Systèmes vivants dans la salle de classe

Par Mark Heffer

Traduction par Jocelyne Dickey

Domaines : écologie, botanique, zoologie, environnement, physique (hydraulique)

Concepts clés : écosystèmes aquatiques, biodiversité, bioréparation, phytoréparation, microcosmes

Habiletés : observation, construction de modèles, observation à long terme, adaptation de modèles, conception d’expériences

Lieu : dans la salle de classe, à l’extérieur pour la collecte de matériaux

Temps requis : 2-3 heures pour monter le matériel, 2-3 heures pour connecter le système. Quelques semaines ou mois pour opérer le système

Matériel : seaux de plastique, tuyau de plastique transparent, injecteur d’air, rondelles, embouts de tuyaux, organismes vivants des lagunes ou des milieux aquatiques proches, pompe d’aquarium optionnelle, kits de détermination de la qualité de l’eau

Une « machine vivante » ou système aquatique est un excellent outil d’enseignement et est en plus un appât pour plusieurs concepts dans les domaines des sciences, de l’écologie et d’autres domaines du programme d’études. On peut l’utiliser pour la purification de l’eau, le traitement des déchets, la culture de poissons, la culture de légumes ou tous en même temps, selon la façon dont on le conçoit. Elle offre une grande opportunité pour appliquer des techniques d’exploration et d’enseignement par coopération, elle est amusante et aide les étudiants à développer leur confiance dans des projets de type « faites-le vous-mêmes », pas toujours encouragée par les livres de texte.

La façon la plus facile de décrire un système aquatique vivant est : une connexion d’une série de réservoirs, de telle manière que les matériaux s’écoulent d’un contenant à l’autre. Au lieu d’avoir un seul réservoir avec un mélange complexe de niches et d’habitats, un système vivant possède différents réservoirs, chacun consistant en un habitat distinct qui opère relativement isolé mais qui est connecté aux autres habitats par le flux d’eau entre les cellules. En isolant ces « cellules » qui contiennent des habitats différents, nous augmentons l’opportunité d’apprendre sur les caractéristiques uniques de chaque habitat et nous ouvrons la porte à beaucoup d’autres idées. Ci-après, quelques-uns des concepts principaux reliés aux systèmes vivants et une brève explication des étapes qui vous conduiront à installer ce système dans votre classe.

Concepts : habitats, niche, facteurs biotiques et abiotiques, point optimum, rang de tolérance

Les systèmes vivants consistent en différents contenants ou « cellules », lesquels contiennent des organismes aquatiques. L’eau circule d’un contenant au suivant, distribuant entre eux les nutriments, les déchets et microorganismes. Comme chaque contenant possède ses propres conditions et substances, on crée des habitats et des niches divers. Par exemple, dans le système décrit ici, une cellule contient des algues (ulve) et d’autres plantes aquatiques émergentes. Les racines des plantes émergentes fournissent une surface superficielle où les bactéries collent et hébergent d’autres organismes comme les escargots. L’ulve est aussi un habitat pour d’autres organismes différents de ceux qui habitent dans la vase des étangs. On peut aussi concevoir les systèmes pour inclure un habitat de feuilles en état de décomposition, représentant le sol des forêts tropicales, ou un morceau de gazon coupé du jardin de l’école ou le sable d’une rivière ou de la plage. On varie les conditions dans chacune des cellules, soit en changeant la température, la quantité de lumière, la présence ou l’absence de bouillonnement d’air, la quantité de refuges pour les insectes, etc.

En variant les conditions biotiques et abiotiques entre les cellules et en examinant ensuite la vie qui prolifère sous certaines conditions, les étudiants peuvent observer des exemples concrets de concepts tels que les conditions optimales, les degrés de tolérance, l’habitat et les niches. Chaque ensemble de conditions environnementales favorise un groupe spécifique d’organismes. Si un environnement change et n’est plus approprié pour un organisme en particulier, l’organisme a seulement deux options : se déplacer vers un lieu plus favorable ou mourir. C’est un exemple assez clair de ce qui se passe dans le monde réel quand les organismes perdent leur habitat.

Concepts : niveau tropique, chaîne alimentaire et réseaux, biodiversité, populations, communautés, stabilité

Aidés par l’eau, les microorganismes et les nutriments passent librement de cellule en cellule. Après un certain temps, les organismes rencontrent l’endroit qui leur convient le mieux, ils l’habitent et si les conditions sont adéquates, ils se reproduisent. Une plus grande diversité augmente la complexité de la chaîne alimentaire présente et ceci augmente l’habilité du système à résister à des changements comme l’addition de substances nocives, un changement brusque de température, la perte d’une espèce en particulier ou l’interruption dans l’énergie électrique quand la pompe d’aération cesse de fonctionner.

