Ecosysteem in een fles

Transcriptie

1 Ecosysteem in een fles Door: Femke Hoeksma 1

2 Voorwoord: De keuze van een onderwerp voor mijn profielwerkstuk was best moeilijk. Na een uitgebreide oriëntatie ben ik tot de keuze van een gesloten ecosysteem gekomen. Dit is een onderwerp waarbij ik ook de mogelijkheid had tot het uitvoeren van een experiment. Het onderwerp sluit goed aan bij het vak biologie. Ik heb erg genoten van het uitvoeren van het practicum, en hoop dat u het met net zo veel plezier zal lezen als ik had tijdens het schrijven. Ik wil graag alvast mijn begeleider Michiel Kroon bedanken, voor het uitstekend begeleiden van mijn profielwerkstuk. 2

3 Inhoudsopgave Inleiding...4 Hoofd- en deelvragen...4 Hoofdstuk 1: Gesloten ecosystemen Fotosynthese Stikstofkringloop Conclusie..10 Hoofdstuk 2: Practicum Hypothese Methode Practicum Waarnemingen Conclusie..16 Hoofdstuk 3: Afsluiting Foutendiscussie Bronnenlijst Logboek.18 3

4 Inleiding: Mijn profielwerkstuk gaat over het maken van een gesloten ecosysteem. Omdat binnen een gesloten ecosysteem alles in balans moet zijn beperk ik mij tot de basis: een producent en een reducent. Een plant en bacteriën. Het idee van het maken van ecosysteem bestond bij mij al langer, maar toen ik meer informatie zocht vond ik dit plaatje. In deze glazen stolp zit nu al meer dan 40 jaar een plant afgesloten van de buitenlucht. Alles wat de plant verbruikt wordt gerecycled en kan hij weer gebruiken. Dit concept is het antwoord op problemen die zich nu en in de toekomst zullen afspelen. Het idee van een gesloten ecosysteem wordt nu al toegepast door ruimtevaart organisatie ESA, door bijvoorbeeld het plas van de astronauten om te zetten in schoon drinkwater. Dit is maar een klein voorbeeld, de mogelijkheden zijn eindeloos. De aarde is uitgeput en overbevolkt, vroeg of laat is al het drinkwater op en breken er oorlogen uit. Neem je eigen ecosysteem mee en verhuis naar Mars. Je poep en plas worden afgebroken door bacteriën en omgezet tot voedingsstoffen voor planten. Zij maken op hun beurt zuurstof en voedingsstoffen voor jou. Om het onderzoek overzichtelijk te laten verlopen heb ik eerst een hoofdvraag opgesteld en deze verdeeld in deelvragen. Hoofdvraag: Is het mogelijk om met alledaagse materialen een gesloten ecosysteem te maken? -Wat is een gesloten ecosysteem en hoe werkt het? 4

5 Hoofdstuk 1 Wat is een gesloten ecosysteem en hoe werkt het? Gesloten ecosystemen Een gesloten ecosysteem is een systeem dat zichzelf in stand kan houden zonder dat er stoffen uitgewisseld hoeven te worden met de omgeving. Dit kan omdat autotrofe organisme fotosynthese uitvoeren en bacteriën afvalstoffen afbreken. Autotrofe organisme zijn organisme die zichzelf kunnen voeden door van anorganische stoffen organische te maken. Dit zijn planten, algen en sommige bacteriën. Een voorbeeld van een gesloten ecosysteem is de aarde. Om de aarde heen zijn allemaal gas lagen, dankzij de zwaartekracht worden die aangetrokken en vastgehouden. Ongeveer 4 miljard jaar geleden bestond de atmosfeer vrijwel alleen uit koolstofdioxide, dankzij de komst van planten en algen kwam er ook zuurstof in lucht. Hierdoor was er ruimte voor aerobe organisme om zich te ontwikkelen. Aerobe organisme gebruiken zuurstof voor dissimilatie Fotosynthese Fotosynthese vindt plaats in de bladgroenkorrels (chloroplasten) van planten, hierbij word door middel van zonlicht en water koolstofdioxide omgezet in zuurstof en glucose: 6CO 2 + 6H 2 O -> C 6 H 12 O 6 + 6O 2. Dit proces gebeurd in twee delen: de lichtreactie en de donkerreactie. De lichtreactie vindt plaats in het membraan van de thylakoid. Dit is een compartiment in de chloroplasten. De donkerreactie vindt plaats buiten de thylakoid in de chloroplasten. 2 Lichtreactie Op het membraan van de thylakoid heb je twee fotosystemen. Fotosysteem 2 absorbeert voornamelijk rood licht, de energie uit het licht wordt gebruikt om een watermolecuul te splitsen in H + en O 2 -. De zuurstofatomen vormen zuurstofmoleculen en verlaten via de huismondjes op het blad de plant. De H + ionen gaan de thylakoid in. De elektronen die vrij zijn gekomen hebben een hoog energieniveau en worden gebruikt om van ADP, ATP te maken. Dit gebeurt in het enzym ATP-synthase op het membraan van de thylakoid. 5

