee belangrijke bronnen: fotosynthese door landplanten en fotosynthese door mariene micro-organismen, in het bijzonder algen en cyanobacteriën. Deze eencellige organismen zetten in het zonlicht koolstofdioxide en water om in glucose en zuurstof. Dat proces wordt ondersteund door pigmenten zoals chlorofyl, die fotonen van de zon opvangen.

Aangezien zonlicht niet doordringt tot enkele kilometers onder de zeespiegel, werd de diepzee altijd beschouwd als een regio die alleen passief profiteerde van ‘afzakkende’ zuurstof of voedingsstoffen uit de bovenliggende waterlagen. Op grote diepte is er in principe geen fotosynthese: geen licht, ijskoude temperaturen en een enorme druk. Alles wat van boven komt, reikt beperkt en de biologische activiteit werd lang gezien als traag en schaars.

Hoewel wetenschappers in de afgelopen decennia wel ontdekt hebben dat micro-organismen bij hydrothermale bronnen waterstof kunnen gebruiken voor chemische energie, kwam de productie van zuurstof (tenminste op relevante schaal) niet in beeld. De ontdekking dat er wellicht óók beneden in de duisternis zuurstof wordt geproduceerd, lijkt in eerste instantie dan ook een mokerslag voor bestaande modellen.

Een mysterieuze meting in de Clarion-Clipperton Zone
In 2013 stond professor Andrew Sweetman, verbonden aan de Scottish Association for Marine Science (SAMS), voor een raadsel. Tijdens onderzoeksexpedities in de Clarion-Clipperton Zone (CCZ), een gigantisch stuk van de Stille Oceaan tussen Hawaï en Mexico, op zo’n 4.000 tot 5.000 meter diepte, leverden zijn instrumenten zeer opmerkelijke data aan: ze registreerden een aanzienlijke stijging van het zuurstofgehalte in afgesloten meetkamers, terwijl er daar geen enkel licht was.

Aanvankelijk verwierp Sweetman dit als een meetfout. Hij liet de sensoren controleren, maar de signalen bleven terugkomen. Een aantal teamleden dacht aan kleine luchtbelletjes die uit de apparatuur lekte of zelfs aan storingen door de drukverschillen bij grote diepte. Toch bleek bij herhaalde metingen keer op keer dat in sommige meetkamers het zuurstofgehalte zichtbaar toenam, soms gedurende een dag of twee.

In eerste instantie kon niemand geloven dat hier werkelijk zuurstof werd geproduceerd. Maar diverse controles, waaronder een tweede meetmethode (een zogeheten Winkler-titratie) toonden hetzelfde effect. Toen bleek dat ook in laboratoriumexperimenten, met verzamelde stukjes zeebodem en metalen knollen, er sprake was van zuurstoftoename, ging er een andere gedachte spelen: zou er mogelijk een chemisch of elektrochemisch proces zijn dat watermoleculen splitst in waterstof en zuurstof?

De rol van polymetallische knollen
Een deel van de CCZ is bezaaid met polymetallische knollen: ronde of ovale klompen, meestal niet groter dan een aardappel, die ontzettend rijk zijn aan metalen als mangaan, kobalt, nikkel en soms lithium. Deze knollen vormen zich gedurende miljoenen jaren: op microschaal slaan opgeloste metalen in het zeewater neer rond een harde kern (bijvoorbeeld een haaientand of een stukje schelp). Het resultaat is een mineraal- en metaalconcentraat dat uit economische overwegingen zeer gewild is.

Sweetman vermoedde dat de structuur van deze knollen misschien fungeert als een soort batterij. Verschillende lagen van metalen kunnen een kleine spanningsverschil opleveren wanneer ze in aanraking komen met het zoute water. Vergelijk het met een galvanisch element: steek twee verschillende metalen in een zoutoplossing en er kan een elektrisch potentiaal meetbaar zijn. Het is bekend dat voor de ontleding (elektrolyse) van water in waterstof en zuurstof ongeveer 1,23 volt nodig is. Bij sommige metingen in het lab kon men tot 0,95 volt komen. Dat lijkt te weinig, maar er is gespeculeerd dat wanneer meerdere knollen bij elkaar liggen, of wanneer ze plotseling worden blootgesteld aan schurende bewegingen (zoals het in de sedimenten steken van een meetkamer), kortstondig een hogere spanning kan ontstaan.

