Energiestroom en kringlopen (Biologie vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over energiestroom en trofische niveaus, BPP en NPP, verstoring en energiekeuzes, de koolstof- en stikstofkringloop, uitspoeling, eutrofiering, broeikaseffect en recyclen. Met 6 checks, een poll en een reflectievraag. Verwijst voor fotosynthese en dissimilatie naar eigen lessen; docentnotities bevatten achtergrond en veelgemaakte fouten.

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Energiestroom en kringlopen

Examenstof biologie vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: P1.1 specificatie 1 t/m 4 en P1.2 specificatie 1 t/m 5 (B8). Image credit: Arnoldius / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan beschrijven hoe energie door een ecosysteem stroomt en elementen rondgaan, en beargumenteren hoe de mens dat beïnvloedt.

Wat stroomt door een ecosysteem en wat gaat steeds rond?

Verwacht: energie, zonlicht, warmte, voedsel, koolstof, stikstof, CO2, water, mest, reducenten. Koppel de woorden aan het verloop van de les: eerst de energiestroom met trofische niveaus en productie, dan de koolstof- en stikstofkringloop, dan verstoring en maatregelen. Sorteer de woorden samen in 'stroomt door' en 'gaat rond'. Veelgemaakte misvatting: energie gaat ook rond. Energie komt in de vorm van licht binnen en verlaat het ecosysteem als warmte; alleen de elementen gaan rond. Fotosynthese en dissimilatie komen in de lessen Fotosynthese en assimilatie en Dissimilatie en enzymen uitgebreid aan bod; hier gebruik je ze als bouwstenen.

Energiepiramide met kJ per trofisch niveau (verzonnen waarden)

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Energie stroomt door trofische niveaus

• Producenten maken organische stof, consumenten eten die, reducenten breken resten af tot anorganische stof.

• Elke stap in een voedselketen is een trofisch niveau: producenten vormen niveau 1, planteneters niveau 2.

• Bij elke stap gaat energie verloren als warmte (dissimilatie) en in resten, die naar de reducenten gaan.

• Rendement = energie in het volgende niveau : energie in dit niveau x 100%. Hier 1000 : 10000 x 100% = 10%.

Syllabus P1.1 specificatie 1: energiestroom, producent, consument, reducent, trofisch niveau. De energiestroom is modelmatig: een piramide van energie in biomassa per niveau (hier verzonnen waarden, kJ per m2 per jaar). De energie komt als licht binnen en gaat als warmte weg; dat is een stroom in een richting, geen kringloop. Reducenten werken op elk niveau, omdat bij elk niveau dode resten en afval overblijven. Rendement tussen twee niveaus: 1000 : 10000 x 100% = 10% en 200 : 1000 x 100% = 20%. Veelgemaakte fout: denken dat de verloren energie 'weg' is. Het is warmte die niet meer bruikbaar is voor organismen, en energie in resten die reducenten gebruiken. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Reuzenbuiswormen (Riftia) bij een hydrothermale bron op 2630 m diepte

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Autotroof, BPP en NPP

• Foto-autotroof: licht als energiebron. Chemo-autotroof: chemische energie, zoals bacteriën bij diepzeebronnen.

• Heterotrofe organismen (consumenten, reducenten) zijn afhankelijk van organische stof.

• BPP: alle organische stof die producenten per m2 per jaar maken. NPP = BPP min hun eigen dissimilatie.

• Productiviteit is de energie die per m2 per jaar wordt vastgelegd; de NPP is voor consumenten en reducenten.

Syllabus P1.1 specificatie 2: foto-autotroof, chemo-autotroof, heterotroof, organische stof, anorganische stof, BPP, NPP, productiviteit. Hoe fotosynthese en chemosynthese verlopen staat in de les Fotosynthese en assimilatie; hier gaat het om de plek in het ecosysteem. BPP (bruto primaire productie) is alles wat de producenten vastleggen. Producenten breken zelf ook een deel af voor hun eigen energie (dissimilatie). Wat overblijft is de NPP (netto primaire productie): NPP = BPP min dissimilatie door producenten. Alleen de NPP kan door consumenten worden opgenomen of door reducenten worden afgebroken. Eenheden: bijvoorbeeld kJ per m2 per jaar of gram per m2 per jaar. Veelgemaakte fout: de NPP kleiner denken dan de dissimilatie of BPP en NPP door elkaar halen. Image credit: Ifremer, campagne Phare 2002 / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Bos naast gekapt en omgezet land in Rondônia, Brazilië, 2020

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Verstoring van energiestromen

• Klimaatverandering: droogte of hitte verlaagt de NPP; verschuivende seizoenen scheiden consument en voedsel.