6 Een schematische weergaven van het membraan van de thylakoid Fotosysteem 1 absorbeert iets donkerder rood licht, en gebruikt het energie hieruit ook om water te splitsen en elektronen vrij te maken. De elektronen hebben een hoog energieniveau en worden via een klein eiwitmolecuul vervoerd naar het membraan-enzym NADP-reductase. Hier wordt het energie gebruikt om de waterstof ionen aan de NADP te koppelen. Zo ontstaat NADPH2. 12H 2 O + ADP + NADP -> 6O 2 + ATP + NADPH2 Donkerreactie De gevormde ATP en NADPH2 moleculen gaan naar de donkerreactie. Tijdens deze reactie is geen licht nodig als bron van energie omdat de energie al vastgelegd is in ATP. De moleculen die nodig zijn om glucose te maken zijn allemaal aanwezig in de vloeistof rondom de thylakoid. Glucose wordt gevormd door een kringloop van koolstofverbindingen. Om 1 molecuul glucose te vormen moet de kringloop 6 keer doorlopen worden. Eerst word er een ribulose-di-fosfaat molecuul gevormd. 6 Ribulose-di-fosfaat moleculen reageren met 6CO 2 en 6H 2 O moleculen. Dit vormt 12 C3 moleculen. 2 van de 12 C3 moleculen worden door het energie uit 12 ATP en door reductie van 12 NADPH2 omgezet in glucose (C 6 H 12 O 6 ), de andere 10 C3 moleculen vervolgen de kringloop. Er zijn 6 ATP moleculen nodig om 10C3 moleculen om te zetten in 6 moleculen ribulose-di-fosfaat. In de hele cyclus worden 6 moleculen water gebruikt en er worden er 12 gemaakt, zodat er per gemaakt glucose molecuul 6 H 2 O overblijft. 6

7 De donkerreactie schematisch weergegeven 6 CO 2 + ATP + NADPH2 -> glucose + ADP + NADP De plant gebruikt de glucose zelf om zich mee op te bouwen, maar heterotrofe organisme maken er ook dankbaar gebruik van. Een heterotroof organisme is een organisme dat zichzelf niet kan voeden, zoals een plant, maar het heeft andere organisme nodig om voedingsstoffen te produceren. Het leven op aarde is mogelijk dankzij fotosynthese. Niet alleen wordt zonlicht omgezet in voedingsstoffen, maar daar komt ook zuurstof bij vrij wat wij nodig hebben om te blijven leven. 3 7

