Torsdag 29.6.2017 - Uke 26

logo

Anoksiske vann – en reise i dypet og en reise i geologisk tid

mandag, 23 mai 2016

William Hocking og Terje Solbakk

Råtten lukt fra kystnære vann gir oss hint om tilstanden i verdenshavene gjennom nesten to milliarder år og til livets opprinnelse.

 

Til denne bloggposten, som både er en reise i dypet og en reise i geologisk tid, har jeg fått litt hjelp.

Jeg hanka tak i William Hocking, en gammel studievenn. William har doktorgrad på hvordan arkebakterier «puster» sulfat.

Sulfatreduserende organismer er noen av de eldste formene for liv vi har påvist på planeten vår.

Disse sulfatreduserende mikroorganismene kan kobles mot et sært luktfenomen i kystnære ferskvann.

Hydrogensulfid i Fyllingsdalen

Sælenvannet ved Fyllingsdalen i Bergen i Hordaland ser idyllisk ut på overflaten, men nærmere bunnen lurer en skikkelig plage – gassen hydrogensulfid (H2S).

Dette kommer av at nedover i vannsøylen blir vannet mer og mer anoksisk. Spesielle værtyper gjør at det anoksiske vannet veller opp og det lukter rett og slett fis i området rundt vannet når gassen luftes ut.  

Noen få ppm (parts per million) av gassen kan gi store luktproblemer.

Bergens tidende meldte om dette problemet i 2010. Vinteren 1994 - 95 ble anslagsvis femten til tjue tusen personer plaget av lukten, skrives det i denne rapporten fra NIVA.

Kanskje har du opplevd dette luktfenomenet selv når du har tatt en stokk og rotet i en pytt med havvann som har blitt liggende og godgjære seg for seg selv noen dager litt over flomålet. De fleste husker lenge hvordan det stinker.

Forskere strømmer til Farsund

530x352 Framvaren bildeFjorden Framvaren skjuler anoksisk vann fra 18 meter under vannoverflaten i Farsund kommune, Vest-Agder. Foto Terje Solbakk

En av jordens mest anoksiske sjøer befinner seg faktisk ved Farsund i Vest-Agder.

Det er fjorden Framvaren som har en grunn, kort terskel mot havet og er ni kilometer lang og ett par hundre meter dyp.

Fra 18 meters dyp er vannet permanent anoksisk. Nedbørsområdet er lite.

Forskere fra hele verden kommer hit for å studere dette naturlige laboratoriet. Ved overflaten merker en ikke så mye til det anoksiske vannet til vanlig.

I 1902 ble kanalen mellom Framvaren og havet utbedret, det er skrevet om i denne artikkelen.

Tungt havvann strømte da inn over terskelen og ned i Framvarens dyp, fortrengte det anoksiske vannet som så vellet opp. Denne vannutskiftningen førte til fiskedød i Framvaren.

Vinteren 1942 var svært kald, med standhaftig sterk vind fra sørøst som presset havvann inn gjennom kanalen over terskelen. Da skjedde det samme igjen, tungt havvann kom inn, anoksisk lettere vann ble presset opp og en fikk ny fiskedød.

Folk i området merket lukt og at sølvtøy og messing inne i husene ble misfarget. Slik misfarging har også bergenserne rundt Sælenvatnet opplevd.

Dette fenomenet skyldes at det kommer store mengder organisk materiale ned i dypet dannet fra fotosyntese i de øverste lagene av vannsøylen, eller fra avrenning fra landskapet rundt i form av kloakk eller gjødsel.

Mikroorganismene i vannet vil da begynne å bryte ned organiske forbindelser koblet til reduksjon av oksygen, noe som gir CO2 som resultat. Dette er en svært energirik prosess som også holder liv i oss mennesker på jorden.

Det illeluktende problemet begynner når det blir mer mat enn oksygen. Så lenge det er nok oksygen til stede vil mikroorganismene som bruker oksygen utkonkurrere alle andre mikroorganismer i vannet.

Men når oksygenet brukes opp trenger cellene andre elektronakseptorer (se figuren under).

Vanlig ferskvann lukter ikke. Når oksygenet er forbrukt bruker mikroorganismene til slutt CO2 som den positive polen i (batteri)cellen:

CO2(aq) + 8 e- ⇌ CH4 + 2 H2O

Vi får altså dannet metan (CH4), det er disse boblene som kommer opp fra gjørma i ferskvann.

Om vinteren kan en finne metan som gassbobler i eller under isen.

Mannen som fant opp det første batteriet - Alessandro Volta - var faktisk ved en lykkelig tilfeldighet for denne artikkelen også en av de første til å påvise metan ved å pirke ned i sedimenter i Comosjøen i Nord-Italia og sette fyr på gassen som boblet opp.

CH4 er som kjent en potent klimagass men gir ingen plager for naboene. Det er denne prosessen vi finner spor av i 13C isotopfraksjoner for 3,7 milliarder år siden, altså det første spor av liv på jorden (se referanse 1 nederst).

Som vi ser ut i fra figuren, er det å puste med CO2 ikke særlig effektivt. Mikroorganismer som bruker alle andre stoffer som positiv pol i sitt «batteri» vil kunne utkonkurrere disse metanprodusentene.

Nå kommer vi til det illeluktende problemet. Sulfat (SO42-) er en marginalt bedre positiv pol enn CO2, og sulfat finnes i sjøvann (ca. 30 mM).

