Restoring the deep sea after mining – would it work?

Anemone on a nodule at 4200 meters depth. Photo: GEOMAR

Deutsche Version siehe unten

Sabine Gollner, Royal Netherlands Institute for Sea Research on Texel

Many of earth’s ecosystems have undergone significant degradation in the past decades and protecting nature is the most effective tool to prevent further loss of biodiversity. On land and in shallow seas there is a growing recognization that we won’t be able to conserve biodiversity if we do not restore degraded areas. Restoration – the support to the recovery process of ecosystems degraded by humans – finds it form for example as artificial coral reefs that shall help corals, fishes, and other organisms to repopulate such areas.

The deep sea is to date much less degraded by humans compared to terrestrial or shallow marine ecosystems. However, this may change, as rich mineral deposits could be mined from 4000 meters depth from the ocean floor in the near future. A first test of a pre-prototype machine for deep-sea mining of polymetallic nodules – potato sized rocks that are rich in metals –  was carried out in 2021 by the Belgian company DEME-GSR in the middle of the Pacific Ocean. Now the environmental impacts are evaluated by a group of independent scientists during our expedition on research vessel SONNE within the framework of the European project MiningImpact. As part of this project, in 2019 we initiated an experiment to test the effectiveness of restoration of mined seafloor areas.

Nodule mining would change the seafloor ecosystem in the deep sea far beyond our lifetime. Nodules form on geological timescales and only grow several millimeters per million years. At the same time, they are an important habitat for sessile animals such as sponges, corals or anemones that need a hard substrate to grow on. Thus, if nodules are removed, all life depending on them will be gone in mined areas for a very long time, for millions of years.

In 2019, we started a long-term experiment on the seafloor. At more than 4000 meters depth, we deployed artificial substrates to see if deep-sea animals would colonize these instead of the nodules that may be harvested in the future. As substrates we used artificial nodules of different shapes and material: ceramic nodules made from deep-sea clay and from commercially available clay as well as naturally occurring nodules as a control experiment. Due to the expected slow settlement and growth rates of animals we deployed more than 3000 artificial nodules to study the success or failure of this restoration experiment for the next 30 years.

Frames with artificial nodules on the seafloor at 4500 meters depth. Photo: GEOMAR
Sabine Gollner with frames with artificial nodules that were deployed on the seafloor during this cruise. Photo: Tim Kalvelage

During this expedition, we recovered the first 500 of these artificial nodules. What sounds like a trivial task, requires teamwork, out of the box thinking, and lots of enthusiasm. The idea for this experiment was born almost 10 years ago during a scientific meeting, followed by funding of the project, collecting deep-sea clay and finding a ceramist who was eager to experiment with deep-sea clay ceramics and to produce thousands of artificial nodules. Next, frames were designed, that could hold 25 nodules each, and would allow for our experiments to be picked up from the seafloor with a diving robot or remotely operated vehicle (ROV). In addition, recovery boxes were built for an elevator that we use to bring the nodule frames (and other scientific instruments) from the seafloor to the working deck of our research vessel.

With so much effort already put into this experiment, the tension was high when the first experiments were recovered during this expedition. Again, this was a big team effort including the scientists, the ROV-team, and the ship’s crew. First, the deck crew lowered the elevator, which is connected to a strong cable, to 4500 meters depth. Then, together with the ROV-team they deployed the diving robot, which is connected to the ship via a second cable for power supply and data transmission. In a container at the back of the ship with big screens, the ROV-pilots see the deep sea through the lenses of the video cameras mounted on the vehicle. 

Inside the ROV container during a dive. Photo: Tim Kalvelage

The pilots located the elevator, which was then deployed on the seafloor with high precision just a few meters away from the frames with the artificial nodules. Next, with intuition and a lot of experience the ROV pilots gently picked up the frames one by one using the robot’s arm and placed them in the recovery boxes.  It is amazing that all this actually works – an operation that requires centimeter precision at 4500 meters depth. Chapeau! During the first six weeks of our expedition, we successfully recovered 20 frames at 4 locations. 500 nodules were processed on board of the ship so they can be analyzed for the potential colonization by deep-sea animals and their diversity in the lab once we are back on land.

With the arm of the ROV a frame with artificial nodules is deployed on the seafloor. Photo: GEOMAR
Recovery of the ROV after a successful dive. Photo: Tim Kalvelage

Here on board, we already get a first glimpse on the early results of the artificial-substrate experiment. As expected, the nodules on the frames where very sparsely colonized by visible life forms. Life in the deep sea proceeds at a very slow pace, but with this experiment we will find out how slow it actually is, as we know the starting point of colonization of our artificial nodules. 