Hoewel het mechanisme nog niet tot in detail duidelijk is, werd in 2023 in een publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Geoscience gesteld dat dergelijke metaaloxiden wellicht in staat zijn om bij benadering water te splitsen. Om de leemten in de kennis te vullen, start Sweetman een nieuw onderzoeksproject, gefinancierd door The Nippon Foundation, met een budget van zo’n 2,5 miljoen euro. Met speciaal ontworpen diepzee-apparatuur willen hij en zijn collega’s zelfs tot 11.000 meter diepte afdalen om te kijken of dit fenomeen breder voorkomt dan enkel in de CCZ op 4 à 5 kilometer diepte.

Controverses en kritiek uit onverwachte hoek
De bewering dat zuurstof in het donker kan worden geproduceerd, ging vervolgens niet onopgemerkt voorbij en oogstte stevige kritiek uit de wetenschappelijke wereld. Sommige onderzoekers hadden nogal wat kritische vragen bij de meetmethoden. De voornaamste zorg is dat de meetkamers mogelijk luchtbellen insloten tijdens het neerlaten in zee of dat er elektrische lekstromen waren vanuit de roermechanismen in die kamers. Deze zouden dan water kunnen elektrolyseren, wat de observatie prima zou kunnen verklaren.

De felste kritiek kwam echter van bedrijven die op zoek zijn naar een vergunning voor diepzeemijnbouw, zoals The Metals Company. Dit bedrijf, dat ironisch genoeg enkele expedities van Sweetman mede ondersteunde, stelde in een gepubliceerde kritiek dat de gegevens ‘niet robuust genoeg’ waren en dat men in sommige testopstellingen, zelfs zonder knollen in de meetkamers, toch zuurstofstijging had waargenomen. Men suggereerde dat Sweetman zulke gevallen niet volledig had gerapporteerd.

Let wel: áls de knollen inderdaad zuurstof produceren, dan zou dat kunnen leiden tot een verbod op het oogsten van die knollen en dat zou diepzeemijnbouw vrijwel onmogelijk maken. The Metals Company heeft dus een fundamenteel belang bij weerlegging van deze theorie.

Sweetman is echter van mening dat deze controle-experimenten inderdaad zuurstofstijging lieten zien, maar onder heel specifieke omstandigheden (zoals bij het injecteren van koud oppervlaktezeewater). Bovendien was er ten minste één controletest die geen stijging liet zien. Volgens hem pleit dat juist vóór theorie. Hij ziet geen structureel effect van ingesloten lucht of lekstroom, aangezien de gemeten zuurstofstijging niet in alle kamers optrad en bovendien soms lang uitbleef of juist samenhing met de aanwezigheid van knollen.

Daarnaast wees hij op andere experimenten waarbij een giftige stof (HgCl2) was toegevoegd om microbiële productie van zuurstof uit te sluiten en tóch steeg toen het zuurstofgehalte. Dat duidt erop dat er iets chemisch of elektrochemisch gaande is, onafhankelijk van levende organismen.

De ruimere zoektocht: NASA en exobiologie
Ondanks (of juist dankzij) de controverse krijgt de idee van ‘donkere zuurstof’ ook steun en interesse uit onverwachte hoek: NASA. Ruimtewetenschappers zijn al jaren bezig met de vraag of er ook leven kan bestaan in omgevingen waar weinig tot geen zonlicht doordringt, bijvoorbeeld onder de ijskappen van Jupitermaan Europa of Saturnusmaan Enceladus. Zuurstof is niet altijd een strikte vereiste voor leven, maar als er spontaan zuurstof kan worden gevormd in donkere, ijskoude waterige systemen, dan vergroot dat de kans dat microbieel leven zich elders in het zonnestelsel ook zou kunnen hebben ontwikkeld.

