Dissolved Oxygen and Lake Stratification

Zuurstof is de sleutel tot het leven – de meeste organismen kunnen niet overleven zonder zuurstof, zelfs die onder water. Seizoensgebonden weerpatronen en de fysische eigenschappen van het water kunnen de temperatuur en het opgeloste zuurstofgehalte in de waterkolom beïnvloeden. Waarom is dit belangrijk? Omdat de seizoensgebonden weerpatronen en cycli rechtstreeks verband houden met hoeveel leven een aquatisch milieu kan ondersteunen.

Graadniveaus: Middelbare school 5e tot 8e klas

Prestatieverwachtingen:

• MS-ESS3-4 Aarde en menselijke activiteit: Construeer een argument ondersteund door bewijsmateriaal voor hoe de toename van de menselijke bevolking en het verbruik van natuurlijke hulpbronnen per hoofd van de bevolking van invloed zijn op de systemen van de aarde.
• MS-LS2-4 Ecosystems: Interacties, energie en dynamiek: Construeer een argument ondersteund door empirisch bewijs dat veranderingen in de fysieke of biologische componenten van een ecosysteem van invloed zijn op populaties.

Voor afstemming, zie Next Generation Science Standards Summary

Doel: De leerlingen kunnen beschrijven hoe de thermische stratificatie en het opgeloste zuurstofgehalte van een meer verband houden met het vermogen van een meer om dierlijk leven te ondersteunen. Deze les en activiteit maken gebruik van de 5 E-leercyclus. Om meer te weten te komen, bekijk deze 5E instructiemodel Factsheet.

Doelstellingen

Afronding van deze les kunnen de leerlingen:

• Beschrijven wat thermische stratificatie is en waarom sommige meren in gematigde streken stratificeren.
• Samenvatten hoe thermische stratificatie van een meer de opgeloste zuurstof beïnvloedt.
• Grafieken van opgeloste zuurstof en waterdiepte construeren en interpreteren.
• Hypoxische zones, anoxische zones en dode zones begrijpen en definiëren.
• Het belang van opgeloste zuurstof voor organismen bespreken.
• Het verband tussen de toevoer van voedingsstoffen en dode zones begrijpen.

Termen die je aan het eind van de les moet kennen:

• Oplosieve zuurstof
• Omslag
• Afhankelijke diffusie
• Thermische stratificatie
• Hypolimnion, metaalimnion en epilimnion
• Productiviteit
• Hypoxische zone
• Anoxische zone
• Dode zone
• Bacteriële afbraak

Achtergronden

Van het late voorjaar tot het vroege najaar, in sommige meren in een gematigd klimaat thermische stratificatie optreden, een verschijnsel waarbij meren zich in drie verschillende thermische lagen verdelen (figuur 1). De opwarming van het wateroppervlak door de zon veroorzaakt variaties in de dichtheid van het water en brengt thermische stratificatie op gang. Koeler, dichter water zakt naar de bodem van het meer en vormt het hypolimnion. Een laag warmer water, het epilimnion genaamd, drijft bovenop. Een dunne middelste laag, het metalimnion (of thermocline) genaamd, scheidt de bovenste en onderste lagen en wordt gekenmerkt door een snelle verandering van de watertemperatuur. Deze scheiding is vaak sterk genoeg om vermenging van de lagen door de wind te weerstaan.

De meest extreme thermische stratificatie treedt in meren op tijdens de warme zomermaanden. Tijdens de herfstomwenteling koelt het epilimnion af, zakt en daalt onder de thermocline, met menging tot gevolg. Thermische stratificatie van een meer is afhankelijk van de diepte, vorm en grootte van het meer. In sommige kleine, ondiepe meren treedt geen seizoensgebonden thermische gelaagdheid op omdat de wind het hele meer mengt. Andere meren, zoals het Eriemeer, hebben een combinatie van geografische ligging en waterdiepte die regelmatig tot thermische stratificatie leidt.

Figuur 1: Watertemperatuur en thermische stratificatie in meren.

