Het computerprogramma VIJVER opent met een titelscherm. Daarna, na <RETURN>, verschijnt een scherm met enige gegevens over de ontwerpers van het model en van het programma. Bovenaan bevindt zich een menubalk die met <RETURN> geactiveerd kan worden, Er zijn drie mogelijkheden:
Nadat in het submenu VIJVER gekozen is voor een van de vijf vijvers volgt een nieuwe menubalk met de nu van toepassing zijnde mogelijkheden:
Na de keuze van een vijver wordt onder aan het scherm een statusbalk zichtbaar. Deze geeft, van links naar rechts, de datum waarop de simulatie zich bevindt, het scherm, -zie hierna-, en de naam van de vijver.
Iedere vijversimulatie, tenslotte, telt vijf schermen die door intoetsen, in willekeurige volgorde, van de cijfertoetsen <1>, <2>, <3>, <4>, of <5> getoond worden.
In de Karper- en Viskweekvijver zijn terwille van de leesbaarheid niet alle pijlen opgenomen.
De leerlingentekst is zo opgesteld dat de leerlingen er in principe zelfstandig mee kunnen werken.
Eerst een korte inleiding in het waarom van deze lessen: "Bedoeling van deze programma’s".
Daarna volgt het stuk "Wat je van biologie moet weten", dat in de regel een herhaling is van al geleerde biologische kennis.
Dan komt vijver 1, enzovoorts.
Met opzet is de leerlingentekst zo uitgevoerd dat deze tegelijk als werkboekje kan functioneren. Voor het geval u dat zonde van het papier vindt, hebben we in deze docententoelichting "blanco" tabellen opgenomen die u dan kun kopieren en uitdelen. Deze docententoelichting bevat ook alle grafieken de u via kopieren aan de leerlingen kunt geven: in de leerlingentekst wordt dit vermeld.
Verder bevat deze docententoelichting "Antwoorden op de opdrachten".
Met de verschillen in capaciteiten tussen de leerlingen (lbo-vwo) is als volgt rekening gehouden. Vijver 1, de Algenvijver, is de eenvoudigste simulatie. Wat biologische kennis betreft gaat deze niet verder dan wat in de regel zowel op lbo- als op vwo- scholen onderwezen wordt.
Vijver 1 vervult ook de functie om te wennen aan de vijversimulaties. Het lijkt niet zinvol om een leerling daarna alle vier volgende vijvers aan te bieden, daarvoor lijken ze te veel op elkaar. U hebt de volgende mogelijkheden:
Tenslotte noemen we de mogelijkheid om zonder vijver 1 direct vijver 5, de Viskweekvijver, te laten uitvoeren. Dit lijkt ons echter meer geschikt voor de bovenbouw van het voortgezet onderwijs. Wanneer begrip van de biologische interacties niet op de voorgrond staat, is vijver 5 bij uitstek geschikt voor een kennismaking met simulaties bij informatiekunde.
Een reden om een interactieve simulatie in de biologieles en bij informatiekunde te gebruiken is het inzichtelijk maken van complexe processen, processen die de resultanten zijn van tegelijk werkende en elkaar beinvloedende deelprocessen. Door de waarde van een van de variabelen te wijzigen, kan het effect hiervan op het betrokken deelproces nagegaan worden, en zo de rol op het effect van het deelproces op het geheel.
Hieronder volgen enige doelstellingen voor dit lespakket:
Als specifieke biologiedoelen noemen we:
Met opzet laten we de vijversimulaties voorafgaan door de leerlingentekst "Wat je van biologie moet weten". Hierdoor kan de tijd achter de computer gezeten zo intensief mogelijk aan het werken met het computerprogramma besteed worden. Deze biologie-inhoud hoort –grotendeels- een herhaling te zijn van wat de leerlingen al eens eerder hebben geleerd. Dit herhalingseffect kan op zichzelf al nuttig zijn, maar de behandelde informatie is van wezenlijk belang voor het met begrip kunnen volgen van de simulaties. Die informatie wordt hier verkort herhaald.
Bij de bespreking van de vijvers worden de begrippen "biomassa" en de in het seizoen "geproduceerde hoeveelheid" van een organisme gebruikt. De biomassa is de op een bepaald moment aanwezige hoeveelheid levende substantie van een soort. De in een seizoen geproduceerde hoeveelheid is de totale levende substantie (of organisch materiaal) van een organisme, algen of dieren, die ontstaan is in een bepaalde periode.
Een belangrijk deel van de productie van een organisme zit in de biomassa van de hogere trappen van de voedselketen. De getallen in scherm 2 en de grafieken van de schermen 3, 4, en 5 hebben betrekking op de biomassa’s (zie ook Achtergrondinformatie).
Hoe belangrijk fotosynthese op zichzelf ook is, in de computersimulaties speelt deze een tamelijk ondergeschikte rol. Alleen de hoeveelheid licht, de instraling, is een enkele keer van belang voor het verklaren van een slecht verlopend proces.
In de leerlingentekst zijn we voorzichtiger geweest met het woord evenwicht. Het is verleidelijk om in een vijver evenwichten aan te wijzen, soms zelfs biologische evenwichten. Dan zou echter een uitholling van het begrip "biologisch evenwicht" dreigen. Boersma (1984) noteert de volgende standaarddefinitie, een resultaat van overleg met een aantal universitaire biologen:
"Biologische evenwicht is
Voor een (kweek) vijver kunnen we wel het begrip "regulatie" hanteren, maar om te concluderen dat er een biologisch evenwicht heerst zijn er onvoldoende gegevens. We voeren in vijver 3 een keer de term dynamisch evenwicht op –de groei van algen wordt precies gecompenseerd door het eten van algen – maar merken daarbij tussen haakjes op dat dit in feite een "steady state" genoemd zou moeten worden.
In de leerlingentekst zijn afbeeldingen van de volgende organismen opgenomen. Voor de herkomst ervan: zie literatuur.
