Höhle mit Geheimnissen - PTB-OAR

Paper 05 / 2021 doi: 10.7795/320.202105

 Verlag:
 Physikalisch-
 Technische
 Bundesanstalt

 JungforscherInnen publizieren
 online | peer reviewed | original

 Physik

Höhle mit DIE JUNGFORSCHER

Geheimnissen
Karstgewässeruntersuchung in der Križna Jama
mittels selbst entwickelter Methoden

Für die Erforschung der slowenischen Wasserhöhle Križna Jama
wurden Methoden zur Probenentnahme entwickelt, die weniger Leon Kausch (1999)
in das Ökosystem der Höhle eingreifen als herkömmliche Moritz Grumann (2000)
Methoden. So konnte das Wasser der Križna Jama erstmalig Leon Nitsche (2002)
mikrobiologisch untersucht und neue Erkenntnisse über das Schülerforschungszentrum
hydrologische System der Križna Jama gewonnen werden sowie Nordhessen
der Einfluss der Besucher auf die Höhle bestimmt werden. Eingang der Arbeit:
 26.9.2019
 Arbeit angenommen:
 3.3.2020

Physik | Seite 2

 ■ Können neue Erkenntnisse über
 den Wasserlauf gewonnen werden?

 ■ Wie lassen sich diese Untersuchun-
 gen mit dem Höhlenschutz verein-
 baren?

 2. Die Wasserhöhle
 Križna Jama

 Die Križna Jama liegt in Slowenien, in
 der Nähe von Postojna, mitten in einem
 großen Karstgebiet bei den Koordina-
 ten 45°44‘42.16“N 14°27‘51.23“E. Ins-
 gesamt umfassen die Gänge der Križna
 Jama ungefähr 8 km. Sie gehört zu den
 Wasserhöhlen.

Höhle mit 2.1 Fluss des Wassers

 Auf dem Bloke Plateau, nordwestlich

Geheimnissen
 der Höhle, versickert das Wasser der
 beiden Hauptzuflüsse. Diese fließen
 in der Höhle zusammen (siehe Abb.1)
 [24]. Weiter fließt das Wasser durch die
 Križna Jama in die Križna Jama 2, be-
 vor der Strom wieder an der Oberfläche
Karstgewässeruntersuchung in der Križna Jama
 in einen Bach mündet [19].
mittels selbst entwickelter Methoden
 Die Temperatur des Wassers beträgt na-
 hezu konstant 8°C. Der pH-Wert liegt
 bei 7,1–7,8. Das Wasser ist reich an Cal-
1. Einleitung und ciumionen und Carbonaten [25].
 Fragestellung
 2.2 Touristische Nutzung
Im Untergrund der Karstlandschaft den. Invasive Methoden lassen sich des- der Höhle
rund um die Wasserhöhle Križna Jama halb nicht nutzen. Dazu gehören jedoch
fließen zahlreiche Bäche und Flüsse. Da viele Standardmethoden der Gewässer- In der Križna Jama besuchen in der
diese Flusssysteme nur an bestimmten untersuchung, wie die Entnahme und Hauptsaison Gruppen von bis zu 60
Orten, wie z.B. Höhlen untersucht wer- Untersuchung von Sedimenten. Leuten den ersten See (1st lake in Abb. 1),
den können, sind viele Zuflüsse noch der restliche Teil bis zur Kalvarija wird
nicht bekannt. Daher wurde das minimal invasive maximal von Vierergruppen besucht.
 Karst-Analyseboot (kurz MIKA) entwi- Zum Vergleich, die Postojnska Jama
Bekannt dagegen ist das makroskopi- ckelt, das zusammen mit Bojen helfen wird täglich von bis zu 10.000 Touris-
sche Leben in der Höhle, nun soll auch soll, folgende Fragen zu beantworten: ten besichtigt [26]. Eine Belastung der
das mikroskopische Leben in der Höh- Höhle durch die Touristen ist dennoch
le erfasst werden, wodurch eventuell ■ Welche Mikroorganismen beher- nicht vollständig auszuschließen. Für
Rückschlüsse auf den Zustand des Öko- bergt die Križna Jama? die Touristen wird die Höhle allerdings
systems und mögliche Belastungen ge- nicht ausgebaut. Die Besucher bewegen
troffen werden können. ■ Funktioniert der Höhlenschutz der sich meist auf kleinen Pfaden, es ist kei-
 Križna Jama trotz touristischer ne permanente Beleuchtung installiert.
Bei Forschungen in der Križna Jama Nutzung? Dadurch entsteht hier keine Lampen-
muss der Höhlenschutz beachtet wer- flora, also durch Beleuchtung wachsen-

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 3

 zweite Gruppe nutzte die ca. drei Stun-
 den, um See 13 und See 14 verstärkt
 mit dem MIKA zu beproben. Auf dem
 Rückweg wurde jeweils eine der doppelt
 ausgelegten Bojen eingesammelt.

 Beim dritten Besuch wurde eine weitere
 Messreihe mit den Sensoren des MIKAs
 durchgeführt und sämtliche Bojen wie-
 der aus der Höhle geholt. Während der
 drei Expeditionen wurden auch hän-
 disch Proben entnommen.

 Neben den Expeditionen in der Križna
 Jama wurde auch eine in die Križna
 Abb. 1: Die Križna Jama aus [24]. Der Anschaulichkeit halber wurde Jama 2 unternommen sowie eine zu be-
 nicht jede Probenentnahmestelle eingezeichnet. Insgesamt wurden reits bekannten Zu- und Abflüssen der
 in der Höhle 88 Proben entnommen.
 Höhle (siehe Abb. 2). Die Križna Jama
 2 ist der Hauptabfluss der Križna Jama
de mikrobiologische Kolonien wie zum auch unterirdische Bäche wie der Je- und eine von Sloweniens am besten ge-
Beispiel in der Postojnska Jama [13][26]. zerski rov bevorzugt durch den Calcit. schützten Höhlen. Sie ist bislang deut-
 In der Križna Jama ist der wohl häufigs- lich schlechter erforscht als die Križna
2.3 Chemische Einflüsse te Einschluss im Calcit neben dem Do- Jama, da der Zugang zu ihr stark limi-
 der Umgebung lomit, das Mangan, was durch dunkle tiert ist [26][25].
 Bereiche erkennbar ist.
Landwirtschaftliche Nutzung und Be- 4. Methoden der
bauung der Region belasten das Grund- 3. Die Höhlenexpeditionen Gewässeranalytik für
wasser mit Nährstoffen wie Ammoni- das Höhlenwasser
um, Nitrat und Phosphat [1]. Örtliche Innerhalb von 12 Tagen im Juli 2018
Kläranlagen filtern Phosphat oder Nit- wurden drei Expeditionen von bis zu Bei der Untersuchung des Wassers der
rat nicht aus dem Abwasser heraus, wo- zehn Stunden Dauer durchgeführt. Auf- Križna Jama wurden – unter anderem
durch diese Stoffe direkt in die Bäche grund der Auflagen des Höhlenschutzes – geläufige Methoden genutzt. Dabei
gelangen [26]. Streusalz gelangt eben- war bei jedem Gang in die Križna Jama wurden die Konzentrationen von im
falls in das Grundwasser. ein Führer dabei. Wasser gelösten chemischen Substan-
 zen und Schwebstoffen quantitativ be-
Die Gegend ist, abgesehen von den Fel- Während der ersten Expedition arbeite- stimmt.
dern, fast vollständig bewaldet. Die ten zwei Gruppen gleichzeitig. Die ers-
Wälder der Region können durch na- te Gruppe fuhr mit einem Schlauchboot 4.1 Umgang mit den Wasser-
türliche Prozesse, wie dem Abbau von entlang des Jezerski rov, um zunächst proben aus der Höhle
organischem Material, für leichte Nähr- den ersten See mittels des MIKAs zu
stoffeinträge sorgen. Im Vergleich zu beproben und bis See 14 und der Blata Die Wasserproben wurden mit zwei
den anthropogenen Nährstoffquellen entlang, Bojen auszulegen. Während- Methoden entnommen, zum einen wie
sind die natürlichen Quellen zu ver- dessen entnahm die zweite Gruppe Pro- unter „5.1.3 Wasserprobenentnahme
nachlässigen. ben aus dem 20 Meter tiefen Schacht mit dem MIKA“ beschrieben und zum
 Kittlova brezna und einem weiteren drei anderen per Hand. Bei den Proben, die
2.4 Geologische Meter tiefen Schacht. per Hand entnommen wurden, war es
 Rahmenbedingungen wichtig, dass die Probenröhrchen gegen
 Während der zweiten Expedition wur- den Strom in das Wasser gehalten wur-
Die Höhle besteht aus Kalkstein, haupt- de der Flusslauf bis zum See 14 mit dem den. Dadurch konnten auf dem Wasser
sächlich Calcit und kleinere Mengen MIKA befahren und beprobt. An der schwimmende Partikel schlechter in die
Dolomit. Calcit ist in Wasser löslich, Kalvarija teilte sich die Gruppe auf, um Probe gelangen und diese verunreini-
während Dolomit schlechter löslich ist. einmal aus der touristisch nicht genutz- gen. Alle Wasserproben wurden rand-
Deswegen fließen Grundwasser und ten Blata Proben zu entnehmen. Die voll und langsam befüllt, damit sich die

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 4

 Abb. 2: Umgebungskarte der Križna Jama. Die Hydrologie des Gebiets wurde nach Prelovšek
 eingezeichnet (Bloke Plateau in weiß im Osten der Karte) [38][25].

