I\) Das Hormonsystem des menschlichen Körpers

1) Das Hormonsystem des menschlichen Körpers
Hormone sind in Drüsen produzierte chemische Stoffe, die über das Blut transportiert werden und an bestimmten Organen ihre Wirkung entfalten. An den entsprechenden Organen lösen die Hormone die Produktion eines Enzyms aus, welches in diesem Organ eine
bestimmte Stoffwechselreaktion katalysiert.
Alle Hormone sind sind:
•
wirkungs- und organspezifisch, d.h. sie können nur an ganz bestimmten Organen ganz
bestimmte Reaktionen auslösen – und sie sind
•
nicht artspezifisch, d.h. wenn zwei verschiedene Tierarten ein bestimmtes Organsystem
besitzen bewirkt ein Hormon an beiden Arten dieselbe Reaktion:
z.B. Hypophysenhormone bewirken die Farbanpassung von Amphibien an den jeweiligen Untergrund. Ein solcher Farbumschlag von hell auf dunkel kann auch durch Hypophysenhormone von Säugetieren ausgelöst werden.
I.1) Einige wichtige Hormondrüsen des Menschen
Übersicht: aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
•
Die Schilddrüse
Liegt vor dem Schildknorpel des Kehlkopfes, produziert das Hormon Thyroxin, welches
die Geschwindigkeit der Stoffwechselvorgänge regelt
! Mangelerscheinung (also Schilddrüsenunterfunktion):
Herabgesetzte Körpertemperatur und Herzschlagfrequenz, Müdigkeit, Appetitlosigkeit,
Neigung zum Fettansatz.
! Überschusserscheinung (Schilddrüsenüberfunktion)
Gegenteiliger Effekt, Verwirrtheit, hervorquellende Augen ! Basedow´sche Krankheit
Abb: aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
Zur Messung der Schilddrüsenaktivität nützt man den Effekt, dass der Aufbau des Hormons das Element Jod benötigt. Verabreicht man dem Patienten eine minimale Dosis
radioaktives Jod 131 (normale Form: Jod 127 ), so konzentriert sich die verabreichte Radioaktivität über der Schildddrüse.
Bei Überfunktion steigt die Radioakt. sehr rasch (ca. 1 Tag) und sinkt denn ebenso
rasch wieder ab., bei Unterfunktion tritt das Gegenteil ein.
Große Mengenradioaktiven Jods zerstören das Schilddrüsengewebe und führen zum
Schilddrüsenkarzinom, einer sehr agressiven Krebsform.
Jodprophylaxe bei Reaktorkatastrophen o.ä.:
Bei atomaren Kernspaltungen entstehen rel. große Mengen an radioaktiven Jodisotopen. Um deren Einlagerung in die Schilddrüse zu vermeiden, werden Jodtabletten an
die Bevölkerung verabreicht. Die Schilddrüse speichert das überschüssige Jod und
nimmt nach ihrer Sättigung kein zusätzliches Jod aus der Nahrung mehr auf.
Eventuell vorhandenes radioaktives Jod wird daher rasch ausgeschieden und kann so
nicht kazinogen wirken.
•
Die Thymusdrüse
Liegt unter dem Brustbein und reguliert das körperliche Wachstum. Das Wachstum anregende Hormon der Thymusdrüse ist das Somatotropin. Ist der Organismus geschlechtreif geworden (Keimdrüsen!), bewirken die jetzt vorhandenen Geschlechtshormone eine Rückbildung der Thymusdrüse und so ein Wachstumsstopp.
•
Nebenniere
Liegen wie zwei Kappen auf den Nieren und bestehen wie diese aus 2 Schichten, der
NN-Rinde und dem NN-Mark:
NN – Rinde ! Corticoide
o
Mineralcorticoide stabilisieren das Na+ – K+ – Ionen Gleichgewicht im Organismus.
o
Glucocorticoide z.B. Cortisol steuert in der Leber den Aufbau von Glucose
aus Abbauprodukten des Eiweißstoffwechsels.
NN – Mark ! z.B. Adrenalin und Noradrenalin
Auslöser des FFS-Syndromes (Fight and Flight – Syndrome) ! Leistungsbereitschaft!
! Stresswirkungen !!!
•
Hypophyse (Hirnanhangdrüse)
Sie ist zweigeteilt (Vorder- und Hinterlappen), hängt an der Unterseite des Zwischenhirns und ist allen anderen Drüsen übergeordnet.
Zusätzliche Wirkungen:
Ozytocin: Verursacht die Ausbildung der Wehen am Ende der Schwangerschaft.
Adiuretin: Reguliert die Wasserrückresorption in der Henle´schen Schleife. Bei Adiuretinmangel werden pro Tag bis zu 20 Liter stark verdünnter Harn ausgeschieden.
•
Keimdrüsen (Hoden und Eierstöcke)
Die gebildeten Hormone beeinflussen die geschlechtliche Entwicklung, das Wachstum,
den Charakter u.a.
Beide Geschlechter besitzen männl. und weibl. Geschlechtshormone (Testosteron und
Östrogene), das Mengenverhältnis bestimmt die endgültige Ausdifferenzierung!
I.2) Hormonelle Steuerung des weiblichen Menstruationszyklus
Fall 1: Keine Schwangerschaft liegt vor:
Hypophyse produziert das follikelstimulierende Hormon FSH ! dieses verursacht die Reifung eines Graaf´schen Follikels (flüssigkeitsgefülltes Bläschen, in dem sich eine Eizelle befindet!) im Eierstock.
! Der reifende Follikel produziert das Follikelhormon FH (Östradiol aus der Gruppe der
Östrogene) ! Dieses hemmt die FSH Produktion der Hypophyse.
Bei einer bestimmten FH-Konzentration im Blut beginnt die Hypophyse mit dem Aufbau
des luteinisierenden Hormons LH ! Ist ein bestimmtes Verhältnis zwischen FSH und LH erreicht, erfolgt der Follikelsprung (=Eisprung).
Der Follikel platzt und die Eizelle fällt in den Trichter des Eileiters (ca. 13 Tage nch dem Beginn der letzten Menstruation)
Die Reste des Graaf´schen Follikels werden unter Einwirkung des LH zum Gelbkörper. der
sofort mit einer Produktion des Gelbkörperhormons beginnt (Progesteron!). Progesteron
bewirkt:
• Hemmung der FSH-Produktion der Hypophyse (FH-Produktion wurde ja eingestellt!)
• Starke Durchblutung und Entwicklung der Gebärmutterschleimhaut
• Erhöhung der Körpertemperatur um ca. 0,5°C
Die reife Eizelle nistet sich in die Gebärmutterschleimhaut ein (Erklärung!) und stirbt nach
wenigen Stunden ab.
! Der Gelbkörper verkümmert, Progesteronspiegel sinkt ! Hypophyse beginnt wieder
mit der FSH-Produktion.
! Die abgestorbene Eizelle wird mit der Gebärmutterschleimhaut und Blut über den Muttermund und die Scheide ausgestoßen ! Menstruationsblutung!