Zuurstof kan via drie verschillende routes in een meer terechtkomen. Het belangrijkste mechanisme is atmosferische diffusie, waarbij zuurstof in de lucht door het oppervlaktewater wordt geabsorbeerd als gevolg van een verschil in zuurstofconcentraties. Ten tweede fotosynthetiseren waterplanten en geven zuurstof af aan het water. Ten slotte brengen rivieren en beken zuurstofrijk water in het meer. In gelaagde meren ontvangt het hypolimnion weinig zuurstof door atmosferische diffusie en is het te donker om zuurstofproducerende plantengroei te ondersteunen. De toevoer van rivierwater heeft slechts een minimale invloed op het zuurstofgehalte van grote waterlichamen zoals het Eriemeer. Het diepe hypolimnion ontvangt dus zeer weinig opgeloste zuurstof tijdens de zomerse thermische stratificatie.

Meren kunnen worden beschreven aan de hand van hun productiviteit. Dit verwijst naar de hoeveelheid voedingsstoffen die in een meer beschikbaar zijn en de primaire productie, of planten- en algengroei, die zij ondersteunen. Door de trofische status (nutriënten of groei) te bepalen, kunnen meren worden geclassificeerd in termen van hun productiviteitsniveau. De geïdentificeerde trofische niveaus zijn:

• Oligotroof (olig-oh-trof-ik) – Een oligotroof meer heeft een lage nutriëntenconcentratie en weinig plantengroei (b.v. Lake Superior). Het wordt gewoonlijk beschouwd als een meer met een lage productiviteit.
• Eutroof (yoo-trof-ik) – Een eutroof meer heeft een hoge concentratie aan voedingsstoffen en een hoge plantengroei. (b.v. Lake Erie). Het wordt geacht een hoge productiviteit te hebben.
• Mesotroof (meso-trof-ik) – Mesotrofe meren vallen ergens tussen eutrofe en oligotrofe meren in. Ze worden geacht een gemiddelde productiviteit te hebben.

In eutrofe meren, zoals het Eriemeer, groeien in de zomer grote algenbloei aan het oppervlak. De algen hebben grote hoeveelheden voedingsstoffen nodig om deze bloei te vormen. Als de algen afsterven, zinkt de bloei naar de bodem en wordt daar door bacteriën afgebroken. Voor de afbraak door bacteriën, of de biologische splitsing van een stof in eenvoudiger elementen, is zuurstof nodig. Het zuurstofverbruik en de lage zuurstofaanvoer in het hypolimnion zorgen samen voor extreem lage zuurstofniveaus tijdens thermische stratificatie.

Figuur 2. Dode zones in Lake Erie van 1970-2002.

Zodra het opgeloste zuurstofgehalte onder 2mg/l zakt, wordt het water als hypoxisch omschreven. Als het in de buurt komt van 0 mg/l, wordt het anoxisch. Een dode zone is een gebied in een meer dat ofwel hypoxisch ofwel anoxisch is, en waarin weinig organismen kunnen overleven. Zuurstofverbruikende organismen in dode zones stikken of verlaten het gebied. Volgens de waterkwaliteitsnormen van Michigan is een minimum zuurstofconcentratie van 7 mg/l nodig voor koudwatervissen en een minimum van 5 mg/l voor warmwatervissen (MDEQ, 1994).

Figuur 3. Bathymetrische kaart van het Eriemeer (Credit:NOAA).

In het ondiepe centrale bekken van het Eriemeer komen dode zones voor. Wetenschappers uit het hele gebied van de Grote Meren monitoren het meer door gegevens over de waterkwaliteit te verzamelen en te delen om beter te begrijpen wat bijdraagt tot de vorming van dode zones. Een van de meest gebruikersvriendelijke dataportalen is het Great Lakes FieldScope-project. Dit project, dat tot stand is gekomen door een samenwerkingsverband tussen Michigan Sea Grant en National Geographic, verzamelt gegevens over de waterkwaliteit in het gebied van de Grote Meren en stelt gebruikers in staat hun eigen gegevens in te voeren of regionale gegevens over de waterkwaliteit te verkennen met behulp van grafieken en kaarten. Het programma is gebruiksvriendelijk en robuust genoeg om wetenschappelijke basisonderzoeken te doen – perfect voor een inleidende les over thermische stratificatie en dode zones.

