Inhalt und Einsatz im Unterricht "Ökosystem Fließgewässer II" 2 (Biologie Sek. II) Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema Ökosystem Fließgewässer II für die Sekundarstufe II. Im DVD-Hauptmenü finden Sie insgesamt 4 Filme: Abiotische Faktoren im Fließgewässer 6:50 min Selbstreinigung eines Fließgewässers 8:20 min Leitorganismen und Saprobienindex 8:10 min Gewässergüteklassen 6:50 min (+ Grafikmenü mit 10 Farbgrafiken) Die Filme vermitteln mithilfe von aufwändigen und impressiven 3D-Computeranimationen alle wesentlichen Informationen rund um das Thema Ökosystem Fließgewässer auf Sek-II-Niveau. Im ersten Film werden die fünf Teil-Ökosysteme eines Fließgewässers noch einmal kurz vorgestellt und dann die abiotischen Faktoren detailliert erläutert. Der zweite Film zeigt anhand eines Beispiels, wie die Selbstreinigung eines Fließgewässers abläuft. In diesem Zusammenhang werden auch die Begriffe Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB 5 ) erklärt. Der dritte Film stellt einige in Fließgewässern lebende Organismen beispielhaft als biotische Faktoren vor, u.a. in ihrer Funktion als Bioindikatoren für die Gewässergüte (Phyto-Organismen, Leitfischarten und Saprobien). Im Schnelldurchlauf wird eine wissenschaftlich fundierte Gewässergüteuntersuchung gezeigt, u.a. mit der konkreten Ermittlung des Saprobienindexes (Exkursion & Auswertung). Schließlich unterscheidet der vierte Film in harte und weiche Qualitätsfaktoren zur Bestimmung der Gewässergüte. Im zweiten Teil liegt der Fokus dann auf den chemischen Abläufen in der Abwasseraufbereitung einer Kläranlage. Die Inhalte der Filme sind stets altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. Die Filme bieten z.t. Querbezüge, bauen aber inhaltlich nicht streng aufeinander auf. Sie sind daher in beliebiger Reihenfolge einsetzbar. Der Einstieg ins Thema mithilfe der Filme 1 und 2 ist aber ratsam. Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD: - 10 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs) - 12 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich) Im GIDA-Testcenter (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVD interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc.
Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVD Über den Windows-Explorer Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die Dateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner DVD-ROM. In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei index.html Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial der DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und DVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.). Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich automatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalte der DVD. Einige Arbeitsblätter sind am PC elektronisch ausfüllbar, soweit die Arbeitsblattstruktur und die Aufgabenstellung dies erlauben. Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie auch einzelne oder alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen. Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD: Frau Erika Doenhardt-Klein, Studiendirektorin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II) Unser Dank für die Unterstützung unserer Produktion geht an: Wupperverband, Klärwerk Hückeswagen POND5 Inhaltsverzeichnis Seite: DVD-Inhalt Strukturdiagramm 4 Die Filme Abiotische Faktoren im Fließgewässer 5 Selbstreinigung eines Fließgewässers 7 Leitorganismen und Saprobienindex 10 Gewässergüteklassen 12 3
