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Stoffkreisläufe in der Natur 19:38 min

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Transkript Stoffkreisläufe in der Natur

„C“ ist das chemische Symbol für das Element Kohlenstoff. Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit zu vielfältigen chemischen Verbindungen. Diese molekularen Verbindungen sind die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Der Anteil an Kohlenstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,087 %. In reiner oder gediegener Form findet man Kohlenstoff in Graphit und Diamanten. Pflanzen absorbieren bei ihrer Photosynthese Kohlenstoffdioxid in ihren Blättern. Sie produzieren daraus Kohlenhydrate in Form von Zuckermolekülen. In der Luft kommt radioaktives Kohlenstoffdioxid als 14CO2 vor und wird durch die Photosynthese in den Pflanzen aufgenommen. Diese Eigenschaft nutzen wir für folgende Methode, um Kohlenstoffdioxid in Pflanzen nachzuweisen. Hierzu stellen wir radioaktives Kohlenstoffdioxid her. Dazu wird zunächst Dünnsäure zu Hydrogencarbonat gegeben. Es entstehen radioaktives Kohlenstoffdioxid und Wasser. Damit keine Strahlung in den Versuchsraum gelangt, wird das überschüssige nicht von der Pflanze aufgenommene radioaktive Kohlenstoffdioxid über ein Glasröhrchen in ein Reagenzglas mit Kalilauge geleitet, die es aufnimmt. Die mit Licht versorgte Pflanze bleibt für einige Stunden im Labor stehen. Dann wird die Pflanze aus der Versuchsapparatur genommen, und die Höhe der Radioaktivität mit einem Geigerzähler gemessen. Anschließend wird das Blatt in einem Dunkelraum auf eine für Radioaktivität empfindliche Fotofolie gelegt und für zwei Tage dort gelassen. Hier sehen wir das Ergebnis: die vom Blatt mit dem Kohlenstoffdioxid aufgenommene Radioaktivität wurde auf der Folie abgebildet. Die in den Pflanzen gespeicherten Kohlenstoffverbindungen dienen den Konsumenten als Nahrung. Sie wandeln diese in Energie um. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid wird ausgeatmet. Auch Pflanzen bauen unter Verbrauch von Sauerstoff organische Stoffe ab, und geben dabei Kohlenstoffdioxid an die Luft ab. So gerät Kohlenstoff in die Nahrungskette, die zu einem Kreislauf wird, denn in Form von CO2 wird von beiden wieder Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben. Diese Abgabe des CO2 lässt sich durch einen einfachen Versuch nachweisen. Wir haben vier Reagenzgläser, die mit A, B, C und D beschriftet sind. Und in die Indikatorflüssigkeit gefüllt wird. Es handelt sich um Hydrogencarbonat, auch unter Bicarbonat bekannt. Keine Farbveränderung der Indikatorflüssigkeit bedeutet, dass der CO2 Gehalt innen und außen gleich ist. Der gelbe Farbumschlag zeigt an, dass sich der CO2 -Gehalt im Reagenzglas erhöht hat. Die violette Färbung bedeutet, dass sich der CO2 -Gehalt verringert hat. Nun wird ein grünes Blatt in das Reagenzglas A gegeben. In das Glas B schiebt man zunächst ein kleines Metallsieb, das Kellerasseln aufnimmt. In das Glas C werden sowohl ein Blatt, als auch Asseln getan. Glas D dient zum Vergleich und bleibt ohne zusätzlichen Inhalt. Nun werden alle Gläser luftdicht verschlossen, sodass nichts hinein oder heraus kann. Gut beleuchtet bleiben die Gläser einige Stunden stehen. Nach sechs Stunden werden die gefüllten Reagenzgläser ausgewertet. Im Kontrollglas D hat sich keine Veränderung ergeben. In Glas A, in dem sich das Blatt befindet, hat sich die Flüssigkeit leicht violett gefärbt. Es ist weniger CO2 in der Flüssigkeit. Was hat dazu geführt? Im Glas B ist die Farbe Gelb. Die Kellerasseln haben den CO2 –Gehalt im Glas also deutlich erhöht. Sie haben CO2 ausgeatmet. Die pflanzliche Atmung gibt auch CO2 ab, aber die Photosynthese nimmt wieder CO2 auf. Und zwar mehr als sie abgibt. Daher ist weniger CO2 in der Indikatorflüssigkeit im Glas A. Warum hat sich im Reagenzglas C in der Indikatorflüssigkeit so gut wie keine Farbänderung gegenüber dem Kontrollglas ergeben? Der vom Blatt abgegebene Sauerstoff wird von den Asseln aufgenommen. Und deren abgegebenes Kohlendioxid vom Blatt aufgenommen. Der Kreislauf wird deutlich. Beim Sterben von Pflanzen und Tieren werden alle darin gebundenen Kohlenstoffverbindungen durch Zersetzer, auch Destruenten genannt, aufgebrochen und werden größtenteils wieder gasförmig als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Von dort wird es wieder von den Pflanzen aufgenommen, womit sich der Kreislauf des Kohlenstoffs schließt. Unter Sauerstoffmangel, den Tümpeln oder Mooren, werden Pflanzenreste nur unvollständig zersetzt. Unter diesen Gegebenheiten können sich Torf, und unter der Einwirkung von hohem Druck im Laufe von Jahrmillionen auch Kohle bilden. Dabei wird Kohlenstoff gespeichert, der nicht am Kreislauf dieses Elements teilnimmt. Im Erdzeitalter des Karbons entstanden durch solche Vorgänge die riesigen Lagerstätten der sogenannten fossilen Brennstoffe: Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese sind unsere momentanen Energieträger. Durch die Verbrennung dieser Kohlenstoffspeicher gelangt CO2 wieder in die Atmosphäre. Wir sehen, dass es sich größtenteils um einen Kohlenstoffdioxid-Kreislauf handelt. Doch nicht nur das Land, auch das Ökosystem Meer gehört zu diesem Kohlenstoffkreislauf. 