In the ship’s lab, the artificial nodules are preserved in alcohol. Back home they will be analyzed for the potential colonization by deep-sea animals. Photo: Tim Kalvelage

In the coming years to decades, we will unveil the age and growth rate of sessile animals such as anemones, sponges and corals. Currently, we have no idea how old, for example, the anemone on the picture above is. Has it been sitting on that nodule for 5, 50 or 500 years? Does it need a natural nodule to grow on or would an artificial one do the job and give it hold-fast in this muddy environment? Knowing how fast or slow recovery after nodule removal is and if natural nodules are needed to sustain the amazing forms of life in the deep sea will help us to better constrain the risks of deep-sea mining and the potential loss of biodiversity.

Deutsche Version

Restaurierung der Tiefsee nach dem Bergbau – würde das funktionieren?

Sabine Gollner, Königlich Niederländisches Institut für Meeresforschung auf Texel

Viele Ökosysteme der Erde haben sich in den letzten Jahrzehnten erheblich verschlechtert, und der Schutz der Natur ist das wirksamste Mittel, um einen weiteren Verlust der biologischen Vielfalt zu verhindern. An Land und in flachen Randmeeren wächst die Erkenntnis, dass wir die biologische Vielfalt nicht erhalten können, wenn wir geschädigte Gebiete nicht wiederherstellen. Restaurierung – die Unterstützung des Erholungsprozesses von Ökosystemen, die durch den Menschen geschädigt wurden – findet beispielsweise in Form von künstlichen Korallenriffen statt, die Korallen, Fischen und anderen Organismen helfen sollen, solche Gebiete wieder zu besiedeln.

Die Tiefsee ist im Vergleich zu terrestrischen oder flachen Meeresökosystemen bisher viel weniger durch den Menschen geschädigt worden. Dies könnte sich jedoch ändern, wenn in naher Zukunft reiche Mineralvorkommen in 4000 Metern Tiefe vom Meeresboden abgebaut würden. Ein erster Tiefseetest eines Prototypen für den Abbau von polymetallischen Knollen – Kartoffel-großen Gesteinsbrocken, die reich an Metallen sind – wurde 2021 von der belgischen Firma DEME-GSR mitten im Pazifik durchgeführt. Nun werden die Umweltauswirkungen von einer Gruppe unabhängiger Wissenschaftler während unserer Expedition auf dem Forschungsschiff SONNE im Rahmen des Europäischen Projekts MiningImpact bewertet. Im Rahmen dieses Projekts haben wir im Jahr 2019 ein Experiment gestartet, um die Wirksamkeit der Restaurierung abgebauter Meeresbodengebiete zu testen.

Der Abbau von Knollen würde das Ökosystem am Meeresboden in der Tiefsee weit über unsere Lebenszeit hinaus verändern. Knollen bilden sich auf geologischen Zeitskalen und wachsen nur einige Millimeter in einer Million Jahre. Gleichzeitig sind sie ein wichtiger Lebensraum für sesshafte Tiere, wie Schwämme, Korallen oder Anemonen, die ein hartes Substrat zum Wachsen benötigen. Wenn also die Knollen entfernt werden, wird alles Leben, das von ihnen abhängt, in den abgebauten Gebieten für eine sehr lange Zeit verschwunden sein, für Millionen von Jahren. 

Eine Anemone auf einer Knolle in 4200 Metern Tiefe. Foto: GEOMAR

Im Jahr 2019 haben wir ein Langzeitexperiment am Meeresboden gestartet. In mehr als 4000 Metern Tiefe haben wir künstliche Substrate ausgebracht, um zu sehen, ob Tiefseetiere diese anstelle der Knollen, die in Zukunft möglicherweise geerntet werden, besiedeln würden. Als Substrate haben wir künstliche Knollen unterschiedlicher Formen und aus unterschiedlichen Materialen verwendet: Keramikknollen aus Tiefseeton und aus handelsüblichem Ton sowie natürlich vorkommende Knollen als Kontrollversuch. Aufgrund der zu erwartenden langsamen Ansiedlungs- und Wachstumsraten der Tiere haben wir mehr als 3000 künstliche Knollen ausgebracht, um den Erfolg oder Misserfolg dieses Restaurierungsexperiments über die nächsten 30 Jahre untersuchen zu können.