Chemie und Biologie der Wasserprobe wurden die Proben eingefroren, damit stoffe die Reaktion oder die photomet-
möglichst wenig durch die Anreiche- eine Veränderung der chemischen Pa- rische Messung nicht beeinflussen. Da
rung mit Sauerstoff verändert. Wenn rameter möglichst unterbunden wurde. allerdings bei den Filtraten vorhandene
es nicht möglich war, das Probenröhr- Damit die Kühlkette auf der Fahrt von Mikroorganismen und andere mikro-
chen vollständig unter Wasser zu hal- Slowenien nach Deutschland nicht un- skopisch kleine Objekte aus der Probe
ten, wurde der Deckel der Probe als terbrochen wurde, wurden die Proben entzogen wurden, musste die unfiltrier-
Schöpfkelle genutzt. Außerdem wurden in einer mobilen Kühlbox mit Kom- te Probe für die Mikroskopie genutzt
die Proben immer knapp unterhalb der pressor bei 4°C gelagert. wurden. Vor jeder Untersuchung wurde
Wasseroberfläche entnommen. die Probe durch starkes Schütteln ho-
 Zur chemischen Analyse wurden die mogenisiert, was für repräsentative Er-
Da jede Probe wichtig und nicht zu er- Proben filtriert, damit störende Schweb- gebnisse sorgte.
setzen war, war es notwendig sie rich-
tig zu lagern, damit sich die Eigenschaf-
ten der Probe nicht verändern. Nach der
Probenentnahme wurden die Proben
schnellstmöglich gekühlt. Dabei wur-
de eine Temperatur von 4°C gewählt, da
diese leicht unterhalb der Temperatur
der Höhle von 8°C liegt und so Stoff-
wechselaktivitäten minimiert wurden.
Eine Temperatur unterhalb des Gefrier-
punktes kann nicht genutzt wurden, da
das die biologische Untersuchung be-
einflusst. In der Probe enthaltene Zel-
len würden durch den Frost aufplatzen
und wären unter dem Mikroskop nicht
mehr sichtbar. Direkt nach dem Ab- Abb. 3 Ein Zellrest, wie er häufig in der Križna Jama
schluss der biologischen Untersuchung gefunden wurde.

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 5

 Tab. 1: Die untersuchten Stoffe in den Wasserproben und die Daten zu den Kalibrierungen.
 Die Metalle wurden mit Atomabsorptionsspektroskopie nachgewiesen und haben entsprechend
 niedrige Nachweisgrenzen.

 Vertrauens-
 Steigung der Extinktion Nachweis- Bestimmungs-
 Stoff Messbereich R2 bereich
 Regression bei 0mg/L grenze grenze
 (99,9%)

 NH4+ 0,4–2 mg/L 0,60 L/(mg ⋅ cm) -0,08 0,9856 0,16 mg/L 0,41 mg/L 1,22 mg/L

 NO2- 0,2–1 mg/L 0,77 L/(mg ⋅ cm) 0,04 0,9987 0,03 mg/L 0,06 mg/L 0,18 mg/L

 NO3- 2–10 mg/L 0,01 L/(mg ⋅ cm) 0,00 0,9989 0,69 mg/L 0,95 mg/L 2,86 mg/L

 PO43- 0,5–2,5 mg/L 0,07 L/(mg ⋅ cm) 0,05 0,9966 0,02 mg/L 0,41 mg/L 1,23 mg/L

 SO42- 5–12,5 mg/L 0,01 L/(mg ⋅ cm) 0,03 0,9989 0,01 mg/L 1,08 mg/L 3,25 mg/L

 Cl- 0,5–2,5 mg/L 0,03 L/(mg ⋅ cm) 0,00 0,9994 0,06 mg/L 0,09 mg/L 0,27 mg/L

 0,5–1,5 0,002 L/
 Ca2+ 0,03 0,9999 0,02 mmol/L 0,04 mmol/L 0,13 mmol/L
 mmol/L (mmol ⋅ cm)

 Al 2–8 μg/L 0,08 L/(μg ⋅ cm) -0,08 0,9691 0,06 μg/L 1,49 μg/L 4,48 μg/L

 Fe 8–20 μg/L 0,01 L/(μg ⋅ cm) -0,01 0,9875 0,01 μg/L 5,48 μg/L 16,44 μg/L

 Mn 1–4 μg/L 0,05 L/(μg ⋅ cm) 0,03 0,9995 0,03 μg/L 0,09 μg/L 0,28 μg/L

 Na 0,1–0,5 μg/L 1,84 L/(μg ⋅ cm) 0,29 0,9972 0,01 μg/L 0,04 μg/L 0,11 μg/L

 Pb 8–80 μg/L 0,01 L/(μg ⋅ cm) 0,02 0,9951 0,01 μg/L 13,03 μg/L 39,09 μg/L

 K 10–50 μg/L 0,002 L/(μg ⋅ cm) 0,00 0,9966 3,20 μg/L 4,95 μg/L 14,84 μg/L

 Cr 5–25 μg/L 0,016 L/(μg ⋅ cm) 0,02 0,9959 0,77 μg/L 2,37 μg/L 7,10 μg/L

 Zn 2–8 μg/L 0,06 L/(μg ⋅ cm) -0,03 0,9972 0,72 μg/L 1,13 μg/L 3,40 μg/L

 Ni 5–25 μg/L 0,003 L/(μg ⋅ cm) 0,00 0,9978 0,54 μg/L 1,74 μg/L 5,20 μg/L

 Cu 20–100 μg/L 0,01 L/(μg ⋅ cm) -0,11 0,9839 4,90 μg/L 18,83 μg/L 56,48 μg/L

 Co 1–5 μg/L 0,01 L/(μg ⋅ cm) 0,00 0,9998 0,03 μg/L 0,10 μg/L 0,30 μg/L

4.2 Mikroskopische Untersu- dem Einflüsse auf das Ökosystem der einmal mit 100-facher und ein zweites
 chung der Križna Jama Höhle festgestellt werden. Mal mit 400-facher Vergrößerung abge-
 rastert. Von sämtlichen Objekten wur-
Das Wasser ist einer der diversesten Le- Zur Bestimmung dieser Eigenschaf- de mit einer Mikroskopkamera mindes-
bensräume. Speziell in Höhlen können ten wurden Proben unter dem Licht- tens ein Bild gemacht (siehe Abb. 3). Das
schon leichte Schwankungen in den Ei- mikroskop untersucht. Mit einer Ep- einheitliche Format der Deckgläschen
genschaften des Wassers die Mikroflora pendorfpipette wurden 20 µl der Probe und Volumen der Probe sorgte hierbei
entscheidend verändern. Man kann also entnommen und auf einen Objektträ- für eine Vergleichbarkeit der Messwer-
durch die Untersuchung dieser Lebewe- ger (Ot) gegeben. Der Tropfen wur- te. War von einer eindeutigen Art eine
sen Rückschlüsse auf die Eigenschaften de mit einem Deckglas abgedeckt. An- hohe Anzahl an Individuen vorhanden,
des Wassers ziehen. Mit der mikrobio- schließend wurde das Präparat unter so wurden mehrere Beispielbilder ge-
logischen Untersuchung können außer- dem Lichtmikroskop untersucht. Hier- macht und die Anzahl aller Objekte no-
 für wurde die Fläche des Deckglases tiert. Bei charakteristischen Bewegun-

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 6

gen oder anderen Auffälligkeiten wurde
ein Video von dem Objekt aufgenom-
men. Jedem Bild und Video wurden
eine Kennziffer mit entsprechender An-
zahl und ein vorläufiger Name zugeord-
net. Nach Abschluss des Mikroskop-
ievorgangs wurden die genauen Arten
mit einem Bestimmungsbuch bestimmt
[7]. Mit diesem Verfahren können Mik-
roorganismen mit einer Größe von ca. 5
 Abb. 4: Schema der im Boot verbauten Elektronik
bis 500 µm gefunden werden.
 und der Verkabelung.

