Einfache Methoden in der Limnologie

Gewässerökologische Untersuchungen mit einfachen Mitteln

Den frühen Limnologen standen noch keine elektronischen Messgeräte zur Verfügung. Wenn wir nach einfachen Methoden suchen, ist es oft eine gute Idee, die Verfahren und Geräte der Pioniere dieser Wissenschaft zu studieren.

Entnahme von Wasserproben und Temperaturmessung

Die Meyersche Schöpfflasche wird schon 1909 von Thienemann beschrieben (1). Zu einer stabilen Sektflasche besorgt man sich einen passenden, längs durchbohrten Gummistopfen sowie eine Ringschraube, die durch die Bohrung gesteckt werden kann. Mit Muttern und Unterlegscheiben wird die Schraube am Gummistopfen befestigt:

Die Sektflasche wird mit einem Netzgeflecht, mit Schnur oder (wie bei Thienemann) mit einer Blechmanschette versehen. Unten wird ein Gewicht (Ziegelstein, Beton o.ä.) von etwa 2 kg angebunden. An den Flaschenhals wird eine kräftige Leine angeknüpft, die mit der Ringschraube des Stopfens verknotet ist.
Der Stopfen wird in die Flasche gesteckt. Darauf achten, dass er nicht zu fest sitzt (er soll sich in der zu beprobenden Tiefe leicht lösen), aber auch nicht zu locker, damit er sich nicht schon vorher löst. Die Flasche wird abgelassen und in der gewünschten Tiefe durch einen kräftigen Ruck an der Leine geöffnet. Aufsteigende Luftblasen zeigen an, dass das Öffnen gelungen ist.
Wird die Flasche zügig aufgeholt, verändert sich die Temperatur des in ihr befindlichen Wassers kaum. Die Temperaturschichtung eines Sees kann so mit etwas Übung in ¾ bis 1½ Stunden gemessen werden (2). Die Benutzung der Schöpfflasche zeigt unser Film:

Film zur Schöpfflasche
Die Methode hat einige Einschränkungen: So kann beispielsweise nicht der Sauerstoffgehalt des Wassers gemessen werden, denn beim Öffnen mischt sich die entweichende Luft mit dem eindringenden Wasser. Auch wird ab etwa 25 m das Öffnen schwierig, da der Wasserdruck dem Herausziehen des Stopfens entgegenwirkt (2). Um in größeren Tiefen die Temperatur zu bestimmen, hat Thienemann eine geöffnete Flasche
abgelassen, sie 3 … 4 Stunden in der gewünschten Tiefe exponiert und dann nach dem schnellen Aufholen die Temperatur gemessen (2).
Zur Temperaturmessung verwenden wir heutzutage allerdings nicht mehr Thienemanns Quecksilber- oder Alkoholthermometer, sondern ein Digitalthermometer, das bereits ab 30.- € erhältlich ist. Der Selbstbau eines für größere Wassertiefen geeigneten Digitalthermometers ist auf unserer Materialienseite beschrieben: 

