Impacts of deep-sea mining sediment plumes on cold-water corals

Dissertação de Mestrado em Estudos Integrados dos Oceanos, 14 de junho de 2022, Universidade dos Açores. As atividades de mineração para extração de recursos minerais no mar profundo, como sulfetos maciços e nódulos de ferromanganês, podem causar impactos na fauna do mar profundo, gerando plumas de sedimentos que se dispersam por vastas áreas do oceano. Os organismos bentónicos suspensívoros, como os corais de águas frias, são provavelmente particularmente sensíveis. A exposição a sedimentos suspensos pode danificar mecanicamente os corais ao sufocar e obstruir os seus tecidos, podendo também conter substâncias tóxicas que afetam os processos fisiológicos dos corais. Este estudo elucida os impactos causados por plumas de sedimentos potencialmente geradas durante as atividades de mineração para a extração de nódulos na região Clarion-Clipperton Fracture Zone (CCZ), Oceano Pacífico equatorial Nordeste e sulfetos maciços de um campo hidrotermal na Crista Média Atlântica (MAR), região dos Açores, Atlântico Nordeste no octocoral Dentomuricea aff. meteor numa experiência realizada em aquários. Durante 28 dias, os corais foram expostos a duas concentrações (~10 e ~50 mg.L⁻¹) de plumas de sedimentos suspensos geradas num campo de nódulos, partículas de sulfetos polimetálicos hidrotermais e um tratamento controlo sem adição de sedimento. As concentrações de sedimentos foram selecionadas com base em modelos de dispersão de plumas de sedimento, como cenários de dispersão em curta e longa distância. Os efeitos dos sedimentos foram avaliados na sobrevivência, condição do tecido, atividade dos pólipos e taxas de respiração dos corais. Os resultados do estudo confirmaram as hipóteses apresentadas nesta dissertação de que D. meteor responde diferencialmente às plumas de sedimento geradas pela extração de sulfetos maciços (PMS) e nódulos de ferromanganês (NFS) e que esta resposta é diferente para as duas concentrações de sedimento testadas (~10 e ~50 mg. L⁻¹). Os principais resultados deste estudo demostram elevada sensibilidade de D. meteor às partículas de sulfetos polimetálicos (PMS), uma vez que a sobrevivência de todos os fragmentos de corais foi de apenas quatro dias, nas duas concentrações testadas na experiência em aquário. Pelo contrário, os fragmentos de coral expostos a sedimentos de campos de nódulos (NFS) sobreviveram até o final da experiência (28 dias). A atividade dos pólipos dos corais foi menor em ambos os tratamentos com PMS e também foi reduzida sob sedimentos de NFS a 50 mg. L⁻¹ em comparação com sedimentos NFS a 10 mg. L⁻¹ e o tratamento controlo. A necrose e perda de tecido foram evidentes para os tratamentos PMS após apenas dois dias de exposição e em NFS 50 após dezassete dias da experiência, mas não nos tratamentos NSF 10 e controlo. A análise histológica não revelou alterações detectáveis na integridade do tecido ou a presença de partículas de sedimento. As taxas de respiração aumentaram significativamente sob a exposição a PMS após dois dias e diminuíram no tratamento com NFS 50 durante a primeira semana. No entanto, uma análise mais profunda dos efeitos toxicológicos causados por metais associados a partículas de PMS, como bioacumulação de metais nos tecidos dos corais e biomarcadores de stress oxidativo, são necessários para esclarecer as causas da mortalidade de coral D. meteor no tratamento de PMS. Este estudo contribui para alargar o conhecimento sobre os efeitos da mineração do mar profundo na fauna bentónica. As informações aqui apresentadas podem auxiliar na criação de normas, diretrizes e programas de monitorização de atividades de mineração no mar profundo pelo International Seabed Authority Mining Code (ISA). É desejável estender este estudo a outras espécies de corais de águas frias que habitam tanto em fontes hidrotermais inativas nos Açores como na região do CCZ. ABSTRACT: Mining activities for deep-sea mineral resource extraction, such as seafloor massive sulphides and ferromanganese nodules, are expected to impact deep-sea fauna by generating sediment plumes that disperse over large areas of the ocean. Benthic suspension feeders, such as cold-water corals, are likely to be particularly sensitive. Exposure to suspended sediments can mechanically damage corals by smothering and clogging their tissues and by containing toxic substances that affect coral physiological processes. This study elucidates the impacts caused by sediment plumes potentially generated during mining activities for the extraction of nodules in the Clarion-Clipperton Fracture Zone (CCZ), northeastern equatorial Pacific Ocean and seafloor massive sulphides from a hydrothermal vent field in the Mid-Atlantic Ridge region of the Azores (NE Atlantic) on the octocoral Dentomuricea aff. meteor using an aquaria based experiment. For 28 days, corals were exposed to two concentrations (10 and 50 mg. L⁻¹) of suspended plumes of sediments from nodule fields, hydrothermal polymetallic sulphide particles, and a control treatment with no sediment addition. Sediment concentrations were selected based on plume dispersal models, as close-field and far-field plume dispersal scenarios. The effects of sediments were assessed on the survival, tissue condition, polyp activity and respiration rates. Results of the study confirmed the hypotheses put forward in this dissertation that D. meteor responds differentially to sediment plumes generated by the extraction of seafloor massive sulphides (PMS) and ferromanganese nodules (NFS) and that this response is different for the two sediment concentrations tested (~10 and ~50 mg. L⁻¹). The main results of this study showed the high sensitivity of D. meteor to PMS since the survival of all corals nubbins was only four days of the experiment under both concentrations tested. On the contrary, coral fragments exposed to NFS treatments survived until the experiment's end (28 days). Polyp activity was lowest in both PMS treatments and was also reduced under NFS sediments at 50 mg. L⁻¹ compared with NFS sediments at 10 mg. L⁻¹ and control levels. Tissue necrosis and loss were evident in treatments with PMS after only two days’ exposure and in NFS 50 after seventeen days of the experiment but not in NSF 10 and control treatments. Histological analysis did not reveal any detectable changes in tissue integrity or the presence of sediment particles. Respiration rates significantly increased under PMS exposure after two days and decreased in the NFS 50 treatment during the first week. Nonetheless, further analysis of toxicological effects caused by metals associated with PMS particles, such as metal bioaccumulation on coral tissues and antioxidant stress biomarkers, are necessary to clarify the causes of coral D. meteor mortality in the PMS treatment. This research contributes to broadening our knowledge on the effects of deep-sea mining on benthic fauna. The information presented here can aid the creation of standards, guidelines, and monitoring programs of deep sea mining activities by the International Seabed Authority Mining Code (ISA). It is desirableto extend this study to other cold-water coral species in inactive hydrothermal vents in the Azores and the CCZ region.