Boden - Eine Lehrerhandreichung

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1 Boden - Eine Lehrerhandreichung Teil VI: Experimente Von Katalin Roch Projektleitung und Redaktion: Prof. Dr. Willi Xylander Senckenberg Museum für Naturkunde Görlitz 2010

2 INHALTSVERZEICHNIS EXPERIMENTE Experimente Grundschule / Sek. I... 7 Boden enthält Wasser, Luft, Minerale, Humus und Lebewesen... 7 Bodenbeschaffung... 7 Versuch 1: Allgemeine Bodenproben... 7 Versuch 2: Laubstreuentnahme... 7 Versuch 3: Laubstreu-Bodenschichten aus dem Wald oder Park... 8 Versuch 4: Bodenprobe mit definierter Menge (Volumen, Gewicht)... 8 Bodenprofil... 8 Versuch 5: Bodenprofilerde allgemein Versuch 6: Bodenprofil im Schuhkarton Versuch 7: Bodenprofil professionell Bodenentwicklung Versuch 8: Frostsprengung I Versuch 9: Frostsprengung II Versuch 10: Wärmesprengung Nur als Demonstrationsexperiment! Versuch 11: Sprengkraft von Pflanzensamen Versuch 12: Wirkung wachsender Wurzeln im Boden Bodenarten Versuch 13: Fingerprobe einfach Versuch 14: Bestimmung der Bodenbestandteile durch die Schlämmprobe Bestandteile des Bodens Boden und Luft Versuch 15: Boden enthält Luft (einfach) Versuch 16: Bestimmung Bodenluft (quantitativ) Boden und Wasser Versuch 17: Nachweis von Wasser im Boden I Versuch 18: Nachweis von Wasser im Boden II Boden und Wärme Versuch 19: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Tageszeit Versuch 20: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Vegetation Versuch 21: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Bodenfarbe Versuch 22: Temperaturmessungen in Abhängigkeit Bodenart / Erdfarbe... 31

3 Versuch 23: Temperaturmessungen in Abhängigkeit des Wassergehaltes Versuch 24: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Bodentiefe Versuch 25: Minerale im Bodenwasser Versuch 26: Nachweis der Wasserleitung durch die Erde (Demonstrationsexperiment)33 Versuch 27: Wasserhaltefähigkeit des Bodens Versuch 28: Wasserdurchlässigkeit unterschiedlicher Erdschichten Versuch 29: Wasserdurchlässigkeit unterschiedlicher Erdschichten-Simulation des Wasserweges durch den Boden Versuch 30: Boden hat Filterfunktion (klein und schnell) Versuch 31: Boden hat Filterfunktion (erweitert) Versuch 32: Pflanzen nehmen Stoffe aus dem Boden auf (nach BOCHTER S. 19) Entstehung von Humus im Boden, Bestandteile, Nachweismöglichkeiten Versuch 33: Humus im Boden / Grauwert abschätzen Versuch 34: Humus im Boden / organische Substanz abschätzen durch Glühverlust Versuch 35: Sichtbarmachung der Zersetzung eines Laubblattes Versuch 36: Laubstreuuntersuchungen Bodenschutz Versuch 37: Erosionsexperiment Versuch 38: Verrottung von Materialien im Minigewächshaus Versuche mit lebenden Tieren für Schüler der Unterstufe / Sek I Untersuchungen zur Anatomie von Tieren Versuch 39: Untersuchungen zur Anatomie von Tieren Versuch 40: Regenwurm: Fortbewegung Versuch 41: Regenwurm: Wasseraufnahme und abgabe durch die Haut Versuch 42: Schnecke Fortbewegung Versuch 44: Insekten: Fortbewegung Versuch 45: Springschwänze Fortbewegung Untersuchungen zu Sinnesleistungen von Tieren Versuch 46: Lichtsinn Tastsinn Versuch 47: Berührungsreiz Regenwurm: Fluchtreaktion Versuch 48: Berührungsreiz Rollassel, Tausendfüßer: Einrollvermögen Versuch 49: Berührungsreiz Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln: Thigmotaxis Versuch 50: Berührungsreiz Schnecke: Fluchtreaktion Versuch 51: Berührungsreiz Ohrwurm in unterschiedlicher Intensität... 54

4 Versuch 52: Berührungsreiz Ohrwurm: Akinese (Totstell-Reaktion) Versuch 53: Berührungsreiz Ohrwurm: Reaktion der Fühler (Antennen) Versuch 54: Feuchtigkeitsinn Versuch 55: Chemischer Reiz Untersuchungen zur Lebenstätigkeit und Lebensweise von Tieren Versuch 56: Durchmischungsversuch mit Regenwürmern Nahrungsaufnahme Versuch 57: Nahrungsaufnahme von Bodentieren Versuch 58: Beobachtungsexperiment zur Futterübergabe bei Ameisen Versuch 59: Nahrungsaufnahme bei Schnecken Experimente für die Klassenstufen Bodenbiologische Methoden: Bodenorganismen sichtbar machen Komplexe Leistung im Fach Naturwissenschaftliches Profil Stoffverteilungsplan (LP ) Biochemische Untersuchungen Versuch 60: CO 2 -Nachweis (einfach) Versuch 61: CO 2 -Nachweis (quantitativ-sek. II) Belebungsgrad des Bodens durch den Katalase-Nachweis Versuch 62: Katalase-Nachweis (einfach) Versuch 63: Katalase- Nachweis (quantitativ Sek. II) Physiko-chemische Untersuchungen Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung des Bodens Versuch 64: Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung des Bodens Bodenartbestimmung Versuch 65: Bestimmung der Bodenart mit der Fingerprobe Kalkgehalt und Sulfide im Boden Versuch 66: Bestimmung des Kalkgehaltes und Sulfidnachweis im Boden Versuch 67: Bestimmung des Kalkgehalts (quantitativ und qualitativ-sek II) Bestimmung des Humusgehaltes im Boden Sek II Versuch 68: Humusgehalt im Boden (Experiment 1) Versuch 69: Humusgehalt im Boden (Experiment 2) Versuch 70: Humusgehalt im Boden Nassveraschung (Experiment 3) Versuch 71: Bestimmung der Humusform des Bodens Das Austauschersystem Boden... 79

5 Versuch 72: Hinweis auf lösliche Mineralsalze durch Leitfähigkeitsmessung Versuch 73: Bestimmung der Ladungen der Bodenteilchen Versuch 74: Boden als Ionenaustauscher Versuch 75: Bestimmung austauchbarer Hydronium- und Aluminium-Ionen Bestimmen der Bodenreaktion Versuch 76: Bestimmen der Bodenreaktion Bodenschutz Nachweis von Ionen im Boden Versuch 77: Anwesenheit von Calcium-Ionen Versuch 78: Anwesenheit von Magnesium-Ionen Versuch 79: Anwesenheit von Sulfat-Ionen Versuch 80: Anwesenheit von Phosphat-Ionen Versuch 81: Anwesenheit von Eisen-II-Ionen und Eisen-III-Ionen Versuch 82: Anwesenheit von Nitrat-Ionen (Demonstrationsexperiment) Versuch 83: Anwesenheit von Aluminium-Ionen Versuch 84: Fällungsreaktionen wasserlöslicher Chlorid-ionen Versuch 85: Flammenfärbung wasserlöslicher Natrium-ionen Boden als Filter Versuch 86: Wasserdurchlaufgeschwindigkeit (Fortführung des Versuch 31) Versuch 87: Boden hat Filterfunktion (mit Versuch 86) Versuch 88: Pflanzen nehmen Stoffe aus dem Boden auf, Nachweis von Eisen-Ionen in Pflanzen Versuch 89: Versuche zur Wirkung verschiedener Nährsalzlösungen auf die Entwicklung von Bohnenpflanzen Versuch 90: Einfluss von Streusalzen auf das Wachstum von Pflanzen Versuch 91: Wirkung von Schadstoffen auf die Bodenfauna (Vergleiche Versuch 62,Versuch 63) Erstellung von Arbeitsgeräten durch Schüler Versuch 92: Barberfalle Versuch 93: Berlese-Tullgren-Extraktor Versuch 94: Baermann- Trichter Bodenbiologisches Praktikum Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Tieren Versuch 95: Temperaturorgel Versuch 96: Lichtorgel

6 Versuch 97: Feuchteorgel Versuch 98: Wahlversuch bei Regenwürmern Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Pflanzen Versuch 99: Wachstumsvoraussetzungen für Pflanzen bilingual Messung biotischer Umweltfaktoren bei Tieren Ermittlung der Populationsgröße durch Methode des Markierens und Freilassens. 116 Versuch 100: Ermittlung der Populationsgröße (nach Ogilvie/ Stinson 1995) Versuch 101: Zersetzung von Zellulose und Lignin Versuch 102: Bestimmung der Nahrungspräferenzen von Bodentieren Literaturverzeichnis

7 EXPERIMENTE GRUNDSCHULE / SEK. I BODEN ENTHÄLT WASSER, LUFT, MINERALE, HUMUS UND LEBEWESEN Im Grundschulbereich sollten so oft wie möglich Experimente durchgeführt werden. Viele Kollegen sind auch Willens, scheitern allerdings an den materiellen Bedingungen ihrer Schulen. Die Autorin hat versucht, Wissenschaft in die Grundschule zu bringen und mit Alltagsgegenständen Versuche zum Thema Boden anzubieten. Vorteilhaft ist unter diesem Gesichtspunkt die Werkstattarbeit bzw. Stationsarbeit, da die Schüler nicht nur selbständig arbeiten können, sondern alles auf eine kleine Schülergruppe abgestimmt ist und somit der materielle Aufwand insgesamt gering bleibt. Der Kollege muss dabei nicht alles selber besorgen, die Kinder können auch einige Materialien von zu Hause mitbringen. In tabellarischer Form sind im Weiteren Materialien, Durchführung, zu erwartendes und der mögliche aufwand (ohne Fahrtwege) für den schnellen Überblick aufgelistet. Auf mögliche Gefahren und entsprechende Schutzmaßnahmen wird hingewiesen, gegen des Schülers Ungeschick ist aber kein Kraut gewachsen. Also muss der Erste-Hilfe-Kasten griffbereit stehen. An dieser Stelle werden Versuche vorgestellt, die in einer Grundschule mit Kindern durchführbar sind. Weiterführende Experimente sind in den Anleitungen für die der Sekundarstufe zu finden (s. u.). Boden muss man sich besorgen. Entweder man kauft Blumenerde oder-besser-man geht mit Spaten, Schaufel u. ä. in die Natur und borgt ihn sich aus. BODENBESCHAFFUNG VERSUCH 1: ALLGEMEINE BODENPROBEN Materialien kleine Schaufel, Plastiktüten, Ringgummi, wasserfester Stift Durchführung - An verschiedenen Orten Boden entnehmen, - Eintüten, - Mit Gummi verschließen und beschriften (Entnahmeort, Datum, Vegetationstyp wie Wald, Feld) - Je nach Folgeversuch können Tiere und Pflanzen enthalten sein oder nicht verschiedene Bodenproben 3 min. jeweils pro Entnahmeort VERSUCH 2: LAUBSTREUENTNAHME Materialien Schaufel oder Kehrblech, dunkler Müllsack (innen schwarz) Durchführung - Laubstreu aus Wald oder Park in den dunklen Müllsack schaufeln - Tiere und Pflanzen sollen enthalten sein Laubstreu, im Müllsack recht lange haltbar 4 min

8 VERSUCH 3: LAUBSTREU-BODENSCHICHTEN AUS DEM WALD ODER PARK Materialien Kehrblech, Schuhkartons, ung Durchführung - Laubstreu und 4 ca. 5 cm dicke vertikale Schichten mit einem Kehrblech jeweils auf ungspapier schaufeln und - für den Transport ins Klassenzimmer in die Kartons legen, siehe Abb. 1: Laubstreubodenschichten - Tiere und Pflanzen sollen enthalten sein 5 verschieden aussehende Schichten, die man für weitere Untersuchungen nutzen kann 15 min Abb. 1: Laubstreubodenschichten VERSUCH 4: BODENPROBE MIT DEFINIERTER MENGE (VOLUMEN, GEWICHT) Materialien Konservendose, Hammer, hartes Frühstücksbrettchen, das nicht mehr verwendet wird, Schere, Messer, (Klapp-)Spaten, Plastiktüte für Transport, wasserfester Stift Durchführung - Mit Schere aus Konservendose den Boden und Deckel schneiden, eine Hülse entsteht Vorsicht! Verletzungsgefahr! - Diese Hülse in den Boden stechen, - Brettchen drauflegen und mit Hammer in die Erde schlagen, störende Wurzeln dabei mit Messer abschneiden. - Ist die Blechhülse im Boden, mit Spaten ringsherum Erdreich abtragen und - Gefüllte Dose für Transport eintüten, beschriften - Tiere und Pflanzen sollten aussortiert werden Kleines Bodenprofil 15 min BODENPROFIL Durch physikalische, chemische und biologische Einwirkungen verändert sich das Ausgangsgestein. Diese Umgestaltungen bewirken zugleich eine Änderung der Eigenschaften des Materials, (z. B. Farbe, Vorhandensein von Leben), und sind in unterschiedlicher Tiefe in Schichten 1 bzw. Lagen zu erkennen. Diese werden dann Bodenhorizonte genannt, die nicht 1 Der Begriff Schicht sollte in diesem Zusammenhang nicht verwendet werden, weil die Geologen unter diesen Begriff die Gesteinsschichten verstehen.

9 immer klar abgegrenzt sind. Die Abfolge solcher Horizonte nennt man ein Bodenprofil. Ein Bodenprofil ist ein etwa 1m tiefer Schnitt von der Bodenoberfläche bis eventuell zum Ausgangsgestein. Die unterschiedliche Färbung macht die Horizonte mehr oder weniger gut sichtbar. Die meisten Bodenprofile bestehen aus 3 Lagen, die mit Großbuchstaben A B und C benannt werden. Hinzugefügte Kleinbuchstaben zeigen zudem verschiedene Eigenschaften an (z. B. Ah: Bodenhorizont A mit Humus=Humushorizont). Bodenprofile zum Untersuchen findet man häufig in Baugruben (siehe Abb. 11: Baugrube an der Parthe bei Panitzsch. Echte Bodenaufschlüsse von Geologen sind oft nicht zugänglich oder zu weit entfernt, weswegen eine Exkursion kaum in Betracht kommt. Aber sollte sich einmal die Gelegenheit ergeben, ist zu bedenken, dass auch die größte Baugrube bald keine Baustelle mehr ist, sondern stark verändertes Ausgangsmaterial des Tons 2 in Form von Beton draufsteht. Eine virtuelle Ausflugsmöglichkeit zu verschiedenen Bodenprofilen und deren Aufbau, Vorkommen, Ausgangsgestein und typischen Pflanzen ist auf der der URL: möglich. Beispiele dafür sind die Bodenaufschlüsse des Bodenlehrpfades Bienitz, nahe Leipzig 3 : Abb. 2: Karte, Ortslage Bienitz Westlich von Leipzig, auf den Gemarkungen Rückmarsdorf, Dölzig, Burghausen und Frankenheim, erstreckt sich die Rückmarsdorf-Dehlitzer Endmoräne in nord-südlicher Richtung. Der Höhenzug entstand in der Saaleeiszeit und ist ca. 30 km lang und 0,1 bis 2,5 km breit. Er besteht aus Ablagerungen der Stillstandsperiode des Eises, welches über Elsterschotter eine starke Schicht kalkhaltigen Geschiebelehms und eine unterschiedlich mächtige Schicht Decksand abgelagert hat. Am nördlichen Ende der Endmoräne liegt der Bienitz, der eine Höhe von bis zu 127,1 m über NN erreicht. Westlich wird er vom Zschampertbach umflossen, an dessen Ufern sich die Zschampertaue erstreckt. 2 Beton ist eine bereits von den Römern bekannte Mischung aus Zement, Kies und Wasser, während Zement durch das Verbrennen von Kalk und Ton entsteht. 3 Quelle der Abb. 2-10: Staatliches Umweltfachamt Leipzig, Referat Bodenschutz, ehem. Sitz: Bautzner Straße 67, Leipzig, Text: S. Risse, R. Symmangk, Bildnachweis: O. Penndorf (1;5;6), R. Symmangk (2;3;4), Karte und Skizze: ZV Flussauenlandschaft Leipzig-Nord

10 Abb. 3: Bienitz, Höhenlinien Der Name Bienitz wird vom slawischen Wort bieni (Stock, Stöckicht), also Wäldchen abgeleitet. Dazu zählen neben den bewaldeten Teilen auch die Wiesen, die durch ihre einstmalige floristische Vielfalt bekannt waren, von der bis heute leider nur noch Bruchstücke erhalten blieben. Anthropogen geprägt wurde das Gebiet besonders durch die Nutzung als Rodelbahn, Ausflugsziel, landwirtschaftliche Nutzfläche, militärisches Gelände und Eingriffe in den Wasserhaushalt. Neben verschiedenen Pflege- und Schutzmaßnahmen ist die Eingliederung des Bienitz-Geländes in das Landschaftsschutzgebiet Leipziger Auwald ein bedeutender Schritt zur Erhaltung und Entwicklung dieses Naturraums. Mit nachstehenden bodenkundlichen Aufnahmen des Bienitz soll dessen Entstehung verdeutlicht und die Schutzwürdigkeit seiner naturnahen Böden zum Ausdruck gebracht werden. Abb. 4: ZV Flussauenlandschaft Leipzig-Nord

11 Das Pedotop Bienietz Seine 6 Bodenaufschlüsse und Horizontfolgen 4 1. Braunerde über fossiler Fahlerde, Abb Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb Lessivierte Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb Braunerde-Parabraunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb Nassgley aus organo-mineralischer Mudde über tiefem Auenmergel, Abb * Erklärung: A = Terrestrischer Oberbodenhorizont, B = Terrestrischer Unterbodenhorizont, C = Terrestrischer Untergrundhorizont, G = Semiterrestrischer Bodenhorizont mit Grundwassereinfluss, L = aus Ansammlung von nicht und wenig zersetzter Pflanzensubstanz an der Bodenoberfläche, O = Ansammlung stark zersetzter Pflanzensubstanz, S = Terrestrischer Unterbodenhorizont mit Stauwassereinfluss, a = anmoorig, a (vorangestellt) = Auendynamik, b = gebändert, d = dicht (wasserstauend), e = eluvial, ausgewaschen, sauergebleicht, f (vorangestellt) = fossil, f = vermodert, h = humos, l (vorangestellt) = Lockersubstrat, l = lessiviert, tonverarmt, r (vorangestellt) = reliktisch, r = reduziert, t = tonangereichert, v = verwittert, verbraunt, verlehmt, w = stauwasserleitend(mit S), w= zeitweilig grundwassererfüllt (mit G), römische Ziffern = geologischer Schichtwechsel

12 Abb. 5: Braunerde über fossiler Fahlerde

13 Abb. 6: Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde

14 Abb. 7: Lessivierte Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde

15 Abb. 8: Braunerde-Parabraunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde

16 Abb. 9: Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde

17 Abb. 10: Nassgley aus organo-mineralischer Mudde über tiefem Auenmergel

18 Abb. 11: Baugrube an der Parthe bei Panitzsch 2009 VERSUCH 5: BODENPROFILERDE ALLGEMEIN Materialien Taschenmesser oder Spachtel, Plastiktüten, Gummi, wasserfester Stift Durchführung - An einem freigelegten Profil, siehe Abb. 12, an den unterschiedlichen Horizonten Erde abkratzen, - Erde eintüten und - Beschriften (Ort, Entnahmetiefe, Datum), siehe Abb Tiere und Pflanzen können aussortiert werden Verschiedene Erde aus den verschiedenen Horizonten des Bodens 10 min Abb. 12: Horizontfolgen in Baugrube Abb. 13: Nummerierte Bodenproben

19 VERSUCH 6: BODENPROFIL IM SCHUHKARTON Materialien (Klapp-)Spaten, Schuhkarton, Schere, Klebeband Durchführung - Karton an Kanten zerschneiden, - Mit Spaten in Größe der Kartonwände Erde stechen, - Kartonwände in Bodenschlitze stecken, dessen Deckel ebenso, - Dahinter alles freilegen und vorsichtig ausheben, - Karton zusammenkleben - Tiere und Pflanzen sollten aussortiert werden kleines Bodenprofil (2 Horizonte) 15 min VERSUCH 7: BODENPROFIL PROFESSIONELL (so wie es die Landwirte zur Ermittlung des Düngemitteleinsatzes im Labor abgeben), siehe Abb. 14 Materialien Erdbohrstock, Hammer, Schraubenzieher Durchführung - Erdbohrstock mit Hammer in Boden treiben, - Andrehen und herausziehen, - Vorsichtig mit Schraubenzieher Erde herauslösen - Methodenbedingt sind wenige Tiere und Pflanzen in den Proben Bodenprofil 15 min Abb. 14: Bodenprofilentnahme mit Bohrstock

20 BODENENTWICKLUNG Der Bodenentwicklungprozess ist von vielen Faktoren abhängig. Das örtliche Ausgangsgestein, das Oberflächenrelief und die Flora und Fauna beeinflussen die Bildung des Bodens. Darüber hinaus kommt dem Klima (Temperaturen und Niederschläge) große Bedeutung zu. Da die Entstehung von Boden Hunderte bis Tausende von Jahren dauert und nie abgeschlossen ist, spielt die eine wichtige Rolle. Boden entsteht sozusagen momentan. Die Verwitterung von Gestein ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung von Boden. Das Gestein wird dabei zunächst physikalisch, chemisch oder biologisch zerkleinert und dadurch unterliegt er einem natürlichen Entwicklungsprozess. Ackererde wird vom Menschen bearbeitet, um gute Bodenbedingungen für Nutzpflanzen zu schaffen. Der Boden wird gepflügt, um den Boden für das Wurzelwachstum zu lockern und gedüngt, um Mineralnährstoffe aufzufüllen. Durch die physikalischen Prozesse wie Frostund Wärmesprengung entstehen Risse und Poren, die Luft, Wasser und Wurzeln besser in den Boden eindringen lassen. In diese kleine Risse und Klüfte des Gesteins dringt immer wieder Niederschlagswasser ein. Beim Gefrieren dehnt es sich um bis zu 10 % aus. Die dabei entstehenden enormen Kräfte zersprengen das Gestein. Bei der chemischen Verwitterung, zum Beispiel durch Säuren, verändert sich der Mineralbestand des Gesteins, z. B. durch die Lösung oder chemische Umsetzung von Bestandteilen. Bei der biologischen Verwitterung wirken die Lebensaktivitäten von Tieren und Pflanzen auf das Gestein und bewirken eine Veränderung. Eine große Bedeutung dabei haben Mikroorganismen, die durch ihre Ausscheidungen das Gestein zersetzen. Schematischer Ablauf Das oberflächlich anstehende Gestein ist physikalischen und chemischen Prozessen unterworfen. In den entstehenden Spalten und Hohlräumen siedeln sich zunächst Mikroorganismen, später höhere Pflanzen an. Abgestorbene Pflanzen werden durch Mikroorganismen zersetzt und eine dünne Humusschicht entsteht. Weitere Pflanzen siedeln sich an, deren Wurzeln das Gestein zersprengen. Durch chemische Prozesse werden mineralische Stoffen im Boden verlagert, um- und neugebildet. Schließlich bilden sich unterschiedliche Schichten im Boden. Diese werden Bodenhorizonte genannt. Die Entwicklung von Böden umfasst sehr lange räume und geht ständig weiter. Auch jüngere Schüler können die folgenden Versuche zu den Kräften, die das Gestein sprengen, durchführen, denn sie liegen im Erfahrungsbereich der Kinder.

