Alles klar?!? Biologische Wasserreinigung mit Wasserflöhen - Das Grosse Fressen?! Daphnia magna
Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung Seite 1 2.Hauptteil Seite 2-9 3.Schluss Seite 10 4.Literatur Seite 11 5.Anhang Seite 12-17
Einleitung: Seite 1 Ich arbeite seit über 2 Jahren an dem Räuber-Beute-Verhältnis zwischen Wasserfloh und Grünalge. Seit Juni 2004 arbeite ich auch praktisch mit Wasserflöhen und der Grünalge Scenedesmus obliquus (Zeltbandalge). Mit der Arbeit Alles Klar?!? Biologische Wasserreinigung mit Wasserflöhen bin ich 2005 Landessieger auf dem Landeswettbewerb Rheinland-Pfalz, Jugendforscht, Schüler experimentieren geworden. Seit April/Mai 2005 forsche ich mit Freilandversuchen in einem 350m³ Weiher in der Nähe von Altenkirchen (Westerwald). Dort habe ich zur Algenbefreiung 500.000 Wasserflöhe im letzten Sommer eingesetzt, derzeitig arbeite ich daran, ob und wie die Wasserflöhe den Winter gut überstanden haben und im kommenden Sommer wieder antialgeriell arbeiten werden. Zurzeit bin ich bereits mit der Kläranlage Wissen in Verbindung um dort dieses Jahr ein neues Projekt starten zu können.
Hauptteil: Seite 2 Alles Klar?!? Biologische Wasserreinigung mit Wasserflöhen 1. Die Zucht der Grün-Algen: Seit dem 7. Juni 2004 züchte ich die Grünalge Scenedesmus Obliquus, die ich vom Ploener Max Planck Institut bekommen habe. Das Algen-Wasser wird alle 7 Tage mit 3ml Substral-Blumennahrung angereichert. Jeden Tag werden den Algen 12 Stunden Licht, im Winter durch eine Lampe, und 12 Stunden Luft zugeführt. Die Luft wird durch zwei Membran-Pumpen erzeugt und gelangt über Verteiler in die einzelnen Gläser. Der Luftweg von der Membran-Pumpe zum Glas wird im Anhang mit einer detaillierten Zeichnung gezeigt. Die Werte des Wassers (KH, ph, NO2, NO3, FE) messe ich alle 7 Tage. Hierbei achtete ich besonders auf den NO3 (Nitrat) Wert, der bei Zuchtbeginn bei 160 mg/l lag. Alle Futter- und Pflanzenreste, Ausscheidungen von Fischen erhöhen den Nitrat Wert. Wenn der Nitrat-Wert bei 240mg/L oder höher lag, habe ich die Algenkultur geteilt. Dabei kommen in ein weiteres Glas 100ml Wasser und 15ml Algen. Wenn man dieses Mischverhältnis einhält, entsteht jetzt ein Algen-Wasser mit einem NO3 Wert von 160 mg/l. 2. Die Zucht der Wasserflöhe (Daphnien): Seit dem 8. Juni 2004 züchte ich Wasserflöhe der Art Daphnia magna. Wie alle Daphnien gehören sie zu den Krebstieren (Crustacae). Ich habe die Daphnien in Gruppen zu je 50 Tieren eingeteilt. Alle Daphnien wurden mit der gleichen Temperatur (27 C, Vgl. Vers. 4) und den gleichen Futter-Verhältnissen aufgezogen. Die Tiere bekamen alle 2-3 Tage 3 ml Algen ins Becken. Die Licht- und Luftverhältnisse entsprechen denen der Grünalgenzucht.
