Elektrolyse von Meerwasser: natürliche Geobatterien produzieren Sauerstoff für das Ökosystem am tiefen Meeresgrund

So. 28.07.2024 — Redaktion

Die bislang geltende Lehrmeinung, dass der für das Leben auf unserem Planeten essentielle Sauerstoff ausschließlich durch photosynthetisch aktive Organismen unter Nutzung der Sonnenenergie generiert wird, findet laut einer neuen Untersuchung nun durch eine wesentliche weitere Sauerstoffquelle Ergänzung. Wie ein internationales Forscherteam zeigt, wird Sauerstoff auch in völliger Dunkelheit am Meeresboden in 4.000 Metern Tiefe produziert. Als Quelle dieses "Dunklen" Sauerstoffs wurden metallreiche Knollen - "Manganknollen" - identifiziert, die beispielsweise in der sogenannten Clarion-Clipperton Zone große Flächen des tiefen (abyssalen) Meeresboden bedecken und im Zentrum des geplanten Tiefseebergbaus stehen. Diese Metallknollen stellen natürliche Geobatterien dar: sie erzeugen genügend Spannung, um Meerwasser elektrolytisch zu spalten. Die Auswirkungen dieser Entdeckung auf Wissenschaft und Wirtschaft sind noch kaum absehbar.

Am 22. Juli 2024 wurde im Fachjournal Nature Geoscience über eine aufsehenerregende Entdeckung berichtet, die nicht nur unsere bisherigen Vorstellungen vom Ursprung des Lebens in Frage stellt, sondern auch inwieweit ökonomische und ökologische Aspekte des Tiefseebergbaus vereinbar sind [1]. Ein internationales Forscherteam um den schottischen Meeresforscher Andrew Sweetman (Scottish Association for Marine Science, (SAMS)) hat In den finsteren Tiefen des Pazifischen Ozeans Sauerstoff entdeckt, der nicht von photosynthetisch aktiven Organismen produziert wird, sondern von kartoffelförmigen Metallknollen - "natürlichen Geobatterien" -, wobei einzelne Knollen fast so viel Strom abgeben wie AA-Batterien und Meereswasser elektrolytisch zu Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.

Die Veröffentlichung erfolgt zum richtigen Zeitpunkt, um Entscheidungen zum Tiefseebergbau beeinflussen zu können: seit dem 15. Juli verhandelt der in Jamaika tagende Rat der Internationalen Meeresbodenbehörde (ISA) über ein entscheidendes Regelwerk für den Abbau von Rohstoffen wie Nickel, Kupfer oder Kobalt; vom 29, Juli an soll in UNO-Vollversammlung auch über ein mögliches Moratorium für den Tiefseebergbau diskutiert werden.

Was sind diese Metallknollen und was bewirken sie?

Metallknollen am Tiefseeboden..........

wurden ursprünglich in der sogenannten Clarion-Clipperton-Zone (CCZ) entdeckt, einer Tiefseeebene, die sich in einer Tiefe von 4000 - 6000 m über 4,5 Millionen Quadratkilometer zwischen Hawaii und Mexiko erstreckt. Auf Grund des reichen Vorkommens solcher sogenannter Polymetall-Knollen (wegen des hohen Mangananteils auch als Manganknollen bezeichnet), die neben Mangan und Eisen auch Kupfer, Nickel, Kobalt, Titan und andere für unsere Batterien und insgesamt für den Übergang zu "sauberer" Energie dringend benötigten Metalle enthalten, stehen zahlreiche Bergbauunternehmen in den Starlöchern, um mit Hilfe von Bergbaurobotern den kommerziellen Abbau der Knollen zu beginnen.

Abbildung 1. Weltweite marine Mineralvorkommen von wirtschaftlicher Bedeutung und erteilte Lizenzen zur Exploration. Detailbild: In der Clarion-Clipperton- Zone haben sich zahlreiche Staaten Explorationsgebiete reserviert. (Bild: Meeresatlas 2017 – Daten und Fakten über unseren Umgang mit dem Ozean, Petra Böckmann - cc-by 4.0.)