21 VERSUCH 8: FROSTSPRENGUNG I Materialien Wasser, verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße (z.b. Einweg- Plastikflaschen) Durchführung - Plastikflasche mit Wasser bis zu Markierung füllen, - Verschließen und - Flasche in Gefrierschrank legen Volumen des Eises in der Flasche ist größer als der des Wassers Gefrieren über Nacht VERSUCH 9: FROSTSPRENGUNG II (kann auch mit Versuch 8: Frostsprengung I kombiniert werden) Materialien Erde ohne Lebewesen, Wasser, verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße (z. B. Einweg-Plastikflaschen) Durchführung - Plastikflasche mit Erde und Wasser bis zu Markierung füllen, - Verschließen und - Flasche in Gefrierschrank legen Volumen der Erde und des Eises in der Flasche nimmt zu Gefrieren über Nacht VERSUCH 10: WÄRMESPRENGUNG NUR ALS DEMONSTRATIONSEXPERIMENT! Materialien Gesteine (Kalk-, Granitproben), Bunsenbrenner oder Feuerschale, Tiegelzange, Gefäß mit Wasser, Schutzbrille, Sicherheitsabstand der Zuschauer Durchführung alle, bis auf eine (=Kontrollprobe) Gesteinsproben erhitzen und anschließend im kalten Wasser abkühlen, evtl. mehrfach wiederholen Granit- oder Kalksteine zerspringen in einzelne Minerale, andere Gesteine zerspringen in kleine Teile 10 min. VERSUCH 11: SPRENGKRAFT VON PFLANZENSAMEN Materialien Erbsen, Wasser, Gips, durchsichtiges Plastikgefäß Durchführung - Gips in Plastikgefäß anrühren, in den noch weichen Gips Erbsen gleichmäßig eindrücken und mit Gips bedecken. - Die Schale für den Versuch gut durchfeuchten.

22 - Langzeitbeobachtung quellende Erbsensamen sprengen den Gips auf, sie können Druck von bis zu 100 bar hervorrufen nach 2-3 h sind Risse sichtbar, nach 24 h ist der Block gesprengt VERSUCH 12: WIRKUNG WACHSENDER WURZELN IM BODEN Materialien keimende Bohnensamen, Wasser, durchsichtiges Plastikgefäß, Gips Durchführung - Gips in Plastikgefäß anrühren, in den noch weichen Gips Vertiefungen drücken, kräftige Bohnenkeimlinge einsetzen und so einbetten, dass die Keimblätter frei bleiben - Die Schale für den Versuch gut durchfeuchten. - Langzeitbeobachtung wachsende Bohnenkeimlinge wachsen schnell und reißen den Gips ein, bis er schließlich bricht Pflanzenwurzeln entwickeln große Kräfte, um auch in den festen Boden eindringen zu können, und drücken die Erde auseinander nach wenigen Tagen ist der Block gesprengt

23 BODENARTEN Boden besteht aus organischen und anorganischen Bestandteilen. Die anorganischen Komponenten des Bodens bestehen aus verschieden großen Teilchen. Durch die unterschiedlichen Anteile der Korngrößen lassen sich die verschiedenen Bodenarten bestimmen. Mit den vorherrschenden Korngrößen der Bodenpartikel (Kornfraktion) können die Bodenarten beschrieben werden (z.b. Sandboden, Tonboden). Die Kornfraktionen können mit Hilfe einfacher Tests ermittelt werden. Korngröße 0-0,002 0,002-0,063 0, > 60 [mm] Bodenart Ton Schluff Sand Kies Steine Aufgrund der verschiedenen Bodenarten kann man Aussagen über die Bodenfruchtbarkeit und die Porengrößen für Luft und Wasser machen. So sind sandige Böden eher trocken und nährstoffarm und daher weniger fruchtbar, während Böden mit einem höheren Schluffanteil sehr fruchtbar sind. Diese Böden halten das Wasser besser und verfügen über mehr Nährstoffe. VERSUCH 13: FINGERPROBE EINFACH Materialien Erde ohne Lebewesen, evt. verschiedene Bodenproben, Wasser Durchführung trockenen Boden etwas anfeuchten, der Boden ist richtig, wenn er schmierig zwischen den Fingern ist, siehe Abb Boden zwischen den Händen zu einer Wurst (bleistiftdick) rollen Ist dies nicht möglich: der Boden ist ein sandiger Boden 2. Boden zwischen den Handflächen reiben, so dass in den Rillen der Hände noch Boden zu sehen. der Boden ist lehmig 3. der klebrige Boden kann zu einer ganz dünnen Wurst (ca. Bleistiftdicke) gerollt werden: es ist ein toniger Boden Bodenart sandig-lehmig-tonig kann ermittelt werden pro Probe 3 min Abb. 15: Fingerprobe: Toniger Boden Der Boden besteht aus verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen. Diese können aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte getrennt werden. Dichtere (also schwerere) Bestandteile (z.b. Sand, Kies) sinken im Wasser sehr schnell ab; leichtere (Schluff, Ton)

24 trüben das Wasser, sehr leichte organische Bestandteile (Humus) schwimmen auf der Wasseroberfläche. VERSUCH 14: BESTIMMUNG DER BODENBESTANDTEILE DURCH DIE SCHLÄMMPROBE Materialien verschiedene Erdproben ohne Lebewesen (z. B. tonigen und sandigen Boden), Wasser, verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße (z.b. Einweg- Plastikflaschen), Papiertrichter Durchführung - Je eine Erdprobe in eine Einweg- Plastikflasche füllen (evt. mit Papiertrichter), - Wasser auffüllen, - Flasche verschließen und kräftig schütteln, - Flasche absetzen und - Beobachten, wann sich etwas absetzt, wie dick diese Schicht ist Entsprechend ihrer Dichte setzen sich die verschiedenen Bestandteile unterschiedlich schnell ab und das Wasser klärt sich, nach 5 min, 60min und am Folgetag beobachten. Absetzzeiten: Sand 5 Grobschluff 60 Feinschluff 1 h Ton 7-8 h 7 min Erstbeobachtung, weitere 1 h und ca. 24 h später Durch die Bestimmung der unterschiedlichen Bestandteile kann die Zusammensetzung der Böden bestimmt werden, so dass man Rückschlüsse auf die Bodenfruchtbarkeit treffen kann. Böden mit hohem Schluffanteil sind sehr fruchtbar durch gutes Wasserhaltevermögen und gute Nährstoffverfügbarkeit, sandige Böden dagegen sind trockener, nährstoffärmer und daher weniger fruchtbar.

25 BESTANDTEILE DES BODENS BODEN UND LUFT Bodenteilchen mit Wasserfilm (Haftwasser) Kapillarwasser, pflanzenverfügbar luftführende Bodenluft Pore, Abb. 16: Bodenporen Boden enthält zwischen seinen Körnern viele Poren, die mit Wasser oder Luft gefüllt sein können. Alle nicht mit Wasser gefüllten Poren im Boden enthalten Bodenluft (siehe Abb. 16). Entsprechend des Wassergehaltes schwankt deren Anteil. Bodenluft ist eine wichtige Voraussetzung für die Atmung der Pflanzenwurzeln, Tiere und Mikroorganismen. VERSUCH 15: BODEN ENTHÄLT LUFT (EINFACH) Materialien Erdprobe ohne Pflanzen und Tiere, Wasser, durchsichtiges Plastikgefäß, Luftballon, Waage, Messgefäß Durchführung - Erde abwiegen, - Mittels Filter in eine Flasche füllen und - Mit Wasser bis zum Rand füllen, Luftballon überstülpen und - Beobachten, wie Luftblasen in den Ballon aufsteigen (siehe Abb. 17) im Ballon sammelt sich Luft, Boden enthält Luft in den zahlreichen Poren 5 min.

26 Abb. 17: Versuch "Boden enthält Luft" (einfach) VERSUCH 16: BESTIMMUNG BODENLUFT (QUANTITATIV) Materialien Erdproben ohne Pflanzen und Tiere, Wasser, durchsichtige skalierte Plastikgefäße oder Messgefäße, Waage, Durchführung ml Erde in skaliertes Plastikgefäß oder Messgefäß füllen, - Kennzeichnen, ml Wasser mit Messgefäß abmessen und gleichmäßig auf die Erde gießen, - An der Skala des skalierten Plastikgefäßes oder Messgefäßes ablesen, wie viele ml bis zur 200 ml-marke fehlen (der fehlende Betrag ist die Bodenluft) Boden enthält Luft in den zahlreichen Poren 5 min.

27 BODEN UND WASSER Grundwasser, ist aufgrund seiner tiefen Lage im Boden für Pflanzen nicht immer nutzbar. Wir erforschen bei unseren Untersuchungen fast immer den Boden oberhalb des Grundwasserspiegels. Dessen Wassergehalt ist aber wichtig für die Bodenfruchtbarkeit (weil Pflanzennährstoffe darin gelöst sind) und schwankt je nach Witterung erheblich. Zu diesem Bodenwasser gehören zum einen das Sickerwasser und zum anderen das Kapillarwasser, das in den Poren zwischen den Bodenteilchen durch starke Kapillarkräfte gehalten wird, die der Schwerkraft entgegen wirken, sowie das Haftwasser an den Bodenteilchen aufgrund der Adhäsionskräfte (siehe Abb. 16). Mit einem einfachen Versuch kann man nachweisen, dass in der Erde, auch wenn es zunächst nicht danach aussieht, Wasser enthalten ist. VERSUCH 17: NACHWEIS VON WASSER IM BODEN I Materialien verschiedene Erdproben ohne Lebewesen (z. B. tonigen und sandigen Boden), verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße, Papiertrichter, warmer Platz Durchführung - Je eine Erdprobe in ein verschraubbare durchsichtiges Plastikgefäß füllen (evt. mit Papiertrichter), - Verschließen und - Schräg an einen warmen Ort legen am Plastikgefäß kondensiert Bodenwasser und setzt sich in großen Tropfen ab, siehe Abb. 18 Versuchsansatz je 3min, Beobachtung nach 30 min möglich Abb. 18: Nachweis von Wasser im Boden VERSUCH 18: NACHWEIS VON WASSER IM BODEN II Materialien verschiedene Erdproben ohne Lebewesen (z. B. tonigen und sandigen Boden), kleine durchsichtige Plastikgefäße, evtl. Papiertrichter, Waage, warmer Platz Durchführung - Je eine Erdprobe in ein kleines durchsichtiges Plastikgefäß füllen

28 (evt. mit Papiertrichter) und - Abwiegen, - Messergebnis protokollieren, - Erde im Gefäß an warmen Platz stellen und trocknen lassen, - Erneut wiegen, protokollieren, - Differenz der beiden Messwerte berechnen Differenz der beiden Messwerte ist der Wasseranteil Versuchsansatz je 3min, Beobachtung nach 30 min möglich

29 BODEN UND WÄRME Der Wärmehaushalt des Bodens hat einen großen Einfluss auf die Organismen, deren Lebenstätigkeiten bei einer Temperatur > 5 C beginnen, bei > 45 C sie zum Erliegen kommen. Dabei hat jede Art einen Temperaturpräferenzbereich. Innerhalb dieser Spanne laufen alle lebenserhaltenden Prozesse mehr oder weniger optimal ab, und die Fortpflanzung wird gesichert. Die wichtigste Wärmequelle für den Boden ist die Sonne. Die Bodentemperatur ist u. a. von der geographischen Breite, Höhe, der Tages- und Jahreszeit, vom Bewuchs, der Witterung, der Bodenfarbe sowie von der Geländeneigung abhängig. Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens hängt von seiner Körnung und dem Porenvolumen ab. Enthält ein Boden viel Luft, berühren sich die Bodenteilchen wenig. Dann kann der Boden die Wärme schlecht aufnehmen, denn Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Feuchte Böden hingegen leiten die Wärme besser. So entstehen tageszeitliche Temperaturschwankungen bis 50 cm Bodentiefe. Die größten Temperaturdifferenzen sind dabei an der Bodenoberfläche festzustellen. Die Wärmekapazität ist das sogenannte Wärmespeichervermögen des Bodens, das ebenso von den luft- bzw. wassergefüllten Poren abhängt. Ein feuchter Boden erwärmt sich zwar langsam, kann die Energie aber länger als ein trockener Boden halten. In einfachen Versuchsreihen können diese Phänomene festgestellt werden. Es bieten sich dabei Praktikumstage an.

30 VERSUCH 19: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER TAGESZEIT Materialien eine Wiese auf dem Schulgelände, 1-3 Thermometer, Uhr Durchführung - An geeigneter Stelle des Schulgeländes in regelmäßigen abständen die Bodentemperatur in Höhen von 0 cm, 10 cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen, - Protokollieren, Auswerten Kontrolle z. B. durch gleiche Messungen auf befestigten Schulhof möglich, Beobachtung der Auswirkung des Bodenklimas auf bebauten Bodens Bodenschutz! Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm Vergleich des natürlichen Bodens mit dem befestigten. Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung ganztägig VERSUCH 20: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER VEGETATION Materialien 3-4 Standorte des Schulgeländes, 3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen Durchführung - An 3-4 geeigneten Stelle des Schulgeländes (z. B. Wiesen-Freifläche, Beet, Hecke, im Schatten eines Baumbestandes, Freifläche des befestigten Schulhof) die Bodentemperatur in Höhe von 0 cm, 10 cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen, - Protokollieren, Auswerten Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm der verschiedenen Standorte (Bodenschutz!), Schlussfolgerungen bezüglich der Wärmeabstrahlung, Beschattung und der Wachstumsbedingungen für Pflanzen Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch verschieden Schülergruppen VERSUCH 21: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER BODENFARBE Materialien 3-4 Standorte des Schulgeländes, 3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen Durchführung - An 3-4 geeigneten Stelle des Schulgeländes (z. B. Wiesen-Freifläche, am Schulteich, Beet im Schatten der Schule, Freifläche des befestigten Schulhof) die Bodentemperatur in Höhe von 0 cm, 10 cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen, - Protokollieren, Auswerten Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm der verschiedenen Standorte (Bodenschutz!), Schlussfolgerungen bezüglich der Wärmeabstrahlung und der Wachstumsbedingungen für Pflanzen Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch verschieden Schülergruppen

31 VERSUCH 22: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT BODENART / ERDFARBE Materialien 3-4 Behältnisse mit verschiedenen Bodenarten (z.b. Plastiktüten / Blumentöpfe mit Blumenerde, Sand, lehmiger Ton, Ackererde), 3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen Durchführung - Behältnisse gleichermaßen kompakt mit Erde füllen, - In die Sonne stellen, - Temperaturen messen, - Protokollieren, - Behältnisse mit Erde 45 min. in den Schatten stellen, - Temperaturen messen, - Protokollieren, auswerten Feststellen der Wärmeleitfähigkeit und kapazität der verschiedenen Böden Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch verschiedene Schülergruppen VERSUCH 23: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DES WASSERGEHALTES Materialien eine Bodenart (z. B. Plastiktüten / Blumentöpfe mit Blumenerde oder Sand oder lehmiger Ton oder Ackererde), 3-4 Thermometer, Uhr, Plastiktüten / Blumentöpfe, Wassergefäß, Schülergruppen Durchführung - Blumentöpfe mit je 200 g Erde füllen und unterschiedlich gießen: gar nicht 150 ml 300 ml 550 ml 1000 ml - Temperaturen messen, - Protokollieren, - Behältnisse mit Erde 45 min. in die Sonne stellen, - Temperaturen messen, - Protokollieren, Auswerten Feststellen der Wärmeleitfähigkeit und kapazität der verschiedenen nassen Böden Versuchsvorbereitung 20 min. Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch verschiedene Schülergruppen

32 VERSUCH 24: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER BODENTIEFE Materialien 3-4 Thermometer, Uhr, 3-4 Standorte des Schulgeländes, Schaufel / Spaten, Schülergruppen Durchführung - An 3-4 geeigneten Stelle des Schulgeländes (z. B. Wiesen-Freifläche, am Schulteich, Beet, Hecke, Baumbestand) Löcher graben und - Die Bodentemperatur in Tiefe von 0 cm, 10 cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen, - Protokollieren, Auswerten Thermometer vor direkter Sonneneinstrahlung schützen! Temperaturverlauf zu bestimmter Tageszeit in 0 cm, 10 cm, 50 cm der verschiedenen Standorte (Bodenschutz!), Schlussfolgerungen bezüglich der Wärmeabstrahlung und -kapazität Versuchsvorbereitung 10 min., Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch verschieden Schülergruppen Erde enthält Minerale, Pflanzennährstoffe, die im Bodenwasser gelöst sind. Das kann man den Kindern leicht zeigen. In Wasser gelöste Stoffe sind oft unsichtbar. Der Versuch hilft, Mineralstoffe vor Augen zu führen. VERSUCH 25: MINERALE IM BODENWASSER Materialien Erde ohne Lebewesen, Wasser, kleines Plastikgefäß (z. B. Fotodose), Plastiklöffel, Objektträger, Pipette (alternativ Strohhalm), Teelicht, Alu- Aschenbecher, Schere, Lupe (alternativ Mikroskop) Durchführung - Erde (mit geringem Humusanteil) mit Wasser versetzen, so dass ein kleiner Überstand vorhanden ist, - Diesen Überstand auf einen Objektträger tropfen und - Wasser über einem Teelicht (alternativ Heizkörper) verdunsten lassen - Rückstand betrachten Wenn Wasser verdunstet ist, bleibt mineralischer Rückstand zurück 5-7 min (Teelicht) Die Eigenschaften des Bodens, Wasser aufzunehmen und zu halten, aber auch wieder abzugeben, lassen sich in einfachen Experimenten nachweisen. Die Wasserhaltefähigkeit ist die Wassermenge, die der Boden, ähnlich einem Schwamm, dauerhaft entgegen der Erdanziehungskraft festhalten kann. Sie sinkt mit zunehmender Körnergröße. Zur Anschauung kann ein Modell (siehe Abb. 19), dienen. Bei großen Körnern sind die Poren groß und die Kapillar-und Adhäsionskräfte klein. Das Wasser sickert durch den Boden und wird nicht gehalten, was wichtig für die Grundwassererneuerung ist, aber das Wasser steht den Pflanzen nicht zur Verfügung. Sind die Poren dagegen wegen geringer Körnergröße klein, herrschen größere Kapillar-und Adhäsionskräfte. Das Wasser verbleibt im Boden (Haftwasser). Dieses Wasser kann von den Pflanzen genutzt werden. Lehmboden ist durch seine guten Wasserhalteeigenschaften besonders fruchtbar und für den Pflanzenanbau geeignet.