Seite 3 3. Versuchsfrage: Ernähren sich Wasserflöhe (Daphnien) von der Grünalge Scenedesmus obliquus? 3.1 Versuchsdurchführung: In ein leeres Glas (max. Inhalt 600ml) füllte ich 400ml Leitungswasserwasser mit 50 Daphnien. Alle 2-3 Tage bekommen die Daphnien 3ml Algen (Scenedesmus obliquus) ins Becken. Die Algen setzten sich teilweise auf dem Boden des Gefäßes ab. Auch färbten sie das Wasser grün. Innerhalb weniger Stunden wurde das grüne Wasser klarer: ein Zeichen, dass die Daphnien die Algen fressen. Der Kontrollversuch war, ein Glas mit Algen ohne Wasserflöhe. Ich untersuchte die Daphnien auch mit dem Lichtmikroskop. Dazu benutzte ich einen Hohlschliffobjektträger, damit die Tiere nicht erdrückt wurden. Da die kleinen Krebstiere durchsichtig sind, kann man an der Grünfärbung des Magen- Darm-Traktes den Zeitpunkt der Zufütterung erkennen. 3.2 Versuchs-Ergebnis: Wasserflöhe (Daphnien) ernähren sich von der Grünalge Scenedesmus obliquus, da die Daphnien das verschmutzte Leitungswasser innerhalb kürzester Zeit klären und der Magen-Darm-Trakt nach diesem Versuch bei den Wasserflöhen eine deutliche Grünfärbung zeigt. Bevor man aber Daphnien als Sofortmaßnahme zur Klärung des Aquariumwassers einsetzt ist es sinnvoll die Fische aus dem Aquarium zu entfernen. Die Fische würden die Daphnien fressen. Nachdem Alles klar ist, setzt man die Fische wieder ein. 4. Versuchsfrage: Welches ist die optimale Betriebstemperatur bei Daphnien? 4. 1 Versuchsdurchführung: In ein Versuchsbecken habe ich 5 l Wasser gefüllt, und einen Heizstab aus einem Aquarium befestigt. An der Außenwand des Beckens habe ich zur präzisen Messung der Temperatur ein Flüssigkeitskristall-Thermometer geklebt. Für die Untersuchungen nahm ich immer nur einen Wasserfloh mit ein wenig Wasser aus dem Aufzuchts-Becken in ein Reagenz-gläschen. Dieses wurde in das Versuchsbecken getaucht. Die Untersuchungs-Temperaturen liegen zwischen 15 C und 32 C. Im Reagenz-Gläschen erwärmt sich das Wasser nur sehr langsam und der Wasserfloh kann sich ohne Schaden daran gewöhnen. In
Seite 4 das Reagenz-gläschen kommt ein normales Thermometer um genau die gewünschte Temperatur festzustellen. Außerhalb des Reagenz-Gläschens kam jetzt noch ein Hohlschliff-Objekt-Träger ins Becken, dass auch dieser die gleiche Temperatur wie der Wasserfloh hat. Wenn das Wasser, die gewünschte Temperatur erreicht hat, habe ich den Wasserfloh mit einer Pipette aus dem Reagenz-gläschen genommen und auf den auf gleicher Temperatur gewärmten Hohlschliffobjektträger gelegt. Nun wird 15 Sekunden lang der Herzschlag des Wasserflohs unter dem Lichtmikroskop gezählt. Danach kommt der Wasserfloh wieder ins Reagenz-gläschen. Die Anzahl der Herzschläge in diesen 15 Sekunden wird dann mit 4mal genommen und somit auf die Herzschläge in einer Minute gebracht. Diese Vorgehensweise wird bei allen Temperaturen zwischen 15 C und 32 C beibehalten.4.2 Versuchs-Ergebnis: 4.2 Versuchsergebnis: Die Betriebstemperatur der Art Daphnia magna liegt nach meinen Ergebnissen genau bei 27 C, weil dort die höchste Herzschlag-Frequenz zu erkennen ist, 184 Schläge in der Minute. (Tabelle siehe Anhang) Daphnia magna sind wechselwarme Tiere (poikilotherme), deren Körpertemperatur von der Außentemperatur abhängig ist. 5. Versuchsfrage: Wie schnell klären die Daphnien das Aquariumswasser 5.1 Versuchsdurchführung: Zuerst habe ich 100 ml klares Leitungswasser mit 15ml Algen aus meiner Algen-Zucht gemischt. Die Zeit vom Einsatz der Daphnien in das Versuchsbecken bis zur vollständigen Klärung habe ich mit einer Stopp-Uhr gemessen. Auf der Rückseite des Versuch-Glases habe ich bei jedem Versuch einen Papierzettel mit Zahlen und Buchstaben geklebt (6 Buchstaben und 3 Zahlen), diese Zeichen sind durch das algenverschmutzte Wasser von vorne nicht zu erkennen. Wenn das Wasser geklärt ist, kann man die Buchstaben bzw. Zahlenfolge ablesen. Bei meinen Versuchen habe ich meine Mutter auf das Glas schauen lassen, und sobald sie die Buchstaben bzw. Zahlenfolge richtig aufgeschrieben hat, habe ich die Zeit gestoppt. 5.2 Versuchs-Ergebnis:
Seite 5 20 Daphnien sind in der Lage 115ml (100 ml klares Wasser + 15 ml Algen) algenverschmutztes Wasser innerhalb 75 Minuten zu klären. Die Tiere waren zuvor ausgehungert. D.h. sie erhielten 3 Tage lang kein Futter. Nach diesem Versuchsergebnis sind Daphnien für die schnelle biologische Wasserreinigung zu empfehlen. 6. Versuchsfrage: Wie viel algenhaltiges Wasser kann ein Wasserfloh maximal aufnehmen? 6.1 Versuchsdurchführung: In einen kleinen Messbecher mit 5ml Einteilung, habe ich 10ml algenverschmutztes Wasser gegeben. Der Nitrat (NO3) Wert lag bei 240 mg/l Dass ist der höchste Wert den herkömmliche NO3 Tests anzeigen. In dieses Gefäß habe ich dann 5 ausgehungerte Daphnien gegeben. Die Daphnien ließ ich nun 1 Stunde in dem Gefäß. Danach habe ich die Menge des algenhaltigen Wassers im Messbecher abgelesen. 6.2 Versuchs-Ergebnis: Nach 1 Stunde haben alle 5 Daphnien insgesamt 1,5ml Algen verzehrt. Durchschnittlich fraß jeder Wasserfloh 0,3ml Algen. Für die 50 Daphnien im Aufzuchts-Becken würden 15ml Algen zum Fressen genügen. Der Darm der 5 Versuchstiere ist nach 6 Tagen immer noch zur Hälfte grün. Erst nach 8 Tagen ist der Darm der Versuchstiere komplett leer. Das heißt dass bei 2-3 tägiger Fütterung 3ml Algen im Aufzuchts-Becken der Daphnien genügen. 7. Versuchsfrage: Hat die Anwesenheit eines grünen Gegenstandes Auswirkungen auf das Populationswachstum der Daphnien? 7.1 Versuchsdurchführung: Bei diesem Versuch hing ich ein Reagenz-glas gefüllt mit der Grünalge Scenedesmus obliquus ins Daphnien Becken. In dem Aufzuchts-Becken der Daphnien befinden sich 50 Daphnien am Anfang. Von diesem Tag an (16.09.2004) habe ich alle sieben Tage die Daphnien gezählt. Ein Kontrollversuch wurde ohne grünes Reagenz-glas durchgeführt.
Seite 6 7.2 Versuchs Ergebnis: Die Population der Algen ohne Tauchglocke war am 17.08.2004 (10 Wochen nach dem Start dieses Versuches) von 50 Wasserflöhen auf 56 angestiegen, eine Wachstumssteigerung von 12%. Nach weiteren 10 Wochen ging die Population auf 53 Tiere zurück. Bei den Wasserflöhen mit grüner Tauch-Glocke stellte ich folgendes fest: Die 50 Daphnien vom 16.09.2004 sind 10 Wochen später am 25.11.2004 auf 69 Tiere angewachsen (eine Steigerung von 38%). Alle Tiere wurden bei gleicher Temperatur (27 C) und gleicher Nahrung gehalten. Die grüne Tauch-Glocke scheint eine positive Wirkung auf das Populationswachstum der Daphnien zu haben. Das Große Fressen: 8. Versuchsfrage: Sind Wasserflöhe der Art Daphnia magna in der Lage, dass Wasser von Algen zu befreien? 8.1.1: Versuchbeschreibung: Aus der Probe vom 26.04.2005 füllte ich 1 Liter Wasser, in ein Versuchsbecken. Das Wasser untersuchte ich auf ph Wert und Nitrat. In das Versuchsbecken setzte ich nun 50 Wasserflöhe (Daphnia magna) ein. Aufgrund der Berechnungen in meiner letzten Arbeit, müssten die Wasserflöhe etwa 5 Stunden für die Klärung des Wassers benötigen. Nach genau 5 Stunden entnahm ich dem Versuchsbecken eine weitere Probe. Ich bestimmte erneut deren ph- Wert sowie den Nitrat Wert, und mikroskopierte sie. 8.1.2: Versuchsergebnisse: Meine Untersuchungen ergaben, dass die Wasserflöhe nach 5 Stunden etwa 80%, der mikroskopisch sichtbaren Algen vertilgt hatten. Vor und nach dem Versuch führte ich einen Sichttiefen-Versuch durch. Mit einem weißen Kunststoff-Teller der an einer Schnur befestigt ist, kann man die Sichttiefe bestimmen. Man lässt den Teller soweit in das Becken hinab bis er nicht mehr zu erkennen ist.
