Fotosynthese als energiebron. Docentenhandleiding

Transcriptie

1 Fotosynthese als energiebron Docentenhandleiding

2 1 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Ontwikkeld door Wageningen University. Maart 2014 Wageningen University Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

3 2 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron INHOUD Fotosynthese als energiebron Inhoud 2 Samenvatting 3 Inleiding voorbereidende les 4 Theorie fotosynthese 6 Theorie absorptie en fluorescentie 9 Theorie vragen 10 Practicum Handleiding 11 Experiment 1: de kleurstofzonnecel 11 Doel 11 Theorie over de kleurstofzonnecel 11 Uitvoering experiment 1 12 Metingen 15 Vragen 15 Experiment 2: adaptatie van planten en korstmossen 16 Doel 16 Theorie PAM fluorometer 16 Uitvoering experiment 2 18 Metingen 20 Vragen 20 Bronnen 22

4 3 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron SAMENVATTING De wereld heeft een dringende behoefte aan duurzame energiebronnen nu onze vraag naar energie steeds groter wordt. Bovendien is het einde van de voorraad van de fossiele brandstoffen in zicht. De zon als grootste bron van energie zal daarom belangrijk zijn in alle mogelijke toekomstige scenario s om zo steeds meer fossiele brandstoffen te vervangen door duurzame energie. Het onderzoeksprogramma Towards Biosolar Cells waaraan Wageningen University deelneemt, is erop gericht om planten en microalgen efficiënter zonlicht te laten omzetten in energie en bouwstoffen. Hiervoor is kennis op moleculaire schaal nodig van het fotosyntheseproces. De vraag is of dit natuurlijke proces gebruikt kan worden voor het produceren van biobrandstoffen en groene stroom. In dit practicum willen wij scholieren enig inzicht geven in het proces achter fotosynthese en haar mogelijkheden. In twee afzonderlijke experimenten worden achtereenvolgens: 1) een kleurstofzonnecel gemaakt die een elektronenstroom produceert op een vergelijkbare manier als gebeurt in het fotosyntheseproces, 2) de fotosynthetische activiteit en adaptatie van planten en korstmossen gemeten met een PAM fluorometer.

5 4 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron INLEIDING VOORBEREIDENDE LES Planten en andere fotosynthetische organismen hebben verschillende nuttige functies in onze leefwereld en zijn onmisbaar in de koolstof- en zuurstofkringloop. De fotosynthetische organismen (o.a. planten) staan aan het begin van de voedselketen en zijn daarom essentieel voor het leven op aarde. De reden hiervoor is dat ze zonne-energie kunnen omzetten in biomassa en zo hun eigen voedsel kunnen maken met behulp van fotosynthese. In dit proces wordt licht gebruikt om water (H 2 O) en koolstofdioxide (CO 2 ) tot zuurstof (O 2 ) en energierijke glucose (C 6 H 12 O 6 ) om te zetten. Koolstofdioxide is een zogenaamd broeikasgas. Teveel van dit gas in de atmosfeer zorgt ervoor dat de aarde opwarmt. De laatste jaar tot de industriële revolutie heeft het CO 2 -gehalte altijd tussen de 180 en 300 ppm (delen per miljoen) geschommeld. Na de industriële revolutie is het CO 2 -gehalte snel gestegen tot 385 ppm in In figuur 1 is het verband tussen de temperatuur en het CO 2 -gehalte te zien. Dit broeikasgas wordt dus door fotosynthetische organismen opgeruimd. De gevormde glucose kan door middel van voortgezette assimilatie omgezet worden tot allerlei andere producten zoals zetmeel, plantaardige eiwitten en vetten. Deze gevormde producten kunnen weer door dieren en mensen worden gegeten. Tenslotte is zuurstof een belangrijk gas dat bijna alle organismen nodig hebben voor de dissimilatie. Het fotosyntheseproces wordt beïnvloed door biotische en abiotische factoren. Een voorbeeld van een biotische factor is de plantdichtheid. Een plant die op een stuk grond staat waar weinig andere planten groeien, heeft weinig concurrentie met andere planten. Een voorbeeld van een abiotische factor is de CO 2 - concentratie. Een hogere concentratie CO 2 leidt tot een hogere fotosynthese activiteit, mits andere factoren (zoals water en licht) niet beperkend zijn.