33 Abb. 19: Modell Zusammenhang Körnergröße-Porengröße VERSUCH 26: NACHWEIS DER WASSERLEITUNG DURCH DIE ERDE (DEMONSTRATIONSEXPERIMENT) Materialien Erde, Wasser, Plastikschale, Joghurtbecher, großer Nagel, Korken, Teelicht (Kerze), Handschuhe zum Schutz vor Verbrennung, Gießkanne o. ä., Durchführung - Korken auf Nagel stecken und über der Kerze stark erhitzen, dann gleichmäßig Löcher in den Joghurtbecher schmelzen - Durchlöcherten Joghurtbecher in die Plastikschale stellen und diese mit Erde füllen - Erde vorsichtig gießen und Joghurtbecher beobachten Erweiterung: Schale könnte sogar noch bepflanzt und mit einer Aufwuchsplatte für Algen und Pilze (Objektträger) versehen werden (siehe Abb. 20, Abb. 21, Abb. 22). - Bepflanzung: Dazu wird Gras- und Kressesamen in die vorbereitete Pflanzschale gesät und regelmäßig gegossen. So kann das Phänomen Wasserleitung durch die Erde immer wieder beobachtet werden. - Aufwuchsplatte: Ein Objektträger, in die Erde gesteckt, wird durch Algen bewachsen. Diese können nach ca. 2 Wochen unter dem Mikroskop betrachtet werden. Abhängig von der eingesetzten Erde sickert das Gießwasser schneller oder langsamer in den Joghurtbecher: Boden gibt Wasser ab, lässt es durch Versuchsansatz: 15 min, Versuch und Beobachtung 1 min als Kombinationsexperiment ca. 2 Wochen Als Kombinationsexperiment: Demonstrationsexperiment: Nachweis der Wasserleitung durch die Erde

34 Abb. 20: Kombi-Versuch Boden leitet Wasser mit Aufwuchsplatte und Samen Abb. 21: Pflanzenwachstum: Versuch nach 14 Tagen Abb. 22: Aufwuchsplatte VERSUCH 27: WASSERHALTEFÄHIGKEIT DES BODENS Materialien Luftgetrocknete Erdproben ohne Tiere und Pflanzen, Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser (siehe Abb. 23 A) Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen Durchführung - Hals der Einweg- Plastikflaschen mit Schere abschneiden (B), Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen (C+D+F), - Erdprobe ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen Flaschenhälse einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, vorbereitete Flaschenhälse auf die abgeschnittene Flasche, wie in Abb. 24 gezeigt, stellen (in großer Schüssel / Schale), - Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede Bodenprobe gießen, Wasserdurchlauf beobachten, aufgefangenes Wasser mehrmals erneut über Bodenproben gießen, bis sie vollständig durchdrungen ist (Matschgefahr!) - Übrig gebliebene Wassermengen messen und vergleichen Abhängig von eingesetzter Erde sickert das Gießwasser schnell (großporig) oder langsam (kleinporig) durch, aufgefangene Wassermenge bei grobkörnigem Substrat hoch, bei kleinkörnigem Substrat gering (=hohe Wasserhaltefähigkeit, d. h. es ist viel Wasser in dieser Erde verblieben) Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung 5 min

35 A B C D E F Abb. 23: Material und Vorbereitung des Versuches 27 Abb. 24: Material und Vorbereitung des Versuches 28

36 VERSUCH 28: WASSERDURCHLÄSSIGKEIT UNTERSCHIEDLICHER ERDSCHICHTEN Materialien luftgetrocknete Erdproben ohne Tiere und Pflanzen (Gartenerde, Sand, Kies, Ton oder Lehm), Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser, Stoppuhr, wasserfester Stift Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen Durchführung - Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden, Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen, Flaschenhälse zuschrauben, - Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen Flaschenhälse einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, vorbereitete Flaschenhälse auf die abgeschnittene Flasche wie in Abb. 25 gezeigt, (in großer Schüssel / Schale) stellen - Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede Bodenprobe gießen, Wasserdurchlauf verfolgen und messen, wann erste Tropfen runterfallen, sowie aller 30 sec. die Menge des aufgefangenen Gießwassers ermitteln und vergleichen (Markierung mit wasserfesten Stift) - Ermittlung der aufgefangenen Wassermenge, Berechnung der Differenz zur anfänglichen Gießmenge ergibt die gespeicherte Wassermenge der jeweiligen Erdprobe Abhängig von der eingesetzten Erde sickert das Gießwasser schnell (großporig) oder langsam (kleinporig) durch, die aufgefangene Wassermenge ist bei grobkörnigem Substrat hoch, bei kleinkörnigem Substrat gering (= hohe Wasserhaltefähigkeit, d. h. es ist viel Wasser in dieser Erde verblieben) Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung ca. 10 min (je 2 min), Berechnungen 10 min

37 Abb. 25: Aufbau zu Versuch 28

38 VERSUCH 29: WASSERDURCHLÄSSIGKEIT UNTERSCHIEDLICHER ERDSCHICHTEN- SIMULATION DES WASSERWEGES DURCH DEN BODEN Materialien Unterschiedliche Erden (Gartenerde, Sand, Kies, Ton oder Lehm) Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser, Zirkel Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen Durchführung Variante a) - Einweg-Plastikflaschen mit Zirkel gleichmäßig einstechen, - Die verschiedenen Erden gleichmäßig hineinschichten, - In große Schüssel / Schale stellen Variante b) - Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden, - Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen, - Flaschenhälse zuschrauben, Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen Flaschenhälse einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, (abgeschnittene Flasche in die großer Schüssel / Schale stellen), - Vorbereitete Flaschenhälse wie in Abb. 26 gezeigt, stapeln, - Mit Messgefäß Wasser langsam auf die Bodenproben gießen, Wasserdurchlauf verfolgen (Matschgefahr!) und beobachten, aus welcher Bodenschicht das Wasser aus der Flasche tritt Abhängig von der entsprechenden Erdschicht sickert das Gießwasser schnell (großporig) oder langsam (kleinporig) durch Übertragung der Erkenntnisse auf den Wasserkreislauf Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung 5 min

39 Abb. 26: Aufbau zu Versuch 29, Variante b Boden filtert physikalisch und adsorbiert physiko-chemisch hindurchfließendes Wasser. Selbst vom Wasser transportierte Partikel, mineralische Substanzen oder Staubpartikel bleiben im feinen Porengeflecht des Bodens hängen (Filtration). Gelöste Stoffe werden durch ihre Ladungen an die Bodenpartikel angelagert (Adsorption). Das Wasser wird gereinigt. Diese Vorgänge sind für die Nährstoffversorgung der Pflanzen von großer Bedeutung, aber auch für die Qualität des Grundwassers und besonders für die Trinkwassergewinnung. Im Grundschulunterricht sind die komplexen chemischen Zusammenhänge auszuklammern und der Reinigungsprozess wird durch die Filterung auf rein mechanischem Wege dargestellt. In diesem Zusammenhang muss unbedingt eine Reflexion des eigenen Handelns der Schüler angeregt werden, z. B beim Umgang mit Schadstoffen. In der Erfahrungswelt der Kinder lässt sich dies durch das Ölen des Fahrrades veranschaulichen und die Verantwortung für den Schutz des Bodens. Das Fahrrad-Öl darf nicht in den Boden gelangen und sollte daher aufgefangen werden. Derartige Möglichkeiten gibt es an Tankstellen, deren Untergrund versiegelt ist.

40 VERSUCH 30: BODEN HAT FILTERFUNKTION (KLEIN UND SCHNELL) Materialien Erdproben ohne Tiere und Pflanzen Einweg-Plastiksektglas, großer Nagel, Korken, Teelicht (Kerze), Marmeladenglas, Messgefäß, evt. Pipette, Wasser mit Tinte Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen Durchführung - Korken über den Nagel stecken und über der Kerze stark erhitzen, - Dann ein Loch in den Boden und Fuß des Sektglases schmelzen, - Zusammenstecken und auf Marmeladenglas stellen (auf den Fuß des Sektglases kann verzichtet werden, wenn das Auffanggefäß einen kleineren Durchmesser besitzt und hoch genug ist) - Erdproben in die trichterförmigen Sektglasöffnung einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, in große Schüssel / Schale stellen (Matschgefahr), siehe Abb Tintenwasser pipettieren oder langsam (!) auf jede Bodenprobe gießen, - Wasserdurchlauf verfolgen und Farbe des aufgefangenes Wasser mit Gießwasserfarbe vergleichen Folgen für Umwelt im Falle von Schadstoffen im Gießwasser erklären Tintenwasser wird entfärbt Versuchsansatz: 5 min, Versuch und Beobachtung ca. 3 min Abb. 27: Filterfunktion Boden

41 VERSUCH 31: BODEN HAT FILTERFUNKTION (ERWEITERT) Materialien Erdproben ohne Tiere und Pflanzen (Gartenerde, Sand, Kies, Ton oder Lehm) Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser mit Tinte Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen Weiterführendes Experiment: Versuch 87. Durchführung - Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden, Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen, Flaschenhälse zuschrauben, - Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen Flaschenhälse einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, vorbereitete Flaschenhälse auf die abgeschnittenen Flasche wie in Abb. 24 dargestellt, (in großer Schüssel / Schale) stellen - Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede Bodenprobe gießen, Wasserdurchlauf verfolgen und Farbe des aufgefangenes Wasser mit Gießwasserfarbe vergleichen Tintenwasser wird entfärbt Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung ca. 10 min (je 2 min) In den Boden eingetragene Stoffe kommen mit den Lebewesen in Berührung und werden von ihnen aufgenommen. Die Wurzeln nehmen in Wasser gelöste Stoffe auf. Dies lässt sich durch ein einfaches Experiment sichtbar machen. VERSUCH 32: PFLANZEN NEHMEN STOFFE AUS DEM BODEN AUF (NACH BOCHTER S. 19) Materialien Schneeglöckchenzwiebel (oder andere Einkeimblättrige), evtl. Weißklee, durchsichtiges Gefäß, Erde- Sand- Gemisch (Erde sollte nicht zu viel Humus enthalten, da der Farbstoff sonst zu sehr adsorbiert wird), Eosinlösung Durchführung - Schneeglöckchen in durchsichtiges Gefäß mit Erde pflanzen, - immer mit Eosinlösung gießen - Langzeitbeobachtung Schneeglöckchen verfärbt sich, die Wurzeln nehmen die Farbstoffe mit dem Wasser aus der Erde auf Versuchsansatz: 5 min, Versuch und Beobachtung je nach Entwicklung der Pflanze: 1-2 Wochen

42 ENTSTEHUNG VON HUMUS IM BODEN, BESTANDTEILE, NACHWEISMÖGLICHKEITEN Jegliche physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens werden von der organischen Substanz stärker beeinflusst als durch eine gleiche Menge Tonminerale. 5 Humus (lat.=feuchter, fruchtbarer Boden) ist jene abgestorbene organische Substanz im Boden, die durch chemische und physikalische Prozesse weiter verändert wird. Die Humusbildung stellt einen essentiellen Faktor der Bodenbildung dar. Dabei spielt die Zersetzung eine große Rolle. Man unterscheidet die Humifizierung und die Mineralisierung. Als Humifizierung werden alle Ab- und Umbauprozesse der organischen Substanz des Bodens in Huminstoffe bezeichnet. Unter Mineralisierung versteht man den vollständigen mikrobiellen Abbau zu anorganischen Stoffen (Kohlenstoffdioxid, Wasser, Minerale), bei dem die für das Pflanzenwachstum notwendige Mineralstoffe freigesetzt werden. Tote tierische und pflanzliche Organismen, Teile von ihnen (z. B. Falllaub) sowie ihre Ausscheidungen bilden die Grundsubstanz. Durch Witterungseinflüsse oder tierische Aktivitäten gelangen sie in die Erde. Pflanzenkörper werden aufgrund der Lignin- und Celluloseanteile langsamer abgebaut als Tierkörper, Exkrete bzw. Exkremente. Die Bodenorganismen verändern diese mechanisch und auch bio- chemisch. Dabei erfolgt fast immer eine Vermischung mit mineralischen Bestandteilen des Bodens. Der Abbau der organischen Stoffe in ihre Ausgangssubstanzen geschieht in zwei Hauptphasen, wobei die Lebensbedingungen der Bodenorganismen (Edaphon) entscheidend für die Geschwindigkeit des Abbaus sind (so wirken zum Beispiel Wärme-, Wasser-, Sauerstoff- und Nährstoffmangel hemmend). 1. Phase: - Mechanische Zerkleinerung der toten Biomasse durch Tiere des Bodens. - Partielle Verdauung beim Passieren des Darmtraktes in verschiedenen Organismen (insbesondere Regenwürmer, Asseln, Doppelfüßer, Springschwänzen), Vermischung mit Bodenpartikeln (Gefügebildung) und - Einarbeitung der zerkleinerten oberirdischen Pflanzenrückstände in den Boden, - dadurch Lockerung des Bodens 2. Phase: - chemische Umsetzung der zerkleinerten Rückstände durch Mikroorganismen und kleinere Bodentiere - mineralische Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen gelangen in die Bodenlösung - Entstehung der Huminstoffe 5 KUNTZE/ ROESCHMANN/ SCHWERDTFEGER: Bodenkunde. Verlag Eugen Ulmer Stuttgart,1994, 5. Auflage, S. 100

43 Beim mikrobiellen Abbau organischer Verbindungen entstehen Produkte, die von den Mikroorganismen für den Aufbau körpereigener Substanz oder als Energiequelle verwendet werden. Die Huminstoffe, die sich bei diesen Prozessen bilden, sind hochmolekulare, organische Verbindungen von meist dunkler Farbe. Sie bilden Teilchen von geringer Größe (< 0,002 mm) und besitzen eine große Oberfläche, mit der sie Wasser sowie andere Moleküle und Ionen reversibel anlagern können. Aufgrund ihres guten Wasserhalte- und Adsorptionsvermögens sind die Huminstoffe insbesondere für die Wasserbindung, Gefügebindung und Nährsalzadsorption im Boden von Bedeutung. Einen positiven Effekt hat die dunkle Farbe auf den Wärmehaushalt. Indem sie relativ stabile Verbindungen mit Tonmineralen eingehen, verleihen sie dem Humus in den sogenannten Ton-Humus- Komplexen eine hohe Gefügestabilität. Die Lebensbedingungen der Bodenorganismen (Edaphon) sind entscheidend für die Geschwindigkeit des Abbaus. Der Zersetzung von Laub ist auch vom Kohlenstoff/Stickstoff- Verhältnis des frischen Laubes abhängig. Ist das Verhältnis hoch, enthalten die Blätter viel Kohlenstoff und wenig Stickstoff. Ist das C/N-Verhältnis niedrig, dann ist die Streu ein wertvoller Stickstoffdünger. Erle, Esche und Ulme haben kleine Werte und werden innerhalb eines Jahres zersetzt, während Eiche, Buche und die Nadeln von Fichte und Kiefer mit hohem C/N- Wert 3 Jahre und länger (je nach Bedingung) benötigen (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis bei Pflanzen und Zersetzungsdauer von Laub und Nadeln (aus BRUCKER/ KALUSCHE ) Pflanzenart C/N- Verhältnis Zersetzungsdauer Erle 15:1 1 Jahr Esche 21:1 1 Jahr Ulme 28:1 1 Jahr Hainbuche 23:1 1 ½ Jahre Linde 37:1 2 Jahre Bergahorn 52:1 2 Jahre Eiche 47:1 2 ½ Jahre Birke 50:1 2 ½ Jahre Pappel 63:1 2 ½ Jahre Buche 51:1 2 Jahre Fichte 48:1 3 Jahre Kiefer 66:1 > 3 Jahre Douglasie 77:1 > 3 Jahre Lärche 113:1 > 5 Jahre Die chemischen Merkmale (ph, C/N/P-Verhältnisse) und morphologische Eigenschaften (pflanzliche Reste, koprogenes Gefüge, Farbe, Geruch) charakterisieren die verschiedenen standorttypischen Humusformen. Ist ein Boden frei von anthropogener Beeinflussung, dann lassen sich oft typische Abfolgen von Lagen im sog. Auflagehorizont (O) bzw. humusangereicherten Ah-Horizont erkennen. Der Humus im Auflagehorizont (O) wird auch 6 Brucker, Kalusche: Bodenbiologisches Praktikum S. 72

44 als Ektohumus bezeichnet und ist nur mit wenig Mineralischem vermischt, so dass er hauptsächlich aus biogenen Bestandteilen zusammengesetzt ist. Humus im Ah-Horizont entsteht aus dem Ektohumus und wird wegen der Durchwurzelung, Biomixion und Infiltration als Endohumus bezeichnet 7. Durch den folgenden einfachen Versuch kann man mittels der Farbe den Humusgehalt abschätzen. VERSUCH 33: HUMUS IM BODEN / GRAUWERT ABSCHÄTZEN Materialien Erdproben, Wasser Durchführung Erde im Handteller mit Wasser so mischen, dass Erde noch nicht glänzt und die Graufärbung abschätzen siehe Tabelle 2 3 min. Tabelle 2: Humusgehalt (Massenanteil in %) durch Abschätzung des Grauwertes (nach BOCHTER S. 86) Grauwert Sande Lehme und Schluffe Tone weiß - - < 0,2 grauweiß - < 0,2 0,2-0,5 hellgrau < 0,2 0,2-0,5 0,5-1 grau 0,1-1 0, dunkelgrau schwarzgrau schwarz > 15 > 15 VERSUCH 34: HUMUS IM BODEN / ORGANISCHE SUBSTANZ ABSCHÄTZEN DURCH GLÜHVERLUST Materialien Erdproben, Alu-Aschenbecher oder Buttertöpfchen, Teelicht, Stöfchen, Waage Durchführung 7 g Erde im Aschenbecher wiegen und stark erhitzen (Flamme genau unter der Probe). Dabei entsteht ein beißender Geruch! Erneut abwiegen, um die Differenz zu ermitteln. - Organische Bestandteile werden verbrannt (im GS-Bereich kann der 7 KUNTZE/ ROESCHMANN/ SCHWERDTFEGER: Bodenkunde. Verlag Eugen Ulmer Stuttgart,1994, 5. Auflage, S. 104

45 Wasseranteil, der verdampft, vernachlässigt werden), - Aus der Differenz ermittelt man den Humusanteil (die organischen, verbrannten Bestandteile) in g - Den Anteil liest man aus der Tabelle ab je Probe 5 min. Experimentieren Kinder mit Tieren, so muss darauf geachtet werden, dass die Tiere auch wieder an gleicher Stelle bzw. an Orten mit ähnlichen Lebensbedingungen zeitnah ausgesetzt werden. Auf einem Hektar Boden erzeugen Milliarden von Bodenorganismen in einem perfekten Recyclingprozess den fruchtbaren Humus. Ohne die Zersetzer wäre die Erde bereits an Nährstoffmangel zugrunde gegangen oder im Abfall erstickt. Eine 100jährige Buche wirft im Herbst eine halbe Million Blätter ab. Unter ihr sammelt sich so eine bis zu 10 cm dicke Laubschicht an. Diese wird innerhalb von 3 Jahren durch die Bodenorganismen zu Humus umgesetzt. VERSUCH 35: SICHTBARMACHUNG DER ZERSETZUNG EINES LAUBBLATTES Materialien Laubstreu Durchführung Heraussuchen von unterschiedlichen Stadien des Laubfraßes siehe Abb min. Abb. 28: Unterschiedliche Stadien der Laubstreuzersetzung

46 VERSUCH 36: LAUBSTREUUNTERSUCHUNGEN Materialien Laubstreu, Pinzette, Pinsel, Bestimmungshilfen, Lupe, evtl. Binokular, weiße Schalen u./o. Petrischalen Durchführung - Laubstreu in weiße Schalen füllen und mit Pinsel und Pinzette Tiere auslesen und - In eine andere Schale zum Untersuchen mit der Lupe o. Binokular umsetzen, - Mit Bestimmungstafeln vergleichen Feststellen der Beinanzahl und Bestimmungstafeln ermöglichen Eingruppierung des Lebewesens 5-20 min. je nach weiterer Aufgabenart

47 BODENSCHUTZ Bodenerosion ist einerseits die durch menschliche Aktivitäten erfolgte Abtragung von Bodenmaterial und dessen Verlagerung durch Wasser und/oder Wind, andererseits auch ein natürlicher Prozess, der von der Gestalt und Vegetation der Erdoberfläche abhängt. Zahlreiche Forschungsergebnisse 8 belegen, dass in Deutschland seit dem frühen Mittelalter auf ackerbaulich genutzten Hängen durchschnittlich 50 cm Boden abgetragen wurden. Die Natur kann aber nur etwa 0,1 mm Boden pro Jahr neu bilden, d. h. dass aktuell Boden 4-mal schneller abgetragen als neu gebildet wird. Die Winderosion (Deflation) findet vor allem auf ebenen, vegetationsfreien bzw. -armen Flächen bei heftigen Winden statt. Die Bodenerosion durch Wasser ist der Oberflächenabfluss eines Teils der Niederschläge. Wetterereignisse, wie Starkregen und Schneeschmelzen, oder Oberflächenstrukturen, wie Hangneigung, sowie die Art der Bodenbearbeitung (und der daraus resultierenden Bodenverdichtung) spielen eine wesentliche Rolle. Im folgenden Versuch wird die Erosion durch Wasser simuliert: VERSUCH 37: EROSIONSEXPERIMENT Materialien Erde mit und ohne Pflanzen (z. B. Grasnarbe), 2 Plastikflaschen 1,5 l (alternativ Obstkisten o.ä.), Gießkanne, Wasser, große Auffangwanne (Kleinkindbassin), Schere Versuchsdurchführung möglichst im Freien-Matschgefahr! Durchführung - 2 Plastikflaschen einschneiden, - Erde mit und ohne Pflanzenbewuchs in die Flaschen einfüllen, - Flaschen in gleiche und später in unterschiedliche Hang - Neigung bringen, - Auffangbehälter unter stellen und Wasser aufgießen Im Auffangbecken der Erdflasche befinden sich mehr Bodenteile als bei der bepflanzten Schale Versuchsansatz 10 min, Versuch 4 min Ausgehend von den Erkenntnissen zur Laubstreuzersetzung können Überlegungen angestellt werden, ob alle Materialien gleich gut abgebaut werden, also verschwinden. Es eignet sich für den folgenden Versuch, der diese Situation simulieren soll, Produkte aus dem Alltag der Grundschüler. Emotional werden die Schüler berührt, wenn der Kollege z. B. von einem Waldspaziergang erzählt, bei dem er diese Produkte nach einem Picknick liegen sah. Nun kann überlegt werden, ob diese Dinge in der Natur ebenso wie Laub und tote Organismen recycelt werden. Mit dem Experiment wird die Vermutung überprüft. Das regelmäßige Beobachten kann dabei geschult werden. Am Ende sollten die Schüler selbständig erkennen, dass man im Wald keinen Müll liegen lassen darf. 8

48 Das ist wissenschaftliches Arbeiten: Problem-Hypothese-Überprüfung durch ein Experiment- Auswerten-Schlussfolgerungen ziehen. VERSUCH 38: VERROTTUNG VON MATERIALIEN IM MINIGEWÄCHSHAUS Materialien Erde mit Bodentieren, verschiedene Materialien zum Verrotten (Apfel, Salat, Laubblatt, Brot, Plastiktüte, Blech ), Minigewächshaus, Pflanzbehälter, Wassersprühflasche Durchführung Pflanzbehälter im Minigewächshaus mit Erde füllen, Materialien zur Verrottung auflegen, alles befeuchten, Gewächshaus luftdicht verschließen, siehe Abb. 29 regelmäßiges Befeuchten. Vorsicht! Pilzsporen: Im Freien öffnen oder durch kleine Öffnungen gießen / sprühen, nichts inhalieren Langzeitbeobachtung nach1-2 d farbige Veränderungen und Pilzbewuchs, in den nächsten 4 Wo Veränderungen des Pilzbewuchses und Verschwinden des organischen Materials, Plastik etc. unverändert Versuchsansatz 10 min, Beobachtungszeitraum: mind. 4 Wo Abb. 29: Minigewächshaus