Selbstbau Digitalthermometer
Bestimmung der Sichttiefe

Bereits 1865 benutzte Alessandro Cialdi, Admiral der päpstlichen Marine, weiße Scheiben, um die Durchsichtigkeit des Meerwassers zu untersuchen. Mit der Organisation und Auswertung der Messungen beauftragte er den Jesuitenpater A. Secchi, einen Physiker und Astronomen, nach dem dann auch dies Scheiben bis heute benannt werden (3).
Für unsere Konstruktion ist es wichtig zu wissen, dass die Größe der Scheibe (ab einer bestimmten Mindestgröße) von geringem Einfluss ist. Ebenso ist die Form, ob rund oder quadratisch, zweitrangig. Auch spielt es keine große Rolle, ob sie in schwarze und weiße
Sektoren eingeteilt ist, wie man es häufig sieht.
Wir lassen vom Schlosser eine quadratische Platte mit ca. 30 cm Kantenlänge aus rostfreiem Stahlblech schneiden (Natürlich ginge auch eine runde, die aber aufwendiger herzustellen ist). Bei einer Blechdicke von 3 bis 4 mm erreicht die Secchischeibe auch ein solches Gewicht, dass sie gut absinkt.
In die Ecken wird jeweils ein Loch gebohrt. Nach dem Entgraten mit einer Feile und dem Entfetten der Oberfläche mit Waschbenzin wird die Oberseite der Scheibe mit einer reinweißen Klebefolie überzogen. Vier dünne Gliederketten von etwa 30 cm Länge werden
mit Kabelbindern an den Ecken der Scheibe befestigt. Diese Ketten laufen in einem Schlüsselring zusammen.
Ein glasfaserverstärktes Bandmaß (Baumarkt) von 10 bis 20 m Länge wird mit einem Karabinerhaken am Schlüsselring befestigt. Die Entfernung zwischen dem Nullpunkt des Bandmaßes und
der Scheibe wird gemessen und mit wasserfestem Filzstift auf der Scheibe vermerkt.
Dieser Korrekturwert muss zu der am Bandmaß abgelesenen Tiefe addiert werden. Bei der Auswahl des Bandmaßes empfiehlt es sich, eine Ausführung zu wählen, bei der das Band nicht in einem geschlossenen Gehäuse aufgewickelt wird, da hier Schimmelbildung droht.
Die Secchi-Scheibe wird senkrecht ins Wasser abgelassen, bis sie nicht mehr zu erkennen ist. Jetzt wird die Tiefe in Höhe des Wasserspiegels abgelesen. Danach wird die Scheibe langsam wieder hochgezogen, bis sie gerade wieder zu sehen ist. Wiederum wird die Tiefe abgelesen. Der Mittelwert der beiden Messungen (plus Korrekturwert) ergibt die Sicht- oder Secchitiefe.
Es ist sinnvoll, diese Messung durch mehrere Personen durchführen zu lassen. Damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen, sollen über die ermittelten Werte solange Stillschweigen bewahrt werden, bis alle Messungen vorgenommen wurden. Wenn kein wesentlicher Ausreißer dabei ist, kann gemittelt werden.
Die euphotische Zone reicht etwa bis zur halben Secchitiefe.

Bestimmung der Farbe des Wassers

Von Forel wurde1895 eine Skala zur Bestimmung der Wasserfarbe eingeführt, die heute noch in gewissem Rahmen verwendet wird. Er mischte ammoniakalisches Kupfersulfat (blaue Lösung) mit Kaliumchromat (gelbe Lösung) in verschiedenen Verhältnissen und
erhielt so eine reproduzierbare Skala zwischen blau und gelb (4). Später wurde, um auch noch braune, huminreiche Wässer beurteilen zu können, diese Skala von Ule modifiziert, deshalb sprechen wir von der „Forel-Ule-Skala“.
Heute bestimmen wir die Farbe des Wassers nicht mehr mit solchen Vergleichslösungen, sondern verwenden die Smartphone-App „EyeOnWater“ (www.eyeonwater.org). Eine Secchischeibe wird bis zur halben Secchitiefe abgelassen. Die Farbe dieser Scheibe wird mit der Kamera des Telefons aufgenommen und auf der eingeblendeten Forel-Ule-Skala eingeordnet.
Aus der Farbe des Wassers und der Sichttiefe lassen sich bereits Rückschlüsse auf den Trophiegrad ziehen.