Algen
Boven, van links naar rechts:
Beneden, van links naar rechts;
Bacterien en schimmels
Bacterien van links naar rechts:
Schimmels van boven naar beneden:
Watervlooien en bodemdieren
Vijf rijtjes van boven naar beneden:
1e rij – Strombilidium gyrans (bodemdier)
– stentor roeseli (bodemdier)
2e rij – Halteria grandinella
– Loxocephalus luridus
3e rij – Chilodonella uncinata
– Aspidisca costata
4e rij – Eudilaptomus gracilis
– Tubifex tubifex (bodemdier)
– Chaoborus (corethra) plumicornis
5e rij – Daphnia cucullata
– Daphnia pulex pulex
B.1 Water dat diep in de grond zit
B.2 100 x 100 x 1 = 10.000 m 3 (=10 miljoen liter)
B.3 Buizen met gaatjes in het water leggen en daar lucht door pompen. Of: het water over kleine (kunstmatige) watervalletjes laten stromen, dan is er goed contact met de lucht.
B.4 Ja, die andere gassen zullen ook wel (enigszins) in water oplossen. (Vooral regen is belangrijk bij de verplaatsing van roetdeeltjes en gassen naar het oppervlaktewater.)
B.5 Voeg het fosfaat (in korreltjes of opgelost in water) toe aan de waterinlaat van de vijver.
B.6 Zie scherm 2 van vijver 1, Algenvijver.
B.10
Hieronder staat een kopie van het blokkenschema voor het geval dat leerlingen een eigen werkschrift hebben.
B.7 Dan zal de algengroei wel toenemen. Fosfaat en nitraat zijn immers nodig voor de groei van algen.
B.8 Vissen krijgen het dan moeilijk; misschien gaan ze dan door gebrek aan zuurstof wel dood.
B.9 Licht wordt door troebel water tegengehouden: het wordt dus al snel donker als je dieper komt, waardoor fotosynthese moeilijk plaats kan vinden.
B.11 Ja, de ene vissoort (zilverkarper) eet plantaardig, de andere (karper) dierlijk voedsel. Ze hoeven elkaar dus niet te beconcurreren.
B.12 Nee, snoeken zijn roofdieren en zullen zilverkarpers eten.
Let u op dat de bij het katern geleverde diskette niet zomaar gebruikt kan worden! Eerst moet nog een kopie met MS-DOS systeemfiles worden gemaakt: zie daarvoor achterin het katern de handleiding in de bijlage.
Zoals al gezegd, zijn we ervan uitgegaan dat de leerlingen niet voor het eerst achter een computer plaats nemen wanneer ze met het lesmateriaal "Een vijver in de computer" gaan werken.
Door de biologische basisinformatie te concentreren in het stuk "Wat je van biologie moet weten" kan de tijd dat leerlingen achter de computer werken zo efficient mogelijk aan het computerprogramma besteed worden. De betreffende opdrachten zijn voorzien van een symbooltje.
Het is misschien goed er hier op te wijzen dat de interactieve mogelijkheden voor deze simulaties niet betekenen dat de waarden voor de parameters maar "lukraak" gewijzigd kunnen worden, of, anders gezegd, dat men maar wat kan proberen. Om betrouwbare en interpreteerbare resultaten te krijgen is het nodig de marges van de parameters in de gaten te houden.
De waarden waarmee de vijversimulaties starten zijn die van een tamelijk voedselarme, schone vijver, waarin maar betrekkelijk geringe biomassa’s mogelijk zijn. De in het lesmateriaal gebruikte toevoegingen van mineralen en de daarmee bereikte biomassa’s zijn maximale waarden: hogere waarden geven geen hogere visproductie. Wel kan de toevoeging van meer mineralen leiden tot zoveel algen en afval dat de vijver zuurstofarm wordt. In het lesmateriaal is hiervoor een voorbeeld opgenomen (Vijver 2- Ziilverkarpervijver). Daarenboven is het voor een goede interpretatie van de effecten wenselijk de waarde van slechts een parameter te wijzigen.
Een probleem bij het gebruik van interactieve simulaties bij leerlingen in de eerste jaren van het voortgezet onderwijs is de abstracte weergave van de relaties in blokkenschema’s (scherm 2) en van de resultaten in grafieken (scherm 3, 4 en 5). Om hier enigszins aan tegemoet te komen, zijn de diverse componenten van het blokkenschema in een tekening in scherm 1 gezet.
Naast deze tekening van scherm 1 in het computerprogramma zijn er nog andere mogelijkheden die hetzelfde beogen. Een eenvoudig ingericht aquarium bijvoorbeeld. Wordt het aquarium eenzijdig sterk belicht, dan zal de sterk belichte ruit met groene algen begroeid raken. Deze vastzittende algen behoren uiteraard niet tot het fytoplankton, maar geven wel een indruk van de orde van grootte van deze groene planten.
En, praktisch het hele jaar door zijn Daphnia’s (vooral ’s zomers) en Cyclops (vooral ’s winters) met een schepnetje te vangen. In de aquariumhandel zijn vrijwel altijd tubofex en rode muggelarven te krijgen. Laat men deze dieren los in een aquarium net een zandbodem, dan krijgen de leerlingen een indruk van de begrippen watervlooien en bodemdieren in de simulaties.