Seite 7 Danach zieht man die den Teller an der Schnur aus dem Wasser und misst die Länge des nassen Teils der Schnur. So erhält man die Sichttiefe. Im Versuch verbesserte sich diese um ~300% von 5cm auf 20cm! Sogar die Fadenalgen sind von den Wasserflöhen aus dem Wasser gefiltert worden. Als Kontroll-Versuch füllte ich 1 Liter des Weiherwassers in ein Versuchsbecken ohne Wasserflöhe. Nach 5 Stunden war die Anzahl der Algen unverändert. Somit sind die Wasserflöhe in der Lage, dass Wasser von Algen zu befreien. 9. Versuchsfrage: Ist das Ergebnis der Wasserflöhe von der Temperatur des Weihers abhängig? 9.2.1: Versuchsbeschreibung: In meiner Arbeit Alles Klar?!? Biologische Wasserreinigung mit Wasserflöhen, ging es unter anderem darum, die Betriebstemperatur der Daphnien herauszufinden. Daphnien gehören zu Gruppe der Krebstiere, bzw. zu den Kleinkrebsen. Sie sind wechselwarm (poikilotherm), somit ist ihre Körpertemperatur von der Temperatur ihrer Umgebung (Wassertemperatur) abhängig. In der letzten Arbeit nutzte ich dieses Ergebnis, um die Zucht der Wasserflöhe zu optimieren. Mit Hilfe dieser Ergebnisse (Tabelle im Anhang) konnte ich bestimmen, ob meine Wasserflöhe zur Klärung des Weihers, bei den schwankenden Wassertemperaturen sind. Zunächst musste ich dafür die Durchschnittstemperatur des Weihers messen. Täglich trug ich per telefonische Absprache mit Herrn Ernst die Temperatur des Weihers in eine Tabelle ein (Siehe Tab. Im Anhang). Danach begann der Modellversuch. Meine Wasserflöhe wurden einer langsam steigenden Temperaturschwankung, von bis zu 8 C ausgesetzt. Dies geschah zunächst in kleineren Schritten von 1 C-2 C und danach in größeren Temperaturschwankungen bis zu 8 C. 9.2.2: Versuchsergebnisse: Der Weiher hat eine Durchschnittstemperatur von 22,28 C nachmittags, und ca. 18,63 C in der Nacht. Die Wassertemperatur schwankt also im Durchschnitt, 3,65 C zwischen 15.00Uhr und 24.00Uhr. Die Wasserflöhe halten diese Schwankungen in meinen Testversuchen aus; sie zeigten eine große Temperaturtoleranz. Allerdings werden die Tiere mit
Seite 8 sinkender Temperatur träger. Sie nehmen auch weniger Nahrung zu sich. Dies wiederum verlängert dann auch die Klärungszeit des Wassers. Nun steht dem Einsetzen der Wasserflöhe nichts mehr im Wege. Im Weiher befinden sich Fische. Diese natürlichen Fressfeinde der Wasserflöhe können das Populationswachstum der Wasserflöhe negativ beeinflussen. Meine Bemühungen zielen schließlich darauf hin, dass es für die Wasserflöhe zum großen Fressen kommt. 10. Versuchsfrage: Wie viele Wasserflöhe benötigt man um 350m ³ Weiher-Wasser zu klären? 