8 1.2 Stikstofkringloop Aminozuren Eiwitten zijn niet alleen belangrijk voor een mens, ook voor een plant. Eiwitten helpen bijvoorbeeld met het regelen van allerlei processen in de cellen van een organisme, ook zijn eiwitten belangrijk voor de bouw van spieren. Eiwitten worden in de cellen van organisme gemaakt door verschillende aminozuren aan elkaar te koppelen. Er bestaan 20 verschillende aminozuren, welke aminozuren, hoeveel en de structuur zorgt voor een ander eiwit. Consumenten krijgen eiwitten van andere organisme binnen, in ons spijsverteringskanaal breken we de eiwitten af en op de membranen van de ribosomen in het cytoplasma van onze cel worden de aminozuren opnieuw aan elkaar gekoppeld tot het gewenste eiwit. Planten kunnen alle aminozuren die ze nodig hebben zelf maken, maar dan moeten ze daar wel de benodigde stoffen voor hebben. structuurformule van aminozuur glycine Aminozuren bestaan uit koolstof, waterstof en stikstof verbindingen. Koolstof halen de planten uit de lucht als CO 2, waterstof uit de bodem als H 2 O. Maar hoe komen de planten aan stikstof? Stikstofkringloop In het geval van mijn onderzoek zijn er geen consumenten die de voedingstoffen van de plant nodig hebben. Er zijn wel bacteriën die de zuurstof van de plant gebruiken. Het zuurstof gebruiken de bacteriën namelijk tijdens de omzetting van organische stoffen naar stikstof. Om aminozuren te maken heeft een plant stikstof nodig. Planten nemen dit op uit de bodem als nitraat (NO 3 - ) of ammonium (NH 4 + ). 8

9 Een schematische weergave van de stikstofkringloop Eiwitten en andere organische materialen die stikstof bevatten komen in de aarde terecht. Vanaf daar wordt het eerst verteerd door schimmels, anaerobe bacteriën en aerobe bacteriën. De eiwitten worden in dit proces omgezet is stikstof verbindingen die minder makkelijk afbreekbaar zijn. De aminozuren worden afgebroken in koolstofdioxide en in ammoniak, bij dit proces komt ATP vrij. Het ammoniumnon dat gevormd is kan makkelijk opgenomen worden door de plant, maar er wordt ook ammoniak gevormd. Dit kan niet direct worden opgenomen door de plant en wordt eerst door nitriet-bacteriën omgezet van ammoniak in nitriet (NO 2 - ). Dit proces heet nitrificatie. Nitriet-bacteriën zijn autotroof en gebruiken chomolyse voor het maken van suikers. Chemolyse is een vorm van koolstofassimilatie net als fotosynthese, ammonium met koolstofdioxide en water wordt omgezet in nitriet en suikers. Nitriet kan ook niet door de planten opgenomen worden, dus helpen nitraat-bacteriën om van nitriet nitraat (NO 3 - ) te maken. Nitraat is de belangrijkste stikstofbron voor groene planten. Er zijn ook bacteriën die nitraat omzetten in lachgas (N 2 O). Dit zijn de denitrificerende bacteriën, het zuurstof dat ze nodig hebben voor de verbranding halen ze uit de nitraat. Lachgas is schadelijk voor het milieu omdat het het broeikaseffect versterkt. Nitriet en ammoniak zijn giftige stoffen, een overschot van deze stoffen in de bodem is niet goed. De anammox bacteriën zetten nitriet en ammoniak om in stikstofgas (N 2 ), dit gas is niet giftig en gaat gewoon weer de atmosfeer in. Dit gas kan door de plant ook weer opgenomen worden dankzij de stikstof bindende bacteriën, bijvoorbeeld de wortelknolbacteriën. De 9

10 wortelknolbacteriën bevinden zich op de wortels van voornamelijk groene planten en zetten stikstofgas om in ammonium. 4 Het ammonium en nitraat wordt door de wortels van de planten opgenomen en op de ribosomen van de cellen omgezet in aminozuren en eiwitten. Dit zijn de bouwstenen voor de cellen van een organisme Conclusie Antwoord op deelvraag: Wat is een gesloten ecosysteem en hoe werkt het? Een gesloten ecosysteem is een systeem dat zich in stand kan houden zonder dat er stoffen met de omgeving uitgewisseld kunnen worden. Dit kan door de processen fotosynthese en de stikstofkringloop. Tijdens fotosynthese wordt er eerst in de lichtreactie water, ADP en NADP omgezet in zuurstof ATP en NADPH2. Vervolgens wordt in de donkerreactie van CO 2, NADPH2 en ATP, glucose, ADP en NADP gemaakt. Lichtreactie: 12H 2 O + ADP + NADP -> 6O 2 + ATP + NADPH2 Donkerreactie: 6 CO 2 + ATP + NADPH2 -> glucose + ADP + NADP Aminozuren zijn belangrijk voor de bouw van organisme. Om aminozuren te maken heeft een plant stikstof nodig, niet alleen halen de stikstof bindende bacteriën dat voor haar uit de atmosfeer, ook kan door nitrificatie ammoniak omgezet worden in nitraat. 10

