Thema 6 Mens en milieu B1 Kringlopen

• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4,5

Thema 6 Mens en Milieu

Basisstof 1

Kringlopen

Planning

Les 1: Oriëntatie thema 6 'Mens en milieu'. 

Les 2: Basisstof 6.1 'Kringlopen'

Leerdoelen en begrippen

• Je kunt de koolstofkringloop en stikstofkringloop in hoofdlijnen beschrijven en schema's hiervan interpreteren/uitleggen.

Begrippen:

fossiele brandstoffen, stikstofassimilatie, ammonificatie, nitrificatie, denitrificatie, stikstofbinding/stikstoffixatie

Mensen beïnvloeden het milieu

• Vervuiling
• Uitputting
  
  
• Aantasting: als mensen het milieu sterk veranderen.
• Kringlopen: cyclus waarin stoffen steeds opnieuw gebruikt worden. 

De invloed van de mens op het milieu is groot. Door hun levenswijze voegen mensen stoffen toe aan het milieu. Dat kan leiden tot vervuiling. Ook onttrekken mensen veel stoffen aan het milieu, wat kan leiden tot uitputting. Menselijk ingrijpen verstoort vaak het natuurlijk milieu, waardoor milieuproblemen ontstaan. Als mensen het milieu sterk veranderen, noem je dat aantasting.

Door deze invloeden van de mens worden de natuurlijke kringlopen van stoffen beïnvloed. Stoffen maken in de natuur onderdeel uit van verschillende kringlopen. In deze basisstof worden er twee besproken: de koolstofkringloop en de stikstofkringloop.

Koolstofkringloop

• Verschillende vormen van koolstof: in de lucht (CO2), in organismen in moleculen van organische stoffen, in levenloze natuur (rotsen, aardolie). 
• Koolstof doorloopt een kringloop in het systeem aarde. 

Autotrofe organismen: kunnen uit anorganische stoffen organische stoffen maken.

Heterotrofe organismen: voor de organische stoffen zijn zij afhankelijk van autotrofe organismen.

Koolstofkringloop

• Koolstof is ook opgeslagen in gesteenten en fossiele brandstoffen. 
  
  
• Langdurige koolstofkringloop: door verbranden van fossiele brandstoffen / langzaam afbreken rotsen in de zee komt langdurig opgeslagen koolstof weer in de kringloop. 

koolstofkringloop

Planten zijn foto-autotrofe soorten. Foto-autotrofe soorten gebruiken CO2 uit de lucht om door fotosynthese glucose (C6H12O6) te vormen (koolstofassimilatie, zie afbeelding 2).

Een deel van de geproduceerde glucose wordt gebruikt voor dissimilatie (zie afbeelding 3). Glucose wordt dan afgebroken tot CO2, water en energie. 

Een ander deel van de geproduceerde glucose wordt omgezet in de organische stoffen waaruit de autotrofe soorten bestaan, zoals eiwitten, zetmeel, cellulose en vetten. Dit noem je voortgezette assimilatie.

Als een heterotroof organisme een autotroof individu eet, komen de organische stoffen van het autotrofe organisme in het heterotrofe organisme terecht. Na vertering en opname in het bloed wordt een deel van de organische stoffen gebruikt om energie te leveren (dissimilatie). Hierbij komt CO2 vrij. 

Een ander deel van de organische stoffen wordt door voortgezette assimilatie omgezet in dierlijke organische stoffen. 

Alle dode organismen, dode resten van organismen (bijvoorbeeld afgevallen bladeren) en andere afvalproducten van organismen worden uiteindelijk door reducenten (schimmels en bacteriën) afgebroken tot anorganische stoffen.

Dit is ook een voorbeeld van dissimilatie. De CO2 die hierbij vrijkomt, wordt afgegeven aan de lucht. Autotrofe soorten kunnen deze CO2 weer opnemen.

koolstofkringloop

Stikstofkringloop

• Planten nemen stikstof op uit de bodem als nitraat. Hier maken ze organische stoffen van (aminozuren/ eiwitten). Dit heet stikstofassimilatie. 
• Dier eet plant: plantaardige eiwitten worden afgebroken tot aminozuren. Een deel wordt uitgescheiden als ammoniak (waterdieren), of als ureum in urine (landdieren). 
• Rottingsbacteriën breken ureum af tot ammoniak (= ammonificatie).
• Ammoniak wordt in bodemwater omgezet tot ammonium. 