6 5 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Figuur 1. Data uit ijskernen van Antarctica [1]. Correlatie tussen de temperatuur (blauw) en de CO 2 -concentratie (rood). De laatste jaar zijn er verschillende koudere periodes (ijstijden) geweest afgewisseld met warmere periodes. In de huidige tijd leven we in een warmere periode. De rode gestippelde lijnen geven de variatie van de concentratie CO 2 aan van de laatste jaar. In de huidige tijd (de 0 lijn) schiet de CO 2 -concentratie naar de rode stip. De verwachting is dat de temperatuur de CO 2 -concentratie zal volgen en dat de temperatuur dus zal oplopen deze eeuw. Naast de belangrijke rol van fotosynthetische organismen in de koolstof- en zuurstofkringloop kunnen deze organismen ook een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling naar duurzame energie. Een belangrijke barrière is dat de fotosynthetische organismen niet heel efficiënt zijn in het oogsten van zonneenergie. Minder dan 1% van de zonne-energie wordt opgeslagen als biomassa door een gemiddeld landbouwgewas. Het verbeteren van de efficiëntie zal enorme invloed hebben op de biomassaproductie voor voedsel, grondstoffen en bioenergie. Het begrijpen van de fotosynthese op moleculair niveau is hierbij van essentieel belang. De wereld heeft een dringende behoefte aan duurzame energie. Niet alleen klimaatveranderingen, maar ook energiezekerheid spelen een belangrijke rol in de enorme belangstelling voor duurzame energie vanuit de wetenschap, politiek en de media. Vandaar dat de Europese Unie heeft afgesproken om 20% duurzame energie te gebruiken in Het totaalverbruik van duurzame energie (o.a. elektriciteit en brandstoffen) in Nederland was in % van het totale energieverbruik. Hiervan is 7.5% duurzame elektriciteit van het totale elektriciteitsverbruik. De zon is de grootste bron van energie op aarde en elk uur valt er evenveel energie op onze aarde als wij gebruiken in een heel jaar. Direct of indirect zullen we dus zonlicht nodig hebben om in onze energiebehoefte voor de toekomst te kunnen voorzien. Ook groene stroom zal belangrijk zijn voor de toekomstige energievoorziening. Er bestaan al verschillende methodes om duurzame stroom op te wekken zoals

7 6 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron met behulp van waterkrachtcentrales, windmolens en (silicium) zonnecellen. Ook het fotosyntheseproces kan een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van nieuwe types zonnecellen (zoals de kleurstofzonnecel). T HEORIE FOTOSYNTHESE De fotosynthese bestaat uit een lichtreactie en een donkerreactie. In de lichtreactie worden ATP, NADPH en O 2 gevormd met behulp van zonlicht. Vervolgens wordt in de donkerreactie, met behulp van CO 2, ATP en NADPH (uit de lichtreactie), glucose gevormd. In deze paragraaf wordt dieper ingegaan op de lichtreactie, omdat we in dit practicum alleen de efficiëntie van de lichtreactie gaan meten. De fotosynthesereactie speelt zich af in de chloroplasten (bladgroenkorrels), de groene celorganellen die een blad zijn kleur geven. In die chloroplasten zit een kleurstof, het chlorofyl. Ongeveer 100 chlorofylmoleculen en een reactiecentrum vormen samen een antennecomplex. Dit complex kan energie uit zonlicht opvangen en gebruiken om een elektron aan te slaan. In een plant zijn twee soorten antennecomplexen die een optimale werking hebben bij een verschillende golflengte van het zonlicht. Bij fotosysteem I is deze golflengte 700 nm en bij fotosysteem II is dit 680 nm (zie figuur 2). De reacties die zich afspelen in fotosysteem I en II worden samen de lichtreactie genoemd. Het in fotosysteem II vrijgemaakte en op een hoger energieniveau gebrachte elektron wordt aangevuld door een elektron dat vrijkomt bij splitsing van H 2 O in O 2 en H + (zie figuur 2). Dit vrijmaken van een elektron gaat razendsnel (ongeveer seconden).