Concepts : cycles de l’azote et du carbone, importance des microorganismes, photosynthèse, respiration, excrétion, métabolisme, symbiose

Les systèmes vivants fournissent d’excellentes opportunités pour que les étudiants explorent les cycles chimiques de vie, ainsi que la symbiose et l’interdépendance entre les organismes. Dans un système vivant, que ce soit dans une classe ou dans le monde réel, le matériel excrété par un organisme est le nutriment d’un autre organisme. Par exemple, alors que les poissons constituent les organismes les plus visibles dans un système, leur simple existence dépend de plusieurs autres habitants et de leurs interactions.

Un des produits excrétés par les poissons est l’ammoniac, et si cet ammoniac s’accumule dans le système, il peut tuer le poisson. Les bactéries nitrifiantes qui vivent dans l’eau transforment l’ammoniac en nitrites, et ensuite en nitrates beaucoup moins toxiques. Les nitrates sont des engrais pour les plantes présentes dans le système. En absorbant le nitrate à travers leurs racines, les plantes purifient l’eau. Les racines de ces plantes fournissent en plus la surface solide nécessaire à l’adhésion des bactéries nitrifiantes. Les plantes stimulent cette relation symbiotique avec les bactéries en séparant les substances (comme les sucres) au moyen de leurs racines qui nourrissent les bactéries et qui les aident ainsi à poursuivre leur travail de conversion de l’ammoniac en nitrates.

Concepts : systèmes fermés et ouverts, soutien, interrelations avec la biosphère

Les systèmes vivants se maintiennent eux-mêmes.  Une fois qu’ils opèrent de façon soutenue, ils produisent leur propre nourriture et traitent leurs propres déchets, avec seulement des entrées additionnelles de lumière solaire et peut-être une pompe d’aération.

Concept : hydraulique, charge, pression hydraulique, énergie potentielle

Les différentes configurations possibles pour connecter les cellules et faire circuler l’eau entre elles fournit aux étudiants des opportunités d’investiguer des concepts hydrauliques. Par exemple, les étudiants peuvent varier les charges en ajustant l’élévation de l’eau, la quantité d’eau qui est fournie ou le diamètre des tuyaux à travers lesquels coule l’eau.

Comment faire un système vivant simple

Il y a trois fournitures minimales pour fabriquer un système vivant. Premièrement, il faut des contenants. Tout type de contenant convient pourvu qu’il puisse emmagasiner de l’eau et, dans la majorité des cas, permettre l’accès de la lumière. Deuxièmement, il faut l’approvisionnement en eau qui circule d’un contenant au suivant. Cela peut s’obtenir en siphonnant (connexion autour de la paroi) ou en utilisant des ajouts à travers des perforations dans la paroi du contenant. Troisièmement, il faut faire circuler l’eau d’un contenant vers le suivant. La majeure partie de ce mouvement se produit par gravité, mais dans une certaine partie, l’eau va devoir être élevée. Cette élévation de l’eau s’obtient soit avec une pompe électrique ou une pompe à air.

Contenants

Des seaux de plastique, des boîtes de plastique pour les déchets et d’autres contenants fonctionnent comme cellules pour le système. Des aquariums de verre ne sont pas recommandés parce que perforer des trous dans le verre demande de l’équipement spécialisé et c’est très facile de le briser. Les contenants n’ont pas besoin d’être nécessairement de la même taille ou forme, cependant la conception est plus facile s’ils le sont. Les instructions décrites ici sont pour quatre contenants de plastique semi transparent de 55 litres chacun. Ils mesurent 45 x 45 x 64 cm et s’obtiennent dans des boutiques qui vendent de grands contenants. Des grandes bouteilles de plastique de 19 litres avec le couvercle découpé fonctionnent bien et occupent moins d’espace (on peut obtenir des bouteilles défectueuses mais utilisables très bon marché dans des magasins d’eau potable). Des contenants cylindriques tels que des bouteilles d’eau potable sont excellents pour observer ce qui se passe à l’intérieur. Cependant, si les contenants sont trop petits, la courbure des parois permet difficilement de sceller la connexion en perforant la paroi.

Vérifiez que les contenants n’aient aucune fuite d’eau avant de commencer et rappelez-vous que les contenants s’élargissent lorsqu’ils sont remplis d’eau. Assurez-vous aussi que l’endroit où vous allez les remplir supporte bien le poids de l’eau. L’eau est pesante ! Un litre d’eau pèse 1 kilogramme (8.4 livres par gallon). Une carafe de 55 litres, remplie aux deux-tiers pèse 37 kilogrammes. Le poids doit aussi être considéré au moment de déplacer les contenants et les poignées de certains contenants peuvent être inappropriées pour les déplacer une fois remplis d’eau. C’est une bonne idée de vider partiellement les contenants avant d’essayer de les lever par les poignées.