De meeste organismen zijn niet in staat om stikstof uit de lucht te gebruiken. Planten kunnen wel stikstof opnemen uit de bodem, vooral in de vorm van nitraationen. Ze gebruiken stikstof om organische stoffen te vormen, zoals aminozuren en eiwitten. Dit proces heet stikstofassimilatie.

Als een plant wordt gegeten door een dier, worden de plantaardige eiwitten afgebroken tot aminozuren. Uit de aminozuren maakt het dier weer eiwitten. Een deel van de eiwitten wordt in het dier afgebroken. Hierbij komt ammoniak (NH3) vrij. Waterdieren scheiden deze stof met hun urine uit in het water. Landdieren zetten ammoniak eerst om in urinezuur of ureum en scheiden deze stoffen met hun urine uit.

De eiwitten in detritus en de afbraakproducten van eiwitten in urine worden opgenomen door rottingsbacteriën en urobacteriën. Bij de dissimilatie van deze stoffen door bacteriën ontstaat ammoniak. Dit proces heet ammonificatie. Een deel van de ammoniak verdwijnt als ammoniakgas in de lucht. Ook bij een dood dier in ontbinding komt ammoniakgas vrij. Het grootste deel van de vrijgekomen ammoniak wordt in het (bodem)water omgezet in ammoniumionen (NH4+).

Stikstofkringloop

• Nitrificatie: omzetting van ammonium en zuurstof in nitriet, dat vervolgens met zuurstof wordt omgezet in nitraat. (aeroob)
• Denitrificatie: omzetting van nitraationen uit de bodem in gasvormige stikstof en zuurstof. (anaeroob)

De meeste organismen zijn niet in staat om stikstof uit de lucht te gebruiken. Planten kunnen wel stikstof opnemen uit de bodem, vooral in de vorm van nitraationen. Ze gebruiken stikstof om organische stoffen te vormen, zoals aminozuren en eiwitten. Dit proces heet stikstofassimilatie.

Als een plant wordt gegeten door een dier, worden de plantaardige eiwitten afgebroken tot aminozuren. Uit de aminozuren maakt het dier weer eiwitten. Een deel van de eiwitten wordt in het dier afgebroken. Hierbij komt ammoniak (NH3) vrij. Waterdieren scheiden deze stof met hun urine uit in het water. Landdieren zetten ammoniak eerst om in urinezuur of ureum en scheiden deze stoffen met hun urine uit.

De eiwitten in detritus en de afbraakproducten van eiwitten in urine worden opgenomen door rottingsbacteriën en urobacteriën. Bij de dissimilatie van deze stoffen door bacteriën ontstaat ammoniak. Dit proces heet ammonificatie. Een deel van de ammoniak verdwijnt als ammoniakgas in de lucht. Ook bij een dood dier in ontbinding komt ammoniakgas vrij. Het grootste deel van de vrijgekomen ammoniak wordt in het (bodem)water omgezet in ammoniumionen (NH4+).

Nijntje nitraat

A: Planten nemen nitraat (NO₃-) op.

B: Er vindt stikstofassimilatie plaats
     vorming aminozuren

(vorming eiwitten is voortgezette assimilatie)

C: Dier eet plant, verteert en assimileert eigen organische stoffen.

D: Bij dissimilatie komt ureum vrij. 

E: Rottingsbacterien breken ureum af tot NH₃

F: NH₃ lost in (grond)water op tot NH₄+

G: Nitrietbacterien zetten NH₄+ om in NO₂-

H: Nitraatbacterien zetten NO₂- om in NO₃-

Stikstofbinding

• Stikstofbindende bacteriën in de bodem gebruiken stikstof voor hun stofwisseling. Ze splitsen N2 in losse N-atomen met enzym nitrogenase (alléén in anaerobe omstandigheden, want nitrogenase is inactief als het met zuurstof in aanraking komt). 
  
  
• Stikstofbinding/ stikstoffixatie: het binden van stikstofatomen (N) aan waterstofatomen (H), waardoor ammoniak (NH3) en ammoniumionen (NH4+) ontstaan.
  
  
• Het overschot van NH4+ wordt, na nitrificatie (ammonium --> nitriet --> nitraat) gebruikt voor opbouw aminozuren door planten.

