DE3612464A1 - Elektrischer regenwurmfang mit der oktett-methode - Google Patents

Description

2.1. Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine elektrische Methode zur qualitativen und quantitativen Erfassung von Regenwurmpopulationen.

2.2. Stand der Technik

Es ist bekannt, daß in den zurückliegenden Jahren immer wieder Versuche unternommen wurden, Regenwürmer mit Hilfe des elektrischen Stromes aus der Erde zu treiben (WALTON 1933, DOESKEN 1950, SATCHELL 1955, EDWARDS & LOFTY 1975, RUSHTON & LUFT 1984). Die Effektivität der verschiedenen Methoden war jedoch begrenzt, da keine quantitativen Fangergebnisse erzielt wurden.

Die Sammelfläche der zuletzt beschriebenen elektrischen Methode (RUSHTON & LUFT 1984) wird nicht von einem homogenen elektrischen Feld durchsetzt, obwohl ihre Begrenzung durch die Elektrodenkreisanordnung der hier vorgestellten Oktett-Methode ähnlich ist. Der von RUSHTON & LUFT (1984) verwendete Elektrodenring mit einer zentralen Mittelelektrode ist einem Zylinderkondensator mit radialem Feldlinienverlauf vergleichbar. Die Feldliniendichte - ein relatives Maß für die Feldstärke (E) - ändert sich hierbei proportional mit dem Kehrwert des Abstandes (r) zur Mittelelektrode (E ∼ l/r). Die Integration von E = -C · l/r (C = Proportionalitätskonstante, Vorzeichen = Ausbreitungsrichtung des Feldes nach außen) ergibt, daß sich die Spannung (U) mit dem Logarithmus des Radius (r) ändert, d. h. U ist eine lineare Funktion von ln r (U = C lnr + C′) (WESTPHAL 1971). Die Würmer innerhalb der Sammelfläche sind also - je nach Position - unterschiedlichen Spannungen ausgesetzt.

Ein häufig vernachlässigter Aspekt bei der Erfassung von Regenwurmpopulationen ist die eingeschränkte Anwendungsmöglichkeit nicht elektrischer, gebräuchlicher Fangmethoden. So ist z. B. auf dicht bepflanzten Agrarflächen das chemische Abfangen oder das Ausgraben von Würmern nur mit Schädigungen von Boden und Pflanzen möglich. Mit der elektrischen Fangmethode läßt sich dieses Problem jedoch auf ein Minimum reduzieren, da nur das Begehen der Untersuchungsflächen und ein Einstechen weniger, dünner Elektroden notwendig ist.

2.3. Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine qualitativ und v. a. quantitativ wirkende Regenwurmfangmethode zu entwickeln, die in den verschiedensten Biotoptypen schadlos anwendbar und vom Arbeitsaufwand her praktikabel ist und die den Lebendfang von Regenwürmern ermöglicht. (Der Lebendfang ist z. B. für die Ermittlung von Schwermetallbelastungen in Regenwürmern von Bedeutung, da die Tiere zu diesem Zweck ausgekotet sein müssen, was nur im lebenden Zustand bei Futterentzug möglich ist.)

2.4. Lösung

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 folgendermaßen gelöst:
Literatur zu Kapitel 2.2. - Stand der Technik

DOESKEN, J. (1950): An electrical method of sampling soil for earthworms.
Trans. 4th Int. Congr. Soil Sci., 129-131.

EDWARDS, C.A. & LOFTY, J.R. (1975): The influence of cultivation on soil animal populations.
Progress in Soil Zoology, 399-408.

RAW, F. (1959): Estimating earthworm populations by using formalin.
Nature 184, 1661-1662.

RUSHTON, S.P. & LUFT; M.C. (1984): A new electrical method for sampling earthworm populations.
Pedobiologia 26, 15-19.

SATCHELL, J.E. (1955): An electrical method of sampling earthworm populations.
Soil Zoology, 356-364.

SATCHELL, J.E. (1969): Methods of samling earthworm populations.
Pedobiologia 9, 20-25.