8 7 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Figuur 2. Energieoverdracht in fotosysteem I en II [4] Het in fotosysteem II vrijgemaakte elektron wordt via een elektronen transportketen overgedragen naar fotosysteem I. De elektronen transportketen bestaat uit een reeks eiwitten die achtereenvolgens optreden als oxidator (neemt elektronen op) en reductor (geeft elektronen af). De elektronenacceptoren (eiwitten) worden sterkere reductoren naarmate je verder in de transportketen komt, zodat het elektron van fotosysteem II naar fotosysteem I getransporteerd wordt. De teruggang in energieniveau van het elektron in de transportketen wordt gebruikt om H + in de chloroplast te transporteren zodat er een verhoogde concentratie van H + ontstaat. Deze H + ionen, samen met de H + ionen die ontstaan bij de splitsing van water bij fotosysteem II, zijn de motor voor de productie van ATP (zie figuur 2). De verplaatsing van een elektron naar fotosysteem I over de transportketen duurt ongeveer 10-3 seconden en is daarmee dus vele malen langzamer dan het vrijmaken van een elektron uit H 2 O bij fotosysteem II. In fotosysteem I wordt het elektron onder invloed van zonlicht opnieuw in een hogere energiebaan gebracht. Vervolgens loopt dit elektron weer door een elektronen transportketen vergelijkbaar met de keten tussen fotosysteem II en I. Uiteindelijk wordt aan het einde van deze keten NADPH gevormd. De in de lichtreactie gevormde NADPH en ATP worden in de donkerreactie gebruikt om glucose te vormen.

9 8 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Samengevat: bij fotosynthese is er verplaatsing van elektronen uit water via fotosysteem II naar fotosysteem I, waarbij uiteindelijk NADPH wordt gevormd. Het doel van de fotosynthese is om de plant van energie te voorzien. Licht is noodzakelijk voor een plant om te groeien, maar teveel licht kan ook schadelijk zijn. Als er teveel licht op een plant valt dan kunnen er zuurstofradicalen ontstaan die erg schadelijk zijn voor een plant. Een plant heeft daarom een soort ingebouwde dimschakelaar. Op een zonnige dag wordt door de plant een extra afvoer gemaakt. Hierdoor wordt de extra opgevangen energie omgezet in onschadelijke warmte en fluorescentie (hier komen we later op terug). Als het minder zonnig wordt omdat er bijvoorbeeld een wolk voor de zon komt dan zet de plant de extra afvoer weer uit en zal de plant weer efficiënter met het licht omgaan. Deze moleculaire dimschakelaar werkt alleen in de antenne-eiwitten en niet in het reactiecentrum waar de ladingscheiding plaatsvindt. Dit laatste is omdat er anders nooit elektronen kunnen worden afgeven aan de elektronen transportketen. Het gevolg hiervan is dat het reactiecentrum van een plant op een zonnige dag elke 15 minuten wordt vervangen en gerepareerd omdat het wordt aangetast door radicalen. Korstmossen zijn schimmels die in symbiose leven met een alg en/of een cyanobacterie. De schimmel beschermt de alg (of cyanobacterie) voor een teveel aan licht en de alg zorgt voor de productie van glucose in de korstmos. Bij teveel licht zal de schimmel zich als een zonnescherm om de alg vouwen. Ook beschermt de schimmel de alg voor uitdroging en hierdoor kunnen korstmossen extreem goed tegen lange perioden van droogte. Het is zelfs zo dat de schimmel de fotosynthese van de alg compleet kan uitzetten bij een gebrek aan water. Dus meer een aan-/uitschakelaar dan de dimschakelaar van planten. Hoe dit precies gebeurt op moleculair niveau is op dit moment nog niet bekend. In de tweede module wordt onderzocht wat het effect is van de (dim)schakelaar bij planten en korstmossen op de fotosynthese.

