UNDERSÖKNING AV EN INSJÖ Namn:
INLEDNING Ett av de ekosystem som är relativt lätt att avgränsa jämfört med andra ekosystem är insjön. De förhållanden som råder i en sjö är beroende av ett flertal olika faktorer och förhållanden. Om sjön är näringsrik eller näringsfattig är bl.a. beroende av vilken typ av mark och vilka tillflöden som finns. Slättlandssjöar är generellt mer näringsrika i motsatts till sjöar belägna i skogsområden, som är av näringsfattigare typ. De viktigaste näringsämnena för alla levande organismer är kväve och fosfor. Växter och djur är beroende av ett ständigt intag av dessa och de ingår i stora mängder i deras uppbyggnad. Kväve finns främst i aminosyror, proteiner och nukleinsyror medan fosfor är en förutsättning för alla organismers energiomsättning eftersom det ingår i ATP-molekylen. En indikatorart i en viss miljö kan tas som ett tecken på att vissa förhållanden råder. Detta gör den antingen genom att arten specifikt karakteriserar ett visst biologiskt samhälle eller genom att den p.g.a. sin tolerans eller känslighet för någon viss faktor ger en fingervisning om den rådande miljön. I vissa fall kan känsliga arter fungera som "väckarklockor" och larma om inträdande miljöförändringar. SYFTE Syftet med denna exkursion är: att göra en undersökande studie av en sjö och få klarhet i vilken typ av sjö den tillhör vad gäller näringsförhållanden. att artbestämma delar av den fauna som finns i sjön. Vad kan fynden berätta om miljön? att till sist utifrån markprover avgöra typ av jordprofil. Kan omgivande mark påverka vattnets karaktär? UPPGIFT VATTENKEMI Tag vattenprover vid ytan och botten i sjön. Mät vid ovanstående provpunkter ph, konduktivitet, temperatur och syrgashalt. Analysera vattenproverna i laborationssal med avseende på nitrat och fosfat. Analys sker med hjälp av spektrofotometer (se instruktioner för respektive metod vid spektrofotometern). FRÅGESTÄLLNING Vilken typ av sjö tillhör den undersökta sjön? Vad kan övriga parametrar ge för information? 1
ZOOLOGI Tag ett bottenprov med lämpligt verktyg och sikta provet genom ett såll. Vänd även på stenar och andra föremål i vattnet och strandkanten och plocka eventuella djur. Grovsortera bottenfaunadjuren på plats, identifiering sker i laborationssal (se bestämningslitteratur och handböcker). Tag ett planktonprov med hjälp av en planktonhåv, identifiering sker i laborationssal (se sidan 3, bestämningslitteratur och handböcker). Anteckna eventuella fågelarter och var de befinner sig. FRÅGESTÄLLNING Kan faunan ge någon indikation på vilken typ av sjö den undersökta sjön tillhör? Förekommer det indikatorarter bland bottenfaunaproven eller bland planktonen? GEOLOGI Utför ett jordprov på lämplig plats (se sidan 4). Analysera jordprovets ph-värde i laborationssal (se sidorna 4-5). Identifiera jordprofilen (se läroboken). Analysera jordprovets kalkhalt i laborationssal m.h.a. syra (se sidan 5). FRÅGESTÄLLNING Vilken jordprofil är det i området? Beskriv dess utseende och förklara hur den uppkommit. Vad kan kalkhalten säga om marken? Hur kan marken påverka vattnets karaktär? SLUTSATS Alla grupper ska analysera sina resultat och försöka besvara frågeställningarna utifrån tillgänglig litteratur i en skriftlig rapport. De andra gruppernas resultat kan även vägas in i den egna slutsatsen för större tillförlitlighet. BILAGOR Som bilagor till denna handledning finns upplysning om fosfor-, nitrat- konduktivitet-, phoch syrgashalter i vatten. 2