Neben den Manganknollen sind zwei weitere aus vielen wichtigen Metallen bestehende marine Mineralvorkommen von wirtschaftlicher Bedeutung:

Kobaltkrusten - steinharte, kobaltreiche Eisenmangankrusten, die sich auf (vulkanisch entstandenen) Seebergen abgelagert haben - und
Massivsulfide - eisenreiche Schwefelverbindungen, die auch Kupfer, Zink Spuren von Gold, Silber und anderen Metallen enthalten -, die sich an Schwarzen Rauchern als Schlote oder Hügel anlagern.

Abbildung 1 zeigt eine Weltkarte der bis jetzt identifizierten marinen Mineralfundstätten mit Stätten für die Explorationslizenzen, d.i. die Berechtigung zum Abbau zu forschen aber nicht im industriellen Maßstab abzubauen, vergeben wurden. Das primäre Target des Tiefseeabbaus, die Clarion-Clipperton- Zone ist im Ausschnitt gesondert hervorgehoben mit für einzelne Länder vergebenen Lizenzen zu Exploration und Schutzzonen.

Manganknollen kennt man schon seit 150 Jahren, entdeckt anlässlich einer britischen Expedition galten sie bis in die 1960er Jahre als Kuriosum. Es sind etwa faustgroße Knollen, die ausgehend von einem zentralen Kern, an den sich gelöste Metallionen anlagerten, überaus langsam - über Zeiträume von Jahrmillionen - gewachsen sind und nun am Meeresboden lose aufliegen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Manganknollen. Links: Aus dem Karischen Meer;Niederländische Polarexpedition 1881 -82. (Erdwissenschaftl. Sammlungen der ETH Zürich. System-ID #1332991. cc-by-sa.) Rechts: Knollen am Meeresboden der Clarion-Clipperton-Zone in mehr als 4000 Metern Wassertiefe (Bild Manganknollen / Manganknollen / ROV-Team/GEOMAR / CC BY 4.0 /)

Manganknollen sind in allen Ozeanen vorhanden und in einigen Gebieten, vor allem in der Clarion-Clipperton- Zone ist ihr Vorkommen so reichlich, dass sie als Rohstoffquelle nun mehr und mehr an Interesse gewinnen. Das US- Geological Survey schätzt das Vorkommen in der Clarion-Clipperton- Zone auf 21.1 Milliarden Tonnen Metallknollen, die mehr für die Industrie kritische Metalle enthalten als in Summe alle Vorkommen an Land. An manchen Stellen liegen die Knollen in dieser Zone dicht an dicht mit einem möglichen Ertrag von bis zu 75 kg/m2. Abbildung 2.

.......... und dort vorhandenes Leben

Die Manganknollenfelder beherbergen neben Viren, Archaeen und Bakterien eine enorm vielfältige Fauna von sesshaften und mobilen Spezies. Nur einen Bruchteil kennt man erst. Ein internationales Team um Muriel Rabone (Deep-Sea Systematics and Ecology Group, London) hat im vergangenen Jahr aus den gesamten bis dahin veröffentlichten Untersuchungen und Datenbanken zur Artenvielfalt in der Clarion-Clipperton-Zone eine erste Schätzung zur Fülle der Spezies getroffen. Die Wissenschaftler kamen auf 5 578 Tierarten, von denen rund 92 % bis dahin noch völlig unbekannt waren [3]. Abbildung 3.

Wie das Forscherteam des europäischen Projekts MiningImpact zeigen konnte, weisen Böden mit hoher Knollendichte eine höhere ökologische Vielfalt auf als Böden mit geringer Bedeckung [4].

Abbildung 3. Metazoa (vielzzellige Tiere) am Tiefseeboden, Spezies nach Stämmen geordnet. Eine erste Schätzung von bereits bekannten (blau) und noch völlig unbekannten (rot) Spezies. (Bild aus Rabone et al., 2023, [3] Lizenz cc-by.)

