Biologie uitwerkingen kernpunten, opdrachten en aantekeningen

23.1 WaterBegrippen:Positieve druk: duwkracht (’s nachts: stam is dikker)Deze ontstaat niet door het opnemen van zouten uit de bodem, want daar is het in het voorjaar nog te koud voor. Deze ontstaat doordat er in de wortel opgeslagen koolhydraten oplossen in het voorjaar in de vorm van suikers in het water van de houtvaten. Door osmose nemen de wortels daarbij extra water op uit de bodem.

Negatieve druk: trekkracht (overdag: stam is dunner)

Dagnachtritme: Deze worteldruk duwt het water in de houtvaten omhoog. ’s Nachts zijn de huidmondjes dicht en vindt er geen verdamping plaats, er is dan een positieve druk in de houtvaten door worteldruk. Overdag als de huidmondjes open zijn vindt er verdamping plaats en is er een negatieve druk.

Endodermis: ring van cellen tussen de schors en de centrale cilinderBandjes van Caspari: kunststofachtige verdikkingen van de celwanden van de endodermis: cellen van de endodermis laten alleen water toe door het celmembraan en het grondplasma. Het water dat via de celwanden gaat wordt tegen gehouden door een laagje subirine, wat waterafstotend is.

Centrale cilinder: deel van de wortel binnen de endodermis

Houtvaten: buisvormige dode cellen zonder tussenwand met verdikte houtachtige celwanden. Harde cellen zodat het tegen de drukverschillen kan.

Wortelharen: uitstulpingen van opperhuidcellen. Zorgt voor een groot oppervlak waardoor er meer water kan worden opgenomen.

Verdamping en druppelen (bron 3 blz. 23): Verdamping in bladeren levert een grote negatieve druk. Verdamping neemt toe door lage luchtvochtigheid, wind dat zorgt voor afvoer van vochtige lucht en door hogere luchttemperatuur. Verdamping hangt af van de boomsoort, een naaldboom verdampt ongeveer vijf keer minder dan een loofboom doordat een naaldboom minder huidmondjes heeft. ’s Nachts is er geen verdamping en zijn de huidmondjes dicht, er vindt dan watertransport plaats onder invloed van worteldruk. Dit gebeurt ook wanneer in de herfst de bladeren vallen. Druppelen is dat er water uit de huidmondjes van de bladeren druppelt, dit ontstaat door hoge luchtvochtigheid, weinig wind en lage luchttemperatuur waardoor er nauwelijks verdamping plaatsvindt (“er is teveel aan water”). Druppelen ontstaat ook door hogere bodemtemperatuur zodat door meer activiteit van de wortels worteldruk ontstaat in de houtvaten en het water als het ware uit de huidmondjes “duwt”.

Door verdamping in bladeren ontstaat een negatieve druk die het water in de houtvaten omhoog ‘trekt’. Water kan langs twee routes binnenkomen. Een route loopt via celwanden, de andere gaat door celmembranen en grondplasma. Bij zuurstoftekort en lage temperaturen nemen wortels minder water op. Blijkbaar spelen bij de wateropname actieve processen een rol. Een van die actieve processen is de opname van ionen vanuit de bodem tot in de houtvaten. Voordat water in de houtvaten komt, passeert het de endodermis. Deze bestaat uit een ring van cellen waarvan de celwanden suberine bevatten (bandjes van Caspari). Deze stof is ondoorlaatbaar voor water. Al het water gaat door de celmembranen en het grondplasma van de endodermiscellen. Wanneer een plantenwortel zouten opneemt en doorgeeft naar de houtvaten, ontstaat in de houtvaten een

hogere osmotische waarde dan buiten de wortel. Door osmose gaat hierdoor water mee naar binnen. Dit veroorzaakt een positieve druk in de houtvaten: worteldruk.

Kernpunten:1. -zie bron 15-Het watertransport verloopt via twee routes;

1. Via celwandenHet water kan niet via de celwanden naar door de endodermis. De cellen van de endodermis bevatten subirine (bandjes van Caspari), dat is water afstotend.

2. Via het celmembraan en het grondplasmaAl het water moet dus door het celmembraan en het grondplasma van de endodermis. Zo heeft de plant invloed op de zouten die, opgelost in het water, mee naar binnenstromen. Wanneer een plantenwortel zouten opneemt en doorgeeft naar de houtvaten, ontstaat daar een hogere osmotische waarde dan buiten de wortel, hierdoor gaat water door osmose naar binnen. Dit veroorzaakt positieve druk in de houtvaten: de worteldruk.

2. 4 factoren die invloed hebben op de wateropname door wortels:1. Osmotische waarde -> positieve druk2. Verdamping: negatieve -> druk3. Grootte worteloppervlak: wortelhaartjes4. Omgevingsfactoren: vochtigheid, temperatuur, zonlicht.

3. Beschrijf hoe, onder invloed van o.a. wateropname en verdamping, positieve en negatieve druk in houtvaten elkaar afwisselen in een dag-nachtritme en een seizoensritme. Dag-nachtritme: Overdag staan de huidmondjes van de bladeren open en vindt er verdamping

plaats, hierdoor ontstaat er een negatieve druk in de houtvaten wat het water omhoog trekt. ’s Nachts zijn de huidmondjes in de bladeren dicht, waardoor er geen verdamping plaatsvindt, er is dan een positieve druk in de houtvaten door de worteldruk.

