water - Buitenbeentjes

Handleiding voor leerkrachten en gidsen
die dit programma zelf willen begeleiden
WATER :
CHEMISCHE ANALYSE
TWEEDE EN DERDE GRAAD SECUNDAIR ONDERWIJS
Natuureducatiecentrum ‘De Vroente’
Putsesteenweg 129
2920 Kalmthout
tel. : 03/620.18.30
fax. : 03/620.18.35
[email protected]
www.devroente.be
2. Chemische analyse van water
Water bevat veel opgeloste stoffen, al zie je ze niet met het blote oog. Daarom onderwerpen we
het aan een chemisch onderzoek.
Je hoeft enkel de instructies te volgen die zich in de koffers bevinden. Wees echter voorzichtig
met de reagentia; mors niets op de grond of op je handen, want sommige zijn ongezond!
Nadat de reacties afgelopen zijn en je je resultaten hebt genoteerd op het opnameblad, giet je de
potjes leeg in de verzamelfles. Die komt nadien in de milieubox terecht.
Algemeen
Voor een optimale groei hebben planten naast koolstofdioxide ook mineralen nodig, zoals
stikstof, fosfor, kalium en natrium. Ze kunnen zo de chemische samenstelling van het water sterk
veranderen. Een duidelijk voorbeeld krijgen we bij de opname van stikstof- en fosforverbindingen. Drijvende en zwevende waterplanten nemen deze verbindingen enkel op uit het
water zelf; wortelende soorten kunnen beide voedingsstoffen ook uit de bodem halen. Tijdens
het groeiseizoen zal je dan ook in een vijver of ven weinig vrije N en P-verbindingen aantreffen,
een winterstaal van hetzelfde water zal duidelijk meer van deze verbindingen bevatten.
2.1
Zuurtegraad of pH
De zuurtegraad kan variëren tussen 0 en 14.
Daarbij is 0 uiterst zuur en 14 uiterst basisch of zepig. Midden in de schaal ligt pH 7: bij deze
waarde is de vloeistof neutraal.
Enkele voorbeelden:
pH 12:
pH 8:
pH 7:
pH 6:
pH 3 - 6:
pH 3:
pH 2:
pH 1:
ammoniumhydroxide is zeer basisch
soda is zwak basisch
zuiver water is neutraal
regen is ‘van nature’ licht zuur
zure neerslag (door verontreiniging)
cola en azijnzuur
citroensap
zwavelzuur
Dieren en planten zijn in uiteenlopende mate gevoelig aan de zuurtegraad van het water. De
figuur op de volgende bladzijde toont je enkele waterdieren en hun gevoeligheid voor zuur.
De pH van het water is:
………………………………………………………………………………………………
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
1
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
2
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
3
Veroorzaakt deze zuurtegraad problemen voor het overleven van waterdieren? ………………
Zo ja, welke waterdieren zal je hier zeker niet vinden?
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
Ecologische betekenis zuurgraad:
In een zoetwaterbiotoop zal, onder invloed van de fotosynthese (die overdag veel intenser
doorgaat dan de ademhaling) de pH in de loop van de dag stijgen. ‘s Nachts zal de pH terug
dalen. Deze pH-schommelingen kunnen wel hun effect hebben op de aanwezige organismen.
Vissen hebben nood aan een pH tussen 5 en 9. Als de pH onder de 5 daalt worden de kieuwen
aangetast en treden er huidontstekingen op. In de vennen op de Kalmthoutse Heide leeft dan ook
geen vis. Er zijn echter heel wat zoetwaterongewervelden die wel bij een pH van 3,5 tot 5
kunnen leven. We zien op de hei en rond de vennen dan ook veel libellen.
2.2
Ammoniumgehalte, nitrieten en nitraten
Zowel ammoniak (NH3) [of ammonium (NH4+)] als nitrieten (N02-) en nitraten (NO3-) zijn
afbraakproducten van natuurlijk afval. Afgevallen bladeren en takken, uitwerpselen,
dierenkrengen... die in het water terechtkomen, worden er immers door bacteriën afgebroken. In
een eerste stadium tot ammoniak/ammonium. Indien er voldoende zuurstofgas aanwezig is,
wordt ammoniak/ammonium door andere bacteriën omgezet tot nitrieten en daarna verder tot
nitraten. Dit proces noemen we rotting of mineralisatie.
Het uiteindelijke eindproduct, de nitraten, zijn rechtstreekse voedingsstoffen voor planten. Ze
maken er o.a. hun eiwitten mee aan.
natuurlijke afval → ammoniak/ammonium → nitrieten → nitraten
Ook door (over)bemesting van akkers kan het gehalte ammoniak/ammonium sterk oplopen (zie
bijlage voor stikstofcyclus).