10 9 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron T HEORIE ABSORPTIE EN FLUORESCENTIE Elk materiaal heeft zijn eigen vingerafdruk in de vorm van een absorptiespectrum. Dat wil zeggen dat elk materiaal verschillende kleuren licht opneemt waardoor wij deze materialen ook verschillend waarnemen. In figuur 3 zijn de spectra te zien van vier belangrijke kleurstoffen in planten: anthocyaan, caroteen en chlorofyl a/b. Hoewel chlorofyl a en b chemisch erg op elkaar lijken zijn er wel verschillen te zien in de spectra. Onderin in figuur 3 zien we welke golflengte licht met welke kleur correspondeert. Het zichtbaar spectrum wat mensen kunnen waarnemen loopt van blauw tot rood zoals de kleuren van de regenboog. Het licht bestaat uit veel meer golflengtes dan die wij kunnen waarnemen met onze ogen, zoals bijvoorbeeld ultraviolet licht (UV) of infrarood (IR). Van UV licht maakt je huid wel pigment aan waardoor je bruin wordt en van infrarood kun je wel de warmtestraling voelen. Figuur 3. Spectra van anthocyaan, caroteen en chlorofyl a/b (boven) en golflengtes van licht (onder). Als één van de kleurstoffen de juiste kleur licht (een foton) opneemt zal deze stof in een aangeslagen toestand komen. Dit is een toestand met een hoger energieniveau dan de grondtoestand waardoor het elektron van de kleurstof in een hogere baan terecht komt (zie figuur 4). Het elektron kan terugvallen naar de oorspronkelijke grondtoestand door bijvoorbeeld stralingloos verval (warmte) of door weer een foton (licht) uit te zenden. Dit laatste gebeurt met minder

11 10 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron energie dan het licht wat in eerste instantie is opgenomen en heet fluorescentie. In de fotosynthese kan de aangeslagen toestand ook in een heel aantal tussenstappen langzaam zijn energie verliezen zoals gebeurt in de elektronen transportketen waarbij ATP en NADPH worden gemaakt. Bij de kleurstofzonnecel gebeurt iets vergelijkbaars door eerst naar een iets lager energieniveau te vervallen in de titaandioxide nanodeeltjes (zie figuur 4) en vervolgens wordt via een aantal stappen de stroomkring gesloten waardoor de zonnecel stroom produceert (zie module kleurstofzonnecel). De fluorescentie is een handig hulpmiddel om de fotosynthetische efficiëntie te onderzoeken vanwege de correlatie. Als bijna al het opgevangen licht wordt omgezet in ATP en NADPH in de elektronen transportketen dan zal er weinig verlies zijn zoals in de vorm van warmte of fluorescentie. Dit zal het geval zijn op een bewolkte dag. Op een zonnige dag kan het gebeuren dat een in fotosysteem II vrijgemaakt elektron niet kan worden overgedragen naar fotosysteem I omdat de elektronoverdracht van een vorig elektron nog aan de gang is. In dit geval is de route naar de elektronen transportketen afgesloten en moet de aangeslagen toestand wel vervallen via warmte of fluorescentie (zie figuur 4). Dit is dus een ander proces dan de dimschakelaar in de antenne-eiwitten van de planten. Figuur 4. Energieniveaus. T HEORIE VRAGEN 1. Waarom hebben planten twee fotosystemen? Zou fotosysteem I niet voldoende zijn om planten van energie te voorzien? Hint: wat zijn de producten van de fotosynthesereactie. 2. Welke kleur zal het fluorescentielicht hebben als chlorofyl a blauw licht opneemt?