4.3 Chemische Verfahren
 zur Analyse einer gnesiumgehalt interessant, da diese Pa- Wasserhärte bestimmt (Vertrauensbe-
 Höhlenwasserprobe rameter eine Veränderung im Gestein reich 99,9%: 1,82 mg/L) [1][15].
 andeuten können. Sämtliche Wasser-
Im Gegensatz zu den biologischen Un- proben aus Slowenien wurden mit der 5. Selbstentwickelte
tersuchungen des Wassers kann mit der Atomabsorptionsspektroskopie, photo- Methoden
chemischen Untersuchung eine Mo- metrischen Verfahren, sowie mit einer
mentaufnahme des Gewässerzustands Titration untersucht. Damit wurde das Um die komplexen Fragestellungen des
erstellt werden. Dazu wurden unter Wasser auf 19 verschiedene Parameter Projekts zu beantworten, ist eine Viel-
anderem Nährstoffe, weit verbreitete geprüft. Die Parameter, die untersucht zahl an speziellen Methoden, Abläufen
Anionen und zahlreiche Metalle und wurden, sind in der Tab 1 dargestellt und Techniken entstanden. Dazu zäh-
Schwermetalle untersucht. Außerdem und relevante Parameter zur Messung len die Bojen, die wir für die Unter-
ist in der Höhle der Calcium- und Ma- angegeben. Zusätzlich wurde auch die suchung der Mikrobiologie der Höh-

 Abb. 5: Visualisierung des auf dem MIKA laufenden Codes. Dabei laufen auf dem Arduino Mega bis zu
 zwei Prozesse gleichzeitig ab. Dabei werden gleichzeitig die Sensoren ausgewertet und das Raumportal
 gesteuert. Der Raspberry Pi speichert die Daten des Arduino und des LIDARs.

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 7

le benötigten, aber auch eine erweiterte Prozesse von einem Mikrokontroller in der Luft befindlichen Kohlenstoffdi-
Single-Rope-Technik zum Höhlenklet- (Atmega2560) und einem Raspberry Pi. oxids lassen sich Rückschlüsse auf den
tern. Vor allem aber war das minimal Weil in Höhlen das GPS, worüber man Kalkreislauf ziehen.
invasive Karst-Analyseboot MIKA ent- die Uhrzeit beziehen kann, aufgrund
scheidend für das Projekt. der Abschirmung durch die Gesteins- Der Atmega2560 kommuniziert mit-
 decke nicht verfügbar ist, wird die Zeit tels verschiedener Protokolle mit der
5.1 Entwicklung des mittels einer digitalen Echtzeituhr ge- verbauten Messelektronik. Die mit Ab-
 Forschungsbootes messen. stand größte Verarbeitungszeit für eine
 Messung, mit Zeiten zwischen 600 ms
Das MIKA wurde für den Zweck entwi- 5.1.2 Verwirbelungsfreier Antrieb und 900 ms besitzen die ICs zur Ver-
ckelt, den Bedingungen einer Höhle ge- arbeitung der Signale der Elektroden.
recht zu werden, sowohl in analytischer, Um Auf- und Verwirbelungen, welche Diese Verarbeitungszeit limitiert die
mobiler als auch höhlenschützender Messergebnisse verfälschen können, Anzahl an Messungen am stärksten,
Hinsicht. Dabei werden für die Auswer- zu reduzieren, nutzt das MIKA anstatt da sie nicht optimierbar ist. Also muss-
tung im Labor Wasserproben entnom- einer Schiffsschraube einen Luftpro- te die Software für andere Komponen-
men. Diese werden mit Echtzeitpara- peller. Die Luftschraube ist durch eine ten um diese Verarbeitungszeit herum
metern ergänzt. Zudem kartographiert Lenkstange schwenkbar und besitzt ei- optimiert werden. So werden auf dem
ein LIDAR-System Höhlenabschnit- nen Propellerschutz. Dieser schützt den Atmega2560 zu verarbeitende Prozes-
te und zeichnet auf, an welchen Stel- Rotor vor Zusammenstößen mit der se dann ausgeführt, wenn gerade eine
len Wasserproben entnommen worden Höhlenwand an Überhängen. Außer- Messung stattfindet. Schlussendlich
sind (siehe Abb. 4). Bei der Konstrukti- dem schützt er vor versehentlichem Hi- werden für jeden Messzyklus die ge-
on wurden Erkenntnisse zum Bootsbau neingreifen in den Propeller. Gesteuert messenen Daten in einer CSV-Datei ge-
aus einer anderen Jugend forscht-Arbeit wird das MIKA mit einer im Modell- speichert (siehe Abb. 5).
[12] berücksichtigt. bau üblichen Fernbedienung und einem
 auf dem Boot befindlichen Empfänger. Damit die Messwerte nicht verfälscht
Aufgrund der geringen Anzahl an ge- Dieser steuert einen Servomotor zum werden, wird vor jedem Einsatz die
nehmigten Befahrungen der Höhle war Schwenken der Lenkstange, den Motor- Sensorik kalibriert. Dazu wird auf
es nötig, dass die Proben so unverfälscht treiber des Propellers und die Befehls- dem Atmega2560 eine Software instal-
wie möglich entnommen werden konn- übergabe der Probenentnahme. liert, welche als Brücke zwischen einem
ten. Weil die meisten Seen nicht durch Computer und den mit I²C steuerbaren
Ufer miteinander verbunden sind, 5.1.3 Echtzeitmessungen von ICs dient. Die Elektroden werden mit-
musste auf ein Schlauchboot zurück- Wasserparametern hilfe von Kalibrierlösungen kalibriert.
gegriffen werden. Durch dessen Größe
und die Paddelbewegungen wurde viel Neben den Wasserproben werden in 5.1.4 Wasserprobenentnahme mit
Sediment und Schlamm aufgewirbelt. Echtzeit Daten über das Wasser erho- dem MIKA
Das kann die Wasseroberflächenproben ben, um wichtige und in der Wasser-
stark verfälschen. Die fehlenden Ufer analytik übliche Parameter konstant zu Der Apparat zur Probenentnahme be-
erschwerten auch die händische Pro- erfassen. Diese Messungen werden von steht aus zwei Komponenten: Dem
benentnahme. Hierfür eignet sich das dem Atmega2560 gesteuert. Ein Digital- Raumportal (siehe Abb. 6 und 7) und
minimal invasive Karst-Analyseboot. thermometer misst die Wassertempera- dem Schlauchsystem. Das konstruierte
Durch seinen Antrieb wurden Verwir- tur, vier weitere Elektroden überwachen Raumportal ist in der Lage, eine Kanüle
belungen minimiert. Wasserparameter den pH-Wert, den gelösten Sauerstoff, in zwei Raumachsen parallel zur Was-
wurden regelmäßig automatisch gemes- das Redoxpotential und die elektrische seroberfläche zu bewegen und die Ka-
sen. Leitfähigkeit. Vor dem Atmega2560 nüle in ein Probenröhrchen zu stecken.
 sind ICs geschaltet, welche die Signale Die Kanüle gehört zum Schlauchsys-
5.1.1 Probenentnahme der Elektroden auswerten. tem, welches über eine Pumpe Höhlen-
 wasser transportieren kann. Um Kreuz-
Die Entnahme von Proben wird halb- Die Elektroden werden mit BNC-Lei- kontamination zu verringern, spült sich
automatisch gesteuert. Dabei gibt die tungen und voneinander getrennten das Schlauchsystem selbst, bevor eine
steuernde Person mittels eines Schalters Stromkreisläufen geschirmt, um wech- Probe entnommen wird. Dazu wird
einen Befehl zur Probenentnahme, wel- selseitige Störungen zu vermeiden. die Pumpe von einem Regler umgepolt;
che dann automatisch abläuft. Gesteu- das noch im Schlauch stehende Wasser
ert werden diese (halb-)automatischen Des Weiteren wurde ein CO2-Sensor fließt heraus und von der Probeentnah-
 verbaut. Aus dem An- bzw. Abstieg des mestelle kann neues Wasser nachflie-

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 8

 Abb. 6: Das Raumportal auf dem MIKA. Abb. 7: Großaufnahme des MIKA.