Bepaal het ammoniak/ammoniumgehalte: ………………………… mg/l
Volgende maatstaven kan je hanteren voor de beoordeling van je waterstaal:
tot 0,08 mg/l
van 0,08 tot 0,25 mg/l
van 0,25 tot 0,75 mg/l
vanaf 0,75 mg/l
zeer goed
aanvaardbaar
licht vervuild
zwaar vervuild
Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal.
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
4
Je hebt nu de aanwezigheid van NH4+-ionen en ammoniak NH3 samen bepaald. Beide zijn
afbraakproducten van eiwitten, maar daar waar NH4+-ionen vrij onschadelijk zijn, is ammoniak
reeds bij geringe concentratie gevaarlijk voor waterdieren.
Het evenwicht tussen NH4+ en NH3 verschuift naargelang de pH van het water. In zuur water ligt
het evenwicht naar NH4+ toe en is er dus geen gevaar; in basisch water daarentegen komt eerder
NH3 voor en wordt het water toxisch.
bij pH 6:
bij pH 7:
bij pH 8:
bij pH 8,3:
bij pH 9:
bij pH 10:
0% van het ammoniak/ammoniumgehalte bestaat uit NH3
1%
“
4%
“
10%
“
25%
“
78 %
“
De pH van dit water is: …………………….
De concentratie NH3 is in dit geval:…………% van………….mg/l= ………………. mg/l NH3.
Bepaal het nitrietgehalte: ……………………….. mg/l
Dit tussenproduct van eiwitafbraak is zeer giftig. Als veel biologisch afbreekbaar materiaal in de
waterloop terechtkomt, kan het nitrietgehalte sterk stijgen. Een gehalte van 1 mg/l kan reeds
dodelijk zijn voor een aantal waterorganismen.
Drinkwater mag nooit meer dan 0,1 mg/l nitriet bevatten.
Je kunt volgende maatstaven hanteren:
minder dan 0,1 mg/l:
tussen 0,1 en 1 mg/l:
meer dan 1 mg/l:
zuiver water
vervuild water
sterk vervuild water
Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal.
Bepaal het nitraatgehalte: ……………………….. mg/l
Nitraten zijn de eindproducten van biologische afbraak. Ze kunnen echter ook kunstmatig aan
het water zijn toegevoegd. Zo kan bv. een riool, waarvan het water nog veel biologisch
afbreekbaar materiaal bevat, uitkomen in de rivier of kunnen meststoffen van (over)bemeste
akkers met het regenwater afspoelen tot in de riviertjes. In de laatste gevallen kan de overmaat
aan voedingsstoffen een ongeremde groei van waterplanten, vooral wieren, veroorzaken. Een
dergelijke verstoring van het biologisch evenwicht kan drastische gevolgen hebben. Overdag
maken de planten massaal zuurstofgas aan door het fotosyntheseproces.
Maar wat kan er ’s nachts gebeuren?...........................................................................................
Welke gevolgen kan dat hebben? ..................................................................................................
……………………………………………………………………………………………………
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
5
Je kan volgende maatstaven hanteren:
tot 4 mg/l:
4 tot 12 mg/l:
12 tot 36 mg/l:
36 tot 108 mg/l:
meer dan 108 mg/l:
zeer zuiver water
aanvaardbaar
licht verontreinigd
duidelijk verontreinigd
sterk verontreinigd
Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal.
Ecologische betekenis van N-verbindingen
Ammonium
Ammonium is giftig voor vissen omdat het omgezet wordt tot ammoniak dat zich op de kieuwen
vastzet. Bij een pH lager dan 6 wordt ammonium niet omgezet en is het niet gevaarlijk.
In verzuurde en met ammonium verrijkte vennen domineren algemene soorten waterwantsen,
libellenlarven, waterkevers en muggenlarven. De meer typische soorten, eigen aan het arme
venwater, verdwijnen.
Nitriet
Indien er voldoende zuurstofgas in het water aanwezig is, is er weinig kans dat er nitrieten
aanwezig zijn. Nitriet is giftig omdat het zich in de cellen bindt met de aanwezige amines tot
(kankerverwekkende) nitrosamines.
Nitraat
In een vijver in evenwicht vindt men zelden een hoog nitraatgehalte in het water (zie hoger). In
oppervlaktewater waar infiltratie is vanuit landbouwgebieden of aanvoer van rioleringswater zijn
er wel hoge nitraatgehalten te meten. Samen met de fosfaten zijn ze een belangrijke oorzaak van
eutrofiëring (verrijking) van het water.
De nitraatvermesting van vennen tengevolge van de stikstofoxiden, afkomstig van verkeer en
industrie, uit zich in een toename van snelgroeiende stikstofminnende plantensoorten (vb.
Pitrus).