12 11 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron PRACTICUM HANDLEIDING E XPERIMENT 1: D E KLEURSTOFZONNECEL Doel Het doel van deze proef is het maken van een kleurstofzonnecel en onderzoeken hoe deze reageert op verschillende lichtintensiteiten. Inleiding In fotosynthetische organismen wordt zonne-energie omgezet in chemische energie. De organische kleurstofzonnecel maakt gebruik van ditzelfde principe, alleen wordt de energie (licht) niet omgezet in chemische energie maar in elektrische energie (stroom). Dit proces wordt fotovoltaïsche omzetting genoemd. In deze zonnecel worden de natuurlijke kleurstoffen anthocyanen gebruikt. Deze kleurstoffen komen veel voor in bramen, frambozen, rode druiven en veel bloemen waaronder de hibiscus. De rode, paarse of blauwe kleur (afhankelijk van de ph) van deze vruchten of bloemen heeft twee belangrijke functies: de vruchten/bloemen vallen op voor dieren waardoor de zaden beter verspreid worden en de kleur zorgt daarnaast voor bescherming tegen te veel licht in fotosynthetisch weefsel waar anthocyanen ook in voorkomen (als een soort zonnebrandcrème). Het is ook mogelijk om andere kleurstoffen te gebruiken zoals chlorofyl, maar het nadeel is dat deze kleurstof niet zo goed hecht aan het oppervlak van de kleurstofzonnecel. De kleurstofzonnecel die in dit practicum gemaakt wordt, bestaat uit de volgende onderdelen (zie figuur 1): 1. Een glasplaat voor de boven- en onderkant van de zonnecel met een transparante geleidende laag (TCO: Transparent conductive oxide). 2. Een dun laagje (ongeveer 10-6 meter) met nanodeeltjes titaandioxide. 3. Een kleurstof 4. Elektrolyt (een vloeistof met jodide ionen die zorgen voor geleiding) 5. En laagje grafiet dat als katalysator dient, zodat de jodide ionen snel een elektron kunnen afstaan. Titaandioxide is een mineraal dat veel gebruikt wordt in verf, tandpasta, keramisch materiaal, cement, kunststof en soms in levensmiddelen (E171). De nanodeeltjes titaandioxide zorgen niet alleen voor de geleiding van elektronen, maar door het driedimensionale netwerk zorgen ze ook voor een enorme oppervlaktevergroting waardoor de kleurstofmoleculen zich gemakkelijker kunnen hechten. Het elektron in de kleurstof neemt het licht (een foton) op en komt hierdoor in een aangeslagen toestand. Het elektron kan terugvallen naar de grondtoestand door een elektron te injecteren in de nanodeeltjes titaandioxide(zie figuur 1). De

13 12 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron ionen in het elektrolyt zorgen er vervolgens voor dat het kleurstofmolecuul weer een elektron krijgt waardoor de stroomkring gesloten wordt. Er zijn diverse voordelen van een kleurstofzonnecel t.o.v. de normale silicium zonnecel. De belangrijkste economische voordelen van de kleurstofzonnecel zijn de lage prijs en de eenvoudige productie. Daarnaast kan de kleurstofzonnecel als flexibele dunne laag geproduceerd worden. Dit maakt toepassingen op bijvoorbeeld ramen en op ronde oppervlaktes mogelijk. Qua materiaaleigenschappen werkt de kleurstofzonnecel prima met diffuus licht zoals op bewolkte dagen het geval is. Het nadeel is wel dat op zonnige dagen de silicium zonnecel een veel hoger rendement heeft dan de kleurstofzonnecel. Het grootste nadeel van de kleurstofzonnecel is echter de beperkte levensduur (max. vijf jaar) t.o.v. de silicium zonnecel die makkelijk meer dan 30 jaar kan meegaan. Er is nog veel onderzoek nodig om de kleurstofzonnecel te laten concurreren met de silicium zonnecel, maar veel potentie heeft de kleurstofzonnecel in ieder geval wel. Figuur 1. De kleurstofzonnecel. Uitvoering experiment 1 Lijst met benodigdheden - Petrischaaltje met filterpapier - 2 glasplaatjes, waarvan 1 met wit laagje - Voltmeter - Rode en zwarte kabels voor de voltmeter met krokodillenbekjes - Potlood - 1 grote knijper

14 13 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron - 2 kleine knijpertjes - Flesje jodium - Handschoenen voor mensen met jodide-allergie - Tissues - Hibiscusthee in bekerglas - Zaklampje Een aantal materialen dat gebruikt wordt voor deze proef is afkomstig van Man Solar B.V. ( Ook deze instructie is voor een deel gebaseerd op het voorschrift van Man Solar. Instructies vooraf Draag bij voorkeur een labjas, omdat de kleurstof uit de hibiscusthee en de elektrolyt (jodium) vlekken in kleding kunnen geven. Als iets niet werkt, breekt of kapot gaat, waarschuw dan de practicumbegeleider. Jodium kan een allergische reactie veroorzaken; vermijdt contact tussen de elektrolyt en de huid. Was na afloop je handen. Stap 1 De min -elektrode - Klem het glasplaatje met de witte laag (titaandioxide) vast in de grote knijper en hang het in de hibiscusthee. (Zet de houten knijper niet op de witte laag, die krast gemakkelijk. Zorg ervoor dat de witte laag helemaal ondergedompeld is.) Laat dit ongeveer 10 minuten staan. De witte titaandioxide is dan paars geworden. Ga intussen verder met de volgende stappen. Stap 2 - Sluit de meetkabels aan op de multimeter. De rode stekker in de bus V- Ω, de zwarte stekker in de zwarte bus COMMON. - Zet de draaiknop op Ω, bij de 200. De weerstand wordt nu in Ω (Ohm) weergegeven. Stap 3 De plus -elektrode - Bepaal met de multimeter, ingesteld als weerstandmeter welke kant van het glasplaatje (degene zonder witte laag) geleidend is. De weerstand moet ongeveer Ω zijn. De weerstand aan de andere kant wordt aangegeven met een 1 helemaal aan de linker kant. - Reinig het glasplaatje met een tissue; doe dit voorzichtig. Raak de geleidende kant daarna niet meer met je vingers aan (de zijkant kun je nog wel aanraken). - Leg het glasplaatje met de geleidende kant naar boven op een schone ondergrond. - Kleur de geleidende laag zo volledig mogelijk in met een zacht potlood (grafiet). Laat echter aan de korte zijde van het glasplaatje een strook van ongeveer 6 mm onbeschreven (figuur 2). - Verwijder het overtollige grafiet door er zachtjes overheen te blazen.