49 VERSUCHE MIT LEBENDEN TIEREN FÜR SCHÜLER DER UNTERSTUFE / SEK I In diesem Abschnitt sind Experimente dargestellt, die nach Ansicht der Autorin, ein größeres Gefahrenpotential darstellen bzw. so aufwendig sind, dass dies im Unterricht in der Grundschule nicht zu vertreten wäre. Selbstverständlich kann jeder Kollege, der einen Versuch für geeignet hält, verantwortungsvoll auch jüngere Schüler experimentieren lassen. Das trifft vor allem auf einige der folgenden Versuche zu. Weiterführende Experimente sind in der Beschreibung des Bodenbiologischen Praktikums zu finden. Zur Meldepflicht entsprechend des Tierschutzgesetz (TierSchG) 9 : In Deutschland müssen bei Forschungsarbeiten mit Tieren und Pflanzen die geltenden Tier-, Natur- und Artenschutzgesetze eingehalten werden. Jeder Tierversuch muss (vor Beginn der Arbeit!) von einem Tierschutzbeauftragten oder einer Forschungseinrichtung genehmigt werden. Bei einfachen Versuchen reicht es oft aus, wenn der Lehrer sich telefonisch mit dem zuständigen Ansprechpartner für Tierschutz berät und sich auf diesem Weg eine Genehmigung einholt. UNTERSUCHUNGEN ZUR ANATOMIE VON TIEREN Wenn Kinder Tiere den tierischen Körper betrachten, müssen sie dafür bekommen. Es empfiehlt sich, Beobachtungsschwerpunkte vorzugeben. Die Aufmerksamkeit des Schülers wird somit zielgerichteter und genauer. So ist er in der Lage, die Keller- von der Mauerassel anhand zwei oder drei der Fühlerendglieder zu unterscheiden. VERSUCH 39: UNTERSUCHUNGEN ZUR ANATOMIE VON TIEREN Materialien Lebende Tiere oder Tierleichen aus Spinnennetzen, vorhandene Optik der Schule (Lupen, Becherlupen, Binokular, Mikroskop), Schalen mit Deckel, Pinsel / Pinzetten / Zahnstocher, Behältnisse, Bestimmungsliteratur Durchführung - Beobachtungsschwerpunkte vorgeben, - Tiere in Schale setzen und mit Optik betrachten, - Je nach Aufgabenstellung zeichnen, formen oder beschreiben Zeichnung, Form oder Beschreibung mit dem vorgegebenen Beobachtungsschwerpunkt und mit der Bestimmungsliteratur vergleichen 5-30 min. VERSUCH 40: REGENWURM: FORTBEWEGUNG 9 TierSchG in der Fassung, der Bekanntmachung vom 25. Mai 1998 (BGBl. I S. 1105), geändert durch Artikel 2 des Gesetzes vom 12. April 2001 (BGBl. I S. 530)

50 Materialien Lebender Regenwurm, Papier Durchführung - Regenwurm über Papier kriechen lassen, - Muskulatur des Wurmes beim Kriechen beobachten Ein kratzendes Geräusch durch die Borsten des Regenwurms ist zu hören, während er über das Papier kriecht, Zusammenziehen und Strecken des Wurmes 3 min. VERSUCH 41: REGENWURM: WASSERAUFNAHME UND ABGABE DURCH DIE HAUT Regenwürmer haben eine dünne Haut. Durch sie atmen sie und nehmen Stoffe auf. Verschiedene Lösungen diffundieren je nach Konzentrationsgefälle in das Coelom. In einer hypotonischen Lösung nimmt er an Masse zu, bei einer isotonischen bleibt sein Gewicht gleich. Er verliert Gewicht in einer hypertonischen Lösung. In diesem Experiment werden 3 verschiedene Lösungen entsprechend eingesetzt. Materialien Wasser, (hypotonische Lösung) Natriumchloridlösung (NaCl) 2%ig, 100 ml, (hypertonische Lösung) Natriumchloridlösung (NaCl) 0,45%ig, 100 ml, (isotonische Lösung) 9 etwa gleich große, lebende Regenwürmer 3 große Petrischalen mit Deckel, Filterpapier, Waage Durchführung - Petrischalen A, B, C beschriften, in A Wasser, in B 2%ige NaCl- Lösung, in C 0,45%ige NaCl- Lösung füllen, - je 3 abgetrocknete Regenwürmer wiegen und in die Petrischalen legen und abdecken, - nach 40 min. Würmer herausnehmen und erneut wiegen Regenwürmer aus A sind schwerer geworden, aus B leichter, C keine Veränderung A: Salzkonzentration in Zellen des Wurms höher, daher Wasseraufnahme B: Salzlösung stärker konzentriert als Körperflüssigkeit, daher Wasseraustritt C: Lösung entspricht ungefähr dem Salzgehalt der Zellen und Gewebe, daher keine Veränderung 45 min.

51 VERSUCH 42: SCHNECKE FORTBEWEGUNG Dieser Versuch ist kombinierbar mit dem Experiment Schnecke: Nahrungsaufnahme. Materialien Lebende Schnecke, Glasscheibe (von Bilderrahmen), Lineal, Stoppuhr Durchführung - Schnecke auf glatter Oberfläche kriechen lassen, auch von unten beobachten, - Mit Lineal zurückgelegte Strecke nach 1 min. messen und Schneckentempo berechnen in cm / min. in km / h Schnecke hinterlässt Schleimspur, Schneckentempo Weinbergschnecke: ca. 8 cm / min 30 min. Für Kinder ist es faszinierend, die Tausendfüßer zu beobachten. Ihre wellenartigen Bewegungen der Beine begeistern. Es bieten sich für diese Beobachtungen Tiere an, die in der Laubstreu (siehe Versuch 36: Laubstreuuntersuchungen) gefunden wurden: Steinläufer, Erdläufer, Schnurfüßer und Bandfüßer an. Versuch 43: Tausendfüßer Fortbewegung Materialien Lebende Doppelfüßer, Hundertfüßer, Je nach Größe der Tiere weiße Schale, Pappkartondeckel oder Glasscheibe (von Bilderrahmen), Lineal, Stoppuhr Durchführung - Tausendfüßer in Behältnis kriechen lassen, mit Hilfe der Glasscheibe Bewegung von unten beobachten - Mit Lineal zurückgelegte Strecke in 30 sec. messen oder erfassen, die Tausendfüßer zum Bewegen aller Beine benötigt (eine Beinwelle von vorn bis hinten) Tausendfüßer bewegen sich durch wellenartiges, zeitversetztes Bewegen der Beine fort, Hundertfüßer: haben 1 Paar Beine pro Segment, am Kopf Antennen, bei Beobachtung der Unterseite: Giftklauen am Kopf sind gut sichtbar, letztes Beinpaar oft zu Zangen ausgebildet Diplopoden (Doppelfüßer) haben meist 2 Paar Beine pro Segment, an der Seite befindliche Punkte sind die Wehrdrüsen, Kopf ähnelt einem Rammbock (z. B. bei Julidae), Antennen, bei Beobachtungen der Unterseite: Unterscheidung der Geschlechter möglich: Geschlechtsöffnung hinter dem 2. Laufbeinpaar sichtbar 20 min.

52 Für die Beobachtung von Insekten sind vor allem Käfer, Ohrwürmer oder Feuerwanzen geeignet. Ist ein Formicarium vorhanden, sind Betrachtungen von Ameisen unter Berücksichtigung der nötigen Vorsichtsmaßnahmen möglich (siehe Versuch 58: Beobachtungsexperiment zur Futterübergabe bei Ameisen). VERSUCH 44: INSEKTEN: FORTBEWEGUNG Materialien Lebende Insekten, Je nach Größe: Petrischale mit Deckel, Stoppuhr Durchführung - Insekten in Behältnis kriechen lassen - Beobachtungen von allen Seiten möglich Insekten haben Mundwerkzeuge, Fühler und Komplexaugen am Kopf, der 3 Beinpaare und meist 2 Paar Flügel am Brustabschnitt und im Hinterleib alle inneren Organe, dort sind oft die sogenannten Cerci (Hinterleibsanhänge) auffällig 20 min. Der folgende Versuch ist nur wiederholt durchführbar, wenn mehrere mit Erde gefüllte Blumentöpfe vorhanden sind. Eine erhöhte Beobachtungskonzentration der Kinder muss eingefordert werden. VERSUCH 45: SPRINGSCHWÄNZE FORTBEWEGUNG Materialien Bepflanzte, mit Erde befüllte Blumentöpfe, Zahnstocher, Gießwasser Durchführung Blumentopf gießen oder mit Zahnstocher die Blumenerde berühren Kleine, an der Oberfläche lebende Springschwänze springen weg (man sieht kleine weiße Punkte hüpfen) 3 min.

53 UNTERSUCHUNGEN ZU SINNESLEISTUNGEN VON TIEREN VERSUCH 46: LICHTSINN Materialien Lebende Regenwürmer, Asseln o.a., Schale, schwarzes Papier Durchführung - Einen Teil der Petrischale mit schwarzem Papier abdecken, - Tiere einsetzen und Bewegung beobachten, - Abdeckung verändern, - erneut beobachten Die meisten Bodentiere scheuen das Licht, verkriechen sich ins Dunkle 5 min. TASTSINN VERSUCH 47: BERÜHRUNGSREIZ REGENWURM: FLUCHTREAKTION Materialien Regenwurm, Schale, Stift Durchführung - Regenwurm vorsichtig mit Stift an beiden Enden berühren, - Reaktion beobachten Am Vorderende besitzt der Regenwurm mehr Sinneszellen und zuckt bei Berührung zurück 3 min. VERSUCH 48: BERÜHRUNGSREIZ ROLLASSEL, TAUSENDFÜßER: EINROLLVERMÖGEN Materialien Rollassel, Tausendfüßer, Schale, Stift Durchführung Tiere vorsichtig mit Stift berühren, Reaktion beobachten Bei Berührung rollen sich Rollassel und Doppelfüßer ein, um sich zu schützen 3 min. VERSUCH 49: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM, KELLER- UND MAUERASSELN: THIGMOTAXIS Materialien Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln, Petrischale, Stift Durchführung Tiere vorsichtig mit Stift berühren, Reaktion beobachten - Bei Berührung schmiegen sich Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln mit dem gesamten Körper am Rand der Schale an den Untergrund (Thigmotaxis), - Von unten bei Petrischale gut zu beobachten 3 min.

54 VERSUCH 50: BERÜHRUNGSREIZ SCHNECKE: FLUCHTREAKTION Materialien Schnecke, Schale, Stift Durchführung - Schnecke vorsichtig mit Stift an Fühlern und anderen Körperteilen berühren, - Reaktion beobachten Fühler werden eingezogen, Gehäuseschnecken ziehen sich in ihr Haus zurück, Nacktschnecken rollen sich ein 5 min. VERSUCH 51: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM IN UNTERSCHIEDLICHER INTENSITÄT Materialien Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln Petrischale, Pinsel, Nadel, Stift, Pinzetten Durchführung - Ohrwurm mit unterschiedlicher Intensität an verschiedenen Körperteilen berühren, - Reaktion beobachten Bei Berührung mit den verschiedenen Materialien sind folgende Reaktionen zu erwarten: Bein putzen, Abheben des Hinterleibes, Präsentieren der Zangen, Zupacken mit den Zangen, Flucht, Thigmotaxis (s. o.) 3 min. VERSUCH 52: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM: AKINESE (TOTSTELL-REAKTION) Materialien Ohrwurm, Petrischale, Filterpapier, Pinzette Durchführung - Tiere vorsichtig mit Pinzette an Zangen gefasst rückwärts über Oberfläche ziehen, - Reaktion beobachten Nach anfänglichen Klammerversuchen am Untergrund stellt sich der Ohrwurm tot (völlige Bewegungslosigkeit), Dauer von 2 s-½ Stunde 3 min. Rüsselkäfer (Curculionidae), Borkenkäfer (Scolytidae), Schnellkäfer (Elateridae) und Marienkäfer (Coccinellidae) zeigen die gleiche Reaktion. VERSUCH 53: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM: REAKTION DER FÜHLER (ANTENNEN) Materialien Ohrwurm, Glasröhre Durchführung - Ohrwurm vorwärts und rückwärts durch eine Glasröhre laufen lassen und

55 - Fühler beobachten Jeweils ein Fühler (hat viele Tasthaare) tastet an der Glaswand zur Orientierung entlang 3 min. VERSUCH 54: FEUCHTIGKEITSINN Materialien Wasser, lebender Regenwurm, Filterpapier, Petrischale Durchführung - Petrischale halb mit feuchtem, halb mit trockenem Filterpapier auslegen, - Wurm in die Mitte legen und - Bewegungsrichtung beobachten Regenwurm kriecht auf die feuchte Seite der Petrischale 3 min. VERSUCH 55: CHEMISCHER REIZ Materialien Lebender Regenwurm, Essig, Wattebausch, Petrischale Durchführung Etwas Essig auf Wattebausch tröpfeln und dem Wurm hinhalten, Reaktion des Wurmes beobachten Regenwurm wendet sich von Essig ab 3 min.

56 UNTERSUCHUNGEN ZUR LEBENSTÄTIGKEIT UND LEBENSWEISE VON TIEREN VERSUCH 56: DURCHMISCHUNGSVERSUCH MIT REGENWÜRMERN Um die Lebensweise von Regenwürmern darzustellen, kann jeder Schüler sich ein Regenwurmterrarium anlegen und die Tiere beobachten. Einer PET-Flasche wird das Oberteil abgeschnitten und als Trichter verwendet. Dann wird der Flaschenkörper abwechselnd mit Erde und Sand gefüllt, mit Regenwürmern besetzt und etwas pflanzliche Nahrung (geriebener Apfel, Laub, Gras) zugefügt und das Ganze mit Lebensmittelfolie abgedeckt. Der Versuchsansatz wird 14 Tage stehen gelassen, so dass die Schüler ein Beobachtungsprotokoll aller 2 Tage anfertigen und zur Benotung abgeben können. Während dieser sollte die Oberfläche ab und zu befeuchtet werden. Materialien 3-5 Regenwürmer, Nahrung (Apfel, Salat, Laub ), 1-1,5 l-pet- Flasche, Schere, Erde, Sand (z. B. Vogelsand),, Wassersprühflasche, Folie Durchführung - Einer PET-Flasche den oberen Teil abschneiden und - Abwechselnd Erde- und Sandschichten einfüllen, - Regenwürmer einsetzen und pflanzliche Nahrung auflegen, - Regelmäßig Befeuchten, evtl. mit Folie abdecken, - Langzeitbeobachtung (siehe Abb. 30 oben) Regenwürmer vergraben sich, Gänge werden sichtbar, Erde und Sand vermischen sich zunehmend, die Schichten sind nicht mehr eindeutig auszumachen (siehe Abb. 30 unten) Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 14 d, Protokoll über 7 d

57 Abb. 30: Regenwurm-Durchmischungsversuche NAHRUNGSAUFNAHME Es gibt viele Möglichkeiten, die Nahrungsaufnahme quantitativ und qualitativ zu beobachten. Es könnte interessieren, wie viel pro einheit gefressen wird (Fraßleistung), welche Arten welche Nahrung fressen (die Ermittlung Nahrungspräferenz) und wie sich die Temperatur auf das Fressen auswirkt. Die Nahrungsmengen können berechnet werden durch: - die Ermittlung der Gewichtsdifferenz (sehr feine Waage notwendig), - der abgegebenen Losungen, - der Berechnung der gefressenen Blattfläche. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Schüler je nach Alter und mathematischen Fähigkeiten die Nahrungsaufnahme von Bodentieren berechnen zu lassen.

58 VERSUCH 57: NAHRUNGSAUFNAHME VON BODENTIEREN Materialien Genormte Laubblattstücke (z. B. 1 x 1 cm groß) verschiedener Bäume, lebende Asseln, Tausendfüßer, PVC-Gefäß, Durchführung - Je 4 Tiere mit 4 Laubblattstücke in Behälter setzen, - Gesamtes Gefäß dunkel stellen und - Nach 24 h Nahrungsreste kontrollieren (Ob und was wurde gefressen?) Tiere bevorzugen weichere Blätter, z. B. Birke, Ahorn und Eiche weniger, oft allerdings nur Aufnahme von Pflanzen vom Fundort der Tiere Versuchsansatz: 3 min., Versuch: 24 h und länger VERSUCH 58: BEOBACHTUNGSEXPERIMENT ZUR FUTTERÜBERGABE BEI AMEISEN Ameisen können in Formicarien 10 gehalten werden, aber auch nur für einen Versuch ins Haus geholt werden. Die Autorin bevorzugt eine PVC-Schale mit Deckel (Vorsichtsmaßnahme zum schnellen Verschließen des Gefäßes), deren Rand sehr breit mit flüssigem, milchig weißem Teflon (eine Art Kunststoff, welcher auch oft als Antihaftmittel eingesetzt) wird bestrichen wird. Flüssiges PTFE GP1 ist im Internet 11 (ab 10 ml) bestellbar und die Verwendung dort beschrieben. Es ist eine ideale Ausbruchssicherung für Ameisen. Der unverdünnt aufgetragene Film ist lange haltbar, die Ameisen finden darauf keinen Halt und rutschen ab. Vor Gebrauch sollte gut geschüttelt werden. Der Film muss am Rand etwa 3- mal so breit sein, wie die Ameisen lang sind. Durch das Teflon können die Ameisen die Schale nicht verlassen. Honig stellt eine Nahrungsquelle dar. Findet eine den Honig, wird sie bei der Begegnung mit einer Artgenossin diese betrillern (mit Fühlern betasten) und dann füttern. Materialien Ameisen, Honig, PVC-Gefäß mit Deckel, flüssiges PTFE (flüssiges Teflon), Durchführung - PVC-Gefäß am Rand mit flüssigem Teflon bestreichen und trocknen lassen, - Etwas Honig in die Mitte tropfen, Ameisen einsetzen, - Beobachten Tiere laufen zunächst stark umher, wird der Honig gefunden, werden vorbeilaufende Tiere betrillert und gefüttert Versuchsansatz: 30 min., Versuch: 10 min. 10 weitere Informationen unter URL: 11 Bezugsadresse für flüssiges Teflon: URL:

59 VERSUCH 59: NAHRUNGSAUFNAHME BEI SCHNECKEN Die mit Zähnchen besetzte Raspelzunge der Schnecken wird Radula genannt. Sie kann sichtbar gemacht werden, indem einer Schnecke Nahrung auf einer Glasscheibe angeboten wird. Gleichzeitig bewegt sich die Schnecke vorwärts, so dass dieser Versuch auch gut mit dem Experiment Fortbewegung der Schnecke (s.o.) kombiniert werden kann. Materialien Lebende Schnecken, Zucker, Mehl, Wasser, Glasscheibe (von Bilderrahmen), Uhrglasschälchen, Holzstäbchen, Durchführung - Im Uhrglasschälchen etwas Wasser mit Zucker und Mehl zu dickem Brei verrühren, - Brei auf die Glasplatte auftragen, - Schnecken aufsetzen, - Auf der Unterseite der Glasscheibe beobachten Schnecke schabt den Brei mit der Zunge unter leckenden Bewegungen ab 10 min.

60 EXPERIMENTE FÜR DIE KLASSENSTUFEN 8-12 BODENBIOLOGISCHE METHODEN: BODENORGANISMEN SICHTBAR MACHEN Eine der wertvollsten Einblicke in das geheime Leben der unzähligen Bodenbewohner ermöglicht man den Schülern durch Untersuchungen von Laubstreu. In einer Hand voll mitteleuropäischer Erde hat man mehr Lebewesen als Menschen auf der Erde leben. Diese Tiere werden neben systematischen Gruppen auch entsprechend ihrer Größen oder Lebensweise geordnet. Man unterscheidet somit die Mikro-, Meso-, Makro-, und Megafauna. Neben Bakterien und Pilzen können unter dem Mikroskop im Wasserfilm des Bodens lebende Protozoen sichtbar gemacht werden. Nematoden (Fadenwürmer) gewinnt man, durch den Einsatz einer Baermann -Apparatur: Hier werden Tiere in Wasser suspendiert. Springschwänzen, Milben, Enchyträen und Bärtierchen wird man durch eine Berlese- Apparatur habhaft. Käfer, Doppelfüßer und Asseln liest man mit Pinzette oder Exhaustor aus der Laubstreu oder fängt sie mit einer Barberfalle. Regenwürmer können durch Wasser, Senf oder Strom aus dem Boden getrieben werden. Vorteilhaft ist das Betrachten der Tiere unter einer Stereolupe, dem Binokular. Mittlerweile gibt es robuste Angebote Geräte mit Akkubetrieb, Auf- und Durchlicht zum Betrachten der Probe, die man auch mit auf Exkursion nehmen kann. Eine Vergrößerung zwischen 20- und 40fach ermöglicht faszinierende dreidimensionale Einsichten in die Anatomie und das Verhalten der Tiere. Hilfreich zum Auflesen der zarten Organismen sind Pinsel, Zahnstocher, Uhrmacher- oder Federstahlpinzetten sowie Exhaustoren. Mit diesen kann man flinke, zarte Tiere einfach aufsaugen. Vorschlag zur methodisch- didaktischen Vorgehensweise Um Schülern das unterirdische Leben nahe zu bringen, muss man es also ans Tageslicht befördern, da ein Eintauchen, wie in einem aquatischen Ökosystem, nicht möglich ist. Es empfiehlt sich, die Organismen und ihren Lebensraum zunächst vorzustellen. Danach ist die Neugier für die Thematik geweckt und die praktischen Arbeiten können beginnen. Die Schüler bilden Gruppen von je 4 (-max. 5) Personen und legen fest, wer von ihnen den Boden aus Wald, vom Feld, von der Wiese und vom Beet (Straßenrand) bearbeiten wird. Die Proben werden im Fachunterricht Chemie, Physik und Biologie untersucht.bevor die Versuche mit den Böden beginnen, sollte jeder Schüler sich als erstes die dafür benötigten Geräte selbst herstellen. Sie kommen dann, je nach Arbeitsauftrag (siehe S. 61) in der Schule oder wie von der Autorin erprobt, bei den Gymnasiasten zu Hause zum Einsatz. Ein Planungsvorschlag folgt auf S. 63.