Seizoensritme: In het voorjaar heeft een boom geen bladeren en heeft dus weinig verdamping, er is dan dus ook geen negatieve druk die het water omhoog trekt. Maar er is dan wel een sterke positieve druk, deze ontstaat alleen niet door het opnemen van zouten uit de bodem, want daar is het in het voorjaar nog te koud voor. De koolhydraten die in de wortel zijn opgeslagen lossen in het voorjaar in de vorm van suikers op in het water van de houtvaten. Door osmose nemen de wortels daarbij extra water op uit de bodem.

4. Leg uit welke krachten het mogelijk maken dat het water in bomen wel tot 100 meter kan stijgen.

processen gebaseerd op:1. worteldruk osmose2. waterdruk verdamping3. oppervlakte spanning waterstofbruggen

(adhesie/cohesie)

De moleculen water ‘plakken’ aan elkaar doordat de ene kant van watermoleculen positief en de andere kant negatief elektrisch geladen is, waterstofbruggen. Hierdoor ontstaat een sterke oppervlaktespanning, maar ook cohesie en adhesie. Adhesie is aantrekkingskracht tussen watermoleculen en moleculen van een andere stof. Adhesie tussen watermoleculen en de moleculen

van de wanden van de houtvaten vormt één van de krachten waardoor water in houtvaten tot in de top van een plant kan stijgen. Cohesie is de aantrekkingskracht tussen gelijke moleculen, zoals watermoleculen. Cohesie vormt één van de krachten waardoor water in houtvaten kan stijgen tot in de top van een plant. Wanneer de adhesie groter is dan de cohesie wordt het water omhoog getrokken. Door de verdamping in de bladeren verdwijnt er water uit de plant, maar door cohesie blijft het water in elk houtvat als een continue waterdraad in stand. Een waterdraad breekt niet vanwege sterke cohesiekrachten tussen watermoleculen. Andere processen in wortels, stengels en bladeren spelen een belangrijke rol om water te laten stijgen.

Doordat water waterstofbruggen kan vormen, ‘plakken’ de moleculen aan elkaar. Hierdoor ontstaat er een sterke oppervlaktespanning, maar ook cohesie en adhesie. Door cohesie ontstaat er een sterke waterdraad die niet breekt.

5. Noem praktische consequenties voor het kiezen van grondsoorten, voor het geven van water en het verplanten van jonge (appel)bomen. Water en voedingszouten komen via wortelharen de plant binnen. Door de wortelharen is het oppervlak waardoor dit mogelijk is enorm vergroot. Wortelharen zijn erg dun, ze bestaan uit cytoplasma-uitstulpingen van opperhuidcellen. Hierdoor zijn ze erg gevoelig. Een pas verplante plant zal bijna al z’n wortelharen kwijt zijn. Daardoor gaat de opname van zouten en water veel trager. Verplanten kan het beste gebeuren op een moment dat een plant weinig blad heeft. Als je beslist in de zomer wilt verplanten, moeten takken en bladeren verwijderd worden.

23.2 Fotosynthese1. Benoem de wegen waarlangs water, waterdamp, O2 en CO2 een plant binnenkomen en verlaten in een schematische tekening van een plant aangeven en noem ook de onderdelen van deze wegen.

Bladeren: De meeste cellen met bladgroenkorrels bevinden zich in de bladeren. Koolstofdioxide komt via huidmondjes naar binnen. Door diffusie via intercellulaire holtes bereikt koolstofdioxide alle cellen met bladgroenkorrels. Het water voor de fotosynthese komt het blad binnen via houtvaten. De rest van het watertransport gaat via celwanden. Door osmose komt water de cellen binnen. Zuurstof dat als bijproduct van de fotosynthese ontstaat verlaat de bladeren door diffusie via de intercellulaire holtes en de huidmondjes. Ook waterdamp verlaat de bladeren via deze route. Huidmondjes staan open als de plant voldoende water kan transporteren om zo voor het verlies door verdamping te compenseren. Ze sluiten bij een tekort aan water, bijvoorbeeld op warme dagen.

2. Geef de fysische en chemische processen weer die plaatsvinden in en bij membranen van chloroplasten tijdens het vastleggen van lichtenergie in glucose beschrijven en schematisch weergeven.Bruto reactievergelijking fotosynthese:6 CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Lichtreactie: Via lichtreacties wordt lichtenergie omgezet in chemische energie (ATP en NADPH). Elektronenoverdracht is hierbij belangrijk.Elektronen in een chlorofyl(bladgroen) worden door fotonen(lichtenergie) aangeslagen en komen zo in een hogere energie toestand. Ze vallen niet terug naar de lagere energie toestand, maar worden opgevangen door stoffen die beurtelings elektronen opnemen en weer afstaan: elektronenacceptoren en –donoren. Via deze elektronenreeks gaan de elektronen van fotosysteem II naar fotosysteem I. De laatste acceptor in de reeks is NADP+.