15 14 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron - De plus -elektrode van de zonnecel is nu klaar. Figuur 2. Glas met een grafietlaag. Stap 4 De min -elektrode - Haal na 10 minuten de klem met daaraan het glasplaatje voorzichtig uit de hibiscusthee; pas op: het glasplaatje kan heet zijn! - Spoel de min -elektrode voorzichtig schoon met water. Hou de glasplaat aan de zijkant vast. - De min -elektrode is nu klaar voor gebruik. Stap 5 In elkaar zetten van de zonnecel - Leg de plus -elektrode met het grafiet (potloodlaag) naar boven op een filtreerpapiertje in de petrischaal. Druppel hierop één druppeltje elektrolytoplossing. Leg vervolgens de min -elektrode met de titaandioxide laag naar beneden op de plus-elektode. Zorg ervoor dat de plaatjes zodanig t.o.v. elkaar zijn verschoven, zodat de onbedekte kanten van beide elektroden aan weerskanten uitsteken (figuur 3). - Klem de plaatjes op elkaar met de 2 kleine knijpertjes - Knijp de krokodillenbekjes aan weerskanten van de zonnecel op het uitstekende, kale glas. Plaats een klem van de plus (grafiet) elektrode aan de rode aansluiting van de voltmeter en een klem van de min (hibiscus) elektrode aan de zwarte aansluiting. Figuur 3. De kleurstofzonnecel. Stap 6 Spanningmeting (Volt, V) - Selecteer de draaiknop op V (niet de V~). Selecteer 200m. Stap 7 - De zonnecel is klaar voor gebruik.

16 15 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Metingen Wat is het voltage van de zonnecel in het zonlicht of in het klaslokaal?. mv Dek de zonnecel af met bijvoorbeeld je handen, hoeveel is het voltage na 20 seconden?. mv Gebruik de zaklamp om te kijken wat het maximale voltage van de zonnecel is.. mv Vragen 1. Kan je nu ook verklaren waarom de kleurstof paars is? Hint: vraag een van de begeleiders om een geplastificeerd A4-tje met een figuur van absorptiespectra en golflengtes. 2. Hoe kan de kleurstofzonnecel nog efficiënter worden gemaakt? 3. Wat zou er met het voltage gebeuren als je alleen de zonnecel met rood licht belicht? 4. Wat moet er nog verbeterd worden aan de kleurstofzonnecel, voordat het een commercieel succes kan worden?