61 KOMPLEXE LEISTUNG IM FACH NATURWISSENSCHAFTLICHES PROFIL Aufgabe: Jede Schülergruppe fertigt eine Web Site und dokumentiert damit die Versuche anhand der Protokolle aus dem Fachunterricht. Durchführung: Bildet eine Schülergruppe mit einer Stärke von genau 4 Schülern (max. 5). Jeder Schüler der Gruppe ist für Boden eines anderen Standortes (Wald, Feld, Wiese, Beet, (Straßenrand)) verantwortlich und untersucht diesen durch eine entnommene Bodenprobe in Profil- Physik, Profil- Chemie und Profil- Biologie. Im Unterricht werden die Versuche protokolliert und gegebenenfalls dokumentiert (Foto, Skizze, graphische Darstellung/ Protokoll). Es empfiehlt sich die sofortige Übertragung in digitale Formate. In Profil- Informatik lernt ihr zunächst die Erstellung einer Web- Site und die Einbindung der digitalen Dokumente. Layout und Design der Web Site wird in der Gruppe erarbeitet. Die Erstellung der Boden - Web- Site erfolgt als Hausaufgabe. Inhaltliche Anforderungen an die Web- Site: Physik Chemie Biologie Bestimmung der Nachweis von Bodenart löslichen Chloriden, Sulfaten Untersuchungen zum Nachweis von Wasserhaushalt des Eisen (II)- Verbindungen Bodens und Natriumverbindungen Bestimmung des Kalkgehalt und Humusgehaltes ph - Wert 1. Nachweis von Bodenleben 2. Belebungsgrad des Bodens 3. Bestimmung von Bodenorganismen durch Auswertung frischer Proben Barberfalle Berlese Tullgren Apparatur Zusatz: Baermann Trichter Aufschlämmung - Fachlich exakte Darstellung naturwissenschaftlicher Vorgänge in Form von Protokollen

62 - Gesamtauswertung des jeweiligen Standortes (Wald, Feld, Wiese, Beet, (Straßenrand)) der physikalischen, chemischen Eigenschaften in Beziehung zu den Bodenlebewesen. Strukturelle Anforderungen: - Web Site in ansprechendem Layout und mit einer guten Menüführung nach XHTML-Standard - Quelltext; Jeder Schüler vermerkt im Quelltext seinen Anteil an der Gesamtleistung! - CSS-Datei - Als Hilfsmittel werden die im Informatikunterricht vorgestellten Editoren zugelassen. Termine: - Zyklischer Fachunterricht, beginnend am , Wechsel nach 2 Doppelstunden in den nächsten Fachbereich - Abgabe der Boden - Web- Site am auf einem geeigneten Speichermedium. Alle Schüler können die Daten auch in unserem Intranet in dem Ordner KomplexeLeistung9 speichern. Die Ordnerbezeichnungen sollen mit dem Namen des betreuenden Informatiklehrers beginnen. Bewertung: Wertigkeit: Komplexe Leistung Fachliche und inhaltliche Einschätzung: Jeweils eine Note im Profilfach (Biologie, Physik, Chemie) Quelltext der Webseiten und der CSS-Datei: Note in der Profilinformatik Kenntnisnahme der Schüler:

63 STOFFVERTEILUNGSPLAN (LP ) Lage im Stundenplan: Dienstags 1. Block Nawi - Profil Klasse 9 Lernbereich 4: Boden Biologie Stunden Ziel Grundbegriffe/ Lern- und Zielebene Inhalte Arbeitstechniken Bemerkungen 1 Destruenten im Boden wirbellose Tiere, Frontal Einführung in die Pilze, Bakterien 2 Bodenbiologie Gruppenarbeit Laubstreuzersetzung 3 Ökosystem, Edaphon Systematisierung Bodenorganismen und ihr Computerraum Mykorrhiza als Symbiose Stoffaustausch, 4 Lebensraum Umgang mit Computer vorbestellen Bedeutung dieser Symbiose 5 Einführung in die Komplexe Erwartungen, Bewertung, Termine Frontal Laubstreu besorgen 6 Leistung Auslesen und Mikroskopieren von Beobachten, Untersuchen, Mikroskope, Laubstreuuntersuchungen Bodenorganismen Umgang mit optischen Geräten Binokulare 7 Arbeitsmaterialien Fallen, Exhaustoren Methoden der Bodenbiologie bereitstellen 8 Gerätebau Berlese, Exhaustor, Pinzetten, Baermann Experimentieren Beachten der Sicherheitsbestimmungen 9 Erfassen von Organismen im Oberboden Experimentieren Beachten der Veränderung der chemischen Auswerten statistischen Biochemisches Praktikum Sicherheitsbestimmungen 10 Zusammensetzung Materials Auswirkung auf Organismen Maßnahmen zur Bodenerhaltung 11 Exkursion zu SKW Piesteritz/Cunnersdorf BioChem agrar GmbH Auswirkung von Luftschadstoffen und Düngung auf Böden Ursachen von Bodenverdichtung und Bodenerosion, Bewirtschaftungsformen Sich positionieren zur nachhaltigen Bodennutzung und zu Maßnahmen des Bodenschutzes Elternbrief, Genehmigung der Schulleitung

64 Die Schüler entnehmen zu Hause an dem von ihnen gewählten Boden eine Probe und füllen sie in den Berlese-Extraktor oder in den Baermann-Trichter und stellen die Barber-Falle auf. Die Inhalte der Fallen werden dann, wie auch eine definierte Menge einer frischen Erdprobe (eine Konservendose voll), mit in die Schule gebracht. Hier werden die Tiere aus den Fallen mit dem Binokular untersucht und die frischen Erdproben biochemischen und physikochemischen Untersuchungen unterzogen. Die vorgaben in den Tabellen zeigen den bedarf aus eigener Erfahrung bei straffen Arbeiten und die Machbarkeit im Unterricht in den Gruppen. Fallenauswertung Mit Hilfe von Bestimmungskarten systematisiert der Schüler die gefangenen Organismen und erhält so einen quantitativen Überblick über die Bodenfauna Innerhalb ihrer Arbeitsgruppe bekommen die Schüler einen Überblick über die Verschiedenartigkeit des Lebens in den Böden. Frische Bodenprobe Von jedem frischen Boden wird eine Probe entnommen und in eine weiße Schale gegeben. Danach können mit Pinzette, Pinsel und Exhaustor die Bodenorganismen in eine Petrischale auslesen werden und unter dem Binokular, Mikroskop bzw. Lupe betrachtet und bestimmt werden. Die Schüler sollten durch problemorientierte Fragen unter Anleitung zum Nach- und Weiterdenken veranlasst werden. Hilfreich sind laminierte Karten mit konkreten Aufgabenstellungen sowie das probeweise Auslesen von Laubstreu in einer der vorherigen Stunden. Abb. 31: vorbereitete Bodenproben

65 BIOCHEMISCHE UNTERSUCHUNGEN 12 Belebungsgrad des Bodens durch den CO 2 -Nachweis Bodenorganismen atmen. Sie nehmen Sauerstoff O 2 auf und geben das, durch Stoffwechselprozesse entstehende Kohlenstoffdioxid CO 2 ab. Kohlenstoffdioxid CO 2 reagiert mit Bariumhydroxidlösung Ba(OH) 2 zu Bariumcarbonat BaCO 3, das als Niederschlag ausfällt. VERSUCH 60: CO 2 -NACHWEIS (EINFACH) Materialien Erdproben, Bariumhydroxid (Ba(OH) 2 ), (C) Petrischalen mit Deckel, Objektträger, Schutzbrillen, Aufgabenkarte, Stoppuhr Durchführung - Von jedem Boden eine Probe entnehmen und in eine Schale geben, - Bariumhydroxidlösung mit Pipette auf einen Hohlschliffobjektträger tropfen, - Sofort luftdicht mit Deckel verschließen! - Mit Stoppuhr die Dauer bis zur sichtbaren Veränderung der Chemikalienfarbe feststellen (siehe Abb. 32) Das entstehende Carbonat bildet einen weißen Niederschlag, der die Flüssigkeit trübt. Damit ist der Nachweis für das Vorhandensein von CO 2 erbracht. Dies ist aber keine quantitative Messung. Die unterschiedlichen Bodenproben benötigen unterschiedlich lang, um den weißen Niederschlag (Bariumcarbonat) zu bilden, zumeist im Wald und Feld schneller als in Wiese und Beet Versuchsansatz: 3 min., Versuch 5 min. Abb. 32: CO 2 -Nachweis (einfach) 12 Als Grundlage für die folgenden Versuchsanleitungen nutzte die Autorin u.a. die URL

66 VERSUCH 61: CO 2 -NACHWEIS (QUANTITATIV-SEK. II) Die Titerberechnungen sollten erklärt werden, da Schüler in der Regel nur mit einwertigen Säuren und Basen rechnen. Hier wird die zweiwertige Kohlensäure mit der einwertigen Natriumhydroxid-Lösung titriert. Materialien getrocknete Bodenprobe, Chlorwasserstoffsäure (HCl), 1 mol/l, (C) Natronlauge (NaOH), 1 mol/l, (C) Phenolphthalein (T) Weithals-Erlenmeyerkolben (250 ml), 3 Einweckgläser (1 L) mit Gummi, Deckel und Klammer, Bürette, Bürettenklammer, Magnetrührer mit Rührfisch, Bechergläser (50 ml und 100 ml) Durchführung g Bodenprobe in ein 1 l-einweckglas füllen, - 20 ml Natronlauge in ein 50 ml-becherglas geben und in das vorbereitete Einweckglas stellen. - Dicht verschließen und bei konstanter Temperatur 12 h stehen lassen. - Temperatur notieren. Es empfiehlt sich, mit 2 weiteren Gläsern ebenso zu verfahren. - Nach der 12 stündigen Bebrütungszeit - den Inhalt des 50 ml-becherglas aus dem Einweckglas in einen 250 ml-weithals-erlenmeyerkolben umfüllen, - mit 50 ml Wasser und wenigen Tropfen Phenolphthalein versetzen, - Aus der Bürette wird Chlorwasserstoffsäure unter Rühren titrieren, bis ein Farbumschlag erkennbar ist - Den Verbrauch von Chlorwasserstoffsäure notieren. Titration erfolgt bis zum Verschwinden der Rosafärbung. Das von den Mikroorganismen ausgeschiedene Kohlenstoffdioxid wird von den 20 ml Natronlauge im Becherglas absorbiert. Das CO 2 reagiert dabei erst mit dem Wasseranteil der Natronlauge zu Kohlensäure, die dann mit den Hydroxid-Ionen zu Hydrogencarbonat- bzw. Carbonat-Ionen reagieren. Der unverbrauchte Teil der Natronlauge kann nun maßanalytisch mit Salzsäure bestimmt werden. Phenolphthalein dient hier als Indikator. Für die Berechnungen des entstehenden Kohlenstoffdioxids gelten folgende Beziehungen: CO 2 (aq) + H 2 O (l) H 2 CO 3 H + (aq) + HCO 3 - (aq) H 2 CO 3 (aq) + OH - (aq) HCO 3 - (aq) +H 2 O (l) H 2 CO 3 (aq) + 2 OH - (aq) CO 3 2- (aq) + 2 H 2 O (l) 2n (CO 2 ) = (OH - )-n un (OH - ) = n (OH - ) Beispiel: Titerbestimmung: n 0 = Ausgangsstoffmenge n un = unverbrauchte Stoffmenge

67 20 ml NaOH Vorlage Verbrauch HCl: c = 0,1 mol/l = 18,4mL Titer= tatsächlicher Verbrauch = 18,4mL = 0,9 mol/l theoretischer Verbrauch 20 ml c (NaOH) = 0,09 mol/l n 0 (OH - ) = V (HCl) c (NaOH) = 0,02 l 0,09 mol/l = 0,0018 mol = 1,8 mmol n un (NaOH) = V (HCl) c (HCl) = 0,01l 0,1 mol/l = 0,001 mol = 1 mmol 2n(CO 2 )= n 0 (OH - )-n un (OH - ) = n (OH - ) = 1,8 mmol/l-1 mmol = 0,8 mmol / : 2 n (CO 2 ) = 0,4 mmol m(co 2 ) = M (CO 2 ) n (CO 2 ) = 44 mg/mmol 0,4 mmol = 17,6 mg Die Bodenorganismen in 200 g Boden haben in 12 h 17,6 mg CO 2 ausgeschieden. Vorbereitung: 12 h, Durchführung: 15 min BELEBUNGSGRAD DES BODENS DURCH DEN KATALASE-NACHWEIS Der Belebungsgrad eines Bodens kann durch den Katalase-Nachweis bestimmt werden. Als Indikatorreaktion wird der durch das Enzym Katalase beschleunigte Wasserstoffperoxid-

68 Zerfall benutzt. Wie kommt Katalase in den Boden? Mikrobodies in den Zellen der Organismen sind Zellorganellen, die das Enzym Katalase bilden, das das für die Zelle giftige Wasserstoffperoxid zersetzt. Das während Stoffwechselprozessen entstandene Wasserstoffperoxid zerfällt so in die ungiftigen Stoffe Wasser und Sauerstoff. Die Bodenorganismen produzieren in ihren Zellen sehr viel Katalase, so dass das überschüssige Enzym von ihnen ausgeschieden wird. Da es relativ stabil ist, kann es im Boden nachgewiesen werden. Ist der Boden Katalase-reich, sind viele Organismen an der Humusbildung beteiligt. VERSUCH 62: KATALASE-NACHWEIS (EINFACH) Materialien Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) 3%ig, (O, C), Erdproben ohne Wurzeln, Uhrglasschalen, Schutzbrille, Handschuhe, Aufgabenkarte (siehe Abb. 33) Durchführung - Von jedem Boden eine Probe entnehmen und in eine Uhrglasschale geben, - H 2 O 2 mit Pipette auf die Probe tropfen, - Intensität der Reaktion beobachten und abschätzen Weiterführende Experimente: Versuch 63, Versuch 91. Wasserstoffperoxid lässt die Bodenproben unterschiedlich stark aufbrausen Zumeist reagieren Wald und Feld stärker als solche aus Wiese und Beet Versuchsansatz: 3 min., Versuch 5 min. Abb. 33: Aufgabenkarte zu Katalase-Nachweis VERSUCH 63: KATALASE- NACHWEIS (QUANTITATIV SEK. II) Materialien Erdproben ohne Wurzeln, Erlmeyerkolben, durchbohrter Wasserstoffperoxidlösung (H 2 O 2 ), Stopfen, Schlauch, pneumatische 3%ig, (O, C) Wanne, Reagenzglas bzw. Wasser Messzylinder, Pipette, trockene Stoppuhr, Schutzbrille, Handschuhe,

69 Aufgabenkarte Durchführung - Von jedem Boden 5 g trockene, wurzellose Probe entnehmen und in den Erlmeyerkolben geben, - Pneumatische Wanne und Reagenzglas füllen und bereitlegen, - 10 ml H 2 O 2 mit Pipette bzw. Spritze auf die Probe tropfen, - Stopfen auf Erlmeyerkolben stecken und - Den sich entwickelnden Sauerstoffs auffangen (siehe Abb. 34), - (min) und verdrängtes Wasser (ml) messen, auswerten Die Menge des aufgefangenen Sauerstoffs ist unterschiedlich. Bei Proben aus Wald und Feld entsteht mehr O 2 als in Proben von Wiese und Beet, korreliert meist mit CO 2 - Test. Zur Auswertung die Menge des aufgefangenen Sauerstoffs pro Minute mit Tabelle 3: Bestimmung der Bodenqualität durch den Katalasewert (ml O 2 /min.) vergleichen Versuchsansatz: 3 min., Versuch 5 min. Abb. 34: Versuchsaufbau Katalase-Nachweis (quantitativ Sek. II) Tabelle 3: Bestimmung der Bodenqualität durch den Katalasewert (ml O 2 /min.) Katalasewert (ml O 2 /min.) Bodenbeurteilung 0-5 sehr schlecht 6-14 schlecht befriedigend gut 50 & höher sehr gut aus: Praxis der Naturwissenschaften Chemie, Aulis & Deubner KG Köln, 6/42, 1993

70 PHYSIKO-CHEMISCHE UNTERSUCHUNGEN BESTIMMUNG DER MINERALISCHEN ZUSAMMENSETZUNG DES BODENS Die Untersuchung der Minerale mit Lupe bzw. Binokular und deren Größenbestimmung lässt auf das mineralische Ausgangsgestein des Bodens schließen. Durch Verwitterungsprozesse der gesteinsbildenden Erdschichten befinden sich die Minerale stark zerkleinert und verteilt im Boden wieder. Sie sind wichtige Pflanzennährstoffe. Die gefundenen Substanzen deuten auf die Anwesenheit verschiedener Pflanzennährstoffe hin. Durch das Verrühren der Bodenprobe mit Wasser werden die einzelnen Bestandteile gut sichtbar: pflanzliche Reste, Tiere und feste Bestandteile in verschiedenen Größen, Formen und Farben. Wenn ein Binokular benutzt wird, kann durch das Umschalten zwischen Aufund Durchlicht die Bestimmung der mineralischen Eigenschaften vereinfacht werden. VERSUCH 64: BESTIMMUNG DER MINERALISCHEN ZUSAMMENSETZUNG DES BODENS Materialien Lufttrockene Bodenprobe, Wasser Petrischale oder Glasplatte ca. 5 x 5 cm (Bilderrahmen, Diagläschen), Lupe oder Binokular, Spatel, Millimeterpapier Durchführung - Glasplatte auf das Millimeterpapier legen, - Eine Spatelspitze Bodenprobe mit etwas Wasser vermischen und - Mit der Lupe betrachten. - Anhand des Millimeterpapiers die Größen, Farben und Farben feststellen und protokollieren Merkmale Bodenmineralien weiße, gelbe bis rötliche Körnchen Feldspat hellgraue, im durchfallenden Licht Quarz wasserklare, rundliche Gebilde glänzende, das Licht reflektierende Glimmer Blättchen dunkelblaue bis schwarze Schiefer unregelmäßige Bruchstückchen dunkel bis schwarze Bestandteile Hornblende 10 min.

71 BODENARTBESTIMMUNG Dieses Experiment hat einen orientierenden Charakter, exakte Bestimmungen erreicht man nur durch Laboranalysen. VERSUCH 65: BESTIMMUNG DER BODENART MIT DER FINGERPROBE Materialien Erde ohne Lebewesen, evt. verschiedene Bodenproben, Wasser Durchführung Trockenen Boden etwas anfeuchten, der Boden ist richtig, wenn er schmierig zwischen den Fingern ist, Boden zwischen den Fingern zerreiben, Beobachtung der Form-, Knetbarkeit und Beschmutzung der Hand Bodenart kann annähernd ermittelt werden: Bodenart Tastempfindung Form- u. Beschmutzung Knetbarkeit der Hand Sand rauh bis körnig trocken, nicht keine formbar lehmiger rauh und körnig etwas formbar sehr wenig Sand sandiger etwas körnig gut form- u. wenig Lehm knetbar Lehm etwas körnig gut form- u. stark knetbar toniger Lehm schmierig gut form- u. sehr stark knetbar Ton schmierig, gut form- u. sehr stark klebrig knetbar pro Probe 10 min KALKGEHALT UND SULFIDE IM BODEN Der Carbonatgehalt ist neben den Tonmineralien von großer Bedeutung für einen fruchtbaren Boden. Er ist nicht nur für einen konstanten Boden-pH-Wert verantwortlich (Puffersystem), sondern dient auch als Kohlenstoffquelle für die Pflanzen. Für den Bauern ist es wichtig zu wissen, wie hoch der Carbonatgehalt in seinem Ackerboden ist. Abhängig von der Art der Kulturpflanze liegt der optimale Carbonatgehalt meist zwischen 1 und 3 %. Die Pflanzen wachsen sehr gut und der Boden wird nicht durch Übersäuerung ausgelaugt. Ob der Boden kalkbedürftig ist, kann man aus der Tabelle 4: Kalkgehalt des Bodens ablesen.

72 Tabelle 4: Kalkgehalt des Bodens Kalkgehalt Bodenbeurteilung Maßnahmen auf Ackerboden < 0,5 sehr carbonatarm häufiger kalken 0,5-2 carbonatarm etwas Kalkzusatz 2-4 schwach carbonathaltig wenig Kalkzusatz 4-7 mittel carbonathaltig schwach bedürftig 7-10 stark carbonathaltig keine Kalkzugaben 10-> 50 carbonatreich-extrem carbonatreich aus Praxis der Naturwissenschaften Chemie, Aulis & Deubner KG Köln, 5/43, 1994 Für Schüler der Sek I und Sek II ist eine annähernde Bestimmung des Kalkgehaltes im Boden ausreichend. Quantitative Bestimmungen erfolgen mit den gasvolumetrischen Bestimmungsgeräten nach PASSON oder HACKMANN. In einem geschlossenen System wird durch die Bestimmung des sich entwickelnden Gasvolumens der prozentuale Kalziumcarbonatgehalt des Bodens bestimmt. Entsteht bei dem folgenden Versuch der Geruch nach faulen Eiern (Schwefelwasserstoffgeruch), deutet dies auf das Vorhandensein von Sulfiden im Boden hin. VERSUCH 66: BESTIMMUNG DES KALKGEHALTES UND SULFIDNACHWEIS IM BODEN Materialien 1 Teelöffel (10g) luftgetrocknete Petrischale, Tropfpipette Erde ohne Pflanzen und Tiere, Chlorwasserstoffsäure (HCl (aq) ) 10%ig, (C) Durchführung Einen Teelöffel Erde in Petrischale füllen, Einige ml Chlorwasserstoffsäure auftropfen und Die Stärke des Aufbrausen und Geruch ermitteln Die Salzsäure setzt die Kohlensäure aus ihren Salzen frei: CaCO HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O Unter mehr oder weniger stark anhaltendem Aufbrausen entweicht das Kohlenstoffdioxid. Aus der Dauer und Stärke des Aufbrausens lässt sich auf den Kalkgehalt des Bodens schließen: Kalkgehalt im Boden Stärke des Aufbrausens unter 1% kein Aufbrausen 1%-2% schwaches Aufbrausen 3%-4% starkes Aufbrausen, aber nicht anhaltend über 5% starkes, lang anhaltendes Aufbrausen Entsteht Schwefelwasserstoffgeruch (nach faulen Eiern), befinden sich

73 Sulfide im Boden 5 min Über den Kalkgehalt des Bodens kann man mit dem Versuch 66: Bestimmung des Kalkgehaltes und Sulfidnachweis im Boden bereits Aussagen treffen. In der Sek. II kann der Carbonatgehalt der Proben durch Versuche und Berechnungen qualitativ und quantitativ ermittelt werden. VERSUCH 67: BESTIMMUNG DES KALKGEHALTS (QUANTITATIV UND QUALITATIV-SEK II) Materialien getrocknete Bodenprobe, Gärröhrchen mit durchbohrten Chlorwasserstoffsäure (HCl) 1 mol/l, Stopfen, Reagenzglas, Pipetten, (C) Pipettenhütchen, Bürette, Natronlauge (NaOH) 1 mol/l, (C), Bürettenklammer, Magnetrührer Calciumhydroxid-Lösung, (Xi), mit Rührfisch, Erlenmeyerkolben, Phenolphthalein (T) Glastrichter, Faltenfilter, Mörser Durchführung Versuchsvorbereitung: ca. 10 g Bodenprobe bei 100 C im Trockenschrank trocknen oder in Mikrowelle Qualitative Kalkbestimmung: 3-5 g fein zermörserte, trockene Bodenprobe in ein Reagenzglas schütten, einige Tropfen Chlorwasserstoffsäure hinzu geben und sofort das Reagenzglas mit dem mit Calciumhydroxid-Lösung gefüllten Gärröhrchen verschließen, Gasentwicklung beobachten Quantitative Kalkbestimmung: 3-5 g des getrockneten Bodens mit einem bestimmten Volumen 1 molarer Chlorwasserstoffsäure versetzen und ca. 15 Minuten die Suspension durchrühren (dauer, in der die Chlorwasserstoffsäure mit dem Calciumcarbonat reagiert), anschließend abfiltrieren, dem Filtrat den Indikator Phenolphthalein zugeben und mit 1 molarer Natronlauge rücktitrieren, bis ein Farbumschlag erkennbar ist Beobachtungen: Qualitative Kalkbestimmung: regen Gasentwicklung nach Zugabe der Säurezugabe im Reagenzglas als auch im Gärröhrchen der Bariumhydroxid-Lösung, Diese trübt sich beim Durchleiten des Gases. Quantitative Kalkbestimmung: Am Neutralpunkt ist die Lösung leicht violett.

