Impact of deep-sea mining plumes on benthic ecosystem functioning

Abstract

In the deep sea there are different ecosystems with unique characteristics, being the most common, the abyssal plains. They are the largest habitat in the deep sea and despite being remotely located, they are still affected by anthropogenic impacts. Abyssal plains host an enormous and largely unknown biodiversity, but they also provide important mineral resources such as polymetallic nodules that are formed on the seabed. Nodules can be of various sizes and have great potential to be commercially exploited because they are rich in metals such as copper, nickel, manganese, and cobalt that are currently used in electronics and emerging technologies, The Clarion-Clipperton Zone (CCZ), located in the Equatorial North Pacific, is an area of great interest for deep-sea mining, because it is the area with the greatest abundance of polymetallic nodules in all oceans. The main objective of the present work, carried out under the "MiningImpact" project (JPIO), is to assess the impact of sediment plumes originated by deep-sea mining on the benthic food web functioning using an experimental approach. For this, two scientific expeditions were carried out, that allowed to characterize the baseline benthic assemblage in the Belgian area of CCZ (GSR) (density, biomass community structure and feeding strategies of the meiofauna and macrofauna) and to carry out in situ feeding experiments for assessing the transfer of matter and energy in the benthic food webs, using microalgae Chlorella vulgaris, as analogues of POC supply to the abyssal seafloor. The first experiment was carried out during the cruise SO268, before a nodule collector test operation took place and the second experiment was carried out during cruise IP21, after the collector test took place to assess the short-term impact of the sediment plume deposition. To compare the responses to food supply of organisms in different size classes, the experiments included two time point incubations (5 and 20 days), however, during IP21 it was only possible to conduct a 5-days experiment, The baseline community composition (taxonomic and feeding groups), average densities, and average biomass of the meiofauna and macrofauna were described and the data were analysed using the software package PRIMER v.6. Trophic relationships and changes in the food web were investigated using stable isotope analysis in collaboration with the Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC). The ¹³C values were used to recognize primary food sources and the ¹⁵N values to indicate the trophic level. The results for the baseline benthic characterization showed that in the experiments after 5 and 20 days before mining started, there were no statistically significant differences in all evaluated parameters. However, when comparing experiments before and after the collector test, the differences were noticeable. Density and biomass both of the meiofauna and macrofauna showed strong decreases. After the impact, most macrofaunal taxa of the baseline community were absent and there was a noticeable decrease in the diversity of feeding types after the impact both on meiofauna and macrofauna which affected the structure of the food chain. Nematoda and Copepoda were the first organisms to react to labelled food and to assimilate it, and therefore they will also be the first to respond to possible disturbances and they will likely be the most affected organisms when mining takes place After the collector test, all organisms that absorbed the labelled food were “deposit-feeders”. The results also showed that mining impacts will be different in organisms with different feeding types, with suspension-feeders being considerably more affected by mining plumes. Although most likely the benthic food web will be severely negatively impacted by deep-sea mining operations, mitigation actions may be implemented. Further studies and the establishment of a guideline that contains information regarding population size, reproduction, diversity, and distributions is urgent for a responsible management and an environmental assessment of the impacts on these benthic ecosystems during mining.

No mar profundo existem diferentes ecossistemas com características únicas, sendo o mais comum as planícies abissais. São o maior habitat no mar profundo e apesar de se localizarem num local remoto, também são afetadas por impactos antropogénicos. As planícies abissais abrigam uma biodiversidade enorme, ainda que em grande parte desconhecida, mas contêm também recursos minerais importantes, como os nódulos polimetálicos que se formam no leito marinho. Os nódulos podem ter vários tamanhos e possuem um grande potencial para serem explorados comercialmente, pois são ricos em metais como o cobre, o níquel, o manganésio e o cobalto, utilizados em eletrónica e tecnologias emergentes. No entanto, a sua mineração irá ter consequências na biodiversidade do mar profundo, podendo prejudicar mais de 1000km2 de fundo do mar anualmente. A Zona de Clarion-Clipperton (CCZ), localizada no Pacífico Norte Equatorial, é uma área de grande interesse para a mineração, pois é a área com maior abundância de nódulos polimetálicos em todo o oceano. O principal objetivo do presente trabalho, realizado no âmbito do projeto “MiningImpact”, é avaliar o impacto das plumas de sedimentos originadas pela mineração em mar profundo no funcionamento da cadeia trófica bentónica, utilizando uma abordagem experimental. Nesse sentido, foram realizadas duas expedições científicas na área belga (GSR) da CCZ, que permitiram caracterizar a comunidade bentónica (densidade, biomassa, estrutura da comunidade e estratégias tróficas da meiofauna e da macrofauna) e realizar experiências de alimentação in situ para avaliar a transferência de matéria e energia nas teias alimentares bêntónicas, usando a microalga Chlorella vulgaris, como análogo do fornecimento de POC nas planícies abissais A primeira experiência foi realizada durante a campanha oceanográfica SO268, antes de uma operação de teste do coletor de nódulos e a segunda experiência foi realizada durante a campanha IP21, após o teste do coletor ter ocorrido, de modo a avaliar o impacto a curto prazo da deposição da pluma de sedimento. Para comparar as respostas de organismos em diferentes classes de tamanho ao fornecimento de alimento, as experiências incluíram dois períodos de incubações (5 e 20 dias), no entanto, durante o IP21 só foi possível realizar a experiência de 5 dias. A composição da comunidade (grupos taxonómicos e tróficos), densidades médias e biomassa média da meiofauna e macrofauna foram descritos e os dados foram analisados usando o pacote de software PRIMER v.6. As interações tróficas e alterações na teia trófica foram investigadas mediante a análise de isótopos estáveis em colaboração com a Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha-Terra (JAMSTEC). Os valores de ¹³C foram usados para detetar as fontes primárias de alimento e os valores de ¹⁵N para indicar o nível trófico dos organismos. Os resultados da caracterização da comunidade betónica, antes do início do teste com o coletor, mostraram que nas experiências após 5 e 20 dias não foram detetadas diferenças estatisticamente significativas em nenhum dos parâmetros avaliados. Contudo, ao comparar as experiências antes e após o teste com o coletor, as diferenças foram bastante notórias. A densidade e a biomassa, tanto da meiofauna como da macrofauna, diminuíram acentuadamente. Após o impacto a maioria dos taxa de macrofauna estavam ausentes e houve uma grande diminuição na variedade de estratégias tróficas presentes tanto na meiofauna como na macrofauna, o que afetou a estrutura da cadeia trófica. Nematoda e Copepoda foram os primeiros organismos a reagir e assimilar o alimento marcado e deverão ser os primeiros a responder a possíveis perturbações e provavelmente serão também os organismos mais afetados quando a mineração ocorrer. Após o teste do coletor, todos os organismos que absorveram o alimento marcado eram detritívoros. Os resultados ainda mostraram que os impactos da mineração vão ser distintos em organismos com diferentes estratégias tróficas, sendo que as plumas de mineração afetarão consideravelmente mais os organismos suspensívoros. Embora muito provavelmente a cadeia trófica bentónica será severamente impactada pelas operações de mineração em mar profundo, ações de mitigação poderão vir a ser implementadas. Mais estudos e o estabelecimento de linhas orientadoras com base em informações sobre tamanho, reprodução, diversidade e distribuição das populações de organismos bentónicos são cruciais para uma gestão responsável e uma avaliação ambiental adequada dos impactos sobre os ecossistemas abissais durante a operações de escala industrial de mineração no mar profundo.