NASA-wetenschappers denken dat het bestuderen van de mechaniek achter deze zuurstofproductie hen kan helpen om te bepalen hoeveel energie er nodig is om op buitenaardse locaties water te splitsen. De interessante vraag is of bijvoorbeeld radioactieve straling, elektrochemische processen of chemische reacties met mineralen op andere hemellichamen ook kunnen leiden tot het vrijkomen van zuurstof. Als er op die planeten of manen sporen van ijzer-, mangaan- of andere metaalrijke gesteenten aanwezig zijn, zouden dat theoretisch bronnen voor ‘donkere zuurstof’ kunnen zijn.

Milieu en de groeiende controverse rond diepzeemijnbouw
Terwijl wetenschappers de oceanen afspeuren naar meer aanwijzingen van donkere zuurstof, dreigt er een heel ander dossier roet in het eten te gooien: de commercialisering van de zeebodem. De International Seabed Authority (ISA), een orgaan dat onder toezicht van de Verenigde Naties valt, staat onder toenemende druk om mijnbouwvergunningen te verstrekken voor het oogsten van die polymetallische knollen.

Bedrijven zien in de CCZ een enorme potentiële bron van metalen die onmisbaar zijn voor de ontwikkeling van batterijen in elektrische voertuigen, zonnepanelen en andere duurzame technologieën. De vraag naar kobalt, nikkel, mangaan en lithium stijgt wereldwijd. Diepzeemijnbouw zou, zo stellen voorstanders, een oplossing kunnen bieden voor het dreigende tekort aan kritieke grondstoffen op het land.

Tegenstanders, onder wie een groeiend aantal wetenschappers, milieuorganisaties en NGO’s zoals Greenpeace, wijzen echter op de fragiliteit van de diepzeebodem. Hoewel deze zeegebieden op het eerste gezicht doods en kaal lijken, herbergt de diepzee een rijke gemeenschap aan organismen, van microben tot en met grotere benthische soorten. Als de knollen, die zich over miljoenen jaren gevormd hebben, op grote schaal worden geoogst door enorme mijnrobots, zou dat een onherstelbare verstoring van het ecosysteem betekenen.

Nu blijkt dat deze knollen niet slechts passieve steenhopen zijn, maar mogelijk zelfs een rol spelen in de productie van zuurstof, krijgt het debat een extra dimensie. Eerder stond de discussie vooral in het teken van verlies aan biodiversiteit en het wegnemen van mogelijk nog niet-ontdekte diersoorten. Met donkere zuurstof in het vizier komt daar een potentiële wereldwijde ecologische functie bij.

Wetenschappelijke scepsis vs. voorzichtige aanvaarding
Vanwege de enorme implicaties van donkere zuurstof eisen veel onderzoekers degelijke bevestiging. Niet alleen controledata, maar ook reproduceerbaarheid en extra experimenten bij andere locaties in de oceanen. Er wordt immers nog altijd gediscussieerd over het risico op meetfouten. In het verleden doken er vaker meldingen op van schijnbare zuurstofproductie onder water, die naderhand bleken te komen door ingesloten lucht.

MiningImpact2, een Europees project dat het effect van mijnbouw op de diepzee bestudeert, gaf aan dat ze bij hun eigen chamber-experimenten geen noemenswaardige zuurstofstijging detecteerden. Wel nuanceerden ze dat ze deze meetapparaten zeer voorzichtig met ROV’s (op afstand bestuurbare onderwatervoertuigen) in de zeebodem plaatsten. Sweetman stelt daarentegen dat zijn meetkamers juist met wat meer impact geplaatst werden en dat die verstoring misschien een kortstondig potentiaal opwekt in de knollen, wat tot zuurstofproductie leidt.

Ondertussen laten anderen zich minder negatief uit. Zo zijn sommige wetenschappers van plan om zelf proeven te doen met potentiaalmetingen aan knollen die in hun lab op voorraad liggen. Anderen, met name astrobiologen, juichen het initiatief toe om systematisch te zoeken naar waterstof in het water rond de knollen. De hamvraag is of er genoeg energie vrijkomt om op grotere schaal water te splitsen, of dat we hier vooral te maken hebben met een zeldzaam en kortdurend verschijnsel dat verder niet zoveel effect heeft.