74 Erklärung: Durch das Ansäuern der Carbonat-Ionen bildet sich formal Kohlensäure, die aber sehr instabil ist und (entropiegetrieben) in Wasser und Kohlendioxid zerfällt: CO 3 2- (aq) + 2 H 3 O + (aq) CO 2 (g) + 3 H 2 O Das Kohlendioxid reagiert mit den Hydroxid-Ionen der Calciumhydroxid- Lösung zu Carbonat-Ionen und mit den Calcium-Ionen zu Calciumcarbonat, was für die weißliche Trübung im Gärröhrchen verantwortlich ist: CO 2 (g) + Ca(OH) 2 (aq) CaCO 3 (s) + H 2 O Beispiel für Berechnungen: Quantitative Kalkbestimmung Einwaage: 5 g V(HCl) eingesetzt : 20 ml V(NaOH) verbraucht : 18,9 ml n(caco 3 ) = c(hcl) (V(HCl)-V(NaOH)) n(caco 3 ) = 0,001 mol m(caco 3 ) = n(caco 3 ) M(CaCO 3 ) m(caco 3 ) = 0,11 g w(caco 3 ) = m(caco 3 ) / m (Einwaage) w(caco 3 ) = 0,022 2,2 % Der Kalkgehalt vom untersuchten Ackerboden liegt bei 2,2 % und somit im optimalen Bereich. Vorbereitung: 20 min., Durchführung: 25 min

75 BESTIMMUNG DES HUMUSGEHALTES IM BODEN SEK II Hier werden 3 Experimente vorgestellt. Ist ein Muffelofen vorhanden, wählt man die Beschreibung 2, sonst reicht für eine annähernde Bestimmung der organischen Bestandteile (d. h. den Humusanteil) die Anordnung 1. Das Experiment 3 kann nur demonstriert werden. Bei hohen Temperaturen setzen sich organische Bestandteile vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser um, während die mineralischen Bestandteile erhalten bleiben. Das Experiment zur Untersuchung der Humusform (nach Humusexperimenten 1 bis 3) bietet sich im Anschluss an. VERSUCH 68: HUMUSGEHALT IM BODEN (EXPERIMENT 1) Materialien Lufttrockene Erdproben, Porzellantiegel, Brenner, Dreifuß, Tondreieck, Magnesiastäbchen, Waage Durchführung 1-10 g wiegen, Im Porzellantiegel auf dem Dreifuß mit Tondreieck verbrennen, Mit Magnesiastäbchen umrühren, Erneut abwiegen, Differenz ermitteln, Anteil berechnen Organische Bestandteile werden verbrannt, aus der Differenz ermittelt man den Humusanteil (die organischen, verbrannten Bestandteile) in g, berechnet den Anteil aus der Tabelle nach BAER Humusgehalt für schwere Bodenbezeichnung für Sandböden Böden bis 2% bis 1% humusarm 2%-5% 1%-2% schwach humos 5%-10% 2%-4% humös 10%-15% 4%-8% humusreich 15%-20% 8%-10% anmoorig über 20% über 10% Humusboden je Probe 50 min. VERSUCH 69: HUMUSGEHALT IM BODEN (EXPERIMENT 2) Zu hohe Temperaturen (über 500 C) sind zu vermeiden, da sonst das Calciumcarbonat Kohlenstoffdioxid abgibt. Da man durch den Masseanteil Schlussfolgerungen auf den Humusgehalt gewinnt, würden hier falsche se erzielt werden. Steht keine Temperaturregulierung zur Verfügung, sollte man mit einer schaltuhr eine Überhitzung vermeiden. Materialien Lufttrockene Erdproben,

76 Porzellantiegel, Muffelofen, Waage Durchführung 1-10 g wiegen, Im Porzellantiegel im Muffelofen bei 300 C mind. 3 h veraschen, Abkühlen lassen, Erneut abwiegen, Differenz ermitteln, Anteil berechnen Organische Bestandteile werden verbrannt, aus der Differenz ermittelt man den Humusanteil (die organischen, verbrannten Bestandteile) in g, berechnet den Anteil aus der Tabelle nach BOCHTER Humusgehalt Bodenbezeichnung bis 1% humusarm 1%-2% schwach humos 2%-4% mäßig humos 4%-8% stark humos 8%-15% humusreich über 15% sehr humusreich hydromorphe Böden (Feuchtwiesen, Moore): 15%-30% anmoorig über 30% torfig Versuchsansatz: 3 min, Versuch: 3 h

77 VERSUCH 70: HUMUSGEHALT IM BODEN NASSVERASCHUNG (EXPERIMENT 3) DEMONSTRATIONSEXPERIMENT Organisch gebundenener Kohlenstoffs ("Humus") oxidiert in einem heißen Gemisch von Schwefelsäure und Kaliumchromat. Der Farbumschlag erfolgt, wenn durch das Kochen dieses Gemisches die organische Substanz zu Kohlenstoffdioxid oxidiert und das orangefarbene Chrom(VI) zu blaugrünem Chrom(lIl) (Chromsulfat) reduziert wird. Der flüssige, klare, farbige Überstand lässt sich auch ohne Photometer gut erkennen. Es empfiehlt sich der Ansatz einer humusfreien Kontrollprobe, z. B. mit Quarzsand. Materialien Lufttrockene Erdproben, Kaliumchromat (K 2 CrO 4) ) 56% (T, N), Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) (C) Erlenmeyerkolben (300 ml), Brenner, Dreifuß, Reibeschale Durchführung Je 2 g Erdproben werden mit 2 g Kaliumchromat in einer Reibschale vermischt, In einen Erlenmeyerkolben (300 ml) umgefüllt, 30 ml Schwefelsäure dazu gießen und Etwa 30 Minuten bei Zimmertemperatur stehen lassen Das Gemisch wird etwa 3-5 Minuten über dem Brenner gekocht. Vorsicht! Es werden Temperaturen von etwa C erreicht. Danach zum Abkühlen erneut stehen lassen und Mit 200 ml Leitungswasser auffüllen. Die Farbtöne der klaren Überstände werden verglichen. Organische Bestandteile werden Kohlenstoffdioxid oxydiert und Chrom reduziert, Farbumschlag zeigt Humusgehalt an Humusgehalt Bodenbezeichnung bis 1% humusarm 1%-2% schwach humos 2%-4% mäßig humos 4%-8% stark humos 8%-15% humusreich über 15% sehr humusreich hydromorphe Böden (Feuchtwiesen, Moore): 15%-30% anmoorig über 30% torfig 60 min.

78 VERSUCH 71: BESTIMMUNG DER HUMUSFORM DES BODENS Dieser Versuch bietet sich im Anschluss an das Experiment zur Ermittlung des Humusgehaltes im Boden (s. o.) an, das gezeigt hat, ob der untersuchte Boden größere Mengen Humus enthält. Im Experiment werden die Hydroxidionen der 2%igen Ammoniaklösung NH 3 den sauren, hochdispersen Humus so weit dispergieren, dass sich die Lösung dunkelbraun färbt. Grobdisperser, neutraler Humus wird von den Hydroxidionen nicht aufgeteilt, so dass die Lösung farblos bleibt. Dauerhumus ist ein neutraler, grobdisperser Humus im Gelzustand. Die Eigenschaft, schwer löslich zu sein, ist für die Pflanzen sehr wichtig. Die in ihm gebundenen Nährstoffe sind dadurch weitgehend vor Auswaschung geschützt. Im Gegensatz dazu ist der Rohhumus hoch dispers (und sauer). Die an diese Form gebundenen Nährstoffe sind leicht auswaschbar. Wird der Rohhumus reichlich gekalkt und gut belüftet, so kann er sich zu Dauerhumus entwickeln. Zur genauen Bestimmung der Humusform müssten noch der Zersetzungsgrad, die Krümelstabilität und die Huminsäuren untersucht werden. Für Schüler ist dies jedoch nicht relevant. So ist eine annähernde Bestimmung der Humusform ausreichend. Materialien Luftgetrocknete Bodenprobe, Ammoniaklösung (NH 3 ), 2%ig, (C, N) 2 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Trichter, Filterpapier, Durchführung 5 g Bodenprobe in einem der Reagenzgläser mit der doppelten Menge Ammoniaklösung aufschwemmen, Kräftig durchschütteln, 5 min. stehenlassen und In das zweite Reagenzglas abfiltrieren. Der Farbton des Filtrats wird beurteilt. Die Filtrate sind von wasserhell bis dunkelbraun gefärbt: Filtrat wasserhell gelblich braun 10 min. Humusform Dauerhumus Mischform Rohhumus

79 DAS AUSTAUSCHERSYSTEM BODEN Der Boden ist ein Austauschersystem. Vor allem Kationen werden umgetauscht. Die kolloidalen Substanzen (Ton, Humus, Metalloxide) unterliegen ständigen Ab- und Aufbauprozessen. Durch die große, spezifische Oberfläche besitzen diese Verbindungen Sorptionseigenschaften. Das heißt, sie besitzen die Fähigkeit, Moleküle und Ionen an den Grenzflächen reversibel anzulagern. Ionenaustauscher beeinflussen die Prozesse der Bodenentwicklung, Gefügebildung und stabilität sowie den Nährstoffhaushalt der Pflanzen (siehe Abb. 35). Ökologisch ist dies für die Filtereigenschaften des Bodens (Nährstoffauswaschung, den Gewässerschutz und Schadstoffakkumulation) wichtig. Abb. 35: Ionenaustausch zwischen Pflanze und Wurzel: Durch die reversible Anlage der Nährstoff-Ionen an die Austauscher sind diese leicht für die Pflanzen verfügbar. Eine Auswaschung dieser Ionen mit dem Sickerwasser aus dem Wurzelraum wird dadurch ebenfalls verhindert. In der Regel ist nur ein kleiner Teil der Nährstoff-Ionen in der Bodenlösung vorhanden, der Hauptteil ist sorbiert oder Ionen werden durch die Pflanzenwurzel mit der Lösung getauscht. Die chemische Adsorption von Ionen (Kationen und Anionen) ist von den Wertigkeiten der Ionen abhängig. Adsobierte Ionen sind in den Mengen gegen andere Ionen der gleichen Wertigkeit austauschbar. Dazu ist Wasser als Transportmedium notwendig. 2 Versuche verdeutlichen die Ionenaustauschprozesse neben den Filtrationsversuchen (siehe Grundschulteil) anschaulich. Versuche zur Bestimmung der Kationen-Austausch-Kapazität 13 sind weniger attraktiv für Schüler. 13 Literaturhinweis: Bochter, R.: Boden und Bodenuntersuchung. Versuch 97 und 99

80 VERSUCH 72: HINWEIS AUF LÖSLICHE MINERALSALZE DURCH LEITFÄHIGKEITSMESSUNG Materialien Lufttrockene, organismenfreie 4 Bechergläser, Leitfähigkeitsmesser Bodenprobe, (Leitungs-) Wasser, dest. Wasser, Kochsalzlösung (NaCl (aq) ) Durchführung 10 g Bodenprobe in je einem Becherglas mit 20 ml Wasser, dest. Wasser bzw. Kochsalzlösung aufschwemmen, Ein Kontrollglas ohne Aufschwemmung Sonde des Leitfähigkeitsmessgerätes in die jeweilige Lösung tauchen und Die elektrische Leitfähigkeit (in µs/cm) ablesen Die trockene Probe leitet keinen Strom. Aufgeschwemmte Proben aus dem Oberboden haben eine höhere Leitfähigkeit gegenüber Unterbodenproben. Der erhöhte Anteil der organischen Ionen im Oberboden trägt dazu bei. Salzlösungen leiten den elektrischen Strom. 5 min. VERSUCH 73: BESTIMMUNG DER LADUNGEN DER BODENTEILCHEN Materialien Lufttrockene, organismenfreie Stativ, Bechergläser, Trichter, Bodenprobe, Faltenfilter verdünnte Methylenblau- und Methylorange-Lösung (gut durchsichtig) Durchführung Methylenblau-Lösung (Xn): 0.2 g Methylenblau in 100 ml dest. Wasser lösen Methylorange-Lösung (Xn): 0.2 g Methylorange in 100 ml Wasser lösen Je 2 g Bodenprobe in Faltenfilter über Trichter füllen, Bechergläser darunter stellen, 5 ml Methylenblau- und Methylorangelösung darüber tropfen, Filtrat auffangen, Färbung mit Ausgangslösung vergleichen Beide organische Salze sind Farbstoffe; das farbgebende Teilchen ist beim Methylorange negativ geladen (Anion) und beim Methylenblau ist ein

81 Kation (positiv geladenes Ion) farbdeterminierend - die filtrierte Methylorange-Lösung behält ihre Farbe fast - die filtrierte Methylenblau-Lösung wird beinahe entfärbt Somit kann eine negative Ladung der Bodenteilchen geschlussfolgert werden. 5 min. VERSUCH 74: BODEN ALS IONENAUSTAUSCHER Materialien Lufttrockene, organismenfreie Bodenprobe, Kaliumchlorid-Lösung (KCl (aq) ) w = 5 %, Ammoniumoxalat-Lösung (w = 3 %), (Xn), destilliertes Wasser mittelgroßer Trichter, Filterpapier, 2 Reagenzgläser, 2 Bechergläser, Magnetrührer, Rührfisch, Tropfpipette, Schutzbrille Durchführung 30 g luftgetrocknete Bodenprobe in Becherglas mit 50 ml dest. Wasser aufschlämmen und ca. 2 Minuten rühren, Dann Überstand abfiltrieren bis Filtrat klar ist, 5 ml des Filtrats in ein RG geben und 2 ml Ammoniumoxalat-Lösung dazu geben, Überprüfen, ob Ca 2+ -Ionen ausgefällt werden Bodenprobe mit 50 ml der KCl-Lösung verrühren, Abfiltrieren und erneut mit Ammoniumoxalat-Lösung auf Ca 2+ -Ionen überprüfen Das erste Filtrat weist keinen weißen Niederschlag auf. Der Ca 2+ -Ionen- Nachweis ist negativ. Beim zweiten Filtrat ist die Bildung eines weißen Niederschlags von Calciumoxalat sehr gut erkennbar. Der Ca 2+ -Ionen-Nachweis ist positiv. Die Ca 2+ -Ionen werden vom Boden gegen K + -Ionen ausgetauscht. 15 min.

82 VERSUCH 75: BESTIMMUNG AUSTAUCHBARER HYDRONIUM- UND ALUMINIUM-IONEN DEMONSTRATIONS-EXPERIMENT, auch zur Säure-Base-Titration für Schüler geeignet. Materialien Durchführung lufttrockene, organismenfreie Feinerde, Natronlauge (NaOH), c= 0,05 mol/l, (C) Phenolphthalein-Indikatorlösung, (T), Natriumflourid-Lösung (NaF), w=4 %, (T), Kaliumchlorid-Lösung, c= 1 mol/l, (KCl (aq) ) Empfohlene Vorbereitung durch Lehrer: Erlenmeyerkolben, 300 ml; Trichter, Filterpapier, Magnetrührer, Rührfisch, Bürette, Schutzbrille 40 g Bodenprobe in einem Erlenmeyerkolben mit 300 ml Kaliumchlorid 30 min. extrahieren, Danach in weiteren Erlenmeyerkolben filtrieren, Schülerversuch: 1. Gesamtazidität: - zu 100 ml Filtrat wenige Tropfen Indikator geben und mit Natronlauge aus der Bürette unter Magnetrühren bis zum Umschlagpunkt titrieren 2. Austauschbare Oxonium-Ionen: ml Filtrat werden mit 10mL Natriumflourid-Lösung versetzt und wie oben titrieren Berechnung: Die Stoffmenge der verbrauchten Natronlauge ist der Stoffmenge der mit (sauren) Kationen belegten Austauscherplätze nach der Multiplikation mit 3 äquivalent, bezogen auf 100 mg-einwaage. Die Aluminiumbelegung wird durch die Bildung der Differenz ermittelt. Die Gesamtazidität ist durch Titration der Austauschlösung mit Natronlauge bestimmbar. Die austauschbaren Hydronium-Ionen werden bestimmt, nachdem die Aluminium-Ionen mit Flourid maskiert wurden. Die Aluminium-Ionen wirken als Kationensäuren: [Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O [Al(H 2 O) 5 ] 2+ + H 3 O + 3 x 10 min.

83 Im Boden kommen alle natürlichen Elemente vor und sind in Pflanzen nachweisbar. In Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) sind die Grundelemente Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) enthalten. Nur 13 weitere Elemente gelten als lebensnotwendige Nährelemente. Sie werden in Hauptnährelemente und Spurenstoffe differenziert. Hauptnährelemente sind: Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S), Kalium (K), Calcium (Ca) und Magnesium (Mg). Zu den Spurenelementen, die nur in sehr geringen Mengen benötigt werden, gehören Bor (B), Molybdän (Mo), Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Zink (Zn) und Kupfer (Cu). Schülern hilft beim Erlernen der wichtigsten Nährelemente C, O, H, N, S, P, K, Ca, Fe, Mg oft die Eselsbrücke COHNS P(aula) K(ocht) Ca Fe(Cafe) am Mg (Morgen) Mangelerscheinungen bei der Versorgung von Pflanzen und der Entwicklung des Gesetzes vom Minimum durch Justus von Liebig veranschaulicht man gut mit der Minimumtonne Mangelerscheinungen bzw. gutes Wachstum sehen die Schüler im folgenden, langfristigen Experiment, das protokolliert und dokumentiert wird (siehe Versuch 89). Die Pflanzen nehmen die zur Verfügung stehenden Ionen aus der Bodenlösung auf, scheiden aber auch selber Ionen aus (vor allem die bei der Zellatmung (CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-) entstehenden Anionen). Als Austauschkapazität (AK) wird die Summe der austauschbaren Ionen im Boden bezeichnet. Sie wird in Milliäquivalenten je 100 g Substanz oder in Ladungsäquivalten als mol/ kg angegeben. Die AK ist abhängig vom ph-wert der Bodenlösung und schwankt mit der Bodenreaktion. Dementsprechend wird zwischen maximaler bzw. potentieller AK und effektiver bzw. aktueller AK differenziert. Letztere schwankt abhängig vom jeweiligen ph-wert. Die aktuelle Bodenreaktion (ph-wert) wird von den freien H+ und die potentielle Acidität von den sorbierten H+ an den Austauschern bestimmt. Einen großen Einfluss auf dieses Säure-Basen-Gleichgewicht haben vor allem Aluminium-Kationen Al3+, die mit dem Wasser der Bodenlösung reagieren und dabei jeweils 3 H+-Ionen freisetzen (Al3+ + H2O Al(OH)3 + 3 H+). Vom ph-wert hängt die ökologische und pedogenetische Charakteristik des Bodens ab, er beeinflusst die chemischen, biologischen und viele physikalischen Bodeneigenschaften. BESTIMMEN DER BODENREAKTION Als ph-wert wird der negativ dekadische Logarithmus der Konzentration der Wasserstoff- Ionen pro Liter Lösung in Gramm bezeichnet. Die Messung kann elektrometrisch oder über Farbindikatoren erfolgen. Die ph-skala, die der dänische Wissenschaftler Sörensen 1909 festlegte, reicht von 0 (stark sauer) bis 14 (stark alkalisch). Bei einem ph-wert von 7 spricht man von einer neutralen Bodenreaktion. Der Anteil der OH - -Ionen ist dann gleich groß wie die Menge der H + -Ionen. Steigt die Konzentration der H + -Ionen in der Lösung, dann fällt der ph-wert und die Bodenrektion ist sauer. Bei einer sauren Bodenreaktion (ph < 7) spricht man von Bodenacidität. Mit sinkender H + -Ionenkonzentration steigen die OH - - Ionenkonzentration und der ph-wert. Bei einer basischen bzw. alkalischen Bodenreaktion wird von Bodenalkalität bzw. Bodenbasizität (ph > 7) gesprochen (siehe Tabelle 5)

84 Tabelle 5: ph-skala und Eigenschaften von Böden sowie bestimmten Substanzen (Dorn, Pohl 1988) 14 Der ph-wert der Bodenlösung verändert sich mit dem Wassergehalt und den biologischen Aktivitäten der Organismen. Bei hoher biologischer Aktivität und sinkenden Wassergehalt nimmt die H + -Konzentration der Bodenlösung zu, der ph-wert sinkt in den sauren Bereich. So ist jede Messung der Bodenreaktion eine Momentaufnahme. Die ph-werte bestimmter Böden schwanken nur mäßig. So kann man Böden entsprechend dieser Eigenschaft einstufen (siehe Tabelle 5). Auch die Vegetation lässt Rückschlüsse auf die Bodenreaktion zu. Sogenannte ph-zeigerorganismen sind Tiere und Pflanzen mit einem engen ökologischen Toleranzbereich bezüglich des ph-wertes. Durch Untersuchungen (vgl. Dunger/ Fiedler 1989) weiß man, dass auch einige der Bodentiere diese engen ökologischen Grenzen aufweisen. Mückenlarven findet man vorwiegend in sauren Böden. Größere Populationen von Regenwürmern, Schnecken und Tausendfüßern bauen auf kalkreichen Böden die Laubstreu ab. Die Zusammensetzung des Edaphons lässt Rückschlüsse auf die Bodeneigenschaften und Standortqualität zu. Sie sind sogenannte Bioindikatoren. Der ph-wert wird durch natürliche und anthropogene Ursachen (siehe Tabelle 6) verändert. Natürliche Faktoren 14 nach DORN, A./ POHL, E. (o.j.): Pflanzenzeigerwerte für den Schulgebrauch. Reduzierte Fassung nach dem Werk von Hein Ellenberg "Zeigerwerte der Gefäßpflanzen Mitteleuropas". Verlag Erich Goltze, Göttingen, 1988

85 Die Organismen spielen durch ihre Lebensprozesse eine entscheidende Rolle. So entstehen Kohlensäuren (H 2 CO 3 ) aufgrund der Anreicherung von CO 2 durch die dissimilatorischen Prozesse der Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln (siehe Versuch 60 und Versuch 62). Beim Abbau der organischen Substanz entstehen bei der Humusbildung Fulvosäuren (diese organischen Säuren scheiden auch die Pflanzenwurzeln aus), die den ph-wert beeinflussen. Eisensulfidhaltige Böden verwittern. Dabei werden aus Pyrit (Katzengold) Fe 2+ zu Fe 3+ -Ionen oxidiert, hydrolysiert und dann Protonen freigesetzt, die Einfluss auf die Acidität des Bodens haben. Wie schnell ein Boden versauert, ist von seiner Pufferungskapazität abhängig. Das heißt, wie hoch der Anteil an Puffersubstanzen, wie Carbonate und Kationen bindende Tonminerale (Ca 2+, Mg 2+ ) ist, die das ph-niveau halten können. Sind diese Puffer verbraucht oder verändern sich in ihrer Zusammensetzung, wirkt sich das auch auf den ph-wert aus. Anthropogene Faktoren Sinkt der ph-wert auf 3, stellen die meisten Pflanzen ihr Wachstum ein. Mit zunehmender Versauerung des Bodens steigt die Mobilität toxischer Schwermetalle. Die Pflanzen gehen ein. Der Säureeintrag aus der Atmosphäre ist eine der anthropogenen Ursachen der Versauerung. Der Mensch kann durch übermäßigen Einsatz organischer (Gülle) und mineralische Dünger zu viel Ammonium in den Boden bringen. Durch die mikrobielle Oxydation des Ammoniums (NH O 2 NO 3 + 2H + + H 2 O) nimmt der Anteil der Wasserstoff-Ionen zu. Nitrat, das nicht von den Pflanzen aufgenommen wird, löst sich im Sickerwasser und trägt weiterer Bodenauswaschung bei. Pflanzen geben Ionen ab, um die elektrische Neutralität des Bodens zu erhalten. So nehmen sie z. B. mehr Kationen als Anionen auf und geben dafür Protonen ab, lagern in ihren Zellen Salze schwacher organischer Säuren ab. Diese gehen dem Boden nicht verloren, wenn die Pflanze am Standort verrottet. Werden nach der Ernte bzw. Holzschlag alle Pflanzenteile entfernt, kann es zu einer dauerhaften ph- Wert Absenkung kommen. Man spricht vom Basenentzug. Tabelle 6: Ursachen der Bodenversauerung natürliche Ursachen Steigerung der CO 2 -Konzentrationen durch Atmung der Organismen-Kohlensäure organische Säuren, die während der Humifizierung entstehen-fulvosäuren Eisensulfidhaltige Böden (Pyrit) verwitternschweflige Säuren natürliche Kapazität des Bodenpuffersystem anthropogene Ursachen Saurer Regen-schweflige Säuren Düngung vollständige Entnahme aller Pflanzenteile nach der Ernte-Basenentzug Die Konsequenzen Sauren Regens können mit Messreihen der unten dargestellten Versuchsanordnung überprüft werden. Dabei sollten colormetrische Untersuchungen (ph- Wert-Untersuchung durch Farbindikator) denen der elektrometrischen (Verwendung eines ph-meters) vorgezogen werden.