WALTON, W.R. (1933): The reaction of earthworms to alternating currents of electricity in the soil.
Proc. ent. Soc. Wash., 35, 24-27.

WESTPHAL, W.M. (1971): Physikalisches Praktikum. 13. Auflage Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig.

2.4.1. Physikalische Grundlagen

Bei der Wirkung des elektrischen Stromes auf Regenwürmer kann davon ausgegangen werden, daß diese auf die Anzahl Ladungen reagieren, die pro Zeit- und Flächeneinheit ihre Körper durchfließen und in den Zellen eine Ladungsumverteilung oder sogar kurzzeitige elektrolytische Dissoziation verursachen:

In der Formel enthalten ist die Stromstärke

die wiederum der angelegten Spannung (U) proportional ist und vom Widerstand (R) abhängt: U = R · I (Ohmsches Gesetz). Das bedeutet, daß die Höhe der angelegten Spannung - bei einem Bodenwiderstand - die entsprechende Reaktion der Würmer hervorruft.

Dabei muß noch berücksichtigt werden, daß ein Wurm nur der Potentialdifferenz (F) zwischen Anfang und Ende seines Körpers ausgesetzt ist.

Daraus folgt, daß kleine Würmer bei gleicher Spannung weniger Stromeinwirkung erfahren als große (Abb. 1).

Das bedeutet auch, daß große Würmer durch zu hohe Spannungen leicht getötet werden können.

Eine effektive elektrische Fangmethode muß folgende Punkte berücksichtigen:

• 1. Die Erzeugung eines homogenen Stromfeldes (von Bodeninhomogenitäten abgesehen), damit überall in der untersuchten Fläche gleiche Bedingungen vorherrschen.
• 2. Die Definition einer Sammelfläche.

Ein homogenes elektrisches Feld besteht zwischen den Elektroden eines Plattenkondensators (E = U/d, d = Plattenabstand) (Abb. 2). Plattenförmige Elektroden lassen sich jedoch nicht in den Boden einbringen. Eine gute Näherung an Plattenkondensatorbedingungen wird aber dadurch erreicht, daß die Platten durch mehrere stabförmige Elektroden ersetzt werden.

Bei der Verwendung der Stabelektroden ist zu berücksichtigen, daß in ihrer unmittelbaren Nähe wegen der zunächst radialen Feldlinienverteilung eine erhöhte Feldstärke vorherrscht, während sich ein relativ homogenes elektrisches Feld erst in einigem Abstand zu den Elektroden ausbildet. Um nur die Würmer zu erfassen, die dem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt sind, müssen sich die Elektroden außerhalb der Sammelfläche befinden (Abb. 3).

Ein weiterer, wichtiger Punkt ist der Elektrodenabstand. Auch bei einem Plattenkondensator tritt bei zu großem Plattenabstand eine Feldlinienverkrümmung auf. Das elektrische Feld ist dann nicht mehr homogen. Deshalb ist bei der Elektrodenanordnung darauf zu achten, daß benachbarte Elektroden einen viel geringeren, gegenüberliegende einen immer noch kleineren Abstand als die eigene Länge besitzen (Abb. 4).

Neben der bereits erwähnten Größe der Würmer ist auch noch ihre Lage im elektrischen Feld zu berücksichtigen (Abb. 5). Um alle Regenwürmer innerhalb der Sammelfläche gleichen Bedingungen auszusetzen, muß die elektrische Fangmethode daher folgende technische Möglichkeiten beinhalten:

• - Wegen der verschiedenen Ausrichtung der Regenwürmer im Boden die Möglichkeit einer vielseitigen Änderung der Stromflußrichtung.
• - Wegen der unterschiedlichen Potentialdifferenz bei großen und kleinen Regenwürmern die Möglichkeit zur Spannungsänderung.

2.4.2. Schema und Technik der Oktett-Methode

Acht Elektroden (65 cm Länge, 6 mm Durchmesser, Edelstahl mit Handgriffen aus Aluminium) werden auf einem Kreis von 52 cm Durchmesser angeordnet und besitzen einen gegenseitigen Abstand von ca. 20 cm. Die zwischen den Elektroden liegende Sammelfläche hat bei 40 cm Durchmesser eine Fläche von etwa 1/8 m². Zur Erleichterung des Aufbaus der Versuchsanordnung wurde eine Kunststoffschablone (PVC) angefertigt. Sie markiert die genauen Einstichpunkte der Elektroden und begrenzt gleichzeitig die Sammelfläche.