Aan de binnenzijde van de membraan, aan de kant van het lumen, bevinden zich, gekoppeld aan fotosysteem II, enzymen die water splitsen in H+, O2, e-.

H2O -> 2H+ + 2e- + ½ O2 (2x)water protonen elektronen zuurstof

- De elektronen die hierbij vrijkomen, vullen de opengevallen plaatsen in het chlorofyl van fotosysteem II op.

- De H+ die hierbij vrijkomt bouwt een concentratiegradient op. Deze levert energie voor het vormen van ATP. Het enzym dat hiervoor nodig is, ATP-synthetase, bevindt zich in het membraan.

- De O2 verlaat als afval product via het stroma naar het grondplasma van de cel.

Er is op deze manier een elektronenstroom van, uit water afkomstige, elektronen aan de binnenzijde van het membraan, via fotosysteem II, elektronenacceptoren en donoren naar NADP+ aan de buitenzijde , de stromazijde, van het membraan.

NADP+-ionen verbindt zich met H+-ionen en elektronen tot NADPH.

NADP+ + 2H+ + 2e- -> NADPH + H+

Donkerreactie: Voor de donkerreactie is geen licht nodig, maar het kan wel in het licht gebeuren.In het stroma bevindt zich nu NADPH en ATP uit de lichtreactie. Ook zitten er in het stroma enzymen die als katalysator optreden voor de volgende reacties.

1. Enzymen binden de C (van CO2) aan een verbinding met al 5 C-atomen. Dan ontstaat er een verbinding met 6 C-atomen, die onmiddellijk uiteen valt in twee moleculen met 3 C-atomen.2. Enzymen reduceren de ontstane verbinding met 3 C-atomen, met behulp van de H uit NADPH, tot glyceraldehydefosfaat. Als energiebron is hier ATP nodig.3. Enzymen vormen een deel van de gevormde glyceraldehydefosfaat terug naar de oorspronkelijke verbinding met 5 C-atomen (zie reactie 1).4. Enzymen zetten een klein deel van de glyceraldehydefosfaat moleculen om in koolhydraten: (CH2O)n (bijvoorbeeld glucose: C6H12O6)

Donkerreactie: ATP + NADPH + CO2 -> (CH2O)n + ADP + Pi + NADP + water

Lichtreactie: water + ADP + Pi + NADP -> zuurstof + ATP + NADPH

3. Benoem 4 factoren die de snelheid en fotosynthese beïnvloeden en het verband tussen elk van deze factoren en de snelheid van fotosynthese schetsen in diagrammen.1. Lichtintensiteit2. Hoeveelheid water3. CO2 concentratie4. Temperatuur

Huidmondjes staan overdag open waardoor koolstofdioxide voor de fotosynthese naar binnen kan komen. Weinig wateraanvoer/ hoge temperatuur: Als er verwelking dreigt door te weinig aanvoer van water uit de wortels of teveel verdamping via de huidmondjes dan sluiten de huidmondjes. In zo’n geval kan er geen fotosynthese optreden. Wanneer de temperatuur hoger is, is er meer verdamping, dus kan er een watertekort ontstaan.Lichtintensiteit: Wanneer er te weinig licht is, is er te weinig lichtenergie om elektronen naar een hoger niveau te brengen en vind er geen fotosynthese plaats.

4. Noem de praktische consequenties van de kennis van het fotosyntheseproces voor het telen van appels en voor het telen van kasgewassen.?????????Zodat je weet dat planten water, voldoende licht en voldoende CO2 nodig hebben om te overleven.

23.3 Koolhydraten

Sink en source: Een jong groeiend blad vormt een 'sink' wat radioactief gemerkte suikers opneemt. De mate van de activiteit hangt af van de behoefte aan stoffen (koolhydraten). Een groeiend zaad maakt een hormoon aan dat de 'sinkactiviteit' van het vrucht waarin het zit vergroot. Vruchten die meer pitten bevatten worden dus groter dan de vruchten met minder pitten.Er kan dus concurrentie ontstaan tussen vruchten met veel en weinig pitten. Door wat vruchten weg te halen, krijgen de vruchten met veel pitten nog meer de kans om groter te worden.Een andere mogelijkheid is afsnoeien van de eindscheuten. Dit snoeiwerk zorgt echter wel voor disbalans tussen het bovengrondse deel en het ondergrondse deel van de boom. De verhouding tussen bovengrondse deel en de wortels zo regelt is dat een plant streeft naar een vaste verhouding. Daardoor zullen de wortels teveel stoffen naar boven transporteren en dus groeiende waterloten gaan vormen. Dit gaat ten koste van het zonlicht en de sacharose. Om deze disbalans te herstellen zullen ook de wortels afgesnoeid moeten worden. Langzamerhand verandert het blad in een 'source', wat nauwelijks nog radioactief gemerkte suiker opneemt. Radioactiviteit is te zien aan zwartkleuring.