Siphon vs connexion autour de la paroi

On peut faire couler l’eau entre les cellules de plusieurs façons différentes. Dans la forme la plus simple, on peut vider l’eau manuellement d’une cellule à la suivante. Même si cela a l’habitude de causer des déversements, ce peut être une manière intéressante d’imiter les conditions des inondations qui arrivent naturellement dans les ruisseaux et les rivières. On peut aussi siphonner l’eau d’un contenant vers le suivant, ce qui requiert un tuyau pour siphonner et a pour avantage qu’on n’a pas besoin de perforer un trou dans les parois des contenants. Une fois qu’il y a de l’eau dans le tube du siphon, elle continuera à se déplacer vers le haut et vers l’autre côté du bord du contenant à travers le tuyau tant que le niveau de l’eau est plus élevé que l’extrême bas du tube. Cependant, si le flux dans le siphon s’interrompt pour une raison quelconque (par exemple si l’air entre dans le tube), il faut recommencer le flux. Cela peut être désastreux si l’interruption arrive pendant la nuit ou qu’il n’y a personne tout près pour la régler.

Le plus sûr est de percer des trous dans les parois des contenants et de relier les contenants entre eux avec des morceaux de tuyaux ou un tube. Cette méthode causera moins de débordements. L’inconvénient est que vous devrez percer les trous et vous assurer qu’il n’y ait pas de fuite autour d’eux. Le système rondelle-tube décrit ci-après est facile et sûr, rapide à élaborer et ne requiert pas de scellant.

Pompes à air, pompes et aérateurs

Une pompe à air est une manière simple et efficace d’élever l’eau d’un point plus bas vers la partie supérieure. Elle requiert seulement un tuyau en plastique et un aérateur bon marché pour les aquariums. Les pompes à air utilisent la différence de pression hydraulique pour élever l’eau : quand l’air est injecté dans la partie inférieure de la colonne d’eau, l’air aéré s’élève, car la densité de l’eau au-dessous des bulles est plus grande. En s’élevant, les bulles s’étendent, augmentant leur effet. Si l’eau et les bulles sont canalisées au moyen d’un tube, l’eau dans le tube s’élève au-dessus de la surface de l’eau autour.

Les pompes à air ont l’avantage de ne pas se fermer avec du matériel solide comme les pompes électriques et aèrent l’eau en même temps qu’elles l’élèvent. Une source d’oxygène est importante autant pour les poissons que pour les bactéries nitrifiantes. Un autre avantage des pompes à air est que les organismes vivants ont moins de probabilité de souffrir de dommages en étant près de la pompe. Les désavantages sont que ces pompes ne peuvent pas élever l’eau beaucoup ou déplacer l’eau aussi rapidement qu’une pompe électrique. Dans le système décrit ici, une pompe à air peut élever l’eau de 10-15 cm au maximum. Cependant, cette quantité est suffisante pour que le système fonctionne adéquatement.

Quatre variables affectent principalement le mouvement de l’eau dans un système de pompe à air : la quantité d’air injecté, la quantité de friction dans le tube, la profondeur à laquelle l’air est injecté et la quantité d’élévation nécessaire en haut de la surface. Le diamètre du tuyau utilisé pour la pompe à air a aussi un effet. Dans la description ci-après, les tuyaux ont un diamètre d’un demi-pouce.

Le mouvement entre les cellules aide les organismes à se déplacer jusqu’à trouver leurs conditions optimales de vie. Un débit rapide entre les cellules peut être utilisé pour simuler les conditions des rivières, alors qu’un débit plus faible simule les conditions présentes dans les lacs ou les marais. Si le débit entre les cellules est très lent, les organismes ne pourront pas se déplacer rapidement entre les cellules pour trouver les conditions optimales. Si le débit est trop rapide, les organismes peuvent se blesser ou être entraînés par le courant sans pouvoir « garder le pied » de manière optimale.

En général, une pompe d’aquarium produira des débits plus élevés que ceux produits par une pompe à air. Si vous désirez un système qui coule rapidement, vous devez alors utiliser une pompe électrique. SI haut que soit le point où on doit puiser l’eau, le débit sera plus lent. Le pompes se vendent généralement avec une description des débits qui seront obtenus en pompant à différentes élévations. Les débits doivent être tels que le volume d’eau dans le système se renouvelle dans un laps de temps de 24 à 36 heures.  Le système de pompe à air décrit ici coule à environ cette vitesse. Il n’est pas nécessaire alors d’acquérir une pompe à haut volume. Pour la majorité des systèmes, une pompe à air de 20 à 30 dollars pour un petit aquarium suffira.

Conception des systèmes

Le diagramme de « Conception de systèmes » montre deux conceptions simples pour un système vivant. Les deux produisent une différence dans le niveau de l’eau. Plus grand sera le niveau hydraulique, meilleure sera l’énergie potentielle. L’élévation plus haute de l’eau dans le système s’appelle potentiel hydraulique. Peu importe si le niveau de l’eau est plus haut à cause de l’eau plus abondante dans la cellule ou parce que la cellule elle-même est à une hauteur plus élevée. En général, le débit à travers le système dépendra de trois facteurs : le potentiel hydraulique (avec un niveau d’eau élevé) ; la quantité d’eau qui s’élève à cette hauteur ; la grosseur des tubes à travers lesquels coule l’eau. Augmenter n’importe lequel de ces facteurs conduit à un débit plus grand d’eau à travers le système.

