Iltsvind og bundvending

Transkript

1 Iltsvind og bundvending Formål Formålet med dette eksperiment er at følge udviklingen i ilt- og nitratindholdet samt ph i vandet umiddelbart over bunden i en prøve fra enten et lavtvandet fjordområde eller fra en søbund. Teori Der henvises til generel tekst om iltsvind og bundvending fra biologiske lærebøger, som f.eks. i P. Lund Mathiasen m.fl. Livet skal Leves bind 3, rev. udgave, Nucleus 1996, side 294 til 294 eller P. Paludan-Muller m.fl. RAM på Biologien Nucleus 1999, side 136 til 139 samt til tillægget om mikrobiel omsætning i havbunden bagest i denne vejledning Materialer PASCO interface 500 Science Workshop PASCO iltsensor PASCO nitratsensor PASCO ph-sensor Gennemsigtigt pleksiglasrør, diam. ca. 6 cm, længde ca. 30 cm med prop (sulforetrør) Plastakvarium Diverse stativer med klemmer KNO 3 -opløsning, 0,8 g/l Fremgangsmåde Fra et lavtvandet fjordområde eller fra en sø hentes en bundprøve. Uden prop på pleksiglasrøret presses dette ca. 10 cm ned i bunden. Der graves forsigtigt fri under røret, og proppen sættes på nedefra. Samtidig med at man understøtter rør og prop nedefra trækkes røret forsigtigt op af bunden og bringes tilbage til laboratoriet. Det er vigtigt at bundprøven forstyrres så lidt som muligt. Røret efterfyldes med havvand/søvand til ca. 5 cm under toppen og sænkes ned i et akvarium, der på forhånd er fyldt med ca. 10 cm vand fra lokaliteten, se figur 1. Forbind Science Workshop interface 500 til computeren Tænd for interfacen, derefter for computeren (bemærk rækkefølgen) Forbind iltsensorens DIN-stik til Analog kanal A på interfacen Forbind ph sensorens DIN-stik til Analog kanal B på interfacen Forbind NO 3 - sensores DIN-stik til Analog kanal C på interfacen Kalibrer sensorerne efter manualens anvisninger Aktiver det eksperimentelle vindue i Science Workshop. Arranger skærmbilledet med tre grafer, der viser henholdsvis O 2 (mg/l), NO 3 - (mg/l) og ph ad Y-akserne og tid ud ad X- aksen. Indstil Sampling options til langsom én måling pr. 15. minut. Klik på Optag Lad forsøget køre indtil iltindholdet er 0 eller tæt på 0 (normalt mellem 2 og 5 døgn) - sluk ikke for optag, men noter tidspunktet 1

2 Tilsæt med pipette forsigtigt 3 ml KNO 3 opløsning ved bunden, og lad forsøget fortsætte indtil NO 3 -sensoren registrerer en værdi nær 0 Klik på stop, RUN #1 vil fremkomme i det eksperimentelle vindue og kan senere fremkaldes herfra Som en kontrol på, om der er produceret H 2 S, kan du stikke en ikke for tynd sølvtråd ned i sedimentet. Hvis denne farves sort skyldes det AgS, hvilket er en påvisning af, at der er udviklet H 2 S i sedimentet O 2 ph NO 3 - Vand ca. 15 cm Bundprøve ca. 10 cm Prop Figur 1 Rapportvejledning 1. Giv en kort indledning, hvor du redegør for problemstillingen og for dine hypoteser 2. Vedlæg øvelsesvejledningen som redegørelse for fremgangsmåden 3. Resultater: vedlæg udprintede grafer 4. Resultatbehandling: beskriv bundprøvens udseende på eksperimentets 1. dag og ved eksperimentets afslutning. Bemærk og forklar specielt evt. lagdeling og farveændringer kunne du konstatere H 2 S udvikling? I bekræftende fald inddrager du en forklaring herpå i spørgsmålet nedenfor 2

3 analyser og forklar graferne for O 2, NO 3 - og ph. Inddrag teorien om den mikrobielle omsætning i de øverste mm af bundprøven, og redegør specielt for, hvilken betydning tilsætningen af KNO 3 havde for den mikrobielle omsætning Tillæg - Mikrobiel omsætning i havbunden Iltsvindets 1. stadium Miljø: Forholsvis lavvandet havområde, tidligt om foråret. Miljøet er aerobt. I vandet vil solen og den titagende varme medføre forøget primærproduktion hos grønalger og eventuelt cyanobakterier: 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O organisk stof H 2 S, H 2 S + Fe 2+ FeS (sort slam) 2PO Fe 2+ Fe 3 (PO 4 ) 2 Da sidste sommer var lang og varm med høj produktion af organisk stof og dermed en stor bundfældning af organisk stof, ligger der store uomsatte mængder i bunden. Der sker løbende en nedbrydning af dette organiske stof under anaerobe forhold (få mm under bunden er der altid anaerobt), hvilket bl.a. medfører, at der dannes svovlbrinte (H 2 S) i bunden. Under anaerobe forhold er jern reduceret til Fe 2+. Ferroionerne (Fe(II)-ioner) reagerer med svovlbrinte under dannelse af FeS, som farver bundslammet sort. Under disse anaerobe forhold vil Fe 2+ også reagere med fosfat under dannelse af letopløseligt ferrofosfat (Fe 3 (PO 4 ) 2 ). P tages dels fra sedimentet dels fra det organiske stof. Under anaerobe forhold er der altså en stor risiko for, at P-forbindelser føres op i vandfasen, hvor det kan øge risikoen for en eutrofiering. 3