In de bodem komen bacteriën voor die stikstof uit de lucht kunnen gebruiken voor hun stofwisseling. Deze bacteriën bezitten het enzym nitrogenase, dat stikstofmoleculen (N2) kan splitsen in twee stikstofatomen (N). De vrijkomende stikstofatomen binden aan waterstofatomen (H), waardoor ammoniak (NH3) en ammoniumionen (NH4+) ontstaan. Dit proces noem je stikstofbinding of stikstoffixatie. De stikstofbindende bacteriën produceren meer NH4+ dan ze voor hun eigen stofwisseling nodig hebben. Het overschot aan ammoniumionen kan na nitrificatie worden gebruikt voor de opbouw van aminozuren door planten. Stikstofbinding in deze organismen kan alleen plaatsvinden onder anaerobe omstandigheden.

Er zijn bacteriën die ook in een zuurstofrijke omgeving stikstof kunnen binden, bijvoorbeeld cyanobacteriën. Deze hebben aparte compartimenten (heterocysten), waarin ze anaerobe omstandigheden creëren. Daarin vindt stikstofbinding plaats. Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën van het geslacht Rhizobium. Deze bacteriën komen vooral voor in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten zoals erwten, bonen, klaver, luzerne en lupine (zie afbeelding 7). De bacteriën krijgen van de planten organische stoffen zoals glucose voor hun stofwisseling en ze geven op hun beurt de planten ammoniumionen of aminozuren. Dankzij de knolletjesbacteriën kunnen deze planten groeien op stikstofarme grond.

Bij onweer reageert gasvormig stikstof met ozon (O3), waarbij nitraat ontstaat, de zogenoemde fotochemische stikstofbinding.

Naast deze natuurlijke stikstofbinding, nodig om de kringloop in stand te houden, zorgt menselijk toedoen ook voor stikstofbinding. Vooral de industrie en het verkeer veroorzaken een hoge afgifte van stikstofoxiden (NOx) aan de lucht, doordat stikstof bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld in een verbrandingsmotor) reageert met zuurstof.

Stikstofbinding

• Sommige bacteriën binden stikstof in aerobe omstandigheden, zoals cyanobacteriën..
  
  
• Stikstofbinding vindt dan plaats in speciale anaerobe compartimenten in de bacterie (heterocysten). 
  
  

Er zijn bacteriën die ook in een zuurstofrijke omgeving stikstof kunnen binden, bijvoorbeeld cyanobacteriën. Deze hebben aparte compartimenten (heterocysten), waarin ze anaerobe omstandigheden creëren. Daarin vindt stikstofbinding plaats. Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën van het geslacht Rhizobium. Deze bacteriën komen vooral voor in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten zoals erwten, bonen, klaver, luzerne en lupine (zie afbeelding 7). De bacteriën krijgen van de planten organische stoffen zoals glucose voor hun stofwisseling en ze geven op hun beurt de planten ammoniumionen of aminozuren. Dankzij de knolletjesbacteriën kunnen deze planten groeien op stikstofarme grond.

Bij onweer reageert gasvormig stikstof met ozon (O3), waarbij nitraat ontstaat, de zogenoemde fotochemische stikstofbinding.

Naast deze natuurlijke stikstofbinding, nodig om de kringloop in stand te houden, zorgt menselijk toedoen ook voor stikstofbinding. Vooral de industrie en het verkeer veroorzaken een hoge afgifte van stikstofoxiden (NOx) aan de lucht, doordat stikstof bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld in een verbrandingsmotor) reageert met zuurstof.

Stikstofbinding

• Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën, die voorkomen in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten (bijv. erwten, bonen, etc).
• Bacteriën krijgen van de planten organische stoffen (bijv. glucose) voor hun stofwisseling. 
• Ze geven de planten ammoniumionen of aminozuren.
  
  
  Hoe heet deze vorm van symbiose?

Er zijn bacteriën die ook in een zuurstofrijke omgeving stikstof kunnen binden, bijvoorbeeld cyanobacteriën. Deze hebben aparte compartimenten (heterocysten), waarin ze anaerobe omstandigheden creëren. Daarin vindt stikstofbinding plaats. Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën van het geslacht Rhizobium. Deze bacteriën komen vooral voor in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten zoals erwten, bonen, klaver, luzerne en lupine (zie afbeelding 7). De bacteriën krijgen van de planten organische stoffen zoals glucose voor hun stofwisseling en ze geven op hun beurt de planten ammoniumionen of aminozuren. Dankzij de knolletjesbacteriën kunnen deze planten groeien op stikstofarme grond.

Bij onweer reageert gasvormig stikstof met ozon (O3), waarbij nitraat ontstaat, de zogenoemde fotochemische stikstofbinding.