17 16 Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n Experiment 2: Adaptatie van planten en korstmossen D oel Het doel van het tweede experiment is de fluorescentie te meten van planten en korstmossen met een PAM fluorometer en aan de hand van de verschillende uitkomsten de fotosynthetische efficiëntie verklaren. Theorie P AM fluorom eter In dit experiment wordt gebruik gemaakt van een PAM fluorometer. PAM staat voor Pulse Amplified Modulation. De basis voor een meting met een PAM fluorometer is de fluorescentie die optreedt bij een plant of korstmos. Hoe hoger de fluorescentie, des te minder van de geabsorbeerde lichtenergie gebruikt wordt voor het fotosyntheseproces. Een PAM apparaat bestaat uit een kastje met een lichtbron waaraan een glasvezelkabel verbonden is. Een lichtpuls wordt via de glasvezelkabel naar het blad geleid. Via dezelfde glasvezelkabel kan het licht dat ontstaat door fluorescentie (en een lagere golflengte heeft) terug naar het kastje geleid worden. In het kastje zit een lichtsensor die gevoelig is voor de golflengte van het licht dat bij fluorescentie wordt uitgezonden. De gemeten fluorescentie wordt door de computer vertaald naar een fluorescentiepercentage. In figuur 4 is een foto te zien van een meetopstelling. Figuur 4. Meetopstelling PAM fluorometer. De PAM zendt in dit experiment twee verschillende soorten licht uit: 1) Het meetlicht (measuring light, ML) 2) Een verzadigende lichtpuls (saturated pulse, SAT-pulse)

18 17 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Het meetlicht wordt in zwakke pulsjes gegeven en is net sterk genoeg om een minimale fotosyntheseactiviteit tot stand te brengen. Aangezien het vrijmaken van elektronen in fotosysteem II een veel sneller proces is dan het overdragen van elektronen van fotosysteem II naar fotosysteem I, treedt er altijd fluorescentie op. Dit wordt de minimale fluorescentie genoemd en wordt aangeduid met F 0. Als de elektronentransportketens efficiënt werken, is deze fluorescentie laag. De verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) is bedoeld om in één klap, in alle antennecomplexen, elektronen aan te slaan. Hierdoor worden alle elektronentransportketens volledig in gebruik genomen en kunnen ze voor korte tijd geen elektronen meer doorlaten. Het gevolg is dat de fluorescentie maximaal wordt, aangeduid met (F M ). Het verschil tussen F M en F 0, vaak aangeduid als F V, is een maat voor de maximale variatie in fluorescentie. Als je vervolgens F V deelt door F M krijg je de Yield. Dit getal is de maat voor de efficiëntie van de fotosynthese. Als ((F M - F 0 )/F M ) groot is dan is het getal voor de Yield dus groot. In dit geval is er blijkbaar een groot aantal antennecomplexen in staat om weer snel om te schakelen naar een situatie waarin de antennecomplexen nieuwe elektronen kunnen opnemen. Samengevat: de Yield ((F M - F 0 )/F M ) is een maat voor de fotosynthese. Hoe hoger de Yield, hoe efficiënter de fotosyntheseactiviteit (er is dan relatief weinig fluorescentie en de plant kan dan dus nog veel licht opnemen). Een praktijkvoorbeeld Figuur 5. In deze afbeelding is de gemeten fluorescentie uitgezet onder verschillende belichtingscondities tegen de tijd. Bij nr. 1 staat het meetlicht aan en bij nr. 2 wordt een verzadigde lichtpuls gegeven. In figuur 5 is de gemeten fluorescentie uitgezet tegen de tijd. Eerst staan de planten in het schemerdonker zodat er geen fluorescentie is. Als nu het meetlicht

19 18 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron (ML) wordt aangezet (zie nr. 1 in figuur 5) meet je een minimale fluorescentie: de F 0. Als er nu een verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) wordt toegediend (zie nr. 2 in figuur 5) zullen in alle reactiecentra elektronen worden vrijgemaakt. Hierna kunnen er geen nieuwe elektronen meer worden opgenomen in de elektronentransportketens. Het resultaat is dat er nu een maximale fluorescentie (F M ) kan plaatsvinden. Na een korte tijd is deze lichtpuls verwerkt en zal de fluorescentie sterk dalen. Uitvoering experiment 2 Om je het gebruik van de PAM fluorometer eigen te maken, wordt de eerste meting aan een blaadje hieronder uitvoerig beschreven. Instellen Pam Meter 1. Het programma WinControl-3 is opgestart door een begeleider. 2. Ga naar het tabblad Chart (links onderaan het scherm te zien). 3. Controleer door in de glasvezelkabel te kijken of het blauwe knipperende meetlicht te zien is. In figuur 6 (pagina 21) staat bij 1 aangegeven of het meetlicht aan staat of niet. 4. Vervolgens gaan we de juiste parameters selecteren voor onze grafiek die zal worden weergegeven; dit kun je doen door linksbovenin F (nummer 2 in figuur 6) te selecteren als Y-as. 5. De andere parameters die moeten worden geselecteerd staan aan de rechter kant van het scherm; vink de volgende parameters aan: Ft, F, Y(II) (nummer 3 in figuur 6). Vink de andere parameters uit.