Fall 2: Schwangerschaft liegt vor:
Befruchtung der Eizelle erfolgt meist im Eileiter ! Keimbildung (Morula, Blastula)
! Der Keim nistet sich in die Gebärmutter ein ! Gebärmutterschleimhaut beginnt mit
Hormonproduktion:
•
•
Gonadotropin: verhindert die Gelbkörperverkümmerung ! Progesteronspiegel bleibt
aufrecht
Östrogene, Progesteron ! Spiegel steigt und verursacht eine Vorbereitung der Brustdrüsen auf die Milchsekretion, sowie ein Gebärmutterwachstum.
Am Ende der Schwangerschaft stoppt die Hormonproduktion der Gebärmutter, die Hypophyse beginnt eine Ozytozinproduktion ! Wehenbildung!
Bei Verwendung hormoneller Empfängnisverhütungsmittel wird durch Östrogen- und Progesteronzufuhr eine Schwangerschaft vorgetäuscht und so ein Eisprung verhindert!
2)
Befruchtung und Embryonalentwicklung
II.1) Befruchtung
Samenzelle:
•
•
•
Eizelle:
Kopfteil (enthält u. a.
das genetische Material ! haploide Information)
Mittelstück mit zahlreichen Mitochondrien zur Energiebereitstellung
Schwanzteil mit typischem Geißelquerschnitt aus 9 + 2
Doppelfibrillen
Samenzelle durch Lockstoffe (Fertilisine) von der Eizelle angelockt (positive Chemotaxis) !
Enzyme des Akrosoms verflüssigen die Gallerthülle ! Akrosom schleudert das Akrosomfilament in die Eizellenmembran ! Rindengranula lverändern ihre Struktur und bauen eine
für andere Spermien undurchdringbare Befruchtungsmebran auf ! Kortikalreaktion (breitet sich in ca. 20 – 60 sec über die ganze Eizelle aus!)
Anschließend wird der Schwanzteil der Samenzelle abgestoßen ! Zellkern wandert in die
Eizelle ! Kernmembranen lösen sich auf ! Beginn der ersten Zellteilung ! anschließend erste Furchung.
II.2) Embryonalentwicklung (stark vereinfacht)
Embryonalentwicklung ist durch die Ausbildung zweier Schutzhüllen um den Embryo gekennzeichnet ! Embryonalhüllen
•
•
Innere Schutzhülle ! Amnion
Äußere Schutzhülle ! Chorion
Entstehung der Embryonalhüllen:
Nach der Neurulation wird die gesamte Dottermasse der Eizelle umwachsen ! Dottersack:
Skizze !
Durch Auffaltungen der Dottersackwand entsteht eine doppelte Hülle um den Embryo:
• Innere Hüllschicht ! Amnion
• Äußere Hüllschicht ! Chorion
Skizze !
Die Amnionhöhle wird von Amnionzellen mit Flüssigkeit gefüllt ! Fruchtwasser
Eine zusätzliche, entodermale Aussackung des Embryos. der Harnsack, stellt eine Verbindung zw. Embryo und Chorion her. An der Kontaktstelle zwischen Harnsack und Chorion
beginnt sich die Gebärmutterschleimhaut kräftig zu entwickeln und baut ein Ver- und Entsorgungssystem für den Embryo auf, den Mutterkuchen (Plazenta).
Der Leitung der Stoffe (Nährstoffe, O2, Schadstoffe) erfolgt über die Nabelschnur, welche
sich aus Dottersack und Harnsack entwickelt.
Die Embryonalhüllen sind zwischen der 3. und 4. Schwangerschaftswoche ausgebildet
Nach dem 3. Schwangerschaftsmonat ist die Anlage aller Organsysteme und des äußerem Baues abgeschlossen. Länge ca. 9 cm. In der verbleibenden Zeit der Schwangerschaft erfolgt hauptsächlich Wachstum.
! Amnionpunktion
! Chorionbiopsie
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
3)
Ethologie (Verhaltensforschung)
Man unterscheidet die deskriptive von der experimentellen Ethologie:
• Die deskriptive (beschreibende) Ethologie:
Forschungsmethodik liegt im Erstellen einer genauen Bestandsaufnahme über das Verhalten eines Art von Lebewesen ! Ethogramm
Sie setzt eine dauernde Beobachtung voraus und wird durch moderne technische Hilfsmittel sehr erleichtert (Tonband, Video, Funk, . . . )
Die d.E. ermittelt Ablauf und zeitliche Organisation bestimmter Verhaltensweisen!
• Die experimentelle Ethologie:
Durch künstliche Eingriffe lassen sich Aussagen über die Auslöser bestimmter Verhaltensweisen treffen:
• Demonstrationsbeispiel:
Beobachtung von Sandwespen führt zu folgendem Ethogramm:
Das Sandwespenweibchen legt ein Ei in ein selbst gerabenes Erdnest, in welches zuvor
eine tote oder gelähmte Raupe eingetragen wurde. ! Nest wird verschlossen.
Nach dem Schlüpfen der Larve kehrt das Weibchen zurück und bringt je nach Bedarf
neue Beutetiere heran.
! Größe und Anzahl der eingebrachten Beutetiere richtet sich nach Größe und Nahrungsverbrauch der Larve ! steigt!
Durch das reine Ethogramm kann nicht ermittelt werden, ob das Weibchen automatisch
immer mehr Nahrung heranbringt, oder ob der Nachschub dem Verbrauch angeglichen
wird!
Die exp. Ethologie kann hier weiter helfen:
Im Experiment wird das Weibchen getäuscht, indem man in seiner Abwesenheit neue
Raupen hinzufügt oder Raupen entfernt ! Die Wespe passt sich der Situation an, indem
sie bei Bedarf mehr oder weniger Raupen heranbringt.
aber:
Eine Änderung des Nestinhaltes wird nur dann richtig beantwortet, wenn diese vor dem
morgendlichen „Kontrollgang“ der Wespe erfolgt. Die Information für die Tageration wird
also am Morgen für den ganzen Tag gewonnen und kann anschließend nicht mehr verändert werden!
III.1) Grundverhaltensweisen bei Tier und Mensch
III.1.1) Reflexe
Man versteht darunter angeborene, festgelegte Zuordnungen von Reizen und Reaktionen.
Meist einfache Reflexbögen ! Beschreibung durch Leitung des AP durch das NS ! Reflexbogen (Kniesehnenreflex)
Reflexe verlaufen immer unwillkürlich, d.h., sie können nicht beeinflusst werden. Man unterscheidet zwei Reflexarten:
a) der unbedingte Reflex:
Immer angeboren, keine Erfahrung mit dem betreffenden Reiz notwendig
•
•
•
•
Schutzreflexe: Lidschlussreflex, Rückziehreflex, Nies-, Husten- und Brechreflex, Pupillenreflex
Muskelreflexe zur Konstanthaltung der Muskellänge: Kniesehnenreflex
Reflexe zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes
Reflexe im Bereich des vegetativen Nervensystems
! Exp. von Pawlow (Reiz = Anblick oder Geruch von Futter, Reaktion = Produktion von Verdauungssekreten)
Die meisten Reflexe sind durch eine kurze Ablaufdauer gekennzeichnet, eine Ausnahme
bildet der Klammerreflex junger Primaten!
b) der bedingte Reflex:
er stellt bereits einen einfachen Lernprozess dar.