• Overbevissing: roofvissen verdwijnen, dus het hoogste trofische niveau krimpt en hun prooien nemen toe.

• Ontbossing: bomen zijn producenten; minder bomen geeft lagere BPP en NPP en minder energie voor consumenten.

• Elke verstoring verandert hoeveel energie producenten vastleggen of hoe die over de niveaus wordt verdeeld.

Syllabus P1.1 specificatie 3: effect van klimaatverandering, overbevissing en ontbossing. Klimaatverandering: bijvoorbeeld in Nederland komen rupsen in warme lentes eerder uit, terwijl jonge mezen pas later hun voedsel nodig hebben; voedsel en consument vallen niet meer samen. Overbevissing: als de grote roofvissen worden weggevangen, nemen de planteneters of kleinere vissen toe en eten ze meer producenten; het ecosysteem verandert. Ontbossing: minder producenten betekent een lagere BPP en NPP, dus minder energie voor alle volgende niveaus. Laat leerlingen steeds redeneren in drie stappen: wat verandert er bij de producenten, bij de niveaus daarna en wat is het gevolg voor de energiestroom. Veelgemaakte fout: alleen het gevolg noemen ('minder dieren') zonder de energiestroom te benoemen. Image credit: Amazônia Real / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Hopen houtsnippers van struikgewas in Namibië

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Energiekeuzes van de mens

• Fossiele brandstof is vastgelegde zonne-energie van lang geleden; verbranden zet CO2 in korte tijd vrij.

• Biomassa is organische stof van organismen, ook reststromen zoals hout, mest en gewasresten.

• Biobrandstof is uit biomassa gemaakt; de CO2 die vrijkomt namen planten kort daarvoor op.

• Energietransitie: de overgang van fossiele brandstof naar duurzame bronnen zoals zon, wind en biomassa.

Syllabus P1.1 specificatie 4: fossiele brandstof, biobrandstof, biomassa, energietransitie. Fossiele brandstof (steenkool, aardolie, aardgas) komt uit organismen van miljoenen jaren geleden; de koolstof lag vast en komt nu snel vrij. Biobrandstof (bioethanol uit suikerriet, biodiesel uit koolzaad) legt in de teelt CO2 vast, dus de netto uitstoot is veel kleiner, maar de teelt kost land, kunstmest en water. Dat levert dilemma's op voor biodiversiteit en voedselproductie; die afweging oefen je in de examentraining. Energietransitie hoort bij beredeneren en beargumenteren: noem steeds een voordeel en een nadeel. Veelgemaakte fout: biobrandstof 'schoon' noemen zonder nadelen. Image credit: GIZ Bush Control and Biomass Utilisation Project / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

BPP 12000, dissimilatie 5000 (kJ). NPP in kJ?

Antwoord: 7000 (kJ per m2 per jaar). NPP = BPP min de dissimilatie van de producenten: 12000 - 5000 = 7000. Verwachte fout: 17000 (optellen) of 5000 (alleen de dissimilatie).

Overbevissing haalt grote roofvissen weg. Wat verandert er in de energiestroom?

A

Er komt meer energie het ecosysteem binnen

B

De producenten krijgen daardoor minder licht

C

Het hoogste trofische niveau krimpt of verdwijnt

D

Alle reducenten verdwijnen uit het water

De roofvissen zijn het hoogste trofische niveau; dat valt weg of wordt kleiner en de prooien krijgen meer ruimte. De energie die binnenkomt (licht) verandert niet door visserij. Verwachte fout: denken dat overbevissing alleen de visserij raakt en niet de rest van de energiestroom.