Tenslotte, op eenvoudige wijze is de activiteit van schimmels te demonstreren. Uit een dode (brom-) vlieg in water bij kamertemperatuur groeien na enige dagen schimmels naar buiten. Het voordeel van een vlieg is dat deze blijft drijven, maar ander organisch materiaal kan uiteraard ook.
|
Instelbare, zichtbare variabelen: Nitraat1) algen watervlooien Visvoer2) zilverkarper Zuurstof2) karper |
|
Niet-instelbare, zichtbare variabelen: Zonlicht en temperatuur Koolstofdioxide3 ) Zuurstof Afval – schimmels – bacterien |
|
Vijvergrootte : 100 x 100 x 1 m; 107 liter Simulatieperiode : 1 april – 30 september Rekencyclus : 4.8 uur |
|
1 ) instelbaar boven een niet zichtbare basishoeveelheid,2 ) alleen in de Viskweekvijver,3 ) wordt in het model niet meegerekend; is als koolstofbron voor de fotosynthese door ins aan het schema toegevoegd. |
Karakteristiek
Algen zijn producenten. Zij zijn voor hun groei afhankelijk van abiotische factoren zoals water, nitraat, fosfaat (en ander anorganisch materiaal), koolstofdioxide, zuurstof en zonlicht. Zij leveren zuurstof en, door sterfte, afval. Het doel van deze simulatie is te laten zien dat de groei van algen bepaald wordt door de hoeveelheid nitraat en fosfaat, maar ook door de verhouding waarin deze mineralen aanwezig zijn. Tevens raken de leerlingen bekend met de bediening en met de presentatie van de resultaten van de simulaties.
De standaard Algenvijver (Opdrachten 1.2 t/m 1.8)
De standaardvijver is de vijver met ongewijzigde instellingen. Deze vijver bootst een schoon en helder meertje na (een oligotroof tot mesotroof meertje zoals dat ook wel wordt genoemd). De algen groeien onder omstandigheden van geringe concentraties mineralen; grote hoeveelheden (= biomassa) worden niet bereikt. Fosfaat en nitraat zijn gedurende de hele periode, 1 april tot 30 september, in lage concentraties aanwezig. Dat de biomassa algen toch toeneemt komt door omzettingen door bacterien en schimmels van zwevend afval (het "afval" in de simulatie) en van organisch materiaal in de vijverbodem tot mineralen. Ook vindt er uitwisseling van mineralen plaats via het grondwater met het omringende land. De laatste twee processen, omzettingen in de bodem en uitwisseling met de omgeving, worden nagebootst door een standaardtoevoeging fosfaat en nitraat, die verder niet zichtbaar zijjn en door de gebruiker ook niet te wijzigen zijn.
De Algenvijver met extra nitraat (Opdracht 1.11)
Ook bij deze vijver wordt uitgegaan van de standaardvijver, maar nu met een extra nitraatgift: 0.7 kg per dag (0.07 mg.1-1.dag-1). Een "looptijd" van 20 dagen is voldoende. Ondanks de nitraattoevoeging, neemt de hoeveelheid algen niet noemenswaardig toe. Wel hoopt het nitraat zich op.
De Algenvijver met extra fosfaat (Opdracht 1.12)
De vijver lijkt sterk op de standaardvijver, alleen wordt nu 0.15 kg fosfaat per dag (0.015 mg.1-1.dag-1) extra gegeven. Ook nu neemt de biomassa algen niet toe; wel hoopt het fosfaat zich op. De laatste twee vijvers zijn beide heldere vijvers door hun geringe biomassa algen, maar in zekere zin chemisch verontreinigd.
De bemeste Algenvijver (Opdracht 1.13)
De bemeste vijver is eveneens de standaardvijver met gewijzigde instellingen. Bij het begin van de simulatie stelt men als toevoegingen in: 0.15 kg fosfaat (0.015 mg.1-1.dag-1) en 0.7 kg nitraat (0.07 mg.1-1.dag-1) per dag. Deze toevoegingen hebben een aanzienlijk effect op de groei van de algen en dientengevolge op de hoeveelheid algen die op een bepaald moment aanwezig is. De toegevoegde mineralen komen in de biomassa algen terecht, maar ook in het zwevend en in het naar de bodem zakkend organisch afval. Het zwevend afval wordt door bacterien en schimmels gemineraliseerd; bij afbraak van het in de bodem terecht gekomen afval slaat het fosfaat neer in een zuurstofarm milieu.
Aan de hoeveelheid algen worden grenzen gesteld door de snelheid waarmee de voeding, fosfaat, nitraat, andere mineralen en koolstofdioxide, ter beschikking komt, de onderlinge verhouding van de voedingsstoffen en de snelheid van verwerking. Ook de afscherming van het zonlicht speelt een belangrijke rol: veel algen en zwevend afval schermen het zonlicht zo af dat in diepere delen van de vijver geen groei meer mogelijk is.
Deze simulaties, met name die van de bemeste vijvers, laten heel goed het dag- en nachtritme van planten zien. Overdag neemt de hoeveelheid zuurstof in het water toe als gevolg van de fotosynthese waarbij zuurstof vrijkomt (assimilatie) en tegelijkertijd nemen de concentraties nitraat en fosfaat af door opname door de algen om in bouwstoffen te worden omgezet. ’s Nachts vindt het tegenovergestelde plaats: de plant "verademt" zuurstof (dissimilatie) en maakt geen bouwstoffen.
Suggestie: De overbemeste Algenvijver (niet in Leerlingentekst)
De overbemeste vijver kan dienen om milieu-aspecten die betrekking hebben op vervuiling van het oppervlaktewater met meststoffen, en als gevolg daarvan een zeer grote biomassa algen, te verduidelijken. In een visvijver zal de biomassa vis toenemen met een toenemende bemesting tot een gift van 0.7 kg nitraat (0.07 mg.1-1.dag-1) en 0.15 kg fosfaat (0.015 mg.1-1.dag-1) per dag in de vijver. Van overbemesting is duidelijk sprake als 2.0 kg nitraat (0.2 mg.1-1.dag-1) en 0.4 kg fosfaat (0.4 mg.1-1.dag-1) per dag worden gegeven. Deze gift geeft een duidelijk resultaat en kan, bijvoorbeeld, vanaf 1 april gegeven worden. Een andere mogelijkheid is 2.0 kg nitraat per dag vanaf 1 april te geven en 0.4 kg fosfaat per dag vanaf 1 mei. In het laatste geval hoopt het nitraat zich in april op, maar er is onvoldoende fosfaat om het extra stikstof in biomassa vast te leggen (fosfaat gelimiteerde groei). De maand april dient dan, tot op zekere hoogte, als controle. Voor welke instelling ook gekozen wordt, voor het effect op 1 juli maakt het weinig verschil uit. Op 1 juli is de biomassa algen groter dan 960 kg (96 mg.1-1) en die van het zwevend afval groter dan 670 kg (67 mg.1-1) per vijver. Het toegevoegde fosfaat is geheel in de biomassa’s vastgelegd. De hoeveelheid nitraat is ongeveer 45 kg (4.5 mg.1-1) als het extra nitraat en fosfaat vanaf 1 april worden gegeven en 68 kg (6.8 mg.1-1) als het extra fosfaat pas vanaf 1 mei wordt gegeven.