VÄXT- OCH DJURPLANKTON Plankton är det samlade namnet på små (ofta mikroskopiska) organismer, såväl växter som djur, som fritt svävar omkring i vattenmassan. De påverkar inte själva nämnvärt sin förflyttning, utan är underkastade vattnets rörelser. Ordet plankton betyder för övrigt just kringdrivande. UPPGIFT Identifiera växt- och djurplankton som är vanligt förekommande i sjöar. MATERIAL Mikroskop, objektglas, täckglas, immersionsolja, pipett, bestämningslitteratur, handböcker. UTFÖRANDE 1. Sug med pipett upp ett planktonprov och placera en droppe av planktonprovet på ett objektglas. Lägg på ett täckglas. Studera provet i mikroskop. Kan du skilja på växt- och djurplankton? 2. Rita av och identifiera så många som möjligt av de växt- och djurplanktonarter som du påträffar. 3. Vissa växt- och djurplanktonarter är vad man kan kalla indikatorarter d.v.s. de kan ge information om den miljö som de är insamlade ifrån. 4. Kan du m.h.a. någon av de växt- och djurarter som du finner i provet säga något om infångstmiljön? UNDERSÖKNING AV KISELALGER Kiselalger är vackert formade organismer som lever både solitärt och i kolonier. Det är deras skelett av kiseldioxid som ger karaktär åt algen. För att få fram skelettet extra tydligt är det nödvändigt att förbränna algens organiska beståndsdelar. Enklast sker det över en gaslåga. MATERIAL Planktonprov rikt på kiselalger, gaslåga, trefot, kromnickelnät, glycerol, ljusmikroskop. UTFÖRANDE 1. Placera en droppe av att färskt planktonprov på ett objektsglas. 2. Lägg glaset på ett kromnickelnät och upphetta med gaslåga under 15-20 minuter. Undersök det färska provet under väntetiden. 3. Efter avsvalning sätter man till en droppe glycerol och lägger på ett täckglas. Vill man spara objektet en längre tid tar man DPX eller annat inbäddningsmedium istället för glycerol. 4. Undersök resultatet i mikroskop och jämför med det färska provet. Har någon osäkerhet uppstått om vad som är kiselalger kan den nu snabbt skingras. 3
GRÄV EN JORDPROFIL UTRUSTNING Spade, linjal, sked, plastpåsar, märkpenna, destillerat vatten, E-kolvar, ph-meter, 1 M kaliumklorid. UTFÖRANDE A. Skapa en jordprofil (utföres i fält) Gräv m.h.a. en spade en några decimeter djup grop i skogsmarken. Skrapa av och jämna till gropens kanter. Rita av profilen och mät upp skiktens tjocklek. Tag m.h.a. en sked jordprover från de olika skikten. Lägg proverna i plastpåsar och förvara dem kallt, helst i kylskåp, till dess att det är dags att göra ph-analys. B. Mät ph-värdena på de olika jordlagren (utföres i laborationssal) 1. Blanda lika delar jord och destillerat vatten i en glasbägare, t.ex. 50 ml av varje (ibland kan det behövas mera destillerat vatten om jorden suger upp mycket). Gör ett parallellt experiment, men med 1 M kaliumklorid istället för destillerat vatten. 2. Rör om kraftigt under några minuter och låt det hela stå i minst 15 min. 3. Dekantera av lösningarna så att större partiklar inte följer med. 4. Mät ph på lösningarna med en ph-meter. Vid ph-mätning får det inte vara för mycket partiklar i vattnet för då kan de lägga sig på elektroden och störa mätningen. I en podsol har humuslagret ett lågt ph-värde. Värdet ökar ned till den opåverkade mineraljorden. I en brunjord är värdena högre och man kan inte mäta upp samma skillnader med djupet eftersom jorden hela tiden blandas genom daggmaskarnas aktivitet. ph-värdena sjunker trots att kaliumklorid inte är någon syra och alltså inte kan avge några vätejoner. Detta beror på att det i marken finns en sorts små partiklar som kallas kolloider. De kan bestå av lera eller humus. Typiskt för markkolloiderna är att de är negativt laddade på ytan och därför drar till sig positivt laddade joner t.ex. väte-, kalium-, kalcium- och magnesiumjoner. När kaliumklorid löser sig i vattnet frigörs kaliumjoner. Dessa kaliumjoner kommer att konkurrera med de andra positiva jonerna om platserna runt kolloiderna. En hel del av de joner som konkurreras ut är vätejoner som då går ut i markvätskan och gör den surare, ph sjunker. K + K + Mg 2+ H + K + H + K Vid surt regn H + K + K + Mg 2+ + H + H + K + H + H + Ca 2+ H + K + + + H + Mg 2+ Ca 2+ H + Mg 2+ K+ K + Bild: Markkolloiderna är negativt laddade på ytan och drar därför till sig positivt laddade joner. Vid markförsurning sker det omvända jämfört med detta experiment. Vi tillsätter massor av vätejoner med det sura regnet. Vätejonerna konkurrerar ut en hel del kalium-, kalcium och magnesiumjoner som då kommer ut i markvätskan. Dessa joner lakas då lättare ut ur jorden 4
