VWO-campus - Vaklokaal NLT
advertisement
Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodem Doelgroep Niveau Vakken Domeinen/subdomeinen Tijdsduur voor leerling Werkvorm Vragen? 2e fase VWO *** BI /SK Dynamiek en ecosystemen Eén dag in totaal, verspreid over meerdere dagen (zonder opkweken van de planten) Groep (van 2 personen) http://www.vwo-campus.net/vraagbaak Samenvatting Het is algemeen bekend dat de zuurgraad van de bodem invloed heeft op de groei van planten. Minder bekend is dat de groei van planten ook invloed heeft op de zuurgraad van de bodem. Planten nemen met behulp van hun wortels voedingsstoffen, zoals stikstof in de vorm van ionen, op uit de grond. Om hun ladingsbalans kloppend te houden, scheiden ze zelf weer H+- en OH- -ionen uit. Hierdoor verandert de zuurgraad van de bodem en hiermee de oplosbaarheid van voedingsstoffen en toxische stoffen. Deze verandering hangt af van de vorm waarin stikstof aangeboden wordt aan de plant. Door de wortels van twee maïsplanten, die elk gekweekt zijn met een andere stikstofbron, in een doorzichtig medium met een pH-indicator te plaatsen, kan dit proces zichtbaar worden gemaakt. Inleiding De bodem heeft een grote invloed op de vegetatie. De plant is afhankelijk van de draagkracht, de samenstelling en de vruchtbaarheid van de bodem. Op een rotsachtige bodem zul je bijvoorbeeld nooit hoge bomen aantreffen. Deze bomen krijgen niet de ruimte om zich te wortelen. Omgekeerd gebeurt het echter ook; een plant beïnvloedt de bodem. Een plant heeft door zijn wortelstelsel invloed op de zuurgraad van de bodem. Je kunt dit bijvoorbeeld zien bij planten die op beton of steen leven en met hun zuur het materiaal aantasten. Ook bij successie kan de verandering van de zuurgraad door planten een belangrijke rol spelen. Bij verandering van de zuurgraad van de bodem verandert ook de oplosbaarheid van toxische stoffen. Het grootste gevaar van zure Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemregen ligt hierdoor in het vrij komen van toxische stoffen in de bodem, zoals aluminium. Door de rhizosfeer (het wortelmilieu) van de bodem na te bootsen mbv een agarplaat willen we de invloed van het wortelstelsel op de bodem aantonen. Doel M.b.v. deze proef willen we aantonen dat de plant invloed heeft op de zuurgraad van de bodem. Verder doen we onderzoek naar de voorkeur van een maïsplant voor een bepaalde stikstofbron. Theorie Verzuren en ‘verbasen’ Plantenwortels kunnen H+- en OH--ionen uitscheiden. Ze doen dit om elektrisch neutraal te blijven wanneer ze ongelijke hoeveelheden kationen en anionen opnemen. Zo blijft hun ladingsbalans kloppend. Sommige plantensoorten doen dit ook als ze gebrek hebben aan bepaalde voedingsstoffen (bijvoorbeeld ijzer of fosfor). Andere soorten scheiden onder zulke omstandigheden organische zuren uit, zoals appelzuur of citroenzuur. Planten kunnen op die manier de zuurgraad in hun rhizosfeer beïnvloeden, waardoor bepaalde mineralen oplossen en voedingsstoffen versneld beschikbaar komen. Niet alleen gunstig De pH-verandering die een plant teweegbrengt in de rhizosfeer kan ook ongunstig zijn. Dat hangt af van de grond: in een zure grond komt stikstof vooral voor in de vorm van NH4+ en in een neutrale en basische grond vooral in de vorm van NO3-. Dat komt doordat de micro-organismen die stikstof vrijmaken uit plantenresten en deze omzetten in NH4+ beter tegen een lage zuurgraad kunnen dan degenen die het gevormde NH4+ verder omzetten in NO3-. Daardoor blijft in zure grond de stikstofomzetting steken bij NH4+. Zure grond is voor veel plantensoorten ongunstig doordat toxische stoffen, zoals aluminium, hierin beter oplossen en zo vrij komen. Als ze in een zure grond door de opname van NH4+ hun rhizosfeer nog meer verzuren, vergroten ze het probleem. In basische gronden is echter de oplosbaarheid van bepaalde voedingsstoffen gering (bijvoorbeeld fosfor, ijzer, mangaan en borium). Als een plant in een basische grond door de opname van NO3- de rhizosfeer nog basischer maakt, vergroot hij het gebrek 2 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemaan deze voedingsstoffen. Er zijn vrij grote verschillen in de ionenopname tussen verschillende plantensoorten. Dit is een reden voor het verschil in vegetatie tussen zure en basische bodems. Plantensoorten met een relatief grote kationenopname verzuren het sterkst en zullen dus minder goed groeien op een zure bodem. Omgekeerd zullen soorten met een relatief grote anionenopname minder goed groeien op een basische grond. Stikstof en de ionenbalans Of wortels H+- of OH--ionen of geen van beide uitscheiden, kan beïnvloed worden door de chemische samenstelling van hun omgeving te veranderen. Heel belangrijk voor de ionenbalans is de vorm waarin het element wordt opgenomen. Stikstof is het meest opgenomen element. Zowel het kation (NH4+) als het anion (NO3-) kan opgenomen worden. Als stikstof in de vorm van NH4+ wordt opgenomen, is er bij planten een overschot aan kationen. Dat overschot wordt gecompenseerd door H+-ionen uit te scheiden. Het omgekeerde geldt bij NO3- opname; er worden dan OH--ionen uitgescheiden. Als ongeveer 30% van de stikstof wordt opgenomen in de vorm van NH4+ en 70% als NO3-, is de bodem ongeveer elektrisch neutraal. De ionenopname heeft dan netto geen invloed op de zuurgraad van de bodem. Twee walletjes De opname van anionen en kationen is niet gelijk verdeeld over het wortelstelsel. Jonge wortels nemen soms meer kationen op en oude wortels meer anionen. Wanneer een worteltopje ergens binnendringt, wordt de zuurgraad daar eerst onder uitscheiding van H+ verlaagd. Als de wortel ouder wordt, gaat de zuurgraad ter plaatse weer omhoog. Het worteltopje is dan al doorgegroeid en bezig verderop de grond te verzuren. Zelfs als er over de hele plant genomen geen netto H+- of OH-uitscheiding is, kan de zuurgraad tegelijkertijd op de ene plek worden verlaagd en op een andere plek worden verhoogd. Aangezien sommige voedingsstoffen beter oplossen bij een hoge zuurgraad en andere juist bij een lage zuurgraad, kan de plant op deze manier “van twee walletjes eten”. Uitvoering Veranderingen in de pH van de rhizosfeer kunnen zichtbaar gemaakt worden met de pH-indicator broomkresolpurper. Deze kleurt geel bij een lage pH en wordt, via rood, paars bij een hogere pH. Dit is het beste zichtbaar in een doorzichtig medium. Daarom gebruiken we een voedingsoplossing in plaats van grond. De oplossing wordt onbeweeglijk gemaakt met behulp van agar. De wortels worden uitgespreid op 3 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemeen glazen plaat. De warme, nog vloeibare agar-oplossing wordt voorzichtig over de wortels uitgegoten en stolt direct op de koude plaat. Na enkele uren kan je aan de kleur van de agar zien welke wortels verzuren en welke “verbasen”. Door het gebruik van verschillende stikstofbronnen kan er verschil in mate van verzuring aangetoond worden. Materialen - Maïszaden Verschillende zouten en spoorelementen voor voedingsoplossingen (zie proefbeschrijving) Agar Broomkresolpurper Glasplaten (30 x 40 cm) Grote pipetten Garde pH-meter Balans Grote bekerglazen Plakband Kwastje Spuitfles met water Broedstoof 40C Lichtbak Kookplaat (met roervlo) Proefbeschrijving Het kweken van de planten Voor deze proef is belangrijk dat het wortelstelsel fijn en beweeglijk is. Maïsplanten voldoen aan deze eisen. - Begin twee á drie weken van tevoren met de kieming van de zaden. Plaats de zaden hiervoor in een platte bak gevuld met 5 cm vochtig kwartszand. Maak het zand los door er met een mes door te snijden. Strooi ongeveer 10 zaden per dm2. Bedek ze met 1 cm vochtig zand en dek de bak af met plastic. Zet de bak in het licht. - Verwijder het plastic als de plantjes 2 à 3 cm boven de grond komen (na ongeveer 4 dagen). - Na een week, als de plantjes 5 à 6 cm groot zijn, kunnen de kiemplanten worden uitgespoeld. Laat hiervoor de bak vol met water lopen. Steek voorzichtig een hand in het zand onder de planten en woel het zand los. Spoel de wortels van de losse 4 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodem- - - - plantjes schoon onder een straal water tegen de wand van een wasbak (met de wortels mee spuiten anders breken ze). Zet de planten vervolgens over naar bakken met een voedingsoplossing. Mocht het niet mogelijk zijn om de planten op te kweken in een voedingsoplossing, dan kun je ze op kwartszand verder kweken en de verschillende voedingsoplossingen toevoegen. Het nadeel hiervan is dat je de wortels voor het uitvoeren van de proef heel goed moet uitspoelen en dat de wortels door het zand kunnen beschadigen! De planten worden gekweekt in 15 à 20 cm diepe plastic bakken, emmers of potten met een passende deksel. De bakken en deksels moeten lichtdicht zijn om algengroei te voorkomen. Het is belangrijk dat de planten goed belucht worden. Elke plant wordt bevestigd in een schijf van 1 cm dik en 5 cm doorsnee, gemaakt van zwart schuimplastic met gesloten cellen (“ethafoam”). De schijven worden tot iets over het midden ingesneden. De planten worden op de grens van wortel en spruit in de snede geklemd (maïs vlak boven het zaad). In het deksel worden gaten geboord of gezaagd waarin de schijven worden vastgeklemd. Het voordeel van deze methode is dat de planten kunnen worden verwijderd zonder ze te beschadigen. Voedingsoplossing Er kunnen voedingsoplossingen gebruikt worden met twee verschillende stikstofbronnen: NO3- of NH4+. De samenstellingen van de stikstofoplossingen staat hieronder in tabel 1 en 2 weergegeven. Aan elk van deze oplossingen moet nog 1 ml/l ijzeroplossing (met 35 g Fe-EDTA/l) en 1 ml/l gecombineerde spoorelementenoplossing (zie tabel 3 en 4) toegevoegd worden. Enkele tips voor het opkweken van planten vind je in de bijlage. 5 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemTabel 1: Samenstelling NO3- -oplossing. Mmol p+/liter NO3- K+ H2PO4- SO42- 2 2 Cl- Som anionen 4 Ca2+ 4 4 Mg2+ 2 2 NH4+ Som kationen 0 6 2 2 0 10 Cl- Som anionen Tabel 2: Samenstelling NH4+-oplossing. Mmol p+/liter NO3- H2PO4- K+ SO42- 2 2 Ca2+ 2 2 Mg2+ 1 1 NH4+ Som kationen 0 1 4 3 4 5 3 10 Tabel 3: Samenstelling spoorelementenoplossing. Spoorelement B Mn Zn Cu Mo Concentratie (g/l) 0,5 0,5 0,05 0,02 0,01 Tabel 4: Recept gemengde spoorelementenoplossing. Zout MW Inwegen (g/l) H3BO3 61,83 2,86 MnSO4 4 aq 223,08 2,00 ZnSO4 7 aq 287,54 0,22 CuSO4 5 aq 249,68 0,08 (NH4)6Mo7O24 4 aq 1235,86 0,02 6 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodem- Het maken van de agaroplossingen - Breng 1 liter (genoeg voor drie à vier platen) van een voedingsoplossing aan de kook. - Voeg hieraan al roerend 10 g agarpoeder en 0,15 g broomkresolpurper toe. - Koel vervolgens de oplossing af tot 50°C en breng deze op pH 5,8. De kleur van de oplossing moet nu rood zijn. - De agaroplossing is het best te gieten bij 40°C. Om de oplossing langere tijd te bewaren, kun je hem bij deze temperatuur in een broedstoof zetten. Het maken van de platen - Plaats de maïsplant op een schone glasplaat. Leg de plant horizontaal in de lengterichting van de plaat. Zorg ervoor dat het totale wortelstelsel op de glasplaat ligt. - Zet nu met tape de stengel aan de glasplaat, zodat het wortelstelsel niet kan verschuiven. - Verspreid vervolgens voorzichtig de wortels met een kwastje en water uit een spuitfles. Giet het overtollige water af en dep de wortels voorzichtig droog met een tissue (laat de wortels niet te lang droog liggen). - Spuit nu voorzichtig met een grote zuigpipet een “dijk” met agaroplossing om het wortelstelsel heen. Denk er aan dat de agar niet te koud is, anders raakt de pipet verstopt. Hierna vul je de dijk op met agar. Zorg ervoor dat het hele wortelstelsel bedekt is. Hoe dunner en hoe egaler de agarlaag is, hoe beter het resultaat zichtbaar zal zijn. Resultaten Na een half tot 2 uur tijd zul je verkleuringen zien op de plaat. (Door middel van een lichtbak of een overheadprojector kun je dit goed duidelijk maken.) Je kunt de platen een dag bewaren door ze goed af te dekken en in een koele ruimte te bewaren. Beschrijf in het kort wat je ziet op de agarplaten. Vragen 1. Bij welke stikstofbron zijn er meer nieuwe wortels te zien? Wat zal hiervan de oorzaak zijn? 7 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodem- 2. Wat is het verschil tussen de vorm van het wortelstelsel bij de verschillende stikstofbronnen? 3. Is het nuttig om sommige bodems te ontzuren door bijvoorbeeld kalktoevoeging? Suggesties voor verder onderzoek Als deze proef als basis wordt gebruikt voor een profielwerkstuk zou er meer informatie kunnen worden gezocht over bijvoorbeeld korstmossen of hortensia’s. Korstmossen gebruiken zuur om zich te nestelen op steen en de kleur van hortensia’s is zuurgraadafhankelijk. Documentatie Ulrich (1981) De invloed van luchtverontreiniging op planten. Natuur & Techniek nr. 7 Een artikel over de invloed van zure regen op planten. Dirk Zoebel, Wat de boer niet kent... Natuur & Techniek, 1995, jaargang 63, afl. 8, pag 522 ev. Een goed leesbaar artikel over beïnvloeding van de bodem d.m.v. klaverbemesting. Oriëntatie op vervolgonderwijs Het onderwerp van dit experiment komt aan de orde bij de volgende opleidingen van 8 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemWageningen Universiteit: - Biologie - Plantenwetenschappen - Bos- en natuurbeheer - Bodem, water en atmosfeer 9 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodem- Voor de docent of toa Uitvoering Materialen Zie leerlinghandleiding. De indicator (broomkresolpurper) is verkrijgbaar bij de gewone leveranciers van chemicaliën. De naam kan wel anders gespeld zijn, bijvoorbeeld bromocresolpurper. Vaardigheden Er zijn geen speciale vaardigheden vereist. De proef moet in principe door elke VWOleerling zonder problemen uit te voeren zijn. Veiligheid Er hoeven geen speciale veiligheidsmaatregelen worden genomen. Resultaten Na een half uur tot 2 uur tijd zijn er verkleuringen te zien op de plaat. Door middel van een lichtbak of een overheadprojector wordt dit duidelijk zichtbaar. De platen kunnen een dag bewaard worden door ze goed af te dekken en in een koele ruimte te bewaren. Op de plaat waar de planten liggen die NO3- als stikstofbron hadden, zal rond de oudere wortels een paarse rand te zien zijn. De plant heeft blijkbaar OHuitgescheiden en daardoor zijn omgeving basisch gemaakt. Bij de worteltoppen is echter een gele rand te zien, omdat de plant daar toch H+ heeft afgegeven. Op de plaat waar de planten liggen die NH4+ als stikstofbron hadden, zal overal een gele rand te zien zijn. Uitwerking van de vragen 1. Bij welke stikstofbronnen zijn er meer nieuwe wortels te zien? Wat zal hiervan de oorzaak zijn? 10 Zure wortels -Invloed van plantenwortels op de zuurgraad van de bodemDe plant met de negatieve stikstofbron heeft veel langere en dikkere uitlopers dan de andere. De plant prefereert NH4+ als stikstofbron en zal dus op zoek gaan naar een omgeving met NH4+. 2. Wat is het verschil tussen de vorm van het wortelstelsel bij de verschillende stikstofbronnen? Bij ammonium als stikstofbron zal het wortelstelsel meer vertakt zijn. Bij nitraat zullen er lange en onvertakte wortels gevormd worden. 3. Is het nuttig om sommige bodems te ontzuren door bijvoorbeeld kalktoevoeging? Jazeker, hierdoor wordt de bodem geneutraliseerd en komen er minder toxische stoffen vrij. Bepaalde toxische stoffen lossen nl. beter op in een zuur milieu. Het kan ook nuttig zijn als je planten wilt bestrijden die groeien op verzuurde bodem (mos wordt bv. bestreden door kalk te strooien). 11