Um die ökologischen Folgen eines Manganknollen-Abbaus in der Tiefsee abzuschätzen, haben deutsche Meeresforscher im Jahr 1989 die Knollen in einem 11 km² großen Gebiet vor Peru entfernt. 26 Jahre später untersuchte die Expedition SO24 den gestörten Tiefseeboden mit modernsten Technologien; es wurden mit einem Tauchroboter gezielt Proben genommen, mikrobiologische Aktivitäten gemessen und toxikologische Experimente am Meeresboden durchgeführt. Dazu gaben Fotos und Videos einen umfassenden detaillierten Eindruck der Umweltschädigungen. Die Pflugspuren von 1989 waren im Meeresboden noch deutlich sichtbar, aber Leben - nicht einmal in Form von Mikroorganismen - war dorthin (noch) nicht zurückgekehrt [4].

Die Schlussfolgerung der Forscher: Die zentralen Ergebnisse dieser Untersuchungen kleiner Meeresboden¬störungen durch das Projekt MiningImpact in Bezug auf den sehr viel großflächigeren industriellen Tiefseebergbau sind, dass die Umweltschädigungen nachhaltig sein werden und alle Ökosystem-Kompartimente betreffen. Für viele Jahrzehnte bis Jahrhunderte wird die Zusammensetzung der Faunengemeinschaften verändert, Populationsdichten und Biodiversität der Fauna sowie Ökosystemfunktionen, wie Produktivität und mikrobielle Aktivität, werden stark reduziert [3].

Noch problematischer erscheint der Abbau der Manganknollen im Lichte der nunmehrigen Entdeckung, dass diese als Sauerstoffproduzenten für das Habitat am Tiefseeboden fungieren [1].

Manganknollen als Sauerstoffproduzenten

Bislang galt die Lehrmeinung, dass der für aerobes Leben auf unserem Planeten unabdingbare molekulare Sauerstoff via Photosynthese von Pflanzen, Algen und bestimmten Bakterien an Land und in der obersten Schichte des Ozeans erzeugt wird. Im Ozean, so dachte man, würde der Sauerstoff dann durch Diffusion bis in die Meerestiefen gelangen und dort den Lebensraum für aerobe Organismen ermöglichen.

Von dieser Meinung ging auch der schottische Meeresforscher Andrew Sweetman aus, als er vor 11 Jahren eine Expedition in der Clarion-Clippertone-Zone leitete. Mit dem Ziel möglichst bald mit dem Abbau der Manganknollen beginnen zu können, sollte die von einer Tochtergesellschaft der The Metals Company finanzierte exploratorische Studie etwaige ökologische Auswirkungen eines Tiefseebergbaus in den entsprechenden Lizenzgebieten evaluieren (dies war also noch vor den Ergebnissen der oben zitierten MiningImpact Studie).

In speziellen Tiefsee-Probenkammern untersuchten die Forscher vor Ort vorerst den Sauerstoffverbrauch des darin eingeschlossenen Systems aus Meerwasser, Manganknollen, Sediment und Organismen unter verschiedenen Bedingungen. In einem kurzen, ebenfalls am 22. Juli veröffentlichten Video beschreibt Sweetman die anfangs bezweifelten Daten, die schlussendlich zu der sensationellen Entdeckung eines anorganisch basierten, zweiten Sauerstoff produzierenden Systems führten [5].

Abbildung 4. Untersuchungen der Sauerstoffproduktion in abgeschlossenen Tiefsee-Probenkammern 2015 in Lizenzbereichen (OMS und UK1) und 2018 in 4 Abbau-geschützten Bereichen (APEI's) der Clarion-Clppertone-Zone. (Bild aus Extended Data, Figure 3; Sweetman et al., 2024 [1]. Lizenz cc-by.)

