Word - Inforef
Werbung
EINE SIMULATIONS-SOFTWARE FÜR EINEN NACHHALTIGEN UMGANG MIT DER RESSOURCE WASSER Realisiert im Rahmen von eurEAUform@, einem Projet der Lehrerfortbildung zum Thema Wasser und Gewässerschutz in Europa. Konzept: Louis Leclercq (Universität Lüttich) und INFOREF - Programmierung: G. Swinnen Finanziert durch die Europäische Kommission, Programm SOCRATES Comenius Aktion 2.1 ZIELE ist eine interaktive Anwendung, die Sie in eine Flusslandschaft der gemässigten Zone hineinversetzt. Sie haben die Wahl, die ursprüngliche Waldlandschaft zu erhalten oder aber verschiedene Landnutzungsänderungen durchzuführen (Siedlungen oder landwirtschaftliche Nutzungen), was natürlich die Wasserqualität beeinflussen wird. Dabei können wirtschaftliche Gesichtspunkte (minimale Baukosten, hohe landwirtschaftliche Erträge) im Vordergrund stehen oder es kann eine nachhaltige Erschliessung angestrebt 1 werden (Abwasserklärung, Begrenzung bringung, extensive Viehzucht). der Dünger- und Pestizidaus- ermöglicht Ihnen die Bestimmung der Wasserqualität an verschiedenen Kontrollpunkten innerhalb von drei verschiedenen Einzugsgebieten, und zwar: vor allen menschlichen Eingriffen (natürlicher Ausgangszustand, Referenzzustand) nach verschiedenen Landnutzungsänderungen nach verschiedenen Verbesserungsmassnahmen. Für diesen Zweck bietet Die Begriffe Einzugsgebiet und Referenz-Lebensraum sind Teil der Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlamantes und des Rates vom 23 Oktobre 2000, die einen Rahmen für eine gemeinschaftliche Politik im Bereich des Wassers vorgibt. : http://europa.eu.int/scadplus/leg/de/lvb/l28002b.htm - EINE FLUSSLANDSCHAFT: drei Fliessgewässer und ihre Einzugsgebiete, - AKTEURE: wir alle, die Grundstücke kaufen und nutzen, - LANDNUTZUNGSÄNDERUNGEN: Bebauung, landwirtschaftliche Kulturen, Viehzucht, 1 - ZEIGERARTEN: Organismen, die in Fliessgewässern leben und die kontinuierlich Veränderungen der Wasserqualität widerspiegeln. Hier werden Kieselalgen (Diatomeen) als Zeigerarten verwendet, weil sie sehr sensibel auf Veränderungen der Wasserqualität reagieren. 2 WAS SIND KIESELALGEN? "Nur wenige Dinge sind erstaunlicher als die delikaten Silikathüllen der Kieselalgen. Wurden sie also geschaffen, damit die Menschen sie unter den leistungsstärksten Mikroskopen untersuchen und bewundern können? (Charles DARWIN, Vom Ursprung der Arten, 1859) " 1 Industrieabwässer sind in ihrer Zusammensetzung sehr unterschiedlich, oft toxisch und sehr schwer zu analysieren. Deshalb werden sie in Virtval nicht berücksichtigt. 2 Diese Algen sind wenig bekannt, auch bei Lehrern. Der virtuelle Ansatz ist für ihre Untersuchung ideal, weil Schulmikroskope oft nicht ausreichen um sie zu beobachten. 2 Diatomeen werden auch noch Bacillariophyceen genannt; dieser Name bezieht sich auf ihre Körperform (Latein: bacillus = Stäbchen). Es sind mikroskopisch kleine Einzeller, deren Grösse von einigen wenigen Mikrometern bis zu 500 Mikrometern (= 500 Tausendstel mm) reicht. Wegen ihren Farbpigmenten gehören sie zu den Braunalgen: die Chlorophylle a und c werden von Karotinoiden, darunter Fucoxanthin sowie Xanthophylle, überdeckt. Es gibt ca. 250 Gattungen und 10000 bis 12000 Arten. Einige Wissenschaftler glauben sogar, dass bis zu 100000 Arten existieren. Es wird geschätzt, dass diese Algen fast 50% des Kohlenstoffs der Erde binden! Ihre bemerkenswerteste Eigenschaft ist die Ausbildung eines Aussenskeletts aus organischem Glas oder Opal (SiO2.nH2O), welches aus zwei ineinandergreifenden Teilen besteht, vergleichbar mit einer Kiste und ihrem Deckel. Nach dem Absterben der Algen haben sich diese wenig wasserlöslichen Skelette während Jahrmillionen in oft dicken Schichten am Grunde der Meere und Seeen abgelagert um ein sehr leichtes weissliches Gestein, das Diatomit (Kieselgur), zu bilden. Die Verwendung dieser "Diatomeenerde" in Puderform ist sehr vielfältig: Trübung von Farben, Schleifmittel, Filtrierung, Herstellung von Isolierstoffen, Stabilisator für Nitroglycerin (Erfindung des Dynamits durch Alfred Nobel), … Kieselalgen leben aquatisch im Salz-, Brack- oder Süsswasser, oder aber aerophil (=an der freien Luft) in feuchter Umgebung wie z.B. in Moospolstern an Stammfüssen von Bäumen, in feuchten Böden oder in den Eingängen von Höhlen. 3 Man nimmt an, dass die Gruppe sich vor 250 Millionen Jahren gebildet hat. Die Fossilien von runden ("zentrischen") marinen Arten sind seit dem Beginn der Kreidezeit (ungefähr 120 Millionen Jahre) bekannt. Längliche ("pennate") marine Arten sind später erschienen (70 Millionen Jahre). Pennate Arten des Süsswassers gibt es seit ca. 60 Millionen Jahren. Wie alle Organismen, erhält auch jede Kieselalgenart einen Gattungs- und einen Artnamen. Ein bisschen wie unser Familienname und unser Vorname, allerdings auf Latein... Kieselalgen werden anhand der Merkmale ihrer Skelette bestimmt (Klicken Sie hier um den Bestimmungsschlüssel zu öffnen) http://www.ulg.ac.be/cifen/inforef/projets/eureauforma/clef_diatom/numero/01.htm - die Form: rund oder länglich, - die Symmetrie, - das Vorhandensein oder das Fehlen eines Kanals (die Raphe), die das Skelett in zwei Teile zu teilen scheint (daher der name Diatomeen, vom griechischen diatomos = in zwei schneiden), - die feine Verzierung (Dichte der Linien, Punkte, Stacheln, …), - die Grösse. In den Fliessgewässern bedecken Kieselalgen schnell alle untergetauchten Objekte (Steine, Äste, Glasscherben, Schlammflächen, ...) und machen sie durch das Abscheiden eines gallertartigen Schleims glitschig. Die nachfolgende Zeichnung zeigt den Aufbau eines Besatzes auf der Oberfläche eines Steines (nach Round, 1993). 