Microben onderzoeken op meer dan 10.000 meter diepte

Mars is miljoenen kilometers van de Aarde verwijderd. Toch is er meer onderzoek gedaan naar het oppervlak van de Rode Planeet dan naar de bodems van oceaantroggen op acht tot elf kilometer diepte. De biologische en chemische processen die zich hier afspelen zijn nog grotendeels onbekend. Het onderzoeksproject "Hades-ERC" moet hier verandering in brengen en nieuwe inzichten opleveren over de oceaandiepten. De initiatiefnemer voor het project is Ronnie Glud van de Universiteit van Zuid Denemarken in Odense.

"Maritieme biologie heeft een eenvoudige basisregel. Hoe dieper je komt, des te minder leven je zal vinden." Dit komt omdat dieper gelijkstaat aan kouder en donkerder. Minder van het voedsel dat dichter bij de oppervlakte geproduceerd wordt, bereikt deze diepten. Bovendien neemt de waterdruk iedere 10 meter toe met 1 bar. Op 10 kilometer diepte is de druk zo’n 1000 bar – 1000 keer hoger dan aan het wateroppervlak. "Maar zelfs hier werkt de zwaartekracht. Een deel van het organische materiaal dat naar de oceaanbodem zinkt, belandt uiteindelijk in de troggen. En daar hoopt het zich op."

Verzamelbassin voor organisch materiaal

Glub was dus niet verrast toen hij in 2013 bijzonder actieve microbenkoloniën vond op bijna elf kilometer diepte. Voor zijn onderzoek had hij instrumenten neergelaten in de Marianentrog, in de Stille Oceaan. "We vonden meer organisch materiaal op meer dan 10.000 meter diepte dan op 6000 meter. Daarom nemen we aan dat de troggen een buitenproportionele invloed hebben op de stikstof- en koolstofbalans van de zeeën. Hoewel troggen slechts 2% van het oceaanoppervlak vertegenwoordigen, zou hun uitwerking op de koolstofvoetafdruk en klimatologische gebeurtenissen wel eens veel groter kunnen zijn."

Het doel van het Hades-ERC-project is om dergelijke vragen letterlijk tot de bodem uit te zoeken en om de processen in deze troggen beter te kunnen begrijpen. De Europese Onderzoeksraad van de EU levert de fondsen voor het project. Dankzij een zogeheten Subsidie voor Gevorderden van 2,5 miljoen euro kunnen de wetenschappers fundamenteel onderzoek uitvoeren op de lange termijn. Naast Gluds faculteit in Odense zijn ook maritieme biologen van de Universiteit van Kopenhagen betrokken bij het project, en instituten voor zeeonderzoek uit Duitsland, Japan en Schotland. De geavanceerde instrumenten zijn ontwikkeld als joint venture tussen het team in Odense en een Duits team onder leiding van Frank Wenzhöfer van het Max Planck-Instituut in het Duitse Bremen.

Het project zal vijf jaar lopen. De onderzoeken worden begin deze herfst uitgevoerd in drie troggen in de Stille Oceaan op diepten tussen 8100 en 10900 meter: de Trog van Japan, de Peru-Chilitrog en de Kermadectrog. Deze drie troggen werden geselecteerd omdat ze onderling sterk verschillende organische gehaltes hebben in de bovenliggende waterlagen. Daarom lopen de omstandigheden voor de microben op de verschillende trogbodems ook sterk uiteen.

De robot gedurende een test in ondiep water in de Japanse Sagami-Bocht

Robots in plaats van onderzeeërs

Hoewel bemande onderzeeërs dergelijke diepten al wel hebben bereikt, is dit geen praktische optie voor uitgebreid onderzoek van het bodemsediment. Daarom ontwikkelde het projectteam speciale robots die onafhankelijk afdalen tot de zeebodem, om daar vooraf geprogrammeerde onderzoeken uit te voeren. De robots zijn uitgerust met sensoren die onder andere de zuurstofopname van de bacteriën kunnen meten. Hieruit kan de hoeveelheid verwerkt organisch materiaal worden afgeleid.
Andere sensoren helpen om uit te vinden of microben op deze diepte zuurstof, nitraat of sulfaat ademen.

"Om onder de extreme omstandigheden op dergelijke diepten te kunnen overleven, moeten de bacteriën anders zijn dan hun verwanten in ondieper water", aldus Glud. "Hun membranen en enzymen moeten bijvoorbeeld compleet anders functioneren. En wij willen ontdekken hoe precies."

Het is een bijzondere uitdaging om de microben zelf te bestuderen. Omdat ze zich hebben aangepast aan een omgeving met gigantische waterdruk, kunnen ze niet simpelweg aan de oppervlakte worden gebracht. Onderweg naar boven zou het drukverschil ze veranderen in ‘soep’, aldus de Deense onderzoeker. De robots van Hades-ERC zijn daarom uitgerust met injectieapparatuur om het sediment te stabiliseren, zodat de micro-organismen onderweg naar boven intact blijven.

Voorwaarde: drukbestendigheid

De microben moeten worden beschermd tegen afnemende druk onderweg naar het wateroppervlak. Voor de apparatuur in de robots is het andersom: hier zijn speciale voorzorgsmaatregelen nodig als bescherming tegen de enorme waterdruk op de oceaanbodem. De sensoren en de gereedschappen die het sediment bewerken zijn speciaal uitgerust voor deze extreme omgeving en kunnen de druk aan.

Om hun werk te kunnen doen moeten ze echter in contact komen met het sediment en in verschillende posities worden bewogen. Deze bewegingen worden aangestuurd door DC-micromotoren met koolborstel van type 2342 … CR van Faulhaber, voorzien van encoders en passende planetaire reductoren. Hoewel sommige componenten zich binnen in een drukstabiele titanium cilinder bevinden, kunnen bijvoorbeeld de motoren en reductoren alleen hun werk doen als ze in direct contact komen met de omgeving die moet worden bestudeerd. "Daarom hebben we deze onderdelen in een extra cilinder geplaatst in een klein, flexibel membraan dat is gevuld met een inerte vloeistof", licht Glud toe.

"Het membraan zorgt ervoor dat de waterdruk zonder optreden van drukverschil wordt uitgeoefend op de ingesloten componenten. Anders zouden de motoren simpelweg vermorzeld worden." In een eerdere uitvoering van de robot werden verschillende motoren gebruikt voor verschillende taken. In praktische tests concludeerde het team dat het beter is om met een type motor te werken dat extreem stevig is. "De robot blijft urenlang op de onderzoekslocatie, voordat hij met de bodemmonsters terug naar boven komt. Al die tijd werkt hij volledig autonoom", zegt Glud. "Ons succes hangt onder andere af van de perfecte werking van alle apparatuur gedurende het onderzoek. Daarom moet de motor extreem betrouwbaar, compact en sterk zijn. Het model van Faulhaber heeft zich op grote diepte bewezen als uitstekend geschikt voor gebruik onder deze extreme omstandigheden."