Ci-après on décrit une méthode rapide et facile pour construire un système utilisant des connecteurs à travers les parois pour transporter l’eau d’une cellule à la suivante et une pompe à air pour élever le niveau de l’eau de façon à ce qu’elle puisse circuler entre les cellules. Les instructions ajoutées correspondent au Système 2 dans le diagramme. C’est une des nombreuses possibilités pour avoir un système fonctionnant adéquatement. Une partie du plaisir (et de la valeur éducative) de construire son propre système en classe est d’improviser et d’expérimenter.

Matériel

• Quatre contenants de plastique rectangulaires de 55 litres (on peut aussi utiliser d’autres types de contenants, voir la section « contenants » plus haut)
• Perceuse électrique pour percer les trous dans les contenants
• Mèche pour des trous de ¾”
• 3 m de tuyau de plastique avec un diamètre intérieur de ½ pouce ; quatre longueurs de 30 cm (pour connecter une cellule avec une autre) ; six longueurs de 10 cm (pour les sorties), une longueur de 50 cm (pour la pompe à air)
• 1 écrou hexagonal en acier inoxydable de ½ pouce de diamètre intérieur (sert comme contrepoids pour le tube de la pompe à air)
• Huit rondelles de caoutchouc avec un diamètre extérieur de 1 1/8”, diamètre intérieur de 5/8”, épaisseur de la rainure 1/16” et diamètre de la rainure 1/8” (achetez-en une de plus car le caoutchouc a tendance à se fendre et à sécher avec le temps, spécialement quand il est exposé au soleil ; voir la section des ressources pour les endroits où on peut les acheter.
• Huit embouts de tuyau en plastique de ½ “, d’au moins 2 pouces de large (aussi connus comme connecteurs, on en trouve dans les quincailleries dans la section de la plomberie)
• Trois coudes en plastique de ½”, 90 degrés, avec des connecteurs pour tuyau
• Aérateur pour aquarium et/ou pompe (voir note au sujet des aérateurs et pompes plus haut ; la pompe peut être utilisée pour obtenir un meilleur débit ; dans ce cas l’aérateur est optionnel)
• 3 à 2 mètres de tuyau en plastique pour l’aérateur (la taille du tube doit correspondre celle de l’aérateur : généralement 1/8”)
• Cageot inversé ou toute autre surface où on peut poser l’aérateur de manière qu’il soit à la hauteur des contenants
• Poissons (les petits poissons dorés fonctionnent bien) et d’autres organismes (achetez-les après que le système a bien fonctionné pendant plusieurs jours avec seulement de l’eau)
• Plantes, boue, sol et eau d’étang

