Bioremediation im Unterricht Teach article

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

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 behalten^w1, ^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

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.

Führe in der Unterrichtseinheit das Thema Bioremediation ein und lasse die Schüler Informationen über Azolla^w1, ^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 Webseite^w8 von Science in School heruntergeladen werden.

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.

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.

3. 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.

4. 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.

3. 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.

4. 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.