Das Versuchstier wird einem Reiz ausgesetzt (=Orginalreiz ! z.B. Futter). Gleichzeitig wird
ein Signalreiz engeboten der völlig unabhängig ist (z.B. ein Geräusch oder ein Lichtsignal)
Nach einiger Zeit kann dieser Signalreiz alleine ebenfalls die Reaktion auslösen. Bedingte
Reflexe sind jedoch auslöschbar!
III.1.2) Instinkt
Def.:
Meist komplizierte Bewegungs- oder Verhaltenskombinationen, die durch bestimmte Reize
oder Reizfolgen ausgelöst werden ! Schlüsselreize!
Beispiele für Schlüsselreize:
•
•
Zecken:
o
Schlüsselreiz 1: Geruch von Buttersäure (Abbauprodukt von Schweiß)
Zecke lässt sich fallen
o
Schlüsselreiz 2: Wärmestrahlung
Zecke beginnt Blut zu saugen
Amselnestlinge:
Das „Sperren“ der Jungvögel wird durch zwei Schlüsselreize ausgelöst:
o
Erschütterungen am Nestrand
o
Plötzliche Schattenbildung über dem Nest
Das Fütterverhalten der Altvögel wird ebenfalls durch Schlüsselreize ausgelöst:
•
o
Lautgebung der Jungvögel
o
Signalreiz des roten Rachens der sperrenden Jungvögel
Brutpflege bei Truthühnern
Die Jungen werden ausschließlich durch akustische Reize erkannt:
•
o
Die Pute füttert einen ausgestopften Marder, wenn dieser durch ein eingebautes Tonbandgerät Kückenschreie ausstößt.
o
Ein Junges, welches unter einer schalldichten Glasglocke piepst, wird nicht
betreut. Auch dann nicht, wenn der Weg der Pute direkt an der Glasglocke
vorbei führt.
Mensch:
o
! Kindchenschema: Bestimmte Proportionen (große Stirn, große Augen,
kleines Kinn, hohe Stimme, abgerundete Formen) und eine bestimmte Lautgebung löst beim Menschen Zuwendung bzw. Brutpflegeverhaltensweisen
aus:
#
#
#
Weinen eines Säuglings ! Kontaktruf nach betreuender Person (Löst
Suchreaktionen aus)
Lächeln des Säuglings ! Zuneigungsreaktionen
Schreien des Säuglings ! Intensive Brutpflege, Fütterungsverhalten
(Kuss als Relikt des Fütterungsverhaltens)
Schlüsselreize können nur dann erfolgreich sein, wenn sie eine bestimmte Reizstärke überschreiten und wenn eine innere Bereitschaft vorliegt
•
Die notwendige Reizstärke
notwendige Reizstärke = Schwellenwert (Reizschwelle)
nicht ausreichende Reizstärken sind unterschwellige Reize
! Die Höhe der Reizschwelle ist variabel ! Unterschied zum Reflex!!!
Beispiele:
Bei erstmaliger Imitation eines Schlüsselreizes liegt die Reizschwelle sehr niedrig !
Schwacher Reiz notwendig!
Bei Erfolglosigkeit und wiederholter Imitation steigt die Reizschwelle laufend an, bis
schließlich der Reiz nicht mehr beantwortet wird.
Aber:
Werden Kombinationen aus mehreren Schlüsselreizen angeboten, dann werden diese
oft bis zur Erschöpfung beantwortet. Daraus folgt die so genannte
Reizsummenregel:
Aus das selbe Zentrum gerichtete Schlüsselreize addieren sich in ihrer Wirkung!
•
Die Innere Bereitschaft:
Diese Innere Bereitschaft wird durch unterschiedlichste Faktoren beeinflusst. Diese
bestimmen somit die Triebenergie, d.h. den Druck, der für das jeweilige Verhalten ausgeübt wird. Die Triebenergie verhält sich daher verkehrt proportional zur Reizschwellenhöhe.
Solche Faktoren können sein:
1) Der zeitliche Abstand zum letztmaligen Auftreten
Mit zunehmendem Abstand sinkt die Reizschwelle ab. Tiere werden unruhig und
steigern die Bewegungsaktivität. Dies wird als „Suche nach dem Schlüsselreiz“ interpretiert ! Ungerichtetes Appetenzverhalten.
Führt dieses zu einer Situation, in welcher ein Schlüsselreiz erwartet werden kann,
konzentriert sich die Aufmerksamkeit des Tieres darauf, die Bewegungsaktivität lässt
nach ! Gerichtete Appetenz.
Ein plötzlich angebotener Schlüsselreiz fürt darauf hin zur Instinktiven Endhandlung.
! Beispiel des Beutefangverhaltens beim Frosch.
Im Extremfall führt die Schwellenwerterniedrigung dazu, dass das Verhalten spontan (ohne Schlüsselreiz) hervorbricht! ! Leerlaufhandlung!
Beispiele für Leerlaufhandlungen:
o
„Totschütteln“ beim Hund
o
Nestbauverhalten bei Käfigvögeln
o
Exp. Schwäne, die auf zugeeisten Wasserflächen gehalten werden, beginnen im Frühjahr Bewegungen auszuführen, die exakt aus dem Handlunsablauf des Nestbaues stammen.
2) Alters- und Entwicklungsstadien
•
Sexualverhaltensweisen setzen z.B. erst bei geschlechtreifen Tieren ein. Bei
Tieren sind die jeweiligen Schlüsselreize hauptsächlich PHEROMONE
•
Altersabhängige Aufgaben der Bienen im Bienenvolk!
3) Endogene Rhythmik
Bestimmte verhaltensweisen treten immer zu bestimmten Tages- oder Jahreszeiten
auf.
•
•
•
•
•
Z.B. Aktivitäten der Goldhamster im Käfig ! Wird auch bei gleichbleibenden
Helligkeitsverhältnissen beibehalten.
Nestbauverhalten bei Vögeln ! Auslöser sind jahreszeitlich bedingte natürlich Rhythmen
Vogelzug
Lachswanderungen
Winterruhe und Winterschlaf
Die Funktion dieser Inneren Uhr ist größtenteils unbekannt!
4) Hormone
Viele Verhaltensweisen sind hormonell gesteuert. Eine zentrale Steuerungsfunktion
kommt dabei den Sexualhormonen zu.
Hormon
induziertes Verhalten
Häutungshormon (Ecdyson) Aufsuchen eines geschützten Platzes
Adrenalin
Alarmreaktionen (FFS)
Sexualhormone
Balz, Nestbau, Brutpflege, Revierverteidigung
5) Ernährungszustand (Hunger, Durst)
•
Hoher Glucosespiegel im Blut senkt die Triebenergie bei Amselnestlingen
•
Während der Hirschbrunft nehmen die Tiere kaum Nahrung zu sich. Ein künstlich
erhöhter Glucosespiegel im Blut hemmt das Brunftverhalten
Übersprungshandlungen:
Wenn für eine Instinkthandlung eine hohe Triebenergie und auslösende Reize gegeben
sind, jedoch hemmende Faktoren entgegen wirken, kommt es zu Übersprungshandlungen.