10.3.1: Versuchsdurchführung: In meiner letztjährigen Arbeit, stellte ich unter anderem fest, dass 20 Daphnien etwa 75 Minuten brauchen, um 100ml Wasser mit 15ml Algen zu klären. Die Temperatur des Versuchsbeckens betrug 27 C. Diese Laborversuch muss ich in die Dimensionen des Freilandversuches Weiher umsetzen. Da es nun schon Anfang Juni war, rechnete ich etwa mit 3 Wochen Klärungszeit. Das Becken beinhaltet 350m³ Wasser, das über einen Überlauf von einem höher gelegenen Weiher läuft. 10.3.2: Versuchsergebnisse: Nach meiner Berechnung müssen 487.120 Daphnien eingesetzt, werden um das gesamte Wasser innerhalb 3 Wochen zu klären. Diese Wahrscheinlichkeits-Berechnung beruht auf meinen Ergebnissen aus dem letzten Jahr. Diese verliefen allerdings bei einer gleich bleibenden Temperatur von 27 C. Deswegen wollte ich besser 500.000 Daphnien ins Becken einsetzen.
Seite 9 11. Versuchsfrage: Wie züchte ich 500.000 Daphnien (magna)? 11.4.1: Versuchsdurchführung: Für den 28. Juli 05 bestellte ich 40.000 Wasserflöhe. Um zu berechnen wie lang ich die Wasserflöhe bei 27 C züchten muss, bis die Population auf 500.000 angestiegen ist, startete ich, einen Modell-Versuch mit anfangs 40 Wasserflöhen. Alle 3 Tage bestimmte ich die Anzahl der Wasserflöhe unter einer speziellen Lupe. 11.4.2: Versuchsergebnisse: Nach den ersten 3 Tagen im Versuchsbecken waren etwa 100 Wasserflöhe vorhanden. nach 6 Tagen: ca. 250 Wasserflöhe nach 9 Tagen: ca. 420 Wasserflöhe nach 12 Tagen: ca. 550 Wasserflöhe Ich musste die 40.000 Wasserflöhe 12 Tage in meinen Versuchsbecken züchten, um etwa 500.000 Wasserflöhe zu erhalten. Am 11.07.2005 setzte ich ca. 500.000 Wasserflöhe in den Weiher in Obernau (bei Altenkirchen) ein. 3 Wochen nach dem Einsetzten der Tiere ermittelte ich den ph-wert, kolorimetrisch. Er hat sich von 6,5 auf 7,5 geändert. Außerdem bestimmte ich die Sichttiefe des Weihers (Beschreibung s. 2.2.1), diese hat sich um ~95%, von 55cm bis auf ca. 100cm verbessert. Durch das große Fressen ist im wahrsten Sinne des Wortes das Weiherproblem geklärt worden!
Schluss: Seite 10 Abschließend kann ich nur empfehlen Wasserflöhe zur wirksamen, und vor allem biologischen Wasserreinigung einzusetzen. Nicht nur das sie die Algen fressen, sondern regulieren sie auch die Werte des Wassers, vor allem sind sie in der Lage durch Algenvernichtung den ph-wert nachhaltig zu regulieren. Somit kann ich nur empfehlen Wasserflöhe in Aquarium oder Weiher einzusetzen.
Literaturangaben: Seite 11 Für meine Arbeit habe ich folgende Literatur genutzt: -Artikel von Prof. Dr. Wolfgang Engelhardt über algenverschmutzte Gewässer, KOSMOS 1970 S. 267 ff. -Coverbild Quelle: Google.de Suche Bilder Daphnia magna Link: http://www.aquasense.nl/nr/rdonlyres/6bf56b69-da11-4db2-8ab7-156b42fb1755/401/test_daphnia_magna.jpg -Lexikon der Biologie in Acht Bänden Herder Freiburg-Basel-Wien