De koolstofkringloop

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Koolstofkringloop

• In de koolstofkringloop gaat koolstof rond tussen CO2 in lucht en water en organische stof in organismen.

• Producenten leggen CO2 vast met fotosynthese; alle groepen geven CO2 terug via dissimilatie.

• Reducenten breken dode resten af. Zonder zuurstof (anaeroob) ontstaat methaan, in moeras en pens.

• Verbranden van fossiele brandstoffen brengt koolstof die lang vastlag als CO2 terug in de lucht.

Syllabus P1.2 specificatie 1 en 3: kringloop, fotosynthese, dissimilatie, koolstofkringloop, organische stof, anorganische stof, anaeroob, methaan. Een kringloop is een stofstroom die rondgaat; energie gaat niet rond. Fotosynthese en dissimilatie zijn de hoofdprocessen (zie de lessen Fotosynthese en assimilatie en Dissimilatie en enzymen). Producenten, consumenten en reducenten dissimileren allemaal, dus allemaal geven ze CO2 af. Methaan (CH4) ontstaat bij afbraak zonder zuurstof, bijvoorbeeld in moerassen en in de pens van herkauwers, en is een broeikasgas. Veelgemaakte fout: denken dat alleen dieren CO2 afgeven. Planten dissimileren ook, ook overdag. Image credit: Eigen schema, LessonUp

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Stromen van elementen berekenen

• Een stroom van een element (zoals koolstof) beschrijf je kwantitatief, bijvoorbeeld in ton koolstof per hectare per jaar.

• Verandering van de voorraad = totale aanvoer min totale afvoer.

• Voorbeeld (verzonnen getallen): een bos neemt per jaar 12 ton C per ha op en geeft 10 ton C af door dissimilatie.

• Netto legt dit bos 12 - 10 = 2 ton C per ha per jaar vast; die stijging zit in biomassa zoals hout.

• Een negatieve uitkomst betekent dat de voorraad afneemt, bijvoorbeeld bij ontbossing of afbraak van veen.

Syllabus P1.2 specificatie 2: stromen van elementen in een ecosysteem kwantitatief beschrijven. Leer leerlingen eerst de voorraad en de stromen aanwijzen (opname, afgifte), dan de balans opstellen: aanvoer min afvoer. In dit voorbeeld (verzonnen getallen) is de netto opname 2 ton C per hectare per jaar. De eenheid hoort bij het antwoord. Dezelfde redenering past bij stikstof, fosfaat of water. Veelgemaakte fout: de twee stromen optellen in plaats van aftrekken, of de eenheid vergeten.

De stikstofkringloop

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Stikstofkringloop: de route

• Stikstofgas (N2) is het grootste deel van de lucht, maar planten en dieren kunnen het zelf niet gebruiken.

• Planten nemen ammonium en nitraat op en maken er eiwitten van; dieren krijgen stikstof met voedsel binnen.

• Dode resten en afval bevatten stikstof in eiwitten; reducenten maken daar ammoniak en ammonium van.

• Bacteriën zetten ammonium om in nitriet en nitraat, en nitraat weer in stikstofgas: zie de volgende dia.

Syllabus P1.2 specificatie 1 en 3: stikstofkringloop, ammoniak, ammonium, nitriet, nitraat, stikstofgas. Lees het schema met de leerlingen: de vakken zijn stoffen, de pijlen zijn processen. De kringloop is een cirkel van dode resten via ammonium en nitraat naar planten, met aan de zijkant de verbinding met stikstofgas in de lucht. Ammoniak (NH3) en ammonium (NH4+) zijn nauw verwant: in water en bodem komt vooral ammonium voor. Veelgemaakte fout: denken dat planten stikstofgas uit de lucht opnemen. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Wortelknolletjes aan een klaverplant

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Vier processen in de stikstofkringloop

• Stikstofbinding: bacteriën maken van N2 ammonium, zoals knolletjesbacteriën bij vlinderbloemigen.

• Ammonificatie: reducenten maken van stikstof in dode resten ammoniak en ammonium.

• Nitrificatie: ammonium wordt aeroob (met zuurstof) via nitriet omgezet in nitraat.

• Denitrificatie: bacteriën zetten anaeroob (zonder zuurstof) nitraat om in stikstofgas, vooral in natte grond.