! Dabei wird die aufgestaute Triebenergie auf andere Verhaltensweisen abgeleitet, die
mit der ursprünglichen Handlung nichts zu tun haben.
Beispiele:
•
Werden zwei annähernd gleich starke Kampfhähne miteinander konfrontiert, tritt ein
Konflikt zwischen Angriffs- und Fluchtverhalten auf ! häufig reagieren die Tiere mit
Übersprungshandlungen, z.B. mit Futtersuche oder Gefiederpflege.
•
Beim Menschen stammen Übersprungshandlungen häufig aus dem Bereich der Körperpflege (Kopf kratzen, Hände reiben, Brille zurecht rücken, . . . )
Das Erkennen angeborener Verhaltensweisen
Extrem schwierig!
Am ehesten durch Kaspar Hauser Versuche möglich.
Kaspar Hauser:
1828 in Nürnburg aufgefundenes Findelkind, stark begrenzte geistige Entwicklung, vermutlich wegen fehlender Erfahrungsmöglichkeiten während der Kindheit.
Seine Herkunft bleibt ungeklärt, wurde von Unbekannten ermordet.
Die verwendeten Kaspar Hauser Versuchsobjekte können unterschiedlich sein:
K.H. 1. Ordnung:
Sind durch vollständigen Erfahrungsentzug in der Kindheitsphase gekennzeichnet. Sie sind
eigentlich theoretische Versuchstiere, weil Erfahrungen mit dem eigenen Körper nicht verhindert werden können.
K.H. Versuche 1. Ordnung sind außerdem nicht aussagekräftig, weil starke Entwicklungsstörungen auftreten.
Teil – Kaspar Hauser Versuche:
sind durch selektiven Erfahrungsentzug gekennzeichnet.
•
Beute-Kaspar Hauser
Zur Erforschung angeborener Nahrungspräferenzen
! Jede Erfahrung mit natürlicher Nahrung wird verhindert, anschließend wird geprüft,
ob das ausgewachsene Jungtier eine Nahrungspräferenz erkennen lässt.
•
•
Feind-Kaspar Hauser ! . . . . . . . Erkennen von Feinden
sozialer Kaspar Hauser ! . . . . . . . Erkennen von Artgenossen
o akustischer K. H.
o optischer K. H.
Diese K.H. Form ist bei vielen Wirbellosen anzutreffen, weil diese ihre Eltern nie zu Gesicht bekommen und trotzden komplizierte Verhaltensmuster beherrschen, wie z.B.
der Netzbau der Spinnen
Objektlos angeborene Verhaltensweisen:
Sie liegen in ihrem Ablauf genetisch fixiert vor, die Kenntnis der zugehörigen Reize muss
jedoch erst erworben werden:
•
•
Enten und Gänse zeigen eine deutlich ausgebildete Prägung ! . . . . . .
sie müssen jedoch erst lernen, wer/was als Bezugsperson/-gegenstand gilt.
Junge Marder zeigen immer dasselbe Beutefangmuster:
! Jagen ! Umwerfen ! Packen ! Tot schütteln
Anfangs wird an jeder möglichen Stelle zugepackt, erst später wird der gezielte Nackenbiss erlernt und ausschließlich angewandt.
Das Reifen angeborener Verhaltensweisen:
Man versteht darunter eine Vervollkommnung von Verhaltensweisen ohne Übung:
•
K.H. Goldhamster-Weibchen, die mit 70 Tagen erstmals werfen bauen unordentliche,
zu kleine Nester. Unter gleichen Bedingungen aufgezogene 90 Tage alte Weibchen
bauen Nester, die von denen normal aufgewachsener Ziere nicht unterscheidbar sind.
•
Versuch zum Futterpicken von Haushühnern: (Immelmann, Seite 90)
III.2) Erlernte Verhaltensweisen
Def.: Lernen ist die Summe aller Prozesse, die zu einer Verhaltensanpassung an sich ändernde Umweltbedingungen führen.
Lernen erfolgt in drei Teilschritten:
•
•
•
Aufnahme von Information
Speicherung im Gedächtnis
Abrufbarkeit im Bedarfsfall
Der Vorteil von Lernprozessen gegenüber angeborenen Verhaltensweisen liegt in der größeren Anpassungsfähigkeit! Z.B.:
! Ist eine Tierart auf eine bestimmte Nahrungssorte spezialisiert und erkennt diese angeborenermaßen, ist sie zum Aussterben verurteilt, wenn diese Nahrung verschwindet. Bei entsprechendem Lernvermögen ist eine Umstellung und so ein Überleben möglich.
III.2.1) Lernphasen
Bestimmte Lernvorgänge sind meist auf sogen. sensible Phasen beschränkt, die sich im
Allgemeinen mit sehr frühen Entwicklungsstufen decken (sinnvoll, weil in dieser Zeit der
Kontakt mit dem Familienverband am intensivsten ist).
Sensible Phasen können bereits vor der Geburt liegen:
•
Spielt man Hühnerembryonen während der Bebrütung betimmte Laute vor, so bevorzugen die Kücken nach dem Schlüpfen die bekannten gegenüber den unbekannten
Lauten.
•
Wachtelembryonen können von Ei zu Ei Rufe austauschen und dadurch ihren Schlüpftermin synchronisieren
III.2.2) Das Lernvermögen
Das Lernvermögen einer Tierart richtet sich:
•
nach der stammesgeschichtlichen Entwicklungshöhe:
es wird durch die zunehmende Zentralisierung und Vervollkommnung des NS gesteigert. Höhepunkte findet man bei Gliederfüßern und Wirbeltieren.
•
nach den Lebensbedingungen der Tierart
Bodenbrütende Möwenarten besitzen die Fähigkeit, ihre Jungen persönlich kennen zu
lernen ! werden die Jungen später als 1 Woche nach dem Schlüpfen ausgetauscht,
werden sie nicht mehr angenommen!
Bei felsenbrütenden Möwen kann diese Fähigkeit nicht beobachtet werden. ! Erklärung der Brutbiologie (Immelmann, Seite 94)
III.2.3) Verschiedene Arten von Lernprozessen
1) Gewöhnung
Der Organismus passt sich an wiederholt auftretende Reize so an, dass er nicht
mehr reagiert! (Antwortbereitschaft wird abgebaut ! ein „negativer“ Lernprozess)
2) Lernen von bedingten Reflexen
! auch „klassische Konditionierung“ genannt. ! Exp. von Pawlow!
3) Lernen von bedingter Appetenz
Versuch:
Hungrige Fische im Aquarium erhalten Futter immer vor einer roten Scheibe. Nach
vielen Wiederholungen suchen die Fische Futter nur noch an der roten Scheibe,
auch wenn gar kein Futter angeboten wird!
! Der Orginalreiz (Futter) wird mit einem Signalreiz (Farbe) verknüpft und löst
schließlich auch isoliert das Appetenzverhalten aus.
! Bei Bienen ist diese Verknüpfung die Ursache für die Blütenstetigkeit ! Erklärung!
4) Lernen bedingter Aktion ( = Lernen am Erfolg = operante Konditionierung)
Bestimmte, spontan auftretende Verhaltensweisen (Drücken einer Hebeltaste) werden wiederholt belohnt (Futter) ! Es wird eine Verbindung geknüpft!
