Diep onder Outokumpu: Geurige vluchtige organische stoffen onthullen nieuwe inzichten in de koolstofcyclus

Het Outokumpu-borehole van bovenaf. Het is een 2.516 meter diepe verticale opening met een diameter van 22 cm naar het kristallijne bedrock dat 1,9 miljard jaar oud is. Credit: Riikka Kietäväinen

Vluchtige organische verbindingen (VOCs) zijn bekende verontreinigingen die voortkomen uit industriële processen en materialen, en ze zijn ook een oorzaak van ondermaatse binnenluchtkwaliteit. Ze ontstaan echter ook in de natuur, waaronder in wetlands, bossen, vulkanen en hydrothermale bronnen.

Onderzoekers van de Universiteit van Helsinki en het VTT Technologisch Onderzoekscentrum van Finland namen gas- en microbieel monster uit een diep borehole dat door de Geologische Dienst van Finland (GTK) is geboord voor onderzoeksdoeleinden in een gebied dat bekend staat om zijn ertsafzettingen in Outokumpu. Een breed scala aan natuurlijke VOCs werd aangetroffen in het grondwater van het bedrock op diepten variërend van 500 tot 2.300 meter. Voorheen was er weinig informatie beschikbaar over de VOCs die in kristallijn bedrock en het onbesmette grondwater werden aangetroffen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Communications Earth & Environment.

Begrip van de koolstofcyclus

De onderzoeksresultaten kunnen een impact hebben op ons begrip van de mondiale koolstofcyclus, evenals op de luchtkwaliteit in ondergrondse faciliteiten, zoals mijnen. De studie heeft aangetoond dat microben in de diepe biosfeer, vooral bacteriën en schimmels, een belangrijke rol spelen bij het produceren en afbreken van VOCs. De concentratie en samenstelling van VOCs weerspiegelen echter ook de kenmerken van het lokale bedrock, zoals de koolstof- en zwavelinhoud, evenals oxidatie-reductieomstandigheden.

“We werden naar de vluchtige organische verbindingen geleid door geur,” zegt assistent-professor Riikka Kietäväinen van de Universiteit van Helsinki, die het geochemische deel van de studie superviseerde.

Nauwkeurige vergroting van microben op het oppervlak van het gesteente. Onder de infrastructuur van het International Continental Scientific Drilling Program heeft het Outokumpu-project ook het binden van bacteriën en schimmels, verzameld uit het diepe borehole, aan gesteente-oppervlakken onderzocht. Een elektronenmicroscoopbeeld van langwerpige microbiele cellen die afkomstig zijn uit het Outokumpu-bedrock op het oppervlak van serpentijn. Credit: Mari Raulio, VTT Technologisch Onderzoekscentrum van Finland.

Veel van de verbindingen, zoals aromatische koolwaterstoffen en zwavelverbindingen, zijn detecteerbaar door geur bij zeer lage concentraties. “Afhankelijk van de sniffer werd de geur van het grondwater in het Outokumpu-borehole beschreven als lijkend op de oceaan of de riolering, zelfs iets zoetig. Pogingen om de bron van de geur nauwkeuriger te bepalen, werden gedaan door middel van analytische technieken, gebruikmakend van thermische desorptie-gaschromatografie-massaspectrometrie,” voegt Kietäväinen toe.

De analyses onthulden meer dan 40 VOCs, waarbij butaan, benzeen en dimethylsulfide de boventoon voerden. De verbindingen omvatten ook andere koolwaterstoffen, alcoholen, ketonen en aldehyden. “We bestudeerden de mogelijke rol van microben bij de vorming of afbraak van deze VOCs door genomische gegevens over de microbiele gemeenschap te analyseren,” zegt senior wetenschapper Mari Nyyssönen van VTT. “In het diepe bedrock hebben microben weinig verschillende bronnen van voedingsstoffen en koolstof, en de resultaten van de studie tonen aan dat deze VOCs nieuwe mogelijkheden bieden voor de microbiele eettafel,” voegt Nyyssönen toe.

Grondwater van tientallen miljoenen jaren oud

De boring van het Outokumpu-diepe borehole werd 20 jaar geleden, op 31 januari 2005, voltooid. Tot nu toe heeft de onderzoeks samenwerking tussen de Universiteit van Helsinki, VTT en GTK in het Outokumpu-diepe borehole blootgelegd, onder andere, grondwater dat tientallen miljoenen jaren oud is, evenals een diverse microbiele gemeenschap die leeft in het grondwater van het bedrock en op gesteente-oppervlakken. “Deze studie heeft ons een stap dichter gebracht bij het begrijpen van de interacties tussen de organische en anorganische domeinen. Het onderzoek bij het borehole zal doorgaan,” stellen Kietäväinen en Nyyssönen.