Bioremediation im Unterricht Teach article

Übersetzt von Anne Käfer. Vered Yephlach-Wiskerman stellt ein Unterrichtsprojekt vor, um die Bioremediationskraft des Wasserfarns Azolla zu untersuchen.

Azolla pinnata
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von 澎湖小雲雀; Bildquelle:
Flickr

Wenn das Erdreich oder wässrige Systeme kontaminiert sind, z.B. mit Schwermetallen, Lösungsmitteln oder Öl, ist die Bioremediation eine wichtige Reinigungsoption: die Verwendung von Mikroorganismen oder Pflanzen, die die Verunreinigungen aufnehmen oder sie in weniger gefährliche Verbindungen umwandeln oder sie akkumulieren, so dass sie entfernt werden können.

Übliche Anwendungen umfassen die Reinigung von aufgegebenen Bergbaustandorten oder Ölverschmutzungen. Die Phytoremediation (aus dem Griechischen phyto-Pflanze) nutzt die natürliche Fähigkeit von Pflanzen, toxische Chemikalien und Verschmutzungen aus dem Boden oder Schlamm, Ablagerungen oder Grundwasser aufzunehmen, abzubauen oder zu entfernen

Azolla ist eine solche Pflanze; diese Art von Schwimmfarngewächsen reichern Schwermetalle wie Nickel, Cadmium und Quecksilber an (Arora et al., 2006); deren Biomasse lässt sich leicht ernten und sie trocknet sehr schnell (Wagner, 1997). Diese Eigenschaften machen sie zum perfekten Kandidaten für die Bioremediation (Cohen, 2004), obwohl es immer wichtig ist, den möglichen Einfluss der Einführung neuer Spezies ins Ökosystem im Auge zu behaltenw1, w2. Azolla lebt in Symbiose mit dem Cyanobakterium Anabaena azollae, das Stickstoff aus der Atmosphäre binden kann. Diese Unabhängigkeit von einer weiteren externen Stickstoffquelle erlaubt es dem Farn, seine Biomasse alle zwei bis drei Tage bei Raumtemperatur zu verdoppeln und deswegen wird es in China seit Jahrhunderten als biologischer Dünger in Reisfeldern genutzt.

Azolla im naturwissenschaftlichen Unterricht

Azolla filiculoides
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von eyeweed; Bildquelle: Flickr

Die Pflanze ist ein großartiges Hilfsmittel für interdisziplinäre Projekte im Unterricht incl. Ökologie, Umweltstudien, Biologie, Chemie und Biotechnologie. Während eines solchen Projektes können die Schüler wesentliche Fertigkeiten für wissenschaftliches Arbeiten entwickeln: die Formulierung eines Problems und einer Hypothese, die Planung eines Versuchs, das Aufschreiben der Ergebnisse und das Ziehen von Schlüssen.

Azolla filiculoides (links) und
Azolla pinnata
(rechts)

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von eyeweed; Bildquelle: Flickr

Führe in der Unterrichtseinheit das Thema Bioremediation ein und lasse die Schüler Informationen über Azollaw1, w3, w4, w5, w6, w7, w8 (Arora & Saxena, 2005), sammeln, z.B. die Morphologie von Wasserpflanzen im Gegensatz zu Landpflanzen, die Bedeutung der Symbiose, die Verwendung von Azolla in der Landwirtschaft (Pabby et al., 2004), und die Fähigkeit von Azolla Schwermetalle zu absorbieren.

Unterstütze die Schüler bei der Formulierung der Forschungsfragen und Hypothesen, die sie untersuchen möchten. Mögliche Themen umfassen die Messung der Gewichtszunahme an Biomasse in Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen, (z.B. Gehalt an CO2 und Eisen im Wasser, Anteil an Licht) oder den Einfluss von Azolla auf die Wasserqualität.

Gruppen von zwei bis drei Schülern können gut zusammenarbeiten und jeder Versuch sollte zur Bestätigung dreimal wiederholt werden. Verschiedene Gruppen können verschiedene Aspekte der Pflanze bearbeiten oder am gleichen Thema arbeiten, um einen einzelnen Versuch zu reproduzieren. In der letzten Unterrichtseinheit können die Ergebnisse präsentiert und in der Klasse diskutiert werden.

Tabelle 1 kann die Schüler bei der Planung ihrer Versuche unterstützen. Die Tabelle kann auch von der Webseitew8 von Science in School heruntergeladen werden.

  Einzelheiten des Versuchs Deine Antwort
Tabelle 1: Planung deines Versuchs
1 Formuliere deine Hypothese.  
2 Was ist die biologische Basis für deine Hypothese?  
3 Was ist die abhängige Variable, die du in deinem Versuch messen möchtest? Wie wird sie gemessen? In welchen Einheiten?  
4 Was ist/sind die unabhängige(n) Variable(n), die du ändern möchtest, um deren Einfluss auf die Variable in Schritt (3) zu untersuchen? Wie wirst du sie ändern?  
5

Was sind die festen Variablen im Versuch, die du nicht ändern wirst?