Die Stromversorgung geschieht mit Hilfe eines kleinen transportablen Wechselstromgeneratos (hier BOSCH BWSA 0,7). Durch eine separate Stromzuführung zu jeder einzelnen Elektrode können beliebige Verschaltungen vorgenommen werden. So können wahlweise 2 oder 3 Elektroden zu "Kondensatorplatten" zusammengefaßt und mit Strom versorgt werden, während die restlichen ausgeschaltet bleiben. Die verschiedenen Einstellungen dieser beiden Elektrodenkombinationen ermöglichen jeweils eine viermalige Änderung der Stromflußrichtung (Abb. 6), d. h. der Strom durchfließt die Sammelfläche nacheinander aus 8 verschiedenen Richtungen.

Die Verschaltung der einzelnen Elektrodenpaare bzw. -tripletts wird mit einer speziellen Schaltanordnung durchgeführt (Abb. 7). Spannung und Stromstärke werden in eingebauten Meßgeräten (Voltmeter, Ampèremeter) angezeigt und sind durch Betätigung eines Dimmers stufenlos variierbar. Es werden nur die Spannungen 30 V und 60 V benötigt. Die verschiedenen Einstellungen der Elektrodenkombinationen II und III (Abb. 6) werden nacheinander zunächst bei 30 V, dann bei 60 V. durchlaufen.

Für die Dauer des Stromzuflusses pro Schaltung erweisen sich 1- Minuten-Intervalle als sinnvoll. Vor jeder Umschaltung wird die Stromzufuhr kurz unterbrochen, was häufig einen positiven Effekt auf das Herauskommen noch halb im Erdreich steckender Würmer ausübt. Ein Umlauf dauert daher etwa 5 Minuten. Der für einen Gesamtdurchlauf (Elektrodenkombinationen II und III jeweils bei 30 V und 60 V) benötigte Zeitaufwand beträgt ca. 20 Minuten. Als technische Erweiterung ist eine elektronische Steuerung der Elektrodenverschaltungen denkbar.

2.5. Vorteilhafte Wirkungen

• - Die sehr niedrigen Spannungen (30 bzw. 60 V) machen die Fangapparatur für den Experimentator weitgehend ungefährlich.
• - Neben der qualitativen wird v. a. eine quantitative (Anzahl Regenwürmer pro Flächeneinheit) Erfassung von Regenwurmpopulationen erreicht.
• - Keine Bodenzerstörung
• - Lebendfang

2.6. Gewerbliche Nutzung

Die gewerbliche Anwendung der vorgestellten Regenwurmfangmethode ist für solche Firmen/Unternehmen denkbar, die private Labors, Universitäts-Institute und sonstige Forschungseinrichtungen mit technischen Geräten versorgen.

2.7. Ausführungsbeispiel anhand durchgeführter Effektivitätskontrollen

Die Effektivitätskontrolle erfolgte durch Ausgraben der Regenwürmer bis zu einer Bodentiefe von 0,5 m nach dem elektrischen Abfangen (Tabelle 1-3).

Die durchschnittliche Fangquote lag bei 87,7%. Unterschiedliche Fangquoten bei einzelnen Arten (z. B. Allolobophora rosea) können derzeit noch nicht schlüssig erklärt werden. Denkmöglich wären jahreszeitlich abweichende Aktivitätsphasen.

Die aus Spannung und Stromstärke leicht errechenbaren Werte des Bodenwiderstandes ermöglichen den Vergleich verschiedener Fangstellen und lassen u. U. Rückschlüsse auf die Bodenstruktur zu. Weitere Messungen des Bodenwiderstandes müssen zeigen, ob das elektrische Abfangen von Regenwürmern ab einem bestimmten Grenzwert uneffektiv ist.

