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Duygu S. Sevilgen, HGF-MPG bridge group for Deep Sea Ecology and Technology at the Max Planck Institute in Bremen and the Alfred Wegener Institute in Bremerhaven, Germany

Wednesday 16 Nov 2022, research vessel SONNE, just after cake-o’clock (every day at 15:00h, today: strawberry cake): wind-speed 10-11m/s, wave-height 1.8m, grey sky, light rain; air temperature 25.5°C, water temperature 27.5°C, 4079m above the seafloor.

It’s been 17 months since our little team for oxygen measurements in deep-sea sediments from the HGF-MPG bridge group for Deep Sea Ecology and Technology has been at this very same spot, right in the middle of the tropical North Pacific. We are part of a group of 39 scientists, trying to assess the environmental impacts of polymetallic nodule mining in the deep sea.

Given that we’ve already been here on previous cruises, one could assume that we would recognize where we are. This, of course, appears impossible, we are surrounded by water, water and more water. Even if some things seem surprisingly familiar. The water, even when it’s dark and grey outside, is warm. The wind carries a warm humidity, we feel acquainted with. The sun burns when the sky is blue and the waves cradle us continuously. This time they allowed for a smooth transition since we left shore two weeks ago. 

Now we barely feel the larger waves from the last few days, except for when we roll around in bed trying to sleep, when a coffee mug comes sliding across the table, or when during exercising the movement of the vessel pushes and pulls the body into and out of stretches at the rhythm of the sea. And when all the colleagues while discussing the work program in the conference room during daily team-meetings move from left to right to left to right like pendulums in perfect harmony. It looks funny and some classic music would go along well with it (or for those who know the carnival in Cologne – after all we are on board on 11 November at 11:11 am – a nice song to “schunkeln”).

Also many of the faces that made SONNE their home for eight weeks look familiar. And so do a large number of scientific instruments and laboratory set-ups. However, really recognizing where we are, is only possible once we dive into the deep blue – the most remarkable feature of recognition can only be found in more than four kilometers depth. To us, it is only visible through the eyes of the cameras that are installed on high-tech robots like the ROV (remotely operated vehicle).

The ROV can be sent to the ocean floor through a cable connection that allows for control of its thrusters, two robotic arms and many more features that can be used to deploy equipment and take samples. What becomes visible to us through this robot with its bright yellow hat, is the seafloor. It is covered by uncountable polymetallic nodules, lying half-buried like black potatoes on the seabed. And in the German exploration contract area, where we currently are, we now see a field that is void of nodules and marked with caterpillar tracks. These tracks were made by ‘Patania II‘, an underwater vehicle of the Belgian company GSR that carried out the first industrial polymetallic nodule collector prototype test last year. And it left remarkable footprints. The cleared area, which is the size of three soccer fields, looks like a construction site where the collected polymetallic nodules are piled up every several meters in 1.5m high heaps that resemble gravel or charcoal piles along the road.

But before I drift off in the deep sea, let’s talk science! After all, this is why we are here! So let’s come back up to the surface and sit in our lab for a while. Our three-headed team is here to study oxygen. More precisely, how much oxygen is consumed in the sediments by anything that respires oxygen: microbes and small animals that populate the seafloor. We look at undisturbed areas, areas that got ploughed by Patania II, and areas that are covered with a layer of sediment that got suspended into the water during Patania II’s work and settled back down.

We do this by poking probes into the seafloor that can measure oxygen concentrations. These probes are mounted on instruments which we call profilers and which are placed on the seafloor by the ROV. We have two different types of profilers: one is equipped with optical fibers that have tips measuring only 1/3 of a millimeter. They are coated with an oxygen sensitive dye and driven vertically 30cm into the sediments, measuring oxygen several times per millimeter.

The other profiler uses electrochemical sensors that look like really fine glass needles with tips of only 1/30 of a millimeter! They measure in a much greater resolution and into a depth of 15cm.