1. Maak een schematische tekening van een plant waarin je aangeeft op welke plaatsen glucose, sacharose, cellulose, zetmeel en pectine voorkomen en waar de omzettingen van de verschillende koolhydraten in elkaar plaatsvinden.Zowel in het stroma van de chloroplasten als in het grondplasma rondom de chloroplasten ontstaat uit glyceraldehydefosfaat (zie 23.2) uiteindelijk het koolhydraat glucose. Éen van de tussenproducten is fructose-6-fosfaat. Fructose-6-fosfaat bind zich in het grondplasma met glucose tot sacharose. De sacharose verdwijnt uit de bladcellen en gaat naar andere delen van de plant via bastvaten.

In het stroma van de chloroplasten ontstaat uit de gevormde glucose zetmeel. Wanneer concentratie sacharose in het grondplasma laag wordt, verandert het zetmeel in de chloroplasten weer in glucose, deze glucose gaat naar het grondplasma en daar ontstaat dan weer sacharose. Dit proces voorkomt dat de concentraties glucose en sacharose in de cel zo hoog worden dat de osmotische waarde te veel stijgt.

Glucose: stroma, grondplasmaSacharose: grondplasma, bastvatenCellulose: ??????????Zetmeel: stromaPectine: ???????????????

2. Leg uit onder welke invloed van welke kracht het transport van koolhydraten plaatsvind/ 3. Beschrijf of teken langs welke route een watermolecuul vanuit de wortel via de bladeren in een appel terecht komt.???????Koolhydraattransport verloopt via bastvaten, die net als houtvaten door de hele plant lopen. Bastvaten zijn langgerekte transportkanalen die bestaan uit levende cellen die met elkaar verbonden zijn door middel van doorboorde tussenwanden: zeefplaten. De drijvende kracht voor de sapstroom in bastvaten is een door osmose opgebouwd drukverschil. In een volgroeid blad (‘source’) ontstaat sacharose. Cellen rond de bastvaten scheiden dat actief af naar de bastvaten.

Door het verschil in osmotische waarde gaat vervolgens water naar de bastvaten. Dit veroorzaakt daar een overdruk. Op plaatsen waar koolhydraten nodig zijn (‘sink’) halen cellen sacharose uit de bastvaten. Hierdoor ontstaat onderdruk.

4. Beschrijf in 50 woorden hoe mensen erin zijn geslaagd om uit de oorspronkelijke wilde appelboom met zure kleine vruchtjes de huidige appelrassen te kweken door middel van kruisen en selecteren op ‘sinkactiviteit’. Door de sinkactiviteit te vergroten: Planten die het grootste percentage stoffen in de eetbare delen opslaan, kunnen na selectie verder gekruist worden. Er is geselecteerd op sinkactiviteit van de vruchten.??????????????????????

5. Noem drie effecten van snoeien en geef daarvan de praktische consequenties aan.De mate van de activiteit van een ‘sink’ hangt samen met de behoefte aan stoffen (koolhydraten), maar ook met sommige hormonen uit de plantendelen. Een groeiende aardappel zal veel zetmeel opslaan en daarvoor veel sacharose onttrekken aan de sapstroom. Een groeiend zaad maakt een hormoon aan dat de ‘sinkactiviteit’ van de vrucht waar het in zit, vergroot. Er ontstaat concurrentie tussen verschillende actieve ‘sinks’. Een gevolg hiervan is de vruchtdunning. Bij bijvoorbeeld druiven, kan de mens deze vruchtdunning versterken door zelf vruchten weg te halen. Daardoor wordt het aantal vruchten kleiner, maar per stuk worden de vruchten groter. Een ander manier is het afsnoeien van de eindscheuten, waardoor er meer stoffen beschikbaar komen voor de vruchten. Dit heeft als bijkomend voordeel dat er meer licht op de vruchten vallen en ze een mooiere kleur krijgen.

De plant streeft naar een vaste verhouding tussen wortelstelsel en bovengrondse delen. Voor een boom betekent dit dat bij afsnoeien van bladeren en takken de wortels te veel stoffen naar boven transporteren. De boom gaat hierdoor over tot het vormen van actieve sinks, snel groeiende rechtop lopende waterloten waarin geen vruchtbeginsels worden aangelegd. Dit gaat door totdat de wortel-tak verhouding weer normaal is.

Rijpe appels: De hardheid van appels verdwijnt doordat enzymen de celwanden en de pectine die de cellen bij elkaar houden, afbreken. Door de afbraak van zetmeel ontstaan suikers die zich ophopen. Doordat tegelijkertijd organische zuren verdwijnen worden de appels zoeter. Ook ontstaan er anthocyanen en carotenen, waardoor de appels roder kleuren. Het hele proces van rijping hangt samen met de hoeveelheid zonlicht en warmte die de appels krijgen. Aan de zonnige kant van de boom ontstaan dikkere (door meer source activiteit) en zoetere en rodere appels.

23.4 BemestingChlorose: Chlorose is het verschijnsel dat delen van een plant die normaal groen zijn er geelachtig uitzien door een gebrek aan chlorofyl. Dat kan verschillende oorzaken hebben, gebrek aan kalium, ijzer of calcium enzovoort. Chlorofyl ontstaat uit een ijzer-porfyrine-complex, waarin ijzer wordt vervangen door magnesium. (bron 62)

1. Geef in een schematische tekening aan langs welke wegen mineralen bij de verschillende planten delen terechtkomen.Mineralen uit de bodem komen in planten terecht via het wortelstelsel. Het opnameproces is afhankelijk van de stofwisseling. Actieve opnameprocessen spelen dus een rol. In perioden dat een plant weinig verdampt, veroorzaakt het ophopen van mineralen in de houtvaten worteldruk, en dit leidt tot het uitpersen van water uit de bladeren: ‘druppelen’.