" Wenn sich Tiere und Mikroben in den Sedimenten bewegen und organisches Material verzehren, verbrauchen sie normalerweise auch Sauerstoff. Wenn man also einen definierten Bereich des Meeresbodens einschließt, kann man sehen, wie der Sauerstoff mit der Zeit langsam abnimmt. Wir haben aber festgestellt, dass der Sauerstoff mit der Zeit sogar zunimmt. Ich dachte, die von uns verwendeten Sensoren seien defekt, also schickte ich sie zur Neukalibrierung und Prüfung an den Hersteller zurück, der sie mir dann zurückschickte und mir mitteilte, dass alles funktioniere. Ich fuhr mit diesen also wieder aufs Meer hinaus und stellte dasselbe fest: Die Sauerstoffkonzentration in diesen verkleinerten Ökosystemen stieg mit der Zeit an. Über einen Zeitraum von etwa 8 oder 9 Jahren erhielt ich immer wieder diese "fehlerhaften" Messwerte meiner Sensoren. Als ich dann 2021 das nächste Mal rausfuhr, beschloss ich, die Sauerstoff-Konzentration mit einer anderen Methode zu messen. Und als das Instrument vom Meeresboden hochkam und wir die Daten von den Sensoren herunterluden, war - was ich bis dahin für unmöglich gehalten hatte - der O2-Wert am Meeresboden wieder angestiegen. Abbildung 4. Wir hatten also bislang einen Mechanismus der Sauerstoffproduktion ignoriert, den wir nun in den letzten 2 - 3 Jahren aufzuklären versuchten."

Tatsächlich lag die Netto-Sauerstoffproduktion in den Probenkammern im Durchschnitt bei 1,7 bis 18 Millimol Sauerstoff pro Quadratmeter und Tag. Das sind keine geringen Mengen - es werden damit höhere Konzentrationen erreicht als in algenreichen Oberflächengewässern, so Sweetman.

Wie wird Sauerstoff produziert?

Penibel nach Ursachen für die massive Sauerstoffproduktion suchend konnten die Forscher Prozesse wie Radiolyse durch radioaktive Isotope (von Uran, Thorium, Kalium) im Sediment und diverse Kontaminationen weitestgehend ausschließen. Auch biologische Mechanismen erschienen unwahrscheinlich, da Ex-situ-Experimente im Labor in Gegenwart des Zellgifts Quecksilberchlorid keinen Einfluss auf die Sauerstoffproduktion hatten.

Schließlich gelangten die Manganknollen selbst ins Zentrum der Untersuchungen: In Kontrolluntersuchungen ex-situ am Bord des Schiffs hatten die Knollen allein auch Sauerstoff produziert. Die Forscher führten nun elektrische Messungen an den Oberflächen der Manganknollen durch, und beobachteten, dass überraschend hohe elektrische Spannungen erzeugt wurden. Sweetman: "Wir haben das elektrische Potenzial zwischen 2 Platin-Elektroden an 153 Stellen auf der Oberfläche von 12 Knollen …. getestet. Die Potenziale zwischen verschiedenen Positionen auf den Knollen waren sehr unterschiedlich und es wurden Potenziale bis zu 0,95 Volt gemessen." Abbildung 5. Sweetman weiter: "Plötzlich wurde uns klar, dass hier möglicherweise dasselbe passiert, wie wenn man eine Batterie ins Meerwasser wirft. Es beginnt zu zischen, weil der erzeugte elektrische Strom das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet."

Abbildung 5. Abbildung 5. Background korrigierte Potentiale [V] auf der Oberfläche von 12 Manganknollen (Box-Whisker-Plot). Die aus 3 Lizenzgebieten stammenden Knollen wurden bei 21oC an jeweils 153 Stellen der Oberflächen getestet, Knollen 6 und 7 auch bei 5oC. (Bild: Figure 2 aus: Sweetman etal., 2024 [1]. Lizenz cc-by.)

Der Strom aus den Knollen kann - so schlussfolgern die Forscher - zur elektrolytischen Aufspaltung des Meereswasser führen, "wobei die notwendige Energie aus der Potentialdifferenz zwischen den Metallionen in den Schichten der Knollen kommt, die zu einer internen Umverteilung von Elektronen führt." Zur Elektrolyse von Wasser werden zwar 1,5 V benötigt, die aber erreicht werden können, wenn mehrere Manganknollen, ähnlich wie bei in Serie geschalteten Batterien, dicht beieinanderliegen.