4 Iltsvindets 2. stadium Det er højsommer. De fleste næringssalte er enten bundet i algerne eller i dyreplankton eller er sedimenteret (bundfældet): H 2 S + 1/2 O 2 S + H 2 O S + 1 1/2 O 2 + H 2 O 2H + + SO 4 2- liglagen organisk stof H 2 S; FeS (sort slam) Processen i bunden, hvorved der dannes svovlbrinte fortsætter; nu er der jo ekstra meget organisk stof fra forårets algeopblomstring. Svovlbrinte, der er en gasart, bobler op. før eller senere vil det over bunden møde iltholdigt vand. Her kan det oxideres spontant til sulfat eller til frit svovl, eller det kan oxideres i to trin af hvide svovlbakterier (f.eks. Beggiatoa). Oxidationen foregår i en elektrontransportkæde i bakterierne, og den frigjorte energi udnyttes af Beggiatoa eller Thiobacillus til at danne ATP. Begge bakterieslægter er kemoautotrofe. Energien udnyttes til at danne organisk stof af kuldioxid og vand. De hvide svovlbakterier findes på overgangen mellem den anaerobe og den aerobe zone. På trods af det uhyggelige navn liglagen må bakterierne siges at beskytte de overliggende vandmasser mod svovlbrinte ved at oxidere denne, før den kan gøre skade. Iltsvindets 3. stadium Vi er nu kommet langt hen på sommeren eller ind i efteråret. Denne sommer har som sidste år været præget af lange perioder med vindstille, sol og megen varme. Under de anaerobe forhold i bundlaget er der frigjort fosfat til vandet. Nitrat er tilført med drænvand, nedbør og er frigjort i vandet ved nedbrydning af både planteplankton og dyreplankton. En 4

5 nærliggende storbys udledning af ikke alt for godt renset spildevand har ikke nedsat tilførslen. Der er atter en stigning i primærproduktionen i havet: 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O NO e - + 2H + NO H 2 O; 2NO e - + 8H + N 2 + 4H 2 O (CH 2 O) + SO e - + 2H + H 2 S + 2CO 2 H 2 S + Fe 2+ FeS + 2H + (sort) stadig svovlbrintedannelse i bundsedimentet Den anaerobe zone har bredt sig op over bunden. I mangel på ilt vil nogle heterotrofe bakterier i stedet reducere sulfat til svovlbrinte.disse bakterier (f.eks. Desulfovibrio) er obligat anaerobe. Elektronerne og hydrogen (samt C) leveres ved nedbrydning af organisk stof og transport af elektronerne i bakteriernes respirationskæde. Ud over sulfatrespiration sker der også denitrifikation. Denitrificerende bakterier er fakultativt anaerobe, hvilket vil sige, at de under aerobe forhold kan leve og respirere ved hjælp at ilt. Nitrat er elektronacceptor under anaerobe forhold i stedet for ilt, som er det under aerobe forhold. De denitrificerende og sulfat reducerende bakterier vinder ATP ved elektrontransporten. Men husk: De er heterotrofe. Man kalder sulfatrespirationen og denitrifikationen for: Anaerob respiration. I ferskvand (søer og moser) ville der også være dannet methan under disse forhold: 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O H ville være dannet ved en anden gæringsproces, f.eks. smørsyregæring: C 6 H 12 O 6 C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 Bemærk at methandannelse ikke er en gæring i sig selv, da methan ikke dannes ud fra et organisk stof, men fra hydrogen og kuldioxid. 5

6 Sulfatrespirerende bakterier er langt mere effektive til at optage H end methanbakterier, hvorfor methanbakterier vil blive udkonkurreret, hvor der er sulfat tilstede, og det er der som regel nok af i havvand Iltsvindets eventuelle 4. stadium 2H 2 S + CO 2 CH 2 O + H 2 O + 2S Hvis der er tilstrækkeligt lavvandet vil de fotoautrotrofe purpur- og grønne svovlbakterier have en chance for at udføre deres svovlbrinte-fotosyntese i det miljø, der er skabt under det tredje stadium. Bakteriernes navne kommer af deres forskellige indhold af bakterieklorofyl. De lever under anaerobe forhold, hvor der er lys. Det er nogle alsidige bakterier. De kan nemlig også trives i mørke - her er de heterotrofe (aerobe), og de kan også udføre anaerob respiration. Bundvendingsstadiet Kommer der nu et lavtryk vandrende hen over området, er forudsætningerne skabt for bundvendingen. Liglagenet brydes op, og svovlbrinten kommer op i vandet. Bunddyr, yngel og fisk, der ikke når at svømme bort, dør. Nej, heldigvis ikke Dette år er vi heldige. Vi er kommet så langt hen på året, at de første efterårsstorme vender op og ned på vandmasserne og tilfører ny ilt til bunden. Svovlbrinten oxideres kemisk (spontant) til sulfat. Fe 2+ oxideres til Fe 3+ (ferri-ioner eller Fe(III)-ioner) og vil fælde ud som det lyse brunligrøde Fe(OH) 3. fosfaten bindes i sedimentet som FePO 4, som er tungtopløseligt. 6

7 Men kimen til næste års problem ligger der stadig. I bunden ligger en tikkende bombe i form af endnu mere organisk stof end året før. bliver det en speciel kold vinter med ringe omsætning i bunden og i vandet, kan en følgende varm sommer få katastrofale følger - særligt, hvis sommeren følger ef regnfyldt forår, hvor der vaskes endnu flere næringsalte ud. 7