Syllabus P1.2 specificatie 3: stikstofbinding, ammonificatie, nitrificatie, denitrificatie, aeroob, anaeroob. Geheugensteun: de naam zegt wat er gebeurt. Binding: N2 wordt gebonden in ammonium. Ammonificatie: ammonium wordt gemaakt uit organische stikstof. Nitrificatie: nitriet en nitraat ontstaan (met zuurstof). Denitrificatie: nitraat wordt weer stikstofgas (zonder zuurstof, dus in drassige, zuurstofarme bodem). Knolletjesbacteriën leven samen met vlinderbloemigen zoals klaver; de plant krijgt stikstof en de bacterie suikers. Veelgemaakte fout: nitrificatie en denitrificatie omwisselen, of vergeten dat nitrificatie zuurstof vraagt. Image credit: Bwiltz / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zet op volgorde, van dode resten naar nitraat

1

Nitriet

2

Nitraat

3

Ammonium

4

Eiwit in dode resten

Eerst maken reducenten ammonium uit eiwit (ammonificatie), daarna zetten bacteriën ammonium om in nitriet en dat in nitraat (nitrificatie). Verwachte fout: nitriet en nitraat omdraaien.

Een bodem wordt drassig en zuurstofarm. Wat gebeurt er met nitraat?

A

Meer nitraat ontstaat door nitrificatie

B

Meer nitraat wordt omgezet in stikstofgas

C

Meer nitraat wordt gemaakt uit stikstofgas

D

Nitraat blijft in dezelfde hoeveelheid aanwezig

Zonder zuurstof verloopt denitrificatie: nitraat wordt omgezet in stikstofgas dat de bodem verlaat. Nitrificatie vraagt juist zuurstof. Verwachte fout: nitrificatie kiezen omdat nitraat het eindproduct van de kringloop lijkt.

Een meer naast een landbouwbedrijf met een groene laag langs de oever

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Uitspoeling en eutrofiering

• Uitspoeling: regenwater spoelt nitraat en fosfaat uit de bodem naar grondwater en sloten.

• Bemesting vergroot de uitspoeling, doordat de bodem meer nitraat en fosfaat bevat dan planten opnemen.

• Eutrofiering: een toename van voedingsstoffen in water, waardoor algen explosief groeien.

• Algen houden licht tegen, waterplanten sterven en reducenten gebruiken bij afbraak zuurstof: vissen sterven.

Syllabus P1.2 specificatie 4: uitspoeling, eutrofiering. Uitspoeling is een verstoring van de kringloop: stoffen verlaten de bodem en komen in het water terecht. Nitraat spoelt gemakkelijk uit; fosfaat is vooral in water de beperkende factor. De keten bij eutrofiering: meer voedingsstoffen, algenbloei, minder licht onder water, afsterven van waterplanten, aerobe afbraak door reducenten, zuurstoftekort, sterfte van vissen. Veelgemaakte fout: denken dat de algen zelf de zuurstof opgebruiken; het zijn de reducenten die de dode algen afbreken. Image credit: Smaack / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Gebleekt hertshoornkoraal

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Broeikaseffect en biodiversiteit

• Broeikasgassen zoals CO2 en methaan houden warmte vast: het broeikaseffect, dat leven op aarde mogelijk maakt.

• Fossiele brandstof, ontbossing, veeteelt en rijstvelden (methaan) versterken het broeikaseffect.

• Gevolg: de aarde warmt op, leefgebieden verschuiven en soorten die niet kunnen verhuizen verdwijnen.

• Zo verandert de biodiversiteit: koraal bleekt en sterft af als zeewater te warm wordt.

Syllabus P1.2 specificatie 4 en 5: broeikaseffect, broeikasgassen, gevolgen voor de biodiversiteit. Het natuurlijke broeikaseffect is nodig om de aarde bewoonbaar te houden; het probleem is de versterking door extra CO2 en methaan. Leg het verband met de koolstofkringloop: verbranden van fossiele brandstof en ontbossing verschuiven koolstof van de voorraad in organismen en bodem naar de lucht. Koraalbleking is een zichtbaar gevolg van te warm zeewater. Veelgemaakte fout: broeikaseffect en gat in de ozonlaag door elkaar halen. Image credit: Matt Kieffer / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Glascontainers voor bruin, groen en wit glas

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Hergebruik en recyclen

• Hergebruik: een product opnieuw gebruiken zoals het is, bijvoorbeeld een statiegeldfles.