Planktonfang

Zur Bestimmung der Planktonzusammensetzung ist ein Planktonnetz erforderlich. Hier ist ein Selbstbau nur bei grobmaschigen Netzen eventuell zu empfehlen, da die feineren
Stoffe bis zu 300 €/m2 kosten können. Der Selbstbau eines solchen Netzes wird bei (5) beschrieben. Ein sicherer Umgang mit der Nähmaschine ist von Bedeutung, da die feinen und glatten Stoffe sich schwer führen lassen. Manchmal empfiehlt es sich, den Stoff
zusammen mit einer Seidenpapierunterlage zu nähen, die nachher wieder entfernt wird. Als Garn sollte Polyester verwendet werden, um einer Verrottung vorzubeugen.
Auch aus dem Fußteil alter Nylonstrümpfe lassen sich kleine Planktonnetze anfertigen. Ein Strumpf wird in Höhe der Ferse abgeschnitten und um einen passenden Drahtring (etwa
10 cm Durchmesser) gelegt. Da sich das Material schlecht nähen lässt, wird der umgeschlagene Stoff aufeinander geklebt. Am Zeh wird eine weitere Öffnung geschnitten und ein kleines Gefäß aus durchsichtigem Kunststoff eingeklebt (6).
Die Maschenweite eines Netzes richtet sich nach dem Untersuchungsziel. 40 μm sind geeignet zum Fang der meisten Phytoplankter. Netze mit geringerer Maschenweite (10 μm) würden auch noch Kryptomonaden und andere sehr kleine Plankter festhalten, wären aber nur schwer handhabbar, da sie wesentlich langsamer filtrieren. Bei 150 μm Maschenweite lassen sich gut die meisten Zooplankter fangen.
Kleinere Planktonnetze können an einem Teleskopstiel befestigt werden, so lassen sich gut Uferregionen beproben. Bei der Probenahme vom Boot aus wird man meist Wurfnetze verwenden, die an einer Leine durchs Wasser gezogen werden. Hier unterscheiden wir den Vertikal- und den Horizontalfang. Beim Vertikalfang wird das Netz ins Wasser abgelassen, bis es sich unterhalb der trophogenen Schicht befindet und dann langsam,
Hand über Hand, wieder hochgezogen. Dieses langsame Hochziehen mit etwa ½ m/s ist wichtig, da sonst das Wasser vor dem Netz hergeschoben wird, aber nicht durchläuft. Bei planktonreichen Gewässern muss die Geschwindigkeit sogar auf ¼ m/s gesenkt werden. Beim Vertikalfang erhält man Plankton aus der gesamten Wassersäule, während beim Horizontalfang nur die Bewohner der beprobten Schicht erbeutet werden. Hier wird das
Netz langsam hinter dem Boot (Fahrt max. 2 km/h) hergezogen.

Physikalische und chemische Größen

An preiswerten (unter 100 €), für den Schulgebrauch geeigneten, elektronischen Geräten gibt es nur Thermo- und pH-Meter. Von Vorteil ist es, dass diese Geräte auch bei vielen anderen Fragestellungen im Unterricht zu verwenden sind. LED-Fotometer können eventuell selbst gebaut werden, da bleibt man auch deutlich unter 100 € (7). Für alle hiermit gemessenen Parameter müssen vorher Kalibriergeraden erstellt werden. Danach können die Geräte aber im Rahmen ihrer Möglichkeiten verwendet werden.
Zur chemischen Analyse von Mineralstoffen stehen eine Vielzahl verschiedener Schnelltests einiger Hersteller zur Verfügung. Wichtig ist in jedem Fall, sich vorher über die zu erwartenden Wertebereiche Klarheit zu verschaffen. Ob Tropfentests, Farbvergleichstests mit Transparenz- oder Farbtabellen-Standards ist mehr oder weniger
Geschmackssache. Zu beachten ist auch das Haltbarkeitsdatum, überalterte Tests funktionieren oft nicht mehr zufriedenstellend. Schließlich, aber das ist bei den meisten für uns relevanten Tests der Fall, sollen sie einfach zu entsorgen sein. Die Firma Macherey-
Nagel beispielsweise bietet Test der Serie Visocolor in den Varianten alpha, ECO und HE an, die sich in Handhabung und Empfindlichkeit unterscheiden.
Folgende Messungen bieten sich an, die genau nach der Anleitung durchgeführt werden:

Sauerstoffgehalt

Die Sauerstoff-Schnelltests enthalten eine kleine Winklerflasche, um Proben luftblasenfrei nehmen und verarbeiten zu können. Steht ein Ruttner-Schöpfer zur Verfügung, können auch Tiefenproben verarbeitet werden, bei der Meyerschen Schöpfflasche ist das aus
oben genannten Gründen nicht möglich. Der am Ruttner-Schöpfer befestigte Schlauch wird in die Winkler-Flasche eingeführt. Auch nachdem die Flasche gefüllt ist, lässt man weiterlaufen, bis der Inhalt der Flasche geschätzt zwei- bis dreimal ausgetauscht wurde.
Bei der weiteren Verarbeitung darf keine Luftblase in der Flasche eingeschlossen werden.

pH

Auch hierfür gibt es Flüssigkeits-Schnelltests mit Farbindikatoren. Bei schwach gepufferten Flüssigkeiten, wie Oberflächen- oder Trinkwasser, sind Flüssigkeitstests pH-Papier-Streifen vorzuziehen (8).

Ammonium

Das Problem hierbei sind die geringen Konzentrationen, die erfasst werden sollen. Es bietet sich der Visocolor-HE-Schnelltest an, hier liegt die untere Nachweisgrenze bei 0,02 mg NH4+/l

Nitrat

Visocolor alpha umfasst den Bereich 2 bis 50 mg NO3-/l, Visocolor ECO 1 bis 120 mg NO3-/l.

Nitrit

Nitrit liegt normalerweise in sehr geringen Konzentrationen vor. Der Test Visocolor ECO reicht von 0,02 bis 0,5 mg NO2-/l.

Phosphat

Auch bei Phosphat ist eine hohe Empfindlichkeit wichtig, die vom Visocolor-HE-Test geboten wird. Sie reicht von 0,01 bis 0,25 mg PO43-/l

Quellenangaben

(1) Thienemann, A.: Eine einfache Form der Meyerschen Schöpfflasche. Arch. Hydrobiol. u. Planktonkde. 5, 11-14, 1909
(2) Thienemann, A.:Hydrobiologische und fischereiliche Untersuchungen an den westfälischen Talsperren. Landwirtschaftliche Jahrbücher 41, 535-716, 1911
(3) Tyler, J.E.: The Secchi disc. Limology and Oceanography 13, 1-6, 1968
(4) Forel, F.A.: Le Léman, monographie limnologique. Band 2, 464-  466, Lausanne 1895
(5) Schlott, K. et al: Bedarfsorientierte Fütterung in der Karpfenteichwirtschaft – Das Absetzvolumen von Zooplankton. Schriftenreihe des Bundesamtes für Wasserwirtschaft, Band 35, Wien 2011 (oekoverein.at/files/ab)
(6) Zach, O.: Planktonuntersuchungen mit einfachen Mitteln. ÖKO.L Zeitschrift für Ökologie, Natur- und Umweltschutz 2/3, 16-19, 1980
(www.zobodat.at/pdf/OEKO_1980_3_0016-0019.pdf)
(7)Elsholz , O., Rodrigues Elsholz, T.C., Scheffler , U.: Smartphone-Photometer zum Selbstbau. Wiley Analytical Science Magazine, 5.5.2017 (https://analyticalscience.wiley.com/content/article-do/smartphone–photometer-zum-selbstbau)
(8) Broschüre Fa. Merck: pH-Indikatoren – Sekundenschnelle Analysen (www.nugi-zentrum.de/fileadmin/website_uni_ulm/nugi/Experimente/Grundlagen/pH-Wert/pH-Indikatoren_Merck.pdf)

 

(Beitrag 04/2019 aus unserer Schriftenreihe „low-cost-biologie“)