ßen. Ventile sichern dabei den korrek- hardwarenah programmiert sein. Um 5.1.5 Anpassung an die Höhle
ten Fluss des Wassers. Anschließend das Raumportal zu bewegen, wird den und Instandhaltung
wird ein wenig Wasser aus der Kanüle Schrittmotortreibern mit jedem Inter-
in ein dafür vorgesehenes Spülröhrchen rupt ein kurzer Puls gegeben, bis die Die Schaltelektronik ist in wasser-
abgelassen. Motoren an dem gewünschten Ort sind. dichten Boxen verbaut, damit Feuch-
 Damit die Pumpe läuft, wird dem Trei- tigkeit, Wasser und Schlamm aus
Der Atmega2560 besitzt nur einen Re- ber der Pumpe der Befehl gegeben, in der Höhle nicht die Einsatzfähigkeit
chenkern. Deshalb kann nur eine Auf- eine bestimmte Richtung zu pumpen. des Bootes gefährden. Ein Ausschal-
gabe zur gleichen Zeit bearbeitet wer- Ermittelt wird die Anzahl an Zyklen ter für den auf dem Boot befindlichen
den. Während einer Probenentnahme mit Hilfe der Interrupt-Frequenz und Raspberry Pi wird durch einen Mag-
soll jedoch immer noch die Sensorik der Zeit, die die Pumpe Wasser fördern netschalter realisiert. Unsachgemäßes
ausgewertet werden. Zu diesem Zweck soll. Diese Zyklen werden dann bis zur Ausschalten kann für Datenverluste
wird für den Spülvorgang ein 16-Bit-Ti- bestimmten Anzahl mitgezählt. Bei Er- sorgen. Außerdem ist durch Kondens-
mer genutzt. Ein solcher Timer kann reichen dieses Werts wird die Routine wasser besonders gefährdete Elektronik
durch Mitzählen des Prozessortakts in unterbrochen, sodass mit dem nächsten mit Parafilm abgedeckt. Weitere Elekt-
regelmäßigen Zeitabständen die Haupt- Schritt fortgefahren werden kann. Von ronik außerhalb der Boxen ist größten-
routine kurz unterbrechen und Quell- der Fernbedienung kann man über den teils mit Plastidip vor eindringendem
code ausführen, was Interrupt genannt Empfänger mittels eines Schalters ei- Wasser geschützt. Der Innenraum des
wird. Aufgrund der hohen Interrupt- nen Impuls an den Atmega2560 senden. MIKA wird mit einer Plastikplane vor
Frequenz, mit der der Code unterbro- Dieser startet darauf den Ablauf einer Spritzwasser geschützt. Energiekabel
chen wird, muss der Atmega2560 sehr Probenentnahme. und Signalleitungen zwischen den Bo-

 Abb. 8: Eine mit dem LIDAR erstellte Karte vom Abb. 9: Karte der Grube Samson, aufgenommen mit
 Arbeitsraum des SFN (schwarzweiß) und ein dem LIDAR-System des MIKA.
 Grundriss des Raums (rot). Das MIKA wurde
 dabei auf einem Rollbrett bewegt.

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 9

xen und außerhalb verbauter Kompo- trägen zu starten oder zu stoppen. le Details zu erkennen, wie zum Beispiel
nenten werden durch abgedichtete Ka- die Schnittfläche eines Risses, der durch
belführungen geführt. 5.1.7 Vermessung einer Höhle Gitterstäbe vom Weg getrennt ist. Die
 mittels LIDAR Abbildungen 8 und 9 wurden mit der
Mit Blick auf die besonderen Gegeben- BreezySLAM Bibliothek [37] erstellt.
heiten einer Höhle sind ein um ca. 160° LIDAR ist ein Indoor-Navigationsver-
schwenkbarer Scheinwerfer und zwei fahren zur optischen Abstandsmes- 5.1.8 Zuverlässigkeit des MIKAs
verschiedene Signalleuchten an Steu- sung. Ein sogenannter LIDAR-Scanner
er- und Backbord verbaut. Beides sind ist aufgebaut aus einem Laser-Distanz- Auf dem MIKA sind drei Arten von
Maßnahmen, um der steuernden Person messer und einem Motor. Von ihm aus- Sensorik verbaut: Die überwachende
das Lenken und Orientieren des MIKAs gegeben werden Polarkoordinaten, wel- Sensorik besteht aus Temperatur- und
zu erleichtern. Mit 100 cm Länge und 33 che einen Querschnitt (Punktwolke) Luftfeuchtigkeitssensoren. Weiter gibt
cm Breite lässt sich das MIKA über die der Umgebung ergeben. Will man aus es experimentelle Sensoren, wie das LI-
Trageriemen auch über zu kletternde mehreren Punktwolken eine Umge- DAR und den CO2-Sensor. Beide sind
Passagen tragen. Zudem lässt es sich so bungskarte erstellen und sich gleich- nicht missionskritisch. Somit liefern
auch in enge, schwer zugängliche Stellen zeitig im Raum orten, nutzt man einen beide Geräte Werte, die zur Reprodu-
manövrieren. SLAM-Algorithmus (Simultaneous Lo- zierbarkeit beitragen, beziehungswei-
 calisation and Mapping). Die Anwen- se nicht direkt zur Beantwortung der
Zusätzlich zu den Echtzeitmessungen dung eines solchen Systems lohnt sich Fragestellungen notwendig sind. Die
werden am Bug und in den wasserdich- an Orten wo Präzision und/oder Re- wichtige und missionskritische Senso-
ten Boxen Lufttemperatur und Luft- aktionsfähigkeit auf die Umgebung ge- rik sind die am Heck verbauten Elektro-
feuchtigkeit gemessen. Somit wird die fragt sind. Im speziellen Fall einer Höh- den. Sie messen relevante Parameter der
Eruierung von Laufzeitfehlern leich- le eignet es sich zudem, weil das GPS Wasseranalytik mit einer hohen Fre-
ter. Außerdem kann durch die wasser- nicht verfügbar ist, aber auch weil man quenz und sind somit unersetzlich.
dichten Boxen ein Hitzestau entstehen. detaillierte Karten der Umgebung er-
Wenn Bauteile überhitzen, führt dies zu stellen kann, ohne in das System einzu- Bei der hohen mechanischen Belas-
einer Funktionsuntüchtigkeit, welche greifen. Es lassen sich mit dieser präzi- tung, die durch den Transport durch
den Einsatz nachhaltig beeinträchtigen sen Lokalisation die Reproduzier- und eine Höhle entsteht, ist eine dauerhaf-
kann. Deshalb wird hier zusätzlich mit Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicher- te Zuverlässigkeit nicht immer garan-
Lüftern die Luft in den Boxen homogen stellen, während detaillierte Karten er- tiert. Zudem wird die Wahrscheinlich-
verteilt. stellt werden, welche in vielen Fällen für keit von Wasserschäden durch die hohe
 solche Höhlen nicht existieren. Durch Luftfeuchtigkeit und von der Decke
 schwachen Wellengang kann jedoch die tropfendes Wasser erhöht.
5.1.6 Entwicklung eines Protokolls Präzision stark vermindert werden. Um
 für Atmega2560 und diesen Effekt auszuschließen, wird das Durch verschiedene Anstrengungen in
 Raspberry Pi System in zwei Rotationsachsen stabi- der Bauweise des Bootes soll die Zuver-
 lisiert. Das verbaute System dient so- lässigkeit erhöht und bei einem Ausfall
Da der Raspberry Pi die Datensätze von mit außerdem einem konzeptionel- das Auffinden und die Behebung der
Sensorik und LIDAR vereinen soll, um len Beweis für die Einsatzfähigkeit von Fehler erleichtert werden.
das Zusammenfügen von Position und LIDAR-Scannern auf Wasser.
Messwerten zu ermöglichen, müssen Während der Expedition haben sich
Arduino und Raspberry Pi in der Lage Die hohe Luftfeuchtigkeit in der Križna technische Fehler in LIDAR-System
sein, miteinander zu kommunizieren. Jama sorgte dafür, dass die Datenüber- und CO2-Sensor ergeben. Beide haben
Die speziellen Anforderungen machten tragung des LIDARs gestört wurde. Um der hohen Feuchtigkeit nicht standge-
es notwendig, ein eigenes, simples, auf jedoch das Potential eines solchen Sys- halten. Während der CO2-Sensor kom-
UART basierendes Protokoll zu entwi- tems unter Beweis zu stellen, wurde es plett ausfiel, wurde die Übertragung
ckeln. Der Raspberry Pi bekommt da- erneut abgedichtet und in der Grube von Daten des LIDAR-Systems mas-
durch die Möglichkeit einen UNIX- Samson (Deutschland, Niedersachsen) siv gestört. Resultat sind überlappende,
Zeitstempel zu erfragen, um seine getestet. Die Luft in der Grube ist genau fehlende oder schlichtweg fehlerhafte
Zeitmessung mit dem Atmega2560 zu wie die der Križna Jama mit Feuchtig- Datensätze. Mehrere Versuche, die Da-
synchronisieren, aber auch den Daten- keit übersättigt. Mit dem überarbeiteten ten wieder herzustellen, waren erfolg-
fluss an Newline separierten CSV-Ein- System ließ sich eine Karte der Grube los. Die Messergebnisse der Feuchtig-
 erstellen (Abb. 9). Auf dieser sind vie- keitssensoren in den Boxen zeigten eine