11 Hoofdstuk 2 Practicum Is het mogelijk om met alledaagse materialen een gesloten ecosysteem te maken? 2.1 Hypothese Mijn verwachtingen van de uitkomsten van het onderzoek is dat het mogelijk is om een gesloten ecosysteem te maken, en dat het succes vooral afhangt van het waterniveau. 2.2 Methode In het eerste hoofdstuk van mijn profielwerkstuk heeft u kunnen lezen hoe de processen binnen een gesloten ecosysteem te werk gaan. Maar om te onderzoeken of het ook met alledaagse materialen werkt ga ik dit een practicum uitvoeren. De aarde, het grootste gesloten ecosysteem, heeft producenten, reducenten en consumenten. Ik beperk mijn practicum tot de basis, een producent en een reducent. Dit doe ik omdat het anders te gecompliceerd wordt. Het onderzoek duurt drie weken, binnen die weken hou ik goed bij wat er in de fles gebeurt en hoe de plant zich gedraagt. Grond 1 = Aarde uit de tuin Grond 2 = Aarde uit het tuincentrum. fles Grondsoort (1 of 2) Grond (gr) Water (ml) Op internet kon ik heel weinig vinden, over mensen die eerder een gesloten ecosysteem gemaakt hebben, of onderzoek er naar. Daarom heb ik besloten om zelf bij het begin te beginnen, mijn eerste onderzoek bestaat uit 6 plastic flessen. Omdat er in dit practicum zo veel variabelen zijn begin ik met de hoeveelheid water te variëren. Ik heb twee soorten grond gebruikt, grond uit mijn tuin. Deze grond is vrij vochtig en erg zwaar. De tweede soort grond die ik gebruik is veel droger, deze komt uit een zak van het tuincentrum. Eerst heb ik de eerste drie flessen gevuld met de aarde uit mijn tuin, daarna heb ik de andere drie flessen gevuld met het aarde van het tuincentrum. In alle flessen verschild de hoeveelheid aarde een beetje omdat de vorm van de flessen niet gelijk is. In alle 6 de flessen heb ik een paardenbloem (met wortel) gedaan. Ik heb voor deze plant gekozen omdat hij zichzelf kan bevruchten. Om te beginnen varieer ik met drie verschillende waterniveaus en twee verschillende bodems. De flessen 1 en 4 hebben het minst water gekregen. De hoeveelheid water tussen 1 en 4 verschilt omdat grond 1 van zich zelf al heel vochtig is en grond 2 heel droog. De flessen 3 en 6 hebben het meest water gekregen. Nadat ik het water bij de aarde en het plantje gedaan had 11

12 heb ik de flessen afgesloten. De flessen staan niet in direct zonlicht, in een coole ruimte. Waarnemingen Na een week Een week na de start van het practicum zijn er nog geen grote verschillen zichtbaar tussen de planten. Bijna alle flessen zijn een beetje geïmplodeerd. In fles drie is het water op de bodem gaan liggen en is een duidelijke scheiding te zien. Een aantal flessen vertoont ook wat waterdamp op de bovenkant van de fles. De bodem is fles 6 is heel erg vloeibaar, het plantje in deze fles is nog niet gegroeid. De andere planten zien er allemaal sterk uit. Er zijn nog geen duidelijke verschillen waar te nemen tussen de planten. Na twee weken In alle flessen zitten deuken, om er achter te komen waarom de flessen imploderen had ik ze uit de coole ruimte gehaald, en goed bekeken. Na een aantal minuten in een andere warmere ruimte begonnen de flessen uit te deuken. Dit ging gepaard met een poppend geluid. Conclusie, door de kou neemt de druk in de fles af. Er is nog geen duidelijk verschil te zien tussen de planten die op de grond van het tuincentrum of grond uit de tuin staan. Er beginnen wel duidelijke verschillen op te treden tussen de planten die veel water en de planten die weinig water hebben gehad. De planten in de flessen 1 en 4 zien er het sterkst uit, de bladeren zijn donkergroen en staan sterk omhoog. De bladeren van de planten in de flessen 6 en 3 zij ook donkergroen alleen hangen ze een beetje omlaag. De meeste planten lijken gegroeid of stabiel, behalve de plant in fles 6, hier is nog geen spraken van groei. Wat er wel groeit in fles 6 is een grassprietje, deze is waarschijnlijk per ongeluk meegekomen met de aarde. Het grassprietje in fles 6 12