Beispiele:
o
Junge Welpen könne bereits durch Aufrichten auf die Hinterbeine einhochgehaltenes Futterstück erreichen.
Wird dieses „drollige“ Verhalten vom Menschen belohnt, so wird es jedes
mal vom mittlerweilen ausgewachsenen Hund präsentiert, wenn er einen
Leckerbissen entdeckt und haben will ! ... „macht Männchen“
o
Die Skinner-Box (F. B. Skinner, ein amerikanischer Ethologe)
o
Labyrinth – Versuche (Hoch- und Gassenlabyrinthe)
5) Lernen bedingter Aversion (Lernen am Misserfolg)
#
Pferde scheuen an Orten, an denen sie einmal erschreckt wurden.
#
Stachelhalsbänder zur Hundedressur (Stacheln nach innen!)
! Im Allgemeinen gilt: Positive Verstärkungen führen zu besseren Lernerfolgen
als negative Verstärkungen!
III.3) Einsichtiges Verhalten
Def.: Das Lösen eines Problems aufgrund der Verknüpfung von Gedächtnisinhalten! (Ohne
Probieren!) (Linder 2, S. 163 ff)
! Affenversuche von W. Köhler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistungsgrenze: Die Bedeutung eines Stockes als Kratz- und Angelwerkzeug kann nicht
gleichzeitig erfasst werden.
III.4) Sozialverhalten
Def.: Länger dauernde Zusammenschlüsse artgleicher Tiere, die nicht nur dem Nahrungserwerb oder dem Aufsuchen geschützter Plätze dienen. (! also keine Aggregationen, wie
z.B. bei Blattläöusen, Raupen oder Asseln . . . ).
Man unterscheidet:
o
Offene anonyme Verbände
lockere Vergesellschaftung ohne individuellen Kontakt
Bei Heuschrecken, Fischschwärmen (Heringe, Aale, Lachse, . . . ), Vogelschwärmen
(Stare . . . )
o
Offene nicht anonyme Verbände
es werden nachbarschaftliche Kontakte geknüpft (bei großen Vogelkolonien)
o
Geschlossene anonyme Verbände
Sämtliche Tierstaaten (Bienen, Wespen, Ameisen, Hummeln, . . . ), das Erkennen erfolgt im einfachsten Fall über den Stockgeruch.
o
Geschlossene nicht anonyme Verbände (Rudel oder Familienverbände)
In ihnen vollziehen sich die meisten und offensichtlichsten Sozialverhaltensweisen:
o
o
o
o
o
häufig enge Partnerbindungen und Arbeitsaufteilung (Nachkommenspflege
und Nahrungserwerb)
Intensive Kommunikation
Fremde Artgenossen werden nur selten aufgenommen
Immer strenge Rangordnungen:
#
durch Ausscheidungskämpfe fixiert
Alfa-Tiere genießen alle Vorrechte
#
Ein Affe, der von einem Ranghöheren bedroht wird, wehrt sich nicht
und greift einen Rangniedrigeren an.
#
Der Schwächere in einem Zweikampf flieht zum Alfa-Tier nimmt Demutsgebärden (Tötungshemmung) ein und droht dem Angreifer.
Revierverhalten
Definition: Reviere sind Zonen, in denen Tiere Nester bauen, sich fortpflanzen
und Nahrung erwerben.
#
Markierunsmöglichkeiten:
Duftdrüsen
Harn
Kot
Lautgebung
#
Revierbesitzer zeigen immer Kampfbereitschaft, Fremdlinge im Revier
immer Fluchtbereitschaft (! daraus kann sich eine Dominanz des
Schwächeren ergeben!)
#
Werden Reviere durch Überbevölkerung eingeengt, resultieren daraus
körperliche Störungen und Verhaltensänderungen (sozialer Stress).
Z.B. bei Spitzhörnchen:
•
•
•
•
•
Agression
Nierenversagen durch Bluthochdruck
Duftmarkierung der Jungen unterbleibt
Fehlgeburten
verzögerte Hodenreifung
Kommunikation bei Tieren
o
Bienensprache (erforscht von Max v. Frisch ! Nobelpreis 1973 )
! Funktionsprinzip
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
o
Sprachähnliche Kommunikation bei Schimpansen
In 22 Monaten konnten 34 Zeichen erlernt und zugeordnet werden:
• Zungenspitze mit Zeigefinger berühren ! süß
•
Mund mit abgespreiztem Daumen berühren ! Trinken von Wasser, Medikamenten und Limonade
Kunststoffsymbole wurden mit Bedeutungen versehen
Beispiel: aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
IV) Ökologie
IV.1) Grundbegriffe (Wiederholung)
o
o
o
o
Ökosystem
Biotop
Biozönose
Ökologische Nischen
Sie entstehen durch unterschiedliche Nutzung desselben Lebensraumes. Eine ökolog. Nische ist also nicht örtlich zu verstehen. Die Möglichkeiten der Einnischung sind
sehr vielfältig:
•
Einnischung durch unterschiedliche Aktivitätstageszeiten:
!
!
•
Eulen als Nachtgreifvögel
Bussarde als Taggreifvögel
Durch unterschiedliche Orte der Nahrungssuche:
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
Graureiher
Bachstelze
Teichrohrsänger
Drosselrohrsänger
Tafelente
Reiherente
Stockente
Haubentaucher
Seeschwalben
Rauchschwlaben
! Tiere des Flachwassers
! Insekten an der Wassergrenze
! Insekten im Schilf und in der Luft
! Insekten auf Wasseroberfläche
! Pflanzennahrung im Tiefwasser
! Bodentiere im Tiefwasser
! Fflanzen und Tiere des Flachwassers
! Kleinfische aus der Schwimmblattregion
! Kleinfische aud freiem Wasser durch Stoßtauchen
! Insekten in der Luft
o
Ökologische Konvergenz
Arten, die in geografisch getrennten Gebieten leben, können in sehr ähnlichen ökologischen Nischen leben und durch Anpassung an diese große Ähnlichkeiten aufweisen.
Würden die Tiere dieselbe Nische besiedeln, würde die lebenstüchtigere Art (mehr
Nachkommen) die andere verdrängen ! Konkurrenzauschlussprinzip (Gause-VolterraPrinzip)
IV.2) Störungen von Ökosystemen durch den Menschen
IV.2.1) Luftschadstoffe und deren Auswirkungen
Schwefeldioxid SO2:
Entsteht bei Verbrennung schwefelhältiger Stoffe, wie Dieselöl (Heizöl), Gummi
! Bedeutung des Schwefels in diesen Stoffen (Aminosäuren Cystein, Methionin, Schwefelbrücken für höhere Proteinstrukturen)
Auswirkungen:
Auswirkungen auf Vegetation
! SO2 bewirkt eine kompetitive Hemmung der Fotosysnthese
! Lähmung der Spaltöffnungen im geöffneten Zustand
! Steigerung der Atmungsaktivität
! als Folge ! Verschiebung des Kompensationspunktes
Humanpathogene Auswirkungen:
! Wegen bester Wasserlöslichkeit wirkt SO2 sofort auf Schleimhäute der Atemwege und der Augen.