De biomassa algen en afval zijn zo groot dat in de wat diepere lagen onvoldoende licht doordringt. Ondanks de grote hoeveelheid algen, dreigt er een zuurstof tekort, vooral tegen het eind van de nacht. Het verschil in zuurstofgehalte tussen dag en nacht is groot. Een tweede effect van overbemesting is dat er een overmaat aaan stikstof in het vijverwater is opgelost. ’s Winters, als een groot deel van de algen is afgestorven en het afval gemineraliseerd is, is de chemische verontreiniging nog sterker.
Antwoorden
Tabel 1.1
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
Verschil (+,0,-) |
1 juni (kg) |
Verschil (+, 0, -) |
|
|
Algen |
100 |
144 |
+ |
160 |
+ |
|
Zuurstof |
98 |
93 |
0 |
84 |
- |
|
Nitraat |
1.0 |
0.6 |
- |
0.4 |
- |
|
Fosfaat |
0.2 |
0.3 |
0 |
0.4 |
0 |
|
Afval Schimmels Bacterien |
72 |
98 |
+ |
112 |
+ |
Opdracht 1.3
De getallen in het hokje "instraling" schommelen zeer. (Het maximum neemt wel toe, omdat in april – dit gaat door tot 21 juni - en de dagen steeds langer worden.) Ook de hoeveelheden zuurstof en fosfaat en nitraat schommelen in een etmaal.
Opdracht 1.5
Dat komt door het dag- en nachtritme. Overdag ontstaat zuurstof, ’s nachts wordt het verbruikt.
Opdracht 1.9
Extra fosfaat en nitraat toevoegen. (Zie ook opdracht B.7 en het staat ook direct onder opdracht 1.9.)
Opdracht 1.10
De computer "weet" niets. Op de diskette "VIJVER" staan alle verbanden tussen de factoren van een vijver. De computer kan razendsnel uitrekenen wat er gebeurt als je een factor verandert in grootte.
Tabel 1.2
|
20 april zonder mest |
20 april + 0.7 kg nitraat |
20 april + 0.15 kg fosfaat |
20 april + 0.7 kg nitraat + 0.15 kg fosfaat |
|
|
Algen |
ca. 136 |
ca. 137 |
ca. 135 |
ca. 269 |
|
Zuurstof |
ca. 103 |
ca. 105 |
ca. 100 |
ca. 137 |
|
Nitraat |
ca. 0.6 |
ca. 14.2 |
ca. 0.5 |
ca. 3.5 |
|
Fosfaat |
ca. 0.2 |
ca. 0.2 |
ca. 1.5 |
ca. 0.3 |
|
Afval Schimmels Bacterien |
ca. 91 |
ca. 91 |
ca. 91 |
ca. 159 |
Opdracht 1.14
36 kg.
169 kg.
Opdracht 1.15
a is waar, b biet.
(Op zichzelf is het waar dat de verhouding 5:1 het best is, maar we hebben dat hier niet onderzocht.)
Tabel 1.1 (Voor eventueel leerlinggebruik)
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
Verschil (+,0,-) |
1 juni (kg) |
Verschil (+, 0, -) |
|
|
Algen |
|||||
|
Zuurstof |
|||||
|
Nitraat |
|||||
|
Fosfaat |
|||||
|
Afval Schimmels Bacterien |
Tabel 1.2 (Voor eventueel leerlinggebruik)
|
20 april zonder mest |
20 april + 0.7 kg nitraat |
20 april + 0.15 kg fosfaat |
20 april + 0.7 kg nitraat + 0.15 kg fosfaat |
|
|
Algen |
ca. 136 |
|||
|
Zuurstof |
ca. 103 |
|||
|
Nitraat |
ca. 0.6 |
|||
|
Fosfaat |
ca. 0.2 |
|||
|
Afval Schimmels Bacterien |
ca. 91 |
Karakteristiek
Dieren zijn consumenten en voor hun voeding direct (of indirect) afhankelijk van planten. Zilverkarpers eten algen en hun groei is afhankelijk van de groeisnelheid van de algen.
Enerzijds kan de vijversimulatie gebruikt worden om milieu-aspecten te verduidelijken. Een optimaal bemeste vijver wordt vergeleken met een overbemeste vijver (zie lesmateriaal). Het zuurstofgehalte wordt in de loop van het seizoen na overbemesting (te) laag, terwijl de concentratie van het nitraat sterk toeneemt. Anderzijds kan deze vijvernabootsing laten zien dat een met nitraat en fosfaat bemeste vijver veel meer vis oplevert dan de niet bemeste vijver. De oorzaak van de grotere zilverkarpergroei is de grotere algenproductie na bemesting, ook al blijkt dat niet uit de biomassa algen. Het zuurstofgehalte is goed, de concentratie van de mineralen is laag. Daarnaast is af te leiden dat de zilverkarpers ook hun tweede voorkeursvoedsel, zwevend organisch afval, eten. Na 60 dagen, wanneer de vissen flink zijn gaan groeien, blijft de hoeveelheid afval in de Zilverkarpervijver achter bij die in de overeenkomstige Algenvijver (zie suggesties). Er is sprake van een korte voedselketen.