Sind Manganknollen also als Geobatterien zu betrachten? Diese Hypothese wird durch die Korrelation von Knollenoberfläche und Sauerstoffproduktion gestützt. Auf Grund der Zusammensetzung der Knollen aus vielen Übergangsmetallen und deren katalytischen Eigenschaften, kann Katalyse zur Wasserspaltung beitragen.

Welche Bedeutung hat die Entdeckung der Sauerstoffquelle am Meeresboden?

Für die angestrebte Ökonomie der grünen Energiegewinnung benötigen wir diverse Metalle, die wir unter limitierenden Bedingungen aus dem Boden oder aus den reichen Vorkommen der Tiefsee gewinnen müssen. Der Abbau der Manganknollen dürfte die Sauerstoffquelle entfernen, ohne die das reiche Ökosystem in der Tiefe nicht atmen, nicht überleben kann. Der Abbau dürfte somit mit irreversiblen Schäden des Ökosystems einhergehen.

Nicht erwähnt/untersucht in [1] wurde die Frage inwieweit die weiteren marinen Mineralquellen - Kobaltkrusten und Massivsulfide an Schwarzen Rauchern - in ähnlicher Weise wie Manganknollen Sauerstoff produzieren können und damit die Biodiversität an diesen Orten (siehe Abbildung 1) fördern/erhalten.

Die Entdeckung einer anorganischen Sauerstoffquelle, die schon lange vor der Entwicklung der biochemischen Photosynthese bestanden haben kann, wirft auch Fragen nach dem wann, wo und wie des Ursprungs des Lebens und der Evolution der Arten auf. Aerobes Leben konnte sich also schon früher als angenommen entwickelt haben. Wie muss man sich dann den hypothetischen Vorfahren LUCA - last univeral common ancestor - vorstellen und wo ist er entstanden? Die Hypothese einer Entstehung an den Schwarzen Rauchern gewinnt hier möglicherweise wieder an Bedeutung.

[1] Andrew K. Sweetman et al., Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor. Nat. Geosci. (22. 07. 2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8

[2] Davide Castelvecchi. Mystery oxygen source discovered on the sea floor — bewildering scientists. Nat. Geosci. (22. 07. 2024). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02393-7

[3] Rabone et al., 2023, How many metazoan species live in the world’s largest mineral exploration region? Current Biology 33, 2383–2396. June 19, 2023. hhttps://doi.org/10.1016/j.cub.2023.04.052. Lizenz cc-by

[4] GEOmar.de: Miningimpact - Umweltmonitoring zu Auswirkungen des Tiefseebergbaus https://www.geomar.de/entdecken/miningimpact

[5] Andrew K. Sweetman: Discovering Dark Oxygen - How oxygen is produced in the deep sea. 22.7.2024. Video 5:12 min. https://www.youtube.com/watch?v=uP3RPDTgfa4

Weitere Informationen

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung: Manganknollen – Reiche Rohstofffelder am Meeresboden und Factsheet (2019): https://www.geomar.de/entdecken/rohstoffe-aus-dem-ozean/manganknollen

CR Smith et al., Editorial: Biodiversity, Connectivity and Ecosystem Function Across the Clarion-Clipperton Zone: A Regional Synthesis for an Area Targeted for Nodule Mining. Front. Mar. Sci., 03 December 2021. https://doi.org/10.3389/fmars.2021.797516

Geomar (Kiel): Impact and Risks of deep sea mining (2020) Video 8:24 min. https://www.youtube.com/watch?v=RTVzMtuHeoE&t=11s

Deep-Sea Mining Science Statement . Marine Expert Statement Calling for a Pause to Deep-Sea Mining . Signed by 827 marine science & policy experts from over 44 countries. https://seabedminingsciencestatement.org/