Procédure

1. Percez des trous de ¾” dans deux parois de chaque contenant. Les trous doivent être aux deux tiers de la hauteur de la paroi du contenant. Pour l’arrangement le plus compact possible des tubes, percez les trous dans la direction « droite » (côtés nord et est du contenant) dans deux des contenants et dans la direction « gauche » (côtés nord et ouest) dans les deux autres. Ceci permet aux contenants d’être reliés deux à deux tel qu’illustré dans le diagramme « arrangement avec quatre cellules ».
2. Insérez les rondelles de caoutchouc dans les trous. Si le bord du trou est rude, adoucissez-le avec une lime ou un papier à sabler grossier.
3. Placez les embouts du tuyau à l’intérieur des rondelles. C’est plus facile si les rondelles et les embouts sont mouillés. Si la surface devient collante, lubrifiez-la avec un peu de glycérol (le savon à vaisselle liquide fonctionne bien, pourvu qu’on élimine toutes les traces de savon avant d’opérer le système. Placez les embouts de tuyau à moitié distance à l’intérieur des rondelles, de manière que la même quantité d’embout soit à l’intérieur et à l’extérieur de la paroi du contenant
4. Choisissez un endroit qui reçoit assez de lumière et placez les contenants ou les cellules tel qu’illustré. Les tubes doivent être séparés de 20 à 30 cm. Les contenants peuvent être sur le sol ou sur une table pouvant supporter le poids des contenants remplis d’eau (environ 147 kg ou 325 livres). Désignez un des contenants comme celui qui va contenir la pompe à air ; ce sera la cellule « 1 » (peu importe la cellule, mais elle doit être près de l’endroit où l’aérateur sera installé). Reliez les contenants au moyen d’un tuyau de 30 cm entre une cellule et l’autre, attaché à chacun des embouts du tuyau dans la partie extérieure de la paroi (voir le diagramme « Conception à quatre cellules », qui montre une vue générale du système).
5. Connectez deux morceaux de tuyau de 10 cm à chaque extrémité du coude, en formant un « L ».
6. Désignez un des trous de la cellule 2 comme sortie et l’autre comme l’entrée (voir le diagramme « Conception à quatre cellules »). Connectez une des extrémités du « L » à la partie intérieure de l’embout du tuyau qui va être la sortie de l’eau. Orientez le « L » de telle sorte que le côté ouvert pointe vers le bas, jusqu’au fond du contenant. Cette position du tuyau de sortie au fond du contenant évitera que la végétation à la surface et les autres solides bloquent la sortie vers la cellule suivante. Elle facilitera aussi la circulation de l’eau dans la partie inférieure du contenant vers la cellule suivante, au lieu que l’échange se limite seulement aux couches supérieures de l’eau.
7. Répétez les étapes 5 et 6 pour les cellules 3 et 4.
8. Dans la quatrième cellule (cellule 1), connectez le morceau de tuyau de 50 cm à la partie intérieure de la sortie. Ce tube sera la pompe à air. Submergez-le le plus profondément possible dans l’eau.
9. Placez l’écrou d’acier inoxydable autour de l’extrémité distale du tube de 50 cm (l’extrémité opposée à l’embout du tuyau). Il agira comme contrepoids. Sans ce contrepoids, l’injection de bulles d’air ferait flotter le tube, ce qui réduirait considérablement l’effet de la pompe. La pompe à air fonctionne mieux si on la termine en forme de S légèrement recourbé, tel qu’illustré dans le diagramme « tube pour pompe à air ». (Le tuyau de la pompe à air dans le diagramme « Conception à quatre cellules » est illustré avec les coudes pour faciliter le dessin. Cependant, ces coudes réduisent le débit de la pompe à air).
10. Insérez le tube de l’aérateur à 2.5 à 3 cm à l’intérieur du tube d’aération. Pour vous assurer que l’aérateur se maintienne en place, coupez un petit trou dans le tube de l’aérateur, en y insérant le tube de l’aérateur. Il doit être à 2.5 à 3 cm de la partie distale du tube. L’injection d’air doit se faire aussi profondément que possible, sans permettre que les bulles sortent par cette extrémité distale. Toute bulle qui s’échappe par l’extrémité distale réduit l’efficacité de la pompe. Si les bulles commencent à s’échapper par l’extrémité distale du tube de la pompe, poussez l’aérateur un peu vers le haut, jusqu’à ce que les bulles ne s’échappent plus.
11. Remplissez le système avec de l’eau jusqu’au niveau des trous (deux-tiers des contenants). Si les rondelles ont été installées adéquatement, il n’y aura pas de fuite d’eau autour des embouts du tuyau.
12. Élevez l’aérateur jusqu’à ce qu’il soit au-dessus du niveau de l’eau (et notez que l’aérateur ne doit jamais être submergé !). Si on n’a pas élevé l’aérateur et que pour une raison quelconque le flux d’air cesse, l’eau retournera par le tube d’air et entrera dans l’aérateur, ce qui l’endommagera.
13. Allumez l’aérateur pour initier le pompage par l’air. L’eau devra commencer à former des bulles de la cellule de pompage (cellule 1) vers la cellule 2. L’eau étant pompée de la cellule 1 vers la cellule 2, L’eau entrera ensuite dans la cellule 4 en provenance de la cellule 3, la remplaçant. Même si le débit est faible, il est possible, au moyen de petits ajustements, de générer un débit de 100 ml/min. Cette quantité est suffisante pour remplacer complètement l’eau du système en 24 heures. D’autres ajustements possibles incluent l’augmentation du débit et l’agitation des retours ou des pincements dans le tuyau à air. En augmentant le flux de l’air on augmentera le débit jusqu’à un certain niveau, si on continue à augmenter le flux de l’air on n’augmentera plus le débit. Des nœuds ou des pincements dans le tube de pompage causeront une réduction dans le débit.
14. Une fois le système en fonction, laissez-le couler durant plusieurs jours avec seulement de l’eau, avant d’ajouter des plantes et des animaux. Ceci permettra de trouver et de corriger les fuites d’eau autour des tuyaux et des rondelles, en s’assurant que tous les tubes et les rondelles sont reliés fermement. Cela aidera aussi l’eau à perdre son chlore. (Notez que chaque fois que vous désirerez régler l’eau du système, vous devrez laisser reposer l’eau durant au moins 24 heures, car de l’eau chlorée peut tuer ou endommager la population microbienne et les poissons).