4 Um sie einzusammeln, kann man also die Oberseite einiger Steine abbürsten. Bei direkter Beobachtung unter dem Mikroskop sind lebende Diatomeen braungelb und einige bewegen sich fort. Im Gegensatz zu vielen Pflanzen, die Stärke als Reservestoff einlagern, scheiden Diatomeen Öl ab. Um die Feinstruktur des Skeletts zu untersuchen, muss der lebende Zellinhalt durch Behandlung mit Säure oder mit Wasserstoffperoxid zerstört werden. (Klicken Sie hier für die Probenahme und die Präparation der Kieselalgen) http://www.ulg.ac.be/cifen/inforef/expeda/eureau/brochure/partie1/sommaire.htm Die in einer Probe vorhandenen Kieselalgen bilden eine Population. In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Wassers kann eine Population 10 bis 200 verschiedene Arten umfassen! In den europäischen Fliessgewässern der gemässigten Zone (mit Ausnahme des Brackwassers der Flussmündungen) wurden ca. 600 Arten nachgewiesen. In wurden 80 Kieselalgenarten der Fliessgewässer (Süsswasser) als Bioindikatoren für die Wasserqualität zurückbehalten. Sie hängen stark von den im Wasser gelösten chemischen Stoffen ab (Kalzium, Chlorverbindungen, 5 organische Substanzen in den Abwässern, Nitrate und Phosphate aus der Landwirtschaft, ...). Einige reagieren sehr sensibel auf Gewässerverschmutzungen, andere nur sehr wenig. Somit gibt die augenblickliche Zusammensetzung einer Population ein zusammenfassendes Bild aller Veränderungen wieder, die sich etwa während den drei Wochen vor der Probennahme abgespielt haben. Nachdem man alle vorhandenen Arten bestimmt und ausgezählt hat, kann man einen Index für die Wasserqualität berechnen. PEDAGOGISCHE ASPEKTE Die mit durchführbaren Arbeiten sind vielfätig: Untersuchung der Wasserqualität in einem natürlichen Flusseinzugsgebiet, anhand der Kieselalgenarten, Untersuchung der Veränderungen der Wasserqualität nach Landnutzungsänderungen (Besiedlung, Ackerbau, Viehzucht): Weiler, Dorf, Stadt mit oder ohne Kläranlage, Kleine, mittelgrosse oder grosse Wiesen, intensiv oder extensiv genutzt, Kleine, mittelgrosse oder grosse Äcker, intensiv genutzt oder unter biologischem Anbau. Kennenlernen der Systematik einer Pflanzengruppe (Kieselalgen) anhand eines interaktiven Bestimmungschlüssels. 6 Die Untersuchung von naturnahen und verschmutzten Gewässern im Unterricht ist für in Städten gelegene Schulen praktisch nicht durchführbar. Sie setzt Geländeexkursionen und entsprechend zeitaufwendige Anfahrten voraus. In der Folge benötigt die Analyse der Proben ein spezielles und teueres Material für die chemische Bearbeitung oder die Bestimmung mit dem Mikroskop oder der Stereolupe, Material das in den Schulen oft fehlt. Falls Exkursionen möglich sind, beschränken sich Lehrer bei diesem Thema oft auf weniger aussagekräftige Parameter (pH, Temperatur, Leitfähigkeit) oder die direkte Beobachtung grösserer Tiere im Gelände. Folglich wird das Gewässerökosystem entweder im Unterricht gar nicht behandelt oder unvollständig weil keine Primärproduzenten (Algen, Pflanzen) erfasst werden. soll diese Nachteile und Einschränkungen aufheben, in dem es die Untersuchung eines mikroskopisch kleinen Bioindikators ermöglicht: die artenreiche Gruppe der Kieselalgen, mit einerseits sehr empfindlichen Arten und andererseits Vertretern, die sehr resistent sind, gegenüber Haushaltsabwässern oder gegenüber landwirtschaftlichen Düngern. Ihr reelles Studium benötigt spezialisierte Fachbücher und sehr gute Mikroskope weil die Strukturen und Ornamente der Kieselalgen sehr fein sind. Das müsste die meisten Lehrer von dieser Vorgehensweise abrücken lassen... Und trotzdem haben zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten den hohen bioindikatorischen Wert dieser Algen bewiesen: sie zeigen kleinste Veränderungen der Wasserqualität an und ihre Artenzusammensetzung reflektiert sehr genau die Eingriffe des Menschen in einem Flusseinzugsgebiet. Somit hat der Benutzer von die Möglichkeit sich in eine natürliche Umgebung hineinzuversetzen, um sie dann durch die Einbringung verschiedener Landnutzungen (Bebauungen, Landwirtschaft) zu verändern und anschliessend den Einfluss dieser Veränderungen auf die Wasserqualität anhand der Kieselalgenpopulation zu analysieren. Eine der wichtigsten Besonderheiten des Programmes ist, dass Ergebnisse erst angegeben werden, nachdem in jedem einzelnen Fall die Kieselalgen im Detail untersucht wurden, d.h. nachdem jede einzelne Art anhand eines interaktiven Bestimmungsschlüssels identifiziert wurde. Am Ende werden die Ergebnisse in drei verschiedenen Formen angezeigt: in einem eingefärbten Gesichtsfeld eines 7 Mikroskopes, durch ein Histogramm und durch einen Wert (=KieselalgenIndex), der dem