2.3
Hardheid
De totale hardheid van water wordt voornamelijk bepaald door de hoeveelheid calcium- en
magnesiumverbindingen samen. Bij hoge gehaltes aan deze stoffen spreekt men van hard water,
bij lage gehaltes over zacht water.
Calcium is voor veel waterdiertjes levensbelangrijk. Waarvoor hebben slakjes en Crustacea
(kreeftachtigen) de ‘kalk’ nodig? ………………………………………………………………….
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
6
Info: Je kan die kalk in water zelf zien als je in een ‘waterkoker’ in je keuken kijkt: de
‘ketelsteen’ die achterblijft na herhaald uitkoken van water is precies de kalk.
Niet alle water is even hard. Je hebt op reis misschien al wel gemerkt dat in bergstreken de
zeep waarmee je je handen wast nauwelijks wil schuimen. Dat komt door de hoge hardheid
van het water uit de kalkrijke bergriviertjes daar. In onze streken is het water minder hard.
Ook met zeewater je handen wassen levert geen zeepschuim op: zeewater is hard.
De hardheid wordt uitgedrukt in ‘Duitse graden’: °d.
Eén Duitse graad staat voor 10 mg calciumoxide per liter.
E
Bepaal nu de totale hardheid van het water: ………………………..°d
We maken volgende indeling:
0 tot 4 °d:
5 tot 8 °d:
9 tot 12 °d:
13 tot 18 °d:
19 tot 30 °d:
zeer zacht water
zacht water
halfzacht water
tamelijk hard water
zeer hard water
Het onderzochte water is: ………………………………………
M
Voor levende organismen is 12 °d de minimale hardheid.
B
Is dat minimum bereikt in het waterstaal? ………………………………
We bepalen nu ook de carbonaathardheid. Dit is het gedeelte van de totale hardheid,
uitsluitend te wijten aan de aanwezigheid van calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat.
In deze vorm opgelost, zijn calcium en magnesium het best beschikbaar voor de
waterorganismen.
E
De carbonaathardheid van het water is: ……………….. °d
2.4
Zuurstofgas
De meeste waterdieren nemen het nodige zuurstofgas uit het water. Slechts een beperkt aantal
soorten komt telkens opnieuw naar de oppervlakte om daar zuurstofgas uit de lucht op te doen
(longslakken, bootsmannetjes, geelgerande watertorren,...).
Bij stilstaand water is het in het water opgeloste zuurstofgas hoofdzakelijk afkomstig van de
fotosynthese van de aanwezige groene planten, alleen maar een gering gedeelte komt via diffusie
vanuit de lucht in het water terecht. Naarmate de waterbeweging toeneemt (bij sterke golfslag
bv.) gaat meer en meer zuurstofgas uit de lucht in het water oplossen.
Onder niet-gestoorde omstandigheden wijkt het gehalte zuurstofgas doorgaans niet veel af van
de verzadigingswaarde; dit is de maximale hoeveelheid zuurstofgas (in mg) die bij een bepaalde
temperatuur in 1 liter water opgelost kan worden.
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
7
Vandaar dat het zuurstofgasgehalte ons helpt een oordeel te vormen over het al dan niet gestoord
zijn van het biologische evenwicht. Bij sterke verontreiniging (dus bij grote aanvoer van
organische, eiwitrijke afvalstoffen) zal de afbraak ervan door bacteriën erg veel zuurstofgas
verbruiken, zodat de concentratie van het opgeloste zuurstofgas snel daalt en veel
waterorganismen in ademnood geraken (lucht happen bij vissen: zuurstofgasgehalte <5 mg/l).
Daalt de concentratie beneden de 3 mg/l dan sterven de meeste vissen.
Zakt het zuurstofniveau tot nul, dan wordt de rol van bovenvermelde bacteriën door anaërobe
soorten overgenomen. Die kunnen zonder zuurstofgas toch de noodzakelijke
ademhalingsprocessen op gang houden. Als bijproduct produceren ze o.a. H2S, een giftig gas met
de typische geur van rotte eieren: de waterloop wordt een open riool, waaruit de meeste
levensvormen verdwijnen. Bij de interpretatie van de verkregen gegevens moeten we er rekening
mee houden dat de verzadiging van water voor zuurstofgas afhankelijk is van de luchtdruk, het
zoutgehalte en de temperatuur van het water.
D
Bepaal het zuurstofgasgehalte: …………………………………………… mg/l.
Bepaal de watertemperatuur: ……………………….. °C.
Zoek in de figuur (op volgende bladzijde) of het water al dan niet verzadigd is met O2: maak een
verbindingslijn tussen de watertemperatuur en het gemeten O2 -gehalte en lees op de schuine lijn
het verzadigingspercentage af.
M.a.w. het water is onderverzadigd / verzadigd / oververzadigd aan O2.
