Donker suurstof

Hierdie artikel is ingeskryf vir die Skole Skryfkompetisie [1].
As u van plan was om ’n groot wysiging aan hierdie artikel aan te bring, is dit miskien ’n beter idee om dit vir eers op die besprekingsblad voor te stel. Nog inligting hier.

Donker suurstof verwys na die suurstof wat geproduseer word deur polimetaal nodules op die bodem van die Stille Oseaan. ‘n Span van wetenskaplikes het gevind dat die rotsstukkies suurstof vrystel sonder enige afhanklikheid van sonlig of biologiese fotosinterende prosesse, maar eerder deur die proses van seewater-elektrolise. Hierdie is ‘n enorme wetenskaplike deurbraak aangesien daar voorheen geglo was dat suurstof slegs deur fotosintese, in die teenwoordigheid van sonlig, geproduseer kan word.

Agtergrond

Ligging van die Clarion-Clipperton-sone tussen Hawaii en Meksiko.

Professor Andrew Sweetman van die Skotse Vereniging vir Mariene Wetenskap het in 2013 navorsing gedoen op die hoeveelheid suurstof wat deur organismes op die seebodem verbruik is. Dit is gedoen in die Clarion-Clipperton-sone, ’n gebied in die Stille Oseaan tussen Hawaii en Meksiko van omtrent 4.5 miljoen km³. Meganiese landers, wat in staat is om tot 4 000-meter (13 000 voet) af te daal tot op die seebodem, is gestuur om vas te stel hoe suurstofvlakke verander namate die water dieper word. Elektrochemiese suurstofmeters is aan die landers vasgeheg wat deur diffusie van suurstofmolekules deur ‘n membraan en deur middel van elektriese seine die suurstofvlakke in die water meet.

Daar was verwag dat die suurstofvlakke sou daal met die toename in diepte omrede die volgende:

•    Gebrek aan fotosintese: In die oppevlakwaters van die see (eufotiese sone), dring die sonlig deur en stel fotosinterende organismes soos alge, plante en fitoplankton in staat om suurstof te produseer. Namate die water dieper word, verminder die hoeveelheid sonlig wat deurdring, wat dit onmoontlik maak vir diepsee-organismes om te fotosinteer.

•     Respirasie en verrotting: Tydens respirasie gebruik organismes suurstof om voedsel in energie en koolstofdioksied om te skakel. Boonop gebruik marine-organismes suurstof om organiese materiaal wat van die oppervlak afgesink het, te ontbind. Dus word die minimale suurstofvoorraad in die dieper lae van die oseaan voortdurend gebruik deur marine-organismes in hul lewensprosesse.

•    Minimale ventilasie: Die oppervlak-seewater word hoofsaaklik met suurstof aangevul deur kontak met die atmosfeer. Die suurstof word dan deur sirkulasie of seestrome met die dieper lae water gemeng wat verseker dat die suurstof versprei word. In groot dieptes met natuurlike swak ventilasie kan daar dus ‘n gebrek aan suurstof voorkom wat lei tot hipoksiese (lae suurstof) of anoksiese (geen suurstof) gebiede.

Tot die navorsers se verbasing, het hulle egter ontdek dat die suurstofvlakke op die seebodem toegeneem het. Sweetman en sy span het verder ondersoek ingestel en gevind dat die metaalnodules wat volop in daardie area van die seebodem voorkom ‘n rol speel in hierdie verskynsel.

Suurstof

Suurstof word deur alle lewende organismes benodig vir lewensprosesse soos selrespirasie, groei, reproduksie en metaboliese prosesse. Ongeveer 50% van die suurstof wat deur landelike organismes gebruik word, kom van die see af. Voor hierdie ontdekking is daar verstaan dat die suurstof in die see slegs afkomstig is van seeorganismes soos fitoplankton wat fotosinteer, wat sonlig vereis, en dat die suurstof na dieper lae sirkuleer deur diffusie. Die ontdekking dat die hoofbron van suurstof in dieper lae waters nie vanaf die oppervlakwaters of fotosinterende organismes afhanklik is nie, maar eerder van ‘n abiotiese bron op die seebodem in die volle afwesigheid van lig, verander die wetenskaplike begrip en persepsie van lewe in die diepsee en die potensiale rol wat suurstof in hierdie organismes se lewensprosesse speel.

Polimetaal nodules

Mangaannodule in die Stille Oseaan.

Metaalnodules op die seebodem van die Stille Oseaan.