 
6 Gib ausführlich die Kontrollen an, die du ausführen willst, und erläutere ihre Bedeutung.  

Als nächstes sollten die Schüler ihre Versuchsergebnisse in Tabellenform bringen und sie graphisch darstellen. Sie sollten den geeignetsten Graphen herausfinden (z.B. Linie oder Balken-Diagramm).

Unten gibt es ein Beispiel für ein Projekt, das sich für Schüler der Stufen 10-12 (Alter: 16-18) eignet. Wir benutzten Azolla filiculoides, aber jede der sieben Azolla-Spezies funktionieren auch. Man bekommt sie leicht in Pflanzschulen oder Gartenzentern, Aquarium-Geschäften oder online.

Die Spitze des Mississippi
River Delta am 24. Mai 2010,
nach der Deepwater Horizon
Ölkatastrophe. Bänder und
Flecken von Öl erscheinen
silbern gegenüber dem
leichten Blau des Wassers;
die Vegetation ist rot

Mit freundlicher Genehmigung
von NASA Goddard Space Flight
Center

Der Einfluss von Azolla auf die Qualität des Wassers

Hypothese / Forschungsfrage: Azolla wird die Leitfähigkeit von Wasser erniedrigen, weil die Pflanze Metallionen absorbiert. Beeinflusst Azolla die Qualität von Wasser auch in anderer Weise?

Um diese Hypothese zu prüfen und die Frage zu beantworten, werden verschiedene Parameter, die die Qualität des Wassers anzeigen, über zwei Wochen aufgezeichnet. Neben der Messung der Leitfähigkeit beschlossen wir auch, einige Aspekte der Wasserqualität zu untersuchen, die leicht zu prüfen waren und für die die Ausrüstung zur Verfügung stand.

Die Schüler sollten mit den Grundlagen der Physiologie von Pflanzen und der Nutzung der Instrumente/Methoden vertraut sein.

  1. Gieße 250 ml Leitungswasser in jeden von zwei Behältern und stelle sie auf die Fensterbank.

    Im Idealfall würden wir verschmutztes Wasser verwenden, so dass die Pflanze ihre Bioremediation zeigen kann, aber das wäre nicht sicher. Du könntest jedoch einige Metalle aus der Sammlung der Schule zu einer Probe des Leitungswassers hinzufügen und diese Mischung verwenden.

  2. Miss die Parameter in beiden Behältern.
Verunreinigtes Wasser
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von Chesapeake Bay Program;
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  1. Gib zu einem der Behälter 50 g Azolla (ein bisschen mehr, wenn die Pflanze sehr nass ist). Der zweite Behälter sollte unbehandelt bleiben.

    Um die Untersuchung auszuweiten, könnte eine dritte Wasserpflanze – die keine Schwermetalle absorbiert wie die Wasserlinse (Lemna spp.) – in einem dritten Behälter verwendet werden.

  2. Wiederhole deine Messungen alle 1 bis 2 Tage.

    Alternativ kannst du jeden Tag Proben nehmen und sie einfrieren und sie alle am Ende analysieren.

Gib während der Versuche kein Wasser zu und wechsele das Wasser nicht.

Messungen

  1. Miss die Leitfähigkeit mit einem Leitfähigkeitsmesser, um die Konzentration der Elektrolyte zu bestimmen.

    Weil Metallionen von Azolla aufgenommen werden, sollte die Leitfähigkeit im Wasser mit der Zeit abnehmen.

  2. Miss die Konzentration von verschiedenen spezifischen Ionen. Das lässt sich leicht mit kommerziellen Teststreifen machen. Wir haben den Nitrat- und Eisen-Gehalt getestet, weil wir dafür die Ausrüstung hatten.

    Die Konzentration von Eisen sollte mit der Zeit abnehmen, in dem Maße, wie es von Azolla absorbiert wird, weil es ein wesentliches Element für die Nitrogenase-Aktivität ist. Wenn die Eisen-Zufuhr zu niedrig ist, werden sich die Azolla-Wedel gelb färben und welken.

    Bedingt durch die Symbiose mit den Cyanobakterien, kann Azolla ohne eine weitere Stickstoffquelle abgesehen von der Luft leben, aber die Wachstumsgeschwindigkeit der Pflanze wird abfallen. Deshalb erwartet man einen leichten Abfall der Nitrat-Konzentration in dem Wasser.

Azolla pinnata
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von 澎湖小雲雀; Bildquelle:
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  1. Miss den pH-Wert unter Verwendung eines pH-Meters oder eines Teststreifens, um einen Hinweis zur Konzentration an Kohlendioxid (CO2) zu bekommen.

    Die Zellatmung der Pflanze sollte die Konzentration an Kohlendioxid ansteigen und den pH-Wert abfallen lassen.

  2. Miss den Salzgehalt (Chloridionen-Konzentration) mit einem Teststreifen.

    Wenn der Salzgehalt ansteigt, sollte das gleichermaßen in beiden Wasserproben erfolgen – das geschieht durch die Verdampfung, weil Azolla keine Chloridionen aufnimmt.