• Recyclen: materiaal verwerken tot een nieuw product, zoals oud glas of papier.

• Beide houden grondstoffen in omloop en vragen minder winning, dus minder verstoring van kringlopen.

• Ook minder bemesten en bos aanplanten beïnvloeden kringlopen: minder uitspoeling, meer vastgelegde koolstof.

Syllabus P1.2 specificatie 5: hergebruik, recyclen, gevolgen voor de biodiversiteit. Hergebruik: het product blijft zoals het is. Recyclen: het materiaal wordt eerst verwerkt tot grondstof. Kringlopen van elementen worden beïnvloed doordat minder grondstoffen worden gewonnen en afval minder wordt verbrand of gestort. Maatregelen kunnen ook negatieve bijeffecten hebben, bijvoorbeeld voor biodiversiteit; oefen het beargumenteren met 'voordeel' en 'nadeel'. Veelgemaakte fout: hergebruik en recyclen door elkaar halen. Image credit: Steffen Mokosch / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Wat is een voorbeeld van recyclen?

A

Een statiegeldfles schoonmaken en opnieuw vullen

B

Een tweedehands fiets kopen en gaan gebruiken

C

Minder verpakkingen kopen in de supermarkt

D

Oud glas omsmelten en er nieuwe potten van maken

Bij recyclen wordt het materiaal verwerkt tot een nieuw product. De statiegeldfles en de tweedehands fiets zijn hergebruik, minder verpakkingen kopen voorkomt afval. Verwachte fout: de statiegeldfles kiezen.

Vul in

Methaan en CO2 zijn broeikasgassen: ze houden warmte vast en versterken het broeikaseffect als de hoeveelheid toeneemt.

Methaan

broeikasgassen

broeikaseffect

stikstofgas

eutrofiering

Methaan en CO2 zijn broeikasgassen die warmte vasthouden; meer ervan versterkt het broeikaseffect. Verwachte fout: stikstofgas invullen omdat het een gas in de lucht is.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Energiestroom, BPP en NPP

2

Koolstofkringloop en rekenen

3

De processen in de stikstofkringloop

4

Verstoring en maatregelen beargumenteren

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je in de examentraining nog een keer met een voorbeeld doorloopt.

Welk begrip uit de les wil je nog oefenen?

Reflectievraag, er is geen fout antwoord. Gebruik de antwoorden om te zien welke begrippen onvoldoende zijn blijven hangen en pak die in de examentraining nog eens op.

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Begrippen (1/2)

• energiestroom: Energie komt als licht binnen, gaat door de trofische niveaus en verlaat het ecosysteem als warmte.

• trofisch niveau: Een stap in de voedselketen: producenten zijn niveau 1, planteneters niveau 2.

• BPP en NPP: BPP: alles wat producenten vastleggen. NPP = BPP min hun eigen dissimilatie.

• foto-autotroof en chemo-autotroof: Organische stof maken met lichtenergie, respectievelijk met chemische energie.

• biomassa en biobrandstof: Biomassa: organische stof van organismen. Biobrandstof: brandstof gemaakt uit biomassa.

ECOSYSTEEM · KRINGLOPEN

Begrippen (2/2)

• energietransitie: De overgang van fossiele brandstof naar duurzame energiebronnen.

• koolstofkringloop: Koolstof gaat rond tussen CO2, producenten, consumenten, reducenten en fossiele brandstoffen.

• stikstofkringloop: Stikstofbinding, ammonificatie, nitrificatie (aeroob) en denitrificatie (anaeroob).

• uitspoeling en eutrofiering: Nitraat en fosfaat spoelen weg; in water groeien algen explosief en daalt het zuurstofgehalte.

• broeikaseffect en recyclen: Broeikasgassen houden warmte vast. Recyclen: materiaal verwerken tot een nieuw product.