Polimetaal nodules in die CCZ-sone bevat waardevolle metale soos kobalt, nikkel, mangaan, litium en ander seldsame aardse elemente wat belangrik is in die vervaardiging van batterye, windturbines, sonpanele en ander elektroniese toestelle. Hierdie metale verskaf elektrochemiese eienskappe aan die nodules waarvan die elektrolitiese proses wat donker suurstof produseer, afhanklik is. Die nodules se groottes varieer van slegs deur ‘n mikroskoop sigbaar tot ‘n deursnee van omtrent 20cm. Hulle vorm gewoonlik om ‘n kern soos ‘n klein stuk fossiel, byvoorbeeld ‘n haaitand, skulp of rots, oor ‘n aansienlike periode. Die nodules word deur ongeveer 30% mangaan opgemaak en dus word daar sporadies na hulle verwys as ‘mangaan-nodules’. Mangaanoksiede help om die elektriese lading op die nodules te behou en dra sodoende by tot die elektrolise-proses. Nikkel, wat ook ‘n heersende komponent van die nodules se samestelling is, speel ‘n rol in die geleiding van elektrone tydens die elektrolise. Kobalt is in kleiner hoeveelhede teenwoordig, maar bevorder katodiese reaksies en versterk die elektriese lading op die oppervlak van die nodules. Die metaalnodules se unieke samestelling maak dit ‘n waardevolle en gesogde kommoditeit vir verskeie nywerhede, maar speel ook ‘n noodsaaklike rol in die elektrochemiese proses waardeur die rotse suurstof produseer.

Die nodules huisves ook ‘n verskeidenheid van organismes op hul oppervlaktes, soos bakterieë, archaea, en mikro-eukariote. Foraminifere is die heersende taksoniese groep gebasseer op persentasie dekking en getal.

Seewater-elektrolise

Die metalliese samestelling veroorsaak dat daar hoë spanningspotensiale op die oppervlaktes van die nodules is, wat daartoe lei dat hulle as batterye in die seewater optree. Seewater-elektrolise is die chemiese proses waartydens water in sy eenvoudigste komponente, waterstof (H) en suurstof (O₂), opgebreek word deur die toediening van elektriese energie. Gewoonlik word ‘n eksterne energiebron vereis vir die proses om plaas te vind, maar in die geval van donker suurstof laat die metaalnodules se elektrochemiese eienskappe hulle as natuurlike elektrodes optree wat dus die nodige elektriese energie verskaf. Die nodules dien ook as katalisators in die reaksie deur klein hoeveelhede elektriese lading vry te stel wanneer hulle in aanraking kom met sekere chemikalieë in die seewater.

Die chemiese reaksie tydens seewater-elektrolise is as volg:

Proses van elektrolise.

2H₂​O→O₂(g)+4H++4e−

Die seewater dien as ‘n ideale elektroliet vir die proses, aangesien dit ‘n groot verskeidenheid opgeloste ione en minerale bevat. Dit bestaan hoofsaaklik uit natriumchloried (NaCl), maar bevat ook magnesium (Mg2+), kalium (K+), kalsium (Ca2+), en sulfate (SO₄²−). Hierdie opgeloste ione verhoog die elektroliet se vermoë om ‘n elektriese stroom te gelei; iets wat noodsaaklik is in die proses van elektrolise.

Twee elektrodes, ‘n katode en ‘n anode, word vereis deur die reaskie:

Katode

By die katode vind reduksie plaas: elektrone word opgeneem. Teenoorgesteldes trek mekaar aan; dus trek die katode positief gelaaide ione (katione) aan om 'n neutrale molekule of gas te vorm. Die H+ ione word gekombineer met die elektrone om waterstofgas te vorm, wat by die katode vrygestel word.

Anode

Oksidasie vind plaas. Die positiewe anode trek negatief gelaaide ione aan wat dan elektrone verloor. Die water word dus geoksideer en suurstofgas vorm deur die vrystelling van elektrone en waterstofione. Die spesifieke ligging van die anode en katode word hoofsaaklik bepaal deur deur die variërende chemiese samestelling van die nodules.

Só word suurstof dan gevorm en vrygestel in die seewater in die volle afwesigheid van lig of ander biologiese prosesse. Daarvandaan die naam: Donker Suurstof.

Diepsee toestande

Die unieke toestande wat op hierdie diepte, ongeveer 4000 m diep, heers, speel ‘n rol in die wisselwerking van hierdie proses van elektrolise. Die druk is ongeveer 400 keer die atmosferiese druk op seevlak, wat die chemiese prosesse wat plaasvind beïnvloed en die tempo van suurstofvrystelling kan verander. Hoë druk beïnvloed die oplosbaarheid van gasse in water en veroorsaak dat die suurstof wat vrygestel word, lank in opgeloste vorm bly. Dit word dan stadig in die waterkolom afgegee wat bydra om suurstofryke omgewings te vorm by hierdie dieptes. Die temperatuur op groot dieptes is gewoonlik net bo vriespunt, wat chemiese reaksies normaalweg kan vertraag omdat die kinetiese energie van die molekules afneem. Die hoë druk en lae temperatuur vertraag die elektrolise-proses, maar in die geval van donker suurstof help dit om ‘n volhoubare suurstofbron te bied vir diepsee-ekosisteme. Die aanpassing van suurstofproduksie onder hoë druk en lae temperature openbaar unieke meganismes wat diepsee-ekosisteme kan ondersteun.