Ajouter de la vie dans les cellules

Cellule 1 : Végétation flottante

La cellule 1 contient de la végétation flottante telle que les fougères aquatiques et les lemnacées ; des algues connues comme laitues d’eau ou lentilles d’eau respectivement. Ces algues sont communes dans les étangs et dans les boutiques qui vendent des plantes aquatiques. La cellule 1 agit comme refuge pour ces plantes. En peu de temps, elles réussiront à couvrir la surface de la cellule, et à ce moment certaines peuvent être transférées à la cellule 2 pour servir d’aliment aux poissons. Ceci démontre l’autonomie du système à travers le temps, avec des poissons qui vivent des algues que le système produit. Il n’est pas important de déterminer laquelle des quatre cellules devra contenir les plantes. Cependant, il est mieux de ne pas placer la pompe à air dans la cellule où sont les poissons, car ils peuvent être attrapés dans la pompe.

Cellule 2 : Poissons

Laissez cette cellule vide pour le moment. Placez-y les poissons seulement après que le système ait fonctionné quelques jours avec les plantes aquatiques. Les poissons dorés sont un bon choix, peu dispendieux, s’ils survivent à la transition entre l’animalerie et le système. Assurez-vous que les poissons ne sont pas trop petits, pour qu’ils ne pénètrent pas dans les tubes. Si c’est possible, mélangez un peu d’eau du système avec les poissons avant de les ajouter au système, pour qu’ils s’acclimatent.

Cellule 3 : Plantes émergentes

Pour la cellule 3, choisissez des plantes qui ont des racines submergées et des tiges. Certains exemples incluent des plantes connues comme les oreilles d’éléphant, les papyrus, les calas et les lys aquatiques. Tous croissent bien et sont faciles à trouver dans des endroits où on vend des plantes aquatiques. Commencez avec 2 à 5 tiges de n’importe laquelle de ces plantes. Les racines sont aussi nécessaires car elles sont la partie régénérative de ces plantes.

Cellule 4 : Boue d’étang

Pour la cellule 4, ramassez 2 à 3 tasses de boue dans un étang proche quelconque, si possible avec des berges peuplées de roseaux, de joncs ou de pâturages.

D’autres configurations sont aussi possibles pour ajouter de la vie, dépendant de ce qu’on désire faire ou illustrer (Voir la section Modifications au système standard.)

Observations

L’observation détaillée et organisée des systèmes vivants et de leur progrès génère un grand intérêt chez les étudiants. Une fois que le système fonctionne de façon stable et que le débit est raisonnable, les étudiants peuvent commencer à contrôler le nombre de plantes, la taille des feuilles, les types d’insectes ou d’invertébrés présents et la présence ou l’absence d’escargots ou d’autres organismes ou d’autres changements qui sont observables dans le système.

La mesure des niveaux d’azote est utile spécialement dans la cellule des poissons. On peut acheter des kits bon marché pour mesurer les niveaux d’azote dans les animaleries. Les plus importants sont ceux qui mesurent les niveaux d’ammoniac, de nitrite ou de nitrate. L’ammoniac et les nitrites sont toxiques pour les poissons, mais si les conditions existantes sont bonnes et qu’il y a des bactéries nitrifiantes, ces dernières convertiront ces composés en nitrate, une forme moins toxique et absorbée par les racines des plantes. Des déterminations colorimétriques (les étudiants comparent les couleurs de l’eau dans une éprouvette à un ruban standard de couleur) sont faciles à réaliser. Des observations régulières des niveaux d’ammoniac, de nitrite et de nitrate sont très instructives pour expliquer le sort des résidus et des nutriments dans le système. Ces déterminations doivent être journalières durant plusieurs semaines.

Ramasser les organismes vivants pour ensemencer le système est l’une des parties les plus amusantes de ce projet. Ayez à l’esprit que plus la diversité d’un système est grande, meilleure est la possibilité qu’il fonctionne bien. Pensez que vous transplantez des écosystèmes miniatures dans un nouveau foyer et que vous ne collectionnez pas seulement des spécimens. Après un certain temps, des populations d’insectes, d’algues et d’autres créatures apparaîtront et disparaîtront. Il n’est pas possible de déterminer, et ce n’est pas souhaitable, le nombre exact d’organismes qui seront présents et c’est une des parties les plus intéressantes d’un système vivant. Amusez-vous, expérimentez et ne laissez pas un déversement occasionnel vous décourager.

Activités et investigations

1. Observez le système au fil du temps, notant et dessinant les organismes dans chaque cellule.
2. Utilisez le système pour cultiver des crevettes, des écrevisses, des poissons ou d’autres espèces aquatiques.
3. Utilisez le système pour cultiver de façon aquaponique (une combinaison de culture de poisson et d’hydroponique). L’excrétion des poissons fournit l’engrais nécessaire à la croissance des plantes, lesquelles peuvent être des fleurs ou des légumes (la tomate et le basilique constituent une bonne combinaison).
4. Comparez la capacité de deux ou trois systèmes similaires à répondre à certains polluants ou déchets, tels que les résidus organiques, l’ammoniaque et les phosphates. Les niveaux de ces composant sont à déterminer en utilisant des tests standards pour la qualité de l’eau.

