Meten aan fotosynthese
advertisement
Meten aan biologische systemen 3 practica Docentenhandleiding Juli 2005 Meten aan biologische systemen: 3 practica Inhoud Woord vooraf Blz 3 1 - Inleiding Optimale groei van gist Meten aan fotosynthese Modelleren van vieze groene meren 5 9 12 2 - Het practicum en de lesplanning Optimale groei van gist Meten aan fotosynthese Modelleren van vieze groene meren 6 10 13 3 - Achtergrondinformatie Optimale groei van gist Meten aan fotosynthese Modelleren van vieze groene meren 7 11 14 4 - Resultaten en antwoorden op de vragen Optimale groei van gist Meten aan fotosynthese Modelleren van vieze groene meren 7 11 14 5 - Bestelinformatie & Colofon 19 2 Meten aan biologische systemen: 3 practica Woord vooraf Medio 2004 hebben het Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI) en de firma Texas Instruments (TI) het initiatief genomen om een aantal practica uit te werken waarin het meten aan biologische systemen en het vormen van modellen centraal staat. Modelvorming is in de wetenschap niet weg te denken. Maar ook in het bedrijfsleven of in het beleid - denk aan milieubeleid - worden bergen gegevens omgesmeedt tot modellen met een voorspellende waarde. Aan de hand van het model wordt dan de opbrengst geschat of worden normen gesteld voor mileubeleid. Het is een uitdaging om dit proces ook voor de leerling inzichtelijk te maken. In het huidige biologieonderwijs is het meten aan bijvoorbeeld fotosynthese, vergisting of ecologische problematiek zeer goed in te passen. Het leren modelleren is een van de onderwerpen in de wiskunde waarbij een praktisch voorbeeld heel verhelderend kan werken. Scholen hebben vaak voldoende instrumenten om te meten aan relevante biologische proeven. Leerlingen hebben allemaal een grafische rekenmachine. Met behulp van een CBL2 datalogger en wat sensoren erbij zijn prima resultaten te behalen. Het NIBI laat graag zien dat biologieonderwijs leuk, praktisch en actueel kan worden ingevuld. TI maakt graag duidelijk dat er meer kan met de toch al aanwezige grafische rekenmachine, tot het doen van metingen in ecosystemen toe. NIBI en TI geven u met drie practicumvoorbeelden een handreiking om aan de slag te gaan. Context en concept In de vernieuwing van het bèta-onderwijs in het algemeen wordt uitgegaan van de context-concept benadering. Het is daarbij de verwachting dat het onderwijs voor de leerling herkenbaar en beter toepasbaar wordt. In het basisdocument van de Commissie Vernieuwing Biologie Onderwijs (CVBO) worden drie typen van contexten onderscheiden namelijk: leefwereld, beroeps, en wetenschappelijke contexten. Het practicum 'optimale groei van gist' kan als praktisch onderdeel worden ingepast in de uitwerking van een beroepscontext waar het gaat om het meten van de vergisting en de te verwachten opbrengst van het eindproduct onder verschillende omstandigheden. Denk hierbij aan de aerobe vergisting met het doel om gist te maken voor bijvoorbeeld de verkoop aan bakkerijen, maar ook aan de anaerobe vergisting bij het maken van bijvoorbeeld bier en wijn. Het beschreven practicum gaat om de omstandigheden waarbij gist optimaal groeit. Voor een producent van gist is een optimale groei belangrijk voor een goede opbrengst. Voor de bierbrouwer is het ook heel belangrijk te weten hoe hij op optimale wijze aan het gewenste resultaat komt. In deze context kunnen veel biologische concepten actueel en praktisch worden behandeld. De wiskunde docent heeft een sprekende omgeveing om te werken aan logistische curves of asymptoten. Het practicum 'meten aan fotosynthese' kan in een wetenschappelijke context (orientatie op ecologisch of plantfysiologisch onderzoek) worden geplaatst, maar ook in de beroepscontext van de agrarische productie. Modellen over licht toevoer, CO2 opnamen etc zijn uit te werken tot een model voor optimale productie van bijvoorbeeld suiker in de suikerbiet. Diverse omstandigheden kunnen worden gesimuleerd en de opbrengst kan worden voorspeld. In de praktijk wordt al gewerkt met toevoer van verbrandingsgassen in de kas om productie te verhogen De biologische concepten plant, fotosythese, assimilatie, verbranding, voeding kunnen 3 Meten aan biologische systemen: 3 practica op natuurlijke wijze praktisch aan de orde komen. De uiteindelijke formules kunnen zelfs bij de lessen economie worden gebruikt in haalbaarheids- analyse van investeringen. Als verdieping op het thema ecologie is het practicum 'modelleren van vieze groene meren' ontworpen. Hierin komen de complexe relaties van een zoetwater ecosysteem aan bod en wordt er veldwerk verricht om een brede dataset samen te stellen. Dit practicum is te plaatsen in de wetenschappelijke context limnologie (zoetwaterbiologie). Nieuw onderzoek en recente verrassende resultaten geven een nieuwe kijk op veranderende ecosytemen. In meren in de omgeving kunnen metingen worden gedaan die het model gaan vormen. Uiteindelijk kunnen de resultaten worden gebruikt om in een orientatie op een beroepscontext de rol van de beheerder van water/ecosystemen te laten zien. Het spreekt voor zich dat in deze contexten een bijzonder grote hoeveelheid biologische contexten en activiteiten aan de orde komen. De hier uitgewerkte practica zijn nadrukkelijk bedoeld als deel van de uitwerking van een context of een aantal contexten. Om het een en ander snel geschikt te kunnen maken voor in de school hebben we relevante recente publicaties samengevat en een heldere omschrijving gegeven van benodigde materialen. Daarnaast laten we door middel van screen dumps zien hoe een en ander kan worden verwerkt met de grafische rekenmachine. Het NIBI en TI wensen u veel succes met het vormgeven van een mooi stuk onderwijs rond de genoemde thema’s. Uiteraard zijn wij benieuwd naar uw uitwerking van deze of andere contexten. Mail ze gerust naar [email protected], op dit adres kunt u ook terecht met vragen. Informatie over de grafische rekenmachines en aanverwante producten van Texas Instruments vind u op: http://education.ti.com/nederland/index.html Voor nadere informatie over context-concept benadering zie de informatie van de Commissie Vernieuwing Biologie Onderwijs (www.nibi.nl knop CVBO) 4 Optimale groei van gist 1 - Inleiding a. Hoe is dit practicum te gebruiken? Het onderzoeken van de groeisnelheid van gist is te plaatsen in een context van orientatie op wetenschap of beroep. Leerlingen variëren de omstandigheden van het groeimedium en bekijken wat de productie is van CO2 of de afname van zuurstof. Leerlingen gebruiken hiervoor verschillende suikerconcentraties en variëren de temperatuur. In de extra tips in deze handleiding staan nog wat suggesties om de proef te variëren. Het practicum sluit goed aan op het thema verbranding en het hoofdstuk biotechnologie. Het is dan ook zowel bij ANW te gebruiken als bij biologie voor leerlingen van de bovenbouw Havo en Vwo. De wiskundige verwerking gaat over oppervlakte onder de curve als maat voor productie in tijd en logistische groei bij diverse omstandigheden. Het verband tussen de concentratie suiker en productie is te bepalen, maar ook de invloed van temperatuur op uiteindelijke productie per tijd. Verschillen tussen diverse temperaturen zijnook te bepalen. Er kan een vraag worden geformuleerd over de afweging tussen groeisnelheid/opbrengst en extra energie toevoer/kosten. b. Wat gaan de leerlingen doen? Leerlingen voeren een experiment uit waarbij ze het groeimedium van gist varieren en meten vervolgens de groeisnelheid door de productie van CO2 te meten of de afname van zuurstof. Door een verdunningsreeks van suikeroplossingen te maken zoeken ze uit bij welke concentratie de groei van gist optimaal is. Ook kunnen er nog wat andere stofjes aan het medium worden toegevoegd. Ze verzamelen de gegevens met behulp van een datalogger (CBL2) en een grafische rekenmachine. Met de grafische rekenmachine berekenen ze vervolgens bij welke suikerconcentratie de groeisnelheid het grootst is. c. Benodigde materialen Basisdeel fotosynthese ○ Gist ○ 3 plastic 250 ml flesjes die worden meegeleverd met de zuurstofsensor ○ Zuurstofsensor die gas meet ○ Suiker ○ Weegschaal ○ Datalogger CBL2 ○ Grafische rekenmachine TI-83 Plus of TI-84 Plus ○ Temperatuursensor d. Concepten die aan de orde komen Gist (inclusief toepassingen in bijvoorbeeld voedselbereiding of witte biotechnologie) Dissimilatie Groeisnelheid/Delingssnelheid 5 Optimale groei van gist 2 - Het practicum a. De verschillende onderdelen van dit Practicum met tijdsplanning Onderdeel Tijdsduur 1. voorbereiding experiment 15 minuten 2. groeisnelheid meten van gist 4 uur 3. verwerking van de resultaten 45 minuten 4. schrijven van verslag 2 uur Om de verschillen zo goed mogelijk in kaart te brengen dient de groei-snelheid niet te kort gemeten te worden. Wij raden aan om het experiment 6 uur te laten duren. Met 1 datalogger kunnen 3 verschillende groei-omstandigheden tegelijkertijd gemeten worden. Hoe meer verschillende omstandigheden je wilt laten meten. Hoe langer de duur van het totale experiment. In deze handleiding beschrijven we het varieren van 3 verschillende groeimedia. Gist als producent 1. inleidende les (20 minuten) Tijdens de inleidende les is het handig als de leerlingen vertrouwd raken met het begrip dissmilatie. Gist wordt in dit practicum als productie-systeem gebruikt. In de industrie wordt gist ook gebruikt voor de productie van enzymen. De basis voor de groei is de omzetting van suiker naar energie. 2. Gistproef (4 uur) De groei van gist wordt indirect gemeten door te kijken bij welke omstandheden de zuurstof het snelst opgebruikt wordt. 3. verwerken resultaten a. Optimale groeisnelheid bepalen met behulp van de grafische rekenmachine. (30 minuten) b. verslag schrijven (2 uur) b. Werken in groepjes De leerling kan alleen of in tweetallen werken. c. Tijd en lesplannen De leerling kan het experiment inzetten en hoeft daarna niet meer bij de opstelling te blijven. De opgeslagen data in de CBL2 kan later worden opgehaald met de grafische rekenmachine en kan dan worden verwerkt. Tips Het is leuk als leerlingen zelf nog groeiomstandigheden bedenken waardoor de vergisting harder zal gaan (licht/donker, temperatuur (ook te meten met de datalogger etc). Ze kunnen ook bijvoorbeeld werken met honing in plaats van suiker. Of verschillende soorten suiker zoals de monosachariden glucose, fructose gebruiken in plaats van gewoon sucrose. Of rietsuiker in plaats van bietsuiker. Of nog wat andere stofjes (bijvoorbeeld mineralen) toevoegen die gist gebruikt om te groeien. NB! Let bij anaëroob werken op de overdruk die kan ontstaan 6 Optimale groei van gist 3 - Achtergrondinformatie De belangrijkste gistsoort in de industrie is bakkergist Saccharomyces cerevisiae. Bakkergist is een eukaryoot micro-organisme die hoort bij de groep van de eencellige schimmels (zakjeszwammen of Ascomycetes). Het meest bijzondere is dat gist zowel onder aerobe als anaerobe omstandigheden kan leven. Gist is belangrijk voor bierbrouwerijen en bakkerijen vanwege de alcohol en de kooldioxide die zij bij de anaerobe ademhaling produceren. Voortplanting geschiedt meestal ongeslachtelijk door knopvorming. Gist heeft bij optimale groeicondities een vermenigvuldigingstijd van ongeveer 90 minuten. Iedere gistcel kan zo'n 35-40 keer delen voordat hij doodgaat. Gistcellen zijn heel klein, zo'n 0,005-0,020 mm. Op de website van het NIBI bij het expertise centrum kun je een leuke strip downloaden over de geschiedenis van Gist. Deze strip is gemaakt voor het European Institute of Biotechnology Education (EIBE). Op deze website vindt je nog meer uitgebreidere info over gist http://www.classofoods.com/pagina1_3.html Over DSM gist en de producten die ze maken (Engels) http://www.dsm.com/en_US/html/dfs/fermentation-home.htm Kennislink artikel over biotechnologie in de Bakkerij. Hier worden voorbeelden gegeven van industriele enzymen die in gist worden geproduceerd om de productie en smaak van brood te verbeteren. http://www.kennislink.nl/web/show?id=100009 4 - Resultaten De 3 curves laten de groei zien van 1 gram gist opgelost in 25 ml suikeroplossing met een concentratie van 20% (gele lijn), 8% (roze lijn) en 4%(blauw). De witte lijn geeft aan dat de experiment is onderbroken voor 4 uur. De totale duur van het experiment was 12 uur. 7 Optimale groei van gist a. antwoorden op de vragen uit de leerlingenhandleidng 1 Bestudeer de reactievergelijkingen hier boven. Bedenk wat er gaat gebeuren als je de zuurstofconcentratie gaat meten in een afgesloten vat met lucht en groeiend gist. Schrijf in woorden op wat er gebeurd met de gistcellen en de zuurstofconcentratie in de lucht. In een afgesloten vat met lucht zit zuurstof. De gistcellen zullen gaan groeien en de zuurstof in de lucht verbruiken als ze de suikers verbranden. Op een gegeven moment zal de zuurstof in de lucht op zijn. Als er dan nog suiker is zullen de gistcellen overgaan op anaërobe dissimilatie. Schets een grafiek van het aantal gistcellen in de tijd en daarnaast een grafiek van de zuurstofconcentratie in de tijd. Dit is wat je verwacht dat er gaat gebeuren. Na afloop van de proef kun je kijken of je verwachting klopt met je gevonden resultaat. zuurstofgehalte aantal gistcellen 2 tijd 3 4 5 6 7 8 8 tijd Het aantal aantal gistcellen zal waarschijnlijk in het begin exponentieel toenemen. Zodra er te weinig suiker komt dan neemt het aantal af. Eerst moet de deling op gang komen en dan zal het zuurstofverbruik ook exponentieel toenemen. Het O2 gehalte zal dan exponentieel afnemen totdat het op is. Dan schakelt gist over van aërobe naar anaërobe dissimilatie. Bij welk percentage suiker denk je dat gist het beste zal groeien? In principe kan de leerling dit niet weten, maar misschien weten ze dat een te hoge concentratie osmotische problemen geeft voor micro-organismen. Welke stoffen naast suiker heeft gist nog meer nodig om goed te groeien? Dezelfde mineralen als andere organismen. Stikstof voor het maken van eiwitten. Teken de curve na en beschrijf het resultaat? Geef aan wat er in het begin gebeurt, in het middenstuk, en op het eind. In het begin moet de gist nog op gang komen. De delingssnelheid is 90 minuten onder optimale omstandigheden bij 37 graden Celcius. De assimilatie start natuurlijk wel meteen. Bij normale groei kom je dan in logaritmische fase waarbij er steeds meer gistcellen bij komen en er dus ook steeds meer zuurstof wordt verbruikt. Uiteindelijk is het suiker op en neemt de reactie weer af. Dit is een beetje te zien bij de grafiek op blz. 7 bij 20% suikerconcentratie curve. Wat is de biologische betekenis van de oppervlakte onder de curve? De hoeveelheid verbruikte zuurstof. Deze staat gelijk aan de hoeveelheid verbruikte suikers. Onder aërobe omstandigheden mag je er vanuit gaan dat de suikers worden gebruikt om nieuwe gistcellen te maken. Het potje dat het meeste zuurstof heeft verbruikt heeft de meest optimale groei voor gist. Bereken nu voor de 3 verschillende grafieken de oppervlakte onder de curve. Volg de stappen zoals je hierboven net geoefend hebt. Je gebruikt nu de lijsten van je experiment. Volg de stappen in leerlingenhandleiding op blz. 5. Bij welke omstandigheden (suikerconcentratie) groeit gist het beste? In dit voorbeeld is 20% meer optimaal dan 8% of 4%. Meten aan fotosynthese 1 - Inleiding a. Hoe is dit practicum te gebruiken? Het meten van fotosynthese kan in een wetenschappelijke context (oriëntatie op ecologisch of plantfysiologisch onderzoek) worden geplaatst, maar ook in de beroepscontext van de agrarische productie. Leerlingen voeren tijdens het practicum een experiment uit met waterpest en bekijken wat de invloed is van lichtkleur op de fotosynthese. Ook andere factoren kunnen worden gevarieerd denk aan temperatuur, CO2-gehalte van het water (vergelijk bronwater en gekookt water. Dit practicum sluit goed aan op het thema fotosynthese en is geschikt voor leerlingen van 4 en 5 havo en 4, 5 en 6 vwo. b. Wat gaan de leerlingen doen? Leerlingen voeren een experiment uit waarbij ze de lichtkleur varieren door verschillende lichtfilters te gebruiken. Ieder groepje leerlingen meet de fotosynthesesnelheid bij verschillende kleuren licht. Ze verzamelen de gegevens met behulp van een datalogger (CBL2) en een grafische rekenmachine. Met de grafische rekenmachine berekenen ze vervolgens bij welke kleur de fotosynthese-activiteit het grootst is. c. Benodigde materialen ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Waterpest 3 Cilinders van ongeveer 40 cm hoog 3 afsluitbare plastic deksels met gat waar zuurstofsensor in past Bronwater met koolzuurgas Zuurstofsensor die gas meet Cellofaan in de kleuren rood, groen, geel en blauw 3 afsluitbare plastic deksels met gat waar zuurstofsensor in past Plakband weegschaal Datalogger CBL2 Grafische rekenmachine TI-83 Plus of TI-84 Plus d. Concepten die behandeld worden Plant Fotosynthese 9 Meten aan fotosynthese 2 - Het practicum a. De verschillende onderdelen van dit Practicum met tijdsplanning Onderdeel Tijdsduur 1. voorbereiding experiment 15 minuten 2. fotosynthese-experiment met kleurenfilters 2 uur 3. controle-experiment zonder kleurenfilters 2 uur 4. schrijven van verslag 45 minuten Om de verschillen zo goed mogelijk in kaart te brengen dient de fotosynthesesnelheid niet te kort gemeten te worden. Wij raden aan om het experiment 2 uur te laten duren. Het experiment bestaat dan uit een fotosynthese-snelheid meting van 2 uur met kleurenfilter en een controle-experiment van 2 uur zonder kleuren-filter. b. Werken in groepjes De leerling kan alleen of in tweetallen werken. c. Tijd en lesplannen De leerling kan het experiment inzetten en hoeft daarna niet meer bij de opstelling te blijven. De opgeslagen data in de CBL2 kan later worden opgehaald met de grafische rekenmachine en kan dan worden verwerkt. d. Tips Zorg ervoor dat je een lichtbron gebruikt met wit licht (opgebouwd uit het hele spectrum). Een tl-balk is handig omdat je zo de lichtsterkte goed kan verdelen over het oppervlak en de cilinders allemaal evenveel licht krijgen. Dan is het nog noodzakelijk om de goede kleurenfilters te gebruiken. Of je de goede filters hebt kun je testen met een spectrofotometer maar deze zijn wel duur. Goede lichtfilters van het merk "Lee" zijn te koop bij J&H Licht en Geluid (http://www.shop.licht-geluid.nl/). Waterpest verouderd snel is is niet makkelijk lang houdbaar. Gebruik daarom altijd verse waterpest voordat je met de proeven begint. In plaats van waterpest kan ook de tropische waterplant Cabomba worden gebruikt. Dit is ook een aquariumplant en dus makkelijk verkrijgbaar bij tuincentrum of aquariumhandel. e. Veiligheid Tijdens het experiment zijn er geen bijzondere veiligheids aspecten die in acht genomen dienen te worden. 10 Meten aan fotosynthese 3 - Achtergrondinformatie Hieronder een verzameling van links waar nuttige informatie is te vinden op het internet over het onderwerp fotosynthese. Flash animatie over de licht en donker reactie (Bioplek.org) http://www.digischool.nl/bioplek/animaties/fotosynthese/fotosynthmodel.html Over bladgroenkorrels http://www.digischool.nl/bioplek/animaties/celtotaal/bladgroenkorrel.html 4 - Resultaten a Antwoorden op de vragen De 3 curves laten zien dat bij groen licht de laagste fotosynthese-activiteit is. De rode en de blauwe lijn lopen bijna even stijl. Op de x-as staat de tijd in minuten. Op de y-as het zuurstofgehalte (in procenten). 1 2 3 4 5 6 Bij welke kleur verwacht je dat de meeste zuurstof geproduceerd wordt? De absorptiegrafiek van chlorofyl laat twee pieken zien. De eerste piek ligt ongeveer bij 430 nm (blauw/paars) en de tweede bij 670 nm (rood). De fotosynteseactiviteit volgt ongeveer de lijn van de absorptie. Je verwacht dus dat de meeste zuurstof wordt geproduceerd bij blauw en rood licht en dat de cilinder met de groene lichtfilter de minste fotosynthese-activiteit heeft. Waarom zijn groene planten eigenlijk groen? Omdat ze alle kleuren uit het lichtspectrum absorberen behalve groen licht. Groen licht wordt juist doorgelaten. Dat kun je ook goed zien als je aan de onderkant van een blad kijkt waar wit licht doorheen valt. Teken de curve na en beschrijf het resultaat? Geef aan wat er in het begin gebeurt, in het middenstuk, en op het eind. De curve is vrijwel recht dus de fotosynthese-activiteit is constant en er zijn geen beperkende factoren (zie bovenstaande grafiek). Wat is de biologische betekenis van de oppervlakte onder de curve? De hoeveelheid geproduceerde zuurstof. De fotosynthese-activiteit kun je hier in uitdrukken. Bereken de oppervlakte onder de curve voor de 3 verschillende grafieken. Volg de stappen uit de leerlingenhandleiding op bladzijde 6. Bij welke kleur licht wordt het meeste zuurstof geproduceerd? En bij welke kleur de minste? Komt dat ook overeen met wat je verwacht had. Vergelijk je resultaat met de absorptiecurve op bladzijde 1 en je antwoord op vraag 1. Zie de grafiek. De groene lijn heeft loopt het minst stijl en krijgt dus ook de kleinse opppervlakte. Bij groen licht is de fotosyntheseactiviteit dus het laagst. Dit komt overeen met het absorptiespectrum van chloryfyl. 11 Modelleren van vieze groene meren 1 - Inleiding a. Hoe is dit practicum te gebruiken? Het meten en modelleren van een zoetwaterecosysteem kan in een wetenschappelijke context (oriëntatie op ecologisch of milieubiologisch onderzoek) worden geplaatst, maar ook in de beroepscontext van de natuurbeheerder of de beheerder van een waterschap. Het practicum sluit goed aan op de thema's ecologie en mens & mileu. Daarnaast wordt er in het verdiepingsdeel gewerkt met wiskundige modellen. Aangezien het theoretische gedeelte best pittig is, is het practicum meer geschikt voor leerlingen van klas 5 en 6 vwo dan voor de bovenbouw havo. b. Wat gaan de leerlingen doen? In dit practicum zit een theoretisch deel waarin kennis gemaakt wordt met een wiskundig model en een practisch deel waarbij veldwerk wordt verricht. Tijdens het veldwerk verzamelen de leerlingen gegevens over de 'ecologische toestand' van een watertje bij hun in de buurt. Met behulp van de datalogger meten ze bijvoorbeeld de zuurstofconcentratie en temperatuur van het water. Naast het opnemen van fysiologische gegevens (pH, temperatuur, zuurstofconcentratie, stikstofconcentratie etcetera) beschrijven de leerlingen de troebelheid van het water, of het water stroomt, en schatten ze de diepte en de oppervlakte. Al deze gegevens worden in een model gestopt en met dit model wordt een voorspelling gedaan over de ecologische toestand van het water. Met andere woorden of het meertje ecologisch gezond (helder water, grote biodiversiteit) is of dat het misschien wel op het punt staat om om te klappen in een troebele groene algensoep waar alleen nog maar wat bloedzuigers en brasems kunnen leven. c. Benodigde materialen Secchi-schijf om troebelheid (zichtdiepte) te meten Zuurstofsensor die in water opgelost zuurstofgas meet pH-papier temperatuursensor Stikstofmeetkit (nitraat en nitriet) Fosfaatmeetkit Datalogger CBL2 ○ Grafische rekenmachine TI-83 Plus of TI-84 Plus ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ d. Concepten die behandeld worden Eutrofiëring Algenbloei Ecosysteem Voedselweb 12 Modelleren van vieze groene meren 2 - Het practicum a. De verschillende onderdelen van dit Practicum met tijdsplanning Onderdeel Tijdsduur 1. inleidende les 45 minuten 2. veldwerk 2 uur 3. verwerken resultaten en schrijven verslag 4 uur 1. inleidende les (45 minuten) Tijdens de inleidende les is het handig als de leerlingen vertrouwd raken met het begrip eutrofiëring en de gevolgen daarvan. De leerlingen moeten ook besef hebben dat een ecosysteem in een bepaalde evenwichtstoestand verkeerd. Door veranderende milieu-omstandigheden kan zo'n ecosysteem plotseling omklappen in een andere evenwichtstoestand. Voor het gemak praten we in dit practicum van een gezonde situatie en een ongezonde situatie. Ecologen beginnen nog maar net te begrijpen hoe het kan dat zo'n gezonde evenwichtssituatie om kan slaan in een ongezonde evenwichtssituatie. En nog belangrijker ze proberen te voorspellen wanneer zo'n ecosysteem op het punt staat om om te klappen. In dit practicum staat het zoetwaterecosysteem - bijvoorbeeld onze Nederlandse wateren zoals de Veluwmeren - centraal. Maar de theorie gaat ook op voor zoutwater-ecosystemen zoals koraalriffen of landecosystemen zoals droge graslanden. Verder behandeld de inleidende les in het kort wat de leerlingen allemaal gaan doen tijdens het practicum en hoe lang dit ongeveer gaat duren. 2. veldwerk (3 uur) a. Tijdens het veldwerk moeten de leerlingen de biotische en abiotische factoren van het watertje opnemen. Beschrijf de ligging, soort water (kanaal, sloot, meer etc.), toestand (helder, vies, schoon etc.) Voorspel of je hier te maken hebt met een gezond (veel biodiversiteit) of ongezond (soortenarm, veel algen) ecosysteem te maken hebt. (10 minuten) b. schatting wateroppervlakte (2 minuten) c. temperatuur meten (2 minuten) d. troebelheid meten (5 minuten) e. zuurgraad meten (5 minuten) f. zuurstofconcentratie meten (zonder ijking 15 minuten, met ijking 25 minuten) g. fosfaat en nitraatgehalte meten (20 minuten) 3. verwerken resultaten (4 uur) a. resultaten verwerken in het wiskundig model (2 uur) b. verslag schrijven (2 uur) b. Werken in groepjes Dit practicum is het beste uit te voeren in een groepje van 2-4 personen. Een groepje van 4 personen kan tijdens het veldwerk de op te nemen gegevens onderling verdelen waardoor het minder tijd kost. c. Tips Op internet zijn veel bronnen te vinden met waterkwaliteit-gegevens van Nederlandse wateren. Via onderstaande link kunnen leerlingen hun gegevens vergelijken met gegevens van 3 meertjes in de gemeente Leidschendam: 'Starrevaart', 'Meeslouwersplas en 'Vliet'. http://www.xs4all.nl/~sjaak/vwgvl/rapporten/waterkwaliteit01/index.html 13 Modelleren van vieze groene meren 3 - Achtergrondinformatie Waterkwaliteit en algenbloei: zwemmen in een groene soep? De mens heeft nogal een grote invloed op zijn omgeving. Zo ook op het water om hem heen. Denk maar aan de scheepvaart, visserij en recreatie (zwemmen en pleziervaart). Door toedoen van de mens wordt er afvalwater geloosd in rivieren en sijpelen er meststoffen in onze sloten en watertjes. Eén van de meeste zichtbare gevolgen van die toename aan meststoffen in het water is vertroebeling. Onder invloed van de aanvoer van een overmaat aan mineralen neemt de algenbiomassa toe en wordt het water groen en troebel. Door dit proces kan het zicht in het water beperkt worden van gemiddeld 1 meter tot maar 20 cm. Vertroebeling van het oppervlaktewater heeft verschillende gevolgen op het biologisch, maar ook op het maatschappelijk vlak. Waterplanten verdwijnen doordat er geen zonlicht meer doordringt, vissoorten verdwijnen doordat zonlicht en waterplanten verdwijnen en later verdwijnen ook de eventuele recreanten omdat vissen, waterplanten en helderheid zijn verdwenen. Immers, wie wil er nu in een groene soep zwemmen? Voedselpiramide/web Onder het wateroppervlak bevindt zich, net als boven water, een ingewikkeld voedselweb. Het ecosysteem bestaat uit verschillende trofische niveaus : producenten, consumenten en reducenten. De producenten in het water leggen zonne-energie, middels fotosynthese, vast in biomassa. Hierdoor groeien ze in omvang en/of aantal. De producenten bestaan uit algen, wieren en planten. De producenten worden gegeten door 1e orde consumenten. Deze orde bestaat uit protozoa, zoöplankton en herbivore (plant- en/of algenetende) vissen. Veel van deze 1e orde consumenten worden op hun beurt gegeten door 2e orde consumenten. De protozoa, het zooplankton en de herbivore vissen worden dus gegeten door andere consumenten, zoals brasem, snoek , grote macrofauna soorten en bepaalde vogels. Daarboven staan nog enkele zogenaamde toppredatoren (roofdieren), bijvoorbeeld otters en bevers. Door inperkingen van leefgebieden zijn deze soorten echter in een heel groot deel van Nederland uitgestorven. Naast de producenten en consumenten zijn er de reducenten. Deze groep breekt dood, organisch materiaal af. Alle dode algen, dode bladeren, dode macrofauna en dode vissen worden door o.a. schimmels en bacteriën afgebroken. De voedingsstoffen die hierbij vrijkomen worden weer door de producenten gebruikt om te groeien. Tot zover de achtergrond over verschillende ‘trofische niveaus’. Uiteraard komen niet alle soorten in elk watersysteem voor. In Nederland hebben we simpel gezegd twee systemen: systemen die gedomineerd worden door waterplanten en systemen die gedomineerd worden door algen. Het ontstaan van deze twee systemen is vooral afhankelijk van het nutriëntgehalte. Daarover echter meer in het stukje over ‘alternatieve evenwichten’. Eerst volgt wat theorie over nutriëntaanvoer en de gevolgen Alternatieve evenwichten: brasem, snoek, watervlo, waterplant, alg In vorige alinea is beschreven dat er verschillende groepen organismen in verschillende trofische niveaus voorkomen. Uiteraard komen niet alle soorten evenveel voor. In voedselarm water is de hoeveelheid algen laag doordat o.a. watervlooien de algen opeten. In het heldere water zitten veel snoeken die vanuit de planten jagen op o.a. brasem en blankvoorn . Zo blijft de populatie watervlooien 14 Modelleren van vieze groene meren groot en heb je een stabiel helder systeem. Wanneer het nutriëntgehalte toeneemt, blijft de situatie lang gehandhaafd. Het aantal waterplanten neemt toe zodat snoeken makkelijker jagen en het zoöplankton neemt toe doordat er meer algen komen. Op een gegeven moment gaat het echter mis, omdat de groeisnelheid van algen veel hoger is dan de groeisnelheid van zoöplankton. Op dat punt slaat het heldere evenwicht om naar het troebele, alternatieve evenwicht. In het troebele evenwicht zorgen de minerale voedingsstoffen voor een grote algengroei en de waterplanten verdwijnen. Met het verdwijnen van de waterplanten verdwijnen ook predatoren, zoals de snoeken, omdat deze voor de jacht afhankelijk zijn van de vegetatie als schuilplaats. Door de afname van de snoekenpopulatie verliezen de zoöplanktivore vissen (o.a. brasem), een predator, waardoor ze sterk in aantal toe kunnen nemen. Een eerste effect van de toename van deze vissen is het feit dat veel zoöplankton wordt opgegeten, waardoor de algen nog sterker kunnen toenemen. Door extra voedingsstoffen en de afwezigheid van ‘grazers’ nemen de algen explosief toe. Een tweede effect is de omwoeling van sediment. Brasem, blankvoorn en o.a. ruisvoorn eten namelijk zoöplankton, planten én bodemdiertjes. Bij het zoeken naar deze bodembewoners woelt de vis de bodem om waardoor extra mineralen vrijkomen. Dit heeft als gevolg dat het water troebeler wordt en de wortels van waterplanten aangetast worden. Dit alles zorgt dus direct of indirect voor extra vertroebeling. Dit extra proces heet 'verbraseming'. Dit systeem zal uiteindelijk een troebel evenwicht bereiken dat zich kenmerkt door een overmatige algenbloei zonder waterplanten, weinig zoöplankton, een grote populatie benthivore en zoöplanktivore vissen en weinig predatoren. Omdat beide situaties stabiele evenwichten zijn, veranderen ecosystemen niet direct wanneer de mineralenaanvoer verandert. Dit lijkt onbelangrijk, maar niets is minder waar. Heb je je nooit afgevraagd waarom de meeste plassen in Nederland nog zo groen en algenrijk zijn, terwijl er zeer veel geld in sanering van bronnen, baggeren en biologisch beheer wordt gestoken? Dit heeft dus te maken met de alternatieve evenwichten. Voordat het eutrofe evenwicht weer terug omslaat naar een oligotroof evenwicht moet de concentratie aan mineralen erg laag zijn, lager dan de beginsituatie toen het water in ‘helder water’ evenwicht was. De veranderingen zijn dus niet lineair met de hoeveelheid mineralen. Gelukkig hebben waterbeheerders enkele manieren bedacht om het proces wat te versnellen. Oplossingen om troebel water te bestrijden Er is maar één echte oplossing. Om ervoor te zorgen dat het troebele evenwicht omslaat naar het heldere evenwicht moet de mineralenaanvoer zeer sterk gereduceerd worden. Simpel gezegd moet er gewoon minder mest geproduceerd worden en de mest die toch geproduceerd wordt, moet meer gedoseerd verspreid worden, zodat er minder voedingsstoffen in het oppervlaktewater komen. Alle andere oplossingen zijn lap- of hulpmiddelen. In combinatie met de reductie van mineralenaanvoer helpen ze echter om het gewenste resultaten sneller te bereiken. Er bestaan verschillende vormen: ○ Biomanipulatie : het wegvangen van benthivore, herbivore en zoöplankivore vis. Dit is meestal zogenaamde 'witvis' zoals brasem. Daardoor kan de populatie zoöplankton weer toenemen en wordt de opwerveling van sediment voorkomen. Naast het wegvangen van deze vissoorten kan eenzelfde effect bereikt worden door het uitzetten van predatoren (zoals snoek). Biomanipulatie wordt ook wel Actief Biologisch Beheer genoemd. 15 Modelleren van vieze groene meren ○ Peilbeheer : door de waterdiepte te vergroten kan de troebelheid verlagen, omdat de wind minder invloed heeft op de opwerveling van sediment op de bodem van de plas. ○ Complete leegloop: door een plas compleet leeg te laten lopen verdwijnen veel mineralen. Dit lijkt overdreven, maar het wordt wel (in combinatie met andere maatregelen) toegepast voor kleine plassen. ○ Doorspoeling: door een plas door te spoelen met mineralenarm water neemt het nutriëntgehalte in de plas af. Wanneer de doorspoelsnelheid hoger is dan de groeisnelheid van algen kan dit ook het verdwijnen van de algenpopulatie tot gevolg hebben. ○ Baggeren: doordat met name fosfaat erg goed wordt opgeslagen in de bodem (en later bij een lager nutriëntgehalte weer oplost in het water) kan het nuttig zijn om de bovenste sedimentlaag van een plas te verwijderen. ○ Watervlooien: dit zoöplankton eet algen en kan makkelijk gekweekt worden. Een mogelijkheid is om zeer veel watervlooien te kweken en in de plas los te laten, waardoor veel alg verdwijnt zodat de waterplanten de kans krijgen om terug te komen. ○ Stimuleren vegetatiegroei: door ondiepere zones te maken kan geprobeerd worden om macrofyten de kans te geven zich te vestigen. Op de ondiepere delen kan het zonlicht dan makkelijker tot de bodem doordringen, zodat jonge plantjes meer kans hebben. Een bijkomend voordeel van de toename in planten is dat het water minder beweegt, waardoor algen naar de bodem zinken wat uiteraard het doorzicht bevordert. ○ Weghalen vegetatie: algen en planten kunnen verzameld en verwijderd worden. De mineralen die in de planten zijn opgeslagen worden daardoor verwijderd. Hierdoor zal op termijn de plas ook helderder worden. Bovenstaande tekst is een samenvatting van de inaugurele rede van Marten Scheffer, professor Aquatische Ecologie en Waterkwaliteitsbeheer aan de WUR http://www.dow.wau.nl/aew/publications/rede/inleiding.html Omrekentabel van absoluut naar relatief zuurstofgehalte Aangezien koud water meer zuurstof kan bevatten dan warm water bepaald is de absolutie zuurstofconcentratie afhankelijk van de temperatuur van het water. Met de zuurstofsensor van Vernier hoef je hier geen rekening mee te houden, die geeft zelf de absolute concentratie aan. temp 16 O2 temp O2 temp O2 temp O2 temp O2 0 14.60 1 14.19 11 11.01 21 8.90 31 7.41 41 6.31 2 13.81 12 10.76 22 8.72 32 7.28 42 6.22 3 13.44 13 10.52 23 8.56 33 7.16 43 6.13 4 13.09 14 10.29 24 8.40 34 7.05 44 6.04 5 12.75 15 10.07 25 8.24 35 6.93 45 5.95 6 12.43 16 9.85 26 8.09 36 6.82 46 5.86 7 12.12 17 9.65 27 7.95 37 6.71 47 5.78 8 11.83 18 9.45 28 7.81 38 6.61 48 5.70 9 10 11.55 19 9.26 29 7.67 39 6.51 49 5.62 11.27 20 9.07 30 7.54 40 6.41 50 5.54 Modelleren van vieze groene meren 4 - Resultaten a. antwoorden op de vragen uit de leerlingenhandleidng VRAGEN 1 Wat betekent een hoge, lage of neutrale pH voor de kwaliteit van het water en de groei van planten? Een hoge pH betekent een basisch milieu. Een lage pH betekent een zuur milieu. Een pH van boven de 8,5 of onder de 6 komt van nature niet voor. Er is dan duidelijk iets mis met de waterkwaliteit. De meeste Nederlandse meertjes hebben een pH tussen de 7 en 8,5. Alleen vennen kunnen licht zuur zijn met een pH rond de 6. Gedurdende een jaar kan de pH wel wat fluctueren dankzij verhoogde fotosynthese-activiteit in de zomer en de verhoogde CO2 productie in najaar en winter door reducenten die dood plantenmateriaal verteren. 2 Verzin zelf een hypothese waarom sommige meertjes wel veranderen in een vieze groene soep, terwijl andere gewoon helder blijven. Sommige meren zijn diep waardoor de algen naar beneden zakken en daar op de bodem tot sediment neerslaan. De hoeveelheid nutriënten hoopt zich dan op op de bodem van het meer en komt niet in de waterkolom. Meertjes waar stroming is reageren ook anders dan meertjes waar alleen maar stilstaand water is. Bijvoorbeeld grotere meren zoals het IJsselmeer kunnen door wind en golfslag stroming hebben waardoor er geen drijflaag van algen gevormd wordt. 3 Kun je nog meer belangrijke factoren noemen die van invloed zijn op de toestand van het water? Schrijf die dan hieronder op. Naast de chemische factoren (nitraat, stikstof, pH etc.) en gegevens over de ligging (bos, stad, weiland) zijn er vast nog meer factoren te noemen: watervogels ja of nee; recreatie door mensen; et cetera. 4 In de tekst op bladzijde 10 staat dat natuurbeheerders om het nutriëntengehalte te verlagen, het nutriëntenrijke water wegpompten en vervingen voor nutrïentenarm water tegelijk met het wegvangen van de algen. Bedenk nog een manier om de nutriëntenconcentratie in het water te verlagen. Het wegvangen van brasem of het verlagen van de waterstand. Zie bladzijde 15 en 16 voor meer uitleg. 5 De weg terug van troebel naar helder volgt niet dezelfde lijn als van helder naar troebel. Wat betekent dat voor de waterbeheerders die streven naar alleen maar heldere gezonde meren? Wil je een troebel meer weer helder krijgen dan moet je als beheerder de nutriëntenconcentratie terugbrengen voorbij omslagpunt 2. Wil je een helder meer helder houden blijf dan onder deze drempelwaarde. Zie ook blz. 17. 6 Je moet advies uitbrengen aan de waterbeheerders. Welke veilige drempelwaarde adviseer je zodat je er vanuit mag gaan dat het water helder blijft? Het omslagpunt ligt bij een nutriëntenconcentratie van 3,5 dus neem je hem veilig dan moeten de waterbeheerders aan de bel trekken als het water een concentratie van 3 nadert. EXTRA VRAGEN 7 Leg uit hoe zuurstofgebrek in verband staat met eutrofiëring Doordat veel waterplanten sterven als gevolg van lichttekort is er veel voedsel voor de reducenten. De reducenten verbruiken veel van de aanwezige 17 Modelleren van vieze groene meren 8 zuurtstof terwijl er veel minder zuurstof door de producenten geleverd wordt dan in de situatie voor de eutrofiëring. Zet verbindingspijlen tussen de onderstaande organismen en beschrijf het voedselweb. Voorbeeld: Koe -> gras. De pijl geeft aan "eet". Brasem 9 snoek alg waterplant watervlo Minder snoeken zorgt voor meer Brasem, meer brasem zorgt voor minder watervlooien en dus neemt het aantal algen toe. Onder de oplossingen om een troebel meer weer helder te krijgen staat ook het wegvangen van vis. Is het juist handig om de snoek weg te vangen of juist de brasem? Leg je antwoord uit. De snoek wegvangen zou de algen juist doen toenemen, vandaar dat juist de brasem moet worden weggevangen. Zie schema bij vraag 7. DOEN Hierboven staat de grafiek van troebel naar helder en weer terug. Wat duidelijk te zien is in de situatie van helder naar troebel, is dat het even duurt voordat de eutrofiëring ervoor zorgt dat de algengroei en dus de zichtdiepte afneemt. De grafiek is niet lineair. Ben je eenmaal voorbij omslagpunt 1, dan hoef je nog maar een klein beetje nutriënten toe te voegen en dan neemt zichtdiepte gelijk enorm af (het stijlste punt in de grafiek). En bij de weg terug is het niet zo simpel dat je gewoon de nutrientenconcentratie weer verlaagt tot voorbij omslagpunt 1. Maar wil je het meer weer helder krijgen en houden dan moet je de nutriëntenconcentratie terugbrengen voorbij omslagpunt 2, anders zit je niet in de evenwichtssituatie en is het binnen de kortste keren weer troebel. VRAGEN 10 Welke chemische milieufactoren (nitraat, fosfaat etc.) denk je dat het meest de algengroei beïnvloeden. Leg je antwoord uit? Fosfaat en Nitraat zijn de belangrijkste bouwstenen voor een alg. Deze nutriënten zijn dus het belangrijkste voor de algengroei. 11 Komen de gegevens van jouw watertje overeen met het model? Zelf invullen. 18 Modelleren van vieze groene meren 5 - Bestelinformatie & Colofon Colofon Alle tekst, illustraties en materiaal is copyright 2005, NIBI - Texas Instruments. De handleidingen mag u onbeperkt kopiëren voor educatief gebruik binnen de school. De foto van de fermentor in de leerlingenhandleiding is afkomstig van Applikon biotechonology bv. De foto van gist is afkomstig van DSM bv. Info/hulp Als u vragen heeft, kunt u contact opnemen met: Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI) Postbus 19245 3501 DE Utrecht 030-2369244 [email protected] www.nibi.nl 19 Belangrijke informatie Bestellen Alle benodigde producten bij de beschreven experimenten kunt u bestellen bij: Eurofysica Stadionlaan 161 5246 JT Rosmalen Telefoon 073 623 26 22 www.eurofysica.nl Vragen / suggesties Heeft u nog vragen of suggesties, wendt u zich dan tot: NIBI Telefoon.030 23 69 244, www.nibi.nl e-mail: [email protected] Postbus 19245 3501 DE Utrecht of Texas Instruments Rutherfordweg 102 3542 CG Amsterdam Telefoon 030 24 17 422 www.education.ti.com e-mail: [email protected] leerlingenhandleiding practicum Optimale groei van gist NAAM KLAS Gist In Nederland zijn een groot aantal bedrijven elke dag bezig met gist. Heineken gebruikt gist bij het maken van bier, DSM produceert gist voor de bakkerij, maar gebruikt gist ook voor de productie van allerlei enzymen. Bijvoorbeeld enzymen die ervoor zorgen dat voedsel lekkerder gaat smaken of langer goed blijft. Voor de Nederlandse economie is het micro-organisme met de wetenschappelijke naam Saccharomyces cerevisiae erg belangrijk. De gistcellen worden gekweekt in enorme metalen vaten, zogenaamde fermentors. Hoe sneller het gist groeit hoe meer gist er beschikbaar is voor de verkoop of hoe groter de opbrengst van enzymen. Het spreekt voor zich dat er bij een betere productie meer kan worden verdiend door het bedrijf. Daarom is het belangrijk om de groei-omstandigheden te optimaliseren. In dit practicum gaan jullie, net als de onderzoekers van bedrijven, voor verschillende gisten uitzoeken bij welke omstandigheden ze het beste groeien. Gist groeit door zichzelf te klonen. Hier zie je twee moedercellen met twee uitstulpingen: de jonge gistcellen. Gist is een bijzonder micro-organisme want het kan namelijk leven zonder en met zuurstof alhoewel de groei het beste gaat met zuurstof. Het metabolisme (stofwisseling) van gist ziet er in een reactievergelijking als volgt uit: Met zuurstof (aëroob) C6H12O6 + 6O2 ⇒ 6CO2 + 6H2O Zonder zuurstof (anaëroob) C6H12O6 ⇒ 2CH3CH2OH + 4CO2 VRAGEN 1 Bestudeer de reactievergelijkingen hier De productie van gist vindt plaats in enorme reactievaten. Zo'n fermentor is aangesloten op een boven. Bedenk wat er gaat gebeuren als computer om de groei-omstandigheden nauwkeurig in je de zuurstofconcentratie gaat meten in de gaten te houden. een afgesloten vat met lucht en groeiend gist. Schrijf in woorden op wat er gebeurd met de gistcellen en de zuurstofconcentratie in de lucht 2 Schets een grafiek van het aantal gistcellen in de tijd en daarnaast een grafiek van de zuurstofconcentratie in de tijd. Dit is wat je verwacht dat er gaat gebeuren. Na afloop van de proef kun je kijken of je verwachting klopt met je gevonden resultaat. DOEN 1. Maak een reeks verdunningen van suikeroplossingen. Neem als maximale suikerconcentratie 50% en als minimale suikerconcentratie 1%. 2. Los 1 gram gedroogde gist op in 25 ml van de suikerconcentratie. 3. Schud voorzichtig totdat alle gist goed is opgelost. 4. Met 1 datalogger kun je 3 reeksen tegelijk meten 2 Werken met de datalogger CBL2 en de grafische rekenmachine TI-84 plus De zuurstofsensoren hoef je niet te calibreren. Zodra je de zuurstofsensoren aansluit op de CBL2 dan ijkt de sensor zichzelf en meet de sensor direct het zuurstofgehalte in de lucht. Een normale waarde voor zuurstof in de lucht is 20-21 procent. zuurstofsensor De proefopstelling 3 flesjes met gist in verschillende suikerconcentraties. In het linker flesje zit 20%, in het midden 10% en in het rechter flesje 4%. DOEN Zorg dat er stroom op de datalogger (CBL2) staat en dat er batterijen in je rekenmachine zitten. 1. 2. Sluit de rekenmachine aan op de CBL2 met het dunne korte snoertje met 2 dezelfde pluggen (mini-jack). Start de applicatie Datamate op je rekenmachine, via [APPS], wandel naar beneden tot de cursor op DataMate staat en druk [ENTER]. Als DataMate nog niet op je rekenmachine staat koppel je de rekenmachine aan de CBL2 datalogger. Kies dan [2ND] en [LINK], met de cursor naar rechts naar Recieve en toets [ENTER] . Druk nu op de knop [TRANSFER] op de CBL2 datalogger en de Datamate applicatie wordt uit het geheugen van de CBL2 geladen op de rekenmachine. 3 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Sluit de 3 sensoren aan op de 3 kanalen. Zodra je dat hebt gedaan dan komt er op de het schermpje te staan "checking sensors". Vervolgens laat de rekenmachine het hoofdscherm zien met de 3 meetkanalen (CH1, CH2 en CH3) met de zuurstofsensor die meet in (pct) dat staat voor percentage. Een normale zuurstofconcentratie is ongeveer 20.0 pct. Het bereik van de sensor ligt tussen de 0 en 22 pct. Voordat je de meting start moet je eerst het aantal meetpunten instellen en de frequentie, je stelt dus het tijdsinterval in tussen opeenvolgende meetpunten. Omdat de sensor tijd nodig heeft om te meten mag je nooit een tijdsinterval gebruiken kleiner dan één seconde. Voor deze proef nemen we een tijdsinterval van 3 minuten en meten 120 meetpunten. Ga met de pijltjestoetsen naar MODE:TIME GRAPH en druk op [ENTER]. Er verschijnt dan een lijst met methodes om data te verzamelen. Toets dan 2:TIME GRAPH in. Je komt dan in de instellingen voor de tijdgrafiek. Druk nu 2:CHANGE TIME SETTINGS in. Stel het tijdsinterval op 180 seconden in en het aantal meetpunten op 120. De rekenmachine stelt zelf de totale tijdsduur in. (180*120=21600 seconden oftewel 6 uur). Druk nu op 1:OK en je komt weer terug in het setupscherm. Druk nogmaals op 1:OK en je bent weer terug in het hoofdscherm waarbij je ziet dat de sensoren aan het meten zijn. Druk nu op 2:START om het experiment te starten. De CBL2 geeft een paar korte piepjes zodra je start hebt ingedrukt. Tegelijk start het meetscherm waar om de 2 minuten een meetpunt neergezet wordt. Na 6 uur trekt de rekenmachine zelf een lijn door de punten en verschijnen er 3 grafieken. De x-as geeft de tijd aan. Je kunt nu de rekenmachine afkoppelen om batterijen te besparen. Zodra je de rekenmachine weer aankoppelt en je het datamateprogramma opstart door op [APPS] te drukken verschijnt weer het hoofdscherm met de toevoeging "collecting data", mits de 6 uur nog niet zijn verstreken. VRAGEN 3 Bij welk percentage suiker denk je dat gist het beste zal groeien? 4 Welke stoffen naast suiker heeft gist nog meer nodig om goed te groeien? Klaar met data verzamelen Na 6 uur is het experiment klaar. Nu moet je eerst de data uit de het geheugen van de CBL2 overzenden naar je grafische rekenmachine. Als je de rekenmachine tijdens het meten de hele tijd aangekoppeld had aan de CBL2 dan staan de gegevens al in het geheugen en kun je direct de gegevens bewerken. DOEN 1. Zodra het experiment klaar is geeft de datalogger weer een paar korte piepjes. Je kunt nu de rekenmachine weer aankoppelen aan de CBL2. 2. Start het datamateprogramma weer op door op [APPS] te drukken. Selecteer DataMate met de pijltjestoetsen en druk op [ENTER]. Het scherm geeft de volgende tekst weer: Datacollection is done. Choose the tools option, then choose retrieve data. Druk op [ENTER]. Je komt weer in het hoofdscherm. 3. Druk op 5:TOOLS. Je komt dan in het Tools menuscherm terecht. 4 4. 5. Druk op 2 RETRIEVE DATA. Op je scherm verschijnt een grafiek met 3 lijnen. Je meetgegevens zijn nu opgeslagen in het menu van de rekenmachine en zijn klaar om bewerkt te worden. Je kunt de proef nogmaals 6 uur in zetten als je merkt dat er nog aardig wat zuurstof over is in het flesje. Let er wel op dat zodra je op start drukt in het menu de oude gegevens worden overschreven. Regressie rekening met de TI-83 Plus of TI-84 Plus Om te bekijken bij welke omstandigheden gist het beste groeit gaan we de oppervlakte onder de curve berekenen, dit heet in de wiskunde 'regressie-rekenen'. VRAGEN 5 Teken de curve na en beschrijf het resultaat? Geef aan wat er in het begin gebeurt, in het middenstuk, en op het eind. 6 Wat is de biologische betekenis van de oppervlakte onder de curve? DOEN 1. Na het uitvoeren van een experiment met de CBL2 datalogger worden de meetwaarden opgeslagen in lijsten op de grafische rekenmachine (GR). Op basis van deze meetwaarden kan de GR een mogelijk wiskundig verband tussen de twee lijsten berekenen. Dit wiskundig verband kan van verschillende vorm zijn; lineair, 2de macht, 3de macht, exponentieel etc. Zie scherm 1. Dit scherm bereik je via [STAT] en cursor naar rechts naar CALC en [ENTER]. 2. 3. 4. 5. Als oefening met de regressie rekening kan je de data uit scherm 2 invoeren. Toets [STAT] en 1:Edit. Staan er nog andere gegevens in L1 en L2, dan kan je die makkelijk weghalen door de cursor op de naam van de lijst te zetten (met de cursor besturing) en daarna [CLEAR] in te drukken. Neem nu de waarden uit scherm 2 over in de lijsten L1 en L2. Bekijk dan eerst de bijbehorende statistische plot; druk hiervoor [2ND] en [Y=]. Kies de eerste STAT PLOT met [ENTER] en stel in zoals hiernaast. Wandel met de cursorbesturing rond, als je op de juiste optie staat bevestig je die door ENTER te toetsen. Je kan de grafiek bekijken via ZOOM en optie 9: ZoomStat, hiermee stelt de GR het scherm zo in dat de hele plot in beeld komt. Zie scherm 4. De assen staan niet in beeld, er is immers op de plot ingezoomd, wil je de assen wel in beeld pas dan via [WINDOW] de instellingen aan. Via [GRAPH] krijg je dan scherm 6. Scherm 1 Scherm 2 Scherm 3 Scherm 4 Uit deze grafiek kan je afleiden dat hier een lineair regressie model dient te worden gebruikt, ga daarvoor naar [STAT] en CALC (met cursor naar rechts en ENTER). Kies optie 4:LinReg(ax+b) met [ENTER]. Geef nu aan welke data moet worden gebruikt voor de regressie rekening (L1 en L2) en sla de Scherm 5 5 functie die wordt berekend op in Y1. Kies hiervoor [VARS], dan met de cursor naar rechts naar Y-VARS kies optie 1:Function met [ENTER] en selecteer Y1 met [ENTER]. Zie scherm 7. (Denk aan de komma's als scheiding tussen de parameters). 6. Via [ENTER] wordt de berekening uitgevoerd en krijg je scherm 8, waar de richtingscoefficient a en de startwaarde b bij het lineaire functie voorschrift zijn berekend. Druk [GRAPH] en je ziet bij de puntenwolk nu ook de functie Y1 in beeld die de beste fit bij deze data levert. Zie scherm 9. Scherm 6 Scherm 7 7. 8. Berekening van het oppervlak onder het functie voorschrift kan de GR voor je uitvoeren. Wil je de oppervlakte weten onder Y1 van x = 10 tot x = 50, kies dan 2ND en CALC, dan optie 7: ∫ f(x)dx bevestigen met [ENTER], de grafiek wordt getoond en de ondergrens wordt gevraagd, toets 10 en [ENTER], nu wordt de bovengrens gevraagd, toets dus 50 en [ENTER], je ziet nu dat de bedoelde oppervlakte wordt gearceerd en onder in beeld staat de waarde die numeriek is berekend door de GR. Zie scherm 10. De GR beschouwd het gearceerde stuk als een tekening op de grafiek, wil je de arcering verwijderen, dan kies je [2ND] [DRAW] en optie 1: ClrDraw. Scherm 8 Scherm 9 Scherm 10 VRAGEN 7 Bereken nu voor de 3 verschillende grafieken de oppervlakte onder de curve. Volg de stappen zoals je hierboven net geoefend hebt. Je gebruikt nu de lijsten van je experiment. 8 Bij welke omstandigheden (suikerconcentratie) groeit gist het beste? 6 leerlingenhandleiding practicum Meten aan fotosynthese NAAM KLAS Practicum Fotosynthese Planten hebben licht nodig om te groeien. Het licht wordt door het bladgroen (chlorofyl) in de bladgroenkorrels omgezet in energie: de fotosynthese. Wit licht bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Dat is goed te zien als je het licht laat breken op regendruppels in de zon. Dan zie je de regenboog. Of op een glazen prisma. Bladgroen absorbeert niet alle kleuren (golflengtes) even goed. Dat zie je in het plaatje hiernaast. Je ziet ook dat er twee pieken zijn. De eerste piek ligt ongeveer bij 430 nm (paars/blauw) en de tweede bij 670 nm (rood). De fotosynteseactiviteit volgt ongeveer de lijn van de absorptie. In de volgende proef gaan we onderzoeken bij welke kleur de plant het beste fotosynthetiseert. 40 cm DOEN 1. Weeg de waterpest af. 2. Doe evenveel waterpest in iedere cilinder 3. Vul de cilinder voor de helft aan met kraanwater 4. Voeg dan in iedere cilinder 100 ml bronwater toe zodat het water genoeg koolzuurgas (CO2) bevat voor de fotosynthese. 5. Vul dan de cilinder voor de rest met kraanwater zodat er nog een kolom lucht van 10 cm overblijft (zie afbeelding). 6. Pak de cilinders met het gekleurde cellofaan in 7. Sluit de cilinders goed af met de deksels en de zuurstofsensor. 8. Meet gedurende 2 uur de zuurstofproductie. Kijk op de volgende bladzijde hoe je de datalogger CBL2 aansluit en instelt. Zuurstof sensor Voorbeeld van de proefopstelling. Zorg ervoor dat er ongeveer boven het water een kolom lucht is van ongeveer 10 cm. 2 Werken met de datalogger CBL2 en de grafische rekenmachine TI-84 plus De zuurstofsensoren hoef je niet te calibreren. Zodra je de zuurstofsensoren aansluit op de CBL2 dan ijkt de sensor zichzelf en meet de sensor direct het zuurstofgehalte in de lucht. Een normale waarde voor zuurstof in de lucht is 20-21 procent. DOEN 1. Zorg dat er stroom op de datalogger (CBL2) staat en dat er batterijen in je rekenmachine zitten. 2. Sluit de rekenmachine aan op de CBL2 met het dunne korte snoertje met 2 dezelfde pluggen (mini-jack). Start de applicatie Datamate op je rekenmachine, via [APPS], wandel naar beneden tot de cursor op Datamate staat en druk [ENTER]. Als Datamate nog niet op je rekenmachine staat koppel je de rekenmachine aan de CBL2 datalogger. Kies dan [2ND] en [LINK], met de cursor naar rechts naar Recieve en toets [ENTER] . Druk nu op de knop Transfer op de CBL2 datalogger en de Datamate applicatie wordt uit het geheugen van de CBL2 geladen op de rekenmachine. Sluit de 3 sensoren aan op de 3 kanalen. Zodra je dat hebt gedaan dan komt er op de het schermpje te staan "checking sensors". Vervolgens laat de rekenmachine het hoofdscherm zien met de 3 meetkanalen (CH1, CH2 en CH3) met de zuurstofsensor die meet in (pct) dat staat voor percentage. Een normale zuurstofconcentratie is ongeveer 20.0 pct. Het bereik van de sensor ligt tussen de 0 en 22 pct. Voordat je de meting start moet je eerst het aantal meetpunten instellen en de frequentie, je stelt dus het tijdsinterval in tussen ieder meetpunt. Omdat de sensor tijd nodig heeft om te meten mag je nooit een tijdsinterval gebruiken kleiner dan één seconde. Voor deze proef nemen we een tijdsinterval van 2 minuten en meten 60 meetpunten. Ga met de pijltjestoetsen naar MODE: TIME GRAPH en druk op [ENTER]. Er verschijnt dan een lijst met methodes om data te verzamelen. 3. 4. 5. 3 6. 7. 8. 9. 10. 11. Toets dan 2:TIME GRAPH in. Je komt dan in de instellingen voor de tijdgrafiek. Druk nu 2:CHANGE TIME SETTINGS in. Stel het tijdsinterval op 120 seconden in en het aantal meetpunten op 60. De rekenmachine telt zelf de totale tijdsduur in. (120*60=7200 seconden oftewel 2 uur). Druk nu op 1:OK. En je komt weer terug in het setupscherm. Druk nogmaals op 1:OK en je bent weer terug in het hoofdscherm waarbij je ziet dat de sensoren aan het meten zijn. Blaas voordat je gaat meten 1 volle ademteug leeg in de cilinders. Dan sluit je de cilinder af met de zuurstofsensor. Als het goed is geven de zuurstofsensoren nu waarden aan tussen de 16 en 18. Dat is laag genoeg om niet boven de grenswaarde van 22 uit te komen. Druk nu op 2:START om het experiment te starten. De CBL2 geeft een paar korte piepjes zodra je start hebt ingedrukt. Tegelijk start het meetscherm waar om de 2 minuten een meetpunt neergezet wordt. Na 2 uur trekt de rekenmachine zelf een lijn door de punten en verschijnen er 3 grafieken. De x-as geeft de tijd aan. Je kunt nu de rekenmachine afkoppelen om batterijen te besparen. Zodra je de rekenmachine weer aankoppelt en je de datamate applicatie opstart door op [APPS] te drukken verschijnt weer het hoofdscherm met de toevoeging "collecting data", mits de 2 uur nog niet zijn verstreken. VRAGEN 1 Bij welke kleur verwacht je dat de meeste zuurstof geproduceerd wordt? 2 Waarom zijn groene planten eigenlijk groen? Klaar met data verzamelen Na 2 uur is het 1e deel van het experiment klaar. Nu moet je eerst de data uit de het geheugen van de CBL2 overzenden naar je grafische rekenmachine (volg de stappen hieronder onder het kopje "DOEN"). Als je de rekenmachine tijdens het meten de hele tijd aangekoppeld had aan de CBL2, dan staan de gegevens al in het geheugen en kun je direct de gegevens bewerken. DOEN 1. Zodra het experiment klaar is geeft de datalogger weer een paar korte piepjes. Je kunt nu de rekenmachine weer aankoppelen aan de CBL2. 2. Start het datamateprogramma weer op door op [APPS] te drukken. Selecteer DATAMATE met de pijltjestoetsen en druk op [ENTER]. Het scherm geeft de volgende tekst weer: Datacollection is done. Choose the tools option, then choose retrieve data. Druk op [ENTER]. Je komt weer in het hoofdscherm. 3. Druk op 5 TOOLS. Je komt dan in het Tools menuscherm terecht. 4. Druk op 2 RETRIEVE DATA. Op je scherm verschijnt een grafiek met 3 lijnen. Je bent nu klaar om de gegevens te analyseren. VRAGEN 3 Teken de curve na en beschrijf het resultaat? Geef aan wat er in het begin gebeurt, in het middenstuk, en op het eind. 4 Wat is de biologische betekenis van de oppervlakte onder de curve? 4 Regressie rekening met de TI-83 Plus of TI-84 Plus Om te bekijken bij welke kleur de fotosynthese het hardst gaat gaan we de oppervlakte onder de curve berekenen, dit heet in de wiskunde 'regressie-rekenen'. DOEN 1. Na het uitvoeren van een experiment met de CBL2 datalogger worden de meetwaarden opgeslagen in lijsten op de grafische rekenmachine (GR). Op basis van deze meetwaarden kan de GR een mogelijk wiskundig verband tussen de twee lijsten berekenen. Dit wiskundig verband kan van verschillende vorm zijn; lineair, 2de macht, 3de macht, exponentieel etc. Zie scherm 1. Dit scherm bereik je via [STAT] en cursor naar rechts naar CALC en [ENTER]. 2. 3. 4. 5. 6. Als oefening met de regressie rekening kan je de data uit scherm 2 invoeren. Toets [STAT] en 1:Edit. Staan er nog andere gegevens in L1 en L2, dan kan je die makkelijk weghalen door de cursor op de naam van de lijst te zetten (met de cursor besturing) en daarna [CLEAR] in te drukken. Neem nu de waarden uit scherm 2 over in de lijsten L1 en L2. Bekijk dan eerst de bijbehorende statistische plot; druk hiervoor [2ND] en [Y=]. Kies de eerste STAT PLOT met [ENTER] en stel in zoals hiernaast. Wandel met de cursorbesturing rond, als je op de juiste optie staat bevestig je die door ENTER te toetsen. Je kan de grafiek bekijken via ZOOM en optie 9: ZoomStat, hiermee stelt de GR het scherm zo in dat de hele plot in beeld komt. Zie scherm 4. De assen staan niet in beeld, er is immers op de plot ingezoomd, wil je de assen wel in beeld pas dan via [WINDOW] de instellingen aan. Via [GRAPH] krijg je dan scherm 6. Uit deze grafiek kan je afleiden dat hier een lineair regressie model dient te worden gebruikt, ga daarvoor naar [STAT] en CALC (met cursor naar rechts en ENTER). Kies optie 4:LinReg(ax+b) met [ENTER]. Geef nu aan welke data moet worden gebruikt voor de regressie rekening (L1 en L2) en sla de functie die wordt berekend op in Y1. Kies hiervoor [VARS], dan met de cursor naar rechts naar Y-VARS kies optie 1:Function met [ENTER] en selecteer Y1 met [ENTER]. Zie scherm 7. (Denk aan de komma's als scheiding tussen de parameters). Via [ENTER] wordt de berekening uitgevoerd en krijg je scherm 8, waar de richtingscoefficient a en de startwaarde b bij het lineaire functie voorschrift zijn berekend. Druk [GRAPH] en je ziet bij de puntenwolk nu ook de functie Y1 in beeld die de beste fit bij deze data levert. Zie scherm 9. Scherm 1 Scherm 2 Scherm 3 Scherm 4 Scherm 5 Scherm 6 Scherm 7 5 7. 8. Berekening van het oppervlak onder het functie voorschrift kan de GR voor je uitvoeren. Wil je de oppervlakte weten onder Y1 van x = 10 tot x = 50, kies dan 2ND en [CALC] (knopje onder [TRACE]), dan optie 7: ∫ f(x)dx bevestigen met [ENTER], de grafiek wordt getoond en de ondergrens wordt gevraagd, toets 10 en [ENTER], nu wordt de bovengrens gevraagd, toets dus 50 en [ENTER], je ziet nu dat de bedoelde oppervlakte wordt gearceerd en onder in beeld staat de waarde die numeriek is berekend door de GR. Zie scherm 10. De GR beschouwd het gearceerde stuk als een tekening op de grafiek, wil je de arcering verwijderen, dan kies je [2ND] [DRAW] en optie 1: ClrDraw. Scherm 8 Scherm 9 Scherm 10 VRAGEN 5 Bereken de oppervlakte onder de curve voor de 3 verschillende grafieken net zoals je hierboven geoefend hebt. 6 Bij welke kleur licht wordt het meeste zuurstof geproduceerd? En bij welke kleur de minste? Komt dat ook overeen met wat je verwacht had. Vergelijk je resultaat met de absorptiecurve op bladzijde 1 en je antwoord op vraag 1. 6 leerlingenhandleiding practicum Modelleren van vieze groene meren NAAM KLAS Inleiding Het is zomer, de mussen vallen van het dak van de hitte. De enige koele plek in huis is de koelkast, maar die is te klein. Dus pak je je zwemspullen en fiets je naar het dichtstbijzijnde watertje voor een lekkere verfrissende duik! Voordat je je fiets op slot hebt gezet komt de putlucht je al tegemoet. Niets geen lekker zwemwater, het meertje waar je al jaren komt is veranderd in een vieze groene soep! Boven op het water drijft een dikke laag algen. Bovenstaand verhaaltje is geen onzin maar komt jaarlijks op talloze plekken in Nederland voor. Met name in de (na)zomer slaan sommige heldere watertjes om in troebele plassen waar algen goed vertoeven. Zo'n massale groei van algen heet algenbloei. De rest van het waterleven gaat ten onder want de algen slurpen al het zonlicht op waardoor de waterplanten niet meer kunnen leven en afsterven. Daarna verdwijnt ook de zuurstof uit het water waardoor vissen en andere waterdieren niet meer kunnen leven. Hoe kan het dat het ene water wel en het andere niet omslaat in een groene soep? Deze vraag staat centraal in dit practicum Dit water is veranderd in een vieze groene soep. De algenmassa drijft bovenop het water en vangt al het licht weg voor waterplanten die op de bodem wortelen. De proef in het kort Je werkt tijdens deze proef samen in een groep van 3 leerlingen. Ieder groepje gaat bij een watertje in de buurt een aantal metingen verrichten. Nadat je de metingen hebt verricht ga je de meetpunten verwerken in een wiskundig model. Met het model gaan we een voorspelling doen over de toestand van het water. Want we willen weten of het meertje op het punt staat te veranderen in een vieze groene soep. Hieronder staan de factoren die je kunt meten met uitleg hoe je dat doet: pH Met testkit of lakmoespapier Zuurstof-gehalte De zuurstof meet je met de zuurstofsensor die je aansluit op de datalogger Nitraat-gehalte Met een testkit Fosfaat-gehalte Met een testkit Temperatuur De temperatuur kun je met de temperatuursensor meten die je aansluit op de datalogger Zichtdiepte (troebelheid) Secchischijf 2 Naast gegevens over de waterkwaliteit zijn er nog een aantal zaken die een voorspellende waarde kunnen hebben over de toestand van het water dat je gaat onderzoeken. Hieronder staan er een aantal: Ligt jouw water vlakbij een weiland van een boerderij (koeien, paarden, schapen etc.)? Ligt jouw water in een bos of park? Ligt jouw water in de stad? Schat de oppervlakte van het water Meet de diepte van het water Stroomt het water? Is het een sloot, vijver of meertje? Drijft er kroos op het water? VRAGEN 1 Wat betekent een hoge, lage of neutrale pH voor de kwaliteit van het water en de groei van planten? 2 Verzin zelf een hypothese waarom sommige meertjes wel veranderen in een vieze groene soep, terwijl andere gewoon helder blijven. 3 Kun je nog meer belangrijke factoren noemen die van invloed zijn op de toestand van het water? Schrijf die dan hieronder op 3 Achtergrondinformatie en het wiskundig model In opdracht van het ministerie van LNV (landbouw, natuurbeheer en visserij) ontwikkelde een onderzoeksgroep van de Wageningen Universiteit een model waarmee natuurbeheerders kunnen voorspellen of het water gezond is. Met andere woorden of het watertje niet op het punt staat om te veranderen in een vieze groene soep. De onderzoeksgroep ging eerst aan de slag met het verzamelen van gegevens uit het veld. Ze wisten al dat de algengroei afhangt van de hoeveelheid nutriënten in het water. Van een heleboel troebele en heldere meren brachten ze het verband in kaart tussen de hoeveelheid voedingstoffen en de troebelheid dat gemeten wordt in het aantal centimeters dat je onder water kunt kijken. Hieronder staat het resultaat. DOEN 1. Vul in onderstaande tabel de bijbehorende troebelheidswaarden met behulp van de grafiek. x-as y-as nutriënten zichtdiepte (cm) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2. 4 Pak je grafische rekenmachine erbij en druk [MODE] en ga met de [↓-TOETS] 3 stappen naar beneden en druk op [ENTER] om de modus Func te activeren. 3. Druk [STAT] 5 om de optie 5:SetUpEditor te kiezen. In het basisscherm wordt de instructie SetUpEditor ingevoegd. 4. Druk [ENTER] Hierdoor worden de lijstnamen in de kolommen 1 tot en met 20 in het STAT LIST scherm gewist, en zullen vervolgens de lijstnamen L1 tot en met L6 in de kolommen 1 tot en met 6 worden ingevoegd. 5. Druk [STAT]1 om in het menu STAT EDIT de optie 1:Edit te kiezen. Het STAT LIST scherm verschijnt. Als er reeds gegevens in de lijsten L1 en L2 zijn opgeslagen, moet u de [↑-TOETS] drukken om de cursor te verplaatsen naar de naam van de lijst L1, en vervolgens [CLEAR] [ENTER] te drukken om de lijst L1 te wissen. Druk [→TOETS] om de rechthoekige cursor naar L2 te verplaatsten en wis ook lijst L2. 6. Vul nu de lijsten zoals aangeven in de bovenstaande tabel. Voor L1 is dat 3[ENTER], 4[ENTER], 5[ENTER]…12[ENTER], voor L2 is dat 198[ENTER] , 196[ENTER] , 191[ENTER] …18[ENTER] . Nu zijn L1 en L2 gevuld. L3 laten we leeg. De getallen in dit voorbeeld kunnen iets afwijken van jouw eigen getallen. 7. Druk [Y=] (dit knopje zit linksboven onder het LCD-schermpje) om het Y= scherm op te roepen. Druk, indien nodig [CLEAR], om de functie Y1 te wissen. 8. Druk [2nd][STAT PLOT]1 (dit knopje zit linksboven onder de[Y=]knop) om in het menu STAT PLOTS de optie 1:Plot1 te kiezen. Het STAT PLOT scherm verschijnt nu voor plot 1. 9. Druk [ENTER] om de optie On te kiezen, zodat plot 1 wordt geactiveerd. Druk met de [↑-TOETS] om het type te kiezen. Kies het 1e type de "scatter plot" of puntenwolk. Druk weer met de [↑TOETS] om de X en Y waarden toe te kennen. Voor Xlist kies je L1 door [2nd][L1] te kiezen. Kies voor Ylist L2 door [2nd][L2] te drukken. Ga met de pijltjestoetsen naar Mark (het markeringssymbool) en kies + voor het uiterlijk van de punten op je scherm. De grafiek kan je nu bekijken via ZOOM en optie 9:ZoomStat, de rekenmachine stelt nu automatisch de X- en Y-as in zodat de hele plot in beeld komt. 10. Druk [STAT] en ga naar CALC (1 stap met de pijltjestoets naar rechts). Ga dan twee keer met de pijltjestoets omhoog om in het menu STAT CALC de optie B:Logistic - een logistische regressiemodel - te kiezen. In het basisscherm wordt de instructie Logistic ingevoegd. Druk op [ENTER] en dan berekend de rekenmachine de variabelen a, b en c voor de logistische groeiformule: Y= c 1+ae-bt 5 11. Druk vervolgens op [GRAPH] knopje rechtsboven en er verschijnt een grafiek met de losse punten. 12. Druk weer op [STAT] en ga nogmaals naar CALC (1 stap met de pijltjestoets naar rechts). Kies nogmaals in het menu STAT CALC de optie B:Logistic. Onder de formule komt weer de instructie Logistic te staan. Druk op [2nd][L1][ , ] en nu op 2nd][L2][ , ] en dan op [VARS] ga naar Y-VARS door met de pijltjestoets 1 stap naar rechts te gaan en druk op [ENTER], je komt dan in het Y:functiemenu. Druk nogmaals [ENTER]. Je bent nu weer terug in het beginscherm en er staat dan achter Logistic L1, L2, Y1. Nu gaan we de curve tekenen die het best bij onze ingevoerde punten past. Met andere woorden we tekenen nu de volgende formule: Y= c 1+ae-bt 13. Druk nu weer op [ENTER] en de grafische rekenmachine berekent de beste curve. Druk op [GRAPH] om de grafiek te laten zien. Als je scherm niet de hele plot in beeld brengt kies dan ZOOM en 9:ZoomStat. 14. Je hebt nu je model. Geef de waarde voor de constanten a, b en c die je bij punt 12 gevonden hebt. a= 6 b= c= Fig 2. Omslagmodel van helder naar troebel. Op de y-as staat de troebelheid weergegeven in cm zichtdiepte. Op de x-as de nutrientenconcentratie, dit is een omrekenfactor van de tabel op blz. 10 in mg/l. Theorie De Wageningse biologen kwamen met het logistische groeimodel en gaven dat aan het ministerie. Ze voorspelden met het model dat een meer helder blijft als het nutriëntengehalte niet boven de drempelwaarde van 7 uit zou komen. De natuurbeheerders troffen meertjes aan met hogere waarden (tussen de 9 en de 11) en gingen aan de slag met het omlaag brengen van de nutriënten. Van een paar kleine zwemwatertjes filterden ze alle algenprut eruit en pompten het nutriëntenrijke water voor een deel weg. Door het meer vervolgens door te spoelen met nutriëntenarm water lukte het om het nutriëntengehalte tussen de 6 en 7 uit te laten komen. Onder de drempelwaarde zoals het model aangaf, dus het ecosysteem zou helder moeten blijven. Helaas veranderde diezelfde zomer nog het zwemwater weer in een troebel algenfestijn. De biologen moesten hun model aanpassen want het werkte niet. De Wageningse groep ging aan de slag en ze gebruikten een kleine plas als model. De plas was nutriëntenarm en soortenrijk. Het bevatte snoek, waterplanten, watervlooien en brasem. Ze volgden het systeem gedurende 5 jaar en vervuilden het ieder jaar met een hoeveelheid meststoffen om te bekijken wanneer de algen de oververhand zouden krijgen. In de grafiek hieronder staan de resultaten die ze vonden. 7 Het bleek dat het meer een hele tijd tegen de vervuiling kon totdat bij een waarde tussen 7,5 en 8,5 de troebelheid opeens enorm toenam. Blijkbaar lag hier ergens het omslagpunt. Van helder naar troebel was dus uitgezocht. Maar natuurbeheerders willen vervuilde ecosystemen ook weer herstellen dus hoe is de weg terug. Van troebel naar helder? VRAGEN 4 In de tekst op bladzijde 10 staat dat natuurbeheerders om het nutriëntengehalte te verlagen, het nutriëntenrijke water wegpompten en vervingen voor nutrïentenarm water tegelijk met het wegvangen van de algen. Bedenk nog een manier om de nutriëntenconcentratie in het water te verlagen. Van troebel naar helder water Al eerder hadden de natuurbeheerders in de kleine zwemplassen de drempelwaarde van 5 aangehouden en bleek het water - nadat het een poosje helder was - toch weer te veranderen in een algenfestijn. Daarom gingen de Wageningse biologen nog verder onderzoek doen. Ze namen daarvoor hetzelfde zwemwater dat voorheen helder was maar nu een groene algensoep was. Deze plas was zo vervuild dat de nutriëntenconcentratie rond de 10 lag. Nu verlaagden de biologen ieder jaar de nutriëntenconcentratie en wachten dan weer een half jaar om te kijken wat er gebeurde. Hieronder staat de grafiek van troebel naar helder. 8 DOEN Teken nu zelf in het onderstaande plaatje de twee grafieken van helder naar troebel en van troebel naar helder. VRAGEN 5 De weg terug van troebel naar helder volgt niet dezelfde lijn als van helder naar troebel. Wat betekent dat voor de waterbeheerders die streven naar alleen maar heldere gezonde meren? 6 Je moet advies uitbrengen aan de waterbeheerders. Welke veilige drempelwaarde adviseer je zodat je er vanuit mag gaan dat het water helder blijft? Licht je antwoord toe. EXTRA VRAGEN 7 Leg uit hoe zuurstofgebrek in verband staat met eutrofiëring 8 Zet verbindingspijlen tussen de onderstaande organismen en beschrijf het voedselweb. Voorbeeld: Koe -> gras. De pijl geeft aan "eet". Wat gebeurt er als het aantals snoeken afneemt? Brasem snoek alg waterplant watervlo 9 9 Onder de oplossingen om een troebel meer weer helder te krijgen staat ook het wegvangen van vis. Is het juist handig om de snoek weg te vangen of juist de brasem? Leg je antwoord uit. Gebruik het voedselweb bij vraag 7. Meetformulier De volgende opdrachten voer je bij het water uit en vul je in op dit meetformulier. DOEN 1 Beschrijf je onderzoeksplaats Over je onderzoeksplaats noteer je vier dingen. Als eerste stel je vast wat je gaat onderzoeken: is het een meer, een sloot of een kanaal bijvoorbeeld. Daarna kijk je naar de ligging. Ligt het langs een weg of juist midden in een bos? Als derde maak je een beschrijving van het water. Ziet het er op het eerste oog schoon of vies uit? En tenslotte doe je een voorspelling. Denk je dat er veel verschillende diersoorten voorkomen of juist niet? 2 Schat de wateroppervlakte De oppervlakte reken je uit door de lengte met de breedte te vermenigvuldigen. Je hoeft dit niet heel precies te doen. Dat is vaak lastig omdat een meer nu eenmaal niet vierkant is. Schat de oppervlakte en vul dit in. 3 Meet de watertemperatuur Meet met de thermometer de temperatuur van het water in de bovenste 10 centimeter van het water. 4 Meet de zichtdiepte (troebelheid) van het water Dit kun je meten met een helderheidsmeter ook wel Secchischijf genoemd (zie de figuur hiernaast). De schijf heeft een doorsnede van 25 centimeter en is verdeeld in vier vlakken, afwisselend zwart en wit (twee zwarte en twee witte). Door in de schijf enkele gaatjes te boren kun je de schijf makkelijk in het water laten zakken. De schijf moet vastzitten aan een touw. Een stuk touw kun je om de tien centimeter merken door middel van knopen of gekleurde lintjes. Door de gaatjes maak je het touw dan vast. De schijf kan ook vastzitten aan een stok met om de tien cm strepen verf. 10 Bij het bepalen van de zichtdiepte van het water ga je als volgt te werk: Laat de schijf liefst vanaf een brug of een boot in het water zakken tot de schijf niet meer zichtbaar is. Haal de schijf dan weer op totdat hij net weer zichtbaar is. Lees de diepte af. De diepte kun je aflezen met behulp van de merktekens die om de 10 centimeter op het touw of de stok zitten. Let op: als je de bodem gewoon kunt zien, zet dat er dan bij. Als je de diepte niet kunt meten (er ligt een hele dikke laag ijs bijvoorbeeld), vul dan een streepje ‘-‘ in. 5 Meet de zuurgraad van het water De zuurgraad kun je het eenvoudigst meten met een pH-papiertje. Als je dit papiertje in de oplossing houdt, verkleurt het. Met de bijbehorende kleurenschaal kun je de pH dan bepalen. En pH lager dan 7 noemen we zuur en hoger dan 7 is de vloeistof basisch. Hoe lager de pH,hoe zuurder het water. Zuur water vind je van nature alleen in vennen. Hier komen speciale planten en dieren in voor die goed tegen dat zure water kunnen. 6 Meet het Fosfaat en Nitraat gehalte in het water 7 Meet het Zuurstofgehalte in het water 8 Vul onderstaande tabel met de gegevens die je hebt verzameld en vul daarnaast de bijbehorende waarde in die bij het nutriëntenmodel hoort Gevonden waarde (mg/l) Nutriëntenmodel Ammonium Nitraat Fosfaat Nitriet Chloride zuurstof 11 Tabel 1. Hieronder staat de omrekentabel voor het nutriëntenmodel samenhang tussen chemische milieufactoren en waterkwaliteit waarden in mg/l Niet eutroof weinig eutroof Matig eutroof ernstig eutroof sterk eutroof/verontreinigd Nutrientenmodel <3 3-5 5-7 7-9 >9 Ammonium < 0,01 <0,1 0,1 - 0,3 0,3 - 1 >1 Nitraat <4 4 - 12 12 - 36 36 - 108 > 108 Fosfaat < 0,1 0,1 - 0,3 0,3 - 0,75 0,75 - 1,5 > 1,5 Nitriet < 0,01 0,01 - 0,05 0,05 - 0,1 0,1 - 1 >1 Chloride <200 200 - 400 200 - 400 400 - 2000 > 2000 zuurstof >8 >8 6-8 4-6 <4 VRAGEN 10 Welke chemische milieufactoren (nitraat, fosfaat ect.) denk je dat het meest de algengroei beïnvloeden. Leg je antwoord uit? 11 12 Komen de gegevens van jouw watertje overeen met het model? Geef behulp van de tabel bij vraag 8 en de zichtdiepte een oordeel over de kwaliteit. Loopt het water volgens jou gevaar om te slaan in een troebele groene soep of is het een gezonde plas?