Number three in our collection of deep-sea toys are the BFCs (benthic flux chambers). These chambers are placed on the seabed by the ROV and stay there for several days, sealing off a small patch of seafloor. The organisms in the sediments respire the oxygen in this confined space and we can measure how much that is by means of a sensor monitoring oxygen in the water trapped within the chamber. The BFCs are equipped with syringes that automatically take water samples from within the chamber at different time points for subsequent laboratory analyses.

In addition to these in-situ experiments, we also want to know how much the polymetallic nodules respire. This is not the polymetallic nodules itself, but all the microbes and small organisms living in and on the nodules. This experiment is set up in the lab. We put individual nodules into glass vessels, which are filled with water and void of any air bubbles, and measure how the oxygen decreases in the water over time. This is done in the cold (at 1.5°C) and in the dark (pitch dark), so that the nodules feel just like at home!

In the cold room and in these water-filled and airtight vessels we measure respiration rates of individual polymetallic nodules. Left: Nodule in incubation vessel. Right: Experimental set-up. Photos: D.Sevilgen

And why do we do all these measurements? Well, microbes represent the smallest organisms in deep-sea sediments but typically have the largest biomass at these depths. They dominate biochemical processes and element cycling. We hope to use their overall activity (which we measure by oxygen fluxes) as an indicator to assess the sedimentary ecosystem status and how this changes when it is disturbed.

When not at the seafloor, our profilers stand either parked in the hangar or in our lab when we work on them – a lab that usually looks very colorful and technical. There’s boxes, fridges and freezers, helmets, rubber boots, sensors of all kinds, cable ties of various sizes, batteries, tools, profilers, tape in different colors, laptops and much more, standing and lying around on the tables, the ground and in the cupboards. We assemble, disassemble, calibrate, grease, cut, fix, glue, test, program and control all the instruments going down and coming up, or the instruments in the lab, improvising along the way to optimize our set-ups. It’s like lego technic for grown-ups!

After a (few) day(s) of preparation we spend some hours with the ROV team in their control container, guiding them to where they can place our instruments, pick them up or take samples – if all goes according to plan. If not, if things break or bug, it’s time to trouble shoot. Music helps with that! If you walked past our lab, you would often hear country, bluegrass, 80ies classics and, depending on the mood and booster needed, classical piano music, the ROCKY IV soundtrack, or ACDC. This cheers us up during the long days as they are typical for research cruises. Work is carried out 24/7 and the vessel is full of busy and motivated scientists and crew members who somehow always are in motion. A full night’s sleep is a rare good for many onboard!

We usually work on different tasks at the same time, helping each other out where we can. And we laugh a lot in our little workshop, have scientific discussions, design dive plans, and add some German lessons for our American colleague (for which our white board comes in very handy).

Given that our tool boxes are well equipped and sorted, our colleagues often peak their heads into our lab to borrow something – a welcome moment to exchange deck-news and update each other on things we can’t see on our lab-monitor. The lab-monitor (there’s one in almost every room) allows to follow the different activities on board. In our lab it usually shows either the footage of the current ROV dive, the details of the ship (where are we, is any tool in the water, if so, how deep, what is the time and the important meteorological data), or the menu of the day. Three times a day, the kitchen staff keeps our engines running with nicely prepared dishes. They keep us happy and help us keep track of what time of the day it is – something that is easily forgotten on board. This being said, it’s already time for dinner – so, good bye and until next time, with more news from SO295.

[The author of this post was interrupted during the writing process by dinner, going on deck to watch the lightning, a group meeting, a few minutes in the hangar to help out a colleague, downloading and plotting data as well as a couple of nice chats with colleagues who entered the lab.]

Deutsche Version

Wie sich das Mitten-im-Nirgendwo bekannt anfühlen kann und wie uns High-Tech dabei hilft Sauerstoff in Tiefsee-Sedimenten zu untersuchen

Duygu S. Sevilgen HGF-MPG Brückengruppe für Tiefseeökologie und -technologie am Max-Planck-Institut in Bremen und am Alfred-Wegener Institut in Bremerhaven, Deutschland

Mittwoch, 16.11.2022, RV SONNE, 22:45UTC, kurz nach Kuchenzeit (immer um 15:00h Ortszeit, heute: Erdbeerkuchen): Windgeschwindigkeit 10-11 m/s, Wellen 1.8 m, grauer Himmel, leichter Regen; Lufttemperatur 25,5 °C, Wasser 27,5 °C, 4079 m über dem Meeresboden.