Déchets organiques : la demande biochimique d’oxygène (DBO) reflète la quantité de nutriments organiques qui peuvent fournir la nourriture aux bactéries dans l’eau. À mesure que les bactéries consomment des aliments, elles consomment aussi l’oxygène de l’eau et rejettent du bioxyde de carbone. Le résultat est un environnement faible en oxygène qui affecte négativement et peut être fatal pour d’autres organismes aquatiques. Le test de DBO mesure la quantité d’oxygène qui est disparue de l’eau durant une période de temps spécifique et assume que plus la présence de nourriture est grande, moins il y a d’oxygène dissous dans l’eau. Des quantités très élevées de DBO sont généralement reliées à la pollution par les égouts, par les parcs à engraissage de bétail, par l’égouttement des zones urbaines et par des déchets provenant d’autres procédés agricoles ou industriels. Pour cette étude, le lait en poudre reconstitué représente bien ce type de déchet ; il est relativement bon marché et peut être préparé dans une grande variété de concentrations.

Ammoniac : L’ammoniac est le produit de déchet de plusieurs animaux aquatiques. Quand sa concentration est élevée, il est toxique et peut causer la mort d’espèces aquatiques. Les écosystèmes sains contiennent des bactéries qui transforment l’ammonium en nitrates, lesquels sont moins toxiques. Des systèmes différents de recirculation peuvent être comparés entre eux quant à leur capacité à transformer de petites quantités d’ammoniaque.

Phosphates : Les phosphates se rencontrent généralement dans les engrais et les eaux d’écoulement des zones urbaines. Un excès de phosphate dans l’eau cause de l’eutrophisation, où il y a une explosion subite de plantes (algues), suivie de leur mort et de leur décomposition. Cette décomposition amène la diminution des champignons et des bactéries, résultant en une réduction totale de l’oxygène. Les étudiants peuvent comparer la capacité de systèmes de recirculation similaires à absorber une charge ponctuelle de phosphate.

5. Comparez deux systèmes standards dans lesquels la seule différence est le débit. Utilisez un aérateur dans l’un et une pompe électrique plus puissante dans l’autre.
6. Investiguez sur l’effet de biodiversité dans la capacité du système à répondre au stress. Dans deux systèmes avec une configuration identique de cellules, débit, volume et type de pompe, désignez un de ces systèmes comme « système plein de vie » et équipez-le avec plusieurs variétés d’organismes vivants, incluant différents types de plantes, de sol et de boue provenant de différents lieux et conditions. Dans l’autre système, soit le « système modifié », placez des poissons, du sable préalablement stérilisé (Placez-le dans un four durant une heure à 400 °C) et des plantes dont on a rincé les racines avec le jet d’un tuyau. Prenez régulièrement des échantillons de chacun des systèmes et mesurez l’ammoniaque, les nitrites et les nitrates. La détermination du pH peut aussi être intéressante. Après les observations initiales, introduisez un type quelconque de stress dans chaque système. Par exemple, vous pouvez arrêter temporairement le flux d’aération, couvrir la lumière, ajouter un polluant ou d’autres changements dans les deux systèmes. Continuez les mesures et la surveillance des systèmes. Notez qu’il s’agit d’une expérience à long terme qui demande de deux semaines à trois mois pour se faire.

Modifications

• Incluez des cellules qui imitent d’autres types d’environnements naturels, comme le sol forestier, le désert, des marais ou la plage. Prévoyez quelques cellules qui contiennent une grande quantité de « cachettes » pour les organismes aquatiques. Utilisez des cellules de tailles et de formes variées, certaines plus vastes et basses, certaines plus profondes. Incluez une cellule avec une pompe reliée à une horloge automatique pour simuler une « zone de rosée » sur une côte rocheuse ou la rive d‘un lac.
• Créez un système avec des cellules qui se remplissent et se vident périodiquement, imitant ainsi le changement de niveaux naturels dans des marais et des surfaces de basse mer, des salines ou des estuaires. Le système peut bénéficier de l’usage de cubes qui se versent par eux-mêmes, comme le décrit Adey (voir la section des ressources).
• Incluez une cellule anoxique/anaérobique pour la décomposition accélérée de résidus ou compost. Dans ce cas, installer un piège à odeurs peut s’avérer une bonne idée. Il s’agit d’un filet recouvert de morceaux de cèdre qui absorbent les odeurs provenant de cette cellule. Développez un système qui change le débit selon qu’il fait soleil ou sombre. Par exemple, un système qui utilise un aérateur tout le temps, mais qui augmente en plus son débit durant le jour au moyen d’une pompe équipée d’une source d’énergie solaire.
• Construisez un système avec un « atrium » en l’installant dans un endroit surélevé qui reproduit le son de l’eau courante et qui est entouré de matériel d’exhibition dédié à des interactions écologiques.

Ressources

Adey, W.H.