• erhöhte Schleimsekretion
• behinderter Schleimtransport durch Schädigung des Flimmerepithels
• Kontraktion der glatten Bronchialmuskulatur ! Einengung der Atemwege ! Asthma.
• Entzündliche Veränderungen von Bronchien und Lungengewebe
Die Hauptemittenten:
•
•
•
•
KFZ
Kal. KW
30%
30%
Industrie
30%
Hausbrand
10%
Stickoxide NOx:
Entstehen bei allen Verbrennungsprozesse unter Anwesenheit von Luft ! Erklärung!
Auswirkungen auf Vegetation:
Die Schadwirkung entspricht der von SO2, zusätzlich entstehen durch Reaktion mit Wasser Salpetersäure und Salpetrige Säure ! mutagene und proteinzerstörende Wirkung.
Humanpathogene Auswirkungen:
Nach Resorption der NOx ins Kreislaufsystem ist eine Mitbeteiligung an Nitrosaminsynthesen möglich ! karzinigene Aiswirkungen
Die Hauptemittenten:
•
•
•
•
KFZ
65%
Kal. KW
15%
Industrie
15%
Hausbrand
5%
Fotooxidantien (Fox):
Entstehen durch fotochemische Reaktion aus Stickoxiden. Die bekanntesten diesbezüglichen Imissionen sind Ozon und PAN (Peroxiazetylnitrat). Ozon stellt den größten Anteil dar
und wird wegen der leichten Messbarkeit als Leitsubstanz für die ganze Gruppe verwendet.
Auswirkungen:
•
•
•
Chlorophyllzerstörung
•
Humanpathogene Auswirkung:
Zerstörung der Cutucula (Austrocknung und Pilzanfälligkeit)
PAN induziert eine Ethylenproduktion im Blatt (Auslöser des Laubfalls)
Ozon ist eines der am stärksten wirksamen Reizgase und bewirkt zudem
Störungen im ZNS
Die gesamte Phox-Produktion ist schwer erfassbar, weil sie viele verschiedene Substanzen
betrifft, von vielen Außenfaktoren abhängt (Licht, Temperatur) und weil Phox. teils sehr
kurzlebige Substanzen sind. Ein quantitativer Zusammenhang mit den NOx gilt jedoch als
gesichert.
Kohlenwasserstoffe (KW):
Kompliziert gebaute organische Verbindungen, welche u.a. bei der Verbrennung von
Erdölprodukten entstehen (z.B. Benzol und Benzpyren mit eindeutig karzinogener Wirkung)
Der Großteil der österreichischen Benzolemissionen stammt aus Kraftstoffverdunstung.
Die fluorierten bzw. chlorierten KW (Ozonloch!) stehen unter Verdacht, hochkarzinogen zu
wirken. Ein Großteil dieser Emissionen stammt nach wie vor aus der Kühlmittel-, der Lackund Farbstoffindustrie.
Schwermetalle:
Z.B. Cu. Zn, Bb, Cd, Hg
Die meisten Schwermetalle gelangen über Mülldeponien in den Boden bzw, von dort über
Auswaschungen in das Grundwasser, bzw. in die davon gespeisten Gewässer. Werden
Schwermetalle über die Nahrungskette in den Organismus aufgenommen, können
schwerwiegende Langzeitschäden die Folge sein. Dies gilt insbesonders für Schwermetalle,
die in die anorganische Knochenmasse eingebaut werden ! nicht kompetitive Hemmung
(z.B. Blei)
! Große Bedeutung der Batteriesammelstationen!
Staubemissionen:
Ursachen für Staubemissionen:
•
•
Verbrennungsprozesse zur Energiegewinnung
Abrieb von Verkehrswegen (Gummi, Asfalt, Abrieb von Kupplungs- und Bremsbelägen)
•
KFZ-Winterdienst
Folgeschäden:
•
•
•
Staubniederschlag auf Blättern beeinträchtigt den Gasaustausch
Viele Stäube reflektieren fot. akt. Strahlung und absorbieren Wärmestrahlung
Osmoseschäden durch Salzstaub
IV.2.2) Kennzeichen eines geschädigten Waldes
Kennzeichen sind bei Nadelbäumen viel deutlicher ausgeprägt als bei Laubwäldern !
Erklärung!
•
Örtliche Blattnekrosen
Sie sind die Folgen von ausgedehnten Chlorosen und haben einen vorzeitigen Blattfall
zur Folge. Bei gesunden Fichten ! 7 – 10 Nadeljahrgänge, stark geschädigte Fichten
haben noch 1 – 3 Njg.
Die Folge ist ein Auslichten des Baumes von innen her ! Lametta-Syndrom
•
Kronenveränderung durch Mycorrhiza- und Wurzelschäden
! Erklärung der Mycorrhiza als klassische Symbiose ! Erklärung der Wurzelhaarzone
Durch stark übersäuerte Niederschläge werden Wurzelhaare und Mycorrhiza zerstört.
Folge ist eine Unterversorgung an Wasser und Mineralstoffen, der sich zuerst im Kronenbereich bemerkbar macht:
o
o
o
•
Absterben der Zellen im Vegetationspunkt ! Erklärung von „apikale Dominanz“ und von „Vegetationspunkt“
In Folge Hemmung der Produktion an Wachstumshemmern (Indolessigsäure)
! starkes Wachstum der Äste unterhalb des Wipfels ! Verstrauchung der
Wipfelregion
Verkrümmungen im Kronenbereich
Angsttriebe
Austriebe des Baumes an völlig unüblichen Stellen, z.B. direkt am Stamm. Ist vermutlich
ebenfalls eine Auswirkung der IES-Konzentration in der ganzen Basis.
•
Verengte Jahresringe
! Wiederholung des Stammquerschnittes und der Kambiumstätigkeit. Bei verlangsamtem Wachstum werden kleinlumige Holzzellen angelegt (im Winter normalerweise daher enge Jahresringe)
Geschädigte Bäume zeigen im Vergleich der Jahreringe der letzten Zeit eine zunehmende Verengung durch den gebremsten, weil geschädigten Stoffwechsel.
•
Stammaushöhlungen
Bei geschädigten Bäumen unterbleibt die Konservierung der nicht mehr für den Wassertransport benötigten Xylembestandteile ! Bekterieller Befall und – Abbau.
Die Entwicklung der Schadstoffemissionen in Österreich
Veränderung seit 1980 Ursachen f. Veränderung
Bewertung
SO2
- 70 %
(390 000 t ! 110 000 t)
eigentlich positiv. Der Effekt wird
jedoch durch steigende Transitbelastung und die massive Zunahme an Dieselmotoren wieder
zusehends gebremst.
Nox
+Fox.
- 10 %
(220 000 t ! 200 000 t)
KW
+ 20 %
(380 000 t ! 450 000 t)
Staub
bundesweit – 50%
(75 000 t ! 38 000 t)
regional höchst unterschiedlich
•
•
Entschwefelungsanlagen
Schwefelarme Brennstoffe
Heizöl ex. leicht 0,5 ! 0,1%
Heizöl schw. 3,5 ! 1%
Diesel 1% ! 0,15%
• Förderung von Gasverbrennung
• Maschinen mit höheren Wirkungsgraden
Katalysatoren in KFZ und Industriebereich
Kat-Effizienz liegt bei 90%. Steigendes Verkehrsaufkommen
(Schwerverkehr!) und Osterweiterung der EU dürften diesbezüglich Verschlechterung bringen.