Verschmutzungsgrad entspricht. Um die Analysen durchzuführen, ist es nötig die Grundprinzipien der Funktionsweise eines aquatischen Ökosystems und die Art der durch menschliche Eingriffe verursachten Verschmutzungen zu verstehen. Dieses beim Lehrpersonal, oder beim Einzelanwender, normalerweise schon vorhandene Wissen, kann durch die Lektüre der „Gebrauchsanweisung“ aufgefrischt oder verbessert werden. Die Schüler lernen diese Grundprinzipien mit Hilfe des Lehrers vor der Benutzung der Anwendung. Sie werden auch während der Benutzung der Software durch spezielle Fenster angezeigt. Technische Aspekte Installation der Anwendung Vereinfachte Installation unter Windows (alle Versionen ab Win95): Starten Sie das Programm virtvalins.exe. Führen Sie die Anweisungen durch, die auf dem Bildschirm erscheinen. Die Installation kann auf einem NetzwerkServer in einem beliebigen gemeinsamen Ordner erfolgen. Sie müssen nur sicherstellen, dass auf allen Arbeitsplatzrechnern auf diesen gemeinsamen Ordner zugegriffen werden kann. Bemerkungen für veschiedene Versionen von Windows 95: In verschiedenen Versionen von Windows 95 fehlen zwei DLL, die von Virtval benötigt werden: ws2help.dll und ws2_32.dll. Falls Ihr System nach der Installation nach diesen DLL fragt, müssen Sie sie also installieren. Für alle Fälle haben wir eine Kopie dieser Dateien in den Ordner Windows95 auf der CD-ROM gesetzt. Detaillierte Installationshinweise für Windows, Linux oder MacOS: Falls Sie sich besser auskennen, ist diese Art der Installation günstiger, weil weniger Speicherplatz benötigt wird und die Einzelschritte besser kontrolliert werden können; ausserdem verfügen Sie dann über alles, was Sie für die Programmierung mit Phyton brauchen, falls Sie das interessiert! Wenn Sie unter Windows arbeiten, ist es sehr einfach sich Python zu beschaffen und zu installieren: besuchen Sie hierfür die Webseite http://www.python.org, Sektion download. Der normale Windows-Installer installiert ebenfalls die graphische Sammlung Tkinter. 8 Wenn Sie unter Linux arbeiten, installieren Sie die Programmpakete Python und Tkinter, die sehr wahrscheinlich in Ihrer Version enthalten sind (Tkinter ist manchmal im Programmpaket Python Imaging Library enthalten). Sie können Phyton auch über Internet herunterladen (http://www.python.org). Wenn Sie unter MacOS arbeiten: Laden Sie die Version von Phyton für Mac, die exakt zu ihrem Betriebssystem passt von der Internetseite http://www.python.org herunter (vorzugsweise MacOS X ; die Installation unter MacOS 9 ist zwar wahrscheinlich möglich, aber nicht einfach. Wir sind dieser Frage nicht nachgegangen). Installieren Sie anschliessend die Bibliothek mit den graphischen Funktionen Tkinter. Diese befindet sich normalerweise in dem herunterladbaren Python Package Manager, der ebenfalls genau zu dem Betriebssystem passen muss. Normalerweise wählt der Package Manager die Programmpakete, die zu Ihrer Version von MacOS X passen, automatisch aus; das funktioniert aber nicht immer, besonders dann nicht wenn Sie über eine sehr rezente Version von MacOS X verfügen. In diesem Fall können Sie manuell eine Datenbank öffnen, die für eine der Ihren ähnliche Version vorgesehen ist (z.B. wird die Datenbank mit der Nummer 10.2.5 wahrscheinlich auch unter 10.2.6 funktionnieren). Um dieses zu testen, müssen Sie die Seite http://www.python.org/packman/ aufsuchen und eine der dort zur Verfügung stehenden URL auswählen, um sie in das Menu Datei => URL Öffnen des Package Manager zu kopieren. Hierdurch werden die jeweils in Phyton zur Verfügung stehenden Module zugänglich. Selektionieren Sie anschliessend das Modul Tkinter und klicken Sie auf install. Eventuell müssen Sie auch zuerst das Modul Aqua (Bibliothek Tcl/Tk) installieren, bevor Sie Tkinter installieren. Dieses Modul ist von der Seite http://tcltkaqua.sourceforge.net herunterladbar. Selbstverständlich müssen Sie das Modul auswählen, das zu Ihrem Betriebssystem passt. Die beiden im Folgenden beschriebenen Kontrollen sind fakultativ (alle Betriebssysteme). Führen Sie sie aus falls Probleme auftreten: Kontrollieren Sie ob Ihr Interpreter Python nicht zu alt ist (es muss eine Version 2.3 oder eine jüngere Version sein). Starten Sie hierzu unter Windows Python IDLE. Geben Sie unter Linux das Kommande "python" in ein Terminalfenster ein. Jetzt müsste das Begrüssungsfenster von Phyton mit der Versionsnummer erscheinen. Falls ihre Version von Phyton älter ist als die Version 2.3, müssen Sie sie updaten (sehen Sie hierzu in der Dokumentation Ihrer Linux-Version nach oder installieren Sie eine neuere 9 Version, die Sie von der Webseite können). http://www.python.org herunterladen Kontrollieren Sie ob die Bibliothek Tkinter richtig installiert ist. Geben Sie hierzu in das entsprechende Eingabefenster von Python das Kommando "import Tkinter" ein (genauso wie hier angegeben, d.h. mit Ausnahme des T von Tkinter in Kleinschrift). Es darf keine Fehlermeldung erscheinen. Die oben beschriebenen Operationen sollten Sie nicht erschrecken: Sie benötigen weniger Zeit um sie auszuführen, als um ihre Beschreibung zu lesen! Nachdem Sie sie ausgeführt haben, können Sie die eigentliche