Ecotoxicological risk assessment of deep-sea mining in the Clarion-Clipperton Zone

Marinho, Leandro Teixeira

http://hdl.handle.net/10400.1/25568

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Authors

Marinho, Leandro Teixeira

Advisor(s)

Mestre, Nélia

Nunes, Luis

Abstract(s)

Deep-sea mining has the potential to become the next great extractive industry on a global scale, focusing on metals exploitation. The objective of this work is to assess the ecotoxicological effects of deep-sea mining plumes and to help elaborate a risk assessment model to evaluate the environmental risks of deep-sea mining. The work involved the analysis of deep-sea Actiniaria spp. and sediment samples collected from the MANGAN21 cruise to the Clarion-Clipperton Zone in the Pacific Ocean. During this cruise, a nodule collector trial generated a plume of sediments with potential negative ecotoxicological impacts that deposited over the deep-sea fauna. The effects of deep-sea sediment (10 mg/L and 50 mg/L) were evaluated in the marine mussel Mytilus galloprovincialis after a 14-day exposure assay in the laboratory. An array of biomarkers (SOD, CAT, GPx, GST, LPO, AChE, and DNA damage) and metals (As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn) were analyzed on mussel’s gills, from the sediment exposure assay, and on deep-sea Actiniaria specimens collected from control and plume exposed locations. Additionally, metals and REEY concentrations were assessed in waters from the mussel assay. Results show that the single anemone specimen exposed to the plume appears to have induced SOD and LPO activity in response to the high concentrations of Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Pb, and Mn in its tissues. In the case of the mussels, AChE and DNA damage were significantly altered after 14 days exposure to 50mg/L of deep-sea sediments while Mn, and Cr were accumulated in the gills from the same mussels. While no apparent signs of oxidative stress and damage were observed, this research demonstrates that deep-sea sediments from the Clarion-Clipperton Zone trigger genetic and neurological toxicity in shallow-water mussels. This robustly supports the idea that ecotoxicological harm can manifest even at low concentrations of these sediments. These findings can contribute to the development of a comprehensive, multi-disciplinary Weight of Evidence (WOE) approach for assessing the environmental risks associated with deep-sea polymetallic nodule mining in the Clarion-Clipperton Zone.