Es ist 17 Monate her, dass unser kleines Team für “Sauerstoffmessungen in Tiefseesedimenten” von der HGF-MPG-Brückengruppe für Tiefseeökologie und -technologie an genau dieser Stelle war, mitten im tropischen Nordpazifik. Wir sind Teil einer Gruppe von 39 Wissenschaftlern, die versuchen, die Umweltauswirkungen des Manganknollenabbaus in der Tiefsee zu bewerten.

Bedenkt man, dass wir schon auf früheren Ausfahrten hier waren, könnte man vermuten, wir erkennen wieder wo wir sind. Das ist natürlich eigentlich unmöglich. Wir sind umgeben von Wasser, Wasser und noch mehr Wasser. Selbst wenn uns einiges vertraut erscheint. Der Wind trägt eine warme Luftfeuchtigkeit mit sich, die uns bekannt vorkommt. Das Wasser ist warm, auch wenn es draußen dunkel und grau ist. Die Sonne brennt, wenn der Himmel blau ist, und die Wellen wiegen uns stetig. Diesmal haben sie für einen sanften Übergang gesorgt, seitdem wir vor zwei Wochen die Küste verlassen haben. 

Jetzt spüren wir die größeren Wellen der letzten Tage kaum, außer wenn wir im Bett hin und her gerollt werden, während wir versuchen zu schlafen, wenn eine Kaffeetasse über den Tisch rutscht oder wenn beim Sport die Bewegung des Schiffes den Körper im Rhythmus des Meeres in die und aus den Dehnungen zieht. Und wenn sich alle Körper im Konferenzraum während der täglichen Besprechungen des Arbeitsplans wie Pendel in perfekter Harmonie von links nach rechts nach links nach rechts bewegen. Das sieht lustig aus und könnte gut von klassischer Musik untermalt sein (oder für diejenigen, die den Kölner Karneval kennen – immerhin sind wir am 11.11. um 11:11 an Bord der SONNE – mit einem schönen Lied zum Schunkeln).

Auch viele der Gesichter, die, wie wir, die SONNE für acht Wochen zu ihrem zu Hause machen, kommen einem bekannt vor. Ebenso wie eine große Anzahl wissenschaftlicher Instrumente und Laboreinrichtungen. Tatsächlich wiedererkennen, wo wir sind, können wir jedoch nur wenn wir uns unter die Wasseroberfläche begeben. Das herausragendste Erkennungsmerkmal findet sich nämlich erst in mehr als vier Kilometern Tiefe. Sichtbar für uns nur durch die Augen der Kameras, die auf High-Tech-Robotern, wie dem ROV (remotely operated vehicle), installiert sind. Das ROV kann über eine Kabelverbindung auf den Meeresboden geschickt werden, von wo aus seine Antriebe, zwei Roboterarme und viele weitere Funktionen gesteuert werden können, um Messgeräte auszubringen und Proben zu nehmen.

Was wir mit Hilfe dieses Roboters mit leuchtend gelber Haube sehen können, ist der Meeresboden. Er ist von unzähligen Manganknollen bedeckt, die wie schwarze Kartoffeln halb vergraben auf der Sedimentoberfläche liegen. Und im Deutschen Explorations-Lizenzgebiet, in dem wir uns gerade befinden, sehen wir nun ein Feld, das knollenfrei und mit riesigen Raupenspuren durchsetzt ist. Diese stammen von ‘Patania II‘, dem Unterwasserfahrzeug des belgischen Unternehmens GSR, das im vergangenen Jahr die ersten Tests zum industriellen Ernten von Manganknollen durchführte – und bemerkenswerte Spuren hinterließ. Das geräumte Gebiet, das die Größe von drei Fußballfeldern hat, sieht aus wie eine Baustelle. An ihrem Rand sind die gesammelten Manganknollen alle paar Meter zu 1,5 m hohen Haufen aufgeschichtet, die an Kies- oder Holzkohlehaufen entlang einer Straße erinnern.