70 % der Erde sind mit Wasser bedeckt. Und Wasser hat eine gute Kohlenstoffdioxidlöslichkeit. So findet ein ständiger Austausch von Kohlenstoffdioxid zwischen der Atmosphäre und den Meeren statt. Kohlenstoffdioxid aus der Luft dringt durch Diffusion über die Wasseroberfläche ins Wasser ein und löst sich in Form von Gas im Wasser. Unter Beteiligung des Planktons sowie der Fische, findet ein Kreislauf innerhalb der Ökosysteme des Wassers statt. Jährlich werden etwa hundert Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid zwischen der Atmosphäre und den Meeren ausgetauscht. Stickstoffkreislauf: „N“ ist das chemische Zeichen für Stickstoff. Dieses nicht metallische Element ist als molekularer Stickstoff N2 in der Atmosphäre mit einem Anteil von 78 % vorhanden. Stickstoff ist ein lebensnotweniger Teil des Stoffwechsels von Organismen. Denn er ist Bestandteil der Aminosäuren, die DNS sowie von Vitaminen. Durch elektrochemische Prozesse ausgelöst durch Blitze, entstehen aus Luftstickstoff und Luftsauerstoff Stickoxide. Durch weitere Reaktionen mit Wasser und Sauerstoff wird daraus Salpetersäure, die in Form von saurem Regen in die Böden gelangt. Doch bevor Pflanzen Stickstoff aufnehmen können, muss natürlich vorkommender Stickstoff N2 in Nitrat NO3- umgewandelt werden. Wie wichtig Nitrat für das Wachstum von Pflanzen ist, zeigen uns die Pflanzen in Gefäßen mit unterschiedlichem Nitratgehalt in der Nährflüssigkeit. Ganz links, eine Pflanze mit ausreichend Nitrat. In der Mitte, mit halb so viel. Und rechts, ganz ohne diesen Nährstoff. In der Landwirtschaft wird der Nitratgehalt des Bodens durch das Ausbringen von Mist oder Gülle zusätzlich erhöht. Dennoch wird heutzutage oft mit synthetischem Stickstoff gedüngt, obwohl dessen technische Herstellung mit einem hohen Energieaufwand an Temperatur und Druck verbunden ist. Unter Nitrifikation versteht man die Oxidation von Ammoniak, NH3 zu Nitrat, NO3-. Dabei wird das durch Destruenten aus abgestorbener Biomasse freigesetzte Ammonium durch nitrifizierende Bakterien in zwei Schritten zu Nitrat oxidiert. Beim ersten Schritt werden von Nitritbakterien Ammoniumionen zu Nitritionen oxidiert. Im zweiten Schritt oxidieren Nitratbaktieren die Nitritionen zu Nitrationen. Die von den Nitratbakterien ausgeschiedenen Nitrationen können dann von den Pflanzen als Mineralstoff aufgenommen werden. Die dabei gewonnene Energie wird von den Bakterien genutzt. Im Humus des Ackerbodens befinden sich aber auch Bakterien, die in einer Symbiose mit verschiedenen Pflanzen in der Lage sind, den Luftstickstoff N2 direkt in Nitrat umzuwandeln. Diese stickstoffbindenden Bakterien leben in den Wurzeln bestimmter Pflanzen. Die Wurzelhärchen locken die Bakterien mit Hilfe von chemischen Stoffen an. Sie heften sich an den Wurzelhaarzellen an, dringen ein und die Wurzeln werden zur Bildung von Verdickungen, den sogenannten Knöllchen, angeregt. Da die Bakterien, sie werden Rhizobien genannt, die notwendigen Enzyme zur Bindung des Stickstoffes besitzen, die die Pflanze braucht, duldet sie die Eindringlinge. Zum Nachweis dieser Bakterien werden die Wurzelknöllchen im Labor gewaschen und anschließend mit einem Mörser zerquetscht. Mit einer vorher sterilisierten Nadel wird aus diesem Substrat eine Probe entnommen und anschließend auf den Nährboden einer Petrischale aufgebracht. Nach dem Verbleib von ein paar Tagen im Brutschrank, haben sich auf dem Nährboden deutlich Kulturen der gesuchten Bakterien gebildet. Neben anderen Pflanzen, wie Erlen, Weiden und bestimmten Gräsern, sind es vor allem Gewächse aus der Familie der Schmetterlingsblütler, die zur Symbiose mit Rhizobien neigen. Dazu gehören Kleearten, Lupinen, Linsen, Erbsen, Wicken und andere Schoten bildende Blütenpflanzen. Einige werden in der Landwirtschaft als sogenannte Gründünung bewusst zur Verbesserung des Bodens eingesetzt.

1 Kommentar
  1. Ohaa.... Biologie ist interessanter als es aussieht. Die Erklärungen sind sehr eindeutig und ausführlich. Ich will Wissenschafler werden xD.

    Von Jessica N., vor etwa 2 Jahren