A mineração no mar profundo tem o potencial para se tornar a próxima grande indústria extrativa à escala global, com foco na exploração de certos metais. Durante dez anos (1972-1982), a pesquisa sobre mineração no mar profundo, principalmente para extração de nódulos polimetálicos na Zona Clarion-Clipperton (CCZ), atravessou uma "era de ouro" (Glasby, 2002). Mais recentemente, vários fatores contribuíram para o elevado interesse na mineração no mar profundo. Em primeiro lugar, os preços dos metais têm aumentado desde o início deste século (Cronan, 2022). Em segundo lugar, em 2022, as Nações Unidas (ONU) estimaram que a população mundial pode aumentar para 8,5 mil milhões até 2030 e quase até 10 mil milhões de pesssoas até 2050 (ONU, 2022a), o que significa que serão necessários mais materiais para alcançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável definidos até 2030 (ONU, 2022b), nomeadamente matérias-primas críticas, designadas pela Comissão Europeia, que são essenciais para o desenvolvimento da indústria de energias renováveis emergentes (Comissão Europeia, 2023) e de baterias elétricas (Martins et al., 2021; Hein et al., 2020). Terceiro, a ISA (Autoridade Internacional dos Fundos Marinhos), uma organização das Nações Unidas responsável por regulamentar e controlar todas as atividades relacionadas com minerais em áreas internacionais do fundo marinho, emitiu licenças para certas entidades explorarem apenas em locais de mineração selecionados (ex. Zona de Clarion-Clipperton). Atualmente, existem 21 empreiteiros aprovados pela ISA com direitos de exploração em 29 áreas do mar profundo distribuídas por diferentes partes dos oceanos Pacífico, Índico e Atlântico, das quais 17 estão localizadas na CCZ (ISA, 2023). Todo este entusiasmo em torno dos nódulos polimetálicos deve-se ao seu potencial valor económico, uma vez que na sua composição podem ser encontrados vários dos elementos necessários para um futuro próspero da humanidade. Para além do manganês (Mn), outros metais como Fe, Ni, Cu, Co, Mo, Ti, Li, Zn, Y, W, REEs entre outros, compõem os nódulos polimetálicos encontrados no mar profundo (Wang, 2009; Hein et al., 2013; Wegorzewski & Kuhn, 2014; Kuhn et al., 2017; Sharma, 2022). No entanto, a mineração no mar profundo pode acarretar vários riscos ambientais que apresentam um elevado nível de incerteza devido à falta de informações essenciais sobre os ecossistemas marinhos do mar profundo. Os impactos podem incluir alterações diretas na estrutura do fundo do mar (devido à remoção da camada superficial bentónica para extrair nódulos), perturbações nos sedimentos e criação de plumas (pelo contacto dos equipamentos de mineração com o leito marinho), contaminação dos ecossistemas profundos em torno dos locais de mineração (associada à pluma de sedimentos que pode conter altas concentrações de metais), poluição luminosa e sonora (do navio de superfície, do veículo de mineração e do sistema de bombas de elevação) e descargas de águas processadas (profundidade de descarga ainda não estabelecida) que podem alterar a temperatura da água e introduzir produtos químicos (potencialmente mais concentrados pelo processamento do minério no navio de superfície) ou mesmo espécies invasoras (pela potencial libertação de águas de lastro adicionais) (Hein & Koschinsky, 2014; Visbeck & Gelpke, 2014; Hauton et al., 2017; van Doorn et al., 2022). O objetivo deste trabalho consiste então em avaliar os efeitos ecotoxicológicos das plumas geradas pela mineração no mar profundo e contribuir, com dados, para a elaboração de um modelo de avaliação de risco para avaliar os riscos ambientais da mineração no mar profundo. O trabalho envolveu a análise de indivíduos da ordem Actiniaria (anémonas) de águas profundas e de amostras de sedimentos recolhidas durante a expedição MANGAN21 à Zona de Clarion-Clipperton no Oceano Pacífico. Durante esta expedição, um protótipo de coletor de nódulos (Patania II) realizou um percurso que gerou uma pluma de sedimentos, com impactos ecotoxicológicos potencialmente negativos, que se depositaram no fundo e consequentemente sobre os organismos daquela região. Os efeitos dos sedimentos do mar profundo também foram avaliados no mexilhão Mytilus galloprovincialis após uma exposição a duas concentrações (10 mg/L e 50 mg/L) durante 14 dias, em laboratório. Foram analisados uma série de biomarcadores (SOD, CAT, GPx, GST, LPO, AChE e danos no DNA) e metais (As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V e Zn) nas brânquias do mexilhão, e em espécimes de Actiniaria do mar profundo recolhidos em locais de controlo e exposição à pluma. Além disso, foram avaliadas as concentrações de metais (As, Cd, Co, Cu, Mn, Ni, Pb, V e Zn) e REEY nas águas dos aquários do ensaio com mexilhão. Os resultados mostram que o único espécime de anémona que foi exposto à pluma aparenta ter atividades de SOD e LPO induzidas, em resposta às elevadas concentrações de Mn, Co, Ni, Cu, Cd e Pb medidas nos seus tecidos. No caso do ensaio com mexilhões, os resultados mostram que os sedimentos do mar profundo, mesmo com uma concentração de apenas 50 mg/L, libertaram significativamente vários metais e REEYs em solução nas águas dos aquários. No entanto, apenas a atividade da AChE e o dano no DNA foram significativamente alterados após 14 dias de exposição a 50 mg/L de sedimentos em resposta ao Mn e Cr, que foram significativamente acumulados nas brânquias dos mesmos mexilhões. Embora não tenham sido observados sinais evidentes de stress e dano oxidativo, esta pesquisa demonstra que os sedimentos em águas profundas da Zona de Clarion-Clipperton desencadeiam ações de toxicidade genética e neurológica em mexilhões de ecossistemas costeiros. Isto solidifica a ideia de que danos ecotoxicológicos podem ocorrer mesmo com baixas concentrações destes sedimentos. No entanto, a falta de estudos abrangentes realizados em escalas realistas, tanto espaciais como temporais, deixa-nos incertos quanto à extensão, duração e consequências reais dos efeitos provocados pela mineração no mar profundo. Além disso, ao avaliar o risco ecotoxicológico associado à mineração no mar profundo, é essencial reunir dados de várias fontes e integrá-los para obter uma compreensão mais abrangente dos potenciais riscos envolvidos (ISA, 2022). O modelo “Weight of Evidence” (WOE) é uma ferramenta promissora utilizada na avaliação de risco ambiental para caracterizar o risco associado à exposição a sedimentos, e é aplicada precisamente quando uma abordagem abrangente e multidisciplinar é necessária para chegar a uma conclusão (Burton et al., 2002; Piva et al., 2011; MERAG, 2016; Mestre et al., 2017; Suter et al., 2017a; Suter et al., 2017b; van Doorn et al., 2022). Assim, o modelo WOE tem-se mostrado uma abordagem útil na avaliação de risco ambiental de ambientes marinhos, especificamente na ressuspensão de depósitos de minas que acumulam no fundo do mar (Mestre et al., 2017), e deverá ser aplicado à mineração no mar profundo de acordo com a ISA (2022). Estes resultados contribuem assim para o desenvolvimento de um modelo WOE para avaliar os riscos ambientais associados à mineração de nódulos polimetálicos no mar profundo na Zona de Clarion-Clipperton.