De bemeste Zilverkarpervijver (Opdracht 2.1 t/m 2.10)
In de bemeste zilverkarpervijver (0.7 kg nitraat en 0.15 kg fosfaat per dag (0.07 mg.1-1.dag-1 resp. 0.015 mg.1-1.dag-1) neemt de biomassa algen maar weinig toe, van 100 kg tot 125 kg (10 tot 12.5 mg.1-1) aan het eind van het seizoen. Dat de totale in de hele periode geproduceerde hoeveelheid algen sterk is toegenomen, in vergelijking met de standaardvijver, blijkt uit de zeer sterk toegenomen biomassa zilverkarpers. Opvallend is dat in de niet bemeste en in de bemeste zilverkarpervijvers de hoeveelheid zwevend organisch afval veel geringer is dan in de vergelijkbare algenvijvers. Kennelijk hebben de zilverkarpers ook dit afval gegeten en in hun groei omgezet (zie ook de dubbele pijlen tussen zilverkarpers en afval in het schema, scherm 2). De hoeveelheid mineralen aan het eind van het seizoen is vrijwel gelijk aan die van begin april. Dit betekent dat de toegevoegde mineralen zijn omgezet in de biomassa’s algen, zilverkarpers en organisch afval. De vijver blijft gedurende het hele seizoen zuurstofrijk.
De overbemeste Zilverkarpervijver (Opdracht 2.11)
Op 1 april wordt 2.0 kg nitraat (0.2 mg.1-1 .dag-1) en op 20 april bovendien 0.6 kg fofaat (0.06 mg.1-1 .dag-1) per dag aan de vijver gegeven. In de eerste helft van april lijkt de vijver nog op de niet bemeste Zilverkarpervijver; er is onvoldoende fosfaat om het toegevoegde nitraat in de biomassa algen vast te leggen (fosfaat gelimiteerde groei). Na de fosfaat gift neemt de biomassa algen zeer sterk toe, evenals de hoeveelheid zwevend organisch afval. De zilverkarpers doen het voortreffelijk, eind mei is hun biomassa bijna verdrievoudigd. Het zuurstofgehalte, echter, neemt sterk af. Deze effecten kunnen als volgt verklaard worden. Door de grote hoeveelheden algen wordt veel zonlicht al in de bovenste waterlagen geabsorbeerd. In de wat diepers delen van de vijver produceren de algen weinig of geen zuurstof meer maar dissimileren wel en sterven zelfs af. Dit heeft de productie van zwevend afval tot gevolg wat de situatie alleen maar verergert. Daar komen nog bij dat de sterk gegroeide vissen meer zuurstof gebruiken en dat de hogere zomertemperatuur maakt dat minder zuurstof in oplossing kan zijn (in de maand juni wordt de toestand nog kritischer).
Zeer veel bemesting en dus zeer veel algen scheppen een onevenwichtige situatie. De verschillen in de zuurstofgehalte bij dag en bij nacht zijn groot. Maar ook gedurende het seizoen zijn de verschillen groot. Hierbij moet het volgende bedacht worden. Het model geeft gemiddelden per vijver weer en maakt geen onderscheid tussen de oppervlakkige lagen en de diepere lagen van de vijver. In werkelijkheid, echter, is bij zeer veel algen overdag de oppervlakkige laag water met zuurstof overzadigd. ’s Nachts, wanneer alle organismen ademen, dreigt vooral in de diepere delen van de vijver een zuurstof tekort (ook in een relatief ondiepe vijver).
Suggestie: De niet bemeste Zilverkarpervijver (niet in Leerlingentekst)
De standaard Zilverkarpervijver is de vijver met ongewijzigde instellingen. Deze vijver bootst een helder meertje na, waar maar een relatief kleine biomassa zilverkarpers mogelijk is. De biomassa algen in de zilverkarpervijver is gedurende het hele seizoen kleiner dan in de niet bemeste Algenvijver. Dat er toch flinke groei van algen heeft plaatsgevonden blijkt uit de groei van de zilverkarpers: van 100 kg in april tot 330 kg in eind september. Het meertje is zuurstofrijk, de concentratie mineralen is eind september gelijk aan die van begin april, met andere woorden ook hier zijn de toegevoegde mineralen in biomassa omgezet (en in afval!)
Antwoorden
Opdracht 2.2
Tabel 2.1
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
1 juni (kg) |
1 juli (kg) |
|
|
Algen |
100 |
318 |
249 |
102 |
|
Zuurstof |
98 |
103 |
66 |
67 |
|
Nitraat |
1.0 |
3.0 |
1.1 |
2.1 |
|
Fosfaat |
0.2 |
0.4 |
0.5 |
0.5 |
|
Zilverkarper |
100 |
126 |
345 |
715 |
|
Afval Schimmels Bacterien |
72 |
216 |
313 |
249 |
Opdracht 2.6
615 kg.
Opdracht 2.8
In mei (tussen 5 en 20 mei) is de grafiek ongeveer horizontaal. Algen worden ook dan wel gegeten, maar de groei is dan even groot.
Opdracht 2.9
De algen worden dan sneller opgegeten door de zilverkarpers dan ze aangroeien. Grote zilverkarpers eten kennelijk meer dan kleine.
Opdracht 2.10
Per dag is 0.15 kg fosfaat en 0.7 kg nitraat toegevoegd, dus 0.85 kg bij elkaar. In 90 dagen is dat 90 x 0.85 = 76.5 kg. In geld is dat 76.5 x f 0.50 = f 38.25.