Installation von Virtval ausführen: Die Installation besteht einfach in der Extrahierung der archivierten Datei virtval.tgz, welche sich im Ordner /alle Systeme auf der Installations-CD befindet. Die Extrahierung kann in jedem beliebigen Ordner erfolgen. Sie können dies sehr schnell mit einer Software wie Winzip (unter Windows) oder tar (unter Linux) ausführen. Falls Sie einen Fenster-Manager wie KDE oder Gnome unter einer neueren Version von Linux benutzen, können Sie die Datei virtval.tgz in einen Ordner Ihrer Wahl kopieren und anschliessend das Icon mit der rechten Maustaste anklicken. Wählen Sie in dem dann erscheinenden Menu Aktion => hier extrahieren (hierdurch wird die Extrahierungs-Software automatisch gestartet). Als Ergebnis der Entarchivierung erscheint ein Unterordner mit dem Namen virtval, welcher die Anwendung und alle zugehörigen Dateien enthält. Wenn Sie wollen, können Sie diesen Ordner und seinen Inhalt an eine andere Stelle kopieren. Um die Anwendung das erste Mal zu starten, suchen Sie in dem Ordner virtval das Icon der Datei virtval.py und klicken Sie mit der rechten Maustaste darauf. Wählen Sie in dem sich öffnenden Menu die Option öffnen mit aus, und dann python in der kleinen Liste, die Ihnen vorgeschlagen wird. Falls python nicht vorgeschlagen wird, wählen Sie andere aus und geben Sie selbst das Wort python in das Feld oben im Assoziationsfenster ein (Kleinbuchstaben). Vergessen Sie anschliessend nicht das Kästchen Verbindung zwischen der Anwendung und diesem Dateityp speichern anzukreuzen und dann zu bestätigen. In der Folge können Sie durch Anklicken des Icons virtval.py mit der linken 10 Maustaste das Programm starten. Wenn Sie wollen, können Sie auch eine Abkürzung installieren. Virtval benötigt das Vorhandensein von KDE und von Gnome nicht. Sie können die Anwendung mit jedem Fensterverwalter benutzen (WindowMaker, IceWm, XFCE, usw.). Achten Sie aber darauf, dass Python und Tkinter installiert sind. Um die Anwendung von der Kommandoebene aus zu starten (in einem Terminalfenster) wird üblicherweise das Kommando pythonvirtval.py von dem Ordner aus gestartet, wo diese Datei installiert ist, oder auch: python/chemin/menant/au/fichier/virtval.py von jedem beliebigen Ordner aus. Bemerkungen: Sie können natürlich auch einen Starter oder ein Abkürzungs-Icon verwenden um das Programm einfacher zu starten. Virtval kann auch auf einem Server installiert und dann von jedem Arbeitsposten aus gestartet werden. Unter Windows müssen Sie auf den Arbeitsposten ein "Netz-Laufwerk" definieren, das auf die Zulassung zeigt, in der Virtval installiert wurde. Unter Linux brauchen Sie auf den Arbeitsposten nur das Server-Verzeichnis, in welches Virtval installiert wurde, als NFS-Laufwerk einzubinden. Unter Linux können Sie das Programm auch "entfernt" auf dem Server selbst starten, indem Sie eine graphische Session mit Telnet oder SSH öffnen. In diesem Fall müssen Sie dem Server erlauben Ihren eigenen Server X zu benutzten, mit Hilfe eines Kommandos wie xhost +. Auswahl der Sprache, die vom Programm benutzt wird Im Hauptverzeichnis von Virtval, finden Sie eine kleine Datei mit dem Namen language.ini, die eine einzige Textzeile enthält. Um Virtval in einer anderen Sprache zu starten, genügt es die beiden zwischen "" stehenden Buchstaben zu ersetzen. 11 Die beiden zur Zeit bestehenden Möglichkeiten sind: "fr" (Französisch) ou "en" (Englisch). Bemerkung zu den unterstützenden Hilfstexten, die zu einigen Menüoptionen gehören und die nicht immer erscheinen (nur unter Windows): Wenn Sie in der Menüleiste eine Rubrik auswählen, müssen Sie sie anschliessend "loslösen" um sie in ein eigenständiges Fenster zu überführen. Hierzu müssen Sie die gestrichelte Linie am Beginn des Menüs anklicken. Wenn Sie das Menü an der Menüleiste belassen, erscheinen die Hilfstexte nicht (obwohl sie sollten) wenn Sie sie mit der Maus streifen. Diesen Bug gibt es nur unter Windows. Unter Linux erscheinen die Hilfstexte in jedem Fall. 12 Bedienungsanleitung Starten Sie das Programm: 3 Bäche und ihre Einzugsgebiete werden angezeigt. Sie besitzen, in Abhängigkeit der anstehenden Gesteine, unterschiedliche Böden und sind von natürlichem Wald bedeckt. Auf den Anhöhen: In den Tälern: In einer ersten Etappe untersucht natürliche Fliessgewässer. Jedes Fliessgewässer gehört einem Einzugsgebiet an, welches von seinen Wasserscheiden begrenzt wird und welches das Fliessgewässer über unterirdisches Sickerwasser versorgt. Zu jedem Kontrollpunkt gehört flussaufwärts eine bestimmte Fläche des Einzugsgebietes, welche den Abfluss an diesem Punkt bestimmt. Von den Quellen bis zur Mündung vergrössert sich die Fläche des Einzugsgebietes, während die Fliessgewässer breiter werden und sich ihr Abfluss vergrössert. In nicht vom Menschen veränderten Regionen der gemässigten Zone, wären die Einzugsgebiete fast ganz von Wald bedeckt; die vorhandenen Baumarten würden sich je nach Klima, Höhenlage und Bodentyp (kalkreich oder kalkarm, mehr oder weniger feucht) unterscheiden. Unter diesen Bedingungen handelt es sich um natürliche Fliessgewässer. Heutzutage sind sie sehr selten geworden, weil der Mensch sehr viele Wälder abgeholzt oder verändert hat. beginnt also im Wald um die natürlichen Bezugslebensräume zu untersuchen. 