Rahmen mit künstlichen Knollen auf dem Meeresboden in 4500 Metern Tiefe. Foto: GEOMAR
Sabine Gollner mit Rahmen mit künstlichen Knollen, die auf dieser Expedition am Meeresboden abgelegt wurden. Foto: Tim Kalvelage

Während dieser Expedition haben wir die ersten 500 dieser künstlichen Knollen geborgen. Was sich wie eine triviale Aufgabe anhört, erfordert Teamwork, unkonventionelles Denken und viel Enthusiasmus. Die Idee für dieses Experiment wurde vor fast 10 Jahren auf einer wissenschaftlichen Tagung geboren. Nachdem die Finanzierung für das Projekt stand wurde Tiefseeton gesammelt und eine Keramikerin gesucht, die bereit war, mit Tiefseeton zu experimentieren und Tausende von künstlichen Knollen herzustellen. Als nächstes wurden Gestelle entworfen, die jeweils 25 Knollen fassen und die mit einem Tauchroboter – auch remotely operated vehicle (ROV) genannt – vom Meeresboden geborgen werden sollten. Außerdem wurden Bergungsboxen für einen so genannten Aufzug gebaut, mit dem wir die Knollenrahmen (und andere wissenschaftliche Instrumente) vom Meeresboden auf das Arbeitsdeck unseres Forschungsschiffs bringen.

Bei so viel Aufwand, der bereits in dieses Experiment gesteckt wurde, war die Anspannung groß, als die ersten Experimente während dieser Expedition geborgen wurden. Auch hier bedurfte es einer großen Teamleistung von Wissenschaftlern, dem ROV-Team und der Schiffsbesatzung. Zunächst ließ die Decksmannschaft den Aufzug, der mit einem starken Kabel verbunden ist, auf 4500 Meter Tiefe hinab. Dann setzten sie zusammen mit dem ROV-Team den Tauchroboter aus, der über ein zweites Kabel mit dem Schiff verbunden ist, und der Stromversorgung sowie der Datenübertragung dient. In einem Container am Heck des Schiffes mit großen Bildschirmen sehen die ROV-Piloten die Tiefsee durch die Objektive der am Fahrzeug montierten Videokameras. 

Im ROV-Container während eines Tauchgangs. Foto: Tim Kalvelage

Die Piloten orteten den Aufzug, der anschließend mit hoher Präzision wenige Meter neben den Rahmen mit den künstlichen Knollen abgesetzt wurde. Mit Fingerspitzengefühl und viel Erfahrung hoben die ROV-Piloten dann mit dem Roboterarm vorsichtig Rahmen für Rahmen auf und legten sie in die Bergungsboxen.  Es ist erstaunlich, dass all dies tatsächlich funktioniert – ein Vorgang, der in 4500 Metern Tiefe zentimetergenaue Präzision erfordert. Chapeau! In den ersten sechs Wochen unserer Expedition haben wir erfolgreich 20 Rahmen an 4 Stellen geborgen. 500 Knollen wurden an Bord des Schiffes verarbeitet, damit sie nach unserer Rückkehr an Land im Labor auf eine mögliche Besiedlung durch Tiefseetiere und deren Vielfalt untersucht werden können.

Mit dem Arm des Tauchroboters wird ein Rahmen mit künstlichen Knollen am Meeresboden abgelegt. Foto: GEOMAR
Der Tauchroboter kommt nach einem erfolgreichen Tauchgang zurück an Deck. Foto: Tim Kalvelage

Hier an Bord bekommen wir bereits einen ersten Eindruck von den frühen Ergebnissen des Experiments mit dem künstlichen Substrat. Wie erwartet, waren die Knollen auf den Rahmen nur sehr spärlich von sichtbaren Lebensformen besiedelt. Das Leben in der Tiefsee verläuft sehr langsam, aber mit diesem Experiment werden wir herausfinden, wie langsam es tatsächlich ist, da wir den Ausgangspunkt der Besiedlung unserer künstlichen Knollen kennen. 

An Bord werden die künstlichen Knollen im Labor in Alkohol konserviert. An Land wird dann später die mögliche Besiedelung der Knollen durch Tiefseeorganismen untersucht. Foto: Tim Kalvelage

In den kommenden Jahren bis Jahrzehnten werden wir das Alter und die Wachstumsrate von sesshaften Tieren wie Anemonen, Schwämmen und Korallen enthüllen. Derzeit haben wir keine Ahnung, wie alt zum Beispiel die Anemone auf dem Bild oben ist. Sitzt sie schon seit 5, 50 oder 500 Jahren auf dieser Knolle? Braucht sie eine natürliche Knolle, um darauf zu wachsen, oder würde eine künstliche Knolle ausreichen und ihr in dieser schlammigen Umgebung Halt geben? Wenn wir wissen, wie schnell oder langsam die Erholung nach der Entfernung der Knollen erfolgt und ob natürliche Knollen für die Erhaltung der erstaunlichen Lebensformen in der Tiefsee erforderlich sind, können wir die Risiken des Tiefseebergbaus und den potenziellen Verlust der biologischen Vielfalt besser einschätzen.

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