De volgende les is van toepassing op leerlingen van de middelbare school (klas 6-8). De les verkent de gegevens over de waterkwaliteit die zijn opgeslagen in de databank van het Great Lakes FieldScope-project en maakt gebruik van interactieve analyse- en karteringsinstrumenten op basis van FieldScope. Deze les is, samen met het werkblad en de sleutel voor het werkblad, ook te vinden op de Michigan Sea Grant website op www.michiganseagrant.org/lessons/. Klik op het tabblad Explore Lessons & Data en zoek dan naar Oxygen in Water.

Engage

Dit deel van de les moet de belangstelling van de leerlingen wekken, indien mogelijk aansluiten bij eerder leswerk en het onderwerp introduceren.

1. Begin met de vraag of een van de leerlingen in de zomer in een meer of vijver heeft gezwommen en koud water aan zijn voeten heeft gevoeld. Zo ja, dan hebben ze misschien thermische stratificatie gevoeld. Vraag de leerlingen of ze thermische stratificatie kunnen definiëren en verduidelijk dan wat het is aan de hand van de achtergrondinformatie hierboven. Moedig de leerlingen aan om vragen te stellen over waarom water stratificeert. Opvoeders kunnen thermische gelaagdheid in verband brengen met de gelaagdheid die optreedt bij olie en azijn. Olie en azijn hebben verschillende dichtheden, dus drijft het ene op het andere. Dit is vergelijkbaar met water bij verschillende temperaturen. Koud water heeft een grotere dichtheid dan warm water. Dichter water zal zinken en warmer water zal drijven, waardoor lagen ontstaan. Dit is een goede gelegenheid om figuur 1 te presenteren en de leerlingen de gelegenheid te geven vragen te stellen.

1. Vraag de leerlingen of ze iets weten over opgeloste zuurstof. Vraag hen of ze ooit een bellensteen in een aquarium hebben gezien om hen te helpen het idee te begrijpen. Zo ja, vraag dan waarom ze worden gebruikt. Enkele antwoorden zouden kunnen zijn: Bellenstenen laten het water circuleren en verhogen het zuurstofgehalte in aquaria door rechtstreeks zuurstof in het systeem te brengen en door de hoeveelheid water die in contact komt met de lucht te vergroten. Dit bevordert de atmosferische diffusie van zuurstof in het water.

1. Bespreek nu de diffusie van lucht op de schaal van een meer. Op welke manieren kan een meer zuurstof krijgen? Bespreek de achtergrondinformatie hierboven, zodat de leerlingen op de hoogte zijn van de drie methoden van zuurstofdiffusie. De meeste leerlingen weten dat planten zuurstof produceren, en opvoeders kunnen dit idee koppelen aan het aquatisch milieu. Vraag de leerlingen waarom ze denken dat opgeloste zuurstof belangrijk is in een meer. Zorg ervoor dat de leerlingen begrijpen dat waterdieren, net als dieren op het land, zuurstof nodig hebben. Beschrijf hoeveel zuurstof koud- en warmwatervissen nodig hebben. Leg vervolgens uit hoe het zuurstofgehalte in bepaalde perioden van het jaar zeer laag kan worden door thermische stratificatie. Introduceer het concept van dode zones. Dit is een goede gelegenheid om figuur 2 te laten zien.

Explore & Explain

• Activiteit: Hoe opgeloste zuurstof varieert met de diepte van het meer en de thermische stratificatie (met Great Lakes FieldScope)
  Samenvatting: De leerlingen kunnen beschrijven hoe de thermische stratificatie van het meer en het opgeloste zuurstofgehalte verband houden met het vermogen van een meer om dierlijk leven te ondersteunen.
  Tijd: lesuur van 50 minuten.

Uitwerken

In dit gedeelte krijgen de leerlingen aanvullende bronnen over hypoxie. Deze geven informatie over hoe het gehalte aan opgeloste zuurstof van invloed kan zijn op belangrijke diensten zoals drinkwater en recreatie.