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 10

 Abb. 10: Großaufnahme einer Boje. Abb. 11: Schema der Boje.

mit Wasser übersättigte Luft an, wes- der Grundidee, dass sich über mehrere Lichtmikroskop als Unterseite verwen-
halb weitere Kondensatbildung durch Tage Objekte auf einer Oberfläche ab- det. Die Boje ist außerdem mit einer
Aufheizen vermieden wird. Anders als setzen und dadurch ansammeln. Dafür Schnur aus Polypropylen verbunden,
die experimentelle hat die missionskri- wird ein Objektträger für drei bzw. fünf mit welcher die Messstation an Fels-
tische Sensorik den harschen Bedin- Tage im Wasser gelassen. Daraufhin vorsprüngen in der Höhlenwand (siehe
gungen standgehalten. wird er herausgenommen und die Un- Abb. 12) befestigt wird.
 terseite gesäubert. Anschließend wird
5.2 Bojen mit einem Lichtmikroskop die Probe 5.2.3 Vorteile der Bojen
 untersucht.
Die Bojen wurden für die mikrobiolo- Verglichen mit anderen Methoden der
gische Untersuchung der Wasserläu- 5.2.2 Aufbau der Bojen Aufkonzentration bestehen mehre-
fe eigens entworfen, um als minimal- re Vorteile. Erstens ist die Ansamm-
invasiver Ersatz für Sedimentproben zu Neben der Problematik die Objekt- lung durch Sedimentation für Mikroor-
dienen. Diese werden für gewöhnlich träger an der Höhlenwand zu fixieren, ganismen sehr viel schonender als z.B.
für mikrobiologische Untersuchungen muss auch der Höhlenschutz beachtet Zentrifugation, durch welche Mikro-
verwendet. werden. Dieser verbietet schwere Fixie- organismen derart beschädigt werden
 rungen wie z.B. Haken oder Schäden können, dass sie nicht mehr bestimm-
5.2.1 Notwendigkeit der durch Bohrungen. Deswegen müssen bar sind. Des Weiteren sind die Bojen
 Entwicklung eines die Messstationen möglichst kompakt leicht herzustellen, einfach zu trans-
 neuen Messverfahrens und schonend zu fixieren sein und den- portieren, kompakt zu lagern, schnell
 noch den Objektträger in einer kons- zu befestigen und vor allem minimalin-
Die permanente Dunkelheit in der tanten Position und Tiefe halten. Eine vasiv, um den Höhlenschutz zu achten.
Höhle unterbindet Photosynthese, was festgelegte Position ist einerseits wich- Zusätzlich befindet sich an den Objekt-
die Anzahl an Mikroorganismen ge- tig für die Wiederauffindbarkeit und trägern sehr viel weniger Wasser als in
ringhält. Um dieses Problem zu um- andererseits für eine eindeutige Zuord- herkömmlichen Proben, was zum einen
gehen, entnimmt man für gewöhnlich nung der Messergebnisse. Die Notwen- Mikroorganismen in ihrer Bewegung
Sedimentproben, da sich die wenigen digkeit einer kompakten Bauart ergibt einschränkt und sie zum anderen dar-
Schwebstoffe dort absetzen und man sich aus den eingeschränkten Trans- an hindert sich – insbesondere bei nied-
so mehr Material als in Wasserproben portmöglichkeiten in der Höhle. rigen Temperaturen – stark zu vermeh-
erhält. Diese Form der Probenentnah- ren.
me ist in der Križna Jama jedoch streng Als Auftriebskörper dient ein 50 ml
durch den Höhlenschutz verboten, da Probenröhrchen. An diesem wird eine Einer der wohl wichtigsten Vorzüge ge-
hierdurch die Naturbelassenheit der selbst gefertigte Objektträgerhalterung genüber händischen Proben ist die kon-
Höhlenböden auf Jahre hinweg gestört mit einem Gummiband befestigt. In stante Tiefe der Objektträger, um eine
wird. Die gewählte Funktionsweise dieser werden zwei Objektträger fixiert Vergleichbarkeit der Messwerte zu wah-
der daraus resultierenden Messstatio- (siehe Abb. 10 und 11). Diese berüh- ren. Der Vorteil der Probenröhrchen
nen basiert logischerweise ebenfalls auf ren sich mit jeweils einer Seite. Letzte- als Auftriebskörper besteht im Speziel-
dem Prinzip der Sedimentation, also re wird später gesäubert und unter dem len darin, dass nach der Entnahme der

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 11

 mungsarmen Bereich liegt (siehe Abb.
 11). Zum anderen zeigt die freie Seite
 von Ot2 nach unten, während die des
 Ersten nach oben gerichtet ist und da-
 mit herabsinkende Objekte wesentlich
 leichter auffangen kann.

 Demnach sind Bojen nicht nur für die
 simple qualitative Bestimmung der vor-
 handenen Spezies, sondern auch für die
 Untersuchung der Konzentration an
 Organismen in Gewässern mit geringer
 Belastung den Sedimentproben überle-
 gen. Zusätzlich bieten sie eine für die
 Höhle schonende und dennoch zuver-
 Abb. 12: Eine unserer selbstentwickelten Bojen wird in der Höhle
 befestigt. lässige Messmethode.