vilket medför att skogsmarken förlorar viktiga näringsämnen. Denna förlust är en av de negativa effekter man kan få av markförsurning. En annan är att aluminium löser sig i markvätskan om marken blir surare. Aluminium är skadligt för trädens rötter. MÄTA KALKHALT I JORDPROV UPPGIFT Att bestämma kalkhalten i olika jordar. UTRUSTNING Olika jordprov, utspädd saltsyra i droppflaska, sked, urglas. UTFÖRANDE 1. Bred ut en halv sked av jordprovet på ett urglas. 2. Fukta jorden med några droppar saltsyra. Om jorden innehåller kalk kommer det att fräsa eftersom koldioxid utvecklas. Jordens kalkhalt kan bestämmas ungerfärligt m.h.a. av nedanstående skala. Fräsning (koldioxidutveckling) Ungerfärlig kalkhalt Ingen < 1 % Svag 1 3 % Tydlig men ej ihållande 3 5 % Tydlig och ihållande > 5 % RESULTAT Jordlager Fräsning (koldioxidutveckling) Ungerfärlig kalkhalt 5
EGNA ANTECKNINGAR
Bilaga HALTEN FOSFOR I VATTEN Polyfosfater, löst oorganiskt och organiskt fosfor samt partikulärt bundet organiskt och organiskt fosfor är de olika former av fosfor som utgör totalfosforhalten i naturliga vatten. Mängden partikulärt bunden fosfor är i de flesta fall större än mängden löst organiskt fosfor. I sin tur utgör löst organiskt fosfor en större del än mängden löst oorganiskt fosfor. Den totala fosforhalten utgör en potentiell näringskälla eftersom icke upptagbar fosfor kan omvandlas till andra, för växterna, tillgängliga former. Den totala fosforhalten i en sjö utgör en benämning på halten och produktionsnivån vilket visas i tabellen nedan. Klass Benämning Produktionsnivå Halt (µg/l), maj-oktober Halt (µg/l), augusti 1 Låga halter Oligotrof 12,5 12,5 2 Måttligt höga halter Mesotrof 12,5-25 12,5-23 3 Höga halter Eutrof 25-50 23-45 4 Mycket höga halter Eutrof 50-100 45-96 5 Extremt höga halter Hypertrof > 100 Ej def. Tabell: Bedömningsgrunder för totalfosforhalt i sjöar. I de klasser med lite lägre halter av totalfosfor är säsongsvariationen liten vilket medför att även halter uppmätta i augusti kan användas för att göra en bedömning av sjön. Däremot varierar halterna mycket under sensommaren i de klasser med högre halter av totalfosfor. För att göra en bedömning i dessa sjöar bör därför ett säsongsmedelvärde användas. Ortofosfatjonerna H 2 PO 4 -, HPO 4 2- och PO 4 3- utgör de former av fosfatfosforjoner som finns i aeroba vatten. Halten av fosfatfosforjoner är ett mått på hur mycket fosfor som växterna har tillgängligt för produktion då det är den enda form av fosfor som de kan tillgodogöra sig. I sjöar under produktionssäsongen är halten av fosfatfosforjoner så låg att den är i närheten av detektionsgränsen eftersom det mesta tas upp av växtligheten. Halten kväve i vatten I naturliga vatten utgör alla olika former av kväve den totala kvävehalten. Den största delen finns i form av kvävgas löst i vattnet. Nitratjoner utgör omkring hälften av det övriga kvävet medan ammoniumjoner och nitritjoner, NO 2 -, tillsammans med löst organiskt bundet kväve står för den andra hälften. En alternativ metod av totalkväve är Kjeldahl-kväve. Vid en analys av Kjeldahl-kväve ges summan av ursprunglig halt kväve i form av ammoniumjoner och organiskt kväve där kvävet förekommer i trevärd, negativ form. Totalkvävehalten ger en bedömning av kväveinnehållet i systemet och möjlig mängd näringsämne. Halten näringsämne varierar mellan olika sjöar, i tabellen visas benämningar beroende på halten totalkväve.