Oseaniese Ekosisteme

Voorbeeld van 'n mariene-ekosisteem.

Die ontdekking van donker suurstof het ‘n magtige impak op die wetenskaplike begrip van diepseewater-ekosisteme en hul werkings. Tot hierdie ontdekking was daar in die algemeen aanvaar dat suurstofvlakke in die see afneem met die toename in waterdiepte as gevolg van faktore soos temperatuur, afwesigheid van sonlig, verbruik deur respirasie en ontbinding, verhoogde druk en verlaagde ventilasie. Daar is dus die aanname gemaak dat die organismes wat in hierdie dieptes leef, voortbestaan sonder die behoefte aan suurstof of met minimale gebruik daarvan in hul metaboliese- of ander lewensprosesse, maar eerder gebruik maak van prosesse soos chemotrofie, waar chemikalieë soos waterstofsulfied geoksideer word sonder die behulp van suurstof, om hul energie te verkry. Die feit dat suurstof wel voorkom in sulke dieptes en onder sulke omstandighede openbaar ‘n hele nuwe aspek van see-lewe wat navorsers gretig is om te ondersoek.

Bestaan van lewe

'n Voorstelling van 'n prokariotiese sel.

Lewe op aarde het volgens wetenskaplikes begin met eensellige, prokariotise selle soortgelyk aan bakterieselle. Hulle het anaërobies gerespireer en hulle energie uit voedsel verkry. Daar word gemeen dat fotosinterende organismes wat hul eie voedsel kon produseer eers later ontstaan het. Koolstofdioksied wat volop in die atmosfeer voorgekom het, was gebruik en suurstof is vrygestel. Die atmosfeer se suurstofvlakke het toegeneem en suurstofafhanklike (aërobiese) organismes, het ontstaan. Die ontdekking van donker suurstof skep egter ‘n mate van twyfel oor hierdie postulaat, aangesien suurstof al geproduseer kon word voor die bestaan van fotosinterende of aërobiese organismes.

Ekstreterrestriële lewe

Saturnus se maan, Enkeladus. Bedek met ys en 'n ondergrondse oseaan.

Navorsers, Jeffrey Marlow en  Peter Schroedl, beskou die Clarion-Clipperton-sone as die ideale omgewing vir die bestudering van mikro-organismes soos bakterieë en archaea. Hulle bestudeer hierdie eensellige-organismes wat in die sediment en op die nodules voorkom met die hoop om die moontlikheid van soortgelyke organismes op ander planete te verstaan. Met die nuwe ontdekking dat suurstof nie net deur fotosinterende organismes geproduseer kan word nie, is hierdie moontlikheid van ekstreterrestriële lewe nie meer so vergesog nie. Hierdie veld van navorsing staan bekend as astrobiologie, waarin stelsels in ekstreme gebiede van die aarde ondersoek word om die soektog na buite-aardse lewe te bevorder. Die toestande van die CCZ: diepte, druk en akwatiese omgewing, is soortgelyk aan dié wat verwag kan word om op yskoue mane voor te kom. Byvoorbeeld, een van Saturnus se mane, Enkelados, is met dik lae ys bedek wat sonlig nie deurlaat na die onderliggende water nie. Astrobioloӫ spekuleer egter dat, indien suurstofproduksie onafhanklik van sonlig op die aarde kan voorkom, soortgelyke prosesse moontlik op ander planete kan plaasvind wat groot hoeveelhede metale bevat.

Toepassings

Verskeie industrieë het reeds die proses van elektrolise in hul nywerhede toegepas, insluitend die vervaardiging van batterye, ruimteverkenning, metaalwerking en waterstofproduksie. Die ontdekking van hierdie proses wat natuurlik in die oseane plaasvind het die potensiaal om nuwe innovasies en tegnologieë te inspireer wat omgewingsvriendelik en onafhanklik van fossielbrandstowwe kan wees.

Energie-opwekking

Elektrisiteit kan opgewek word deur die elektrochemiese eienskappe van die metaalnodules te benut en die proses van seewater-elektrolise grootskaals te gebruik. Die vrygestelde waterstof kan as ‘n brandstof vir energie-opwekking dien deur die gebruik van waterstofbrandstofselle. Geen besoedelende gasse word vrygestel nie en die proses is dus belowend as ‘n moontlikheid vir die opwekking van skoon energie wat omgewingsvriendelik is.