De waterstroom door de houtvaten bepaalt waar de meegevoerde mineralen terecht komen. Groeipunten en vruchten krijgen weinig toevoer van water en mineralen vanuit de wortels via de houtvaten. Ze zijn aangewezen op toevoer van mineralen via bastvaten. De stroom in bastvaten gaat van blad naar groeipunten en ontwikkelende vruchten. Bij bomen die in de herfst hun bladeren verliezen ontstaat een grote ‘sinkactiviteit’ in de stam, waar zetmeel wordt opgeslagen. In die periode gaan daardoor veel mineralen met de sapstroom mee in de bastvaten naar de stam.

2. Noem de stoffen waarin planten de elementen N, S en P inbouwen.N: aminozuren, eiwittenS: aminozuren, eiwittenP: eiwitten, ATP, nucleïnezuren

3. Combineer de begrippen assimilatie, voortgezette assimilatie, dissimilatie en levensloop van een plant in een tekst van 100 worden over het onderwerp ‘Groei’.Groei betekend een toename aan droge stof. Bij planten gebeurt dit als tijdens de fotosynthese (koolstofassimilatie) meer stof ontstaat dan er tijdens de verbranding (assimilatie) verdwijnt. Tijdens dissimilatie ‘verbranden’ planten glucose. Ze gebruiken hierbij zuurstof en er ontstaat koolstofdioxide en water.

Koolstofassimilatie is het opbouwen van moleculen (assimilatie) waarbij koolstofatomen worden ingebouwd. Koolstofassimilatie vindt plaats tijdens het proces van fotosynthese (in chloroplasten) of chemosynthese (in bepaalde bacteriën). Bij de koolstofassimilatie ontstaat glucose uit water en koolstofdioxide. De energie daarvoor bij de fotosynthese is afkomstig uit licht. De bruto-reactievergelijking van dit proces (6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2) is omgekeerd aan die van dissimilatie.

Assimilatie is het opbouwen van grote moleculen uit kleinere moleculen.

Fotosynthese vindt alleen plaats in het licht in cellen met bladgroenkorrels (chloroplasten). Dissimilatie gaat in alle levende cellen dag en nacht door en is grotendeels onafhankelijk van de hoeveelheid licht. Een kiemplant heeft nog niet veel groene delen voor fotosynthese en groeit daardoor langzaam. Bij alle planten is waar te nemen dat tijdens het ontstaan van bladeren de groeisnelheid toeneemt. Daarna volgt een periode dat het bladoppervlak niet toeneemt en de groei stilstaat. Tijdens deze periode vindt vaak een herverdeling plaats van stoffen vanuit de bladeren naar organen waar opslag plaats vindt (vruchten, zaden, stengel, stam). Er is dan negatieve groei van de bladeren, terwijl andere organen groeien.

Planten bestaan ook uit stoffen als eiwitten, zoals DNA, ATP, vetten. Plantencellen kunnen uit de grondstoffen glucose en mineralen deze stoffen zelf maken door middel van voortgezette assimilatie.

Voortgezette assimilatie is het opbouwen van grotere moleculen uit glucose en andere stoffen. Voortgezette assimilatie vindt plaats in levende cellen. Er ontstaan celmateriaal en reservestoffen. De voortgezette assimilatie kost meestal energie (ATP), die geleverd wordt door de dissimilatie. Voorbeelden van stoffen die ontstaan bij voortgezette assimilatie zijn aminozuren, eiwitten, DNA, ATP, vetten, houtstof, vitamines.

4. Zet in een diagram het drooggewicht van de hele plant, en van de bladeren en de vruchten afzonderlijk uit tegen de tijd. ??????????

5. Beschrijf het verband tussen de hoeveelheid bemesting en de groei van de plant.- Voldoende bemesting zorgt voor een betere groei, te veel bemesting zorgt voor het sterven van de plant. Dus wanneer de concentratie bemesting toeneemt, zal de plant ook beter groeien, tot op een bepaald punt de plant over bemest wordt en sterft. ??????????

6. Geef de praktische consequenties weer voor bemesting.Betere groei.???????????

24.1 RingwegenBiosfeerBiosfeer: waar het leven op aarde zich afspeelt, het geheel van ecosystemen op aarde (meeste organismen zijn te vinden tussen 100 meter onder de zee spiegel en 5000 meter erboven).

Beperkende factoren zorgen ervoor dat er daarbuiten geen/minder leven is: o Extreme kou, hitte en droogte.o Ver onder de zeespiegel: ontbreken van licht (voor bijvoorbeeld de fotosynthese van

algen) en voedsel (voor bijvoorbeeld herbivore vissen). o Boven de 5000 m: gebrek aan vloeibaar water (voor bijvoorbeeld een vaatplant).