Donkere analogieën op het land en in de ruimte
Het idee dat zuurstof kan ontstaan buiten fotosynthese is niet helemaal zonder precedent. In sommige ondergrondse reservoirs op het land (zoals in Canada en Zuid-Afrika) vond men al vergelijkbare vormen van donkere zuurstof die vrijkwam via radiolyse van water of door microben die nitraten omzetten. Ook chemolitho-autotrofe organismen bij hydrothermale bronnen trekken energie uit aardwarmte of chemische verbindingen in het gesteente.

Dit gegeven wekt verwondering en verbreedt de blik op de oorsprong van leven. Evolutiebiologen discussiëren al lang over de vraag of de aarde in haar vroege stadium, met amper zuurstof in de atmosfeer, toch pockets van lokaal zuurstof gehad zou kunnen hebben. De donkere productieprocessen in diepzee kunnen een verklaring bieden van hoe primitief leven zich staande hield.

Wetenschap, voorzichtigheid en toekomstperspectief
Hoewel de resultaten dus nog controversieel zijn, is er een duidelijke consensus dat de wetenschap veel dieper moet graven (of in dit geval duiken) om precies te doorgronden wat er eigenlijk allemaal gebeurt. Sweetmans team zal de komende drie jaar, gefinancierd door The Nippon Foundation, met autonome landers en geavanceerde sensoren afreizen naar het diepst van de oceanen, waaronder in de Marianentrog. Daar hopen ze niet alleen te bevestigen dat donkere zuurstof elders voorkomt, maar ook te ontrafelen wélke chemische en eventueel microbiële reacties er exact plaatsvinden. Bovendien zullen ze hun proeven op meerdere manieren herhalen: met andere roerstaven, extra controles op luchtbellen, verfijnde meetsystemen voor waterstof en gedetailleerde materiaalanalyses van de knollen.

Ook de rol van klimaatverandering komt om de hoek kijken. De diepe oceaan is een gigantisch reservoir waar koolstof, nutriënten en warmte worden opgeslagen. Als de oceaanstromingen veranderen of verzuring toeneemt, kan dat invloed hebben op de metaaloxiden in deze knollen. De samenstelling van zeewater (pH, ionen, temperatuur) heeft mogelijk gevolgen voor het elektrochemische potentieel.

Vanuit ecologisch oogpunt kan donkere zuurstof een invloedrijke, maar tot nu toe vrij onbekende factor zijn. Mocht blijken dat sommige diepzeedieren of micro-organismen in nauwe verbinding staan met de minuscule zuurstofproductie van deze knollen, dan moet men de gevolgen van het verwijderen van die knollen door diepzeemijnbouw grondig onderzoeken. Het leven op de oceaanbodem ontwikkelt zich extreem traag; een verstoring kan decennialang, zo niet voor eeuwig, sporen nalaten.

De roep om moratoria en internationaal beleid
In het licht van deze onzekere, maar potentieel essentiële rol van polymetallische knollen, roepen natuurorganisaties en veel mariene wetenschappers dan ook op tot voorzorg en een moratorium op diepzeemijnbouw. Meer dan 900 mariene onderzoekers hebben een petitie ondertekend die pleit voor uitstel van industriële exploitatie. Ze menen dat we met nog zo weinig kennis en met zulke grote risico’s niet halsoverkop een nieuw tijdperk van massale mijnbouw in de diepzee moeten beginnen.

Tegenover hen staan bedrijven die juist benadrukken dat groene transities grondstoffen nodig hebben. Ze zien in de CCZ een ongekend metaalreservoir dat op land steeds schaarser wordt. Tegelijkertijd investeren diezelfde bedrijven soms ook in onderzoek. Naar eigen zeggen niet alleen om hun eigen ecologische impact in te schatten, maar ook omdat ze wetenschappelijk inzicht willen in de complexiteit van het ecosysteem.

Voorlopig moet de International Seabed Authority de knopen doorhakken. Het VN-orgaan komt regelmatig bijeen in Kingston (Jamaica) om te discussiëren over de uitgifte van mijnbouwcontracten en de opstelling van regelgeving. Wetenschappers als Sweetman benadrukken dat we eerst zo veel mogelijk moeten leren vóórdat we eventueel beslissen de zeebodem te exploiteren.