 5.3 Probenentnahme in
Bojen aus dem Wasser die Objektträ- jektträger je nach Ortswahl eindeutige tiefen Schächten
ger in dem Röhrchen gelagert werden Variationen in der Menge zeigen (zwi-
können. Außerdem wird kein Sediment schen 13 und 513 gezählten Objekten), Um die Proben im Schacht Kittlova
entnommen und der Höhlenboden ge- während die Wasserproben nur 4 bis 20 brezna und dem kleinen Schacht ent-
schont. Eine mögliche Fehlerquelle ist, Objekte unabhängig von der Ortswahl nehmen zu können, muss man in den
dass sich nicht nur mehr Mikroorganis- aufweisen. Bei Betrachtung der Mess- Schacht gelangen, wozu die beim Höh-
men, sondern auch mehr Sediment und werte fällt auf, dass in schmutzigeren lenklettern übliche „Single-Rope-Tech-
Verunreinigungen an den Objektträger Gewässern die Bojen einen Sättigungs- nik“ (SRT) genutzt wurde. Jedoch war
anlagern. Diese können das Auffinden wert erreichen, da die Objektträger (Ot) bis zuletzt unklar, ob in der Kittlova
von tatsächlichen Lebewesen erschwe- völlig bedeckt sind. Dies geschieht bei brezna unter der Abseilstelle Wasser
ren, da sie die Organismen überdecken. den Wasserproben nicht. Folglich sind ist und wenn dort welches ist, wie tief
 Wasserproben besser geeignet für die es ist. Um auf diesen Fall vorbereitet zu
5.2.4 Vergleichsmessungen zur Untersuchung von stärker belasteten sein, wurde eine Methode entwickelt,
 Messdatenvalidierung Gewässern, in denen Bojen lediglich wie man am Seil hängend Wasserpro-
 zur qualitativen Bestimmung ausrei- ben entnehmen kann.
Um die Effizienz der Methode zu über- chen würden. Allerdings liefern die Bo-
prüfen, haben wir mehrere Messrei- jen besonders bei niedrigen Konzentra- Dazu wurde die Kletterausrüstung mit
hen mit Proben und Bojen im Bugasee, tionen auswertbare Messergebnisse, da einer Tasche für Wasserproben und ei-
der Fulda, der Ahne und im Wahlebach hier durch die größeren Mengen Mess- nem speziellen Probennehmer, dem
rund um Kassel durchgeführt. Bojen fehler weniger ins Gewicht fallen als bei Selfiestick, erweitert. Der Selfiestick
wurden für drei oder fünf Tage im Was- den niedriger konzentrierten Wasser- besteht aus einem Teleskopstab, an des-
ser gelassen und bei ihrer jeweiligen proben. Folglich sind die Bojen für die sen Spitze ein aufgebohrter Probende-
Entnahme wurde zusätzlich eine hän- Höhle geeignet, da dort eine geringe ckel befestigt ist. In diesen modifizier-
dische Wasserprobe entnommen. An- Menge an Schwebstoffen vorliegt. ten Deckel kann man Probenröhrchen
schließend wurde eine Untersuchung hineinschrauben und diese nach dem
mit dem Lichtmikroskop durchgeführt. Ein weiterer erwähnenswerter Punkt beschriebenen Verfahren zur Proben-
 ist, dass sich auf Ot1 durchschnittlich entnahme nutzen. Sobald das Proben-
Hierbei fallen folgende Eigenarten der etwa 2,5-mal so viel Material anlagert, röhrchen befüllt ist, wird es aus der
Messmethode auf. Vereinzelt kommt es wie an Ot2 (siehe Abb. 11). Dies ist aller Halterung heraus geschraubt und mit
vor, dass sich auch Sand und Schlamm Wahrscheinlichkeit nach auf zwei Fak- einem dichten Deckel versehen.
auf dem Objektträger absetzen und die toren zurückzuführen. Zum einen be-
Sicht erschweren. Dies schränkt die Un- findet sich die freie Seite von Ot2 fron- Durch den Teleskopstab hat der Selfies-
tersuchung jedoch nur wenig ein und tal in der Strömung, was Sedimentation tick ein geringes Packmaß, was beim
trat bei insgesamt 72 Messungen nur erschwert, während Ot1 von Ot2 abge- Klettern überaus praktisch ist. Zum
selten auf. Auffällig ist, dass die Ob- schirmt in einem vergleichsweise strö- Entnehmen von Proben ist eine große

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 12

 14 14
 organischer Rest
 organischer Rest
 12 Sediment 12
 Sinterbarriere
 Sinterbarriere
 10 10
 Konzentration in 1/20µl

 Anzahl in 1/(3,24 cm2)
 8 8

 6 6

 4 4

 2 2

 0 0
 358 558 758 958 1158 1358 1558 335 535 735 935 1135 1335 1535
 Distanz vom Eingang in m Distanz vom Eingang in m

 Abb. 13: Biologische Untersuchung der Abb. 14: Gefundene Zellreste auf den Bojen im
 Was-serproben. Es ist keine systematische Verlauf der Höhle. Abfall der Konzentration der
 Veränderung erkennbar. organischen Reste zwischen 1300 m und 1500 m
 Entfernung zum Eingang sowie zwischen
 950 m und 1250 m.

Reichweite notwendig, welche der Sel- 6.1.1 Beobachtung See 1 die Messwerte chaotisch anstei-
fiestick ebenfalls bietet. Auch außer- gen. Dort liegen die Werte durchgehend
halb der Höhle wurde der Selfiestick oft Bei der mikroskopischen Auswertung hoch.
zum Entnehmen von Proben an schwer der Bojen und Wasserproben wurden
zugänglichen Stellen genutzt. Da man neben sporadischen Sedimentablage- 6.1.2 Diskussion
nach der Probenentnahme wieder aus rungen ausschließlich Fragmente von
dem Schacht heraus kommen muss, Lebewesen gefunden, deren schlechter Die Abwesenheit der Mikroorganis-
wurde trainiert, wie man das Kletter- Zustand eine genaue Kategorisierung men ist mit dem Fehlen von Licht in
equipment am Seil hängend für den verhindert. In der Höhle scheint es – Verbindung zu bringen, welches Pflan-
Aufstieg umbauen kann. abgesehen von einigen bereits bekann- zenwachstum unterbindet und so auch
 ten makroskopischen Arten (Krebse, heterotrophem Leben die Nahrung
6. Ergebnisse der Messungen Würmer, Fledermäuse) – kein Leben zu entzieht. Denn anders als in anderen
 und Diskussion geben, welches sich unter dem Mikros- Schauhöhlen gibt es in der Križna Jama
 kop erfassen lässt. kein permanentes, künstliches Licht.
Mit dem MIKA und unserer Kletter-
methode wurden über 100 Wasserpro- Bei den Wasserproben ist kein Muster In der Križna Jama ist kein Leben in der
ben entnommen, mit denen über 1000 erkennbar (siehe Abb. 13). Bei den Bo- Größenordnung zwischen 5 und 500
biochemische Messwerte erhoben wer- jen hingegen zeigt sich eine Struktur, µm auffindbar.
den konnten. Zusätzlich wurden 27 Bo- die mit den Sinterbarrieren der Höhle
jen ausgelegt und unter dem Lichtmi- verbunden zu sein scheint (siehe. Abb. Für den Anstieg des organischen Ma-
kroskop untersucht. Außerdem haben 14). Diese Barrieren sind in der Grafik terials an Sinterbarrieren gibt es meh-
die Sensoren am Heck des Bootes ca. als graue Balken dargestellt. rere mögliche Erklärungen. Zum ei-
175.000 Messwerte erfasst. Diese erfolg- nen ist hier das Wasser flacher und der
reiche Datenerhebung zeigt nicht nur Ab Kalvarija kommt es bis zur nächs- Strom beengt, wodurch die Strömungs-
die Effizienz unserer Methoden, son- ten Sinterbarriere zwischen See 12 und geschwindigkeit steigt. Außerdem wird
dern liefert auch genug Material, um 13 zu einem kontinuierlichen Abfall der der stetige Wasserfluss an den Barrieren
mehrere, bisher unbekannte Aussagen Menge an organischem Material (Siehe unterbrochen, was Verwirbelungen zur
über die Höhle und das Karstsystem zu Abb. 14, Distanz vom Eingang ca.: 1300 Folge hat. Zum anderen müssen an die-
treffen. Diese Beobachtungen werden bis 1500 m). An dieser Barriere steigt sen Stellen Touristen die Boote verlas-
nachfolgend beschrieben, diskutiert die Konzentration erneut und fällt im sen und teilweise mehrere Meter durch
und die Schlussfolgerungen erläutert. folgenden Verlauf annähernd linear ab. das Wasser laufen, wodurch es ebenfalls
 Ab der darauffolgenden Barriere zwi- zum Aufwirbeln von Partikeln kom-
6.1 Regenerationsprozesse schen See 11 und 12 folgen im Wasser- men kann. Da beide Gründe den glei-
 in der Höhle lauf viele Sinterbarrieren, worauf bis zu chen Effekt haben und nur eben dieser

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 13

 5 2,5

 4,8 SO₄²⁻
 Sinterbarriere Cl⁻
 4,6 2
 Sinterbarriere
 4,4
 Konzentration in mg/L

 Konzentration in mg/L
 4,2 1,5

 4

 3,8 1

 3,6

 3,4 0,5

 3,2

 3 0
 335 535 735 935 1135 1335 1535 335 535 735 935 1135 1335 1535
 Distanz vom Eingang in m Distanz vom Eingang in m

Abb. 15: Sulfatgehalt des Jezerski rov im Bachverlauf Abb. 16: Der Chloridgehalt des Jezerski rov
der Križna Jama. Der Verlauf zeigt vereinzelte verändert sich nicht deutlich im Bachverlauf
Schwankungen. der Križna Jama.