Geef een mogelijke verklaring:
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ecologische betekenis Zuurstofgehalte
Het zuurstofgasgehalte van het water wordt o.a. beïnvloed door de ligging van de vijver of ven
(windstille plaats), de oeverbegroeiing (beschaduwing) en de plantengemeenschap van de vijver
zelf.
Alleen ondergedoken waterplanten verhogen overdag de zuurstofconcentratie in het water; ‘s
avonds en ‘s nachts overheerst de ademhaling. In het groeiseizoen komt het regelmatig voor dat
er dagelijkse fluctuaties van 10 mg zuurstofgas per liter gemeten worden.
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
8
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
9
2.5
Fosfaatgehalte
In normale (natuurlijke) concentraties is fosfaat een essentiële voedingsstof voor planten. Grote
concentraties aan fosfaten (en ook nitraten) betekenen echter een belangrijke bron van
voedselverrijking of eutrofiëring. Dit leidt tot een buitensporige groei van algen (algenbloei),
met de gekende gevolgen: sterke schommelingen in het zuurstofgehalte van het water, vissterfte
en het optreden van rottingsprocessen. Zuiver water bevat 0,1 mg PO43-/I, terwijl water uit
moerassige gebieden tot 1 mg PO43-/I kan bevatten. Hoge concentraties aan fosfaten wijzen op
vervuiling, meestal van huishoudelijke (wasmiddelen) en industriële oorsprong of uitspoeling
van bemeste gronden (zie bijlage voor fosforcyclus).
Enkele criteria voor de beoordeling van een waterstaal:
tot 0,03 mg/I
voedselarm (oligotroof)
0,03 - 0,1 mg/I
matig voedselrijk (mesotroof)
0,1 - 0,3 mg/I
voedselrijk (eutroof)
0,3 - 0,9 mg/I
verontreinigd (hypotroof)
vanaf 0,9 mg/I
sterk verontreinigd
Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal.
Ecologische betekenis van het fosfaatgehalte
In een folievijver of een ven op de Kalmthoutse Heide gaan we zelden een hoog fosfaatgehalte
vinden. Een verhoogd fosfaatgehalte bevordert de groei van de zoetwaterorganismen (zie
eutrofiëring).
2.6
Geleidbaarheid
Door het meten van het elektrisch geleidingsvermogen van water krijg je informatie over de
hoeveelheid opgeloste vervuilende stoffen. En vooral van de opgeloste zouten die in het water
voorkomen. Zouten in het water zijn een onmisbaar voedselbestanddeel voor de planten die er
leven. Maar water met teveel zouten wordt 'brak' en de meeste planten kunnen hier slecht tegen.
Ook zoetwatervissen kunnen bij te hoge zoutconcentraties niet meer ademhalen. Door lozing van
afvalwater en uitspoelen van mest kunnen de hoeveelheden zouten in het water stijgen. Het
elektrisch geleidingsvermogen van water met veel opgeloste zouten is hoger dan het elektrisch
geleidingsvermogen van water met weinig opgeloste zouten. Het elektrisch geleidingsvermogen
wordt uitgedrukt in millisiemens per centimeter (mS/cm).
Waarden tussen 0,01 en 0,2 mS/cm komen het meest voor. Water bevat dan genoeg zouten voor
plantengroei.
Werkwijze: Plaats de meetelektrode voorzichtig in het water. Schakel de meter in en lees de
geleidbaarheid af wanneer de uitleeswaarde tot rust komt.
Noteer de geleiding: ………….. mS/cm
Spoel de elektrode en breng het beschermdopje weer aan.
Beoordeel de geleidbaarheid van je waterstaal:
………………………………………………………..……………………………………………
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
10
Overzichtstabel chemisch wateronderzoek
staal 1
staal 2
staal 3
Norm
staal 4
(oppervlaktewater;
basiskwaliteit)
pH
6,5 - 8
Ammonium (NH3 en NH4+) (in
mg/l)
G*< 1; A < 5
Nitriet (NO2-) (in mg/l)
< 0,06 (Ned)
Nitraat (NO3-) (in mg/l)
(< 11,3 voor drinkwater)
NO2- + NO3- ≤ 10 mg/l
(voor levende organismen
Totale hardheid (in °d)
> of = 12 °d)
(geen norm beschikbaar)
Carbonaathardheid (in °d)
Watertemperatuur (°C)
< 25
Zuurstofgehalte (mg/l)
> 5
rivierwater:
<30 % = slecht;
80 - 100 % = goed
verzadigingswaarde (in %)
Fosfaatgehalte (in mg/l)
G*< 0,3; A < 1
Geleidbaarheid (in mS/cm)
<1mS/cm
*G:
gemiddeld; A: absoluut
Opmerkingen:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
11
N2
O2
O2
NO3NO2-
NH3 / NH4+
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
12
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
13
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
14
Water - chemisch onderzoek
NEC ‘De Vroente’ - Kalmthout
15