Andrews

Beyers

Mitchell

Matériaux

[Figure page 85]

Plan de conception de systèmes

Système 1 : L’eau coule par gravité de la cellule A aux cellules inférieures. La pompe fait revenir l’eau de la cellule C à la cellule A. Avantage : l’eau coule plus rapidement entre les cellules. Désavantage : une pompe est nécessaire parce que le système de pompage par l’air ne pourrait pas élever l’eau de cette distance. Si la pompe cesse de fonctionner, l’eau qui coule des cellules A et B causeront un déversement dans la cellule C.

Système 2 : Les cellules se trouvent à la même hauteur. L’eau de la cellule C retourne à la cellule A et cause l’élévation du niveau de l’eau dans la cellule A. Le niveau plus élevé de l’eau dans la cellule A génère la force pour pousser l’eau vers les cellules B et C. Avantage : cette quantité d’élévation peut être réalisée avec un système de pompe à air ; si la pompe cesse de fonctionner, il n’y aura pas de déversement d’eau. Désavantage : les débits produits sont moindres, mais adéquats.

[Figure page 86]

Gauche et centre : un système à quatre cellules, les trous dans deux des contenants sont « main gauche » et les deux autres « main droite ». Droite : un embout de tuyau placé à l’intérieur d’une rondelle produit une connexion imperméable où il n’y a pas besoin d’utiliser un scellant et il est facile à défaire.

[FAQ page 88]

FAQ (questions les plus fréquentes) sur les systèmes vivants

Combien de cellules ?

Les systèmes doivent avoir au minimum trois cellules. Des systèmes avec huit cellules ou plus sont difficiles à opérer.

De quelle grandeur doivent être les cellules ?

Le volume minimum est le volume d’une cruche d’eau, environ 19 litres (5 gallons).

Les systèmes doivent-ils être conçus par les étudiants ou par les enseignants ?

Quand les étudiants conçoivent le système, ils ont l’opportunité d’être créatifs et de porter plus attention au projet. Cependant, permettre aux étudiants de réaliser le concept requiert plus de temps et les résultats peuvent être variables. Un bon compromis est de laisser les étudiants choisir les contenants et le plan d’écoulement entre eux. Le professeur aide à connecter les cellules. Les fuites d’eau et la connexion inadéquate des cellules sont les problèmes les plus fréquents.

Comment peut-on éviter que les organismes passent d’une cellule à l’autre ?

Les petits organismes doivent pouvoir se déplacer d’une cellule à l’autre librement pour trouver la niche qui leur convient le mieux. Les poissons peuvent être maintenus dans une seule cellules en posant un morceau de grillage à l’entrée des tubes. Le grillage réduit aussi le nombre d’escargots qui s’agglutinent dans les tubes (les escargots, s’ils sont présents, doivent s’accumuler dans les tubes. Avec un grillage qui est facile à enlever et à remettre et une brosse à éprouvette à la main, on peut pousser les escargots à l’extérieur de ces tubes.

Est-il préférable d’avoir des cellules au même niveau ou à des niveaux différents ?

Chacune de ces options a ses avantages et ses inconvénients. Si on place les cellules à des niveaux différents, l’eau tombe d’une distance plus grande et devra être pompée d’une plus grande hauteur, ce qui requiert une plus grande quantité d’énergie. L’énergie pour faire monter l’eau de la hauteur nécessaire quand toutes les cellules sont au même niveau peut être fournie par une pompe à air. Le pompage pour une élévation plus grande si les cellules sont à des hauteurs différentes demandera une pompe électrique, ce qui nécessitera l’installation additionnelle d’un aérateur pour fournir l’oxygène requis.

Un défi pour les étudiants est d’essayer de déplacer et d’aérer l’eau sans utiliser l’électricité. Les étudiants rechercheront ainsi d’autres sources d’énergie, comme l’énergie produite par les humains ou par le vent, ou ils reverront certaines manières d’emmagasiner l’énergie qui étaient utilisées avant l’électricité, comme les roues, les contrepoids et les ressorts.

Que dois-je faire avec les habitants de mon système quand je décide de l’arrêter ?

S’il y a des poissons, trouvez quelqu’un qui veut les adopter. S’il y a des espèces invasives, ne les jetez pas dans les canaux ou les rivières. Consultez l’agence d’agriculture la plus proche pour vérifier si les espèces sont sur la liste des espèces invasives ou nocives pour votre région.

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Mark Heffer enseigne la biologie au niveau préparatoire au Vermont. Il a fait sa maîtrise sur les « Machines vivantes » avec le Dr. John Todd à l’université du Vermont. Antérieurement, il a enseigné en biologie et en sciences environnementales au niveau préparatoire à Ontario.

Traduit par Jocelyne Dickey, biologiste et enseignante à la retraite, traductrice depuis 2004, Québec.

Ce qui précède est une traduction de « Living Systems in the Classroom » qui a été publié en Green Teacher 68, Été 2002.