De biosfeer is een afgesloten geheel, dus circuleren voor het leven essentiële elementen in kringlopen. Dat er leven op aarde voorkomt hangt vooral samen met vloeibaar water en geschikte energiebronnen. Water is belangrijk want organismen bestaan voor een groot deel uit water, water is een belangrijke transport vloeistof binnen organismen, water is nodig voor de afbraak van stoffen (hydrolyse) en water kent fysische eigenschappen die van belang zijn voor het leven.

Gaia hypothese: het beeld van de zichzelf onderhoudende biosfeer, de aarde als een levend ruimteschip. Waterkringloop: Door verdamping ontstaan (vooral boven oceanen) wolken. In kouder luchtlagen vormen de kleine waterdruppeltjes grotere druppels die als regen op de aarde vallen. Rivieren voeren het water terug naar de oceaan (dit herhaalt zich voortdurend).

Producenten/consumenten: koolstofkringloopProducenten: autotrofe plantenConsumenten: heterotrofe organismen, zij leven van koolstofverbindingen die door andere organismen zijn gemaaktReducenten: (bacteriën en schimmels) heterotrofe organismen die dode planten en dieren omzetten in mineralen, bij deze afbraak ontstaat CO2 (nodig voor fotosynthese).

Assimilatie: Producenten leggen zonne-energie vast in biomassa, namelijk in glucosemoleculen. Dissimilatie: het verbranden van glucosemoleculen waarbij energie vrij komt. Voortgezette assimilatie: glucosemoleculen als bouwstenen gebruiken voor stoffen als zetmeel, houtstof en cellulose. De energie hiervoor komt van dissimilatie.

Fysische en chemische processen: Ook bij verwering van kalksteen (CaCO3) komt er CO2 vrij in de atmosfeer. Verdamping en neerslag van water zorgen voor transport van koolstof (CO2 lost op in water en ‘regent uit de lucht’).

Dus doordat producenten energierijke koolstofverbindingen maken, kunnen consumenten en reducenten ze gebruiken voor hun levensprocessen. Maar ook door fysische en chemische processen spelen een rol in deze koolstofkringloop.

Belangrijkste elementen in levend materiaal (bron 5): H, O, C, N, P, S. Deze elementen komen bijvoorbeeld voor in: eiwitten, aminozuren, koolhydraten, vetten, DNA, RNA, ATP.

Afbraak van organische stoffen (bron 6): van goed biologisch afbreekbaar naar slecht biologisch afbreekbaar: glucose, cellulose, lignine (houtvezels), fenolen (dennennaalden). Kunstmatige stoffen (PCB en DDT) kunnen niet worden afgebroken. Het is bekend dat sommige bacteriën olieresten in de grond kunnen afbreken, ook zijn er genetische veranderingen bekend waardoor bacteriën een afvalsoort die ze eerst niet aankonden nu wel gaan afbreken. Dit kan op een natuurlijke manier door mutatie zijn gekomen maar ook op een kunstmatige manier door biotechnologie.

24.2 Een motertje van 6 ccChemo-autotrofen: zijn bacteriën die koolstof kunnen fixeren, daarmee staan ze samen met planten aan de basis van de koolstofkringloop.

- Verbranding van koolstof binnen de koolstofkringloop:In koolstofverbindingen zit energie (denk maar aan zetmeel, tarwe, mais en fossiele brandstoffen).

Snelle koolstofkringloop/langzame koolstofkringloop: koolstof kan honderden jaren als biomassa in een organisme blijven (boom), maar het kan ook sneller doorstromen naar andere organismen, die er dan weer CO2 van maken. Een koolstofkringloop van hooguit een paar honderd jaar is een snelle kringloop. Niet afgebroken koolstofverbindingen hopen zich op in sedimenten en fossiele brandstof.

- Waterverkalking: Koolstofdioxide lost op in water, hierdoor zal koolstof in watermassa’s verdwijnen. De hoeveelheid hangt af van de temperatuur en de pH (opgeloste CO2 vormt het zure bicarbonaation). Dieren gebruiken de opgeloste CO2 voor de vorming van hun schelpen, wanneer deze dieren sterven zakken hun schelpen naar de bodem. Door sedimentatie ontstaat dan kalksteen. Kalksteen is door verwering een bron van CO2.

Compartimenten van de koolstofkringloop: waar de koolstof zich bevindt, namelijk: water, de atmosfeer, de organismen, en de fossiele brandstoffen.

Het is lastig te bepalen hoeveel koolstof van het ene naar het andere compartiment stroomt doordat dit varieert door menselijke en dierlijke activiteiten en seizoensinvloeden. Wanneer de netto- in en uitstroom uit een compartiment niet meer gelijk zijn, raakt de koolstofkringloop uit balans. Zo hoopt de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer de laatste tijd zich er snel op (door bijvoorbeeld de verbranding van tropische regenwouden en door de verbranding van fossiele brandstoffen).

In de oceaan is koolstof vooral aanwezig in anorganische vorm ( HCO3-), en op het land juist in organische verbindingen.