Aber bevor ich in der Tiefsee abdrifte, lasst uns über Wissenschaft reden! Schließlich sind wir ja deswegen hier! Kommen wir also zurück an die Oberfläche und setzen uns für eine Weile in unser Labor oder den Hangar.

Unser dreiköpfiges Team ist hier, um Sauerstoff zu messen. Genauer gesagt, wieviel Sauerstoff die Sedimente aufnehmen. Das heißt, wieviel dort von all denen verbraucht wird, die Sauerstoff veratmen: Mikroben und kleine Tiere. Wir untersuchen ungestörte Bereiche, Bereiche, die von Patania II durchpflügt wurden, und Bereiche, die mit einer Sedimentschicht bedeckt sind, die während der Arbeit von Patania II aufgewirbelt wurde und sich dann wieder abgesetzt hat.

Dazu stecken wir Sonden in den Meeresboden, mit denen wir die Sauerstoffkonzentration messen können. Diese Sonden sind an Instrumenten angebracht, die wir Profiler nennen und die vom ROV auf dem Meeresboden platziert werden. Wir haben zwei verschiedene Arten von Profilern: Einer ist mit optischen Fasern ausgestattet. Diese haben Spitzen, die gerade mal 1/3 mm gross und mit einem sauerstoffempfindlichen Farbstoff beschichtet sind. Sie werden am Profiler befestigt, der sie senkrecht 30 cm tief in die Sedimente treibt, wobei der Sauerstoff mehrmals pro Millimeter gemessen wird.

Der andere Profiler verwendet elektrochemische Sensoren, die wie sehr feine Glasnadeln aussehen und viel dünnere Spitzen haben, die nur 1/30 mm messen. Mit ihnen können wir in einer höheren Auflösung bis zu einer Tiefe von 15 cm messen.

Nummer drei in unserer Sammlung von Tiefseespielzeugen sind die BFCs (benthic flux chambers). Diese Kammern werden vom ROV für mehrere Tage auf die Sedimentoberfläche gesetzt und isolieren einen kleinen Fleck Meeresboden. Die Organismen im Sediment atmen dann den Sauerstoff in diesem begrenzten Raum und indem wir den Sauerstoffgehalt im zusammen mit dem Sediment eingeschlossenen Wasser überwachen, können wir messen, wieviel das ist. Die BFCs sind mit Spritzen ausgestattet, die automatisch und zu verschiedenen Zeitpunkten Wasserproben aus der Kammer für spätere Laboranalysen entnehmen.

Zusätzlich zu diesen In-situ-Experimenten möchten wir noch gerne herausfinden, wieviel die Manganknollen atmen. Dabei geht es nicht um die Manganknollen selbst, sondern um die Mikroben, die in und auf den Knollen leben. Dieses Experiment ist im Labor aufgebaut: Wir setzen einzelne Knollen in geschlossene, mit Wasser gefüllte Glasgefäße, die frei von Luftblasen sind und messen, wie der Sauerstoffgehalt im Wasser mit der Zeit abnimmt. Dies geschieht in der Kälte (bei 1,5 °C) und im Dunkeln (stockdunkel), so dass sich die Knollen wie zu Hause fühlen!

Und warum führen wir all diese Messungen durch? Nun, Mikroben sind zwar die kleinsten Organismen in Tiefseesedimenten, haben aber in der Regel die größte Biomasse in diesen Tiefen. Sie dominieren die biochemischen Prozesse und den Stoffkreislauf. Wir hoffen, ihre Gesamtaktivität (die wir anhand der Sauerstoffflüsse messen) als Indikator für die Bewertung des Zustands des Ökosystems im Sediment zu nutzen und zu erfahren, wie sich dieser verändert, wenn das System gestört wird.