Bereits existierende Vorschriften
Zunahme der Erdöl verarbeitenden Industrie und der Lack- zur Filterung bzw. die Tendenz zu
Wasserlacken lassen Verbesserung
industrie
erwarten.
Staubfilteranlagen der Industrie, Besondere Maßnahmen sind noch
Im Winter Vorreinigung von
im Verkehr nötig. Der lungenStreusplitt
gängige Feinstaub (Dieselmotoren) weist einen immer höheren
Anteil auf.
IV.2.3) Rauchgasreinigungsanlagen
aus: G. Fellenberg: Ökologische Probleme der Umweltbelastung
Das Rauchgas wird durch ein Filter entstaubt und anschließend mit Kalkschlamm beregnet:
H2SO3 + Ca CO3 ! CaSO3 (Ca-Sulfit) + H2CO3
SO2 + H2O ! H2SO3
Das entstandeme Ca-Sulfit wird unter weiterer Oxidation zu Ca- Sulfat = Gips
aus: G. Fellenberg: Ökologische Probleme der Umweltbelastung
Brennstoff gemeinsam mit Kalk und gebranntem Kalk in den Brennraum geblasen.
Verbrennung erfolgt so, dass das Brennstoff-Kalk-Gemisch dauernd in Schwebe gehalten
wird ! optimale Mischung:
CaCO3 + SO2 ! 1/2 O2 + CaSO4 + CO2 // CaO + SO2 + 1/2 O2 ! CaSO4
Vorteile: SO2-Reinigungsgrad wie bei Nasser Rauchgasentschwefelung, aber die
Verbrennungstemperatur kann niedriger gehalten werden, trotzdem erfolgt eine bessere
Verbrennung:
! 90% Entschwefelung, weniger Stickoxide, weniger CO
Bei beiden Reinigungsvarianten werden Stickoxide nicht entfernt ! nachgeschalteter Kat.
Zusätzlich sind aufwendige Staubfilter notwendig!
IV.2.4) Wasser und Abwasser
Wiederholung:
Gewässereutrophierung und Gewässergüteklassen
Gewässergütebestimmung
Sie kann auf biologischen oder auf chemischen Untersuchungen des Gewässers beruhen:
Die Gewässergüte:
Sie wird durch einer 5-stufigen Skala definiert, wobei sich die 5 Gewässergüteklassen in
verschiedenen Faktoren unterscheiden, z.B.:
•
•
•
•
•
Sauerstoffgehalt
Gehalt an anderen chemischen Stoffen
pH-Wert
Durchschnittstemperatur
Artenvielfalt/Individuenzahl
Die biologische Gewässergütebestimmung
Sie beruht auf einer Untersuchung des Gewässers auf die durchschnittliche Zusammensetzung seiner Fauna bzw. Flora. Die dafür jeweils typischen Lebewesen nennt man Bioindikatoren:
Beispiel für die Entwicklung von Artenzahl/Individuenzahl im Zuge einer Eutrophierung:
Güteklasse 1
2
3
4
5
Artenzahl
56
42
22
12
3
Individuenzahl
123
212
290
423
674
700
600
500
G teklasse 1
2
3
4
5
400
300
200
100
0
Artenzahl
Individuenzahl
Die Chemische Gewässergütebestimmung
Der Sauerstoffgehalt des Wassers
Er sollte möglichst nahe dem jeweiligen Sättigungswert sein (Temperatuzrabhängigkeit!).
Bei Sauerstoffmangel reagieren Fische beispielsweise mit verninderter Nahrungsaufnahme
bzw. Verweigerung jeglicher Nahrung. Zusätzlich werden bevorzugt die oberflächennahen
Regionen aufgesucht.
Probenentnahme:
Der O2 Gehalt darf sich wöhrend der Probenentnahme möglichst wenig ändern.:
•
Für Oberflächenwasser ! Winklerflasche mit doppelt durchbohrtem Verschluss
aus: G. Fellenberg: Ökologische Probleme der Umweltbelastung
•
Für Tiefenwasser ! Mayer´sche Schöpfflasche / Ruttner-Schöpfer
aus: G. Fellenberg: Ökologische Probleme der Umweltbelastung
Probenauswertung:
Entweder Sauerstoffmesselektroden oder auf chemischem Weg mit Natriumhydroxid und
Kaliumjodid (! ergibt je nach Sauerstoffgehallt einen weißlichen bis kaffeebraunen Niederschlag)
Der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB-Wert):
Er zeigt den Zusammenhang zwischen Gewässerverschmutzung und der Abbautätigkeit
durch Mikroorganismen. Wird dem alleinigen Probenwasser während einer Beobachtungsphase in Dunkelheit und bei konstanter Temparatur viel Sauerstoff entzogen, muss
die Belastung des Wassers groß gewesen sein.
Der am häufigsten verwendete BSB ist der BSB5-Wert, der den Sauerstoffbedarf in 5 Tagen
ermittelt.
Richtwerte:
0 – 2 mg/l
2,1 – 4 mg/l
4,1 – 10 mg/l
über 10 mg/l
von vorn herein sauerstofffrei
Klasse 1
Klasse 2
Klasse 3
Klasse 4
Klasse 5 (Verödung)
Gereinigte Abwässer aus Kläranlagen dürfen in der Regel BSB5-Wert bis zu 25 mg/l aufweisen, obwohl sie eine Reinigungseffizienz von 95% aufweisen.
Haushaltsabwässer:
BSB5-Wert ca. 300 mg/l (Abfallstoffe, Ausscheidungen +
ca. 200 Liter Wasser pro Kopf und Tag.
Extremwert: Silosickersäfte:
BSB5 zwischen 40 000 und 80 000 mg/l
Wasserhärte und Säurebindungsvermögen (SBV)
Für die Wasserhärte ist in erster Linie der Gehalt an Calziumhydrogencarbonat verantwortlich. Dieses entsteht durch Reaktion von Kalkstein mit dem Kohlensäuregehalt des Regenwassers.
Reaktionsgleichung: (Entstehung von Kalziumhydrogencarbonat, Rückreaktion beim Erhitzen von hartem Wasser)
Einheit:
1 Grad deutscher Härte = 1°d ! 18 mg Kalk/Liter Wasser
Hartes Wasser kann einem plötzlichen pH-Wert-Anstieg durch Säurezufuhr (Saurer Regen,
Sickerwässer aus waldbeständen auf kalkarmen Böden) deutlich abbremsen.
Beispiel: Wirkungsweise bei Schwefelsäure:
Ca (HCO3)2 + H2SO4 ! Ca SO4 + 2 H2CO3
Die Bestimmung des SBV erfolgt durch einfache Titration mit Salzsäure unter Zuhilfenahme
von Indikatoren (z.B. Methylorange ! Umschlag von gelb auf rot)
Je nach benötigter Salzsäuremenge ergibt sich ein bestimmter SBV-Wert, der sich proportional zur Carbonathärte verhält:
Carbonathärte (°d) : 2,8 = SBV (z.B. Carbonathärte 5,6°d ! SBV = 2)
Der SBV ist also als Maß für die Belastungsfähigkeit des Gewässers hinsichtlich Versauerung
zu wertem.