Naast deze natuurlijke stikstofbinding, nodig om de kringloop in stand te houden, zorgt menselijk toedoen ook voor stikstofbinding. Vooral de industrie en het verkeer veroorzaken een hoge afgifte van stikstofoxiden (NOx) aan de lucht, doordat stikstof bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld in een verbrandingsmotor) reageert met zuurstof.

Stikstofbinding

• Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën, die voorkomen in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten (bijv. erwten, bonen, etc).
• Bacteriën krijgen van de planten organische stoffen (bijv. glucose) voor hun stofwisseling. 
• Ze geven de planten ammoniumionen of aminozuren.
  
  
• Dit is een vorm van mutualisme (beiden hebben voordeel). 
  
  
• Door industrie, 

Er zijn bacteriën die ook in een zuurstofrijke omgeving stikstof kunnen binden, bijvoorbeeld cyanobacteriën. Deze hebben aparte compartimenten (heterocysten), waarin ze anaerobe omstandigheden creëren. Daarin vindt stikstofbinding plaats. Knolletjesbacteriën zijn stikstofbindende bacteriën van het geslacht Rhizobium. Deze bacteriën komen vooral voor in wortelknolletjes van vlinderbloemige planten zoals erwten, bonen, klaver, luzerne en lupine (zie afbeelding 7). De bacteriën krijgen van de planten organische stoffen zoals glucose voor hun stofwisseling en ze geven op hun beurt de planten ammoniumionen of aminozuren. Dankzij de knolletjesbacteriën kunnen deze planten groeien op stikstofarme grond.

Bij onweer reageert gasvormig stikstof met ozon (O3), waarbij nitraat ontstaat, de zogenoemde fotochemische stikstofbinding.

Naast deze natuurlijke stikstofbinding, nodig om de kringloop in stand te houden, zorgt menselijk toedoen ook voor stikstofbinding. Vooral de industrie en het verkeer veroorzaken een hoge afgifte van stikstofoxiden (NOx) aan de lucht, doordat stikstof bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld in een verbrandingsmotor) reageert met zuurstof.

Stikstofcrisis

• Langdurige overbelasting van de natuur met reactieve stikstofverbindingen.

Stikstofcrisis

• 78% van de lucht die we inademen bestaat uit stikstof. Dit is niet-reactieve stikstof. 
• De ‘stikstof’ die een probleem is, is de reactieve stikstof. 
  
  
• Er zijn twee vormen van reactieve ‘stikstof’:
• NOx : Stikstofoxiden: Dit is een van de producten van de verbranding van fossiele brandstoffen (door auto's of in de industrie).
• NH3 : Ammoniak: Dit zit in mest die vrijkomt bij veeteelt en die we gebruiken om gewassen te verbouwen. Hoe meer meststoffen je gebruikt, hoe meer ammoniak er in de lucht en in de natuur komt.

Stikstofcrisis

Gevolgen van stikstofcrisis in Nederland:
- Sterke vermindering van biodiversiteit in Nederland.
- Met Europa afspraken gemaakt over stikstofuitstoot en natuurbehoud.
- Uitspraak rechter: zonder stikstofruimte kunnen minder huizen gebouwd  worden en bedrijven kunnen minder groeien.
- Maximum snelheid op snelwegen naar 100 km/uur overdag.
- De vorige regering had 25 miljard euro beschikbaar gesteld aan de provincies om boeren uit te kopen.

01:09

01:35

Effecten van 'Stikstof' op Biodiversiteit

Door een gebrek aan ‘Stikstof’ is er in de natuur een rijkdom aan plantensoorten:

Een teveel aan ‘stikstof’ heeft twee effecten:

1.  De bodem verzuurt en doodt plantensoorten die hier niet aan aangepast zijn.

2.  Bepaalde soorten, zoals grassen, brandnetels en bramen, zijn aangepast aan een teveel aan 'stikstof' en zullen zich vermenigvuldigen en daarbij de ruimte van andere soorten in beslag nemen.

Dit zal leiden tot een monocultuur van planten (er zijn slechts enkele planten aanwezig).

Vermindering van plantensoorten zal de biodiversiteit van andere soorten verminderen, zoals bijen, vlinders en andere insecten. Op de lange termijn zal het de verscheidenheid van de dieren die deze insecten eten, verminderen. Resultaat: een algehele afname van de biodiversiteit.

Aan de sblag

Maak opdracht 1 t/m 14

Maak een begrippenlijst van BS1 en 

bestudeer 93 F en G in BINAS.