 30 8,4

 NO₃⁻ Temperatur
 25
 Sinterbarriere Sinterbarriere
 8,35
 Konzentration in mg/L

 20
 Temperatur in °C

 15 8,3

 10
 8,25
 5

 0 8,2
 335 535 735 935 1135 1335 1535 335 535 735 935 1135 1335 1535
 Distanz vom Eingang in m Distanz vom Eingang in m

Abb. 17: Nitratgehalt des Jezerski rov im Bachverlauf Abb. 18: Temperatur des Jezerski rov im Bachverlauf
der Križna Jama. Abgesehen von den Ausreißern gibt der Križna Jama. Der Anstieg erscheint aufgrund der
es keine Veränderungen. Änderung um nur 0,07°C nicht signifikant, kann aber
 auch an dem in der Nähe befindlichen
 Eingang liegen.

 gemessen wurde, ist es nicht feststell-
 bar, welcher der beiden Faktoren über-
 11,4
 wiegt. Mit hoher Wahrscheinlichkeit
 11,2 ist eine Kombination dieser Umstän-
 de verantwortlich für die ansteigenden
 Konzentration in mg/L

 11
 Werte nach Barrieren. Demnach ist ein
 10,8
 eindeutiger Einfluss durch Höhlenbesu-
 10,6
 gelöster Sauerstoff
 cher nicht nachweisbar.
 Sinterbarriere
 10,4
 Ein Zusammenspiel aus mehreren Fak-
 10,2
 toren gibt es auch bei den sinkenden
 10 Werten zwischen den einzelnen Barrie-
 335 535 735 935 1135 1335 1535
 Distanz vom Eingang in m
 ren, was ebenfalls in Abb. 13 beobachtet
 werden kann. Hier setzen sich Schweb-
 stoffe vermutlich einerseits am Grund
Abb. 19: Sauerstoffgehalt des Jezerski rov im Bachverlauf der Križna
Jama. Der Sauerstoffgehalt bleibt vor allem zwischen 500 m und ab, andererseits leben in der Höhle auch
1400 m konstant. mehrere heterotrophe Tierarten, wie

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 14

 Tab. 2: Vergleich der Messergebnisse der Kittlova Brezna, des kleinen Schachts und des ersten Sees.

 Cl- Mg2+ Ca2+
 Messstelle Ca/Mg
 in mg/L in mmol/L in mmol/L

 Kittlova Brezna 2,78 ±0,06 0,50 ±0,03 1,20 ±0,02 2,73 ±0,09

 Kleiner Schacht 15,46 ±0,06 0,37 ±0,03 0,98 ±0,02 2,64 ±0,09

 See 1 1,32 ±0,06 0,67 ±0,03 1,04 ±0,02 1,28 ±0,09

z.B. kleine Krebse, die um zu überle- 6.2.2 Diskussion fatgehalt steigt allerdings bereits im
ben das wenige, organische Material im zweiten See an, weshalb er nicht direkt
Wasser fressen müssen. Obwohl verschiedene Nährstoffe vorlie- auf den Tourismus zurückzuführen ist.
 gen, lässt sich in der Križna Jama kein Somit handelt es sich dabei um eine an-
Die Höhle filtert durch Sedimentation Leben unter dem Mikroskop finden. dere, nicht feststellbare Ursache.
das Wasser von Schwebstoffen, welche Die Hauptursache davon ist der Licht-
jedoch an Sinterbarrieren durch Ver- mangel in der Höhle. Da es keine Änderungen im Wasserlauf
wirbelungen und Tourismus teilweise gibt, ist es unwahrscheinlich, dass es in
wieder aufgeschwemmt werden. Die durchgehend niedrigen Konzen- der Križna Jama im Jezerski rov einen
 trationen von Chlorid und Nitrat sind Zufluss gibt, der sich auf die chemische
6.2 Die Suche nach Zuflüssen ein Anzeichen für eine geringe Belas- Zusammensetzung des Bachs auswirkt.
 und touristischen Einflüssen tung des Wassers. Außerdem sind die Genauso ist ein Einfluss der Touristen
 Konzentrationen der Nährstoffe sowie auf das Wasser nicht nachweisbar, da es
6.2.1 Beobachtung von Natrium, Kalium, Chlorid und Sul- selbst im Eingangsbereich der Höhle zu
 fat recht gering (siehe Abb. 15–19), was keinen Änderungen kommt.
In der Höhle ändert sich die chemische eine hohe Wasserqualität anzeigt.
Zusammensetzung des Wassers nur ge- Das Fehlen des Phosphats lässt sich
ringfügig, siehe Abb. 15–19. In Abb. Eine übermäßige Beeinflussung des durch die Phosphatausfällung erklä-
15, 16 und 19 sind Fehlerbalken einge- Wasserlaufes durch Tourismus würde ren (siehe 6.5 Phosphatausfällung). Da-
arbeitet, diese sind jedoch nur gering- die Werte stark erhöhen. Ein Einfluss neben könnten die Werte auch auf die
fügig größer als die Markierungen. Bis von Touristen würde sich vor allem im nicht vorhandene Mikroflora zurück-
auf einzelne Schwankungen verändern ersten See bemerkbar machen. Der Sul- zuführen sein, die, wenn sie vorhanden
sich die Konzentrationen nicht. Bei den
Schwankungen und Ausreißern sind
keine Zusammenhänge erkennbar. Je-
doch steigt der Sulfatgehalt (siehe Abb.
19) im zweiten See, welcher in Fließrich-
tung vor dem ersten See liegt, an.

Sulfat, Magnesium, Calcium, Chlorid
und Nitrat sind in der gesamten Höh-
le nachweisbar, wohingegen sämtliche
untersuchten Metalle abgesehen von
Alkali- und Erdalkalimetallen nicht
nachweisbar sind. Außerdem sind in al-
len Wasserproben Nitrit, Phosphat und
Ammonium nicht nachweisbar. Auch
hier gibt es keine Veränderungen, die in
der Höhle auftreten. Abb. 20: Kartierung der in der Kittlova Brezna
 entnommenen Proben.

 doi: 10.7795/320.202105

JUNGE wissenschaft 05
 15 / 21
 18 | Seite 15

 Tab. 3: Messergebnisse in der Kittlova Brezna. Auffällig ist das Absinken der Härte,
 der Calciumkonzentration und der Nitratkonzentration von oben nach unten.

 Härte Ca2+ NO3- PO43- Cl-
 Messstelle Ca/Mg
 in mmol/L in mmol/L in mg/L in mg/L in mg/L