86 VERSUCH 76: BESTIMMEN DER BODENREAKTION Materialien trockene Bodenproben, Unitest- Indikatorpapier, Czensny- Indikatorlösung, Stuphanpapier, (Messungen auch mit ph-meter möglich), Spritzflasche mit destilliertem Wasser Becherglas, Reagenzglas, Löffel, Glasstab Durchführung 20 g Bodenprobe in einem Becherglas mit dest. Wasser aufschwemmen, Nach dem Absetzen der Bodenteilchen das überstehende Wasser mit einem der beiden Indikatoren untersuchen, Zur genaueren Bestimmung der Bodenreaktion mit Stuphan- Papierprobe prüfen Unitest: Papierstreifen abreißen, eintauchen, Farbe des Papiers mit Skala vergleichen Czensny: 5 ml Bodenprobenwasser in Reagenzglas gießen, 4 Tropfen Indikatorlösung dazugeben, schütteln, Farbumschlag mit Referenzlösung vergleichen Farbreaktion des Indikators mit den Farbskalen vergleichen ph -Wert Beurteilung bis 4 sehr stark sauer 4,1-4,5 stark sauer 4,6-5,2 sauer 5,3-6,4 schwach sauer 6,5-7,4 neutral über 7,5 basisch 10 min.

87 BODENSCHUTZ Der Boden als Grundlage allen Lebens muss erhalten werden. Es besteht sonst die Gefahr, dass der Boden seine natürlichen Funktionen nicht mehr wahrnehmen kann. Dies gilt auch für den Abtrag nährstoffreicher Schichten durch Wind und Wasser, die Versieglung von Flächen oder den Eintrag von Schadstoffen. Dass Böden ein natürliches Reinigungssystem darstellen, welches emittierte Schadstoffe aufnehmen, binden und in mehr oder weniger hohem Maß aus dem Stoffkreislauf entfernen, kann mit einfachen Versuchen (siehe Versuch 30) dargestellt werden. Gas- und staubförmige Schad- und Schmutzstoffe werden mit Niederschlägen in den Boden eingetragen. Das Wasser sickert durch die Bodenschichten und wird dadurch gereinigt. Es gelangt so ins Grundwasser. Die gasförmigen und gelösten Schadstoffe werden durch Adsorption an Bodenpartikel gebunden oder durch bodeneigene Substanzen chemisch ausgefällt und dadurch weitgehend immobilisiert. Ein Anteil an Schadstoffen bleibt jedoch in gelöster Form im Boden, so dass diese Stoffe von den Pflanzen aufgenommen werden können (siehe Versuch 89). So gelangen sie in die Nahrungskette oder werden ausgewaschen und gelangen ins Grundwasser. Mikrobielle Tätigkeiten beeinflussen den Ab- und Umbau derartiger Schadstoffe und gleichzeitig bestimmen diese Stoffe die Aktivität der Mikroorganismen. Die vom Menschen produzierten Schadstoffe führen früher oder später zu einem schadstoffbelasteten Boden. Während Schadstoffe aus Wasser und Luft mittlerweile beseitigt werden können, ist das bei einem z. B. mit Schwermetall kontaminierten Boden nicht ohne Weiteres möglich. Deshalb sollte im Unterricht durch geeignete Experimente (z. B. Versuch 84) die Verantwortlichkeit eines jeden Einzelnen herausgearbeitet werden. Chlorid-Ionen nach Streusalzen im Winter Mineralölwechsel bei Fahrzeugen

88 Tabelle 7: Boden ist in Gefahr Bodengefährdung durch Wind-und Wassererosion Schäden Bodenabtrag, dadurch Verlust der Bodenfruchtbarkeit und Gewässerbelastung Bearbeitung in Hangneigung Absenkung der Grundwasserspiegel durch Melioration, Tagebaue usw. Bodenabtrag, dadurch Verlust der Bodenfruchtbarkeit und Begünstigung der Entstehung von Schwemmfächern Zerstörung des Ökosystems, Veränderung der Raum- und Bodenstruktur 15 Überdüngung mit Gülle Abtötung der Bodenlebewesen, Belastung der Ökosysteme mit Nährstoffen Befahren mit schweren Maschinen Bodenverdichtung, Verkleinerung der Bodenporen, Beeinträchtigung der Bodenlebewesen, Herabsetzung der Bodenfruchtbarkeit 15 Meliorationsmaßnahmen haben zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels geführt, was das Landschaftsbild der Talsandniederungen deutlich verändert hat. Die an die natürlichen Verhältnisse angepasste Nutzung als Grünland mit Weidewirtschaft wurde nach der Entwässerung durch Ackerbau verdrängt.

89 Saurer Regen Eintrag von Säuren, Freisetzung pflanzenschädigender Verbindungen Überhöhter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln Belastung des Grundwassers, Anreicherung im Boden, Beeinträchtigung der Bodenlebewesen und ihrer Funktionen Illegale Entsorgung von Sondermüll Einsatz von Streusalzen im Winter Mangelnder Schutz bei Umgang mit Mineralölen Versiegelung, Überbauung Schwermetallbelastung in Böden, Grundwasser und Pflanzen, Beeinträchtigung der Bodenlebewesen, Eintrag in Nahrungskette völlige Zerstörung des Bodenlebens

90 NACHWEIS VON IONEN IM BODEN Sowohl Nährstoffe als auch Schadstoffe liegen im Boden als Kationen oder als Anionen vor. Kationen sind elektrisch positive Ladungsträger, Anionen sind negativ geladen. Der Nachweis der Ab- oder Anwesenheit von Nähr- und Schadstoffen erfolgt als Ionennachweis. Allerdings kann dabei noch keine Aussage über die Konzentration der Ionen getroffen werden. VERSUCH 77: ANWESENHEIT VON CALCIUM-IONEN Materialien Bodenprobe, Wasser, Ammoniaklösung (NH 3 (aq) ), (T, N) Ammoniumoxalat-Lösung w=3%, (Xn) Becherglas Durchführung Bodenprobe mit wenig Wasser versetzen (Bodenlösung herstellen) und Ammoniaklösung hinzu geben, Danach Ammoniumoxalatlösung dazu tropfen Bei Anwesenheit von Ca 2+ -Ionen entsteht ein schwerlöslicher, weißer Niederschlag. 5 min. VERSUCH 78: ANWESENHEIT VON MAGNESIUM-IONEN Materialien Bodenprobe, Wasser, Becherglas, Objektträger, Mikroskop Ammoniaklösung (NH 3 (aq) ), (T, N), Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung (Na 2 HPO 4(aq) ) Durchführung Bodenprobe mit etwas Wasser versetzen und 4 Tropfen Ammoniaklösung zugeben, Danach 1 Tropfen dieser Bodenlösung in einem Tropfen Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung auf dem Objektträger bringen und Unter dem Mikroskop betrachten Sind Mg 2+ -Ionen vorhanden, bilden sich kleine, sechsstrahlige Sternchenkristalle. 5 min.

91 VERSUCH 79: ANWESENHEIT VON SULFAT-IONEN Materialien Bodenprobe, Wasser, Chlorwasserstoffsäure (HCl), (C) Bariumchloridlösung (BaCl 2 ), (T) Becherglas Durchführung Eine Bodenlösung herstellen und Mit ein wenig Salzsäure versetzen, Danach einige Tropfen Bariumchloridlösung zugeben Bei Anwesenheit von SO 2 4 -Ionen entsteht eine weißliche Trübung. 5 min. VERSUCH 80: ANWESENHEIT VON PHOSPHAT-IONEN Materialien Bodenprobe, Salpetersaure Ammoniummolybdatlösung 16 (Xi), Ascorbinsäurelösung Filterpapier, Petrischale Durchführung Auf ein Filterpapier in der Petrischale werden einige Krümel Bodenprobe gegeben und Danach mit je einem Tropfen salpetersaure Ammoniummolybdatlösung und Ascorbinsäurelösung versetzt Sind PO 3 4 -Ionen vorhanden, zeigt sich eine deutliche Blaufärbung. 5 min. VERSUCH 81: ANWESENHEIT VON EISEN-II-IONEN UND EISEN-III-IONEN Materialien Bodenprobe, 1 Reagenzglas im Halter Kaliumthiocyanat-Lösung (10%), (Xn) Butanol (Xn) Durchführung - Auf 0,5 g Bodenprobe in einem Reagenzglas - 2 ml Kaliumthiocyanat-Lösung (10%) tropfen, - Gut schütteln und 5 min. stehen lassen, - Danach 5 ml Butanol zugeben und absetzen lassen, - Farbumschlag beobachten Durch einen roten Farbumschlag sind die Eisen-Ionen nachweisbar 5 min. 16 Herstellung Ammoniummolybdatlösung: 2 g Ammoniummolybdat (Xi), 4 g Ammoniumnitrat (O) und 2 ml konzentrierter Ammoniaklösung (C, N) werden mit destilliertem Wasser auf 20 ml aufgefüllt. Die Reaktion verläuft stark endotherm. Die Lösung ist unbegrenzt haltbar.

92 VERSUCH 82: ANWESENHEIT VON NITRAT-IONEN (DEMONSTRATIONSEXPERIMENT) Im Schülerversuch mit Nitrat-Teststäbchen durchführbar. Für dieses Experiment ist eine ruhige Hand erforderlich. Materialien Bodenprobe, Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) c=2,5 mol/l, (C), Eisen(II)sulfat FeSO 4, (Xn) konz. Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), (C) Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Reagenzglasklammer, Pipetten, Pipettenhütchen, Schraubdeckelgläschen Durchführung - ca. 2 g Bodenprobe mit 10 ml Wasser aufschlämmen und - Gut durchschütteln, - Einige Tropfen der Probelösung in einem Reagenzglas mit der gleichen Menge einer kalt-gesättigten, mit 2,5 molaren Schwefelsäure angesäuerten Eisensulfat-Lösung versetzen. - Indem man das Reagenzglas schräg hält, wird vorsichtig mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet und die konzentrierte Schwefelsäure fließt an der inneren Wandung herunter. - Die Berührungszone dieses 2-Phasen-Präparates beobachten! An der Berührungszone wässrige Lösung / konzentrierte Schwefelsäure bildet sich je nach NO - 3 -Menge ein brauner bis amethystfarbener Ring Nitrat NO 3 - wird durch die Zugabe von Fe 2+ -Ionen zu NO reduziert, wobei Fe 2+ zu Fe 3+ oxidiert wird. Das NO fungiert als Ligand: Es kommt zu einem Ligandenaustausch; der entstandenen Komplex zeigt die charakteristische bräunliche Farbe. 15 min.

93 VERSUCH 83: ANWESENHEIT VON ALUMINIUM-IONEN Materialien Getrocknete und gemörserte Reagenzgläser, Bodenproben, Reagenzglasklammer, Spatel, Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C) Pipetten, Pipettenhütchen, ph- Eisessig (CH 3 COOH (konz.)), (C) Papier, UV-Lampe, Morin-Reagenz 17, (Xi) Reagenzglasständer, Glasstäbe verdünnte Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), (C) Durchführung - Je eine getrocknete und gemörserte Bodenprobe über Nacht in verdünnte Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) legen und gelegentlich durchrühren, - Lösung zentrifugieren. Kontrollprobe (Blindprobe) herstellen: - ein Bodenproben-Zentrifugat nur mit Kaliumhydroxid-Lösung und - Einigen Tropfen Morin-Reagenz versetzen. Testreihe: - Je 5 ml je Zentrifugat mit Kaliumhydroxid-Lösung stark alkalisch machen, - Gut durchschütteln, - Dann mit Eisessig stark ansäuern und - Mit einigen Tropfen der Morin-Lösung versetzen - Unter der UV-Lampe die Fluoreszenzfarben und stärken vergleichen Aluminium-Ionen Al 3+ bilden in neutraler oder essigsaurer Lösung mit Morin eine intensiv fluoreszierende kolloidale Suspension, da Morin auf Aluminium mit grüner (und Zinn mit gelbgrüner) Fluoreszenz reagiert. 20 min. 17 Herstellung Morin-Reagenz: Eine Spatelspitze Morin wird in ca. 10 ml Methanol oder Ethanol (F) gelöst. Die zu prüfende Lösung muss essigsauer sein. Die Lösung ist einige Wochen haltbar.

94 VERSUCH 84: FÄLLUNGSREAKTIONEN WASSERLÖSLICHER CHLORID-IONEN Materialien Getrocknete und gemörserte Bodenproben, Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C) Silbernitratlösung (AgNO 3 ) w = 1 %, (Xi) Verdünnte Salpetersäure, (HNO 3 ), (O, C) Destilliertes Wasser Waage, Spatellöffel, 2 Erlmeyerkolben 100 ml, Messzylinder 100 ml 1 Stopfen, 1 Trichter, Filterpapier (Herstellung eines Filters), Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, Tropfpipette Durchführung Herstellen eines Filtrats aus einer Bodenprobe: - 20 g Feinboden (Bodenprobe wiegen) mit 50 ml Wasser etwa 1 Minute im verschlossenen Erlmeyerkolben kräftig durchschütteln. - Die groben Bodenteile kurz absetzen lassen und - Die Aufschwemmung (den Überstand) filtrieren, (Filtrat muss glasklar sein!) - 2 ml Filtrat in Reagenzglas geben, - Filtrat im RG mit fünf Tropfen Salpetersäure ansäuern und - 5 Tropfen Silbernitratlösung hinzufügen, - Beobachten. bei Anwesenheit von Chloridionen weißer Niederschlag: Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl (s) weißer Niederschlag von schwerlöslichen Silbernitrat in salpetersaurer Lösung, (aq) aquatisiert/ (s) fest: Nachweis von Chloridionen im Boden positiv (siehe Abb. 36) 20 min. Abb. 36: Experiment Fällungsreaktion wasserlöslicher Chlorid-Ionen

95 VERSUCH 85: FLAMMENFÄRBUNG WASSERLÖSLICHER NATRIUM-IONEN Materialien Bodenprobe, Magnesiastäbchen getrocknete und gemörserte Bodenproben, Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C), Silbernitratlösung (AgNO 3 ) w = 1 %, (Xi), Verdünnte Salpetersäure, (HNO 3 ), (O, C) Destilliertes Wasser Waage, Spatellöffel, 2 Erlmeyerkolben 100 ml, Messzylinder 100 ml 1 Stopfen, 1 Trichter, Filterpapier (Herstellung eines Filters), Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, Tropfpipette, Uhrglasschale, Brenner Durchführung Herstellen eines Filtrats aus einer Bodenprobe: - 20 g Feinboden (Bodenprobe wiegen) mit 50 ml Wasser etwa 1 Minute im verschlossenen Erlmeyerkolben kräftig durchschütteln. - Die groben Bodenteile kurz absetzen lassen und - Die Aufschwemmung (den Überstand) filtrieren, (Filtrat muss glasklar sein!) - Filtrat aus RG 4 mit Pipette auf Urglasschale tropfen oder im RG lassen - Magnesiastäbchen in der nicht leuchtenden Flamme des Brenners (blaue Flamme) erst kurz ausglühen bis keine gelbe Färbung mehr erkennbar ist, - Dann das Magnesiastäbchen in das Filtrat tauchen und - Erneut in die Flamme halten (macht sich vom Uhrglas besser), - Die Färbung der Flamme beobachten. gelbe Flamme: Natriumionen vorhanden. Die Außenelektronen der Natriumionen / eigentlich Na- Atome (diese entstehen in der Flamme durch die Energie wieder/ ist hier aber nicht Gegenstand der Betrachtung) werden durch die Energie der Brennerflamme auf ein höheres Energieniveau angehoben. Sie fallen aber sofort wieder in den Ausgangszustand zurück und geben dabei die aufgenommene Energie in Form von Licht einer bestimmten Wellenlänge (gelbes Licht) wieder ab (siehe Abb. 37). 15 min.

96 Abb. 37: Experiment Flammenfärbung wasserlöslicher Natrium-Ionen

97 BODEN ALS FILTER Wenn Niederschlagswasser im Boden versickert, gelangt es durch die verschiedenen Bodenschichten ins Grundwasser. Ein Teil des Wassers wird, je nach der Bodenart festgehalten. Diese Menge hängt vom Porenvolumen des Bodens ab: Umso feinkörniger der Boden, desto größer ist das Porenvolumen und der Anteil englumiger Bodenporen steigt. Dabei beschreibt das Gesamtporenvolumen (GPV) den volumetrischen Anteil aller Hohlräume in einem Volumenelement [Vol.-%]. Tabelle 8: Bodenart-Gesamtporenvolumen 18 Bodenart Allgemeine Einschätzung des GPV Gesamtporenvolumen Natürlich Waldboden gelagerter Mittleres GPV 50 Vol.-% Oberboden Höheres GPV Bis zu 70 Vol.-% Unterboden Geringeres GPV < 50 Vol.-% Sande i.d.r. Geringeres GPV Vol.-% Tone Höheres GPV Vol.-% Die Wasserkapazität steigt mit zunehmender Feinkörnigkeit und Humusgehalt des Bodens. Gleichzeitig verringert sich dadurch die Durchlaufgeschwindigkeit des Sickerwassers aufgrund der englumigen Poren und des erhöhten Adsorptionsvermögens. 18 URL: am

98 Abb. 38: Korngröße-Bodeneigenschaften Mit folgenden Versuchen kann dargestellt werden, welchen Weg Wasser durch den Boden nimmt und wie schnell dieser Vorgang ist. VERSUCH 86: WASSERDURCHLAUFGESCHWINDIGKEIT (FORTFÜHRUNG DES VERSUCH 31) Materialien Sand, Split, Kieselsteine (verschiedene Größen), fein gesiebte Erde, Moos, Regenwasser, 1,5 l PET-Flasche, 2 1 l-bechergläser oder Einweckgläser, evtl. Stativmaterial, Schere oder Material zum Schmelzen Durchführung Der Flaschenhals wird von der PET-Flasche abgeschnitten, in den Flaschenboden werden kleine Löcher (ca. 1,5 cm Durchmesser) gestochen oder geschmolzen (siehe Versuch 31) Danach wird ein Bodenprofil in der Flasche geschichtet (von oben nach unten): - Moos - Erde mit Sand - Split mit Erde - kleine Kieselsteine mit Split - mittlere Kieselsteine - große Kieselsteine Die gefüllte Flasche über ein Becherglas bzw. Einweckglas stellen, 1 l Leitungswasser langsam, aber kontinuierlich in die gefüllte Flasche gießen. Wasserdurchfluss beobachten und stoppen, wenn die ersten Tropfen

99 aufgefangen werden Wasser benötigt für die Durchquerung der verschiedenen Schichten unterschiedlich lange Vorbereitung: 10min, Versuch: 5 min. Abb. 39: Versuch Wasserdurchlaufgeschwindigkeit VERSUCH 87: BODEN HAT FILTERFUNKTION (MIT VERSUCH 86) Materialien vorbereitete Flasche aus Versuch 86 Durchführung Die vorbereitete Flasche über ein Becherglas bzw. Einweckglas stellen, Lösung aus Wasser und Boden (Schmutzwasser) herstellen Das Schmutzwasser durch die gefüllte Flasche gießen, Wasserdurchfluss beobachten Schmutzwasser ist nach dem Durchfluss klar

100 Vorbereitung: 10min, Versuch: 5 min. VERSUCH 88: PFLANZEN NEHMEN STOFFE AUS DEM BODEN AUF, NACHWEIS VON EISEN- IONEN IN PFLANZEN In diesem Experiment werden mehrere Aspekte der Bodenbiologie bearbeitet: - Boden stellt notwendige Mineralstoffe für das Wachstum von Pflanzen bereit - Wirkung auf das Wachstum Pflanzen bei Nährstoffmangel - Wirkung auf das Wachstum von Pflanzen unter dem Einfluss von Schwermetallen - Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Pflanzen Materialien Zerkleinerte Pflanzen, Bodenprobe Chlorwasserstoffsäure ( (HCl), w=5 %), (C) Kaliumthiocyanat-Lösung (10%), (Xn), Kaliumhexacyanoferrat(III), (C 6 FeK 3 N 6 ) (KSCN) Porzellantiegel, Brenner, Tondreieck, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Pipetten, Pipettenhütchen, Präparategläschen, Spatel Durchführung Vorbereitung: - Zerkleinerte Pflanzenreste (ca g) in Tiegel füllen und - Auf einem Tondreieck mit Brenner veraschen, d. h. bis der Rückstand weiß bis schwach grau geworden ist. - Die Asche jeweils zu gleichen Teilen auf zwei Reagenzgläser verteilen. - Das gleiche auch mit ca. 3 g Bodenprobe. - Proben in entionisiertem Wasser lösen und - Mit Salzsäure ansäuern, - Gemisch filtern Nachweis für Fe 3+ -Ionen: - Jeweils 2 ml Kaliumthiocyanat-Lösung zum Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) hinzugeben. Nachweis für Fe 2+ -Ionen: - Jeweils 2 ml Kaliumhexacyanoferrat(III) zum Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) hinzugeben. Nachweis für Fe 3+ -Ionen: Blutroter Farbumschlag in beiden Reagenzgläsern, es entsteht das rote Eisenthiocyanat (Fe(NCS) 3 ). Nachweis für Fe 2+ -Ionen: Tiefblauer Farbumschlag in beiden Reagenzgläsern, es entsteht Berliner Blau (KFe[Fe(CN) 6 ]).