Bronnen:

• schadelijke algenbloei en hypoxie
• fiches over het Eriemeer
• experimenteel hypoxiewaarschuwingssysteem
• fiches over hypoxie
• wat is een dode zone
• wat veroorzaakt een dode zone?

Discussievragen:

• Hoe kan het opgeloste zuurstofgehalte organismen beïnvloeden die in een meer leven?
• Hoe kunnen menselijke activiteiten dode zones beïnvloeden?
• Welke invloed heeft hypoxie op het ecosysteem/voedselweb van het Eriemeer?

De leerlingen moeten alles wat ze tot nu toe hebben geleerd combineren tot een mini-verslag en hun resultaten aan de rest van de klas presenteren. Het verslag kan grafieken, antwoorden op werkblad- en discussievragen, en informatie uit deze les en de hieronder gegeven bronnen bevatten.

Evalueren

Evalueren is aan de gang. Dit deel van de les en de activiteit geeft de leerkracht de flexibiliteit om de vorderingen van de leerlingen te beoordelen en te controleren.

Een manier om te evalueren of de leerlingen begrijpen hoe dode zones ontstaan, is hen een diagram te laten maken van de stappen die nodig zijn om een dode zone in een eutroof meer te creëren. Het diagram kan bestaan uit vakken en pijlen die door een meer lopen. Het begint met de toevoer van voedingsstoffen, gevolgd door een algenbloei die afsterft en naar de bodem zinkt. Tenslotte breken bacteriën de algen af, waardoor het zuurstofgehalte daalt en er een dode zone ontstaat. Het diagram zou ook het epilimnion, metalimnion en hypolimnion omvatten.

Bovendien moeten de leerlingen, op basis van de activiteit en de klassikale discussie, in staat zijn om:

• te beschrijven wat thermische stratificatie is en waarom sommige meren in gematigde streken stratificeren.
• Begrijpen hoe thermische gelaagdheid in meren de opgeloste zuurstof beïnvloedt.
• Grafieken van opgeloste zuurstof en waterdiepte construeren en interpreteren.
• Hypoxische zones, anoxische zones, en dode zones begrijpen en definiëren.
• Het belang van opgeloste zuurstof voor organismen bespreken.

Activiteiten

• Hoe opgeloste zuurstof varieert met de diepte van het meer en thermische stratificatie (met Great Lakes FieldScope)
  Samenvatting: De leerlingen kunnen beschrijven hoe thermische stratificatie en opgeloste zuurstofniveaus in een meer verband houden met het vermogen van een meer om dierlijk leven te ondersteunen.
  Tijd: Een les van 50 minuten.
• Temperaturen in kaart brengen
  Samenvatting: De watertemperaturen in het Eriemeer in kaart brengen, van de oppervlakte tot de bodem van het meer.
  Tijd: Eén lesuur van 50 minuten
  Dead Zones – Les 3 Activiteit A: Normen en beoordeling
• Luchttoevoer: Grafiek van opgeloste zuurstof
  Samenvatting: Breng de opgeloste zuurstof van de oppervlakte tot de bodem van het Eriemeer in kaart.
  Tijd: Twee lesperiodes van 50 minuten
  Dead Zones – Les 3 Activiteit B: Normen en beoordeling

Aanvullende figuren &Bronnen

• Bathymetrie van het Eriemeer
• Schadelijke algenbloei and Hypoxia
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• Wat is een dode zone?
• Wat veroorzaakt een dode zone?

Les &Gegevensbronnen

Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Auteurs: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Project ondersteund door het Office of Education and Outreach van NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108. Auteurs: Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science. Weer aan, weer uit – De Dode Zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Auteurs: Lindstedt, D.Website, geraadpleegd op 1 december 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Dissolved Oxygen (Opgeloste zuurstof). http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf

Water on the Web – Monitoring Minnesota Lakes on the Internet and Training Water Science Technicians for the Future – A National Online Curriculum using Advanced Technologies and Real-time Data. Universiteit van Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Auteurs: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Website, geraadpleegd op 1 december 2009.