Bilaga Klass Benämning Halt (µg/l), maj - oktober 1 Låga halter 300 2 Måttligt höga halter 300-625 3 Höga halter 625-1250 4 Mycket höga halter 1250-5000 5 Extremt höga halter > 5000 Tabell: Bedömningsgrunder för totalkväve i sjöar. Totalkväve varierar mycket under säsongen. Oorganiskt kväve har ett maximum under vårvintern och ett minimum under sensommaren, skillnaden mellan högsta och lägsta halt kan vara så stor som en tiopotens. Den låga halten beror på växternas upptag av oorganiskt kväve under produktionssäsongen. Organiskt kväve däremot når sin högsta halt under sommaren då mycket byggs in i organiskt material. Bedömningar av en sjös status bör, på grund av dessa fluktuationer, inte ske efter mätningar gjorda i enbart en månad utan vara baserade på mätningar under en längre period. Nitratjonen är en oorganisk form av kväve som tillsammans med ammoniumjonen och urea, (NH 2 ) 2 CO, utgör kvävekällorna för primärproducenterna. Växterna tar upp nitratjoner i omgivningen och använder kvävet i sina kroppsprocesser. Nitratjoner bildas när ammoniumjoner nitrifieras. Nitrifikationen är två processer som utförs av två olika grupper av bakterier. I första steget oxideras ammoniumjoner till nitritjoner av bakteriegruppen Nitrosomonas medan den vidare oxidationen av nitritjon till nitratjon utförs av Nitrobacter. KONDUKTIVET I VATTEN Ett vattens elektriska ledningsförmåga eller konduktivitet beror på dess innehåll av lösta joner och mäts i enheten siemens. Desto fler joner ett vatten innehåller desto lättare leder det elektricitet. Vatten som är näringsrika eller salta har därav till följd en högre konduktivitet än näringsfattiga eller söta. Efter samma princip har även sura vatten en högre konduktivitet än mer neutrala vatten. Vätejoner är dessutom, på grund av deras litenhet, effektiva elektriska ledare. I svenska sjöar är konduktiviteten normalt 5-40 ms/m. Skogssjöarna i norra Sverige har ett normalvärde mellan 2,5 och 5 ms/m. Sjöar i södra Sverige tillförs mer joner än sjöarna i norra delen av landet och har därmed normalt en högre konduktivitet. En orsak är att nederbörden i södra Sverige är surare än den norrländska. Vid sur nederbörd lakas baskatjoner som till exempel kalcium- och magnesiumjoner ur marken och följer med till recipienten. En sur nederbörd innehåller därtill i sig självt fler joner än en mer basisk. I södra Sverige fastläggs inte heller sulfatjonen i marken utan transporteras vidare med avrinningsvattnet och tar med sig positiva joner i motsvarande antal till sjön. PH-VÄRDEN I NATURLIGA VATTEN ph-värdet utgör ett mått på den negativa logaritmen av den molära vätejonkoncentrationen i vatten. Det innebär att om det till exempel finns 10-6 mol vätejoner per liter vatten i en sjö, är
Bilaga ph-värdet 6. ph-skalan sträcker sig från 0 till 14 där ett neutralt vatten har ph 7. Sura vatten har ph-värden lägre än 7 och basiska vatten har värden högre än 7. I tabellen visas benämningar på olika ph-värden i naturliga vatten. Klass Benämning ph-värde 1 Nära neutralt > 6,8 2 Svagt surt 6,5-6,8 3 Måttligt surt 6,2-6,5 4 Surt 5,6-6,2 5 Mycket surt 5,6 Tabell: Benämning av ph-värden i naturliga vatten. När koldioxid, CO 2, löser sig i vatten bildas kolsyra H 2 CO 3, som i sin tur protolyseras till en vätejon (H + ) och bikarbonatjon. Är det högt ph i vattnet sker en vidare protolys av bikarbonatjonen och ytterligare en vätejon bildas samt en karbonatjon. Dessa reaktioner utgör kolsyrasystemet och kan beskrivas som: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3-2 