Tab. 1

Tab. 2

Tab. 3

Verzeichnis der Unterschriften der Tabellen

Tab. 1.: Die Ergebnisse von 6 Fängen auf Wiesenböden (sandiger Lehm, 12.4.1984 bis 2.5.1984).

Tab. 2: Die Ergebnisse von 9 Fängen in Buchenwald (Lößlehm auf Muschelkalk, Sommer 1984 bis Jahresende 1985).

Tab. 3: Die Ergebnisse von 9 Fängen in Buchen-Fichten-Mischwald (Buntsandstein, Sommer 1984 bis Jahresende 1985).

Verzeichnis der Unterschriften der Abbildungen

Abb. 1: Stromeinwirkung (Potentialdifferenz) bei verschieden großen Regenwürmern.

Abb. 2: Elektrisches Feld zwischen zwei Platten.

Abb. 3 a: Aufsicht auf das Elektrodenoktett und die Sammelfläche.
S = Sammelfläche (1256, 64 cm² = 1/8 m²)
A = Abstand Sammelfläche-Elektroden (6 cm)

Abb. 3 b: Graphische Darstellung des elektrischen Potentials eines Plattenkondensators (oben) und zwischen den Elektroden der Oktett-Methode (unten).
Die Steigerung in jedem Punkt der Kurven ist ein Maß für die Änderung der Feldstärke (E).
P ₁, P ₂ = gegenüberliegende Platten
E ₁, E ₂ = gegenüberliegende Elektroden

Abb. 4: Zwei Elektrodentripletts:
Die Minimalabstände der Elektroden richten sich nach ihrer eigenen Länge: s l d.
s = Abstand benachbarter Elektroden einer Seite
d = Abstand gegenüberliegender Elektroden
l = Elektrodenlänge

Abb. 5: Zwei mögliche Lagepositionen eines Regenwurmes im elektrischen Feld, die unterschiedliche Reaktionen zur Folge haben können.

Abb. 6: Schema des Feldlinienverlaufes bei den vier möglichen Elektrodenkombinationen der Einstellungen II und III (8 verschiedene Stromflußrichtungen):

Einstellung II:Einstellung III:

2 × 2 Elektroden2 × 3 Elektroden 1 + 2 / 5 + 61 + 2 + 3 / 5 + 6 + 7 2 + 3 / 6 + 72 + 3 + 4 / 6 + 7 + 8 3 + 4 / 7 + 83 + 4 + 5 / 7 + 8 + 1 4 + 5 / 8 + 14 + 5 + 6 / 8 + 1 + 2

Abb. 7: Schaltbild der separaten Stromzuführung zu den einzelnen Elektroden.
E ₁-E ₈ = Elektroden 1-8
S ₁-S ₈ = Schalter 1-8
V = Voltmeter
A = Ampèremeter
D = Dimmer
G = Generator

Claims (2)

1. Elektrischer Regenwurmfang mit der Oktett-Methode, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Elektrodenoktett in kreisförmiger Anordnung im Boden (Abb. 3 a)
• - durch Verschaltung bestimmter Elektrodenkombinationen (Abb. 6)
• - aufgrund der separaten Stromzuführung zu jeder einzelnen Elektrode (Abb. 7)
  in Anlehnung an Plattenkondensatorbedingungen ein relativ homogenes elektrisches Feld im Boden erzeugt wird (Abb. 2, 3 b, 4, 6)
• - wobei sich das Elektrodenoktett außerhalb der Sammelfläche befindet
  (Abb. 3 a und 3 b)

Weiterhin ist die Methode gekennzeichnet

• - durch die Möglichkeit zur Spannungsänderung (Abb. 7, Dimmer)
• - und aufgrund der umlaufenden Verschaltung der verschiedenen Elektrodenkombinationen durch eine achtmalige Änderung der Stromflußrichtung (Abb. 6)
  wodurch alle Regenwürmer, kleine und große (Abb. 1) in verschiedenen Lagepositionen (Abb. 5) gleichen Bedingungen im elektrischen Feld ausgesetzt und qualitativ und quantitativ erfaßt werden (Tab. 1-3).