 KB5 1,96 ±0,02 1,39 ±0,02 2,42 ±0,09 9,61 ±0,69 nn 2,61 ±0,06

 KB3 1,88 ±0,02 1,11 ±0,02 1,44 ±0,09 6,00 ±0,69 nn 2,75 ±0,06

 KB2 1,65 ±0,02 0,98 ±0,02 1,45 ±0,09 5,11 ±0,69 nn 2,71 ±0,06

wäre, durch Verwesung Phosphat frei- absorbierende Wirkung auf die Zellres- 6.4.2 Auswertung
setzen würde. te, zum anderen wird die Sedimentati-
 on durch die stärkere Strömung verhin- Die Änderung des Chlorid- und Calci-
Alles in allem kann keine touristische dert, was wiederum die Konzentration umgehalts zwischen dem Dezmanov rov
oder anders entstehende anthropogene der Schwebstoffe erhöht. Im See 14 sind und der Kittlova brezna lässt sich nicht
Belastung der Höhle festgestellt werden. diese beiden Faktoren genau umge- durch das durchflossene Gestein erklä-
Des Weiteren kann kein Zufluss zwi- kehrt, da der Kalkstein die Biomasse ren, was zeigt, dass sich dort ein Zufluss
schen Kalvarija und dem ersten See ge- nur wenig absorbiert, was die Konzen- in den Hauptstrom der Höhle befindet.
funden werden. tration erhöht. Durch die geringe Strö-
 mung wird jedoch die Sedimentation Da sich das Wasser auf der Strecke von
6.3 Geologische und biologische verstärkt. Somit ist die absorbierende ca. 150 m vom ersten See zum klei-
 Unterschiede zwischen der Wirkung der Umgebung auf die Zell- nen Schacht nicht so auffällig verän-
 Blata und dem Pisani rov reste wirkungsvoller als die Sedimenta- dern kann, hängt der Bach im klei-
 tion. nen Schacht vermutlich nicht mit dem
Der Pisani rov zeichnet sich, genauso Hauptstrom, der von See 13 kommt, zu-
wie der Jezerski rov, durch seine zahl- 6.4 Hydrologie im Eingangsbe- sammen. Diese Vermutung wird durch
reichen Seen aus. Im Gegensatz dazu reich der Križna Jama einen niedrigeren Magnesiumgehalt,
hat die Blata keine strömungsberuhig- eine geringere Härte und einen stark
ten Bereiche, da hier der Bach durch 6.4.1 Beobachtung abweichenden Chloridgehalt im kleinen
einen schmalen Graben durchgängig Schacht im Vergleich zu dem ersten See
fließt. Außerdem besteht der Boden in In dem kleinen Schacht im Eingangs- bestätigt. Das zeigt, dass der Bach im
der Blata überwiegend aus sehr feinem bereich der Križna Jama haben wir ei- kleinen Schacht nicht aus dem Jezerski
Schlamm, während die Tunnel des Je- nen deutlich höheren Chloridgehalt als rov, dem Bach des ersten Sees, gespeist
zerski rov und des Pisani rov nahezu in dem Hauptstrom der Križna Jama wird.
vollständig aus Kalkstein und ein we- gemessen (siehe Tab. 2). In sämtlichen
nig Dolomit bestehen. Da es deutliche Proben der Kittlova Brezna ist der Chlo- Aufgrund der geografischen Lage des
geologische Unterschiede zwischen der ridgehalt erhöht. Der Calciumgehalt des kleinen Schachts wurde des Weite-
Blata und dem Pisani rov gibt, soll un- Wassers im kleinen Schacht ist niedri- ren überlegt, ob der Bach im kleinen
tersucht werden, wie sich das auf die ge- ger als im ersten See, während er in der Schacht der Zufluss zwischen dem ers-
fundenen Zellreste auf den Bojen aus- Kittlova Brezna höher ist. In der Kittlo- ten See und der Kittlova brezna sein
wirkt. va Brezna werden am nordwestlichen kann.
 Ufer des Sees erhöhte Nitratgehalte be-
Auf der Boje im See 14 wurden mit obachtet, welche nach Südosten abfal- Durch eine Mischung des ersten Sees
7,5 ±1 mikrobiologischen Fragmenten len (siehe Abb. 20 und Tab. 3). Zwischen und des Bachs im kleinen Schacht kann
mehr Zellreste als in der Blata (4 ±1 mi- dem ersten See und der Kittlova brezna der Chloridgehalt der Kittlova brezna
krobiologische Fragmente) gefunden. entstehen große Veränderungen in der erklärt werden. Jedoch widerlegt der
 Menge an Chlorid und dem Verhältnis Calciumgehalt, dass der Bach im klei-
Diese Differenz kommt vor allem durch zwischen Ca 2+ und Mg2+. nen Schacht der gesuchte Zufluss zwi-
zwei Faktoren zustande. Zum einen hat schen dem ersten See und Kittlova brez-
der Schlamm der Blata vermutlich eine

 doi: 10.7795/320.202105

Physik | Seite 16

 Tab. 4: Vergleich der Nitrat-, Chlorid-, Calcium- und Magnesiumkonzentrationen im See 14,
 dem Markov rov und dem unkartierten Zufluss.

 NO3- PO43- NH4+ Cl- Ca2+ Mg2+
 Messstelle
 in mg/L in mg/L In mg/L in mg/L in mmol/L in mmol/L

 unkartierter
 3,64 ±0,69 nn nn 0,41 ±0,06 0,99 ±0,02 0,37 ±0,03
 Zufluss

 Markov rov 22,46 ±0,69 nn nn 0,32 ±0,06 1,02 ±0,02 nn

 See 14 5,62 ±0,69 nn nn 1,02 ±0,06 0,84 ±0,02 0,92 ±0,03

na sein kann, wenn von einer Mischung Wie auch in der restlichen Höhle sind mal in die Blata läuft und einmal weiter
ohne hydrochemische und thermische die Phosphatkonzentrationen in den zum Markov rov fließt. Des Weiteren ist
Veränderungen ausgegangen wird. Da Proben recht gering, was mit den un- ein Zustrom in den Markov rov von dem
der Bach im kleinen Schacht wahr- ter „6.6 Phosphatausfällung“ genannten Pisani rov bekannt.
scheinlich nicht der Zulauf zwischen Beobachtungen zu erklären ist.
dem ersten See und Kittlova brezna ist, Der Markov rov enthält sehr viel Nitrat
muss es einen anderen Zufluss geben. 6.4.3 Diskussion und dem unkartierten Zufluss ähnliche
 Chlorid- und Calciumkonzentrationen
Ein weiterer Zufluss zwischen dem Prelovšek ist sich sicher, dass ein Zu- (siehe Tabelle 4). Der Nitratgehalt, des
Dežmanov rov und der Kittlova brezna fluss zwischen dem Dežmanov rov und Sees 14 und des unkartierten Zuflus-
ist nicht bekannt, jedoch widersprechen der Kittlova brezna in die Höhle fließt ses liegen im für die Höhle üblichen Be-
einige unserer Messungen in der Kittlo- [26]. Diese These des lokalen Höhlen- reich. Die Magnesiumkonzentration des
va brezna (siehe Tab. 3) dieser Aussage. forschers können wir somit bestätigen. Markov rov liegt unter der Nachweiß-
Sie zeigen, dass es in der Kittlova brez- grenze.
na noch einen weiteren Zufluss geben Des Weiteren hat auch Prelovšek den
könnte, da am nordwestlichen Ufer er- Bach im kleinen Schacht untersucht, Diese anfängliche Vermutung kann an-
höhte Nitratwerte gemessen werden. wobei auch seine Messwerte auf einen hand der Messwerte nicht bestätigt wer-
 vom Hauptstrom unabhängigen Bach den, da der Markov rov im Vergleich zu
Nach Prelovšek werden starke Änderun- hindeuten [26]. Der Bach im kleinen den beiden anderen Bächen kein Mag-
gen der chemischen Zusammensetzung Schacht wird somit nicht aus dem Je- nesium enthält. Außerdem kann die Ni-
des Bachs als Zufluss interpretiert [23]. zerski rov gespeist und fließt auch nicht tratkonzentration des Markov rov nicht
Da bereits bekannt ist, dass es einen Zu- in den Hauptstrom der Križna Jama. durch eine Mischung vom Pisani rov
fluss zwischen dem Dežmanov rov und und dem unkartierten Zufluss erzielt
Kittlova brezna gibt, der den Chlorid- Der zweite Zufluss, der in die Kittlo- werden.
gehalt erhöht und in allen Proben der va brezna strömt, fließt vermutlich am
Kittlova brezna der Chloridgehalt be- nordwest­lichen Ufer in die Höhle. 6.6 Phosphatausfällung
reits höher als im ersten See ist, scheint
dieser Zufluss sich schon mit dem Was- 6.5 Zuflüsse in der Blata Auffällig an dem Markov rov ist der hohe
ser des Dežmanov rov vermischt zu ha- Nitratgehalt, während Phosphat nicht
ben. Die räumlich begrenzte Änderung Aufgrund der geografischen Lage der nachweisbar ist (siehe Tab. 4). In Proben
der chemischen Zusammensetzung ist Zuflüsse Markov rov und des unkar- von Zuflüssen, die durch Felder an der
allerdings nur mit einem Zufluss zu er- tierten Zuflusses (siehe Abb. 1, auf der Oberfläche fließen, ist immer Phosphat
klären. Doch anhand des Chloridge- rechten Seite) zwischen Kljuc und Mis- nachweisbar und die Konzentration ist
halts ist auch deutlich, dass es nicht der nica wird vermutet, dass diese beiden deutlich höher als der Phosphatgehalt in
Zufluss zwischen dem Dežmanov rov Zuflüsse verbunden sind. Beide müssen der Höhle. Hinzu kommt, dass der Ni-
und der Kittlova brezna sein kann, der zwischen der Blata und dem Pisani rov tratgehalt außerhalb der Höhle teilwei-
diese Änderung in der Chemie hervor- verlaufen, weshalb es wahrscheinlich se dem Nitratgehalt des Wassers in der
ruft. ist, dass dieser Bach sich beim unkar- Höhle ähnelt (siehe Tab. 5). Außerdem
 tierten Zufluss aufteilt und dann ein- treten an der Oberfläche in diesem Ge-

 doi: 10.7795/320.202105