13 Warum drei verschiedene Einzugsgebiete? Weil die natürliche Zusammensetzung des Wassers in den Fliessgewässern und in den Böden (und was der Mensch daraus macht) hauptsächlich von den chemischen Eigenschaften des anstehenden Gesteins bestimmt wird. Begriff der je nach Eignung differenzierenden Landesplanung 1 weist zwei Gesteinstypen auf: - Im Osten Silikatgesteine (hauptsächlich Phylladen und Quarzite), welche sehr sauere und hauptsächlich an Kalziumkarbonat und Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor) arme Böden bedingen. Deshalb kann diese Region nur forstwirtschaftlich genutzt werden oder sie wird, wie in diesem Falle, überhaupt nicht genutzt und als Naturschutzgebiet ausgewiesen und stellt dann ein Rückzugsgebiet für bedrohte Tier14 und Pflanzenarten dar. Die Fliessgewässer sind ebenfalls sehr sauer (distrophes Wasser). - Im Westen stehen ebenfalls Silikatgesteine an, aber durch das Vorhandensein von kleinen Mengen Kalziumkarbonat, welches teilweise die Azidität neutralisiert, sind sie weniger sauer. Lässt der Mensch sich hier nieder, wird er den Wald roden und seine Siedlungen bauen. Die weniger saueren aber immer nährstoffarmen Gewässer werden oligotroph genannt. Im Osten mögliche Landnutzungen: keine (vollständig geschütztes Gebiet) Im Westen mögliche Landnutzungen: ein Weiler, ein Dorf oder eine Stadt, mit oder ohne Kläranlage. - ein Weiler = 200 Einwohner (entspricht ca. 70 Häusern) - ein Dorf = 2000 Einwohner (± 700 Häuser) - eine Stadt = 20000 Einwohner 2 weist weniger sauere und an Kalziumkarbonat reichere Böden auf. Um Viehzucht zu betreiben, werden die Menschen hier den Wald roden und Viehweiden einrichten. Die am höchsten gelegenen Wälder im Westen bleiben aber der Forstwirtschaft und der Erholung vorbehalten. Die Fliessgewässer sind in natürlichem Zustand mesotroph. 15 Mögliche Landnutzungen: kleine, mittelgrosse oder grosse Grünlandgebiete (10, 30 oder 90% der Fläche des Einzugsgebietes), die extensiv (wenig Weidetiere pro ha) oder intensiv bewirtschaftet werden können. 3 weist kalkreiche Böden auf, die nicht sauer sind: sie können vom Menschen gerodet und als Ackerland genutzt werden. Flussaufwärts bleibt nur ein kleines Waldgebiet bestehen. Im natürlichen Zustand sind die Fliessgewässer eutroph. Mögliche Landnutzungen: kleine, mittelgrosse und grosse, ackerbaulich genutzte Gebiete (10, 30 oder 90% der Fläche des Einzugsgebietes), die extensiv-biologisch (wenig Dünger oder Pestizide) oder intensiv bewirtschaftet werden können. In jedem Gebiet kann man also wählen zwischen: - keinem Eingriff: der natürliche (Referenz-) Zustand bleibt erhalten, verschlechternden Eingriffen: intensiven Nutzungen, die störend wirken und die Biodiversität herabsetzen, nachhaltigen Eingriffen: Eingriffen, die die negativen Auswirkungen auf die Biodiversität minimieren. Begriff des natürlichen Zustandes in der gemässigten Zone Begriff der nachhaltigen Nutzung PHASE 2: DIE REFERENZZUSTÄNDE 1.1. Klicken Sie auf eines der Einzugsgebiete. Z.B. 1. Die vergrösserte Karte des bewaldeten Einzugsgebietes A erscheint, diesmal mit drei Untersuchungspunkten. Im Wald erfolgt im Prinzip keinerlei Gewässerverschmutzung. In unseren Regionen sind es die einzigen Orte, zusammen mit den Naturschutzgebieten, wo man noch natürliche Gewässer vorfindet. 16 GRUNDSATZ Beachten Sie, bevor Sie weiterfahren, jeden Untersuchungspunkt in seiner natürlichen Lage im Wald. Es sind dies die Ausgangszustände, ohne die man die Auswirkungen der durch den Menschen verursachten Änderungen nicht verstehen kann! 1.2. Klicken Sie eine der Stationen an. Es erscheint ein Kreis mit Zeichnungen von Kieselalgen: er symbolisiert ein Gesichtsfeld, wie man es unter einem Mikroskop sehen kann. Rechts die Liste mit den Gattungen, die in der Software berücksichtigt werden. Unten ein direkter Zugang zum Bestimmungsschlüssel sowie ein Histogramm, welches weiter unten erklärt wird. 17 In jedem Gesichtsfeld des Mikroskops sind 20 Kieselalgen abgebildet, die verschiedenen Arten angehören; jede Kieselalge repräsentiert also 5% der gesamten in der Probe vorhandenen Artengruppe. Die Gruppe von Kieselalgen ist also ein Mosaik von Arten, von denen je nach der Wasserqualität einige Arten sensibel und andere mehr oder weniger resistemt gegenüber Wasserverschmutzungen sind. Begriff der Art und der Artengruppe Begriff des Bioindikators 1.3. Klicken Sie auf eine der Kieselalgen. Jetzt muss jede Art (die durch ein oder durch mehrere Individuen vertreten sein kann) bestimmt werden, in dem sie angeklickt wird. 18 Der Bestimmungsschlüssel öffnet sich automatisch, mit Zeichnungen der beiden Körperseiten auf der rechten Seiten. Folgen Sie Schritt für Schritt dem Schlüssel, indem Sie jeden Vorschlag genau lesen und falls notwendig die Begriffsdefinitionen zur Hilfe nehmen (klicken Sie hierfür die Wörter in Fettdruck an). Am Ende stösst man auf einen Gattungsnamen: ein Fenster zeigt die Arten dieser Gattung an, die in der Software vertreten sind. Vergleichen Sie mit dem gesuchten Bild; falls die Abbildungen identisch sind, schreiben sie den genauen Gattungs- und Artnamen auf. 1.4. Schliessen Sie das Fenster des Bestimmungsschlüssels. Hierdurch kehrt man zum mikroskopischen Gesichtsfeld zurück. 