Opdracht 2.11
Tabel 2.1 (voor eventueel leerlinggebruik)
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
1 juni (kg) |
1 juli (kg) |
|
|
Algen |
|
|||
|
Zuurstof |
|
|||
|
Nitraat |
|
|||
|
Fosfaat |
|
|||
|
Zilverkarper |
||||
|
Afval Schimmels Bacterien |
Karakteristiek
Dieren zijn direct afhankelijk van planten: watervlooien leven voornamelijk van algen. Of indirect: sommige bodemdieren eten watervlooien of andere in of op de bodem levende dieren: korte en lange voedselketen (eventueel: eenvoudig voedselweb). In deze vijver is sprake van een korte en van een langere voedselketen. De afhankelijkheid van dieren en planten kan besproken worden met een vergelijking van de niet bemeste en de bemeste vijver. De interactie tussen beide diergroepen blijkt duidelijk.
De bemeste Watervlooien- en Bodemdierenvijver (Opdracht 3.1 t/m 3.6)
De totale algenproductie is als gevolg van de bemesting, 0.7 kg nitraat (0.07 mg.1-1.dag-1) en 0.15 kg fosfaat (0.015 mg.1-1.dag-1) per dag, flink toegenomen in vergelijking met een niet bemeste vijver; de bemeste Algenvijver toonde dit al aan. Door de sterke toename van het aantal bodemdieren zijn de watervlooien vrijwel geheel opgegeten. Ook de biomassa algen is gering, na een opleving in april, als gevolg van de vele bodemdieren. Het vijverwater is helder omdat er maar weinig algen en afval in zit.
De bemeste Watervlooien- en Bodemdierenvijver na een nagebootste ramp (Opdracht 3.7)
In het lesmateriaal wordt een plotseling optredende ziekte onder het zoöbenthos gesimuleerd. Een gering aantal dieren overleeft deze ramp. In de periode die op deze gebeurtenis volgt blijken de interacties tussen algen, zoöplankton en zoöbenthos. Tot 3 mei ontwikkelt de vijver zich als een bemeste vijver (1 april: 0.7 kg nitraat per dag (0.07 mg.1-1.dag-1) en 0.15 kg fosfaat per dag (0.015 mg.1-1.dag-1). Na 3 mei, als de hoeveelheid bodemdieren van 150 kg tot 1 kg gereduceerd is, blijkt de druk van de bodemdieren op de watervlooien: bevrijd van hun predatoren neemt de biomassa watervlooien geweldig toe. Nu blijkt ook dat watervlooien algeneters zijn, want de hoeveelheid algen neemt sterk af. Tegen het eind van de maand verandert dit weer. De bodemdieren zijn weer zo sterk toegenomen dat de hoeveelheid watervlooien afneemt en die van de algen weer toeneemt. Sterke fluctuaties zijn ook in de natuur niet ongewoon. (opmerking: iedere aquariumhouder die watervlooien voor zijn vissen vangt weet hoe watervlooien van de ene op de andere dag verdwenen kunnen zijn om na enige tijd weer te verschijnen.)
N.B.: 3 mei is als datum voor "de ramp" gekozen, omdat dan de veranderingen los van de Y-as komen.
Suggestie: De niet bemeste Watervlooien- en Bodemdierenvijver (niet in Leerlingentekst)
Evenals in de voorgaande simulaties is de niet-bemeste vijver de vijver waar algen groeien bij lage concentraties van de mineralen. De algen nemen vanaf het begin geleidelijk in hoeveelheid af tot iets minder dan de helft van de uitgangswaarde. De watervlooien nemen zeer snel af tot minimale aantallen. De bodemdieren nemen gestaag toe. Zij zijn degene die de algen en de watervlooien consumeren. Gezien de geringe biomassa algen en het weinige afval moet het een heldere vijver zijn.
Suggestie: De Watervlooien- en Bodemdierenvijver zonder Bodemdieren (niet in Leerlingentekst)
Dit is een vijver zonder bodemdieren. Niet zo’n waarschijnlijke vijver, omdat vele insecten, zoals muggen, libellen, eendagsvliegen (haften) en dergelijke, er hun eieren in zullen leggen. Maar, zo’n vijver kan wel gesimuleerd worden, met of zonder fosfaat en nitraat toevoegingen. Het blijkt dat in de niet bemeste en in de bemeste vijver de algen maar een geringe biomassa halen. Zij worden gegeten door de watervlooien die het zeer goed doen. Watervlooien zijn dus in hoofdzaak algeneters. Met de waarden van parameters zoals hierboven geschetst is een belangrijk biologische fenomeen, regulatie als aspect van biologisch evenwicht, toe te lichten. Ingrepen zoals hierboven zijn aangegeven, die slecht een van de bewoners treffen en de overige omstandigheden niet beïnvloeden, leiden tot het instellen van een nieuw evenwicht. Bij de bespreking van de "Karpervijver" wordt hierop verder ingegaan.
Suggestie: De kringloop van stoffen (niet in Leerlingentekst)
Een andere mogelijkheid van de Watervlooien- en Bodemdieren is de bespreking van de kringloop van stoffen aan de hand van de pijlen op het schema van scherm 2. Omdat de parameters die betrekking hebben op de kringloop niet zichtbaar zijn gemaakt, kan de kringloop van stoffen alleen in kwalitatieve zin besproken worden en niet gesimuleerd. Algen groeien van mineralen en koolstofdioxide met behulp van zonlicht. Dode algen komen in het zwevend organisch afval terecht. Een deel van het zoöplankton eet algen en wordt zelf door zoöbenthos gegeten. Sommige bodemdieren leven echter van algen of leven van andere bodemdieren (een eenvoudig voedselweb). Alle dieren produceren afval. (Zie schema op scherm 2.) Er zijn echter ook soorten onder het zoöplankton en onder het zoöbenthos die organisch afval uit het water filteren; dit plantaardig en dierlijk afval is bezet met bacteriën en schimmels. Uiteindelijk, na een kortere of langere weg, is al dit afval gemineraliseerd en daarmee weer ter beschikking van de planten gekomen. Bacteriën en schimmels zijn reducenten.
Antwoorden
Opdracht 3.2
Bodemdieren: zuurstof, algen, watervlooien, afval.