101 Damit sind Fe 2+ - und Fe 3+ -Ionen im Boden und Pflanze nachgewiesen; Eisen gehört zu den Makronährelementen. Vorbereitung: 15 min, Versuch: 15 min.

102 VERSUCH 89: VERSUCHE ZUR WIRKUNG VERSCHIEDENER NÄHRSALZLÖSUNGEN AUF DIE ENTWICKLUNG VON BOHNENPFLANZEN Materialien Erde, gekeimte Bohnensamen, Düngerlösung, destilliertes Wasser (Aqua dest.), Essiglösung, (C 2 H 4 O 2), 5% ig, (C) Salzlösung, (NaCl), 10% ig Kupfersulfatlösung (CuSO 4 ), 5% ig (Xn, N) Pflanzen-Gefäße Durchführung In einer Pflanzschale mit Erde die kleinen Bohnenpflanzen einpflanzen, regelmäßig mit den bereitstehenden Lösungen gießen - Lösung 1: Volldüngerlösung für Grünpflanzen - Lösung 2: destilliertes Wasser - Lösung 3: säurehaltige Lösung (5- prozentige Essiglösung) - Lösung 4: starkkonzentrierte Salzlösung (mind. 10%) - Lösung 5: 5- prozentige Kupfersulfatlösung Unterschiedliches Wachstum bzw. Eingehen der Pflanzen - Lösung 1: Wachstum - Lösung 2: Erst geringfügiges Wachstum, dann geht Pflanze ein - Lösung 3: Welken, dann Eingehen, Absterben - Lösung 4: Welken, dann Eingehen, Absterben - Lösung 5: Welken, dann Eingehen, Absterben Lösung 1 (Volldüngerlösung): Ausgewogenes Verhältnis von Wasser und Mineralsalzen, optimale Entwicklung der Pflanze möglich Lösung 2 (destilliertes Wasser): Zunächst Wachstum durch Verbrauch der Nährstoffe des Samens und in Erde, Wasser ausreichend in den Zellen vorhanden, aber Nährstoffmangel Lösung 3(säurehaltige Lösung): Essigsäure zerstört die Wurzelhaarzellen Lösung 4 (Salzlösung): Wasser wird aus der Pflanze in den Boden (umgekehrte Osmose), erzeugt Wassermangel in der Pflanze Lösung 5 (Schwermetalllösung): Es entstehen Ionenbindungen, die giftig sind, Zerstörung der Wurzelhaarzellen Versuchsvorbereitung: Quellung 1-3 d, Vorbereitung der Pflanzschalen: 10 min. 2 Wochen lang je tägliches Gießen und Dokumentieren in den Pausen ermöglichen: 5 min.

103 Entwicklung von Bohnenpflanzen Abb. 40: Versuche zur Wirkung verschiedener Wasserlösungen auf die Im nächsten Versuch kann die Wirkung von Streusalzen im Winter auf das Pflanzenwachstum nachgewiesen werden. Vor allem Pflanzen an Straßenrändern sind hohen Konzentrationen der Salze ausgesetzt. Die Entwicklung der Pflanzen wird dadurch stark gehemmt. Mit dieser Versuchsanordnung können auch andere Schadstoffe in ihrer Wirkung auf die pflanzliche Entwicklung bezüglich der unterschiedlichen Konzentrationen und Einwirkzeiten getestet werden. Die Pflanzen kann man selbst auskeimen lassen oder man kauft sich im Supermarkt bereits kleine Sprossen, die für Salate angeboten werden. VERSUCH 90: EINFLUSS VON STREUSALZEN AUF DAS WACHSTUM VON PFLANZEN Materialien Durchführung 100 g Kochsalz (NaCl), bewurzelte Pflänzchen (z. B. Radieschen) 5 Enghals-Erlenmeyer-Kolben (150 ml), Messzylinder (200 ml), Spritzflasche, Watte, wasserfester Stift - Aus Kochsalz und Wasser 1%ige, 3%ige, 5%ige, 10%ige Natriumchlorid-Lösungen herstellen, - 5 Erlenmeyer-Kolben beschriften und befüllen (einen-erlmeyer- Kolben zur Kontrolle mit Wasser füllen), - Je zwei Pflänzchen mit Watte in die Erlenmeyer-Kolbenhälse stecken, - Täglich beobachten Je höher die Natriumchloridkonzentration, desto schwerer die Störungen im Pflanzenwachstum Es kommt zu Plasmolyse-Erscheinungen Versuchsansatz: 20 min., nach 14 Tagen: 5 min.

104 VERSUCH 91: WIRKUNG VON SCHADSTOFFEN AUF DIE BODENFAUNA (VERGLEICHE VERSUCH 62,VERSUCH 63) Materialien Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ), w = 3 %, (O,C), Bodenprobe, Altöl Wurzellose Bodenprobe, Magnetrührer mit Rührfisch, Erlenmeyerkolben mit seitl. Ableitung, kurzer Gummischlauch, gewinkeltes Glasrohr, Messzylinder, Glaswanne mit Wasser, Stoppuhr, Schutzbrille, Handschuhe Durchführung Wie Versuch 63: - ca. 5 g trockene Erde, den Rührfisch und - 10 ml Wasserstoffperoxid-Lösung in das Reaktionsgefäß geben, - Gefäß schnell verschließen, - Eine Stoppuhr und den Magnetrührer einschalten. - Nach 3 Minuten gebildetes Gasvolumen ablesen = Kontrollprobe. - Eine Bodenprobe mit Altöl versetzen und Versuch wiederholen. - Vergleich der se Durch das Enzym Katalase zersetzt sich Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 Katalase bildende Mikroorganismen werden durch das Altöl beeinträchtigt, weswegen kaum / keine Reaktion auftritt 10 min.

105 ERSTELLUNG VON ARBEITSGERÄTEN DURCH SCHÜLER VERSUCH 92: BARBERFALLE Abb. 41: Barberfalle Eine Barberfalle ist eine im Boden versenkte Fangeinrichtung, deren Rand ebenerdig abschließen muss (siehe Abb. 41). Meist enthält sie eine Fangflüssigkeit, die die Tiere für die spätere Untersuchung abtötet. Über der Falle wird oft ein Dach gestellt, damit die Fangflüssigkeit nicht verdünnt wird und kleine Säuger nicht in die Falle gelangen. Für einen Nachbau der Barberfalle braucht man lediglich einen leeren Quark- oder Joghurtbecher mit Deckel. Dieser wird mit 3 Stiften oder Holzstäbchen über den in den Boden eingelassenen Becher fixiert (siehe Abb. 41). Im Schulbetrieb empfiehlt der Verzicht auf eine Fangflüssigkeit, da es den Kindern meist sehr unangenehm ist, die Tiere für Untersuchungen abzutöten. Die Art der gewählten Flüssigkeit beeinflusst auch den Fang der Oberflächenläufer. Fangflüssigkeiten sind ansonsten wie auch in den anderen noch vorzustellenden Fallen ein Formalingemisch, Ethanol, Essigsäure, Rotwein, Wasser und Bier. Materialien (Quark-) Plastikbecher mit Deckel, 3 Stäbe, Schaufel, Wasser Durchführung Mit der Schaufel ein Loch in den Boden graben, der untersucht werden soll, Plastikbecher ebenerdig abschließend einsetzen, Wasser als Fangflüssigkeit für den Schulgebrauch. Eine Versteckmöglichkeit kann für die gefangenen Tiere im Becher platziert werden (aber so, dass sie nicht wieder aus der Falle gelangen können). Den Deckel mit 3 Stäben über dem Fanggefäß befestigen Die Falle nach1-2 d kontrollieren (mind. 24 h), reingefallene Tiere mit der

106 Optik bestimmen, Tiere im Anschluss freilassen Versuchsansatz 10 min, Beobachtungszeitraum: mind. 24 h, sonst je nach Bedarf, Ansehen und Bestimmen: 20 min.

107 VERSUCH 93: BERLESE-TULLGREN-EXTRAKTOR Die Berlese-Vorrichtung wird eingesetzt, um im Erdreich befindliche Organismen der Mesofauna zu isolieren. Sie ist eine Extraktionseinrichtung, die die Präferenzen der meisten Bodenorganismen für Dunkelheit und Feuchtigkeit ausnutzt. In einem Trichter (z. B. Abgeschnittener Flaschenhals) befindet sich die Bodenprobe, die untersucht werden soll. Der befüllte Trichter wird auf einen dunklen Auffangbehälter (z. B. Unterer Teil einer Flasche) mit einer Fangflüssigkeit gesteckt. Von oben kann mit einer 40 Watt-Glühlampe beleuchtet werden, so dass es auf der Oberfläche der Probe hell, warm und trocken wird. Im unteren Teil des Trichters ist die Erde dunkel, kühler und feuchter. So wird nun ein Licht-, Wärme- und Feuchtigkeitsgradient erzeugt. Die Tiere bewegen sich (beispielsweise entsprechend ihrer negativen Fototaxis) in den unteren Teil der Probe und fallen schließlich durch die Maschen des Trichters in die Fangflüssigkeit. Wird der Trichter mit einem Netz ausgekleidet (z. B. Mückengaze), hält das die Bodenprobe gut zusammen. Die Maschengröße bestimmt die Körpergröße der gefangenen Tieren (z. B. Mesofauna). Materialien Berlese-Tullgren-Extraktor (Bauanleitung siehe Materialien), belebte Erdprobe Durchführung Trichter des Berlese-Tullgren-Extraktors mit Bodenprobe und Flasche mit Wasser (oder anderer Fangflüssigkeit) füllen, mit ungspapier dunkel einschlagen und 1-4 d stehen lassen, Fallenfang mit Optik bestimmen und quantifizieren Man fängt Tiere, die durch die Maschengröße passen (Milben, Springschwänzen, Larven, Spinnentiere, kleine Würmer). Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 1-2 d mit Beleuchtung, ohne mehr Abb. 42: Fanggefäß mit aufgesetztem Trichter

108 VERSUCH 94: BAERMANN- TRICHTER Abb. 43: Baermann-Trichter Der Baermann-Trichter ist eine Extraktionsapparatur, mit der man vor allem Nematoden erhält (siehe Abb. 43). In der Forschung arbeitet man mit Bodenproben gefüllten Glasröhren in Stativen und die Nematoden sedimentieren in Schläuchen, die durch eine Schlauchklemme abgedichtet wurden. Durch das Lösen der Schlauchklemmen fängt man die sich an dieser Stelle angesammelten Nematoden in einem darunter stehenden Gefäß auf. Schüler verfügen nicht über Glasröhren, Stative, Schläuche und Schlauchklemmen. Daher wurde eine vereinfachte Apparatur entwickelt, die einen ausreichenden Fang ermöglicht. Statt Glasröhre und Stativ kann eine 0,5-0,75 l-pet-flasche verwendet werden und der Schlauch mit Schlauchklemme wird durch einen sogenannten Raketenluftballon (ein langgestreckter Luftballon) ersetzt. Dieser passt perfekt über den Schraubverschluss der Flasche und kann auf die entsprechende Länge zurecht geschnitten werden, so dass er in den Flaschenkörper vom Flaschenhals-Trichter, der umgedreht auf den Flaschenkörper gesetzt wird, hängen kann. Man muss einen Wattebausch an den Ausgang des Trichters setzen und den Ballon nun so mit Wasser füllen, dass der Wattebausch knapp unter Wasser steht. Nun kann die belebte Bodenprobe in den vorbereiteten Flaschentrichter gefüllt werden. Im Trichter entsteht, ähnlich wie beim Berlese-Extraktor ein Licht-, Wärme- und Feuchtigkeitsgradient, dem die Nematoden und andere wasserbewohnende Bodenorganismen entsprechend ihrer Präferenzen folgen. Will man den Fang nach ca. 2 Tagen unter einem Mikroskop betrachten, dann schneidet man einfach den unteren Teil des Luftballons ab und fängt die darin befindliche Flüssigkeit samt Organismen auf. Materialien Baermann-Trichter (Bauanleitung siehe Materialien), belebte Erdprobe Durchführung in den Baermann-Trichter die Bodenprobe füllen, darauf achten, dass der eingelegte Wattebausch und der Luftballon gerade so mit Flüssigkeit getränkt ist, mit ungspapier dunkel einschlagen, 1-4 d stehen lassen, Beleuchtung möglich, Fallenfang mit Optik bestimmen und quantifizieren Nematoden, wasserlebende Organismen (Microfauna) Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 1-2 d mit Beleuchtung, ohne länger

109 Abb. 44: Baermann-Trichter vor der Auswertung BODENBIOLOGISCHES PRAKTIKUM Im Bodenbiologischem Praktikum versuchen die Schüler, wie biotische und abiotische Umweltfaktoren auf verschiedene Bodenorganismen wirken. Unter biotischen Umweltfaktoren, versteht man Einwirkungen anderer Organismen, z. B. Nahrungsangebot, Fortpflanzungspartner, inner- und außerartliche Konkurrenten, Parasiten u.a. Als abiotische Umwelteinflüsse wirken vor allem mit klimatischen und standörtliche Faktoren z. B. Temperatur, Licht, Feuchtigkeit, Luftdruck, Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffgehalt usw. Abb. 45: Toleranzbereiche Tiergemeinschaften verändern sich durch die Einwirkung biotischer und abiotischer Umweltfaktoren. Da Bodentiere relativ langlebig sind, müssen ihre Lebensansprüche am Standort mittelfristig gesichert sein. Den Intensitätsbereich, den ein Lebewesen toleriert, nennt man seine ökologische Potenz. Verschiedene Arten ertragen Schwankungen eines Umweltfaktors unterschiedlich. Einige tolerieren große Veränderungen, das heißt sie haben einen großen Toleranzbereich gegenüber diesem Umweltfaktor, andere halten nur kleine Änderungen aus, ohne Schaden zu nehmen. Ökologen bezeichnen die erstgenannten als

110 euryöke Arten, letztgenannte als stenöke. Innerhalb jedes Toleranzbereiches gibt es ein Minimum, ein Optimum und ein Maximum der Lebensintensität, die ein Organismus zeigt. Das in der Grafik dargestellte Pessimum ist jeweils die Lebensgrenze des Organismus (siehe Abb. 45). So bewirkt beispielsweise eine zu geringe Sauerstoffkonzentration (entspricht dem Minimum des Umweltfaktors Sauerstoff), als auch eine zu hohe Konzentration (entspricht dem Maximum des Umweltfaktors Sauerstoff) den Tod eines Lebewesens. Als Präferendum bezeichnet man Vorzugsbereich gegenüber dem Umweltfaktor, das heißt hier herrschen optimalen Lebensbedingungen für den Organismus. Einige der stenöken Arten haben einen so kleinen oder extremen Toleranzbereich, so dass sie als Zeigerorganismen dienen können. In den folgenden Versuchen experimentieren die Schüler mit Bodentieren, um ihre Präferenzen gegenüber einzelnen Umweltfaktoren herauszufinden und auf den Lebensraum bzw. die Lebensweise zu schließen. Aufgabenkarten erleichtern den Schülern das Erfassen der Aufgabe. Bevorzugt können Feuerkäfer, Keller-, Mauer- und Rollasseln eingesetzt werden, gut eignen sich aber auch Regenwürmer, Hundert- und Tausendfüßer. Die Schüler lernen so einen verantwortungsbewussten Umgang mit den Tieren. Alle bei den Versuchen eingesetzten Tiere werden im Anschluss wieder in die freie Natur entlassen. MESSUNG ABIOTISCHER UMWELTFAKTOREN BEI TIEREN In der Schule messbare abiotische Umweltfaktoren (und damit für Schülerversuche geeignete Parameter) sind Temperatur, Feuchte, Licht und Säuregehalt. Dazu wurden von der Autorin entsprechend Versuchsapparaturen professioneller bzw. aufwendiger Vorbildern (vgl. Brucker/ Kalusche und Biedermann 19 ) nachgebaut. So entstanden eine Temperatur-, eine Feuchte- und eine Lichtorgel. Die Schüler dachten mit großer Kreativität und Freude sich ein Regenwurm-Wahl-Labyrinth aus. Mit diesen Geräten können das Thermo-, Hyground Lichtpräferendum einer Tierart ermittelt werden. Die Tiere setzt man mittig in die entsprechende Versuchsapparatur und beobachtet, wohin sie sich bewegen. Dort, wo sich die meisten Tiere einer Art aufhalten, liegt ihr Vorzugsbereich für den entsprechenden Umweltfaktor. VERSUCH 95: TEMPERATURORGEL Die Temperaturorgel 20 besteht aus einer Metalllaufschiene und 2 Gefäßen: Das eine enthält eine Kältemischung und das andere heizt. Dabei entsteht ein Temperaturgradient, der mit Hilfe von elektronischen Thermometern punktuell gemessen werden kann. Eine Abdeckung, die entsprechend der Tierart durchsichtig oder lichtdicht gewählt werden kann, verhindert bei fliegenden, aber auch sehr flinken Tieren das Entkommen. Nach dem Einsatz in der Mitte 19 Wolfram Biedermann: Bau eines Ökofaktorensimulators in Praxis der Naturwissenschaften Biologie, 4/ 47. Jg. 1998, Aulis Verlag Deubner & Co KG Köln 20 Bauanleitung im folgenden Kapitel

111 der Laufschiene beobachtet man die Bewegung der Tiere, die Schüler protokollieren den Aufenthalt in entsprechend gewählten einheiten. Abb. 46: Skizze und Versuchsaufbau Temperaturorgel VERSUCH 96: LICHTORGEL Die Lichtorgel 21 besteht aus einer abgedunkelten Metalllaufschiene und 2 Gefäßen, die zur Stabilisierung der Versuchseinrichtung dienen. Durch die Abdeckung mit verschiedener Transparenz entsteht in der Laufschiene ein Lichtgradient, der mit Hilfe von einem Luxmeter gemessen werden kann. Nach dem Einsatz der Tiere in der Mitte der Laufschiene und dem Abdecken beobachtet und protokolliert man in entsprechend gewählten einheiten die Bewegung der Tiere. 21 Bauanleitung im folgenden Kapitel

112 Abb. 47: Skizze und Versuchsaufbau Lichtorgel VERSUCH 97: FEUCHTEORGEL Die Feuchteorgel besteht aus 2 ineinander stapelbaren Gefäßen, die luftdicht abgedichtet werden. Beide Gefäße sind in 4 Segmente unterteilt. Die im unteren Gefäß befindlichen Kammern enthalten die hygroskopische 22 Salze sowie einen mit Wasser getränkten Wattebausch in kleinen PVC-Gefäßen (Plastik-Schnapsgläser bewährten sich), die oberen, auf der Lauffläche befindlichen Kammern besitzen Öffnungen, so dass die Tiere von einem ins andere Segment gelangen können. Günstig erwies sich, den Bodentieren gleichartige Versteckmöglichkeiten pro Kammer zu bieten. Durch die hygroskopisch wirkenden Salze, die das Kammerinnere des unteren und oberen Gefäßes trockneten, entsteht ein Feuchtigkeitsgradient, der mit Hilfe von elektronischen Hygrometern gemessen werden kann. Bei dieser einfachen Versuchsapparatur empfiehlt es sich, zu Beginn des Versuches die 22 wasserbindend, also trocknende Salze

113 Feuchtigkeit pro Kammer zu messen und nach dem Abschluss der Versuche. Der Mittelwert reicht für die Bestimmung aus. Nach dem Einsatz in einer neutralen, gekennzeichneten Kammer beobachtet man die Bewegung der Tiere, die Schüler protokollieren den Aufenthalt in entsprechend gewählten einheiten.kleinere Tiere können in einer geteilten Petrischale 23 geprüft werden. Abb. 48: Skizze und Versuchsaufbau Feuchteorgel VERSUCH 98: WAHLVERSUCH BEI REGENWÜRMERN Die Schüler konstruierten selber ein kleines Labyrinth, das mehrere Umweltfaktoren oder auch nur die Präferenz für säurehaltige Substanzen ermittelte. Die Konstruktionen entstanden aus Papier, Pappen, Abflussrohren, Lego und Holz. Prinzipiell wurde dem Regenwurm eine Labyrinthecke mit Essig und eine andere mit Erde angeboten. Damit der Versuch nicht zu zeitaufwendig wird, sollten agile Tiere verwendet werden, da man den Versuch zur Überprüfung der se mit dem gleichem Wurm wiederholen sollte. Es versteht sich von selbst, mit dem Regenwurm verantwortungsbewusst umgegangen werden muss. Das gelingt vor allem, wenn die Schüler sich ihren eigenen Regenwurm mitbringen. 23 Ogilivie, D. M., Stinson, R. H. 1995: Schulbiologische Untersuchungen mit lebenden Tieren. Ernst Klett Schulbuchverlag, Stuttgart, S. 263