Wenn unsere Profiler nicht in der Tiefsee stehen, sind sie entweder im Hangar geparkt oder im Labor aufgebaut, weil wir daran arbeiten. Und in unserem Labor sieht es immer sehr technisch aus. Da stehen und liegen Kisten, Kühl- und Gefrierschränke, Helme, Gummistiefel, Sensoren aller Art, Kabelbinder in verschiedenen Größen, Batterien, Werkzeuge, Profiler, Klebeband in verschiedenen Farben, Laptops und vieles mehr auf den Tischen, dem Boden und in den Schränken. Wir montieren, demontieren, kalibrieren, schmieren, schneiden, reparieren, kleben, testen, programmieren und kontrollieren alle Instrumente, die auf den Meeresgrund gehen und wieder rauf kommen sowie die Instrumente im Labor und improvisieren dabei, um unsere Einstellungen zu optimieren. Das ist wie Lego Technik für Erwachsene!

Nach Tagen der Vorbereitung verbringen wir mehrere Stunden mit dem ROV-Team im Kontrollcontainer und zeigen ihnen, wo sie unsere und andere Instrumente platzieren und einsammeln oder Proben nehmen können – wenn alles gut läuft. Wenn nicht, wenn etwas kaputt geht oder nicht richtig funktioniert, ist es Zeit für die Fehlersuche. Musik hilft dabei! Wenn man an unserem Labor vorbeikommt, hört man oft Country, Bluegrass, 80er-Jahre-Klassiker und, je nach Stimmung, klassische Klaviermusik oder den Soundtrack von ROCKY IV oder ACDC. Das gibt uns Schwung für die langen Tage und Nächte, die für Forschungsausfahrten ganz typisch sind. Hier wird rund um die Uhr gearbeitet und das Schiff ist voller geschäftiger und motivierter Wissenschaftler und Crew-Mitglieder die irgendwie immer in Bewegung sind! Eine lange Nachtruhe ist für viele an Bord ein seltenes Gut.

Auch Humor hilft bei der Arbeit und in unserer kleinen Werkstatt lachen wir viel. Wir arbeiten meistens an mehreren Sachen gleichzeitig und helfen uns, wo wir können. Wir führen wissenschaftliche Diskussionen, entwerfen Tauchpläne und geben unserem amerikanischen Kollegen ein wenig Deutschunterricht (hierfür hat sich unser Whiteboard als sehr nützlich erwiesen).

Da unser Werkzeugwagen gut bestückt und sortiert ist, schauen unsere Kollegen oft in unserem Labor vorbei, um sich etwas auszuleihen – ein willkommener Moment, um Neuigkeiten von Deck auszutauschen und sich gegenseitig auf den neuesten Stand zu bringen. Ein Labor-Monitor, mit dem jedes der Labore bestückt ist, zeigt oft (live und in Farbe) das Videobild des aktuellen ROV-Tauchgangs oder eine Übersicht der wichtigsten Schiffsdaten (wo sind wir, ist irgendein Instrument im Wasser, wenn ja, wie tief, wie spät ist es und die wichtigsten meteorologischen Daten) oder das Menü des Tages. Dreimal am Tag hält das Küchenpersonal unsere Motoren nämlich mit gut zubereiteten Gerichten am Laufen. Sie halten uns bei Laune und helfen uns, den Überblick über die Tageszeit zu behalten – etwas, das man an Bord leicht vergisst. Und jetzt ist es auch schon Zeit für das Abendessen – also tschüss und bis zum nächsten Mal mit mehr Neuigkeiten von SO295.

[Die Autorin dieses Beitrags wurde während des Schreibens durch das Abendessen, einen Besuch an Deck, um Blitze über dem Meer anzuschauen, unser tägliches Gruppentreffen, ein paar Minuten im Hangar, um einem Kollegen zu helfen, das Herunterladen und Darstellen von Daten, sowie ein paar netten Gespräche mit Kollegen, die das Labor betraten, unterbrochen.]