Tabel 3.1
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
1 juni (kg) |
|
|
Algen |
100 |
203 |
43 |
|
Zuurstof |
98 |
102 |
78 |
|
Nitraat |
1.0 |
4.9 |
10.2 |
|
Fosfaat |
0.2 |
0.4 |
1.0 |
|
Watervlooien |
10 |
2 |
0 |
|
Bodemdieren |
10 |
124 |
564 |
|
Afval Schimmels Bacteriën |
72 |
212 |
145 |
Opdracht 3.6
Opdracht 3.7
In april groeien de bodemdieren en de algen. De watervlooien worden door bodemdieren gegeten. Nadat op 3 mei de bodemdieren vrijwel zijn verdwenen, blijkt dat ze graag watervlooien eten en dat watervlooien algen eten. Zodra namelijk de bodemdieren weg zijn, nemen de watervlooien geweldig toe en de hoeveelheid algen af. Als de bodemdieren later weer toenemen, worden de rollen omgedraaid.
De samenstelling van de karpervijver zal overeenkomen met die van de meeste vijvers van deze grootte: planten, zooplankton en zoobenthos, en vissen. Deze situatie zal zich, ook over langere termijn bezien, niet wijzigen.
Karakteristiek
Karpers eten bij voorkeur bodemdieren, waarvan vele soorten watervlooien en algen eten (zie schema, scherm 2). Er is dus sprake van een verlengde voedselketen. Door in te grijpen in de aantallen van een soort, tijdens het seizoen, treedt regulatie van het aantal op bij andere soorten.
Het doel van de Karpervijver is vrijwel gelijk aan die van de Watervlooien- en Bodemdierenvijver: een lange(re) voedselketen, een eenvoudig voedselweb en regulatie van aantallen als een van de aspecten van het begrip dynamisch evenwicht. Ook is duidelijk te maken wat het voor een dier betekent als hij terug moet vallen op zijn tweede voorkeur voedsel (zie suggesties).
De bemeste Karpervijver (Opdracht 4.1 t/m 4.6)
De standaardvijver ontwikkelt zich onder omstandigheden met lage mineralen concentraties. Het is een schoon meertje met helder water. De biomassa’s van de organismen bereiken geen hoge waarden. Bij bemesting, door toevoeging van nitraat en fosfaat (0.7 kg (0.07 mg.1-1.dag-1) respectievelijk 0.15 kg (0.15 mg.1-1.dag-1) per dag), neemt de algengroei sterk toe. Een groot deel van deze extra algenproductue verdwijnt via de bodemdieren in de magen van de karpers. Zij groeien in de loop van het seizoen tot het achtvoudige van de beginsituatie. De biomassa van de algen vertoont een golfbeweging: tegen het eind van de eerste maand wordt een maximum bereikt (ongeveer 200 kg). Tijdens de tweede maand neemt de hoeveelheid algen flink af om in de laatste periode van het seizoen weer toe te nemen. De bodemdieren nemen gedurende de eerste twee maanden geweldig toe; hun biomassa neemt daarna spectaculair af. Dit zijn tevens de maanden dat de biomassa algen weer sterk toe kan nemen nu het aantal bodemdieren zoveel geringer is geworden. De karpers groeien gedurende het hele seizoen goed. Hun toename in grootte, als gevolg van hun eetlust, is verantwoordelijk voor de afname van de bodemdieren, hun voedsel. De watervlooiem die bijna van het toneel waren verdwenen nemen weer toe als de bodemdieren zo sterk afnemen. Watervlooien zijn voor de karper tweede voedselkeus.
De bemeste dichtbevolkte Karpervijver waar na verloop van de tijd karpers worden weggehaald (Opdracht 4.7)
Deze vijver begint op 1 april als een bemeste vijver (0.7 kg nitraat per dag (0.07 mg.1-1.dag-1) en 0.15 kg fosfaat per dag (0.015 mg.1-1.dag-1)), maar met 500 kg karpers en 100 kg bodemdieren. De overige instellingen blijven ongewijzigd. Interacties tussen de organismen blijkt bij deze simulatie. Het grote aantal bodemdieren zorgt ervoor sat aanvankelijk algen en watervlooien onder druk staan; nadat de karpers het aantal bodemdieren flink teruggebracht hebben, nemen beide toe. Begin mei bereiken de watervlooien hun maximum en de bodemdieren hun minimum. Wanneer op 3 mei de karpers teruggebracht worden tot 50 kg neemt de druk op de bodemdieren af, zij nemen sterk toe, maar de druk op algen en watervlooien neemt toe. Hun biomassa bereikt eind mei een minimum.
Suggestie: De Karpervijver met 5 kg in plaats van 100 kg karpers aan het begin van het seizoen (niet in Leerlingtekst)
Bij deze vijver, die naar believen wel of niet bemest kan worden, wordt het seizoen gestart met 5 kg karpers in plaats van met 100 kg. De bodemdieren, van hun voornaamste predator bevrijd, groeien uit tot een biomassa. De biomassa’s algen en watervlooien, het voedsel van bodemdieren, nemen dientengevolge sterk af.
Suggestie: De Karpervijver zonder bodemdieren (niet in Leerlingtekst)
Deze vijver is een variant van de vorige vijver: de bodemdieren worden weggelaten. Nu zijn de watervlooien zonder predator en groeien geweldig, ten koste van de algen. Karpers met hun onderstandige bek, die zeer geschikt is dieren van en in de bodem te selecteren, eten niet zo graag watervlooien, die zich boven de bodem bewegen. In deze vijver groeien de karpers dan ook aanzienlijk minder dan in de voorgaande vijver.
Antwoorden
Opdracht 4.2
Bodemdieren en watervlooien. (Karpers geven de voorkeur aan bodemdieren.)