13 Na drie weken Resultaten na drie weken: Fles Kleur van de bladeren Donkergroe n Donkergroe n Donkergroe n Groen/ licht groen Donkergroe n Donker groen vertering van bladeren Nee Ja, schimmel Nee Ja, bruine bladere n Ja, bruine bladeren Nee vloeibaarhei d van de aarde Vast en kruimelig Vast Laag water op de aarde Vast Smeuïg Vloeibaar condens op de fles veel Gemiddeld Veel Weinig Veel Gemiddel d Ik heb na drie weken gekeken naar de kleur van de bladeren omdat ik hieraan kan zien of de toevoer van voedingsstoffen naar de cellen en chloroplasten nog wel aan de gang is. Als de bladeren van de Paardenbloem een donkergroene kleur hebben betekend dat dat er een goede toevoer van stoffen naar de cellen is. Bij een van de bladeren in fles 4 is dit fenomeen duidelijk aan de gang. Bij de rest van de planten kun je alleen een iets lichtere kleur waarnemen. Lichte kleur van een blad in fles 4 Na drie weken is het verschil tussen de planten al wat beter te zien, in fles 2 is nu duidelijke 13

14 vertering door schimmels waar te nemen. In fles 4 en 5 zie je dat de onderste bladeren, die op de grond liggen steeds bruiner worden, en aan de randjes zwart. Maar je ziet ook dat de andere bladeren in fles 4 en 5 mooi donker groen van kleur zijn, en stevig omhoog wijzen. Schimmel in fles 2 Ik heb ook de vloeibaarheid van de aarde bekeken. Ik heb de vloeibaarheid vergeleken met elkaar en daarop beoordeeld. In fles 3 is nog steeds een duidelijke scheiding tussen aarde en water zichtbaar. In het laagje water zie je nu ook stukjes van bladeren drijven. De aarde in fles 6 is helemaal gemengd met het water, als je goed kijkt zie je ook hier een scheiding tussen de aarde en het water, alleen is deze veel minder duidelijk. De bodem van fles 3 is redelijk vast, als je de fles voorzichtig heen en weer beweegt gebeurd er niets met de bodem. Als je het zelfde doet met fles 6 zie je dat de bodem bijna net zo vloeibaar is als het laagje water wat er op licht. De aarde in fles 5 is vast, maar je ziet duidelijk dat er veel water aanwezig is in de aarde. Voor flessen 2 en 4 geldt dat de bodem vast is het water is niet zo zichtbaar als in fles 5 maar de bodem ziet er zeker ook niet zo droog uit als in fles 1, daar ziet de bodem er droog uit. Scheiding water en aarde fles 3 Condens was meteen al zichtbaar, maar nu is er ook duidelijk verschil te zien in de hoeveelheid. Net als bij de vloeibaarheid van de aarde heb ik het onderling eerst vergeleken en dan beoordeeld. Fles 4 had het minst condens, er waren enkele druppels op de fles aanwezig. Fles 14

15 2 en 6 hadden allebei wat meer waterdamp dan fles 4. De flessen 1, 3 en 5 hadden het meest. Wat wel bij alle flessen het zelfde is, is de vorm van de druppels op de fles en de kant waar de druppels zich bevinden. De druppels bevinden zich allemaal aan de kant die naar het raam (de zon) toe staan, en hebben een boog vorm. Aan de buitenkant van de boog zijn de druppels heel klein, en is het echt damp. Aan de binnenkant van de boog zijn de druppels groot. Waterdamp aan de binnenkant van fles 1 Wat is dat nou?! Ik had er al naar gezocht maar na drie weken heb ik voor het eerst een diertje waar kunnen nemen in een van mijn ecosystemen. Dit was niet de bedoeling omdat een ecosysteem met een consument lastiger te behouden is dan een ecosysteem zonder, maar aangezien ik aarde uit mijn tuin gebruikt heb wist ik dat dit zou kunnen gebeuren. Wat dit betekend voor mijn onderzoek is niet helemaal duidelijk. Dit wormpje zou een Aaltje kunnen zijn, die leven in de bodem en voeden zich van dode organische stof. Als dit zo is is het een reducent. (Zie ook fouten discussie) Een wormpje in fles 1 15