DVD-Inhalt Strukturdiagramm Hauptmenü Filme Abiotische Faktoren im Fließgewässer Selbstreinigung eines Fließgewässers Leitorganismen und Saprobienindex Gewässergüteklassen Menü Grafiken Grafiken Teil-Ökosysteme Fließgewässer Ökofaktoren Fließgewässer Sauerstoffgehalt und -sättigung Sauerstoffbilanzen im Fließgewässer Sauerstofftagesgang Selbstreinigungsstrecke Gewässergüteklassen Saprobienindex Ökologische Gewässergüte Chemismus Klärwerk 4
Abiotische Faktoren im Fließgewässer Laufzeit: 6:50 min, 2017 Lernziele: - Die Einteilung von Fließgewässern in formale Abschnitte und 5 Teil-Ökosysteme wiederholend festigen; - Kenntnis der abiotischen Faktoren im Fließgewässer vertiefend festigen. Inhalt: Der erste Film startet mit einer kurzen Wiederholung des Grundwissens aus der Sekundarstufe I und stellt noch einmal kurz die Teil-Ökosysteme Quelle/Bach, Oberlauf, Mittellauf, Unterlauf sowie Mündung/Delta vor. Diese fünf Abschnitte des Ökosystems Fließgewässer unterscheiden sich in ihren abiotischen und biotischen Faktoren. Der Film schildert dann detailliert die abiotischen Faktoren eines Fließgewässers: Breite, Tiefe und Gefälle des Gewässerbetts. Diese drei Faktoren bestimmen die Fließgeschwindigkeit, welche wiederum die Beschaffenheit des Gewässergrunds mitbestimmt. Fließgeschwindigkeit und Gewässergrund beeinflussen gemeinsam mit der Wassertemperatur u.a. auch den Mineralstoffgehalt des Wassers. Hinzu kommt der Lichteinfall ins Gewässer, welcher für das Pflanzenwachstum verantwortlich ist. 5
Der Film zeigt weitere Faktoren der Gewässerqualität: Die Leitfähigkeit ist ein Maß für die Menge der im Wasser gelösten Ionen. Typisch für ein unbelastetes Gewässer sind rund 300 Mikro-Siemens pro Zentimeter. Solch ein Gewässer ist mit ph 7 chemisch neutral. Weitere Faktoren sind CO 2 -, Kohlensäure- und Sauerstoffgehalt. Der Sauerstoffgehalt hängt wesentlich von Wassertemperatur und Fließgeschwindigkeit ab. An dieser Stelle erläutert der Film auch den Unterschied zwischen Sauerstoffgehalt und Sauerstoffsättigung eines Gewässers. Beim anaeroben Abbau stickstoffhaltiger, organischer Verbindungen entstehen Ammoniak und Ammonium. Beide sind in unbelasteten Gewässern nur in geringen Mengen vorhanden. Der Film zeigt, dass Ammonium in sauerstoffreichen Gewässern schnell zu Nitriten und weiter zu Nitraten oxidiert wird. Nitrate dienen den allermeisten Pflanzen als wichtigste Stickstoffquelle. Auch die Phosphate sind wichtige Nährsalze für alle Algen und Pflanzen im Ökosystem Fließgewässer. Zum Schluss widmet sich der Film kurz den biotischen Faktoren. Unter der Rubrik Lebewelt des Gewässers wird die gesamte Flora und Fauna der fünf Gewässer- Abschnitte zusammengefasst. Hierzu gehören Algen, Pflanzen, Saprobien und Fische. In bestimmten Bereichen herrschen bestimmte Arten vor. Sie sind damit auch Indikatoren für die Gewässerqualität. Mehr dazu zeigt der dritte Film auf dieser DVD. 6
Selbstreinigung eines Fließgewässers Laufzeit: 8:20 min, 2017 Lernziele: - Den Ablauf der Selbstreinigung von Fließgewässern nachvollziehen können; - Die Begriffe chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und biologischer Sauerstoffbedarf (BSB 5 ) kennenlernen und erklären können. Inhalt: Der Film startet an einem frisch der Quelle entsprungenen Bach mit hohem Sauerstoffgehalt. Dann wird die Sauerstoff-Bilanz der einzelnen Gewässerabschnitte unter dem Aspekt Produktion und Veratmung von Sauerstoff näher beleuchtet. Im Bach ist der Sauerstoffgehalt durch die kräftige Verwirbelung und niedrige Wassertemperatur hoch. Es wird fast kein