19 1.5. Klicken Sie in der rechten Kolonne auf den Gattungsnamen. Ein Fenster listet die in verwendeten Arten in alphabetischer Reihenfolge auf. Klicken Sie auf den im Bestimmungsschlüssel gefundenen Artnamen. Falls der Name falsch ist, erscheint die Meldung "Sie müssen die Bestimmung wiederholen". Wenn der Name richtig ist, nehmen alle Individuen dieser Art im Gesichtsfeld des Mikroskops dieselbe Farbe an. Die Farben entsprechen 5 ökologischen Gruppen: INTERPRETATIONSSCHLÜSSEL 1 Gegenüber Eutrophierung und organischer Verschmutzung sehr empfindliche Art Gegenüber Eutrophierung und organischer Verschmutzung empfindliche Art Art die durch Eutrophierung gefördert wird (Anreicherung von Nitraten und Phosphaten), aber empfindlich ist gegenüber organischer Verschmutzung Gegenüber organischer Verschmutzung resistente Arten Gegenüber organischer Verschmutzung sehr resistente Arten Was ist Eutrophierung? Es ist die Anreicherung von Nitraten und Phosphaten (also Nährstoffen) in stehenden oder fliessenden Gewässern; sie entstammen menschlichen Aktivitäten und wirken als Dünger und fördern somit das Wachstum von Wasserpflanzen (Algen, Blütenpflanzen). In der Nacht atmen Pflanzen ohne Sauerstoff zu produzieren (ohne Licht kann es keine Photosynthese geben). Wenn es zu viele Pflanzen gibt, kann es im Wasser zu einem Sauerstoffdefizit kommen, der zu einem massiven und plötzlichen Fischsterben führen kann. Nitrate und Phosphate sind für pflanzliches Leben unabdingbar, sie kommen in natürlichen Gewässern aber in sehr niedrigen Konzentrationen vor; solche Gewässer stehen in einem guten Gleichgewichtszustand und weisen oft eine hohe Biodiversität auf. Woher kommt die Eutrophierung? Es gibt zwei Möglichkeiten: - Nitrate und Phosphate werden den Fliessgewässern direkt über Sickerwasser aus gedüngten Agrarflächen zugeführt oder entstammen phosphatierten Wasserenthärtern, - oder die über den Abwasserkanal ins Gewässer gelangenden organischen Stoffe werden langsam von Bakterien in Nitrat und Phosphat abgebaut. Leistungsstarke Kläranlagen die mit Hilfe von Bakterien unter Sauerstoffzufuhr diese Umsetzungen viel schneller durchführen 20 (=zweite Klärstufe), stossen ebenfalls und in gleicher Weise grosse Mengen an Nitraten und Phosphaten ins Wasser ab. Wenn Kläranlagen zusätzlich ausgerüstet sind um diese Stoffe zu entfernen (chemische Ausfällung, Pflanzenlagunen, …), spricht man von einer dritten Klärstufe, die die negativen Auswirkungen der Eutrophierung vermindert. Auf europäischer Ebene sieht die "Wasserrahmenrichtlinie" vor, dass bis 2017 alle Abwässer in Kläranlagen gereinigt werden. Aber weil viele Kläranlagen nicht mit einer teueren dritten Klärstufe ausgerüstet werden, oder erst später eine solche nachgerüstet werden soll, oder weil Sickerwasser aus den Agrarflächen nicht in Kläranlagen behandelt werden kann, werden unsere Fliessgewässer noch lange unter Eutrophierung leiden. Organische Verschmutzung Die allermeisten Lebensmittel bestehen aus organischen Stoffen (definitionsgemäss handelt es sich dabei um grosse, auf Kohlenstoffgerüste aufbauende Moleküle), die nicht alle verdaut werden können. Die nicht verdauten Reste werden ausgeschieden und gelangen über die Toiletten in die Fliessgewässer und führen hier zu organischen Verschmutzungen. Sie entstammen menschlichen Siedlungen und Tierhaltungen, aber auch bestimmten Lebensmittelfabriken. Einmal ins Fliessgewässer gelangt, werden die organischen Stoffe von Bakterien attackiert (Mineralisierung): diese verwenden den im Wasser gelösten Sauerstoff um sie nach und nach in Kohlendioxid und in für die Eutrophierung verantwortliches Nitrat und Phosphat umzuwandeln (=Selbstreinigung). Bei starker organischer Verschmutzung eines Fliessgewässers kann der Sauerstoff vollständig aufgebraucht werden: die meisten Pflanzen und Tiere müssen dann ersticken! Auf europäischer Ebene sieht die "Wasserrahmenrichtlinie" vor, dass bis 2017 alle Abwässer in Kläranlagen gereinigt werden. Bis dahin werden wohl viele Fliessgewässer verschmutzt bleiben. 1.6. Klicken Sie jetzt auf eine andere Art und beginnen Sie wieder bei Punkt 4. 1.7. Wiederholen Sie dies für alle im Gesichtsfeld des Mikroskops sichtbaren Arten. 1.8. Klicken Sie auf "Histogramm" wenn alle Arten bestimmt und angefärbt sind. Es erscheint ein Histogramm, das den Anteil jeder ökologischen Gruppe (siehe Interpretationsschlüssel 1) und den Indexwert für die Wasserqualität in 5 Klassen darstellt: INTERPRETATIONSSCHLÜSSEL 2 Index von 5,0 bis 4,3 Keine organische Verschmutzung und Eutrophierung Index von 4,2 bis 3,6 Schwache organische Verschmutzung und 21 Index von 3,5 bis 3,0 Index von 2,9 bis 2,3 Index von 2,2 bis 1,0 Eutrophierung Starke Eutrophierung Starke organische Verschmutzung Sehr starke organische Verschmutzung 1.9. Schliessen Sie das Fenster Hierdurch kehrt man zum Einzugsgebiet zurück. Der Untersuchungspunkt nimmt die der dortigen Wasserqualität entsprechende Farbe an und der Indexwert wird daneben angezeigt. 