Wanneer dieren kalk gebruiken voor de vorming van schelpen lost er steeds meer CO2 in het water op: CO2 + H2O <--> H2CO3 <--> H+ + HCO3

-

Wanneer zeedieren HCO3- opnemen en omzetten in kalk voor hun skeletten, verschuift het evenwicht naar rechts: er lost meer CO2 op in het water.

Onvolledige oxidatie: Vergisting: gist dissimileert suikers uit fruit aëroob (met zuurstof), wanneer de zuurstof opraakt schakelen gistcellen over op anaërobe fermentatie (vergisting). In plaats van de suikers helemaal af te breken tot CO2 en H2O, zetten ze suikers om in ethanol. Hierbij komt CO2 vrij. De giftige alcohol scheiden de gistcellen uit.

Het gewenste effect van de activiteit van gist bij het maken van brood is dat gistcellen CO2 produceren, en dat zet uit bij het bakken en zorgt voor een luchtig brood. Er wordt een vochtige doek op het brood gelegd om de anaërobe omstandigheden in de hand te werken.

Wanneer je wijn wil maken stop je druivenpulp in een vat met een waterslot, zo kan de CO2 ontsnappen maar komt er geen zuurstof naar binnen. De gisten (uit de druivenhuid) werken produceren alcohol. Bij bier werkt het hetzelfde, alleen daar moet je voordat de gist is uitgewerkt het waterslot vervangen door een dop, zodat de CO2 onder druk zit opgesloten in het bier, dit zorgt voor de schuimkraag. De vergisting in bier is eerder gestopt dan bij wijn, daarom is het alcohol percentage lager.

Azijnzuurbacteriën: gebruiken ethanol als koolstofbron, maar alleen in de aanwezigheid van zuurstof. Deze bacteriën krijgen energie door de oxidatie van alcohol tot azijnzuur.

24.3 PlattelandswegenStikstofkringloop:Stikstof: ruim driekwart van de atmosfeer en ook in gesteente zit heel veel stikstof. Toch is stikstof vaak een beperkende factor, dit komt omdat organismen het stikstofmolecuul (N2) niet kunnen inbouwen. Alleen wanneer stikstof is ingebouwd in een stikstofzout (NO3-, nitraat, NH4+, ammonium) kunnen autotrofe organismen het inbouwen, heterotrofe organismen (dieren en mensen) halen hun stikstof uit eiwitten van planten.

Bacteriën die een rol spelen in de stikstofkringloop:Stikstofbindende bacteriën: (wortelknolletjes) kunnen wel N2 uit de atmosfeer halen en zetten dat om in NH3 (ammoniak), dit heet stikstoffixatie. Dit gaat anaëroob, de wortelknolletjesbacteriën leven in de zuurstofloze wortelknolletjes van vlinderbloemigen en de vrijlevende stikstofbindende bacteriën houden bepaalde cellen zuurstofloos. Rottingsbacteriën: reduceren organisch materiaal tot ammoniak (NH3), dat met water reageert tot ammoniumionen (NH4+). (Chemo-autotrofe) nitriet- en nitraatbacteriën: zetten NH4+ via NO2- om in NO3- (nitrificatie). Dit gaat aëroob. Anammox bacterie: zet NH3 om in N2 (hierdoor gaat veel stikstof verloren voor andere organismen).Denitrificerende bacteriën: zetten in de bodem stikstof als gasvormige stikstof oxiden (N2O) of moleculair stikstof (N2) naar de atmosfeer. (aëroob).

Voor bepaalde organismen (bijvoorbeeld champignons) is de C/N verhouding erg belangrijk voor de groei. De koolstof is nodig voor de energievoorziening en voor de voortgezette assimilatie. De stikstof is nodig voor de eiwitsynthese.

Stikstof die is ingebouwd in organismen is niet beschikbaar voor de stikstofkringloop, deze stikstof is geïmmobiliseerd.

Naast stikstofbindende bacteriën zijn er twee andere manieren om verse stikstof uit de atmosfeer te halen: - Bliksem: via de hoogenergetische elektrische ontladingen van bliksem reageren stikstof- en

zuurstofgas tot stikstofoxiden, die opgelost in water neer regenen als HNO3 (salpeterzuur).- Haber-Borsch procedé: volgens deze techniek reageren N2 en H2 onder hoge druk en bij

hoge temperatuur met gebruikmaking van nikkel als katalysator tot ammoniak.

Door intensieve landbouw en bemesting komt er te veel stikstof in de atmosfeer, want planten nemen slecht 50 – 80% van de stikstof uit kunstmest op. Nitrificerende bacteriën zetten deze extra stikstof (ammoniak) om in nitraat. Dit zorgt voor algenbloei, giftig nitraat-bevattend drinkwater en zure regen.

24.4 Snel weg? Soms!Problemen bij afval verwerking: 1. Grote hoeveelheden organisch afval: Organische afvalstoffen (ontlasting, urine en etensresten) kunnen in principe zo de koolstof- en stikstofkringloop in, maar door de grote hoeveelheid op één plek loopt dit vast. Aërobe micro-organismen vermeerderen zich erg snel, waardoor er snel anaërobe omstandigheden plaatsvinden. Anaërobe reducenten breken het afval wel af, maar dat gaat langzaam.