Als Kontrolle solltest du die Bakterien-Konzentration bestimmen, indem du die Trübung mit einem Spektrometer oder einem Turbidimeter misst oder die Konzentration der Kolonie bildenden Einheiten mit der Verdünnungsmethode, der Isolierung der Saat und durch das Zählen der Bakterien-Kolonien auf einem Agar-Medium bestimmst. Unterschiedliche Bakterien-Konzentration in den ursprünglichen Wasserproben könnten die Wasserqualität beeinflussen und die Ergebnisse verfälschen, da Bakterien auch Nährstoffe und Metalle aufnehmen können.

Sicherheitshinweis

Die Cyanobakterien in Azolla produzieren ein Neurotoxin, deshalb sollte man die Pflanzen nicht essen. Zusätzlich werden einige Azolla-Spezies als Rauschgift betrachtet und sind in vielen Ländern eine invasive Spezies. Deshalb sollten die Pflanzen nach Gebrauch sicher entsorgt werden. Siehe auch der allgemeine Sicherheitshinweis in Science in School.

 

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References

  • Arora A, Saxena S (2005) Phosphorus requirements of Azolla microphylla. International Rice Research Notes 30(2): 25-26.
  • Arora A, Saxena S, Kumar Sharma D (2006) Tolerance and phytoaccumulation of chromium by three Azolla species. World Journal of Microbiology and Biotechnology 22(2): 97-100. doi: 10.1007/s11274-005-9000-9
  • Cohen MF, Yamasaki H, Mazzola M (2004) Bioremediation of soils by plant-microbe systems. International Journal of Green Energy 1(3): 301-312. doi: 10.1081/GE-200033610
  • Pabby A, Prasana R, Singh PK (2004) Biological significance of Azolla and its utilization in agriculture. Proceedings of the Indian National Science Academy B70(3): 299-333. www.new.dli.ernet.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/2000c954-299.pdf oder nutze den direkten Link: http://tinyurl.com/62wq6mp
  • Wagner GM (1997) Azolla: A review of its biology and utilization. The Botanical Review 63(1):1-26. doi: 10.1007/BF02857915

Web References

Resources

  • Der World Water Monitoring Day bietet zahlreiche Quellen in Englisch und Spanisch, wie eine Anzahl von Qualitätsparametern des Wassers aufgezeichnet werden kann. Siehe: www.worldwatermonitoringday.org
  • Weitere Quellen zur Prüfung der Wasserqualität, siehe die Webseite von Lifewater Canada: www.lifewater.ca/Section_16.htm
  • Anleitungen für Schulen zur Untersuchung von Wasser zum Download, siehe die Webseite der Massachusetts Water Resources Authority (www.mwra.state.ma.us) oder nutze den direkten Link: http://tinyurl.com/6jerkan
  • Mehr über ein Schulprojekt zur Prüfung der Wasserqualität im lokalen Umfeld, siehe:

Author(s)

Vered Yephlach-Wiskerman unterrichtet Biologie an der Omer High School in Omer, Israel. Sie ist Excellence Program Koordinatorin und hält Vorlesungen in Biochemie und Immunologie in der naturwissenschaftlichen Abteilung des Kaye Academic College of Education, einer Berufsakademie für Lehrer in Beersheba.


Review

Die Umwelt sauber und frei von Verschmutzungen zu halten sowie die Umwelt zu beobachten, das sind heutzutage Hauptanliegen und diese Themen werden im naturwissenschaftlichen Unterricht erforscht. Natürliche Wege die Umwelt zu reinigen – wie die Bioremediation durch Pflanzen und Mikroben – sind ideal und werden schon seit Jahren untersucht. Dieser Artikel zeigt, wie eine gewöhnliche Wasserpflanze, Azolla, dazu genutzt werden kann, die Bioremediation im Unterricht zu zeigen. Die Aufgaben fördern die naturwissenschaftlichen Fertigkeiten; diese sind ein wesentlicher Teil des Elementes „wie Naturwissenschaft funktioniert“ im Lehrplan. Eine vereinfachte Version dieser Aufgaben könnte bei jüngeren Studenten eingesetzt werden.

Die Versuche könnten mit der Chemie verbunden werden – in Untersuchungen zu Kationen und Anionen und Titrationen. Der Aufgabenbereich hat auch Bezug zur Mikrobiologie und Biotechnologie, da die Studenten die Grundlagen lernen könnten, wie die mikrobiologische Wasserqualität beobachtet werden kann. In einer erweiterten Aktivität könnten die Studenten das Internet nutzen, um heraus zu finden, wie Mikroben genutzt werden können, um Ölverschmutzungen zu reinigen und wie Mikroorganismen ausgewählt oder genetisch entwickelt werden können, um mit bestimmten Kontaminationsproblemen fertig zu werden.


Shelley Goodman, Vereinigtes Königreich




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