1.10. Beginnen Sie wieder bei Punkt 3 indem Sie auf die 2 Station klicken. 1.11. Beginnen Sie wieder bei Punkt 3 indem Sie auf die 3 Station klicken. Man verfügt jetzt über eine Karte der Wasserqualität, die den Ausgangszustand darstellt. 1.12. Drucken Sie das Fenster aus. PHASE 2: NACHTEILIGE LANDNUTZUNGEN 2.1. Wählen Sie im Menu eine Landnutzung aus. Wählen Sie ein Dorf OHNE KLÄRANLAGE aus; dieses erscheint als Piktogramm. 22 2.2. Klicken Sie auf das Piktogramm und ziehen Sie es auf den gewünschten Ort. Man kann dieses Dorf mehr oder weniger weit entfernt vom Fliessgewässer oder aber auf dem Fliessgewässer selbst plazieren. Durch Loslassen der Maustaste wird das Dorf "festgemacht", während der Wald an dieser Stelle verschwindet. 23 Achtung: 1. Im Naturschutzgebiet ist Siedlungsbau verboten! Die Wasserqualität der Referenzstation "S2" verändert sich also nicht. 2. Man kann immer nur eine Landnutzung einfügen; das einmal eingefügte Dorf kann nicht mehr verschoben werden. Wohngebiete produzieren Abwässer, die auf direktem Wege in das Fliessgewässer gelangen (direkte Verschmutzung) wenn es in Dorfnähe liegt, oder auf indirektem Wege wenn es weiter vom Dorf entfernt liegt (diffuse Verschmutzung). In Abhängigkeit von der Lage des Dorfes ist also eine mehr oder weniger starke Verschlechterung der Wasserqualität zu erwarten. In Abhängigkeit des Verlaufs der Höhenlinien, die ja die Richtung des Wasserabflusses bestimmen, werden die Untersuchungspunkte S1 und(oder) S2 in Mitleidenschaft gezogen. 2.3. Klicken Sie auf S1 und beginnen Sie wieder bei Punkt 1.3. 2.4. Klicken Sie auf S2 und beginnen Sie wieder bei Punkt 1.3. 24 2.5. Klicken Sie auf S3 und beginnen Sie wieder bei Punkt 1.3. 2.6. Am Ende verfügt man über die Karte der Wasserqualität nach der erfolgten Landnutzungsänderung. 2.7. Drucken Sie das Fenster aus. PHASE 3: NACHHALTIGE VERÄNDERUNGEN Wenn das Wasser zu stark verschmutzt ist, kann man beim Weiler, beim Dorf oder bei der Stadt eine Kläranlge einfügen. 3.1. Klicken Sie auf "Eine Kläranlage einfügen" (= Kläranlage) Wenn man auf Kläranlage 1 und 2 klickt: Nach dem Bau eines Abwasserkanals werden alle Abwässer der Kläranlage zugeführt. Während der ersten Klärstufe werden alle schweren (Sand…) und "schwimmenden" (Plastikflaschen…) Bestandteile entfernt. In der zweiten Klärstufe bauen Bakterien die organischen Stoffe in Nitrate und Phosphate um, von denen ein Grossteil ins Fliessgewässer gelangt. Wenn man auf Kläranlage 1, 2 und 3 klickt: Nach dem Bau eines Abwasserkanals werden alle Abwässer der Kläranlage zugeführt. Während der ersten Klärstufe werden alle schweren (Sand…) und "schwimmenden" Bestandteile (Plastikflaschen…) entfernt. In der zweiten Klärstufe bauen Bakterien die organischen Stoffe in Nitrate und Phosphate um, von denen ein Grossteil von Pflanzen aufgenommen wird; dieser letzte Schritt stellt die dritte Klärstufe dar. Die Kläranlage plaziert sich neben der Siedlung. 3.2. Wiederholen Sie dies ein- oder zweimal ab Punkt 1.3. indem Sie auf die Untersuchungsstationen S1 und(oder) S3 klicken. Das Resultat ist eine neue Karte der Wasserqualität. 3.3. Drucken Sie die Karte aus. 25 3.4. Vergleichen und interpretieren Sie die verschiedenen Karten (Indeces und Histogramme) mit Hilfe der Interpretationsschlüssel 1 (Punkt 1.5.) und 2 (Punkt 1.8.). BEMERKUNG 1 Im Einzugsgebiet 1 kann man die Abwasseraufbereitung noch weiter verbessern, indem man eine dritte Klärstufe einfügt, welche den Ausstoss an Nitrat und Phosphat und damit die Eutrophierung verringert. BEMERKUNG 2 Die Einzugsgebiete 2 und 3 können in gleicher Weise bearbeitet werden. Einzugsgebiet 2 Auf den armen Böden wird Viehzucht betrieben, mit Ausnahme der bewaldeten Quellbereiche. Es gibt drei Phasen: - Keine Änderung: Referenzzustand des natürlichen Waldes - Nachteilige Landnutzungen: Intensivweiden (hoher Besatz und Ausbringung von Düngemitteln und Jauche um die Futterproduktion zu erhöhen) - Nachhaltige Landnutzungen: extensive Beweidung (weniger Tiere und weniger Dünger). 26 Einzugsgebiet 3 Die fruchtbaren Böden werden mit Ausnahme der bewaldeten Quellbereiche ackerbaulich genutzt. Es gibt drei Phasen: - Keine Änderung: Referenzzustand des natürlichen Waldes - Nachteilige Landnutzungen: intensive Kulturen (hoher Gebrauch an Düngern und Pestiziden) - Nachhaltige Landnutzungen: biologischer Anbau (weniger Dünger und Pestizide). BEMERKUNG 3 Wenn man mit Hilfe des Bestimmungsschlüssels eine Gattung gefunden hat und wenn sich eine andere Art dieser Gattung im mikroskopischen Gesichtsfeld befindet, schlägt die Software sofort die Arten vor, ohne dass man die Gattung erneut bestimmen muss. Die Eigenschaften der Gattungen werden also nach der ersten Bestimmung von der Anwendung "gespeichert”. BEMERKUNG 4 Unter den Menüoptionen kann man die automatische Bestimmung auswählen. Sie erlaubt dem Lehrer, dass die Schüler schneller mit der Software umgehen können und in kürzerer Zeit mehr Szenarien untersuchen können. Hierzu geht man folgendermassen vor: - das Einzugsgebiet auswählen, - eine Untersuchungsstation anklicken: das mikroskopische Gesichtsfeld mit den Kieselalgen erscheint, - die automatische