Suurstofverryking

Suurstofarm sones waar die suurstofvlakke so laag is dat min tot geen mariene lewe daar kan leef nie, kan deur donker suurstof behandel word. Hierdie “dooie sones” kan onstaan as gevolg van chemiese besoedeling, eutrofikasie of oorbeweiding wat die suurstofvoorraad in die water uitput. Deur die metaalnodules as natuurlike suurstofbronne te benut, kan die ekologiese balans in sulke gebiede herstel word.

Afvalwaterbehandeling

Die elektrochemiese afbreek van besoedelingstowwe kan ‘n ekovriendelike manier van omgewingsbestuur bied. Dit verminder die behoefte aan chemiese behandeling wat dikwels tot tweedehandse besoedeling lei.

Diepsee-mynbou

As gevolg van die nodules se unieke metalliese samestelling en rykheid aan gesogde metale wat in verskeie nywerhede gebruik word, is daar verskeie seebodemmynmaatskappye wat die gebied in die Clarion-Clipperton-sone verken en tegnolgieë ontwikkel om die waardevolle metaalnodules te versamel en na die oppervlak te bring. Diepsee-mynbou kan egter langtermyngevolge hê op die gesondheid en bewaring van diepsee-ekosisteme. Die Amerikaanse Nasionale Oseaniese en Atmosferiese Administrasie (NOAA) waarsku dat ontginning op die seebodem mariene habitatte en die betrokke lewe sal vernietig.

Die implikasies van diepsee-mynbou.

Organisasies soos Greenpeace en meer as 800 mariene wetenskaplikes het petisies onderteken wat die omgewingsgevare stuit en ‘n halt tot diepseemynbou-aktiwiteite versoek. Daar word reeds relatief min verstaan oor die wisselwerkings van die aardse oseane en nuwe spesies word gereeld ontdek.

Die nodules is waarskynlik die hoofbron van suurstof aan see-organismes op sulke groot dieptes en ‘n integrale deel van chemiese prosesse, en die bewaring hiervan is van uiterste belang tot die ekosisteem se funksionering. Verskeie gevolge van diepsee-mynbou sluit in:

• Habitatsvernietiging: Die nodules huisves ‘n verskeidenheid van organismes op hul oppervlaktes, en die verwydering van die nodules self sal die sediment se geochemiese samestelling verander en baie organismes van hul habitatte ontneem. Die nodules het ook ‘n aansienlike stadige groeitydperk wat oor miljoene jare strek, dus is dit hoogs onwaarskynlik dat sekere spesies, veral sessiele diere wat aan rotsagtige oppervlaktes kleef, van hierdie ontneming sal herstel.

• Waterafvoer en skadelike stowwe: Die mynbouproses kan natuurlike toksiese stowwe, baggerafval en see-rommel op die seebodem vrystel wat nadelig vir seewater-ekosisteme kan wees. Tydens die mynbouproses word water ook vrygestel wat die omliggende temperatuur van die water kan verhoog en suurstfovlakke laat afneem.
• Sedimentpluim: Tydens nodule-ekstraksies word groot hoevelhede pluim in die omliggende waters vrygstel wat moontlik die seewater-ekosisteme kan versteur.
• Geluidbesoedling: Klank beweeg vinniger in water as in die atmosfeer, en die geraas wat deur skepe of onderwatermasjiene genereer word kan mariene lewe soos walvisse of dolfyne se kommunkasiestelsels versteur. Die hoӫ geraasvlakke kan hul vermoӫ om klank in te neem, beperk, wat lei tot verwarring, verminderende interaksie en kan selfs die oorlewing en voortplanting van hierdie spesies benadeel.
• Ligbesoedeling: Organismes in die diepsee is aangepas om in duisternis te leef, en die kunsmatige lig wat deur mynboumasjiene vrygestel word kan organismes se gedrag en voortplanting beïnvloed. Dit kan ook die ekosisteem se balans versteur deur diere wat normaalweg in die donkerte aktief is, te ontwaak.
• Bedreiging van voedselsekuriteit: Deur die ekosisteme se wisselwerkings in gevaar te stel, word potensiӫle voedselbronne van miljarde mense wat op seekos staat maak, bedreig.
• Verwydering van die hoofbron van suurstof: Die verwydering van metaalnodules vanaf die seebodem kan die moontlike hoofbron van suurstof aan organismes ontneem en die ekologiese balans, asook die volhoubaarheid van lewe, versteur.

Gevolglik kan die ontdekking van donker suurstof lei tot groot ontwikkelinge en voordele in verskeie nywerhede en selfs die pad vorentoe lei tot meer ekovriendelike metodes van energie-opwekking of omgewingsbestuur. Daar moet egter versigtigheid gebruik word in die voortgang van sulke ontwikkelinge en die omgewingsimpak wat die ontginning van hierdie gebiede sal hê moet krities ondersoek en gekonsidereer word.