Sauerstoff im Gewässer produziert. Die Atmung der aquatischen Lebewesen überwiegt. Auch im Oberlauf wird die zunehmende fotosynthetische Sauerstoffproduktion durch mehr Konsumenten-Atmung aufgewogen. Der Film zeigt, dass Sauerstoff- Produktion und -verbrauch im Mittellauf meist ausgeglichen sind. Im Unterlauf ist die Sauerstoff-Bilanz allerdings negativ. Sauerstoffatmende Organismen wie Bakterien, Saprobien und Fische gewinnen die Oberhand über die sauerstoffproduzierenden Algen und Pflanzen. Die Sauerstoff-Bilanz bleibt meist negativ, bis Fluss oder Strom ins Meer münden. Der Film weist aber ausdrücklich darauf hin, dass gerade der Sauerstoffgehalt im Unterlauf und an der Mündung starken jahreszeitlichen und sogar täglichen Schwankungen unterliegt. So kann es besonders an sonnig-warmen Tagen zu einem Sauerstoff-Überhang kommen. 7
Im weiteren Verlauf skizziert der Film anhand eines Kurvendiagramms den Sauerstofftagesgang eines Fließgewässers: In der Nacht findet keine Fotosynthese statt, es wird also kein Sauerstoff produziert. Während des Tages übersteigt die Sauerstoffproduktion den Verbrauch. Mit beginnender Dämmerung fällt die Sauerstoffsättigung wieder ab. Während des Tagesgangs überlagern sich ständig drei Prozesse: Sauerstoffproduktion, Sauerstoffzehrung und Sauerstoffdiffusion zwischen Wasser und Luft. Der Film spielt anschließend beispielhaft ein Szenario für eine mögliche Gewässerverschmutzung durch: Für kurze Zeit ergießt sich durch einen Rohrbruch ungeklärtes Abwasser in den Fluss. Der natürliche Bestand an organischen Schwebstoffen und Mineralstoffen (Mineralsalzen) im Gewässer wird schlagartig erhöht. Es wird gezeigt, dass ein gesundes Gewässer in gewissem Maße durchaus in der Lage ist, eine solche Belastung durch Selbstreinigung wieder abzubauen. 8
Dieser Ablauf wird kurz geschildert: Mikroorganismen bauen binnen weniger Tage die organischen Stoffe aerob ab. Dabei werden große Mengen Sauerstoff verbraucht, dessen Konzentration sinkt massiv ab. Der Anteil an Mineralstoffen schießt dagegen steil nach oben, bevor auch er nach Tagen wieder sinkt. Der Film geht an dieser Stelle ausführlich auf den komplexen Abbau der Mineralstoffe im Gewässer ein und nennt als Beispiel auch Phosphate, die mit der Zeit durch Mikroorganismen im Flusswasser als Nährsalze aufgenommen werden. Die gesamte Phase von Verschmutzung bis zum Erreichen des Urzustands nennt man die Selbstreinigungsstrecke. Im Zusammenhang mit der Gewässerverschmutzung erklärt der Film die Begriffe chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und biologischer Sauerstoffbedarf (BSB 5 ). Fazit ist, dass Gewässer nach einer Abwassereinleitung in gewissem Maße zur Selbstreinigung fähig sind. Gefährlich wird es für die Flora und Fauna allerdings, wenn giftige Abwässer aus Chemie und Industrie in einen Fluss gelangen. 9
Leitorganismen und Saprobienindex Laufzeit: 8:10 min, 2017 Lernziele: - Phyto-Organismen, Leitfischarten und Saprobien als Bioindikatoren erkennen; - Den Saprobienindex eines Fließgewässers bestimmen können. Inhalt: Zu Beginn zeigt der Film, dass die Gewässergüte eines Fließgewässers von verschiedenen Parametern bestimmt wird. Hierbei geht der Film zunächst ausführlich auf die biotischen Faktoren ein und widmet sich der Rubrik Lebewelt des Gewässers. Einige aus der Sekundarstufe I bereits bekannte Phyto-Organismen wie Makrophyten, Algen, Phytoplankton und Phytobenthos werden aufgeführt. Auch die fünf Leitfischarten (Forelle, Äsche, Barbe, Brachse und Kaulbarsch) gelten als Bioindikatoren und werden in ihrem jeweiligen Lebensraum kurz wiederholend vorgestellt. Die dritte Gruppe sind die Invertebraten die wirbellosen Tiere. Dazu gehören u.a. Insektenlarven, Gliederwürmer, Rollegel, Schnecken und Muscheln. In diesem Zusammenhang fallen häufig die Begriffe Makrozoobenthos und Saprobien. Beide bezeichnen ebenfalls die wirbellosen Tiere im Gewässer. 10