Bestimmung anwählen, 27 - auf "Histogramm" klicken: es erscheint das komplette Histogramm und der Indikatorwert, ohne dass man die Kieselalgen bestimmt hat. Kehrt man zur Karte zurück, hat sich der Untersuchungspunkt gefärbt und daneben ist der Indikatorwert abgebildet. Wenn man auf diese Weise auch die anderen Punkte bearbeitet, erhält man sehr schnell eine Karte der Wasserqualität. BEMERKUNG 5 Die Anwendung erlaubt noch nicht die automatische Erstellung von Ergebnisberichten mit den verschiedenen Karten und Histogrammen, Nach der Bestimmung aller Arten muss der Anwender also selbst jedes Histogramm und anschliessend die Karte ausdrucken. Der Anwender muss auch sorgfältig festhalten welche Landnutzung(en) zu dieser Karte geführt hat(haben). INTERPRETATIONSANLEITUNG UND FARBENSCHLÜSSEL berücksichtigt - die natürlichen Gewässer (blaue und grüne Farben), - die organische Verschmutzung (rote und orange Farben) und ihre Klärung in Kläranlagen, - die Eutrophierung (gelbe Farbe), - die Selbstreinigung der Gewässer (progressiver Übergang von rot nach blau). Mit diesem fünffarbigen Code kann jede Situation genau interpretiert werden. REFERENZZUSTAND Ohne menschlichen Einfluss, im Wald und im Naturschutzgebiet also, wird der Indexwert hoch sein und in blau oder grün dargestellt werden, im mikroskopischem Gesichtsfeld dominieren blau und grün gefärbte Kieselalgen 28 und im Histogramm kommen hauptsächlich die ökologischen Gruppen "sehr empfindlich" (blau) und "empfindliche" (grün) vor. Je nach Einzugsgebiet (1, 2 oder 3) wird man unterschiedliche Kieselalgen vorfinden, die entweder an sehr sauere dystrophe, sauere oder neutrale oligotrophe oder kalkreiche eutrophe Gewässer angepasst sind. Man kann also mit den Schülern horizontal arbeiten (Vergleich der verschiedenen natürlichen Gewässertypen). NACHTEILIGE LANDNUTZUNGEN Die Plazierung einer Siedlung ohne Abwasserklärung in unmittelbarer Nähe eines Fliessgewässers wird in Abhängigkeit der Einwohnerzahl eine mehr oder weniger starke organische Verschmutzung hervorrufen. Der niedrige Indexwert zeigt eine sehr starke (rot) oder starke (orange) Verschmutzung an und im Gesichtsfeld des Mikroskops werden orange und rot gefärbte Kieselalgen dominieren während im Histogramm hauptsächlich die ökologischen Gruppen "sehr resistent" (rot) und "resistent" (orange) vertreten sind. Einmal im Fliessgewässer angelangt, werden die organischen Stoffe nach und nach in Nitrate und Phosphate abgebaut, die zur Eutrophierung des Gewässers führen. Dieser Prozess der Selbstreinigung wird vom Verschwinden der sehr resisten und der resisten Arten begleitet; an ihre Stelle treten Arten die von der Eutrophierung begünstigt werden (gelbe Farbe). Plaziert man die Siedlung in grosser Entfernung vom Fliessgewässer, kann der Abfluss der Abwässer diffus sein und ihre Verschmutzung abnehmen bevor sie im Fliessgewässer ankommen. In diesem Fall beobachtet man oft eine Eutrophierung (die farbe Gelb dominiert) und keine organische Verschmutzung des Wassers. In Abhängigkeit ihre Grösse, ihrer Entfernung vom Fliessgewässer und der Anzahl der Weidetiere wird eine intensive Beweidung eine permanente aber diffuse Verschmutzung hauptsächlich durch Nitrate und Phosphate (mineralische Dünger) verursachen; die Ausbringungn von Jauche führt zu einer punktuelleren Verschmutzung und zu einer mehr oder weniger starken Eutrophierung. Das gleiche gilt für Gebiete mit intensivem Ackerbau. Da hier aber mehr Dünger ausgebracht wird, weisen die Gewässer eine stärkere Eutrophierung auf. 29 MASSNAHMEN ZUR FÖRDERUNG DER NACHHALTIGKEIT Fügt man zu einer Siedlung eine Kläranlage mit primärer und sekundärer Klärsufe hinzu, die grosse Mengen an Phosphat ausstösst, beobachtet man eine Eutrophierung des Gewässers. Eine solche Anlage ahmt eine verstärkte Selbstreinigung des Gewässers nach. Fügt man eine dritte Klärstufe hinzu, werden noch weniger Phosphate und Nitrate ausgestossen. Zusammen mit der Selbstreinigung, die sich im Gewässer fortsetzt, führt diese Verminderung durch das Wachstum empfindlicher (grün) und sehr empfindlicher (blau) Arten zu einem weiteren Anstieg des Indikatorwertes (grüne Farbe und dann blau wenn die Selbstreinigungsdauer lang ist). Extensive Beweidung oder biologischer Ackerbau führen schlussendlich zu einer geringeren Eutrophierung als intesive Bewirtschaftgsweisen. Die berechneten Indeces fassen in einer einfachen Zahl die Informationen zusammen, die in der Zusammensetzung der Algenpopulation enthalten sind: Index von 5,0 bis 4,3 Index von 4,2 bis 3,6 Index von 3,5 bis 3,0 Index von 2,9 bis 2,3 Index von 2,2 bis 1,0 Keine organische Verschmutzung und keine Eutrophierung Schwache organische Verschmutzung und schwache Eutrophierung Starke Eutrophierung Starke organische Verschmutzung Sehr starke organische Verschmutzung Die Histogramme (%-Anteile der Arten gleicher Ökologie; 5 ökologische Gruppen) zeigen genauer die Zusammensetzung der Kieselalgengruppen, von den am meisten verschmutzten Situationen bis zu den Situationen selbstgereinigter Gewässer. % Natürliche Gewässer % Cas forêt % Pollution très forte Cas habitat Pollution faible Cas pâture % 30 Pollution forte Phase