2. De aanwezigheid van niet-biologisch afbreekbaarafval: Niet-biologisch afbreekbare stoffen, zoals allerlei chemische stoffen, verstoren de biologische mineralisatie van afval of vergiftigen de reducenten.

3. Grote hoeveelheid mineralen die vrijkomen bij de afbraak:Verontreinigd grondwater en eutrofiëring (verrijking met meststoffen) van omringend oppervlakte water zijn het gevolg. Dit probleem treedt ook op bij de lozing van rioolwater in sloten en plassen, daarbij breken micro-organismen de organische stoffen af, hierbij gebruiken ze zuurstof. En daardoor daalt het zuurstof gehalte van het water en kunnen waterdieren sterven en uiteindelijk leidt dit tot een keten van gebeurtenissen die al het leven in een sloot vernietigt.

RWZI (rioolwaterzuiveringsinstallatie): 1. Scheiding van het grove afval en het water. 2. Biologische reiniging.

Hierbij wordt het water belucht, zodat er geen anaërobe omstandigheden plaatsvinden en de afbraak snel gaat. Bacteriën die hierbij een rol spelen zijn aëroob, bijvoorbeeld rottingsbacteriën, nitrificerende bacteriën, azijnzuurbacteriën en gist/schimmels.

3. Het water gaat terug naar de rivieren (het is echter niet helemaal schoon).

BZV (biologisch zuurstof verbruik): de mate van vervuiling van water wordt in BZV uitgedrukt. De afbraakorganismen zijn aëroob. Door te meten hoeveel zuurstof een monster rioolwater verbruikt, krijg je een indruk van het potentieel te mineraliseren organische stof in het water. Wanneer het water een kleine BZV (dus weinig afbreekbare organische stof bevat), dan kan het worden geloosd.

De taak van een RWZI: het verlagen van het BZV van het water tot een aanvaardbaar niveau.

Compostering: bij compostering werken reducenten onder zo optimaal mogelijke omstandigheden in op organisch afval. Er ontstaat dan, na weken tot maanden, een humusrijke, bruinzwarte aarde die erg geschikt is als bodemverbeteraar. Humuszuren en andere afbraakproducten van bacteriën houden water en mineralen vast en voorkomen dat voedingsstoffen uitspoelen, ook maakt compost de boden luchtiger.

Recycling: - metalen en glas zijn na omsmelting gemakkelijk her te gebruiken; - hout spaanplaat- autobanden sportvloer

Kunststoffen en plastic voorwerpen kunnen niet makkelijk worden gerecycled. Ook chemische stoffen uit laboratoria zijn niet her te gebruiken en kunnen we alleen maar verbranden of veilig opslaan.Het verdere niet-bruikbare en niet-giftige afval gaat naar de verbrandingsovens, hieruit wordt elektrische energie gewonnen.

25.5 Warm asfaltOm te kijken naar klimaatsveranderingen in de toekomst worden modellen ontworpen. Modellen voorspellen de effecten van menselijk ingrijpen in de kringlopen op aarde. De uitkomsten van modellen zijn sterk afhankelijk van in modelberekeningen gebruikte gegevens en kennis. Maar een model kan niet met alle factoren rekening houden (bijvoorbeeld strenge winters).

In 1980 zeiden alle milieuorganisaties dat de bossen van West-Europa ten dode waren opgeschreven door de zure regen. Binnen 10 jaar zouden de bossen alleen nog maar bestaan uit kale, stervende bomen, alleen in 1990 was hier weinig van te merken. 1. Dit zou kunnen komen doordat zure regen (bestaat uit SO2 en NOx) ook een gunstig effect op bomen kunnen hebben. Stikstof aangevoerd door regen, bemest de bodem. De bomen groeien daardoor beter en zijn beter bestand tegen de effecten van zure regen. 2. Ook is de uitstoot van vervuilende stoffen door allerlei maatregelen minder geworden.

Nadelige effecten zure regen:Doordat de zure regen de pH verlaagt, verdwijnen planten die het goed doen op basische grond. Wordt de pH heel laag, dan komt aluminium vrij en dat tast de kieuwen van vissen aan.

De milieuorganisaties hebben dus niet helemaal ongelijk gehad, want veel bossen zijn inderdaad veranderd qua samenstelling en rijkdom aan soorten. De achteruitgang is veel geleidelijker en minder opvallend gegaan.

Broeikaseffect: CO2 laat zonlicht met een korte golflengte door, maar absorbeert de lange-golf warmtestraling van de aarde (dit is goed, anders zou de gem. temperatuur op aarde -17 graden zijn). Versterkte broeikaseffect: door menselijke activiteiten komt er teveel CO2 in de lucht, waardoor de aarde te veel opwarmt. Dan zal het zeewater uitzetten en de ijskappen gaan smelten, met als resultaat een stijgend zeeniveau (overstromingen!). Ook verandert hierdoor de biodiversiteit.

De opwarming van de aarde komt naast de verhoogde CO2 concentraties, ook andere broeikasgassen en de feller brandende zon hebben invloed.

Modellen geven uiteenlopende prognoses over de snelheid en mate van opwarming.