Der Film zeigt, dass Saprobien von den organischen, aerob abbaubaren Substanzen im Gewässer, der sogenannten Saprobie leben. Saprobien kann man in zwei Gruppen aufteilen: Die euryöken Saprobienarten, die mit ihrer breiten, ökologischen Toleranz in vielen Wasserqualitäten überleben können. Und die stenöken Saprobien mit geringer Toleranz für Abweichungen von ihrem Umweltoptimum. Zum Schluss widmet sich der Film einer wissenschaftlich fundierten Gewässergüteuntersuchung. Er begleitet eine Exkursion, bei der drei Teams die räumliche Gewässerstrukturgüte, die chemisch-physikalische Gewässergüte sowie die Saprobien-Fauna untersuchen. Das vierte Team sorgt für die technische Ausstattung und das Festhalten der Untersuchungsergebnisse. Der Film dokumentiert die Exkursion im Schnelldurchlauf. Die Ergebnisse werden tabellarisch mit folgenden Werten festgehalten: h = gefundene Individuen einer Art, hi = Häufigkeitswert, s = bevorzugte Gewässergüteklasse, g = Indikationsgewicht. Aus diesen 4 Werten werden zwei Produkte gezogen. Diese Produkte werden für jede Saprobienart errechnet, addiert und schließlich in einen Bruch gesetzt. Daraus errechnet sich der Saprobienindex S mit einem im Film genannten Beispielwert von 2,08, was der Gewässergüteklasse 2 entspricht. 11
Gewässergüteklassen Laufzeit: 6:50 min, 2017 Lernziele: - Biologische, chemisch-physikalische und hydromorphologische Qualitätsfaktoren der Gewässergüte unterscheiden können; - Die chemischen Abläufe in der Abwasseraufbereitung erfassen. Inhalt: Der Film startet mit einer kurzen Zusammenfassung des bereits Gesehenen: Das Sammeln, Bestimmen und Zählen von Saprobien führt zur Errechnung des Saprobien-Indexes. Dieser Index begründet eine bestimmte Gewässergüteklasse und zählt zu den biologischen Qualitätsfaktoren. Hinzu kommen Fische sowie Algen und Pflanzen. All diese lebenden Organismen zählen zu den harten Faktoren der Gewässergüte. Zwei weitere Faktorengruppen werden vorgestellt: Die ebenfalls harten, chemisch-physikalischen Qualitätsfaktoren umfassen Temperatur, Sauerstoffgehalt und ph-wert des Gewässers, ebenso den Mineralstoffgehalt und die im Wasser befindlichen Schadstoffe. 12
Ein tendenzielles Qualitätsbild liefern die weichen, hydromorphologischen Qualitätsfaktoren wie Gewässerverlauf, Gewässergrund, Ufer und Durchgängigkeit. Der Film erklärt, dass diese drei Aspekte der ökologischen Gewässergüte die Hauptsäulen der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) sind. Im zweiten Teil setzt der Film Grundwissen der Sek-I bzgl. des Aufbaus und der Funktion eines Klärwerks voraus: Das Abwasser durchläuft nacheinander eine mechanische, eine biologische und eine chemische Reinigungsstufe. Dann legt der Film seinen Fokus auf die chemischen Abläufe in der Abwasseraufbereitung. 13
Zunächst zeigt der Film die biochemischen Prozesse in den beiden Belebtschlammbecken. Hierbei werden dem Abwasser Ammonium und Phosphat entzogen. Die chemischen Reaktionsabläufe von Nitrifikation und Denitrifikation werden ausführlich beschrieben. Abschließend zeigt der Film die chemische Reinigung des Wassers von verbliebenen Phosphaten mithilfe von Eisensalzen und mehrstufigen Kiesel- und Sandfilter. * * * 14