16 Conclusie Helaas heb ik mijn ecosystemen maar drie weken kunnen observeren en kan ik alleen conclusies trekken over wat ik in deze weken heb gezien. De aarde in fles 1 ziet er droog uit, en de onderste bladeren beginnen al te hangen. De plant in fles 2 groeit niet hard en er is schimmel op een van de bladeren. In fles 3 is een klein moeras ontstaan, de bladeren die in het water hangen worden verteerd, de andere bladeren staat strak omhoog en staan dicht op elkaar. De plant in fles 4 heeft een wat lichtere kleur dan de andere maar toch ziet hij er sterk uit. In fles 5 zijn de bladeren heel lang, maar het zijn er niet zo veel. De plant uit fles 6 is het minst gegroeid, maar daar is wel een ander plantje (gras) gaan groeien. De planten in de flessen 1, 3 en 4 doen het het best. Een duidelijk verband tussen de groei en de hoeveelheid water of de bodem soort heb ik helaas niet kunnen ontdekken. Vervolg onderzoek Omdat ik heel erg benieuwd ben naar de uitkomst van dit onderzoek, en omdat ik graag wil weten hoelang de planten het volhouden, ga ik zeker door met dit onderzoek. Om iedereen die geintreseed is in mijn onderzoek op de hoogte te houden ben ik een online blog begonnen. Hierin laat ik elke twee weken zien hoe het gaat met de planten, en wat er zoal veranderd. Ik hoop dat u na het lezen van mijn onderzoek gedesinteresseerd bent geworden en een keer een kijkje neemt op: 16

17 Hoofdstuk 3 Afsluiting 3.1 Foutendiscussie Om te kijken hoe ik de volgende keer een groot onderzoek beter kan doen bespreek ik hier de tekortkomingen aan mijn profielwerkstuk. Ten eerste zijn er weinig voorbeelden, u heeft het plaatje op het voorblad van mijn werkstuk gezien, bij deze meneer was het niet de intentie om een gesloten ecosysteem te maken, het is gewoon vanzelf gegaan. Na (te) lang nadenken heb ik dat ook maar gedaan, met veel succes! Ten tweede gebeurden er heel weinig de eerste twee weken van het onderzoek, als ik eerder begonnen was had ik veel betere conclusies kunnen geven en betere voorspellingen kunnen doen over welk ecosysteem het het best zou doen. Een ander probleem is de nauwkeurigheid, omdat ik minimale middelen heb twijfel ik daar aan. Niet in elke fles heb ik de zelfde hoeveelheid bodem kunnen doen omdat de aarde uit de tuin heel klonterig was en de vorm van de flessen niet allemaal het zelfde. Het wormpje dat ik in een van de flessen gevonden heb kan ook een probleem opleveren voor de nauwkeurigheid van het onderzoek. Als het een consument is, en dus eet van de plant, is het een heel ander ecosysteem dan de andere 5 die geen consument hebben. 3.2 Bronnenlijst 1: 2: 3: 4: 5: BINAS tabel 93 H Stikstofkringloop 6: 7: 8: years-fresh-air-water.html 17

18 3.3 Logboek Dit zijn de uren die ik buiten de RO tijd aan mijn PWS heb besteed. datum tijd besteed (uur) activiteit behaalde resultaten/ gemaakte afspraken datum af Bedenken en inlezen in onderwerp Deadline hoofd en deel vragen niet gehaald hoofdvraag en deelvragen opgestuurd Besproken met begeleider en wachten op NO/GO hoofd en deelvragen goedgekeurd check! begin met practicum meetwaarden verwerken theorie fotosynthese + inleiding ect theorie fotosynthese + theorie stikstof kringloop resultaten week theorie afmaken reslutaten + Mars Layout Mars ONE Lay-out + theorie + 18

19 Mars resultaten EINDE 19