I Sælenvannet og Framvaren utkonkurrerer sulfatreduserende mikroorganismer metanprodusentene:

SO42- + 8 e- ⇌ S2- + 4 H2O

Produktet av denne reaksjonen er sulfid (S2-, eller H2S i sin gassform). Den potente promplukten er faktisk lukten av fortiden. Man kan nemlig spore denne prosessen 3,5 milliarder år tilbake i tid (se referanse 2 nederst).

Dette er ikke oljebransjen ukjent med.

Når en bruker havvann til injeksjon for økt utvinning i oljefelt så vil det samme skje, en blander organiske stoffer med sulfat. Derfor kan man tilsette nitrat (NO3-) i vannet slik at nitratreduserende organismer utkonkurrerer de sulfatreduserende.

I dag dominerer oksygen i atmosfæren, men det har ikke alltid vært slik: En reise nedover vannsøylen i Sælenvannet er en reise langt tilbake i tid.

Etter hvert som man beveger seg nedover blir mikroorganismene som lever i vannet mer og mer primitive, deres historie kan spores tilbake til urtiden.

530x419 Figur hocking photo synteziserDet som driver livet på jorden (pæren) er elektrokjemiske prosesser der elektroner går fra minus-polen (organiske forbindelser) til plusspolen (elektronakseptorer, blant annet oksygen). Det som lader batteriet til det meste av liv på jorden er fotosyntesen. Når man bruker oksygen som + pol får man mye mer energi enn de fleste andre tilgjengelige koblingene. Figuren viser hvor mye energi de forskjellige koblingene kan gi ut i fra størrelsesforholdene i batteriet. Figuren er laget av William Hocking.

Giftig oksygen

William mener at oksygen er ett av de stoffene som burde være forbudt å handle over disk på apoteket, det er jo svært korrosivt og giftig.

Bare se på for eksempel alkohol i en ubeskyttet flaske vin som over noen dager bli til en karboksylsyre (eddik) på grunn av oksidasjon.

Geologer har nok ikke tålmodigheten til å utføre dette forsøket, men William antar at de er kjent med prinsippet.

Oksygen hadde ekstremt negative konsekvenser for økosystemet på den tidlige jorden og førte til at arter som ikke tålte O2 ble utryddet.

Utslippet av denne giftige gassen begynte i det små et sted rundt 3,5 milliarder år siden med ulykken som kalles fotosyntese, men ble ikke dominerende før 2,7 milliarder år siden, da kan oksygen spores i atmosfæren (se referanse 3 nederst).

Jorden har fortsatt å ruste siden da, i dag må geologene lete lenge for å ikke finne for eksempel jernoksider og da blir det gjerne sensasjon.

Den vanligste kilden til jernmalm er pyritt. Pyritt dannes fra at jern og svovel fra sulfatreduserende bakterier kombineres i anoksiske miljøer. Dette er et av de største lagrene av svovel i jordskorpen.

Tilstanden i Sælenvannet kan fortelle oss om forholdene som rådet på jorden gjennom 1,9 milliarder år, fra da oksygen kom til i atmosfæren for 2,7 milliarder år og inntil 0,8 milliarder år siden (se referanse 4 nederst).

Fram til denne tiden var det ikke nok O2 i atmosfæren til å oksidere i dypet i verdenshavene.

Man kan spekulere i om stormer eller større meteorittnedslag kunne røre om i vannmassene, og ikke bare stinke ut nabolaget til Sælenvannet, men hele kontinenter.

Sælenvannet kan kanskje være en kilde til luktplage i dag, men er en moderne parallell av verdenshavenes mest «normale» tilstand over geologisk tid.

I disse miljøene finner vi forklaringen på hvordan mange mineraler dannes. Og dette anoksiske vannet gir oss vår «the missing link» til livets oppstandelse og utvikling de første 3,5 milliarder år på jorden.


Referanser

Rosing MT (1999) 13C-Depleted Carbon Microparticles in >3700-Ma Sea-Floor Sedimentary Rocks from West Greenland. Science (80- ) 283:674–676. doi: 10.1126/science.283.5402.674

Shen Y, Buick R, Canfield DE (2001) Isotopic evidence for microbial sulphate reduction in the early Archaean era. Nature 410:77–81. doi: 10.1038/35065071

Farquhar J (2000) Atmospheric Influence of Earth’s Earliest Sulfur Cycle. Science (80- ) 289:756–758. doi: 10.1126/science.289.5480.756

Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (2014) The rise of oxygen in Earth ’ s early ocean and atmosphere. Nature 506:307–315. doi: 10.1038/nature13068

Om forfatteren

William Hocking og Terje Solbakk

William Hocking og Terje Solbakk

Terje Solbakk er stipendiat ved Institutt for petroleumsteknologi og anvendt geofysikk ved NTNU i Trondheim siden januar 2015 og er tilknyttet forskningssentret ARCEx.

Han jobber med seismisk tolkning og modellering på reservoarer hvor kjemisk forvitring bidrar til porøsitet og permeabilitet, type karstifisering og dypvitring.

 

Kommentarer (1)

  • Morten Often

    Morten Often

    23 May 2016 at 12:08 |
    ?

    Svar

Skriv en kommentar

Du kommenterer nå kun som gjest. Alternativ innlogging under.

Nyhetsbrev

captcha 

200 ledige stillingerb

200 Tips oss

200 Fortell om din forskning

 

 Ukens PhD comics

25


Redaktør: Denne e-postadressen er beskyttet mot programmer som samler e-postadresser. Du må aktivere javaskript for å kunne se den.å

Om: Info om Geoforskning.no

Annonsere: Informasjon og priser

Kontakt: Kontaktinformasjon Tips oss

Webløsning ©2013-15 av Web Norge. Skjerm: