OP MARS - KNAW Onderwijsprijs

PLANTENTEELT Wouter van As Norbertuscollege Roosendaal OP MARS
Plantenteelt op Mars Onderzoek naar abiotische factoren en de mogelijkheden voor plantengroei op de planeet Mars Profielwerkstuk Onder begeleiding van drs. R. de Mooij Aangeboden aan het Norbertuscollege te Roosendaal op 6 januari 2016 om 12.00 uur door Wouter Petrus Adrianus van As 2 “Mars is there, waiting to be reached.“ ~ Buzz Aldrin Tweede mens op de maan bij de Appolo 11‐Missie, 1969 Copyright © 2016, W.P.A van As. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand en/of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enige andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de auteur. E‐mailadres auteur: [email protected] 3 Samenvatting
Mars is de meest op de aarde gelijkende planeet van ons zonnestelsel. Toch lijken de verschillen op het eerste gezicht groter dan de overeenkomsten tussen beide planeten. De sterk wisselende temperatuur, de lage luchtdruk en het weinige voorkomen van vloeibaar water aan het oppervlakte van de planeet Mars zijn zo nadelig voor de op dit moment op aarde bekende organismen, dat zij zonder bescherming tegen deze ongunstige omstandigheden er niet in slagen te overleven. Of er al mensen naar Mars zullen gaan rond het jaar 2030, zoals de stichting Mars One claimt, is op dit moment nog moeilijk te zeggen. Wat belangrijker is om te vermelden is het feit dat door de zeer hoge kosten van bevoorrading van de planeet de kolonisten op Mars genoodzaakt zullen zijn om zelf hun voedsel te gaan telen. Dit profielwerkstuk onderzoekt de mogelijkheden hiervoor, met de onderzoeksvraag: is er plantenteelt op de planeet Mars mogelijk? Voor dit onderzoek werd een bodem gebruikt die oorspronkelijk afkomstig is van de vulkaan Mauna Kea, een slapende vulkaan op Hawaï, waar men een sterk gelijkende, basaltachtige bodem kan vinden zoals deze ook op de planeet Mars voorkomt. Zodoende konden er tests met verschillende gewassen worden uitgevoerd, waarbij geprobeerd werd deze gewassen te cultiveren op deze bodem. Ook het feit dat het oppervlak van Mars door zijn grotere afstand tot de zon gemiddeld minder licht opvangt dan de Aarde werd meegenomen in dit onderzoek. De meeste gewassen die worden gekweekt in het 'Marszand' groeiden boven verwachting goed. Ook de planten die dezelfde lichthoeveelheid kregen zoals deze op Mars aanwezig is genereerden biomassa, alhoewel in beide gevallen de planten minder biomassa ontwikkelden dan controlegroep die geteeld werd in universele potgrond en een lichthoeveelheid kreeg zoals op de evenaar van onze aarde normaal is. Door de relatief goede groei van enkele gewassen in het 'Marszand' werd er besloten enkele vervolgonderzoeken uit te voeren. Een daarvan was een analyse bij een professioneel laboratorium om de exacte bepaling van de concentratie van enkele zware metalen in het door de planten opgebouwde organisch materiaal te onderzoeken. Deze analyse voor de bepaling van de exacte concentratie van zware metalen in gewassen geteeld op een bodem die in grote lijnen overeenkomt met de bodem van de planeet Mars was nog nooit eerder uitgevoerd. Uit de hieruit verkregen resultaten bleek dat als men daadwerkelijk gewassen wil gaan telen in de bodem van de planeet Mars dat planten de zware metalen nauwelijks opnemen. Een hoge nitraatconcentratie is van belang voor een goede groei van de meeste planten. Tijdens dit onderzoek bleek dat de voedselarme Marsbodem van nitraat kan worden voorzien door de teelt van de gewone boon (Phaseolus vulgaris). Deze plantensoort kent een goede groei op deze 'Marsbodem' en is in staat stikstof uit de lucht te binden in de vorm van nitraat. Gewassen die veel nitraat nodig hebben voor een goede groei profiteren hiervan. Plantenteelt op de planeet Mars is volgens de gedane experimenten wel degelijk mogelijk. 4 Summary
Mars is the most Earth‐like planet of our solar system. At first glance, the differences between the two planets seem even greater than the similarities. The big differences in temperature, a low air pressure and the fact that liquid water on the surface of the planet Mars is very rare, are so harmful to any currently known organisms that they, without protection against these adverse conditions, will fail to survive. Whether people will go to Mars around the year 2030, as the organisation Mars One claims, is hard to say at the moment. What is more important to note is the fact that because of the very high cost of supplying the planet, the settlers on Mars will be forced to cultivate their own food. This profile study examines the possibilities, with the research question: is plant cultivation on the surface of the planet Mars possible? For this research, soil was used that originally came from Mauna Kea, a dormant volcano on Hawaii. Here, you can find a basaltic soil similar to that found on the surface of the planet Mars. In this way, tests could be done with different crops to try to cultivate these crops on this soil. Also taken into account in this research is the fact that the surface of the planet Mars is further away from the sun and thus receives less light than the earth on average. Most crop species grew well in the 'Martian' soil. Also the plants that got the same amount of light as present on the Martian surface grew well, although in both cases the plants generated less biomass than the control group developed in potting compost, and receiving the same amount of light as usual on the equator of the earth. Due to the relatively good growth of some crops in the 'Martian' soil, it was decided to carry out some follow‐up research. Part of this was a determination of the exact concentration of some heavy metals in the organic material at a professional laboratory generated by the plants. This analysis for the determination of the exact concentration of heavy metals in crops grown on a soil as could be found on the surface of the planet Mars was never previously carried out. The results of the analysis showed that if people actually want to grow crops in the soil of the planet Mars, there is a chance that these crops are suitable for human consumption. A high nitrate concentration is important for a good growth of most plants. The results of the investigation showed that in the nutrient‐poor soil of Mars, the nitrate concentration can be raised by the cultivation of the common bean (Phaseolus vulgaris). This plant is able to grow well in this soil and can convert nitrogen from the air into nitrate. Crops which need lots of nitrate for a good growth benefit from this. According to the completed experiments, plant growth will be possible on the surface of the planet Mars. 5 Inhoudsopgave Samenvatting 4 Summary 5 Hoofdstuk 1 Voorwoord 10 1.1 Algemene inleiding ...................................................................................................................... 10 1.2 Onderzoek .................................................................................................................................... 11 1.3 Opbouw ........................................................................................................................................ 12 Hoofdstuk 2 Beknopte uitleg ontstaan Mars 14 2.1 Het ontstaan van het heelal volgens het christendom ................................................................ 14 2.2 Nieuwe denkbeelden ................................................................................................................... 15 2.2.1 Oorspong oerknaltheorie ...................................................................................................... 15 2.3 De oerknaltheorie uitgelegd ........................................................................................................ 16 2.3.1 Het ontstaan van de eerste sterren ...................................................................................... 17 2.4 Het ontstaan van ons zonnestelsel .............................................................................................. 18 2.5 Het ontstaan van de planeet Mars .............................................................................................. 19 Hoofdstuk 3 Uitleg werking fotosynthese 21 3.1 Een bijzonder proces .................................................................................................................... 21 3.1.2 De bladgroenkorrels.............................................................................................................. 21 3.2 De Lichtreacties ............................................................................................................................ 22 3.2.1 Fotosysteem II ....................................................................................................................... 22 3.2.2 Cytochroom B ....................................................................................................................... 23 3.2.3 Fotosysteem I ........................................................................................................................ 23 3.3 Donkerreactie .............................................................................................................................. 23 3.3.2 CO2 fixatie .............................................................................................................................. 24 3.3.3 Reductie ................................................................................................................................ 24 3.3.4 Regeneratie van ribulose‐1,5‐bifosfaat ................................................................................ 24 6 Hoofdstuk 4 Abiotische factoren op de planeet Mars 25 4.1 Bewoonbare zone ........................................................................................................................ 25 4.1.1 Bewoonbare zone in ons zonnestelsel .................................................................................. 26 4.2 De Atmosfeer van Mars ............................................................................................................... 26 4.2.1 Opbouw ................................................................................................................................. 26 4.2.3 Lagenstructuur ...................................................................................................................... 27 4.2.4 Luchtdruk .............................................................................................................................. 27 4.3 Intensiteit van licht en straling op Mars ...................................................................................... 27 4.3.1 De kwadratenwet .................................................................................................................. 27 4.3.2 Het vermogen van licht op het oppervlak van Mars............................................................. 28 4.3.3 Zandstormen ......................................................................................................................... 30 4.3.4 Spectrum van het zonlicht op Mars ...................................................................................... 31 4.4 Temperatuurvariatie op Mars ...................................................................................................... 32 4.4.1 Omlooptijd en verschil in afstand tot de zon door het jaar heen ......................................... 32 4.4.2 Baan van de planeet Mars .................................................................................................... 32 4.4.3 Seizoenen op Mars ................................................................................................................ 33 4.4.4 Temperatuurvariatie gedurende één sol .............................................................................. 34 4.4.5 Temperatuur ten opzichte van de hoogtelligging ................................................................. 35 4.5 De lithosfeer van Mars ................................................................................................................. 36 4.5.1 De geografie van Mars volgens de mens in vroegere tijden ................................................ 36 4.5.2 Een landschap gedomineerd door vulkanen ........................................................................ 37 4.5.3 Samenstelling van bodem op Mars ....................................................................................... 37 4.6 Ioniserende straling op Mars ....................................................................................................... 39 4.6.1 Oorzaken ioniserende straling .............................................................................................. 39 4.6.2 Hoeveelheid straling ............................................................................................................. 39 4.7 Zwaartekracht op de planeet Mars .............................................................................................. 40 4.7.1 Valversnelling op de planeet Mars ...................................................................................... 40 4.7.2 Bepaling groeirichting van planten door zwaartekracht ...................................................... 40 4.7.3 Experiment 'Seeds in space' ...................................................................................................... 41 4.8 De aanwezigheid van water op Mars ........................................................................................... 41 4.9 De invloed van de abiotische factoren op de planeet Mars op planten. ..................................... 43 7 Hoofdstuk 5 Experiment plantengroei op 'Marszand' en gereduceerde lichtsterkte 45 5.1 Inleiding ........................................................................................................................................ 45 5.2 Samenstelling gebruikt 'Marszand' .............................................................................................. 45 5.3 Plantengroei op 'Marszand' vergeleken met voedselarm rijnzand, onderzoek Universiteit Wageningen. ...................................................................................................................................... 45 5.4 Onderzoek plantengroei op 'Marszand' en gereduceerde lichtsterkte ....................................... 46 5.4.1 Werkwijze ............................................................................................................................. 46 5.4.2 Resultaten ............................................................................................................................. 49 5.4.3 Gewone boon ........................................................................................................................ 51 5.4.4 Trostomaat ............................................................................................................................ 52 5.4.5 Courgette .............................................................................................................................. 52 5.4.5 Radijs ..................................................................................................................................... 53 5.4.6 Suikermaïs ............................................................................................................................. 54 5.5 Conclusie experiment plantengroei op 'Marzand' en gereduceerde lichtsterkte ....................... 55 5.6 Foutenanalyse .............................................................................................................................. 55 5.7 Vervolgonderzoek ........................................................................................................................ 55 Hoofdstuk 6 Analyse zware metalen in het plantaardig materiaal 57 6.1 Inleiding experiment zware metalen in het plantaardig materiaal ............................................. 57 6.2 Verklaring toxiciteit zware metalen ............................................................................................. 57 6.3 Werkwijze .................................................................................................................................... 57 6.4 Resultaten .................................................................................................................................... 59 6.4.1 Vochtgehalte ......................................................................................................................... 59 6.4.2 Lood concentraties................................................................................................................ 59 6.4.3 Cadmium concentraties ........................................................................................................ 59 6.4.4 Kwik concentraties ................................................................................................................ 60 6.4.5 Arseen concentraties ............................................................................................................ 60 6.4 Conclusie experiment zware metalen in het plantaardig materiaal ............................................ 60 6.5 Foutenanalyse .............................................................................................................................. 61 Hoofdstuk 7 Experiment nitraatgehalte bodem 62 7.1 Inleiding ........................................................................................................................................ 62 7.2 Verklaring stikstofbinding ............................................................................................................ 62 7.3 Werkwijze .................................................................................................................................... 63 7.3.1 Voorbereiding ....................................................................................................................... 63 8 7.3.2 Meetrapport nitraatanalyse ................................................................................................. 64 7.4 Resultaten .................................................................................................................................... 66 7.5 Conclusie ...................................................................................................................................... 67 7.6 Foutenanalyse .............................................................................................................................. 67 Hoofdstuk 8 Experiment groei van tuinkers met als voorteelt de gewone boon 68 8.1 Werkwijze .................................................................................................................................... 68 8.1.1 Voorbereiding ....................................................................................................................... 68 8.1.2 Vergelijking groei tuinkers .................................................................................................... 68 8.2 Resultaten .................................................................................................................................... 69 8.3 Conclusie .................................................................................................................................. 70 8.4 Foutenanalyse .............................................................................................................................. 70 Hoofdstuk 9 Algemene conclusies profielwerkstuk 71 9.1 Beantwoording deelvragen .......................................................................................................... 71 9.2 Beantwoording hoofdvraag ......................................................................................................... 72 Hoofdstuk 10 Discussie onderzoek profielwerkstuk 73 Hoofdstuk 11 Nawoord 75 Bijlage 76 Bijlage A: Geologische kaart van Mars ................................................................................................... 76 Bijlage B:Gebruiksaanwijzing kunstmatig 'Marszand' ........................................................................... 77 Bijlage C: Samenstelling kunstmatig 'Marszand' ................................................................................... 81 Bijlage D: Verdere chemische samenstelling kunstmatig 'Marszand' ................................................... 83 Bijlage E: Chemische samenstelling DCM Universele potgrond‐ RHP………………………………………………..84 Bijlage F: Meetrapporten NutriControl .................................................................................................. 85 Bibliografie 88 Logboek 89 9 1. Voorwoor
1
VoorwoordWouter van As
1.1Algemeneinleiding
De planeet Mars heeft de mens altijd al gefascineerd. De Babyloniërs noemden de god van vuur, oorlog en vernietiging, genaamd 'Nergal,' al naar deze planeet vanwege de rode oppervlaktekleur, die wordt veroorzaakt door de hoge ijzeroxide concentratie in de bodem. In latere tijden was de planeet bekend door 'de grote kanalen' die over de planeet liepen en de mogelijke aanwezigheid van 'Marsmannetjes.' Tegenwoordig weten we wel beter: Mars is een lege en gortdroge planeet van extremen. Toch zijn er op dit moment al grootse plannen gaande voor een mogelijke kolonisatie van Mars. De organisatie Mars One wil zelfs in het jaar 2025 een basis op Mars stichten, die ongeveer twee jaar later door vier mensen bevolkt zal gaan worden. Tegen het jaar 2033 moeten er uiteindelijk volgens de planning 20 mensen wonen op deze basis. De mens is al sinds zijn ontstaan een grote ontdekker. In de afgelopen 50.000 jaar hebben we onze voorouderlijke gronden in Oost‐Afrika verlaten om uiteindelijk vrijwel de hele wereld te bevolken. Nu begint het langzaam tijd te worden voor een volgende stap. Wanneer wij als mensheid echter ooit een andere planeet zoals Mars willen koloniseren zullen we er absoluut niet aan ontkomen dat we in een weinig humane omgeving terecht komen. We zullen in dat geval totaal afhankelijk zijn van onszelf. Één ding staat vast: we kunnen als mens veel missen, maar als het aankomt op onze behoefte aan voedsel, zuurstof en een fijne leefomgeving zijn planten onmisbaar. Mars lijkt van alle planeten van ons zonnestelsel nog het meeste op onze eigen aarde. In dit onderzoek zal dan ook worden gekeken naar de mogelijkheid om planten te telen op Mars omdat bevoorrading van voedsel vanaf de aarde niet realistisch is. Echter hoe relatief eenvoudig het laten groeien van planten op aarde ook mag zijn, zonder verdere beïnvloeding van de mens zal er nog geen grassprietje groeien buiten onze eigen planeet. Figuur: 1.1 Het lege Marsoppervlak gemaakt door de Marsrover Curiosity 10 1.2Onderzoek
Gefascineerd door de biologie en dan met name door het onderwerp planten was de keuze om mijn profielwerkstuk te laten gaan over een onderwerp dat iets te maken had met het thema planten snel gemaakt. Gezien de keuze van dit onderwerp, het advies van mijn vakdocent biologie en begeleider Dhr. De Mooij en mijn eigen bevindingen werd er besloten om dit profielwerkstuk alleen te maken. Naast biologie heb ik ook grote belangstelling voor andere vakken als sterrenkunde, natuurkunde, scheikunde en aardrijkskunde. Hierdoor werd er besloten om op zoek te gaan naar een onderwerp waarin al deze vakken te combineren waren. Het zien van de reportage in het programma 'Een vandaag' op 9 september 2015 over een onderzoek waarbij men uitzocht in welke mate de bodem van Mars geschikt is voor de groei van gewassen, uitgevoerd aan de Universiteit Wageningen onderleiding van Dr. Ir. G.W.W. Wamelink, wekte mijn belangstelling. In de reportage werd bekend gemaakt dat het voor het eerst gelukt was om een tomaat te kweken die gegroeid was op bodem zoals men die op Mars kan vinden. In dit experiment was aan de bodem een beetje organisch materiaal in de vorm van gedroogd gras toegevoegd. Door mijn enthousiasme over dit experiment ontstond er langzamerhand een idee om dit profielwerkstuk over plantengroei op de planeet Mars te gaan doen. Doordat Wamelink een autoriteit is op dit gebied heb ik hem advies gevraagd hoe mijn onderzoek aan te pakken. Zo ontstond tijdens het onderzoekproces voor dit profielwerkstuk een intensief contact. Toen later die maand, op 28 september 2015, door de NASA bekend werd gemaakt dat er stromend water op de planeet was ontdekt werd ik nog veel enthousiaster over dit onderwerp. Immers, indien er stromend water aanwezig is op het oppervlak van de planeet, dan zou dit de teelt van planten aanzienlijk vereenvoudigen. Bevoorrading van voedsel van de Aarde is absoluut uitgesloten. Door de hoge kosten, circa 1 miljoen euro, en de lange vliegtijd van naar verwachting acht maanden, is bevoorrading van voedsel vanaf de aarde is verre van realistisch. Wil men zich in de toekomst op Mars vestigen, dan zullen de kolonisten op deze planeet zelf hun voedsel moeten telen. Uiteindelijk werd besloten de volgende onderzoeksvraag aan te houden: Is er plantenteelt op de planeet Mars mogelijk? Voor het beantwoorden van deze zeer brede hoofdvraag werd er eerst een begrippenweb met daarin verschillende aspecten die een relatie hebben met het onderwerp opgesteld. 11 Figuur 1.2: Begrippenweb plantengroei op Mars Hieruit ontstaan de volgende deelvragen: 




Op welke manier is het heelal, en later de planeet Mars ontstaan? Op welke manier is een plant in staat energie in de vorm van glucose vast te leggen? Welke abiotische factoren zijn er op Mars en hoe manifesteren die zich op de planeet Mars? Wat zijn de mogelijkheden voor het beschermen van planten tegen schadelijke, abiotische effecten zoals deze op Mars aanwezig zijn? Zijn planten ook daadwerkelijk in staat organisch materiaal te produceren op de planeet Mars? 1.3Opbouw
Hoofdstuk 2‐ In dit hoofdstuk wordt het ontstaan van het heelal en later de planeet Mars toegelicht. Hoofdstuk 3‐ In dit hoofdstuk wordt uitgelegd hoe een plant met behulp van water, koolstofdioxide en licht in staat is glucose te maken. Hoofdstuk 4‐ In dit hoofdstuk wordt toegelicht welke abiotische factoren er op Mars te vinden zijn en wat de invloed daarvan is op de teelt van planten. Hoofdstuk 5‐ In dit hoofdstuk wordt uitgezocht door middel van een experiment in welke mate gewassen in staat zijn te groeien op een nagebootste Marsbodem en met een lichthoeveelheid zoals deze te vinden is op de evenaar van de planeet Mars. 12 Hoofdstuk 6‐ In dit hoofdstuk wordt onderzocht wat de precieze concentratie van enkele zware metalen bedraagt bij verschillende gewassen als deze geteeld worden op een bodem zoals men deze kan vinden op de planeet Mars. Hoofdstuk 7‐ In dit hoofdstuk wordt uitgezocht in welke mate de teelt van de gewone boon (Phaseolus vulgaris) de nitraatconcentratie van de bodem op Mars verhoogd. Hoofdstuk 8‐ In dit hoofdstuk wordt bekeken of een plant die veel nitraat gebruikt voor zijn groei ook daadwerkelijk beter groeit op een Marsbodem waar men eerste de gewone boon (Phaseolus vulgaris) heeft gecultiveerd. Hoofdstuk 9‐ In dit hoofdstuk wordt er terug gekomen op de onderzoeksvraag van dit profielwerkstuk en wordt er met behulp van de resultaten verkregen uit de uitgevoerde experimenten een conclusie geformuleerd. Tevens zullen de deelvragen beknopt worden beantwoord. Hoofdstuk 10‐ In dit hoofdstuk is een nawoord te vinden en een dankwoord aan alle mensen die een bijdrage hebben geleverd met het tot stand komen van dit profielwerkstuk. In de bijlagen is een overzicht te vinden van de samenstelling en gebruikersvoorwaarden van het 'Marszand,' de meetrapporten met de exacte concentratie van enkele zware metalen in drie verschillende soorten gewassen en een gedetailleerde bodemkaart van de planeet Mars. Tot slot worden alle bronnen die zijn gebruikt voor het maken van dit profielwerkstuk in de bibliografie vermeld. 13 Hoofdstuk 2 Beknopte uitleg ontstaan Mars
2
Het ontstaan van Mars 2.1Hetontstaanvanhetheelalvolgenshetchristendom
Niemand weet precies hoe het heelal is ontstaan en over het ontstaan van het heelal heeft de mensheid al eeuwenlang allerlei theorieën gehad. In vroegere tijden nam religie een prominente plaats in over de verklaring hoe het heelal precies is ontstaan. Meestal liggen hieraan één of meerdere Goden aan ten grondslag. Het christendom gaat in het scheppingsverhaal Genesis er van uit dat God de planeet aarde in zes dagen heeft geschapen. Volgens de Bijbel schiep God op de eerste dag de hemel en de aarde, op dag twee scheidde hij 'De wateren boven (het heelal) en onder'(de wateren op aarde zelf) door een blauwe koepel. Tenslotte ontstonden op de dag vier de maan, de zon en de sterren en was het heelal af. Eeuwenlang werd dit scheppingsverhaal door de bevolking in Europa algemeen geaccepteerd. Voor de middeleeuwse mens was de aarde het centrum van het heelal, waar de zon en de sterren draaiden zoals figuur 2.1 hieronder toont. In de Bijbel stond immers in de Bijbel stond dat de aarde het centrum van het heelal was. De theorie die hierbij hoort was de theorie van Ptolemaeus, die rond het jaar 200 na Christus werd opgesteld. Dertien eeuwen werd deze theorie in Europa algemeen aangehangen doordat men zich in de middeleeuwen, in vergelijking tot de klassieke oudheid en de renaissance, maar weinig bezig hield met astronomie. Figuur 2.1: Middeleeuws beeld van het heelal met de aarde als middelpunt. 14 2.2Nieuwedenkbeelden
Door de Duitser Nicolaas Copernicus ontstond er langzaam maar zeker een barst in dit beeld van het ontstaan van het heelal. Rond 1530 stelde hij al een theorie op waarin hij voorzag dat de zon niet om de aarde draaide. Echter voelde Copernicus er niet veel voor deze theorie te publiceren, mede uit angst voor vervolging door de kerk. Zo tegen de Bijbel en dus tegen de kerk ingaan stond immers in die tijd vrijwel gelijk aan ketterij, waarop zware straffen stonden. Op verzoek van zijn vriend Georg Rhaetius, die hoogleraar wiskunde was in Wittenberg, besloot hij uiteindelijk deze theorie te beschrijven in het boek 'De Revolutionibus.'De publicatie van dit werk stelde hij uit tot 1543. Het verhaal gaat dat Copernicus op zijn sterfbed het eerste exemplaar in handen kreeg. Andere astronomen gingen na de dood van Copernicus steeds meer op zoek naar nieuwe theorieën voor het ontstaan van het heelal, hetgeen door de kerk zoveel mogelijk werd geprobeerd tegen te houden. Toch maakte religie door de eeuwen heen steeds meer plaats voor wetenschap, een beeld dat goed past voor de tijd vanaf de renaissance tot en met de 21e eeuw. 2.2.1Oorspongoerknaltheorie
Over het algemeen wordt nu aangenomen dat het heelal ontstaan is volgens de oerknaltheorie. Deze theorie komt voor uit de relativiteitstheorie die is opgesteld door Albert Einstein. Het eerste idee dat er sprake zou zijn geweest van een oerknal kwam door waarnemingen van de astronoom Edwin Hubble in 1929 in een observatorium nabij de stad Los Angeles. Hij merkte op dat de meeste sterrenstelsels met een ongelofelijke snelheid van ons af bewegen, doordat er een roodverschuiving te zien was in het licht dat ze uitstraalden, zie figuur 2.2. Als men naar het heelal kijkt, blikt men in feite terug in het verleden. Het opvallende fenomeen dat Hubble opmerkte, was dat hoe verder een sterrenstelsel van de aarde afstond, hoe harder het van ons af beweegt. Vroeger bewogen sterrenstelsels dus harder van de aarde af dan op dit moment. Door zijn ontdekking begonnen andere astronomen te rekenen en zij kwamen uiteindelijk tot de conclusie dat het heelal uit één punt voortgekomen moet zijn en dan wel ≈ 13,727 miljard jaar geleden. 15 Figuur 2.2: Verschuivingen in het lichtspectrum in vergelijking met de richting van de beweging. Deze theorie wordt heden ten dage algemeen geaccepteerd door wetenschappers, alhoewel in toenemende mate wetenschappers kritiek leveren op de oerknaltheorie. Het ontstaan van het heelal is van belang voor het verdere onderzoek, want hier ligt uiteindelijk ook de oorsprong voor het ontstaan van de planeet Mars. 2.3Deoerknaltheorieuitgelegd
Uit een enorm heet punt met een temperatuur van circa 1028 Kelvin met een oneindig grote massa ontstond ons universum. Hiermee zouden tegelijkertijd ook ruimte en tijd ontstaan zijn. Een enorme hoeveelheid energie kwam hier bij vrij. Deze energie verspreidde zich met een zeer hoge snelheid die zelfs sneller was dan de snelheid van het licht. Bovendien ontstond er zwaartekracht. In minder dan 10‐32 seconden groeide dat kleine punt uit van het formaat van een atoom tot het formaat van een honkbal. Een honkbal lijkt misschien niet groot, echter als men dezelfde vergroting zou toepassen bij de honkbal dan zou deze in dezelfde tijd even groot zijn geworden als de planeet aarde. Op dit moment was het aandeel zwaartekracht precies goed. Dit is belangrijk, want alleen zo kunnen er later sterrenstelsels en planeten ontstaan. De expansiedrift van het heelal ging daarna met bijna dezelfde ongelooflijke snelheid door. Doordat de energie zich echter over een steeds grotere inhoud verdeelde begon het heelal steeds meer af te koelen. Hierdoor ontstonden de eerste deeltjes: pure energie werd omgezet in massa. Een bekende formule is die van Einstein, de massa‐energierelatie: 16 (2.1) Deze formule beschrijft dat massa en energie in elkaar om te zetten zijn. Deze eerste deeltjes waren de zogenoemde quarks, de kleinste deeltjes die op dit moment bekend zijn. Ongeveer op 10‐6 seconden na de oerknal ontstonden er elektronen, protonen en neutronen. Er ontstonden echter ook deeltjes die worden gezien als antimaterie: deeltjes met een tegenoverstelde lading dan de materie die vandaag de dag aanwezig is in het heelal, maar wel met dezelfde massa. Een voorbeeld hiervan is dat een elektron altijd een lading van ‐1 heeft en een positron had echter een lading van +1. De massa van beide deeltjes is gelijk. Als materie en antimaterie op elkaar botsen vernietigen ze elkaar. Dit proces is beter bekend onder de naam annihilatie. Dit is daarom een zeer cruciale fase tijdens de oerknal, omdat er zonder materie geen heelal kan worden opgebouwd. Uiteindelijk bleef één op de 1010 deeltjes behouden na de annihilatie. 2.3.1Hetontstaanvandeeerstesterren
Het heelal is dan nog maar een seconde oud, maar begint door zijn enorme expansiedrift zeer sterk af te koelen. Hierdoor worden er geen nieuwe deeltjes meer gevormd. De protonen en neutronen beginnen zich samen te voegen en ontstaan de eerste kernen van de stoffen waterstof en helium. Daarnaast worden er ook nog enkele andere, lichte elementen gevormd, zoals figuur 2.3 laat zien. Figuur 2.3: Elementen die ontstaan in de eerste seconden na de oerknal. Doordat deze deeltjes allemaal een massa hebben beginnen ze elkaar aan te trekken en naar elkaar toe te bewegen. Dit komt doordat er kleine dichtheidsverschillen in het heelal zijn. Omdat deze deeltjes door de oerknal op vele plekken in het universum terecht zijn gekomen trekken deze deeltjes op verschillende plaatsen naar elkaar toe. Hierdoor ontstaan ongeveer 400.000 jaar na de oerknal uit grote gaswolken de eerste sterren. Het ontstaan van sterren is ontzettend belangrijk voor de latere vorming van een planeet als Mars. Sterren zijn namelijk in staat om lichte elementen, die gasvormig zijn bij standaardomstandigheden, om te zetten in zwaardere elementen tot en met het element ijzer (55,845 u). Dit is te zien in figuur 2.3. Hierbij ontstaat er een schillenopbouw wanneer 17 een ster bijna opgebrand is. Aan het einde van het leven van sterren met een massa van minimaal 50% van onze zon ontstaat een explosie, een zogenoemde supernova, te zien in figuur 2.4. Hierbij komt erg veel energie vrij waardoor elementen met een hogere molmassa dan ijzer kunnen ontstaan. Figuur 2.3: Ster als 'schepper' van elementen Figuur 2.4: Een supernova 2.4Hetontstaanvanonszonnestelsel
Ondanks dat sommige sterren al meer dan 13,3 miljard jaar oud zijn is, ons zonnestelsel zoals wij dat vandaag de dag kennen pas ≈4,55 miljard jaar geleden ontstaan. Een grote wolk gassen trok steeds meer naar elkaar toe door hun onderling aantrekkende zwaartekracht. Immers hoe meer deeltjes op een plek aanwezig zijn, hoe meer zwaartekracht er wordt uitgeoefend op de omringende deeltjes die hierdoor ook weer worden aangetrokken naar dit punt. Hierdoor ontstaat er in dit punt een sterkere zwaartekracht die weer met een sterkere kracht deeltjes uit de omgeving aantrekt. Het gevolg hiervan is dat de dichtheid in de gaswolk steeds meer toeneemt. Deze gaswolk bestond vooral uit lichtere elementen zoals waterstof, helium en lithium. De andere twee procenten waren zwaardere elementen ontstaan door eerdere supernova’s van andere sterren. Deze elementen waren van groot belang voor het opbouwen van de planeet Mars. Doordat elementen steeds meer op elkaar werden geperst, liep de temperatuur en de druk in de gaswolk steeds meer op. Hierdoor ontstond er spontaan kernfusie, waardoor waterstof dat in de nevel aanwezig was omgezet kon worden in helium. Bij dit proces komt veel energie vrij waardoor de gaswolk licht begon uit te stralen. Potentiële energie werd hierbij omgezet in kinetische energie, omdat de nevel warmer werd. Onze zon was geboren. De gaswolk had een grote diameter, maar een kleine dikte. Hierbij speelt de wet van het behoud van het impulsmoment een belangrijke rol. Nadat de zon ontstond, bleef een deel van 18 de gaswolk om de zon heen roteren. De wet van behoud van het impulsmoment stelt dat wanneer een deeltje roteert het neiging heeft dit te blijven doen. ∑
(2.2) Het opheffen van de rotatie kan alleen gebeuren met een even grote tegengestelde kracht. Omdat deze kracht er niet is blijven de deeltjes in vrijwel perfecte cirkelbewegingen om de zon roteren. Deze nevel bestond grotendeels uit de gassen waterstof, helium en lithium. Ongeveer 0,5 % van de nevel bestond uit zwaardere elementen die vast waren zoals ijzer, silicium en magnesium. Daarnaast had 1,5% van de stoffen als water en koolstofdioxide een ijsachtig karakter. In zeer beperkte mate kwamen ook nog andere elementen voor. De nevel werd steeds sterker aangetrokken door de middelpuntvliedende kracht van de zon waardoor de aanwezige deeltjes steeds hogere dichtheden bereikten. De deeltjes werden door de warmte van de jonge zon gescheiden. De veelal zwaardere elementen bleven relatief dichtbij de zon, terwijl de meeste gasdeeltjes met een lager kookpunt niet condenseerd en steeds verder van de zon afraakten. Deze gasdeeltjes zouden later de gasplaneten van ons zonnestelsel vormen, terwijl de zwaardere deeltjes dichter bij de zon de terrestrische planeten zouden vormen waar Mars één van is. 2.5HetontstaanvandeplaneetMars
De deeltjes die zich op de plaats van de huidige planeet Mars bevonden, begonnen naar elkaar toe te bewegen en samen te klonteren. Het proces voor de vorming van een planeet zoals Mars is echter zeer ingewikkeld en hangt van vele factoren af. Echter, elektrostatisch ladingsverschillen tussen kleine deeltjes onderling wordt als de meest belangrijke factor gezien. Vanzelfsprekend is het van groot belang dat deeltjes, wanneer deze met elkaar botsen, samen klonteren. Als deeltjes niet goed aan elkaar vast komen te zitten kunnen immers nooit grotere structuren worden gevormd, om nog maar te zwijgen van de vorming van een groot object als een planeet. Tevens mogen er bij een botsing tussen deeltjes onderling niet te veel deeltjes worden weggeslingerd. Er moeten dus voldoende krachten optreden tussen atomen onderling om bindingen aan te gaan. Wanneer moleculen bij elkaar komen te zitten worden eerst stofdeeltjes gevormd die zeer snel aan een klitten tot grotere stofdeeltjes ter grote van een kleine steen. In de astronomie wordt voor deze grotere stofdeeltjes meestal de naam Pebbles gebruikt. Uit de Pebbles kunnen grote asteroïden worden gevormd. Doordat asteroïden een veel grotere massa hebben dan de Pebbles kunnen zij makkelijker andere Pebbles en asteroïden aantrekken. Hierbij spelen elektrostatische krachten tussen deeltjes onderling nog maar een zeer kleine rol. 19 Volgens de gravitatiewet van Newton worden kleinere deeltjes door de asteroïden in veel sterkere mate aangetrokken door de hoge massa van de asteroïden zelf dan door een kleiner deeltje als een Pebble. Deze wet laat zich als volgt omschrijven. ∗
∗
(2.3) Ook asteroïden worden sterk tot elkaar aangetrokken. Dit komt omdat de massa van een voorwerp ervoor zorgt dat er zwaartekracht optreed. Hierdoor kan in een tijdsbestek van ongeveer een miljoen jaar een planeet worden gevormd. In de praktijk wordt dit proces echter vrijwel altijd vertraagt, doordat er minder botsingen plaatsvinden dan men op het eerste gezicht zou verwachten. Door het gedurende miljoenen jaren botsen van asteroïden ontstond er een steeds grotere bol. De planeet Mars was geboren. Omdat er vele botsingen nodig waren om de planeet te vormen was de planeet in het begin zeer heet. Immers de kinetische energie wordt tijdens de botsing vrijwel geheel omgezet in warmte. ∗
∗
(2.4) Hierdoor trad er op de planeet Mars net als op de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden een scheiding op tussen de relatie zware elementen als ijzer enerzijds, die onderdeel zouden gaan uitmaken van de kern en lichtere elementen als silicium anderzijds, die meer terecht kwamen in de afkoelende en uithardende korst van de planeet. In hoofdstuk 4 zal er verder op de lithosfeer van de planeet worden ingegaan betreffende de mogelijkheden voor plantengroei. 20 Hoofdstuk 3 Uitleg werking fotosynthese
3
Uitleg werking fotosynthese 3.1Eenbijzonderproces
Planten zijn bijzonder: ze zijn namelijk door een zeer uniek proces, genaamd fotosynthese, in staat energie van de zon vast te leggen, waardoor uiteindelijk glucose kan worden gevormd. Deze glucose kunnen consumenten weer nuttigen. Bij dit proces komt zuurstof vrij, een essentieel gas voor hetrotrofe organismen als de mens om verbranding van voedsel mogelijk te maken. Doordat bij de verbranding koolstofdioxide vrij komt is er sprake van een cyclus. De netto reactie die men aan het einde van de fotosynthese overhoudt gaat als volgt: 6 CO2+12 H2O→ C6H12O6+6 O2+ 6 H2O (3.1) Op het eerste gezicht lijkt dit een zeer eenvoudige reactie, er worden namelijk maar enkele stoffen gebruikt en gevormd. Maar schijn bedriegt, als men koolstofdioxide samen met wat water in een vat doet en men laat daar zonlicht in schijnen, dan ontstaat er echt geen glucose en zuurstof. Dit vraagt daarom om een verdieping. In een plant vinden vanzelfsprekend veel meer reacties plaats. Een plant moet dus ook genoeg meststoffen en mineralen in de bodem tot zijn beschikking hebben om deze reacties optimaal uit te kunnen voeren. Elke plantensoort stelt hieraan zijn eigen specifieke eisen. 3.1.2Debladgroenkorrels
De bladeren en stengels van planten bevatten bladgroenkorrels, ook wel chloroplasten genoemd. Deze chloroplasten bevatten thylakoiden. Deze thylakoiden liggen, zoals in figuur 3.1 te zien is, altijd een beetje op elkaar gestapeld in de bladgroenkorrel. Zo’n stapel thylakoiden wordt wel een granum genoemd. De chloroplasten liggen in een waterige oplossing, ook wel het stroma genoemd. De thylakoiden zijn onderling met elkaar verbonden door lamellen en bevatten zelf ook een holle ruimte. De chloroplast wordt door verschillende soorten membramen afgesloten van de plantencel waarin deze zich bevindt. 21 Figuur 3.1: De opbouw van de chloroplast De thylakoiden bevatten bepaalde pigmenten, zoals chlorofyl a en –b, caroteen en xantofyl. Deze zijn in staat het zonlicht te absorberen waardoor, er een reeks reacties in gang kan worden gezet. Sommige reacties zijn afhankelijk van zonlicht, de zogenaamde lichtreacties, terwijl andere reacties ook goed in het donker werken. Deze reacties worden ook wel de donkerreacties genoemd. Hieronder bevindt zich een uitwerking die uitlegt hoe een plant met behulp van zijn thylakoiden toch in staat is glucose te maken. Omdat de thylakoiden in staat zijn met hun pigmenten licht te absorberen noemen we dit de lichtreacties, waarmee we onderscheid maken in de eerste reactie, fotosysteem II, en de tweede reactie fotosysteem I. Deze aparte naamgeving van de beide reacties is omdat als eerste de tweede reactie, fotosysteem I, ontdekt werd en daarna de eerste reactie, fotosysteem II. De namen zijn nadien niet meer veranderd. Na deze zogenoemde lichtreacties vinden de donkerreacties plaats, die uiteindelijk glucose opleveren. Hieronder bevindt zich een overzicht hoe dit precies in zijn werk gaat. 3.2DeLichtreacties
Zoals eerder gezegd is er voor de beide lichtreacties (zon)licht nodig om deze reacties goed te kunnen laten verlopen. Dit wordt opgevangen door vooral chlorofylmoleculen. De energie wordt gebruikt om twee verschillende stoffen, ATP en NADHP, te maken die nodig zijn in de donkerreactie. De netto reactie voor beide fotosystemen gaat als volgt: 12H2O + 12 NADP+ + 18ADP + 18Pi → 6O2 + 12NADPH + 18ATP (3.2) 3.2.1FotosysteemII
Deze reactie begint wanneer licht een chlorofylmolecuul raakt. De energie uit het licht kan door het chlorofyl worden opgenomen, waardoor er een elektron van het chlorofylmolecuul als het ware wordt aangeslagen. Het elektron krijgt hierdoor een hogere energietoestand. 22 Omdat het elektron snel kan worden doorgegeven aan een elektronenacceptor vervalt het elektron niet meer terug in zijn grondtoestand maar blijft dit hoge energieniveau behouden. Toch is dit energieniveau niet hoog genoeg om alle benodigde grondstoffen voor de donkerreactie te maken, vandaar dat hierna eerst nog de reactie van fotosysteem I plaats moet vinden. In het chlorofyl ontstaat er een negatieve lading. Deze lading kan worden opgelost door water uit de bodem op te nemen en deze onder invloed van de zeer sterke oxidator mangaan te splitsen in O2 en in H+. Bij dit proces komen er elektronen vrij die de positieve lading in het chlorofylmolecuul kunnen opheffen. De reactie kan dan weer opnieuw plaats vinden. 3.2.2CytochroomB
Sommige eiwitten zoals Cytochroom B hebben het vermogen elektronen te vervoeren, ze zijn onderdeel van de elektronentransportketen. Deze eiwitten zorgen voor het transport van de elektronen naar fotosysteem I, het tweede deel van de lichtreactie. Deze vindt plaats in een ander chlorofylmolecuul die net weer een andere golflengte aan licht opneemt, bij de meeste planten vindt de eerste reactie plaats met behulp van het pigment chlorofyl a en de tweede reactie met behulp van chlorofyl b. Onderweg verliezen de elektronen steeds een beetje energie, deze energie wordt opgenomen door ADP+P waardoor er de zeer energierijke stof ATP gemaakt kan worden. Dit gaat allemaal onder invloed van ATP synthese, een enzym dat helpt om de reactie beter te laten verlopen. Deze stof is essentieel voor straks in de donkerreactie. 3.2.3FotosysteemI
De vrij energiearme elektronen komen uiteindelijk aan in een ander chlorofylmolecuul, hier worden ze nog een keer aangeslagen door het licht, waardoor ze weer een hoge energiedichtheid krijgen. Op dit moment bevatten de elektronen zoveel energie dat het mogelijk wordt dat het NADP+ ion onder invloed van het enzym NADP+‐ructase een elektron en een waterstofion kan opnemen. Dit waterstofion is ook door middel van transport door Cytochroom B in de lumen van de thylakoïde terecht gekomen. NADP+ is hierbij de oxidator, en komt elektronen te kort. Het krijgt deze indirect van water, dat in dit geval de reductor is. Zo ontstaat de energierijke stof NADPH. Samen met ATP zullen deze twee stoffen in de donkerreactie glucose vormen. 3.3Donkerreactie
De energierijke stoffen NADPH en ATP, die in beide lichtreacties zijn gemaakt, kunnen nu in de donkerreactie gebruikt worden. De donkerreactie vindt plaats in de stroma. Dit is een passief transport dat te maken heeft met de zuurgraad van de oplossing. In de lumen van de chloroplast is de pH‐waarde namelijk veel lager dan de stroma, omdat er hier veel meer hydroxium‐ionen aanwezig zijn. In het stroma volgt een stel reacties, waarbij energierijke elektronen worden afgegeven aan andere stoffen, oftewel redoxreacties. Omdat bij de vorming van glucose weer energiearme producten gevormd worden, kunnen deze producten 23 in de lichtreactie weer opnieuw gebruikt worden. ATP geeft bijvoorbeeld zijn elektron af en wordt weer een ion. De netto reactie gaat als volgt: 6 CO2+ 12 NADPH,H++ 18ATP → C6H12O6+ 6H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi. (3.3) Omdat er een cyclus moet worden doorlopen om uiteindelijk glucose te kunnen vormen spreken we ook wel van de calvincyclus, naar de Amerikaanse ontdekker van de donkerreactie, Melvin Calvin. Hieronder worden de drie belangrijkste fasen besproken. 3.3.2CO2fixatie Met behulp van de huidmondjes neemt een plant koolstofdioxide uit de atmosfeer op. Deze stof wordt gebruikt in de eerste reactie in de stroma die onderdeel uitmaakt van de calvincyclus. De CO2 moleculen worden gebonden aan ribose‐1,5‐difosfaat met behulp van het enzym ribose. Ribose‐1,5‐difosfaat is uiterst instabiel waardoor twee moleculen ribose‐1,5‐
difosfaat uiteindelijk vervallen in zes moleculen fosforglycheraat. De reactievergelijking ziet er dan als volgt uit: 3 C5H8O11P2 + 3 CO2 + 3 H2O → 6 C3H5O7P (3.4) 3.3.3Reductie
De moleculen ribose‐1,5‐difosfaat ontvangen allemaal een fosfaatgroep die oorspronkelijk afkomstig is van het molecuul ATP, dat in de lichtreactie is gevormd. Hierdoor ontstaat 1,3‐
disfosforglycheraat. Daarna staat de stof NADPH twee elektronen af, hierdoor verliest 1,3‐
disfosforglycheraat weer zijn fosfaatgroep. Dit heeft tot gevolg dat er de stof glycheralhyde‐3‐
fosfaat ontstaat. Omdat er in het begin van de cyclus zes moleculen ribose‐1,5‐difosfaat waren zijn er nu ook zes moleculen glycheralhyde‐3‐fosfaat. Dit is een primitieve suiker die als tussenproduct in organismen fungeert. Door twee glycheralhyde‐3‐fosfaat moleculen aan elkaar te koppelen en de twee fosfaatgroepen te verwijderen wordt glucose gevormd. Deze stof kan uiteindelijk weer worden omgezet in andere stoffen die noodzakelijk zijn om de plant in leven te houden, zoals cellulose. Hierdoor kan een plant biomassa opbouwen. Om deze hele cyclus draaiende te houden is het van belang dat ribose‐1,5‐difosfaat weer wordt gevormd. Dit wordt gemaakt met behulp van vijf glycheralhyde‐3‐fosfaat moleculen. 3.3.4Regeneratievanribulose‐1,5‐bifosfaat
Na de voorgaande reductiefase zijn er in totaal vijf moleculen glycheralhyde‐3‐fosfaat gevormd. Door middel van het proces van regeneratie worden deze weer omgezet in een molecuul ribose‐1,5‐difosfaat. Onderweg splitsen fosfaatgroepen af en geven ATP moleculen elektronen af waardoor er ADP ontstaat. Op deze manier kunnen de moleculen makkelijker een binding met elkaar aangaan. Na dit proces ontstaat er weer een molecuul ribose‐1,5‐
difosfaat en kan de cyclus opnieuw beginnen. 24 Hoofdstuk 4 Abiotische factoren op de planeet Mars
4
Abiotische factoren op de planeet Mars 4.1Bewoonbarezone
Van alle planeten in ons zonnestelsel lijkt het klimaat dat de planeet Mars heeft het meest op onze aarde. Toch is zelfs het klimaat rondom de equator van Mars zeer extreem en koud en, voor zover men op dit moment weet, totaal ongeschikt voor elke vorm van leven zoals men deze op aarde kent. Iedere ster heeft op een bepaalde afstand een bewoonbare zone om zich heen. De naam geeft al aan dat in deze gebieden leven kan ontwikkelen als planeten zich binnen deze zone bevinden. Omdat de aanwezigheid van vloeibaar water heel belangrijk is voor al het leven, is de bewoonbare zone dan ook gedefinieerd naar het mogelijk voorkomen van vloeibaar water op een planeet. Hoe ver de bewoonbare zone van een ster af ligt en hoe groot deze is hangt af van het vermogen aan energie in de vorm van straling dat de ster uitstraalt. Immers omdat er in de ruimte zich maar zeer weinig atomen bevinden, kan de warmte van de ster niet via stroming en geleiding worden doorgegeven aan de planeten. Hetere sterren zijn groter en stralen hierdoor wel meer energie in de vorm van straling uit. Hierdoor ligt de bewoonbare zone verder van de ster. In figuur 4.1 is te zien dat de omvang van de bewoonbare zone toeneemt naar mate de ster warmer is en dus een hogere oppervlaktetemperatuur heeft. Figuur 4.1: Figuur 4.1: Omvang en ligging van de bewoonbare zone bij verschillende typen sterren. 25 4.1.1Bewoonbarezoneinonszonnestelsel
De bewoonbare zone voor ons zonnestel ligt volgens figuur 4.1 tussen de 0,80 AU en 1,7 AU. Een AU is de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon en bedraagt 149597870700 meter, afgerond 1,4959×1011 meter. Voor ons zonnestelsel ziet de bewoonbare zone er uit als in figuur 4.2 is weergegeven, in deze figuur is de bewoonbare zone ook met groen aangegeven. Figuur 4.2: De bewoonbare zone van ons zonnestelsel. In figuur 4.2 is te zien dat Mercurius te dicht bij de zon staat en buiten de bewoonbare zone ligt. Venus ligt volgens deze figuur aan de binnenrand van de bewoonbare zone, alhoewel door de grote hoeveelheid CO2 in de atmosfeer de temperatuur op het oppervlakte van deze planeet zelfs hoger is dan op Mercurius. De gemiddelde temperatuur van de planeet Venus bedraagt 735 Kelvin, ≈ 462 graden Celsius, waardoor leven ook hier niet mogelijk is. Van de andere planeten van ons zonnestel bevinden verder alleen Mars en onze eigen aarde zich in de bewoonbare zone. De aarde ligt hierbij iets meer aan de binnenring en Mars aan de buitenring. Mars bevindt zich gemiddeld 0,5 AU verder van de zon af dan de aarde. Dit is voor astronomische begrippen een vrij klein verschil, echter door de iets grotere afstand van Mars ten opzichte van de zon ontvangt Mars veel minder energie van de zon in de vorm straling ten opzichte van onze aarde. De baan van Mars is in tegenstelling tot de aarde veel meer ellipsvormig, hierdoor staat Mars op zijn verste punt 1,6659 AE van de zon af, terwijl de kleinste afstand tot de zon 1,3813 AE bedraagt. 4.2DeAtmosfeervanMars
4.2.1Opbouw
De atmosfeer van Mars verschilt behoorlijk ten opzichte van de aarde. Op aarde is stikstof (78,08%) de belangrijkste stof in de atmosfeer, in tegenstelling tot de atmosfeer van Mars die verzadigd is met koolstofdioxide (95,97%). Andere belangrijke stoffen zijn stikstof (1,89%) en argon (1,93%). Zuurstof maakt maar een klein deel (0,146% ) uit van de atmosfeer op Mars en is daarmee veel minder vertegenwoordig dan op aarde waar de hoeveelheid zuurstof veel hoger is (20,55%). 26 4.2.3Lagenstructuur
Net als op aarde bestaat de atmosfeer van Mars ook uit een lagenstructuur. Grofweg zijn er drie verschillende lagen te onderscheiden. De troposfeer reikt tot een hoogte van 7 km boven het Marsoppervlakte. Hierboven komt de stratosfeer die grenst aan de exosfeer. In de exosfeer vindt de overgang naar het vacuüm van de ruimte plaats en neemt de deeltjesdichtheid af naar nagenoeg 0 hPa. Omdat het opzetten van een teeltruimte op Mars alleen zal gebeuren op het oppervlak zal alleen verder worden ingegaan op de troposfeer. 4.2.4Luchtdruk
Op Mars heerst een veel lagere luchtdruk dan men op aarde gewend is. De gemiddelde luchtdruk op nul meter hoogte, dit is de gemiddelde hoogte van het Marsoppervlak aangezien er niet te spreken is over een zeeniveau, is 6 hPa. Dit is vrij laag als men zich bedenkt dat er op aarde gemiddeld een druk heerst van 1015 hPa met uitschieters van 960 hPa tot 1050 hPa. De druk in de atmosfeer op Mars neemt exponentieel af met de hoogte. Voor de druk in hPa in de troposfeer geldt de volgende vergelijking: .
0.699 ∗
(4.1) 4.3IntensiteitvanlichtenstralingopMars
4.3.1Dekwadratenwet
Met behulp van de kwadratenwet is te verklaren waarom Mars maar 43,0% van de hoeveelheid licht ontvangt ten opzichte van de aarde terwijl de planeet gemiddeld 0,52 AE verder van de zon staat. De zon heeft een vermogen van 3,85×1011 watt. De kwadratenwet stelt dat als een lichtbron 2 keer zo ver van een voorwerp staat, de lichtintensiteit met een factor vier zal afnemen. De formule voor deze wet luidt als volgt: (4.2) Voor ons zonnestelsel geldt figuur 4.3, één SU is een maat voor de hoeveelheid zonlicht die de aarde bereikt. 27 Figuur 4.3: Kracht van de zon in relatie tot de afstand van het object 4.3.2HetvermogenvanlichtophetoppervlakvanMars
De aarde bevindt zich op gemiddeld 1,496×1011 m van de zon en de planeet Mars staat op gemiddeld 2,279×1011 m afstand. Mars staat dus 1,5241 keer zo ver van de zon als de aarde. De intensiteit van het zonlicht op Mars is dan 1,52412= 2,3228 keer zo laag als de waarde die de aarde ontvangt. Als we het vermogen weten van het zonlicht dat in theorie de aarde bereikt kan dit in de kwadratenwet worden ingevuld, hieruit kan het vermogen worden berekend dat op Mars valt. Het vermogen van het zonlicht op aarde bedraagt 1,368×103 Wm‐
2
. Invullen van de gegevens in de kwadratenwet levert 1,368×103/2,3228= 5,889×102 Wm‐2. Aangezien de zon niet in staat is direct warmte uit te stralen naar de planeet Mars doordat daarvoor te weinig atomen in de ruimte aanwezig zijn bestaat de energie die de planeet Mars ontvangt helemaal uit de vorm van straling. Deze waarden gelden alleen wanneer de zon loodrecht boven het oppervlak van de betreffende planeet staat. Doordat de fotonen in de atmosfeer van de aarde botsen op de deeltjes die in de lucht aanwezig zijn wordt ongeveer 33% procent van het licht gereflecteerd voordat het oppervlak van de aarde bereikt wordt. Figuur 4.3 geeft dit goed weer in de lichtbalans van de aarde. 28 Figuur 4.4: Lichtbalans van de aarde Ook op Mars vindt er in de lucht absorptie plaats van het licht. Omdat de atmosfeer op Mars erg dun is, en er afgezien van enkele wolken van gecondenseerde koolstofdioxide en water in de lucht er geen enkele belemmering zou moeten zijn voor het licht om het oppervlak van de planeet te bereiken, zou men denken dat de maximale lichtsterkte die Mars kan bereiken dichtbij de waarde van 589,8 W/m‐2 zou liggen. Door de vele stofdeeltjes in de lucht ligt deze waarde echter een stuk lager, rond 487,53 W/m‐2. Deze waarde komt overeen met een zonhoogte op aarde van slechts 36º. In figuur 4.4 is te zien in welke periode van het jaar deze zonhoogte op aarde voorkomt. De exacte breedteligging van deze zonnehoogte varieert tussen de 31º noorderbreedte in de winter en 76º in de zomer. De rode lijn geeft in figuur 4.5 deze waarde aan. Het gebied ten noorden van 76º noorderbreedte krijgt dus nooit meer licht dan de evenaar op Mars. 29 Figuur 4.5: Maximale vermogen van de zon op Mars in vergelijking met het vermogen per breedtegraad op het noordelijk halfrond per maand op aarde 4.3.3Zandstormen
Omdat Mars aan het oppervlak geen begroeiing heeft zoals de aarde, en de bodem vrij droog is, kan er door het minste briesje het toch al zeer fijne Marszand makkelijk in de atmosfeer terecht komen. Op aarde remt de maan daarbij de luchtbewegingen sterk af. Zo’n maan heeft Mars helemaal niet en daardoor kan de wind enorme snelheden bereiken waarbij veel fijne stofdeeltjes worden meegenomen. Op lage breedtegraden bedraagt de snelheid maximaal 150 km/uur, op de polen kan dit oplopen tot een maximum van 400 km/uur. Een kleine stofstorm kan zelfs uitgroeien tot zoiets groots dat de hele planeet bedekt, waarvan figuur 4.6 getuigt. Een stofstorm kan enkele weken aanhouden, waarbij het zonlicht grotendeels gereflecteerd wordt door de stofdeeltjes. In een zware stofstorm komt het voor dat het vermogen van het zonlicht op het Marsoppervlak vrijwel gelijk wordt aan 0 W/m‐2. 30 Figuur 4.6: Zandstormen op Mars kunnen soms vrijwel de hele planeet bedekken en weken aanhouden. De foto’s zijn gemaakt door de Hubble Space telescoop in 2001 4.3.4SpectrumvanhetzonlichtopMars
Ook het spectrum van het zonlicht op Mars wijkt een beetje af van het spectrum zoals wij dat op aarde gewend zijn. Door de samenstelling van de gassen, maar vooral door het veelvuldig voorkomen van deeltjes met een ijzerverbinding in de atmosfeer, levert dit een vrij roodachtig spectrum op in vergelijking met onze eigen aarde, zie figuur 4.7. Deze ijzerverbindingen hebben namelijk over algemeen een roodachtige kleur en hierdoor reflecteren de deeltjes het licht dat zich aan de rode kant van het spectrum bevindt. Van dit licht komt een groot deel op het oppervlak van de planeet terecht. Figuur 4.7: Lichtspectrum van de Aarde te opzichte van Mars 31 4.4TemperatuurvariatieopMars
4.4.1Omlooptijdenverschilinafstandtotdezondoorhetjaarheen
Door de grotere afstand tot de zon legt de planeet Mars in een ronde om de zon een grotere afstand af dan de aarde. Zoals uitgelegd in hoofdstuk 4.1.2 heeft Mars een baan die meer op een ellips lijkt dan bij de aarde. In de ongeveer 780 dagen dat Mars erover doet een ronde om de zon te maken wisselt de afstand tot de zon maar liefst 43 miljoen kilometer. Figuur 4.8 benadrukt dit nog een keer, het exacte formaat van de zon, de planeten en de banen zijn hierbij niet op schaal weergegeven. Figuur 4.8: De ellipsvormige baan van de planeet Mars 4.4.2BaanvandeplaneetMars
Net als onze eigen aarde draait de planeet Mars behalve om de zon ook om zijn eigen as heen. Als we kijken vanaf de zon duurt een dag op aarde 24 uur. Een dag op Mars duurt iets langer dan op onze eigen aarde, en bedraagt 24 uur, 37 minuten en 22,663 seconden. Deze tijdseenheid wordt ook wel een sol genoemd. Verder staat net zoals op onze eigen aarde het geval is de Mars as een beetje schuin. De hoek die de planeet Mars maakt ten opzichte van de normaal is iets meer dan die van onze eigen aarde en bedraagt 25,19 °. Doordat Mars een ellipsvormige baan maakt om de zon zijn de seizoenen qua dagen niet aan elkaar gelijk, in vergelijking tot onze eigen aarde wijkt het aantal dagen dat een seizoen duurt zelfs sterk af. In figuur 4.9 is dit goed te zien. 32 Figuur 4.9: Het aantal dagen dat Mars en de aarde erover doen om een hoek van 90 graden te maken ten opzichte van de zon 4.4.3SeizoenenopMars
Door de schuine stand van de Mars‐as ontstaan er net als op onze eigen aarde seizoenen. Omdat de aarde vrijwel een cirkel beweging beschrijft krijgt het zuidelijk halfrond gedurende hun zomerhalfjaar bijna evenveel licht als ons noordelijk halfrond in zijn zomerhalfjaar. Op de planeet Mars is dit doordat de baan een sterke ellips beschrijft afwijkend van de situatie zoals men die op aarde kent. Figuur 4.10: De ellipsvormige baan van Mars Als op het noordelijk halfrond van Mars de zomer begint staat de planeet 1,6659 AE van de zon af, hierdoor ervaart het noordelijk halfrond van de planeet een relatief 'milde' zomer. Op 33 het zuidelijk halfrond van de planeet begint op dat moment de winter. Door de relatief grote afstand tot de zon op dat moment is de winter op het zuidelijke halfrond bijzonder heftig: rondom de Zuidpool, is het de hele dag donker en kan de temperatuur dalen tot ‐140 graden Celsius. Wanneer de planeet het meest nabij de zon staat, ongeveer 1,3813 AE, begint op het zuidelijk halfrond de zomer en op het noordelijk halfrond de winter. Het zuidelijk halfrond heeft door de kortere afstand tot de zon een warme zomer waarbij de temperatuur kan oplopen tot 20 graden Celsius, het noordelijk halfrond profiteert met een kortere afstand tot de zon van een vrij 'milde' winter. 4.4.4Temperatuurvariatiegedurendeéénsol
Door de lage warmtecapaciteit van de atmosfeer en het ontbreken van grote wateroppervlaktes aan het oppervlak ontstaan binnen een dag tijd op Mars grote temperatuurverschillen. Als de zon recht boven het oppervlak van Mars staat kan de temperatuur oplopen tot ongeveer 35 graden Celsius, dit is de hoogste temperatuur die tot nu toe gemeten is op Mars. Deze temperatuur werd gemeten door de Marsrover 'Spirit' gedurende de zuidelijke, warme zomer. De Spirit bevond zich op dat moment op ongeveer 14,5 graden zuiderbreedte (14.5684°S 175.472636°E). Echter gedurende de nacht daalde de temperatuur weer naar ongeveer ‐70 graden Celcius, een verschil van 105 graden met overdag. Figuur 4.11 laat het verloop van de temperatuur gedurende 1200 sols zien gemeten door de 'Spirit'. Figuur 4.11: Temperatuur gemeten door de Marsrover Spirit gedurende 1200 sols 34 4.4.5Temperatuurtenopzichtevandehoogteligging
Net zoals op aarde neemt de temperatuur op Mars af naarmate men hoger in de atmosfeer komt. Op aarde is het nulpunt vrij eenvoudige gekozen, namelijk het gemiddelde niveau van de oceaan. Omdat er zich op Mars geen grote wateroppervlaktes bevinden heeft men gekozen om op Mars het nulpunt te defineren als de gemiddelde hoogte van het oppervlak van de planeet. Hierdoor komen er op Mars sterk negatieve waarden in de hoogteligging voor, figuur 4.12 laat hierbij de hoogte van het Marsoppervlak zien. Figuur 4.12: Hoogte van het Marsoppervlak in meters ten opzichte van het nulpunt De temperatuurafname naar de hoogteligging is voor het Marsoppervlak anders dan op aarde door het verschil van de samenstelling van gassen en de dikte van de atmosfeer. De temperatuurafname in de onderste 20 km van de atmosfeer is lineair. De volgende formule is voor de temperatuur in graden Celsius voor deze situatie geldig: 31
0.000998 (4.3) Deze formule geldt voor de gemiddelde jaartemperatuur op de equator van de planeet. Deze bedraagt op de equator van Mars ‐31 graden Celsius, oftewel 242,15 Kelvin. Het onderstaande, vereenvoudigde figuur 4.13, geeft de verandering van de temperatuur en druk als functie van de hoogte weer. 35 Figuur 4.13: Temperatuursafname naar functie van de hoogte op de evenaar van Mars 4.5DelithosfeervanMars
4.5.1DegeografievanMarsvolgensdemensinvroegeretijden
De eerste geografische kaart van Mars werd ontwikkeld in september 1877 door de Italiaanse astronoom Giovanni Schiaparelli. Door de slechte kwaliteit van de telescopen in die tijd meende hij rechte lijnen op het oppervlak van de planeet te herkennen. Hij noemden de lijnen 'canali' omdat hij rechte strepen meende te zien. Door de media van destijds werd dit begrip volstrekt verkeerd geïnterpreteerd. Hierdoor deden niet veel later in datzelfde jaar verhalen de ronden dat deze kanalen gecreëerd zouden zijn door intelligent leven dat probeerde hun planeet te redden van uitdroging. De voorstelling van rondlopende 'Marsmannetjes' op de planeet was daarna snel gemaakt. Figuur 4.14: De geografie van Mars volgens Giovanni Schiaparelli (1887) 36 Pas nadat NASA het Marinerprogramma in de jaren 60 had gestart en de ruimtesonde Mariner 4 op 17 juli 1969 de eerste foto’s doorzond naar de aarde kwam men pas tot de conclusie dat Mars een droge planeet zonder zichtbaar leven was. Latere missies van NASA bewezen dat Mars een lege planeet is en dat de 'Canali' van Giovanni Schiaparelli slechts een verbeelding waren geweest van de mensheid zelf. 4.5.2Eenlandschapgedomineerddoorvulkanen
Nadat Mars was ontstaan begon de planeet sterk af te koelen. Hierdoor trad er net als op de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden een scheiding op tussen de relatief zware elementen en lichtere elementen. De relatief zware elementen als ijzer kwamen hierdoor meer voor in de kern van de planeet, terwijl lichtere elementen als silicium meer terecht kwamen in de afkoelende en uithardende korst. In vergelijking tot onze aarde is de lithosfeer van Mars erg dun. Hierdoor konden er in de loop van tijd grote vulkanen ontstaan. De grootste berg van ons zonnestelsel, de Olympus Mons, bevindt zich dan ook op Mars. Deze vulkaan steekt maar liefst 21.230 meter boven gemiddelde niveau van het Marsoppervlak uit. Het zuidelijk deel van de planeet is erg bergachtig, dit staat in groot contrast met het noordelijk halfrond van de planeet waarvan het grootste gedeelde zeer vlak is en een lage ligging kent. 4.5.3SamenstellingvanbodemopMars
De lithosfeer van Mars is door het veelvuldig voorkomen van vulkanen dan ook grotendeels van vulkanische oorsprong. Net zoals op aarde verschilt de bodemstructuur van plaats tot plaats behoorlijk als gevolg van de ouderdom van de bodem, temperatuur, en ook een belangrijke factor voor de planeet Mars, de inslagen van meteorieten. De onderlinge verschillen in de samenstelling van de bodem op Mars variëren dan ook een beetje, zie bijlage A. De verschillen tussen bodems onderling op Mars is echter niet heel erg groot, zie figuur 4.15. Dit komt door de gemeenschappelijke vulkanische oorsprong van de bodems. 37 Figuur 4.15: Vergelijking in de samenstelling tussen verschillende Marsbodems. In het figuur wordt het massapercentage weergegeven. Als men vanaf de aarde naar Mars kijkt valt allereerst de erg rode kleur van het oppervlak van de planeet op. Dit komt omdat de bodem relatief veel ijzerhoudende verbindingen bevat. In de hier onderstaande afbeelding is te zien in welke volumesamenstelling elementen in een Marsbodem voorkomen. 38 Figuur 4.16: Gemiddelde samenstelling van de Marsbodem door de Marsrover ‘Spirit’ door middel van Röntgenspectrometrie. De Y‐as is hierbij logaritmisch weergegeven. Zoals in figuur 4.16 te zien is bestaat de Marsbodem net als een bodem op aarde voor een groot deel uit silicium. Veel elementen die planten voor hun groei nodig hebben komen hier niet in hoge concentraties voor, maar ze zijn wel aanwezig in de bodem. 4.6IoniserendestralingopMars
4.6.1Oorzakenioniserendestraling
De planeet Mars heeft geen sterk magnetisch veld zoals de aarde heeft, op deze manier worden ioniserende deeltjes niet afgebogen. Tevens is de atmosfeer van de planeet veel dunner. Door deze twee zaken kunnen deeltjes zowel afkomstig van de zonnewind als de deeltjes afkomstig van sterren buiten ons zonnestelsel het Marsoppervlak relatief goed bereiken. De hoeveelheid straling die de planeet door de zonnewind ontvangt varieert sterk. Ook bevat de Marsbodem relatief veel thorium, een radioactief element dat gammastraling uitzendt. De hoeveelheden in de Marsbodem zijn gemiddeld 0,5 ppm. 4.6.2Hoeveelheidstraling
De totale straling uit zowel de bodem, de straling afkomstig van de zonnewind en kosmische achtergrond straling bedraagt gemiddeld 30 µSv per uur wanneer Mars het verst van de zon afstaat. Wanneer Mars het meest nabij de zon staat verdubbelt deze hoeveelheid. Hierdoor bedraagt de jaarlijkse straling op het Marsoppervlak 394,4 mSv gedurende een jaar tijd. De straling ligt echter een stuk hoger dan op het aardoppervlak waar de gemiddelde straling gemiddeld 2,5 mSv per jaar is. 39 Het stralingsniveau op het oppervlak van Mars is te hoog voor mensen, een persoon mag per jaar namelijk maar 50 mSv ontvangen. Dit resulteert in een verhoogd risico met 0,5% op kanker. 4.7ZwaartekrachtopdeplaneetMars
4.7.1ValversnellingopdeplaneetMars
Door de lagere massa van Mars en de dichtheid van de planeet is de valversnelling op Mars anders dan op onze aarde. Daarom wordt nogmaals de gravitatiewet van Newton hier genoemd. ∗
∗
(4.4) De valversnelling op het oppervlak van Mars bedraagt gemiddeld 3,711 m/s‐1, op Aarde is dat 9,807 m/s‐1. Door de zwaartekracht en het licht kan een plant onderscheiden wat boven en wat onder is. Kort gezegd kan een plant op deze manier bepalen in welke richting de wortel en de stengel van de plant moeten groeien. Dit fenomeen is voor het eerst in 1806 door de Britste bioloog Knight beschreven, hij noemde het geotropisme, dat letterlijk groeien naar de Aarde betekend. 4.7.2Bepalinggroeirichtingvanplantendoorzwaartekracht
De cellen, ook wel statocyten, in de wortelmutsjes bevatten statolithen. Dit zijn eigenlijk kleine zetmeelkorreltjes. Door de hoge dichtheid ten opzichte van de omgeving waarin de statocyten zich bevinden zakken deze naar beneden onder invloed van de zwaartekracht. Ook in de epidermis van de stengel zitten statocyten, alleen zorgen ze in dit geval ervoor de plant naar boven groeit. Met behulp van statocyten kan een plant bepalen welke kant de wortel en de stengel op moeten groeien. Tevens maakt een plant ook gebruik van het licht om de groeirichting te bepalen met behulp van het hormoon auxine. Figuur 4.17: Statocyten in het wortelmutsje 40 4.7.3Experiment'Seedsinspace'
Tijdens de Delta‐missie in april 2004 werd in ISS door André Kuipers het experiment 'Seeds in Space' uitgevoerd. Hij zaaide daar rucola zaden op een substraat van papier in zowel omstandigheden met licht als zonder licht. Doordat het ISS als het ware met een boog om de aarde heen valt is alles gewichtloos. Omdat rucola snel ontkiemt bij een temperatuur rond de 20 graden kon al naar 4 dagen de conclusie worden getrokken dat planten die in een omgeving met licht groeien zonder zwaartekracht een normale groeiwijze vertonen. De factor licht compenseert dus voldoende. In een omgeving zonder licht en zonder zwaartekracht groeiden de planten alle kanten uit. Voor de resultaten, zie figuur 4.18. Figuur 4.18: Resultaten project 'Seeds in space' 4.8DeaanwezigheidvanwateropMars
Een essentieel onderdeel voor de opbouw van organismen is water. Meestal maakt water meer dan de helft van de massa van een organisme uit. Het is dus niet voor niets dat de mensheid altijd al op zoek is geweest naar water op de planeet Mars. Ook voor de groei van planten is de aanwezigheid van (vloeibaar) water erg belangrijk. Uit verschillende metingen van NASA is gebleken dat er water in de ondergrond voorkomt. Door de zeer lage gemiddelde temperatuur op Mars is dit allemaal bevroren. Zoals figuur 4.19 weergeeft komt dit water vooral voor in de buurt van de polen. Dit ijs bevat vele zouten afkomstig uit de Marsbodem. 41 Figuur 4.19: De aanwezigheid van bevroren water in de bodem van Mars Overdag loopt de temperatuur echter vooral rond de evenaar bij gunstige omstandigheden, dus als er geen zandstormen zijn, op tot boven de 0 graden Celsius. Toch is vloeibaar water op Mars erg zeldzaam. Dit komt doordat de luchtdruk op de planeet meestal te laag is, waardoor ijs sublimeert tot waterdamp. Pas wanneer de luchtdruk boven de 6,03 hPa komt en de bodem genoeg ontdooit kan er vloeibaar water ontstaan. In theorie was het dus mogelijk dat er vloeibaar water voorkomt op de planeet Mars, echter de ontdekking ervan liet lang op zich wachten. Op 28 September 2015 werd door NASA bewezen dat er ook daadwerkelijk vloeibaar water op de planeet voorkomt. Het onderstaande figuur 4.20 toont aan in welke fase water voorkomt afhankelijk van de luchtdruk en de temperatuur. Figuur 4.20: De verschillende fases van water ten opzichte van de luchtdruk en temperatuur. Het bovenstaande figuur is niet op schaal. 42 4.9DeinvloedvandeabiotischefactorenvandeplaneetMarsopplanten
Uit de hier bovenstaande hoofdstukken blijkt duidelijk dat het laten groeien van planten buiten een afgesloten ruimte niet mogelijk zal zijn. Allereerst is de temperatuur op Mars gewoonweg veel te laag waardoor planten zullen sterven door teveel kou. Alleen overdag kan af en toe de temperatuur goed genoeg zijn voor de groei van planten die minder warmte verlangen. Men zal dus de plaats waar planten groeien moeten verwarmen. Ook de luchtdruk op de planeet is te laag, planten zijn niet in staat bij een luchtdruk van 6 hPa te groeien. Het aanwezige water in de plant zal zeer snel willen verdampen en de plant via de huidmondjes verlaten. Omdat planten onvoldoende in staat zijn dit tekort aan water aan te vullen zullen zij vrij snel afsterven. Het voorkomen van veel koolstofdioxide in de atmosfeer lijkt op het eerste gezicht een zeer goede zaak, immers zoals in hoofdstuk 3 duidelijk is geworden gebruiken planten koolstofdioxide in de donkerreactie. Echter is een grote hoeveelheid CO2 toxisch voor planten zoals figuur 4.20 laat zien. De concentratie van CO2 op Mars is wel 2.000 keer hoger dan op aarde. Dit is dus een dodelijke waarde voor planten. Voor de dissimilatie van planten is ook zuurstof nodig. Omdat de zuurstofconcentratie van de lucht erg laag is lukt het planten echter niet om aan dissimilatie te doen. Onder water moet voor een goede groei 9ml/L zuurstof aanwezig zijn voor een goede groei van waterplanten. Omgekeerd geldt dit ook voor de groei van planten op het land. Omgerekend voor de lucht is dat een concentratie van 0,899 % terwijl de atmosfeer van Mars maar 0,149% zuurstof bevat. Wel bevat de atmosfeer van Mars alle stoffen die nodig zijn voor de groei van planten, zodat er in een afgesloten ruimte met behulp van de juiste apparatuur, een atmosfeer kan worden gecreëerd die meer lijkt zoals men die op Aarde kent. Doordat er ijs aanwezig is in de bodem kan deze uit de grond worden gewonnen. Water, zuurstof, koolstofdioxide en stikstof hoeven dus niet worden meegenomen vanaf de Aarde. Figuur 4.21: De invloed van het CO2 gehalte van de lucht op de plantengroei. Ioniserende straling heeft ook een groot effect op plantengroei. Door de ioniserende straling groeien de planten slechter en vinden er mutaties plaats in het genetisch materiaal van de plant zelf. Bij een stralingsdosis boven de 50 mSv per jaar is dit al schadelijk. De planten die men wil eten zullen dus moeten worden beschermd tegen een teveel aan ioniserende straling. Hiervoor moet een schild worden gebruikt dat van een geschikt materiaal is gemaakt. 43 Ultraviolet‐ en Bèta straling kunnen relatief makkelijk worden afgebogen, voor gammastraling is dit een stuk moeilijker, omdat vooral materialen hiervoor worden gebruikt die slecht licht doorlaten. Echter is het wel mogelijk om glas te maken dat een lichtspectrum, zoals planten gebruiken voor fotosynthese, doorlaat en tevens ioniserende straling buiten de afgesloten ruimte houdt waar de planten worden gecultiveerd. Dit glas wordt al gebruikt in het ISS. Het lichtverlies is ongeveer 10%, afhankelijk van de golflengte. Figuur 4.21: Effect ioniserende straling op de groei van een tomatenplant, de stralingshoeveelheden zijn in mSv. Doordat planten ook met behulp van de richting van het licht in staat zijn recht omhoog te groeien zonder zwaartekracht, zijn er geen noemenswaardige problemen te verwachten betreffende de groeirichting van de planten op Mars. Doordat op de planeet tevens 38% van de zwaartekracht aanwezig is, zoals men die kent op Aarde, wordt de kans dat een normale groeiwijze plaatsvindt nog verder vergroot. Tenslotte krijgen planten op Mars minder licht dan op aarde en bevat de Marsbodem in vergelijking tot bodems op aarde maar weinig voedingstoffen voor planten. Hieraan zal meer aandacht worden besteed in het praktijkdeel van dit onderzoek. Door de zeer frequente zandstormen die soms wel een paar weken kunnen aanhouden dient men altijd over een kunstmatige lichtbron en genoeg energie te beschikken. 44 Hoofdstuk 5 Experiment plantengroei op 'Marszand' en gereduceerde
lichtsterkte
5
Experiment plantengroei op 'Marszand' en gereduceerde lichtsterkte 5.1Inleiding
Zoals uit het literatuuronderzoek naar voren komt blijkt dat er twee zaken nog goed onderzocht moeten worden voordat men planten op Mars kan telen. Allereerst wordt gekeken of de grond geschikt is voor het cultiveren van landbouwgewassen en in welke mate de grond voedselrijker moet worden gemaakt. Mars staat verder van de zon af dan onze eigen aarde. Tevens is het spectrum van het licht op Mars veel roder dan op aarde. Dit afwijkende lichtspectrum kan ook voor een afwijking in de groei zorgen omdat het de hormonen van de plant beïnvloedt. Ook dit wordt in het praktijkdeel meegenomen. 5.2Samenstellinggebruikt'Marszand'
Op 31 oktober 2012 werd bekend gemaakt door NASA dat de Marsrover 'Curiosity' op Mars had ontdekt dat de bodem zeer veel lijkt zoals deze gevonden kan worden bij de Mauna Kea op Hawaï. Dit was een zeer spectaculaire ontdekking, omdat de wetenschappers voor deze analyses alleen maar konden gissen hoe de bodem op de planeet precies in elkaar zat. De gebruikte grond voor dit project is door NASA op de Mauna Kea gewonnen en in een laboratorium verder bewerkt, zodat dit zand zeer sterk op het Marszand lijkt zoals dat op Mars gevonden kan worden. Deze roodbruine grond lijkt een beetje op löss, maar bevat erg weinig voedingstoffen en is relatief slecht waterdoorlatend. Deze bodem bevat in beperkte mate enkele zware metalen, onder andere cadmium en lood. De gebruikersvoorwaarden van dit 'Marszand' zijn te zien in bijlage B. De precieze samenstelling van dit zand is te vinden in bijlage C. 5.3Plantengroeiop'Marszand'vergelekenmetvoedselarmrijnzand,
onderzoekUniversiteitWageningen
Een van de factoren die onderzocht moeten worden voor de plantenteelt is in hoeverre landbouwgewassen in staat zijn te groeien op een Marsbodem. In 2013 deed Dr. Ir. G.W.W. Wamelink hier onderzoek naar. Bij dit onderzoek werd de groei van diverse plantensoorten die groeiden in het 'Marszand' vergeleken met de groei van diezelfde plantensoorten op voedselarm rivierzand dat op 10 meter diepte uit de ondergrond van de Rijn was gehaald. 45 Bij dit onderzoek werden ook enkele landbouwgewassen meegenomen, namelijk kerstomaten, rogge, zomerwortel en tuinkers. Deze planten deden het boven verwachting goed op de Marsbodem. Omdat naar voren kwam uit het onderzoek dat de planten zich zo goed ontwikkelden in 'Marszand' werd besloten voor dit onderzoek dit te gaan vergelijken met hoe de planten eigenlijk zouden moeten groeien in een voedselrijke grond, namelijk een vergelijking van de plantengroei in potgrond. Het 'Marszand' dat werd gebruikt in mijn eigen experiment was door Wamelink aan mij beschikbaar gesteld. Omdat niet bekend was wat de concentratie van enkele stoffen, die belangrijk zijn voor de groei van planten, in het 'Marszand' was liet Wamelink een analyse uitvoeren. De resultaten van deze analyse zijn te zien in bijlage D. 5.4Onderzoekplantengroeiop'Marszand'engereduceerdelichtsterkte
Voor dit onderzoek werd de groei van planten op 'Marszand' en die van planten onder de gereduceerde lichtsterkte, zoals deze op Mars aanwezig zijn op de evenaar, vergeleken met de groei van planten in potgrond met een hoeveelheid licht zoals deze op de evenaar van de aarde gebruikelijk is. Deze laatste controlegroep geeft namelijk weer hoe planten optimaal op de aarde kunnen groeien. De gebruikte potgrond voor dit onderzoek is een universele potgrond van DCM. Deze potgrond bevat genoeg voedingstoffen voor minstens 6 weken. Er zal tijdens dit onderzoek dus niet worden bij bemest. Ook een goede waterhuishouding is belangrijk, een potgrond moet luchtig zijn zodat de wortels in goede conditie blijven, maar ook water vasthouden. Daarvoor bevat een potgrond altijd zowel turfstrooisel (witveen) als tuinturf (zwartveen). Voor de winning van zowel witveen als zwartveen worden wel kwetsbare natuurgebieden in Scandinavië en in de voormalige Oostblok landen beschadigd. De gebruikte potgrond voor dit experiment heeft het RHP keurmerk, wat concreet betekent dat de producent garandeert dat de productiegebieden opnieuw de kans krijgen zich te herstellen zodat allerlei kwetsbare flora en fauna behouden blijft. De samenstelling van een groot aantal stoffen dat DCM Universele potgrond‐ RHP bevat is te zien in de bijlage E. 5.4.1Werkwijze
Voor dit experiment werden zaden van twaalf verschillende plantensoorten voorgekiemd in vochtige watten. Deze bevatten geen voedingstoffen en bezitten het vermogen om vocht goed vast te houden. Bovendien wordt er in hele experiment alleen gebruik gemaakt van demiwater, daar dit geen voedingstoffen bevat. Belangrijker nog is dat de planten goed in staat zijn in de watten te wortelen. Van de volgende soorten werden per soort vijftien zaden gezaaid op 16 oktober 2015. Hierbij werd rekening gehouden in hoeverre de familie waaruit de gebruikte planten afkomstig waren van belang zijn voor de hedendaagse landbouw. Een opvallende soort in dit rijtje is de kappertjesplant (Capparis spinosais), deze werd meegezaaid omdat deze plant in staat is op zeer arme gronden te groeien. ‐
‐
Gewone boon (Phaseolus vulgaris 'Berna') Trostomaat (Solanum lycopersicum 'Moneymaker') 46 ‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
Kappertjesplant (Capparis spinosais) Radijs (Raphanus sativus subsp. Sativus 'Ronde Half Rode Witpunt') Suikermais (Zea mays convar. Saccharata 'Golden Bantam') Kropsla (Lactuca sativa 'Flame') Rucola (Eruca sativa 'Frastagliata') Spaanse peper (Capsicum annuum 'Long des Landes') Zomerwortel ( Daucus carota, 'Amsterdamse Bak') Courgette (Cucurbita pepo 'Black Beauty') Prei (Allium porrum 'King Richard') Zonnebloem (Helianthus annuus 'American Giant') De omgevingstemperatuur in de bak bedroeg 20 graden Celsius ±2 graden Celsius. De luchtvochtigheid bedroeg nagenoeg 100%. De plastic bak waarin de planten werden gezaaid bevond zich in de halfschaduw en het plastic folie dat op de bak lag om verdamping te voorkomen werd elke dag om 5 uur in de middag 10 minuten lang eraf gehaald, dit om rotting van de zaailingen te voorkomen. Zodra de watten niet meer vochtig waren werd er demiwater gegeven. Twaalf dagen later, op woensdag 28 oktober 2015, werden vijf soorten geselecteerd voor de proef. Hierbij werd gekeken of er voldoende planten waren ontkiemd, of deze makkelijk uit de bak konden worden gehaald en uit welke familie deze planten afkomstig waren. Voor deze proef werden de volgende gewassen geselecteerd. ‐
‐
‐
‐
‐
Gewone boon (Phaseolus vulgaris 'Berna') Trostomaat (Solanum lycopersicum 'Moneymaker') Suikermais (Zea mays convar. Saccharata 'Golden Bantam') Courgette (Cucurbita pepo 'Black Beauty') Radijs (Raphanus sativus subsp. Sativus 'Ronde Half Rode Witpunt') Van elke plantensoort werden de zes meest ontwikkelde planten uitgezocht. De plantjes werden per twee uitgeplant in ronde plastic potjes met gemiddelde diameter van 6cm en een hoogte van 6cm. Deze potjes waren zorgvuldig drie keer uitgespoeld met demiwater, zodat eventuele vervuiling verdween. Doordat de potjes tot 0,5cm onder de rand gevuld werden en omdat ruimte is gecreëerd door de fabrikant moest eerst het volume worden bepaald. Hierbij werden de gaatjes aan de onderzijde dichtgeplakt en werd water tot 0,5cm onder de rand van het potje gevuld. Het totaal volume aan grond dat de potjes kunnen bevatten in dit geval precies 150ml. Op de onderkant van het potje lag een klein filtreerpapiertje wat er voor zorgde dat de fijne 'Marszand' later niet door de gaatjes het potje uit kon. Voor de courgette werd een grotere potmaat genomen met een diameter 8cm en een hoogte van 10cm. Deze werden gevuld met 380ml grond. Per plantensoort werden twee potjes gevuld met DCM Universele potgrond‐ RHP en een potje met het 'Marszand.'Om te voorkomen dat bodem zou verzakken met de plantjes erin werd deze bodem eerst helemaal verzadigd met demiwater totdat dit water onder de potjes uit kwam lopen. Onder de potjes werden plastic petrischaaltjes gezet. Hierna werden de plantjes 47 in de potjes geplant op ongeveer 2cm afstand van het middelpunt van het potje. De planten stonden zo 4cm van elkaar af. Vooraf was berekend dat de plantjes onder aardse omstandigheden ongeveer 30.000 lux moesten krijgen. De lichtsterkte in lux varieerde sterk naar het moment van de dag zoals het hier onderstaande figuur 5.1 laat zien. Deze figuur is geldig voor de evenaar van de aarde op zeeniveau. De gemiddelde lichtsterkte op een dag die afgeleid kan worden uit dit figuur is 45.000 lux. Echter is de zon niet in staat de hele dag te schijnen, omdat er altijd wel enkele wolken zijn. Onder de wolken loopt de lichtsterkte al gauw terug naar 2000 lux. In dit experiment wordt ervan uitgegaan dat het 65 % van de tijd zonnig is, waardoor de luxwaarde die de planten dienen te krijgen 30.000 lux is. Figuur 5.1: De variatie in lichtsterkte gedurende de dag Door de grotere afstand tot de zon is de lichtsterkte op Mars zwakker dan op aarde. De enkele aanwezige wolken van koolstofdioxide en water zijn vrij doorschijnend en het licht hoeft een kortere afstand af te leggen door een mindere dichte atmosfeer. De enige beperkende factor van betekenis voor de sterkte van het licht zijn de vele zandstormen, waardoor de atmosfeer altijd wel stofdeeltjes bevat. Uit de literatuur is bekend dat de maximale lichtsterkte op Mars op 0 meter hoogte bij de evenaar een lichtsterkte heeft van 0,431 ten opzichte van onze Aarde. 0,431× 45.000 lux= 19.395 lux. Echter zal er altijd verlies optreden, omdat de plantjes moeten worden beschermd tegen radioactieve straling. Bij dit experiment wordt rekening gehouden met een verlies van 10 %. De maximale luxwaarde die de planten krijgen komt daarbij uit op 17.455 lux. 48 Met behulp van statieven werden vier 90 watt gloeilampen weggezet voor de belichting van de groeiplaats voor de planten die groeiden in het 'Marszand' en de planten van de controlegroep. De lampen werden 45cm boven de plantjes opgehangen met de ronde onderkant van de lamp naar beneden. De planten werden zo weggezet dat zij bij ontkieming 10% van de maximale lichtintensiteit, 3000 lux, zouden ontvangen. De planten waren in staat omhoog te groeien waardoor de hoeveelheid licht toe kon nemen tot maximaal 30.000 lux op ongeveer 5cm afstand van de lampen. Als de planten dichter dan 5cm bij de lamp kwamen dan werd het potje verzet zodat de planten weer maximaal 30.000 lux ontvingen. Voor de planten die onder de verminderde lichtintensiteit groeiden zoals deze op Mars heerst werd één 90 watt lamp opgehangen op 30cm hoogte met behulp van een statief. Een week later werd deze vervangen door een 200 watt gloeilamp die op een hoogte van 45cm werd opgehangen. De onderkant van de lamp werd weer naar beneden gehangen. Ook deze planten ontkiemden met 10% van het de totale hoeveelheid licht, wat neer komt op 1745,5 lux. Doordat de planten naar de lamp toe groeien krijgen ze steeds meer licht. De maximale hoeveelheid licht die de planten kregen was de gemiddelde lichtintensiteit op 0 meter hoogte op de evenaar van Mars, 17.455 lux. Deze lichtsterkte werd bereikt op 4cm van de lamp en de planten werden verzet als ze minder dan 4cm van de lamp verwijderd waren. Beide groepen kregen twaalf uur licht van de lampen van 8.00 uur tot 20.00 uur. Dit werd in de periode gedaan dat het buiten ook licht was. Doordat er bij dit experiment gebruik werd gemaakt van gloeilampen was het spectrum van het licht dat de planten kregen vrij rood, maar dit is niet erg omdat het daglicht op Mars een stuk roder is dan het daglicht op aarde. De temperatuur onder de lampen was afhankelijk van de hoogte tot de lamp 22 t/m 30 graden Celsius. De nachttemperatuur lag rond de 20 graden Celsius. De plantjes groeien op deze manier 30 dagen. Zodra de grond uitgedroogd dreigde te raken werd er demiwater gegeven. Na 30 dagen, op vrijdag 27 november 2015, werden de plantjes uit de potjes gehaald en werd alle aarde zo zorgvuldig mogelijk opgevangen in plastic zakjes waarna de plantjes schoon werden gespoeld in een bak demiwater. Opvallendheden aan de wortels van de planten werden genoteerd. De plantjes werden gescheiden in het bovengrondse gedeelte, de stengels en bladeren, en een ondergrond gedeelde, de wortels. Al het organisch materiaal werd voorzichtig met papieren tissues drooggewreven en gewogen op een weegschaal ( met een bereik tot 0,001 gram). Daarna werd het organisch materiaal twee dagen lang op 40 graden in een stoof gedroogd en de massa opnieuw bepaald. Ook twee zaden per plantensoort werden gedroogd in de stoof. Immers, zaden van planten bestaan in hun geheel uit organisch materiaal, dus start de plant al met organisch materiaal. Dit is niet opgebouwd door de kiemende plant zelf. 5.4.2Resultaten
Nadat de zaailingen waren uitgeplant verschilde de eerste week de groei tussen zowel de planten die groeiden in het 'Marszand,' als de planten met de gereduceerde lichtsterkte en de controlegroep die groeide in de potgrond met een aardse hoeveelheid licht maar erg weinig. 49 Doordat het spectrum van de groeilampen vrij rood is, groeiden de planten later vooral in de hoogte. Daarom werd de 90 watt gloeilamp voor de planten die groeiden onder de lichtomstandigheden zoals deze op Mars heersten vervangen voor een 200 watt lamp die een stuk hoger gehangen (45cm) kon worden. In de hier onderstaande figuren is te zien hoe de planten erbij stonden op woensdag 28 oktober 2015 en één week later, op 4 november 2015. Figuur 5.2: Start experiment Figuur 5.3: De opstelling na een week Na verloop van tijd begon het verschil in groei bij de planten die groeiden onder verschillende omstandigheden langzaam toe te nemen. Het lag echter zeer sterk aan de plantensoort hoe groot de verschillen waren. In de hier onderstaande deelhoofdstukken worden per plantensoort de gedane observaties besproken. Ook de massa van het organisch materiaal is hier weergegeven. In de hier onderstaande afbeelding is te zien hoe dat de planten onder de opstelling er op 27 november 2015 uitzagen. Bij de deelhoofdstukken kan men op de foto controlegroep links , de planten die op het 'Marszand' groeiden in het midden en de planten die groeiden met verminderde lichtintensiteit rechts zien staan. 50 Figuur 5.4: Enkele planten na 14 dagen Figuur 5.5: De opstelling na 30 dagen 5.4.3 Gewone boon De planten van de gewone boon groeiden zeer goed onder zowel de omstandigheden met minder licht, als in het 'Marszand.' Vrijwel alle planten hadden kleine bloeiknopjes gevormd na 30 dagen groei. De planten die groeiden onder de aardse omstandigheden deden het over het algemeen net iets beter dan de planten die groeiden onder de gereduceerde lichtsterkte en in het marszand. De planten die in het 'Marszand' groeiden hadden vele (circa 50) zichtbare wortelknolletjes aan hun wortels. Bij de twee andere groepen waren deze alleen maar met een binoculair te zien. Het bladoppervlak bij de planten die groeiden onder de omstandigheden van het verminderde licht vormden zichtbaar grotere bladeren dan de twee andere groepen. Na het drogen van het organisch gevormde materiaal kon de volgende tabel voor de gewone boon worden opgesteld. Groep Gevormde massa blad en stengels in gram 2,456 1,238 1,764 Massa wortels in gram Controlegroep 0,311 Marszand 0,456 Gereduceerd 0,387 licht Figuur 5.6: Tabel organisch materiaal gewone boon 51 Totale massa organische stof in gram 2,767 1,694 2,151 Massa twee zaden 0,705 Figuur 5.7: De planten van de gewone boon na 30 dagen groei 5.4.4Trostomaat
Bij de trostomaat groeiden de planten in de eerste week vrijwel gelijk. Na een week werden de verschillen tussen vooral de planten die onder aardse omstandigheden groeiden ten opzichte van de planten van de andere twee groepen steeds groter. Na 30 dagen was er een zeer groot verschil te zien tussen de planten van controlegroep en de twee andere groepen. Groep Gevormde massa blad en stengels in gram 0,744 0,065 0,106 Gevormde massa wortels in gram 0,131 0,023 0,025 Controlegroep Marszand Gereduceerd licht Figuur 5.8: Tabel organisch materiaal trostomaat Totale massa organische stof in gram 0,875 0,088 0,131 Massa twee zaden in gram 0,003 Figuur 5.7: De planten van de trostomaat na 30 dagen groei 5.4.5Courgette De courgetteplanten groeiden vrij goed onder alle omstandigheden. Na 30 dagen had zowel de controlegroep, als de groep die groeide in het 'Marszand' de eerste mannelijke bloemen gevormd. Kleine knopjes van de vrouwelijke bloemen waren al in de bladoksels zichtbaar. Net 52 zoals bij de hierboven genoemde soorten groeide de planten van de controle groep weer het beste. Groep Gevormde massa blad en stengels in gram 4,506 2,347 0,893 Gevormde massa wortels in gram 0,673 0,462 0,367 Controlegroep Marszand Gereduceerd licht Figuur 5.8: Tabel organisch materiaal courgette Totale massa organische stof in gram 5,179 2,809 1,260 Massa twee zaden 0,149 Figuur 5.9: De planten van de courgette na 30 dagen groei 5.4.5Radijs Alle planten van de radijs groeiden matig. Na 30 dagen was er tussen de verschillende planten die onder verschillende omstandigheden waren gegroeid nauwelijks een verschil te zien. Vooral in het begin leken de planten dood te gaan. Waarschijnlijk komt dit doordat radijsjes zich slecht laten verspenen en koelere condities verlangen. Overdag liep de temperatuur onder lampen namelijk gemakkelijk op tot 24 graden Celsius. Voor de groei van radijsjes is dit erg warm. Groep Gevormde Gevormde massa blad en massa wortels stengels in gram in gram Controlegroep 0,066 0,002 Marszand 0,055 0,001 Gereduceerd licht 0,050 0,001 Figuur 5.10: Tabel organisch materiaal radijs 53 Totale massa organische stof in gram 0,068 0,056 0,051 Massa twee zaden 0,014 Figuur 5.11: De planten van de radijs na 30 dagen groei 5.4.6Suikermaïs
De suikermaïsplanten groeiden over het algemeen goed. Toch was ook hier na 30 dagen wel een verschil te zien. De planten die groeiden in het 'Marszand' deden het slechter dan de planten van de controlegroep en de planten die groeiden onder de omstandigheden van een lagere lichtsterkte. Opvallend was dat de planten die in het 'Marszand' werden gecultiveerd minder dikke stengels hadden dan de twee andere groepen. Groep Gevormde massa blad en stengels in gram 1,864 1,349 0,983 Gevormde massa wortels in gram 0,227 0,263 0,145 Controlegroep Marszand Gereduceerd licht Figuur 5.11: Tabel organisch materiaal suikermaïs Totale massa organische stof in gram 2,091 1,612 1,280 Massa twee zaden 0,339 Figuur 5.11: De planten van de Figuur 5.12: De planten van de suikermaïs na 30 dagen 54 5.5Conclusieexperimentplantengroeiop'Marzand'engereduceerde
lichtsterkte
Het verschilde sterk van plantensoort in welke mate deze in staat waren te groeien op een 'Marsbodem.' De tomaten deden het zowel in de omstandigheden van minder licht, als in het marszand matig. Bij de gewone boon, de suikermaïs en de courgette speelde dit in veel mindere mate. Vooral de gewone bonen deden het zeer goed in het 'Marszand' en groeiden zelfs goed bij de verminderde lichtomstandigheden zoals die op de planeet Mars voorkomen. De ontwikkeling van de radijsjes onder de verschillende omstandigheden was erg slecht. De plantjes bleven klein, groeiden tegen de verwachting in niet goed en bij het einde van dit experiment was er nog geen knolvorming te bespeuren. Waarschijnlijk kwam dit omdat radijs zich niet makkelijk laat verspenen en omdat de temperatuur onder de lampen toch te hoog opliep. De ideale temperatuur voor de teelt van radijsjes ligt tussen 5‐10 graden Celsius in de nacht en tussen de 10‐15 graden Celsius overdag. De plant heeft dan een teeltduur van 6 t/m 8 weken. De temperatuur bij dit experiment lag hier een heel stuk boven. 5.6Foutenanalyse
Ondanks dat er tijdens deze proef uiterst nauwkeurig gewerkt is kan het toch gebeuren dat er factoren zijn geweest die resultaten hebben beïnvloed. Doordat de hoeveelheid 'Marszand' en de ruimte om dit experiment uit te voeren beperkt waren, kon er per groep maar één pot worden geplaatst. Ondanks dat alle planten in leven zijn gebleven kunnen de resultaten beïnvloed zijn doordat de planten uit zaad zijn vermeerderd en dus allemaal een ander genetisch profiel hadden. Dit kan voor afwijkingen in de groei hebben gezorgd. Ook hadden de planten na de proefperiode nog geen eetbare producten gevormd, er wordt in dit experiment alleen een conclusie getrokken hoe veel organisch materiaal de planten produceerden. Dit is niet dezelfde verhouding als de hoeveelheid eetbaar product dat de planten zouden hebben geproduceerd als ze langer de tijd hadden gehad om te ontwikkelen. Een tweede zeer belangrijke nuancering is dat het niet mogelijk was om alle planten exact dezelfde hoeveelheid licht aan te bieden. Doordat het licht zich verspreidde uit een puntbron kwamen de hoogste luxwaardes dichtbij de lampen voor. Planten die goed groeiden kwamen dichter bij de lamp, waardoor ze meer licht ontvingen. Hierdoor ontstaat als licht een beperkende factor was een snellere groei van de plant. Dit is de reden dat de resultaten tussen de verschillende groepen een beetje vertekend kunnen zijn. 5.7Vervolgonderzoek
Omdat vooral de courgette, de suikermaïs en de gewone boon zeer goed groeiden op het 'Marszand' en er meer dan 0,5 gram droog organisch materiaal van de stengels en de bladeren beschikbaar was, werd er besloten om een onderzoek te doen naar de aanwezigheid van zware metalen in het plantaardig materiaal. Hierop wordt verder ingegaan in hoofdstuk 6. Verder werd er gekeken in welke mate de nutriëntarme 'Marsbodem' vruchtbaarder werd 55 door de teelt van de gewone boon. Dit werd gedaan door het nitraatgehalte van de bodem te meten, zie hoofdstuk 7. Om te controleren of in de praktijk planten het ook beter zouden doen op de 'Marsbodem' waar een voorteelt van de gewone boon heeft plaatsgevonden, werden er in twee kleine potjes tuinkers gezaaid. Een van de potjes bevatte puur 'Marszand' en een ander potje bevatte 'Marszand' waar eerst een voorteelt van de gewone boon op had plaats gevonden met de goede verhouding van het verteerde organisch materiaal dat door de gewone boon was gevormd. Dit laatste experiment is te vinden in hoofdstuk 8. 56 Hoofdstuk 6 Analyse zware metalen in het plantaardig materiaal
6
Analyse zware metalen in plantaardig materiaal 6.1Inleidingexperimentzwaremetaleninhetplantaardigmateriaal
Omdat een kunstmatige 'Marsbodem' vooral lood, cadmium en arseen bevat is het noodzakelijk, voor men in staat is de planten te kunnen gebruiken voor consumptie, deze te controleren op de precieze concentratie van deze zware metalen in het plantaardig materiaal. De courgette, trostomaat en de gewone boon groeiden zo goed op het 'Marszand' dat er genoeg bladeren en stengels waren gevormd om verder te kunnen onderzoeken (meer dan 0,5 gram droog organisch materiaal). Dit onderzoek is nog nooit eerder gedaan en werd speciaal voor dit profielwerkstuk uitgevoerd bij NutriControl, een laboratorium dat voedingsmiddelen analyseert in Veghel. De analyses werden gedaan op de afdeling spectroscopie, hiervoor werd de ICP‐MS techniek gebruikt. Bij de analyses werden behalve de genoemde zware metalen ook nog de exacte concentratie van kwik in het plantaardig materiaal gemeten. 6.2Verklaringtoxiciteitzwaremetalen
Zware metalen zijn zeer toxisch, dit komt omdat ze in staat zijn ionische bindingen aan te gaan met elementen als zwavel, stikstof, zuurstof en koolstof. Zware metalen zijn in staat een elektron op te nemen, of er juist een af te staan. Dit verklaart waarom zware metalen makkelijk verbindingen maken met andere elementen. Vooral dat zware metalen in staat zijn bindingen met koolstof aan te gaan is een probleem, omdat organische verbindingen een groot deel van het drooggewicht van een plant uitmaken. Als dit organisch materiaal wordt geconsumeerd komen de zware metalen in het menselijk lichaam terecht. Hierdoor kunnen zware metalen zich ook hechten aan moleculen die ons menselijk lichaam bevat. Zo verlopen bepaalde chemische processen niet meer goed in het lichaam, waardoor lichamelijke chemische processen worden verstoord met alle gevolgen van dien. Een kleine hoeveelheid zware metalen is al zeer schadelijk voor de gezondheid. 6.3Werkwijze
Voor het drogen van het plantaardig materiaal in de stoof op school werd eerst de totale massa van de stengels en de bladeren bepaald. De temperatuur in de stoof bedroeg 40 graden Celsius en het organisch materiaal lag hier twee dagen in. Na het drogen werd dit organisch 57 materiaal nogmaals gewogen. Men kan dan procentueel het vochtpercentage berekenen doormiddel van de volgende vergelijking. Vochtpercentage= (Massa oud : Massa nieuw) × 100 (6.1) Vanwege bedrijfstechnische redenen van het bedrijf NutriControl kan niet de hele werkwijze van de ICP‐MS techniek in dit profielwerkstuk openbaar worden gemaakt. De hier onderstaande werkwijze is afkomstig van rapport zware metalen van NutriControl. ‘’Een monster wordt, na natte destructie m.b.v. magnetron destructie, verstoven door een nebulizer. Het aërosol dat geproduceerd is wordt in een plasma geïntroduceerd. De energie omzettingsprocessen in het plasma veroorzaken desolvatie, dissociatie, atomisatie en ionisatie van de aanwezige elementen in het aerosol. Daarna vindt extractie van de ionen vanuit het plasma door een gedifferentieerd gepompt vacuüm interface naar geïntegreerde ionenoptiek (ionlens). Waarna scheiding op basis van massa naar lading ratio door een massaspectrometer plaatsvindt. Transmissie van de ionen door de scheiding op basis van massa‐scheidingsunit (quadrople) en detectie m.b.v. een continue dynode elektronen multiplier, en ionen informatie verwerking door dedicated software. Kwantitatieve meting op basis van calibratie d.m.v. standaard oplossingen. De relatie tussen signaal en massa concentratie is lineair’’ Figuur 6.1: Magnetron voor de destructie Figuur 6.2 : Gebruikte massaspectrometer Voor de verschillende zware metalen waarvan de concentraties bepaald moeten worden geldt afhankelijk van het soort metaal een uiterste detectiegrens. Deze grenzen zijn in de hier onderstaande tabel weergegeven samen met de meetafwijking. 58 Soort zwaar metaal Rapportagegrens in µg/ kg Afwijking in milligram per kg Lood 100 0.0005 Kwik 10 0,0005 Cadmium 10 0,0005 Arseen 50 0,0005 Figuur 6.3: Rapportagegrens en meetafwijking van de geanalyseerde zware metalen. Nadat de resultaten bekend zijn rekent men terug naar de concentratie zoals deze aanwezig was in het verse materiaal. Wanneer een waarde niet voldoet aan de gestelde eisen wordt deze rood gemarkeerd weergeven in de tabel. De meetrapporten van NutriControl zijn te bekijken in bijlage E. 6.4Resultaten
6.4.1Vochtgehalte
Over het algemeen bevatten de planten vrij veel vocht, water is namelijk een cruciale bouwstof voor al het leven. Het exacte vochtpercentage verschilt per plantensoort. De onderstaande tabel laat zien wat het vochtpercentage per plantensoort is en toont tevens hoeveel vers materiaal er nodig is voor 0,5 gram droog materiaal. Naam plant Massa vers in gram Massa na drogen in gram Gewone boon 6,25 0,5 Courgette 10,00 0,5 Suikermaïs 4,16 0,5 Figuur 6.4: Vochtgehalte van suikermaïs, courgette en gewone boon Vochtpercentage in % 92 95 88 6.4.2Loodconcentraties
De hier onderstaande tabel toont dat de exacte loodconcentraties per plantensoort erg verschillen. De concentraties van de gewone boon en de suikermaïs in het droge materiaal gaan over de grenswaarden heen die de Europese Unie voor deze gewassen heeft opgesteld, echter als verse groenten kunnen deze wel worden geconsumeerd. Concentratie in Uiterst toelaatbare Concentratie in milligram per kilogram milligram/kg voor waarde in na drogen drogen milligram/kg 0,274
Gewone boon 0,20 0,0219 Courgette 0,10 < 0,100 < 0,0050 Suikermaïs 0,050 0,136 0, 0163 Figuur 6.5: Loodconcentraties van suikermaïs, courgette en gewone boon Plantensoort 6.4.3Cadmiumconcentraties
Omdat de Marsbodem maar weinig Cadmium bevat liggen de cadmiumconcentraties bij elke plantensoort erg laag. De grenswaarden die door de Europese unie zijn opgesteld worden in zowel het droge materiaal, als in het verse materiaal niet overschreden. 59 Concentratie in Uiterst toelaatbare Concentratie in milligram per kilogram waarde in milligram/kg voor na drogen milligram/kg drogen 0,0012 Gewone boon 0,050 0,015 < 0,0005 Courgette 0,050 <0,010 0,00163 Suikermaïs 0,050 0,012 Figuur 6.6: Cadmiumconcentraties van suikermaïs, courgette en gewone boon Plantensoort 6.4.4Kwikconcentraties
De hoeveelheden kwik die zijn aangetroffen in de planten liggen erg laag. De grenswaarden die door de Europese unie zijn opgesteld in zowel het droge materiaal, als in het verse materiaal worden niet overschreden. Concentratie in Concentratie in Uiterst toelaatbare milligram per kilogram milligram/kg voor waarde in na drogen drogen milligram/kg 0,0014 Gewone boon 0,030 0,018 < 0,0005 Courgette 0,030 < 0,010 0,0012 Suikermaïs 0,030 0,010 Figuur 6.7: Kwikconcentraties van suikermaïs, courgette en gewone boon Plantensoort 6.4.5Arseenconcentraties
De arseenconcentratie verschilt sterk per plant, de hoeveelheden liggen echter erg laag en de grenswaarden die door de Europese Unie zijn opgesteld worden niet overschreden. Concentratie in Uiterst toelaatbare Concentratie in milligram per kilogram waarde in milligram/kg voor na drogen drogen milligram/kg 0,00430 Gewone boon 0,20 0,086 < 0,0025 Courgette 0,20 <0,050 Suikermaïs 0,20 <0,050 <0,0060 Figuur 6.8: Kwikconcentraties van suikermaïs, courgette en gewone boon Plantensoort 6.4Conclusieexperimentzwaremetaleninhetplantaardigmateriaal
De concentraties van de geteste zware metalen in de planten liggen erg laag. Alleen de loodconcentratie in het droge materiaal bij de gewone boon en de suikermaïs lag hoger dan is toegestaan door de Europese unie. Gedroogd ligt de concentratie zware metalen veel hoger in de planten. De lage concentraties van de gemeten zware metalen voor deze gewassen zijn zeer bemoedigd, als op een Marsbodem deze gewassen worden gekweekt bestaat er een grote kans dat ze eetbaar zullen zijn, vooral bladgewassen zullen zeer waarschijnlijk een lage concentratie van geteste zware metalen bevatten. Van de geteste gewassen worden echter vrijwel alleen de vruchten en de zaden gegeten en hierin hopen veel stoffen, waaronder zware metalen, zich hierin op. Het is dus nog maar de vraag of men veilig (vrucht)gewassen kan eten die op een Marsbodem zijn geteeld, nader onderzoek is noodzakelijk. 60 6.5Foutenanalyse
Omdat deze analyse plaats vond bij een zeer gespecialiseerd laboratorium is de kans nihil dat er fouten zijn gemaakt met het meten van de concentratie van de zware metalen. Toch heeft er ook dit experiment maar één meting per plantsoort plaatsgevonden. Ook kunnen er verschillen bestaan tussen opname van zware metalen binnen een plantensoort. Hierdoor kan de concentratie zware metalen binnen een plantensoort (licht) afwijken. Ook scheiden de meeste plantensoorten zuur af waardoor de basische Marsbodem zuur wordt. Hierdoor worden zware metalen makkelijker door planten opgenomen en dit kan zeer gevaarlijk zijn als men producten van deze planten eet. Het is absoluut niet de bedoeling uit dit experiment de conclusie te trekken dat planten die op een Marsbodem worden geteeld eetbaar zullen zijn, hier moet nog meer onderzoek voor worden gedaan. Het instituut Alterra, dat verbonden is met de universiteit Wageningen, zal onderleiding Dr. Ir. G.W.W. Wamelink hier in 2016 nader onderzoek naar doen. Mocht men na het onderzoek constateren dat producten van gewassen geteeld op het 'Marszand' teveel zware metalen bevatten dan gaat men zoeken naar oplossingen. Een voorbeeld hiervan is de zware metalen uit het zand verwijderen voordat men hierop planten gaat telen. 61 Hoofdstuk 7 Experiment nitraatgehalte bodem
7
Experiment nitraatgehalte bodem 7.1Inleiding
Door de relatief goede groei van de gewone boon in het 'Marszand' en het veelvuldig voorkomen van wortelknolletjes aan de wortels van de planten werd er besloten om te gaan onderzoeken in welke mate de groei van de gewone boon de bodem had verrijkt met extra nitraat. Deze stof is essentieel voor de groei van gewassen, omdat het noodzakelijk is voor de aanmaak van wel twintig verschillende soorten aminozuren. Mest bevat daarom vrijwel altijd nitraat. Omdat het erg prijzig is om mest naar de planeet Mars te brengen zou het bijzonder gunstig zijn als de groei van de gewone boon de bodem al extra zou kunnen verrijken. 7.2Verklaringstikstofbinding
De gewone boon behoort tot de familie van de vlinderbloemigen. Vrijwel alle leden van deze familie zijn in staat stikstof uit de lucht vast te leggen in de vorm van nitraat. De planten leven in mutualistische symbiose met bacteriën, die in staat zijn stikstof uit de lucht te binden. De gewone boon gebruikt dit voor de synthese van aminozuren en levert op zijn beurt koolhydraten, vetten en zuurstof aan de bacteriën. De bacteriën bevinden zich in wortelknolletjes. Figuur 7.1: Ontwikkelde wortelknolletjes van vogelwikke, een vlinderbloemige. De bacteriën zijn in staat stikstof uit de lucht te binden doordat zij het enzym nitrogenase bevatten. Hierbij wordt gasvormig stikstof dat zich in de bodem bevindt omgezet in ammonium. De volgende reactie treedt hierbij op. 62 N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2 en NH3 + H+ → NH4+ Aangezien de planten in een basische omgeving groeiden treedt de laatste reactie nauwelijks op. Er zal daarom veel meer nitraat gevormd worden dan ammonium. Als een plant afsterft worden de aminozuren die in de plant aanwezig zijn na verloop van tijd op verschillende manieren omgezet in nitraat, zie de onderstaande afbeelding. Doordat plantensoorten uit de familie van de vlinderbloemigen, waartoe de gewone boon behoort, in staat zijn stikstof op te nemen en om te zetten in nitraat verrijken zij na hun afsterven de bodem. Planten die veel stikstof nodig hebben en niet in staat zijn dit zelf te maken kunnen hiervan profiteren, waardoor de productie van dit soort planten sterk kan toenemen. Figuur 7.2: De stikstofkringloop 7.3Werkwijze
7.3.1Voorbereiding
Voor de analyse werd 30% van het gevormde organische materiaal van gewone boon afgewogen. Het gaat hierbij zowel om de wortels als het bovengronds gevormde organische materiaal. Met behulp van een aardappelschilmesjes en een (schone) snijplank werd het gevormde organische materiaal zeer fijn gemaakt, de grootste stukjes hadden een oppervlakte van 1cm2. Ook 30% van de grond waarin de bonen hadden gegroeid werd afgewogen en in een bekerglas van 100 milliliter gedaan met een hoogte van 5cm. Vervolgens werd aan deze grond het fijngehakte organisch materiaal van de bonen toegevoegd. Dit geheel werd aangevuld met demiwater, totdat het waterniveau net boven het grondniveau kwam te liggen (5mm). Het geheel werd met een plastic roerstaafje sterk 63 geroerd gedurende twee minuten. Het bekerglas werd twee weken in een stoof geplaatst op 30 graden Celsius. Zodra de grond aan de bovenkant niet meer vochtig aanvoelde werd er demiwater aan de grond toegevoegd totdat het waterniveau weer 5mm boven het grondniveau kwam te liggen. Hetzelfde werd gedaan met het materiaal van de courgette, een plant die niet in staat is doormiddel van bacteriën stikstof te binden uit de lucht. Omdat de concentratie nitraat in de bodem van de gebruikte potgrond en 'Marszand' bekend zijn, worden deze in de analyse ook meegenomen. Ze zeggen namelijk iets in hoeverre de eigen analyseresultaten op school overeenkomen met de professionele analyseresultaten die uitgevoerd zijn door erkende laboratoria. Na twee weken wachttijd kan de daadwerkelijke de nitraatanalyse worden gedaan. 7.3.2Meetrapportnitraatanalyse
Vanwege het feit dat er eerst een ijklijn moet worden gemaakt voordat men in staat is de exacte nitraatconcentratie van de monsters te meten wordt hiermee gestart. Hiervoor werd 171,5 milligram natriumnitraat in 500 milliliter water opgelost. Vervolgens werd van deze oplossing 0,00; 0,040; 0,10;0,60;4,00 en 12ml in maatkolven met een inhoud van 50ml gepipetteerd. Door het toevoegen van deze oplossing worden de nitraatconcentratie hiervan respectievelijk 0,00; 0,40; 2,00; 6,00, 40,0 en 120 mg/L. Van al deze gemaakte oplossingen werd 2ml in porseleinen schaaltjes met een inhoud van 20ml gepipetteerd. Vervolgens werd er 1 gram natriumsalicylaat afgewogen en opgelost in 100ml water. Aan de eerder gemaakte nitraatoplossingen werd 2ml van de salicylaatoplossing (5g/L) toegevoegd. Hierna werden de ijkoplossingen in ongeveer één uur boven een warmwaterbad met een temperatuur van 95 graden Celsius droog gekookt. Zodra de oplossing in de schaaltjes helemaal was droog gekookt werden de schaaltjes in de zuurkast gezet. Aan de oplossingen werd 2ml 18M zwavelzuur toegevoegd. Na een wachttijd van 10 minuten werd aan de oplossingen in de schaaltjes met behulp van een pipet 15ml 18M natronloog toegevoegd. Dit toevoegen moet voorzichtig gebeuren onder begeleiding van een TOA Scheikunde, omdat natronloog en zwavelzuur heftig met elkaar reageren. De reactie tussen zwavelzuur en natronloog is een exotherme reactie, vooral de eerste 5ml natronloog moet zeer voorzichtig worden toegevoegd om te voorkomen dat er vloeistof uit de oplossing spettert. Hoe meer nitraat er aanwezig is de oplossing, hoe geler deze kleurt. Met behulp van een spectrometer werd de extinctie gemeten bij een golflengte van 480 nm. 64 Figuur 7.3: Kleurverschillen tussen de oplossingen met een verschillende concentratie nitraat Als er een ijklijn is opgesteld voor de verschillende nitraatwaarden in de oplossing kan worden begonnen met het meten van de nitraatconcentratie van de grondmonsters. Hierbij wordt 1 volumedeel grond gemengd met 4 volumedelen water. Met behulp van een roervlo werden de grondmonsters een half uur doorgeroerd. Hierna werden de grondmonsters gefiltreerd met filtreerpapier. Van deze oplossingen werd 20 milliliter op porseleinen schaaltjes gepipetteerd en gedurende 3 uur boven een waterbad met een temperatuur van 95 graden Celsius doorgekookt. Hierna kregen de doorgekookte oplossingen van de grondmonsters eenzelfde behandeling als de oplossingen die hierboven staan beschreven. Men dient als men de extinctie in de grafiek afleest er rekening mee te houden dat de gevonden nitraatconcentratie van de grondmonsters nog met factor 5 vermenigvuldigd dient te worden, omdat de volume verhouding van de grond ten opzichte van het water 1:5 bedroeg. Omdat de oplossing waarin de gewone boon groeide zeer geel uit sloeg werd deze 50 keer verdund met demiwater. 65 7.4Resultaten
Voordat daadwerkelijk berekend kon worden wat de precieze hoeveelheid nitraat in de verschillende bodems bedroeg werd er eerst een tabel gemaakt. Nitraatconcentratie Extinctie (mg/L) (480 nm) 0 0 0,4 0,06 2 0,02 6 0,116 40 0,667 120 1,475 Figuur 7. 12: Het verband tussen nitraatconcentratie en extinctie (480 nm) Nadat er tabel was gemaakt kon er in een grafiek een ijklijn worden opgesteld. Extinctie ( 480 nm) ijklijn nitraatconcentratie
1,8
y = 0,0128x
R² = 0,9824
1,6
1,4
1,2
Ijkwaarden
1
0,8
Lineair (Ijkwaarden)
0,6
0,4
0,2
0
0
50
100
150
Nitraatconcentratie [ NO3‐ ] ( mg/L)
Figuur 6.13: IJklijn nitraatconcentratie Doordat nu de extinctie van oplossingen met een verschillende concentratie nitraat bekend is kan met behulp extinctie van de grondmonsters worden bepaald wat hierin de concentratie nitraat was. Soort monster Extinctie Nitraatconcentratie ( 480 nm) ( mg/L) na correctie
0,171 133.59 'Marszand' waar de gewone boon op groeide 'Marszand' waar de 0,215 3.35 courgette op groeide Marszand 0,169 2,65 Potgrond 3.868 60,45 Figuur 6.14: Extinctie‐ en nitraatconcentratie van de bodemmonsters 66 Figuur 6.15: Nitraatconcentratie van de bodemmonster. 7.5Conclusie
Uit dit onderzoek valt te concluderen dat het telen van de gewone boon een zeer positief effect heeft gehad op de ontwikkeling van het nitraatgehalte in het 'Marszand.' Een andere plant die het ook redelijk deed op het 'Marszand,' de courgette, maar die niet in staat is stikstof uit de lucht te binden in de vorm van nitraat, laat een veel lagere concentratie nitraat in de bodem zien. Dit nitraat moet dus al aanwezig zijn geweest in het organisch materiaal van het zaad van deze plant. Het verbouwen van stikstofbindende gewassen zoals de gewone boon kan dus zeer bijdragen aan het verrijken van de bodem met nitraat, wat mogelijkheden biedt voor planten die veel nitraat nodig hebben voor een goede groei, zoals veel koolgewassen. De nitraatconcentratie die wordt verkregen uit de potgrond en het marszand komt sterk overeen met de literatuur, zie bijlage D en E. 7.6Foutenanalyse
De nitraatconcentratie die wordt verkregen uit de potgrond en het Marszand komt sterk overeen met de literatuur. De afwijkingen zijn zeer klein voor een analyse die op een middelbare school werd uitgevoerd, dit kan alleen maar bij zeer nauwkeurig werken. Bij de gebruikte potgrond is de afwijking het grootste, echter ook hier is de afwijking maar een paar mg/L. De exacte waarde van de grondmonsters kan beter benaderd worden door de proef een aantal keer uit te voeren, maar gezien de beschikbare tijd werd dit niet gedaan. Voor deze proef is deze exacte waarde minder van belang, het is duidelijk geworden dat een voorteelt van de gewone boon op een Marsbodem een zeer goede keuze is voor planten die veel nitraat gebruiken voor hun groei. Vanwege de hoge nitraatwaarde die voorkomt in het 'Marszand' na de teelt van de gewone boon (Phaseolus vulgaris 'Berna') werd er besloten een aanvullend onderzoek te verrichten naar de groei van tuinkers op deze bodem. 67 Hoofdstuk 8 Experiment groei van tuinkers met als voorteelt de gewone boon
8
Experiment groei tuinkers met als voorteelt gewone boon 8.1Werkwijze
8.1.1Voorbereiding
Men begint met het versnipperen van het organisch materiaal dat gevormd is door de gewone boon. Er wordt hierbij een hoeveelheid genomen van 10%. Dit wordt met behulp van een mesje op een snijplank zeer fijn gehakt totdat alle stukjes organisch materiaal een oppervlakte hebben dat kleiner is dan 1cm2. Alles wordt zorgvuldig in een bekerglas gedaan met een inhoud van 100 ml. Aan het organisch materiaal wordt ook 10% van het volume van de grond toegevoegd waarin de gewone boon eerder heeft gegroeid. Dit wordt gedaan omdat er altijd worteltjes achter blijven in de bodem. Tenslotte voegt men demiwater toe totdat het waterniveau 5mm boven de grond staat. Dit geheel zet men 2 weken in een stoof met een constante temperatuur van 30 graden Celsius. In de stoof zet men ook een bekerglas met puur 'Marszand' met eenzelfde grondvolume. Zodra de grond aan de bovenkant niet meer vochtig aanvoelt wordt er demiwater toegevoegd totdat het waterniveau 5mm boven de oppervlakte van de grond staat. 8.1.2Vergelijkinggroeituinkers
Na twee weken haalt men de grondmonsters uit de stoof. De beide monsters doet men in twee aparte potjes met een inhoud van 150ml, waarbij men op de bodem filtreerpapier heeft gelegd met eenzelfde oppervlakte als de bodem van het potje. Dit filtreerpapier voorkomt dat het 'Marszand,' dat zeer fijn van structuur is, uit de potjes verdwijnt. In beide potjes worden twaalf zaden van de tuinkers gezaaid. De potjes worden weggezet op petrischaaltjes. Omdat de potjes maar weinig grond bevatten, werden op de petrischaaltjes watten die als waterbuffer zouden functioneren gelegd. De potjes werden hier bovenop geplaatst en kwamen op deze manier 3cm hoger te staan. De watten werden vochtig gemaakt met demiwater totdat de petrischaaltjes helemaal vol met water stonden (de waterhoogte bedroeg hierbij 2cm). Doordat de potjes aan de onderkant gaatjes hadden en contact hadden met de vochtige watten werd de grond in de potjes vanzelf vochtig. Zodra de watten niet meer vochtig waren, werd er demiwater gegeven totdat de watten weer vochtig waren. 68 Boven de potjes werd op 30cm hoogte een 200 watt gloeilamp gehangen. De hoeveelheid lux die de planten kregen op de bodem van de potjes bedroeg 3000 lux. De luxhoeveelheid aan de bovenkant van de potjes bedroeg 8000 lux. De lampen waren met behulp van een tijdklok 12 uur per dag aan, gedurende de periode dat het ook buiten licht was. De omgevingstemperatuur bedroeg 20 graden Celsius wanneer het donker was en 22 graden Celsius als de lampen aan waren. Na tien dagen worden de plantjes geoogst en twee dagen gedroogd in een stoof op 40 graden Celsius. Hierbij werden ook twaalf zaden van de tuinkers gedroogd om te laten zien hoeveel organisch materiaal vooraf aanwezig was. Na het drogen werden de planten gewogen en de massa van het organisch materiaal bepaald. 8.2Resultaten
De tuinkers die groeide op een bodem waar eerst een voorteelt was gedaan van de gewone boon groeide aanmerkelijk beter dan de tuinkers die groeide op puur 'Marszand.' Figuur 8.1: Tuinkers op dag 10, links is de tuinkers te zien die groeit op een bodem met als voorteelt de gewone boon, rechts de controlegroep op puur 'Marszand.' Soort groep Massa blad en Massa wortels stengels in gram in gram Tuinkers op een 0,129 0,089 Marsbodem met als voorteelt de Gewone Boon Tuinkers op een 0,083 0,038 Marsbodem zonder voorteelt Figuur 8.2 Tabel organisch materiaal tuinkers 69 Totale massa organisch materiaal in gram 0,218 0,121 Massa van 12 zaden in gram 0,075 Wat tevens op viel was dat planten die groeiden op de bodem waar eerst een voorteelt van de gewone boon had plaatsgevonden, een veel beter wortelgestel ontwikkeld hadden, waardoor de wortels van de planten na 10 dagen tijd al door de gaatjes aan de onderkant van het potje uitkwamen. Bij de andere groep was dit nog niet aan de orde. 8.3Conclusie
Een voorteelt van de gewone boon kan zeer nuttig zijn om de Marsbodem met nitraat te verrijken. Planten die veel blad maken zoals tuinkers hebben veel nitraat nodig, waardoor er een betere groei optreedt als deze planten in staat zijn genoeg nitraat uit de bodem op te kunnen nemen. 8.4Foutenanalyse
Ondanks dat het experiment maar 10 dagen duurde kan al worden geconcludeerd dat stikstof minnende planten als tuinkers, die groeit op een Marsbodem waar eerder een voorteelt van de gewone boon heeft plaatsgevonden, dit beter doen dan wanneer er geen voorteelt van dit gewas plaatsvond. Doordat de bodem waarop eerst een voorteelt van de gewone boon had plaats gevonden organische resten van de gewone boon bevatte, kon deze bodem beter vocht vasthouden. Dit is tevens een reden dat de planten beter konden groeien. Ook werd het licht met gloeilampen verspreid, wat puntbronnen zijn. Hierdoor krijgen goed groeiende planten meer licht. Als licht op dat moment nog een beperkende factor is, zal hierdoor meer organisch materiaal worden opgebouwd, waardoor de verschillen in de praktijk wanneer men licht van de zon gebruikt minder groot zullen zijn. 70 Hoofdstuk 9 Algemene conclusies profielwerkstuk
9
Algemene conclusie profielwerkstuk 9.1Beantwoordingdeelvragen
In de inleiding van dit profielwerkstuk zijn vijf verschillende deelvragen geïntroduceerd die betrekking hebben op het onderwerp plantenteelt op Mars. ‐ Op welke manier is het heelal, en later de planeet Mars ontstaan? ‐ Op welke manier is een plant in staat energie in de vorm van glucose vast te leggen? ‐ Hoe zien de abiotische factoren op de planeet Mars eruit en wat voor rol spelen zij bij de plantengroei? ‐ Wat zijn de mogelijkheden voor het beschermen van planten tegen schadelijke invloeden? ‐ Zijn planten ook daadwerkelijk in staat organisch materiaal te produceren op de planeet Mars? Op dit moment wordt veronderstelt dat het heelal is ontstaan tijdens de oerknal. Uit een enorm heet punt ontstond het heelal. Doordat er na miljoenen jaren sterren ontstonden werd er waterstof omgezet in stoffen met een hoge molmassa. Uit deze stoffen met een relatief hoge molmassa ontstond door samenklontering en zwaartekracht de planeet Mars. Een plant is in staat energie vast te leggen in de vorm van glucose doordat deze de bladgroenkorrels thylakoiden bevatten. De thylakoiden bevatten lichtgevoelige pigmenten die licht van een bepaalde golflengte absorberen. Hierdoor kunnen elektronen in zo’n lichtgevoelig pigment een hogere energiewaarde krijgen. Dit zet een stel reacties in gang waardoor uiteindelijk de energierijke stof glucose ontstaat. De abiotische factoren van de planeet Mars zijn ronduit extreem te noemen in vergelijking met onze eigen Aarde. De temperatuur en de luchtdruk op de planeet liggen zeer laag, en de hoeveelheid ioniserende straling op het Marsoppervlak ligt te hoog. Planten kunnen hier niet tegen en moeten daarom worden gecultiveerd in een afgesloten ruimte. Er zijn veel verschillende mogelijkheden om planten te beschermen tegen schadelijke invloeden. Planten moeten in ieder geval in afgesloten ruimtes worden gekweekt waar optimale omstandigheden voor plantengroei zoveel mogelijk kunnen worden gehandhaafd. Op dit moment is er al glas beschikbaar dat licht met een golflengte doorlaat dat door planten wordt gebruikt bij fotosynthese. Dit glas isoleert tevens zeer goed tegen extreme temperatuursveranderingen. 71 Uit de experimenten die in dit profielwerkstuk zijn gedaan wordt steeds weer aangetoond dat de massa van de gevormde hoeveelheid organisch materiaal van de planten meer bedraagt dan de massa van de zaden. 9.2Beantwoordinghoofdvraag
In het hier bovenstaande profielwerkstuk is onderzoek gedaan of er plantenteelt op de planeet Mars mogelijk is. Hieruit blijkt dat plantenteelt op Mars alleen mogelijk is in een afgesloten ruimte waarin men de omstandigheden zoals die op aarde aanwezig zijn zo goed mogelijk nabootst. Bij dit experiment is gebruik gemaakt van een vulkanische bodem die gewonnen is op de Mauna Kea, een slapende vulkaan op het eiland Hawaï. Door een laboratorium in de Verenigde Staten is deze grond verder bewerkt om zo een zo sterk mogelijke gelijkenis te krijgen met een bodem op Mars. Deze bodem bevat maar zeer weinig voedingstoffen. Het is zeer afhankelijk van de plantensoort of er goede groei plaatsvindt op dit 'Marszand.' Ook verschilt het erg per plantensoort hoe deze zich zal kunnen ontwikkelen met de hoeveelheid licht zoals men deze op equator van Mars aantreft. Vooral de gewone boon groeit in beide gevallen uitstekend. Doordat deze plant in staat is stikstof te binden in de vorm van nitraat kan de Marsbodem hiermee zeer goed worden verrijkt. Planten die veel nitraat nodig hebben voor hun groei gedijen hierdoor beter. Er hoeft in ieder geval geen nitraat in de vorm van mest te worden meegenomen naar de planeet Mars als men de gewone boon gebruikt om de bodem met extra nitraat te verrijken. Dit kan zeer veel kosten besparen. Ondanks dat de bodem hoge concentraties van bepaalde zware metalen bevat liggen de concentraties hiervan in de geteste plantensoorten ruim onder de Europese normen. Vooral bladgewassen zijn een goede optie om op Mars te telen. Er zal echter nog veel onderzoek moeten worden gedaan naar de opname van zware metalen door planten die geteeld worden op een Marsbodem. Uit dit onderzoek kan dus worden geconcludeerd dat op Mars, zij het onder zeer gecontroleerde omstandigheden, wel degelijk plantenteelt mogelijk is. 72 Hoofdstuk 10 Discussie onderzoek profielwerkstuk
10
Discussie onderzoek profielwerkstuk Omdat er op dit moment nog maar zeer weinig onderzoek is gedaan naar plantenteelt op de planeet Mars is het erg moeilijk de resultaten die uit dit onderzoek naar voren zijn gekomen te vergelijken met die van andere onderzoeken. Het enige onderzoek dat tot nu toe helemaal is afgerond onderzocht de vergelijking tussen plantengroei op het, ook in dit onderzoek gebruikte, 'Marszand' en voedselarm rivierzand. Dit onderzoek werd door Dr. Ir. G.W.W. Wamelink uitgevoerd aan de Universiteit Wageningen. Dit onderzoek is al in hoofdstuk 5 beschreven. Ondanks dat er tijdens dit profielwerkstuk voor een groot deel andere plantensoorten werden gebruikt, komen de resultaten van de proef die in hoofdstuk 5 werd uitgevoerd erg overeen met het onderzoek van Wamelink. In het 'Marszand' groeide vooral stikstofbindende planten erg goed, ook in mijn onderzoek komt dit duidelijk naar voren. Andere planten die zelf geen stikstof kunnen binden, en zelf vrij veel stikstof nodig hebben voor een goede groei, deden het een stuk slechter. De planten gingen echter niet dood in de 50 dagen dat dit experiment werd gedaan. Sommige planten vormden zelfs bloemen, zie figuur 10.1. De enige overeenkomstige plantensoort die Wamelink ook een zijn experiment heeft getest was de tomaat. Deze groeide in het 'Marszand' niet goed door, en stopte al met het produceren van blad na de vorming van de eerste twee echte blaadjes. Ook in mijn experiment groeide deze plantensoort niet goed op deze bodem en leidde dit tot hetzelfde resultaat. Figuur 10.1: Resultaat experiment Dr. Ir. G.W.W. Wamelink 73 Nadat de resultaten van mijn onderzoek besproken waren via de mail was Wamelink onder de indruk van lengtegroei van vooral de suikermaïs, de gewone boon en de courgette. De planten die hij had gekweekt waren over het algemeen een stuk kleiner gebleven. Naast het gebruik van andere plantensoorten in mijn onderzoek kan dit verder versterkt zijn doordat de gebruikte gloeilampen bij mijn eigen experiment een roodachtig spectrum hadden. Licht van deze golflengte beïnvloedt vooral de lengtegroei, de planten zullen langgerekter groeien. In het voorjaar van 2015 is Wamelink begonnen met een nieuwe proef, hierbij wordt net zoals in mijn proef de plantengroei op 'Marszand' vergeleken met die van potgrond. Aan het 'Marszand' werd dit keer wel een hoeveelheid gedroogd gras toegevoegd. Door het toevoegen van dit organisch materiaal werd de bodem een stuk rijker. Hierdoor waren planten die eerst niet goed wilde groeien, zoals de tomaat, in staat vrucht te dragen. De exacte resultaten van dit experiment zijn op het moment van schrijven, eind december 2015, nog niet beschikbaar. De toevoeging van gedroogd gras zorgt ervoor dat na verloop van tijd extra nitraat in de bodem terecht komt. In het door mij uitgevoerde experiment kwam dit doordat er een voorteelt van de gewone boon (Phaseolus vulgaris) had plaatsgevonden en het organisch materiaal van deze plant door de bodem was gemengd. Ondanks dat de tijd waarbinnen dit experiment werd uitgevoerd maar tien dagen bedroeg, kwam hier ook duidelijk naar voren dat tuinkers, een plant die relatief veel nitraat nodig had voor zijn groei, beter groeide op het 'Marszand' waar een voorteelt van gewone boon (Phaseolus vulgaris) op had plaats gevonden. In deze grond was het gevormde organisch materiaal van de bonen door de bodem gemengd. Een groeiplaats voor planten op de planeet Mars moet tenslotte als een ecosysteem functioneren, alles moet in balans zijn. In de jaren 90 deed men experimenten om in een gesloten kas te overleven, die 'Biosphere 1 en Biosphere 2' werden genoemd. In een kas met allerlei verschillende natuurlijke landschappen werden de daarbij behorende flora en fauna geïntroduceerd. Acht mensen sloten zich in deze kas op. Tijdens het eerste experiment daalde het zuurstofgehalte van de lucht zeer snel waardoor deze gestaakt werd. Echter een paar jaar later ,tijdens het tweede experiment, konden zeven mensen een half jaar lang overleven in een kas zonder ingrijpen van buitenaf. Toch was ook dit experiment niet helemaal geslaagd. Omdat een teeltruimte op Mars voor planten een gesloten ecosysteem is zal er dus nog veel technisch onderzoek moeten worden gedaan voordat men kan beginnen met plantenteelt op Mars. Immers een kleine fout op Mars kan al dodelijk zijn en dit moet men te alle tijde zien te voorkomen. Hieruit kan worden opgemaakt dat er nog veel moet gebeuren voor de eerste planten op Mars zullen groeien. Door mijn grote interesse voor dit onderwerp die ontstaan is tijdens het maken van dit profielwerkstuk zal ik nieuwe ontwikkelingen op dit gebied blijven volgen. 74 Hoofdstuk 11 Nawoord
11
Nawoord Het maken van een profielwerkstuk is een voortdurend proces waarin veel tijd gaat zitten. Met veel plezier kijk ik terug naar het maken van dit stuk en naar de resultaten die de experimenten hebben opgeleverd. De PWS middagen werden nuttig besteed met het uitwerken van dit profielwerkstuk. De experimenten waren tijdsintensief, vrijwel elke pauze in november en december was ik in het biologiekabinet, waar mijn planten groeiden, te vinden. Toch kijk ik wel met veel voldoening op deze periode terug, wetende dat door mijn inzet er mooie onderzoeksresultaten naar voren zijn gekomen. Tevens wil ik iedereen bedanken die heeft geholpen dit profielwerkstuk mogelijk te maken. Van mijn profielstuk begeleider drs. R. De Mooij, tot aan mijn vrienden Fabio, Koen en Maureen. Ook wil ik de sectie biologie van het Norbertuscollege bedanken voor het beschikbaar stellen van een deel van het biologiekabinet en het materiaal dat nodig was voor mijn proeven. In het bijzonder wil ik mijn dank uiten naar: Dr. Ir. G.W.W. Wamelink Dhr. T. van Kessel Door Dr.ir.W.Wamelink van de Universiteit Wageningen zijn enkele kilo’s 'Marszand' beschikbaar gesteld voor mijn proeven, verder ik kon altijd bij hem terecht voor vragen over mijn experimenten. Dhr. T. van Kessel is accountmanager bij NutriControl, een laboratorium in Veghel dat voedingsmiddelen analyseert. Hij heeft ervoor gezorgd dat de door mij genomen monsters plantaardig materiaal kosteloos konden worden geanalyseerd op enkele zware metalen. 75 Bijlage A: Geologische kaart van Mars
De hieronder afgebeelde kaart van de planeet Mars geeft een beeld van de verschillende soorten bodems die op de planeet aan het oppervlak liggen (tot 10 meter diepte). Hoewel de ouderdom sterk verschilt tussen de verschillende typen bodems komt de chemische samenstelling behoorlijk overeen. 76 Bijlage B: Gebruiksaanwijzing kunstmatig 'Marszand'
77 78 79 80 Bijlage C: Samenstelling kunstmatig 'Marszand' 81 82 Bijlage D: Verdere chemische samenstelling
kunstmatig 'Marszand'
In deze tabel gelden de waarden voor het kunstmatige 'Marszand' zoals aangegeven is bij Mars. De andere twee onderzochten bodems, maan en aarde hebben geen betrekking tot de in dit profielwerkstuk uitgevoerde experimenten. Deze tabellen zijn afkomstig van Alterra, en gebruikt voor het eerste experiment van Dr. Ir. G.W.W. Wamelink. (2013) 83 Bijlage E: Chemische samenstelling DCM Universele
potgrond- RHP
Het drooggewicht van DCM Universele potgrond‐ RHP bedraagt 150 gram/L. De pH bedraagt 5,7 en de potgrond heeft een geleidbaarheid van 1,1 mS/cm. Ion NH4+ NO3‐ P3‐
Eenheid mmol/l mmol/l
mmol/l mmol/l
mmol/l Gemiddelde per liter extract Ion Eenheid Gemiddelde per liter extract Ion 3.6 2.9 0.9
0.1 Na+ mmol/l 0.6 Cl‐ mmol/l
0.2 Mg2‐
mmol/l
0.9
Ca+
mmol/l
0.7
SO42‐ mmol/l 2.1 Fe2+ en Fe3+ Zn2+ Cu+ en Cu2+ B3+ µmol/l
0.6 µmol/l
0.1
Mn2+, Mn4+ en Mn7+ µmol/l
1.0
Eenheid µ mol/l Gemiddelde 7.8 per liter extract 84 K+ HCO3‐ 1.4 Mo4+
en MO6+ µmol/l µmol/l
1.7 0.1 Bijlage F: Meetrapporten NutriControl
85 86 87 Bibliografie A.S. (Sd) Opgeroepen in oktober 2015 http://www.astronova.nl/ontstaan.html Harold F. Levison, Katherine A. Kretke, Kevin Walsh, William Bottke.(2015). Growing the terrestrial planets from the gradual accumulation of sub‐meter sized objects http://arxiv.org/abs/1510.02095 Requirements for Plant Growth. (sd). Opgeroepen in november 2015 http://www.aces.uiuc.edu/vista/html_pubs/hydro/require.html Hall, N ( Sd) Opgeroepen in november 2015 https://www.grc.nasa.gov/www/k‐12/airplane/atmosmrm.html Hamara D.K. , Boynton W.V., Sabroux J.C., Gasnault O. (2012) Analysis of uranium and thoriumlines in Mars odyssey gamma spextra and refined mapping of atmospheric radon http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2012/pdf/2852.pdf Lemereis. D. ( 2012) Tijd voor een lange ruimtereis: straling op mars niet dodelijk http://www.bright.nl/tijd‐voor‐een‐lange‐ruimtereis‐straling‐op‐mars‐niet‐dodelijk Toxische zware metalen. (sd) opgeroepen in november 2015 http://wetenschap.infonu.nl/scheikunde/116575‐toxische‐zware‐metalen.html Wamelink.W, Frissel.Y, Krijnen.J, Verwoert.M, Goedhart.W (2013) Zijn Mars‐ en maanbodem geschikt voor plantenteelt? Carlton C.A., R.V. Morris, D.J. Lindstrom, M.M. Lindstrom & J.P. Lockwood (sd) opgeroepen in december. JSC MARS‐1: Martian regolith simulant. www.orbitec.com/store/JSC_Mars_1_Characterization.pdf. Roekel. A. (2015) Dromen van landbouw op Mars. http://www.kennislink.nl/publicaties/dromen‐van‐landbouw‐op‐mars Van Calmthout. M. (2014) Proef wijst uit buitenaards tuinieren lukt beter op de Mars dan op de maan http://www.volkskrant.nl/wetenschap/proef‐wijst‐uit‐buitenaards‐tuinieren‐lukt‐beter‐op‐
mars‐dan‐op‐de‐maan~a3577647 Algemene informatie Analysevoorschrift zware metalen NutriControl (sd) opgeroepen in december 2015 Bisseling.T, Geurt.R (sd) opgeroepen in december 2015 Can we fix it? Rhizobium‐symbiose op elke plantensoort. http://blogs.groene.nl/betawetenschappers/can‐we‐fix‐it‐rhizobium‐symbiose‐op‐elke‐
plantensoort‐bisseling‐geurts/ 88 Logboek Datum Tijd Plaats
Korte Eventuele omschrijving opmerkingen werkzaamheden 15‐08‐2015 15:00‐18:00 18‐08‐2015 16:30‐18;00 02‐09‐2015 16:00‐18:00 09‐09‐2015 18:30‐18:50 10‐09‐2015 15:00‐21:00 11‐09‐2015 13:30‐16:00 15‐09‐2015 18:30‐21:00 25‐09‐2015 18:30‐21:00 Koutouloufari Ingelezen hoe men (Griekenland) een profielwerkstuk dient te maken en voorbeelden profielwerkstukken op het internet bekeken. Koutouloufari Profielwerkstukken (Griekenland) op het internet bekeken. Thuis Profielwerkstukken (Zevenbergen) op internet bekeken en inlezen over het maken van profielwerkstukken (procedure school). Definitief gekozen voor een onderwerp dat te maken heeft met planten. Thuis Reportage gezien van (Zevenbergen) dhr. Wamelink over plantengroei op 'Marszand'. Thuis Op het internet (Zevenbergen) informatie gezocht over plantengroei op Mars en de hoofdvraag en deelvraag opgesteld. School 1e PWS middag. Met (Roosendaal) mijn begeleider dhr. de Mooij gesproken over de onderzoeksvragen en het onderzoek. Thuis Informatie gezocht (Zevenbergen) over plantenteelt op Mars. Thuis Hoofdvraag en (Zevenbergen) deelvragen opnieuw geformuleerd. 89 Start voorbereidende fase 26‐09‐2015 16:00‐19:00 29‐09‐2015 19:00‐22:30 01‐10‐2015 13:30‐16:00 02‐10‐2015 19:00‐22:30 03‐10‐2015 18:30‐21:00 05‐10‐2015 18:30‐22:00 06‐10‐2015 16:00‐18:00 08‐10‐2015 19:00‐23:30 10‐10‐2015 15:00‐17:30 11‐10‐2015 9:00‐15:00 12‐10‐2015 18:00‐23:30 14‐10‐2015 19:00‐23:00 21‐10‐2015 13:00‐16:00 Thuis Inleiding geschreven (Zevenbergen) Thuis Woordweb (Zevenbergen) opgesteld en nagedacht over de indeling van het profielwerkstuk . School 2e PWS middag. Met (Roosendaal) mijn begeleider dhr. de Mooij, de deelvragen herzien. Thuis Schrijven van (Zevenbergen) paragraaf 1.2 over het onderzoek Thuis Begin gemaakt met (Zevenbergen) het schrijven van hoofdstuk 2 Thuis Verder met schrijven (Zevenbergen) van hoofdstuk 2 Thuis Verder met schrijven (Zevenbergen) van hoofdstuk 2 Thuis Afgerond schrijven (Zevenbergen) hoofdstuk 2 en contact opgenomen met dhr. Wamelink Thuis Hoofdstuk 3 (Zevenbergen) herschreven uit een door mij geschreven verslag van juni 2015. Thuis Begonnen met het (Zevenbergen) schrijven van hoofdstuk 4 Thuis Afgerond met het (Zevenbergen) schrijven van hoofdstuk 4 Thuis Hoofdstuk 4 (Zevenbergen) afgerond. Opzet experiment hoofdstuk 5 bedacht en vanwege deze reden planten gezaaid School 3e PWS middag. (Roosendaal) Gesproken met mijn begeleider dhr. De Mooij over de voortgang van het onderzoek. 90 Start schrijven profielwerkstuk 27‐10‐2015 10:00‐18:00 Universiteit Wageningen 28‐10‐2015 11:00‐13:00 School (Roosendaal) 02‐11‐2015 t/m 26‐11‐2015 Totaal 25,5 uur School (Roosendaal) 27‐11‐2015 11:00‐12:05 15:10‐17:30 School (Roosendaal) 30‐11‐2015 8:30‐9:15 15:10‐17:30 School (Roosendaal) 91 Het 'Marszand' bij de dhr. Wamelink opgehaald op de Universiteit van Wageningen. Tevens een gesprek met dhr. Wamelink gehad over mijn onderzoeksopgezet. Deze deels aangepast. De zaailingen uitgeplant in potjes in het biologiekabinet op school voor het experiment van hoofdstuk 5. Dit werd gedaan met mijn begeleider dhr. de Mooij. Verzorging van de planten voor het experiment van hoofdstuk 5 en deze controleren. Dagelijks water geven, lichtsterkte controleren en werkruimte van het experiment zo schoon mogelijk houden. Voorkomen dat planten in elkaar groeien en omvallen. Planten oogsten, opvallendheden noteren en grond opvangen. Organisch materiaal wegen en in stoof zetten. Organisch materiaal uit de stoof halen en opnieuw wegen en gepaste hoeveelheid organische materiaal door grond mengen en in de stoof doen voor de experimenten van hoofdstuk 7 en 8 Er word hierna contact gehouden over het verloop van het experiment met dhr. Wamelink. Start experimentele fase 01‐12‐2015 16:00‐23:30 Thuis Afmaken (Zevenbergen) verslaglegging experiment hoofdstuk 5, en contact opgenomen met NutriControl in Veghel voor analyse zware metalen in de monsters. Rondleiding door de Laboratorium dhr. van Kessel en van NutriControl in afleveren monsters organisch materiaal. Veghel Uitleg over werkwijze analyse zware metalen. School 5e PWS middag, op (Roosendaal) school gewerkt aan het profielwerkstuk. Tevens de grond uit de stoof gehaald en tuinkers gezaaid voor experiment hoofdstuk 8. School Start nitraatanalyse (Roosendaal) verschillende bodemmonsters voor hoofdstuk 7 in scheikundekabinet Nitraatanalyse voor School hoofdstuk 7. (Roosendaal) School Nitraatanalyse voor ( Roosendaal) hoofdstuk 7 afgerond Thuis Resultaten analyse (Zevenbergen) zware metalen uitgewerkt en hoofdstuk 7 afgerond. 04‐12‐2015 8:00‐12:30 07‐12‐2015 13:00‐16:00 11‐12‐2015 8:30‐10:20 14‐12‐2015 13:00‐14:30 15‐12‐2015 13:00‐14:20 16‐12‐2015 17‐12‐2015 18:00‐24:00 12:55‐13:30 18‐12‐2015 12:55‐13:30 19‐12‐2015 16:00‐20:00 Thuis (Zevenbergen) Hoofdstuk 7 uitgewerkt. 20‐12‐2015 12:00‐18:00 Thuis (Zevenbergen) Hoofdstuk 8 uitgewerkt School Tuinkers geoogst en (Roosendaal) deze in de stoof gestopt School Organisch materiaal (Roosendaal) tuinkers gewogen 92 Einde experimentele fase 21‐12‐2015 15:00‐17:30 Thuis (Zevenbergen) Thuis (Zevenbergen) 22‐12‐2015 16:00‐18:30 24‐12‐2015 15:00‐18:00 Thuis (Zevenbergen) 27‐12‐2015 13:00‐17:00 Thuis (Zevenbergen) Opnieuw lezen van hoofdstuk 5 t/m 8 en verbeteren. 29‐12‐2015 14:00‐16:00 Thuis (Zevenbergen) 30‐12‐2015 9:30‐12;30 Het huis van Fabio (Roosendaal) 31‐12‐2015 11:00‐17:00 Thuis (Zevenbergen) Opnieuw lezen van hoofdstuk 8 t/m 11 en verbeteren. Samen met Fabio de opmaak van het profielwerkstuk beken en het titelblad gemaakt. Het hele profielwerkstuk opnieuw lezen. 02‐1‐2016 11:00‐18:00 Thuis (Zevenbergen) Totaal 165 uur 93 Hoofdstuk 9 uitgewerkt Hoofdstuk 10 en 11 Einde schrijffase geschreven. Daarna de discussie uitgewerkt en samenvatting gemaakt. Start verbeterfase Opnieuw lezen van hoofdstuk 1 t/m 4 en verbeteren. Samen met Maureen Einde verbeterfase mijn Engelse samenvatting bekeken en verbeterd. Daarna voor de laatste keer het profielwerkstuk gelezen en verbeterd.