H + + CO 3 2- Under dygnets ljusa timmar tar växterna upp CO 2 ur vattnet till fotosyntesen. Detta förskjuter kolsyrasystemet åt vänster, enligt uppställningen ovan, vilket gör att ph blir högre. Senare under dygnet, när det blivit mörkt, tar inte växtligheten upp CO 2 men avger det till vattnet med den effekten att kolsyrasystemet förskjuts till höger och ph sänks. I näringsfattiga sjöar med liten växtlighet kan en sänkning av ph med två enheter inträffa på grund av att mycket kolsyra bildas i vattnet. Vätejonkoncentrationen i vattnet inverkar direkt på vattenlevande organismer eftersom ett lågt ph påverkar balansen mellan organismernas inre och yttre miljö. Detta betyder att ett flertal omsättningsprocesser i kroppen störs och organismen inte kan fungera normalt. Indirekta effekter av en hög vätejonkoncentration är högre löslighet av till exempel tungmetaller. I vilken form som de förekommer styrs även av ph-värdet. Med ett sjunkande ph minskar även artdiversiteten och produktionen i det akvatiska systemet. Vid ett ph lägre än 6 uppträder de första biologiska skadorna. Skillnaden i tolerans för lågt ph skiljer mellan arter. Vid ett phvärde mindre än 5 är det ofta inte någon annan fiskart än ål som överlever under en längre tid. Nedbrytningen av dött organiskt material skulle i teorin försämras vid lågt ph eftersom mikroorganismerna skulle klara sig dåligt i en sådan miljö. Det skulle också innebära en dålig cirkulation av näringsämnena i systemet. I praktiken verkar det däremot vara tvärtom eftersom mikroorganismer tenderar att bättre motstå höga vätejonkoncentrationer än högre stående organismer. Detta och det faktum att liten biologisk produktion sker vid dessa phvärden ter det sig istället som att näringsämnena cirkulerar snabbare. Basiska ph-värden kan även vara skadliga för organismer genom att öka olika föreningars toxicitet. Till exempel ökar ammoniaks giftighet tio gånger om ph stiger från 7 till 8. Detta beror på att större del av jämviktssystemet NH 4 + NH 3 + H +, vid detta ph, föreligger som ammoniak istället för ammonium.
Bilaga SYRGASVÄRDEN I VATTEN Avgörande för syrgasens löslighet i vatten är vattnets temperatur, salthalt och atmosfärens tryck. Lösligheten minskar med vattnets ökande temperatur och ökar med minskad salthalt samt ökar med ökat lufttryck. Syrgas blandas ner i ytvattnet från atmosfären men kommer även från växternas fotosyntes. Detta kan leda till att övermättnad uppträder i ytvattnet i sjöar med mycket näring och växtlighet. Även vinden kan orsaka övermättnad i ytvattnet när vågor bildas och piskar ner syre i vattnet. Det kan likaså inträffa att syrgashalten är högre vid botten än vid ytan eftersom bottenvattnet är svalare där och kan lösa mer syre. I tabellen anges syretillståndet i icke skiktade sjöar efter syremättnaden i procent i ytvattnet och i skiktade sjöar efter syrehalten i bottenvattnet i mg/l. Klass Benämning Syremättnad i (%) Syrehalt i bottenvatten ytvatten (0,5 m) (mg/l) 1 Syrerikt tillstånd > 90 > 7 2 Måttligt syrerikt tillstånd 80-90 5-7 3 Svagt syretillstånd 70-80 3-5 4 Syrefattigt tillstånd 60-70 1-3 5 Mycket syrefattigt tillstånd 60 1 Tabell: Syretillstånd. Bedömt efter syrgasmättnaden i ytvattnet i icke skiktade sjöar och efter syrehalten i bottenvattnet i skiktade sjöar. Låga halter syrgas orsakar bristsymptom hos organismer, vid halter av 2 mg/l blir överlevnaden svår för många arter. Låga syrgashalter verkar generellt även öka gifters toxicitet för vattenorganismer.