Bestimmte Wasserlebewesen sind bezüglich des pH-Wertes außerordentlich empfindlich
( <6 und >9 sind allgemein sehr kritische Werte)
! In Skandinavien konnten Seen, die wegen Versauerung bereits völlig fischfrei waren
durch Kalkdüngung wieder erfolgreich mit Fischen besiedelt werden.
Stickstoffverbindungen:
Die Entstehung zahlreicher N-Verbindungen in Gewässern kann am besten über den Stickstoffkreislauf beschrieben werden:
Das größte N-Reservoir ist die Luft mit 78% N. Dieser Luftstickstoff gelangt über Sauren - und
Salmiakhaltigen (= wässrige Lösung von NH3) Regen in den Erdboden wo sich Nitrate bilden können.
Eine andere Möglichkeit verläuft über die Tätigkeit der Mikroorganismen (Knöllchenbakterien) in Symbiose mit Hülsenfrüchtlern.
Auf diesen Wegen wird also N über die Nahrungskette in Organsimen eingebracht!
Die Ammonifikanten:
Sterben diese Organsimen ab, bzw. werden von ihnen N-haltige Ausscheidungen abgegeben (Harnstoff OC(NH2)2 / Harnsäure), so werden diese N- Verbindungen von den Ammonifikanten abgebaut, wobei Ammonium bzw. Ammoniak entstehen!
Dabei ist das Verhältnis zwischen dem hochgiftigen Ammoniak und dem relativ harmlosen
Ammonium vom pH-Wert der Umgebung (des Wassers) abhängig:
NH4 + OH < ------------> NH3 + H2O
Bei stark alkalischen Werten steigt der Anteil an Ammoniak deutlich an!
Das bedeutet, dass Ammonium-Ammoniakmessungen immer gemeinsam mit pH-WertMessungen durchgeführt werden müssen um eine praxisgerechte Aussage zu ermöglichen:
Misst man zum Beispiel bei pH = 6 einen Ammoniakgehalt von 5 mg/l, so ist dies für Fische
völlig unbedenklich. Wird der pH-Wert plötzlich auf 10 erhöht (z.B. durch Kalkdüngung !
Siehe SBV ), so sterben alle Fische blitzartig ab.
Dabei ist nicht der kurzzeitig hohe pH-Wert tödlich, sondern die dadurch hervorgerufene
hohe Ammoniakkonzentration.
Die Nitrifikation:
NH3 und NH4 werden von speziellen Bakterien, den Nitrifikanten, über Nitrit zu Nitrat oxidiert.
Der dafür erforderliche Sauerstoff wird unmittelbar dem Wasser entzogen (Sauerstoffzehrung!).
Die Denitrifikation:
Wenn in dem betroffenen Gewässer kein ausreichender Sauerstoff für die Nitrifikation zur
Verfügung steht, erfolgt der Abbau bis zum Molekularen Stickstoff, der dann in die Atmosphäre entweicht.
Während Nitrit als eindeutig toxisch eingestuft wird, gilt dies für Nitrat nicht. Allerdings wird
Nitrit im Organismus teils zu Nitrit umgebaut und wirkt sich so dennoch schädlich aus.
Trinkwassergrenzwerte:
Nitrit < 0,01 mg/l
Nitrat < 50 mg/l (vor dem EU-Beitritt 100 mg/l)
Die diesbezüglich größten Probleme bereiten Trinkwasserversorgungsanlagen in einem
landwirtschaftlich intensiv genutzten Einzugsgebiet.
Die jahreszeitliche Dynamik stehender Gewässer:
! Sommer (Teilzirkulation)
! Herbst (Vollzirkulation)
! Winter (Stagnation)
! Frühjahr (Vollzirkulation)
! Durch diesen Kreislauf ist es nur sehr schwer möglich, einmal in ein stehendes Gewässer
eingebrachte Mineralstoffe zu eliminieren. Nachdem dies nur durch den Abtransport der
Mineralstoffe oder der aufgebauten Biomasse möglich ist, kann meist nur in Fließgewässern von einer effektiven Selbstreinigung (Verdünnung?) gesprochen werden.
Abwasserreinigung:
Kostenübersicht für Abwasserreinigung:
Erstinvestition:
€ 3 500.-/EGW ( 700.- für Ableitung, 2 800.- f. Reinigungsanlage)
Reinvestition:
Betriebskosten:
€ 5 000.-/EGW
€ 1 200.-/EGW
SUMME:
€ 9 700.-/EGW bei 25-jähriger Nutzung
! Jährlicher Aufwand:
! Vergleich:
€ 388,-/EGW
Wasser- Abwasserkosten pauschaliert mit ca. € 100.-/Person und Jahr
Die Siedlungsentwässerung
Aufgabe:
Abwassermengen sammeln und den Kläreinrichtungen zuführen
Möglichkeiten:
Trennverfahren - Mischverfahren
Das Mischverfahren:
Kanalabwässer und Oberflächenwässer (Regenwasser) werden in einem gemeinsamen
Strang zum Klärwerk geführt.
Nachteile:
•
•
•
•
Große Rohrdimensionen
Regenrückhaltebecken zusätzlich notwendig
Schwankende Belastung der Kläranlage
Bei Starkregen besteht die Möglichkeit der Belastung von Fließgewässern durch den
Überlauf
Die Abwasserreinigung (Klärung)
Alle modernen Kläranlagen sind dreistufig aufgebaut:
•
•
•
Mechanische Reinigung
Biologische Reinigung
Chemische Reinigungsstufe
Die mechanische Reinigungsstufe:
•
Rechen:
Sperrige Verunreinigungen werden durch schräge Rechen zurückgehalten und entfernt. Rechenreinigung erfolgt teils noch per Hand.
•
Sandfang
Im Wasser treibender Sand wird durch Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit zum
Absinken gebracht
•
Ölabscheider und Vorklärbecken
Im Sandfang aufschwimmendes Öl und/oder Benzin werden durch spezielle Vorrichtungen entfernt.
Absetzbare Abwasserbestandteile setzen sich als Primärschlamm ab, werden abgesaugt und einem Faulturm zugeführt.
Die biologische Reinigungsstufe:
Das Belebtschlammverfahren:
Im Belebungsbecken werden Bakterien und andere Mikroorganismen dazu eingesetzt, die
gelösten bzw. suspendierten organischen Stoffe aus dem Wasser zu entfernen. Die im
Abwasser enthaltenen Bakterien werden im Becken stark angereichert, indem man sie im
Nachklärbecken wiederum abscheidet und ins Belebungsbecken rückführt.
So gelingt es, die Bakterienkonzentration so hoch zu halten, dass das Nahrungsangebot
pro Bakterium sehr gering ist und so auch die letzten Schmutzreste als Nahrung verwendet
und aus dem Abwasser entfernt werden.
Die von den Destruenten benötigte Sauerstoffmenge (Luft) muss durch Pumpanlagen ins
Belebungsbecken eigebracht werden.
Alle Abbauprozesse im Belebungsbecken zählen zur aeroben Phase.