Tabel 4.1
|
1 april (kg) |
1 mei (kg) |
1 juni (kg) |
|
|
Algen |
100 |
221 |
75 |
|
Zuurstof |
96 |
99 |
69 |
|
Nitraat |
2.0 |
4.7 |
5.5 |
|
Fosfaat |
0.2 |
0.4 |
0.6 |
|
Watervlooien |
10 |
3 |
1 |
|
Bodemdieren |
10 |
79 |
299 |
|
KARPERS |
100 |
118 |
256 |
|
Afval Schimmels en Bacterien |
72 |
219 |
240 |
Opdracht 4.6
Opdracht 4.7
De Viskweekvijver is de meest complexe vijver in deze simulatiereeks. De voedselketens zijn zo met elkaar verweven dat van een voedselweb gesproken moet worden. Alle hiervoor besproken biologische verschijnselen zijn ook in deze vijvers terug te vinden.
Karakteristiek
In de reeks aanbevolen combinaties staat deze vijver tezamen met de Algenvijver en dient dan voornamelijk biologiedoelen.
De Viskweekvijver staat er ook afzonderlijk, met de bedoeling dat nu informatiekunde doelen vooropstaan. In dat geval kan de vraag onderzocht worden: hoe krijgt men de meeste vis tegen de laagste kosten in een seizoen uit de vijver. Dit lukt alleen als men binnen biologische grenzen opereert.
Lesmateriaal
Als de Viskweekvijver voornamelijk biologische doelen dient, dan zijn instellingen en ingrepen denkbaar zoals beschreven bij de Watervlooien- en Bodemdierenvijvers en de Karpervijver. Staat de informatiekunde voorop dan kunnen de leerlingen in groepjes van twee of drie personen werken; ieder groepje werkt volgens een bepaald beheersplan. Een groepje kan met een standaardvijver werken, andere groepjes voegen fosfaat of nitraat toe, of geven visvoer, of beluchten de vijvers, dan wel passen een combinatie hiervan toe. Er kan tussentijds vis worden weggevangen die dan elders verder wordt opgekweekt. Echter, toevoegingen kosten geld, de vis levert geld op. Heel vaak worden de computer of een simulatie ingezet om een prognose te maken of een proces te volgen. Dat kan dan nu nagebootst worden.
In de leerlingentekst zijn acht beheersplannen genoemd die gespeeld kunnen worden. Kosten en baten van deze kweekvijvers kunnen, desgewenst, los van het programma toegevoegd worden.
Antwoorden
Tabel 5.1
|
Manier |
LASTEN |
BATEN |
||||
|
Totaal toegevoegd is: |
Totale hoeveelheid |
|||||
|
Fosfaat (kg) |
Nitraat (kg) |
Visvoer (kg) |
Zuurstof (kg) |
Zilverkarpers (kg) |
Karpers (kg) |
|
|
1 |
45.6 |
182.6 |
986 |
671 |
||
|
2 |
91.3 |
365.2 |
984 |
690 |
||
|
3 |
182.6 |
730.4 |
690 |
985 |
||
|
4 |
91.3 |
365.2 |
365 |
1140 |
907 |
|
|
5 |
91.3 |
365.2 |
730 |
1109 |
1121* |
|
|
6 |
76.5 |
306 |
918 |
863 |
1207** |
|
|
7 |
82.5 |
330 |
1320 |
825 |
841 |
1310*** |
|
8 |
91.3 |
365.5 |
1461 |
1812 |
1061 |
1477 |
* waarschuwing zuurstoftekort 30/9, nacht
** waarschuwing zuurstoftekort 1/9
*** waarschuwing zuurstoftekort 12/9
5-6-7: hoeveelheden op het moment van de waarschuwing.
Tabel 5.1 (voor eventueel leerlinggebruik)
|
Manier |
LASTEN |
BATEN |
||||
|
Totaal toegevoegd is: |
Totale hoeveelheid |
|||||
|
Fosfaat (kg) |
Nitraat (kg) |
Visvoer (kg) |
Zuurstof (kg) |
Zilverkarpers (kg) |
Karpers (kg) |
|
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
||||||
|
4 |
||||||
|
5 |
||||||
|
6 |
||||||
|
7 |
||||||
|
8 |
||||||
Abiotische factoren: alle eigenschappen van de niet-levende omgeving van een organisme (temperatuur, vochtigheid; bodemgesteldheid).
Assimilatie: chemische omzettingen door groene planten van vanuit de buitenwereld opgenomen stoffen in samengestelde organische verbindingen (assimilatie of anabolisme).
Benthos: in en op de bodem levende organismen. In de tekst zijn genoemd: Rode muggelarven – chironomidae, Insecta, Arthropoda. Haften – larven van Eendagsvliegen, Insecta, Arthropoda. Tubifex – oligochaeta, Annelida.
Biotische factoren: alle invloeden die uitgaan van de levende omgeving van een organisme.
Consumenten: primaire consumenten of herbivoren; secundaire consumenten of carnivoren, parasieten
Detritus: fijn in het water zwevend organisch materiaal.
Dissimilatie: reacties van de stofwisseling waarbij samengestelde energierijke verbindingen worden afgebroken onder vrijkoming van energie (dissimilatie of katabolisme).
Eutroof: bodem of water, rijk aan voedingsstoffen die door planten en dieren kunnen worden opgenomen in het bijzonder kalk, fosfaten, nitraten.
Fosfaat gelimiteerde groei: fosfaat is de beperkende factor voor de groei.
Fytoplankton: in het water zwevende algen (of wier).
Oligotroof: bodem of water, arm aan voedingsstoffen die door levende planten en dieren kunnen worden opgenomen, in het bijzonder fosfaten en nitraten.
Predator: rover of jagend dier.
Producent: autotrofe organismen; in meerderheid de groene planten.
Reducent: bacterien en schimmels, verteren (mineraliseren) door organisch materiaal.
Voedselweb: netwerk van voedselketens, of: het totaal aan relaties tussen de soorten van een ecosysteem.
Zooplankton: in het algemeen kleine dieren, die voornamelijk door waterstromingen verplaatst worden.
Enschede, jan. 17, 2002