20 19 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Fluorescentie meting 6. De grafiek kan worden gestart door op Start Onl. Rec. (nummer 4 in figuur 6) te drukken. De lijn die zichtbaar wordt, geeft het fluorescentieniveau aan van wat je aan het meten bent. 7. Als de grafiek niet duidelijk zichtbaar is, dan kun je op de knop Autoscale (nummer 5 in figuur 6) drukken waardoor de x en de y as automatisch op de grafiek worden aangepast. 8. Plaats de glasvezelkabel loodrecht op een plekje aan de bovenkant van het blad. Zet de glasvezelkabel niet op de nerf van het blad. Je ziet het fluorescentieniveau tot een bepaalde waarde stijgen en dan afvlakken. Dit is de F 0. Wacht tot je een stabiele waarde van F 0 (na ca. 10s) hebt bereikt. 9. Geef vervolgens een verzadigende lichtpuls door op de groene knop SAT te klikken (nummer 6 in figuur 6). Je ziet dat er zeer intense blauwe lichtpuls door de kabel wordt afgevuurd. Tegelijkertijd gaat het fluorescentiesignaal op de grafiek naar zijn maximaal haalbare waarde (F M ). Het programma berekent vervolgens de Yield van de meting. Yield = (F M -F 0 )/F M Deze Yield is af te lezen in de rechter kolom op het beeldscherm en onderaan bij de SAT knop, als Y(II), (nummer 7 in figuur 6). De Yield van deze meting kan op de volgende pagina genoteerd worden. Omdat de Yield een relatieve maat is (zie formule hierboven), ligt deze altijd tussen 0 en 1. Bij een gezond blad en korstmos ligt de waarde van de Yield tussen de 0.60 en Omdat de junior PAM niet gevoelig genoeg is voor het meten van korstmossen zal hier in de praktijk een veel lagere Yield uitkomen. Dit maakt voor dit experiment niets uit. Voor de volgende metingen moeten steeds alleen de laatste stappen (stap 6,7,8 en 9) van de hierboven beschreven stappen uitgevoerd worden. Je hoeft dus maar 1 keer de meter in te stellen. Per behandeling moet de meting drie maal herhaald worden op drie verschillende plaatsen per blad en korstmos. Na elke meting (Sat-pulse), moet je direct de Yield opschrijven. Het programma slaat deze namelijk niet op.

21 20 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Metingen Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het licht gelegen) Yield 1 Yield 2 Yield 3 Gemiddelde Yield: Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het donker gelegen) Yield 1 Yield 2 Yield 3 Gemiddelde Yield: Korstmos (Start de meting met een droge korstmos) Yield 1 Yield 2 Yield 3 Gemiddelde Yield: Korstmos (Maak je eigen korstmos nat) Yield 1 Yield 2 Yield 3 Gemiddelde Yield: Vragen 1. Wat betekenen de termen F 0 en F M? 2. Waarom gebruikt een plant niet al het licht dat op de bladeren valt voor fotosynthese? Hint: vraag een van de begeleiders om een geplastificeerd A4-tje met een figuur van absorptiespectra en golflengtes. 3. Wat is het voordeel voor een korstmos om de fotosyntheseactiviteit compleet uit te schakelen als het te lang droog is? 4. Verklaar het verschil tussen de fotosyntheseactiviteit van een blad dat 5 minuten in het licht en 5 minuten in het donker is geweest. 5. Waarom zijn bladeren groen? Hint: Gebruik het figuur van de absorptiespectra.

22 21 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Figuur 6. Schermafbeelding van het WinControl-3 programma.

23 22 Docentenhandleiding F otosynthese als energiebron Bronnen [1] J.R. Petit et al. Nature Vol [2] Centraal Bureau voor de Statistiek [3] Lewis et al. PNAS 2006.vol no [4] Biologie overal (EPN) Informatie over studeren in Wageningen, studiekeuze, spreekbeurt, scriptie, profielwerkstuk etc. Kijk op: Informatie voor docenten: