Fotosynthese als energiebron

Fotosynthese als
energiebron
Docentenhandleiding
1 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Ontwikkeld door Wageningen University.
Maart 2014
© Wageningen University
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd,
opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in
enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën,
opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming
van de uitgever.
2 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
I NHOUD
Fotosynthese als energiebron
Inhoud _______________________________________________ 2
Samenvatting _________________________________________ 3
Inleiding voorbereidende les ______________________________ 4
Theorie fotosynthese _______________________________________ 6
Theorie absorptie en fluorescentie _____________________________ 9
Theorie vragen ___________________________________________ 10
Practicum Handleiding __________________________________ 11
Experiment 1: de kleurstofzonnecel ___________________________ 11
Doel ________________________________________________________
Theorie over de kleurstofzonnecel ________________________________
Uitvoering experiment 1 ________________________________________
Metingen ____________________________________________________
Vragen______________________________________________________
11
11
12
15
15
Experiment 2: adaptatie van planten en korstmossen _____________ 16
Doel ________________________________________________________
Theorie PAM fluorometer________________________________________
Uitvoering experiment 2 ________________________________________
Metingen ____________________________________________________
Vragen______________________________________________________
16
16
18
20
20
Bronnen _____________________________________________ 22
3 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
S AMENVATTING
De wereld heeft een dringende behoefte aan duurzame energiebronnen nu onze
vraag naar energie steeds groter wordt. Bovendien is het einde van de voorraad
van de fossiele brandstoffen in zicht. De zon als grootste bron van energie zal
daarom belangrijk zijn in alle mogelijke toekomstige scenario’s om zo steeds
meer fossiele brandstoffen te vervangen door duurzame energie. Het
onderzoeksprogramma ‘Towards Biosolar Cells’ waaraan Wageningen University
deelneemt, is erop gericht om planten en microalgen efficiënter zonlicht te laten
omzetten in energie en bouwstoffen. Hiervoor is kennis op moleculaire schaal
nodig van het fotosyntheseproces. De vraag is of dit natuurlijke proces gebruikt
kan worden voor het produceren van biobrandstoffen en ‘groene’ stroom. In dit
practicum willen wij scholieren enig inzicht geven in het proces achter
fotosynthese en haar mogelijkheden. In twee afzonderlijke experimenten worden
achtereenvolgens: 1) een kleurstofzonnecel gemaakt die een elektronenstroom
produceert op een vergelijkbare manier als gebeurt in het fotosyntheseproces, 2)
de fotosynthetische activiteit en adaptatie van planten en korstmossen gemeten
met een PAM fluorometer.
4 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
I NLEIDING
VOORBEREIDENDE
LES
Planten en andere fotosynthetische organismen hebben verschillende nuttige
functies in onze leefwereld en zijn onmisbaar in de koolstof- en zuurstofkringloop.
De fotosynthetische organismen (o.a. planten) staan aan het begin van de
voedselketen en zijn daarom essentieel voor het leven op aarde. De reden
hiervoor is dat ze zonne-energie kunnen omzetten in biomassa en zo hun eigen
voedsel kunnen maken met behulp van fotosynthese. In dit proces wordt licht
gebruikt om water (H2O) en koolstofdioxide (CO2) tot zuurstof (O2) en
energierijke glucose (C6H12O6) om te zetten.
Koolstofdioxide is een zogenaamd broeikasgas. Teveel van dit gas in de
atmosfeer zorgt ervoor dat de aarde opwarmt. De laatste 800.000 jaar tot de
industriële revolutie heeft het CO2-gehalte altijd tussen de 180 en 300 ppm
(delen per miljoen) geschommeld. Na de industriële revolutie is het CO2-gehalte
snel gestegen tot 385 ppm in 2009. In figuur 1 is het verband tussen de
temperatuur en het CO2-gehalte te zien. Dit broeikasgas wordt dus door
fotosynthetische organismen opgeruimd. De gevormde glucose kan door middel
van voortgezette assimilatie omgezet worden tot allerlei andere producten zoals
zetmeel, plantaardige eiwitten en vetten. Deze gevormde producten kunnen weer
door dieren en mensen worden gegeten. Tenslotte is zuurstof een belangrijk gas
dat bijna alle organismen nodig hebben voor de dissimilatie.
Het fotosyntheseproces wordt beïnvloed door biotische en abiotische factoren.
Een voorbeeld van een biotische factor is de plantdichtheid. Een plant die op een
stuk grond staat waar weinig andere planten groeien, heeft weinig concurrentie
met andere planten. Een voorbeeld van een abiotische factor is de CO2concentratie. Een hogere concentratie CO2 leidt tot een hogere fotosynthese
activiteit, mits andere factoren (zoals water en licht) niet beperkend zijn.
5 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Figuur 1. Data uit ijskernen van Antarctica [1]. Correlatie tussen de temperatuur
(blauw) en de CO2-concentratie (rood). De laatste 420.000 jaar zijn er
verschillende koudere periodes (ijstijden) geweest afgewisseld met warmere
periodes. In de huidige tijd leven we in een warmere periode. De rode gestippelde
lijnen geven de variatie van de concentratie CO2 aan van de laatste 420.000 jaar.
In de huidige tijd (de 0 lijn) schiet de CO2-concentratie naar de rode stip. De
verwachting is dat de temperatuur de CO2-concentratie zal volgen en dat de
temperatuur dus zal oplopen deze eeuw.
Naast de belangrijke rol van fotosynthetische organismen in de koolstof- en
zuurstofkringloop kunnen deze organismen ook een belangrijke rol spelen in de
ontwikkeling naar duurzame energie. Een belangrijke barrière is dat de
fotosynthetische organismen niet heel efficiënt zijn in het ‘oogsten’ van zonneenergie. Minder dan 1% van de zonne-energie wordt opgeslagen als biomassa
door een gemiddeld landbouwgewas. Het verbeteren van de efficiëntie zal enorme
invloed hebben op de biomassaproductie voor voedsel, grondstoffen en bioenergie. Het begrijpen van de fotosynthese op moleculair niveau is hierbij van
essentieel belang.
De wereld heeft een dringende behoefte aan duurzame energie. Niet alleen
klimaatveranderingen, maar ook energiezekerheid spelen een belangrijke rol in
de enorme belangstelling voor duurzame energie vanuit de wetenschap, politiek
en de media. Vandaar dat de Europese Unie heeft afgesproken om 20%
duurzame energie te gebruiken in 2020. Het totaalverbruik van duurzame energie
(o.a. elektriciteit en brandstoffen) in Nederland was in 2008 3.4% van het totale
energieverbruik. Hiervan is 7.5% duurzame elektriciteit van het totale
elektriciteitsverbruik.
De zon
energie
we dus
kunnen
is de grootste bron van energie op aarde en elk uur valt er evenveel
op onze aarde als wij gebruiken in een heel jaar. Direct of indirect zullen
zonlicht nodig hebben om in onze energiebehoefte voor de toekomst te
voorzien.
Ook ‘groene’ stroom zal belangrijk zijn voor de toekomstige energievoorziening.
Er bestaan al verschillende methodes om duurzame stroom op te wekken zoals
6 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
met behulp van waterkrachtcentrales, windmolens en (silicium) zonnecellen. Ook
het fotosyntheseproces kan een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van
nieuwe types zonnecellen (zoals de kleurstofzonnecel).
THEORIE FOTOSYNTHESE
De fotosynthese bestaat uit een lichtreactie en een donkerreactie. In de
lichtreactie worden ATP, NADPH en O2 gevormd met behulp van zonlicht.
Vervolgens wordt in de donkerreactie, met behulp van CO2, ATP en NADPH (uit de
lichtreactie), glucose gevormd. In deze paragraaf wordt dieper ingegaan op de
lichtreactie, omdat we in dit practicum alleen de efficiëntie van de lichtreactie
gaan meten.
De fotosynthesereactie speelt zich af in de chloroplasten (bladgroenkorrels), de
groene celorganellen die een blad zijn kleur geven. In die chloroplasten zit een
kleurstof, het chlorofyl. Ongeveer 100 chlorofylmoleculen en een reactiecentrum
vormen samen een antennecomplex. Dit complex kan energie uit zonlicht
opvangen en gebruiken om een elektron aan te slaan. In een plant zijn twee
soorten antennecomplexen die een optimale werking hebben bij een verschillende
golflengte van het zonlicht. Bij fotosysteem I is deze golflengte 700 nm en bij
fotosysteem II is dit 680 nm (zie figuur 2). De reacties die zich afspelen in
fotosysteem I en II worden samen de lichtreactie genoemd. Het in fotosysteem II
vrijgemaakte en op een hoger energieniveau gebrachte elektron wordt aangevuld
door een elektron dat vrijkomt bij splitsing van H2O in O2 en H+ (zie figuur 2). Dit
vrijmaken van een elektron gaat razendsnel (ongeveer 10-15 seconden).
7 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Figuur 2. Energieoverdracht in fotosysteem I en II [4]
Het in fotosysteem II vrijgemaakte elektron wordt via een elektronen
transportketen overgedragen naar fotosysteem I. De elektronen transportketen
bestaat uit een reeks eiwitten die achtereenvolgens optreden als oxidator (neemt
elektronen op) en reductor (geeft elektronen af). De elektronenacceptoren
(eiwitten) worden sterkere reductoren naarmate je verder in de transportketen
komt, zodat het elektron van fotosysteem II naar fotosysteem I getransporteerd
wordt. De teruggang in energieniveau van het elektron in de transportketen
wordt gebruikt om H+ in de chloroplast te transporteren zodat er een verhoogde
concentratie van H+ ontstaat. Deze H+ ionen, samen met de H+ ionen die
ontstaan bij de splitsing van water bij fotosysteem II, zijn de motor voor de
productie van ATP (zie figuur 2). De verplaatsing van een elektron naar
fotosysteem I over de transportketen duurt ongeveer 10-3 seconden en is
daarmee dus vele malen langzamer dan het vrijmaken van een elektron uit H2O
bij fotosysteem II. In fotosysteem I wordt het elektron onder invloed van zonlicht
opnieuw in een hogere energiebaan gebracht. Vervolgens loopt dit elektron weer
door een elektronen transportketen vergelijkbaar met de keten tussen
fotosysteem II en I. Uiteindelijk wordt aan het einde van deze keten NADPH
gevormd. De in de lichtreactie gevormde NADPH en ATP worden in de
donkerreactie gebruikt om glucose te vormen.
8 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Samengevat: bij fotosynthese is er verplaatsing van elektronen uit water via
fotosysteem II naar fotosysteem I, waarbij uiteindelijk NADPH wordt gevormd.
Het doel van de fotosynthese is om de plant van energie te voorzien.
Licht is noodzakelijk voor een plant om te groeien, maar teveel licht kan ook
schadelijk zijn. Als er teveel licht op een plant valt dan kunnen er
zuurstofradicalen ontstaan die erg schadelijk zijn voor een plant. Een plant heeft
daarom een soort ingebouwde ‘dimschakelaar’. Op een zonnige dag wordt door
de plant een extra afvoer gemaakt. Hierdoor wordt de extra opgevangen energie
omgezet in onschadelijke warmte en fluorescentie (hier komen we later op
terug). Als het minder zonnig wordt omdat er bijvoorbeeld een wolk voor de zon
komt dan zet de plant de extra afvoer weer uit en zal de plant weer efficiënter
met het licht omgaan. Deze moleculaire ‘dimschakelaar’ werkt alleen in de
antenne-eiwitten en niet in het reactiecentrum waar de ladingscheiding
plaatsvindt. Dit laatste is omdat er anders nooit elektronen kunnen worden
afgeven aan de elektronen transportketen. Het gevolg hiervan is dat het
reactiecentrum van een plant op een zonnige dag elke 15 minuten wordt
vervangen en gerepareerd omdat het wordt aangetast door radicalen.
Korstmossen zijn schimmels die in symbiose leven met een alg en/of een
cyanobacterie. De schimmel beschermt de alg (of cyanobacterie) voor een teveel
aan licht en de alg zorgt voor de productie van glucose in de korstmos. Bij teveel
licht zal de schimmel zich als een zonnescherm om de alg vouwen. Ook
beschermt de schimmel de alg voor uitdroging en hierdoor kunnen korstmossen
extreem goed tegen lange perioden van droogte. Het is zelfs zo dat de schimmel
de fotosynthese van de alg compleet kan uitzetten bij een gebrek aan water. Dus
meer een ‘aan-/uitschakelaar’ dan de ‘dimschakelaar’ van planten. Hoe dit precies
gebeurt op moleculair niveau is op dit moment nog niet bekend. In de tweede
module wordt onderzocht wat het effect is van de (dim)schakelaar bij planten en
korstmossen op de fotosynthese.
9 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
THEORIE ABSORPTIE EN FLUORESCENTIE
Elk materiaal heeft zijn eigen ‘vingerafdruk’ in de vorm van een
absorptiespectrum. Dat wil zeggen dat elk materiaal verschillende kleuren licht
opneemt waardoor wij deze materialen ook verschillend waarnemen. In figuur 3
zijn de spectra te zien van vier belangrijke kleurstoffen in planten: anthocyaan,
caroteen en chlorofyl a/b. Hoewel chlorofyl a en b chemisch erg op elkaar lijken
zijn er wel verschillen te zien in de spectra.
Onderin in figuur 3 zien we welke golflengte licht met welke kleur correspondeert.
Het zichtbaar spectrum wat mensen kunnen waarnemen loopt van blauw tot rood
zoals de kleuren van de regenboog. Het licht bestaat uit veel meer golflengtes
dan die wij kunnen waarnemen met onze ogen, zoals bijvoorbeeld ultraviolet licht
(UV) of infrarood (IR). Van UV licht maakt je huid wel pigment aan waardoor je
bruin wordt en van infrarood kun je wel de warmtestraling voelen.
Figuur 3. Spectra van anthocyaan, caroteen en chlorofyl a/b (boven) en
golflengtes van licht (onder).
Als één van de kleurstoffen de juiste kleur licht (een foton) opneemt zal deze stof
in een aangeslagen toestand komen. Dit is een toestand met een hoger
energieniveau dan de grondtoestand waardoor het elektron van de kleurstof in
een hogere baan terecht komt (zie figuur 4). Het elektron kan terugvallen naar
de oorspronkelijke grondtoestand door bijvoorbeeld stralingloos verval (warmte)
of door weer een foton (licht) uit te zenden. Dit laatste gebeurt met minder
10 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
energie dan het licht wat in eerste instantie is opgenomen en heet fluorescentie.
In de fotosynthese kan de aangeslagen toestand ook in een heel aantal
tussenstappen langzaam zijn energie verliezen zoals gebeurt in de elektronen
transportketen waarbij ATP en NADPH worden gemaakt. Bij de kleurstofzonnecel
gebeurt iets vergelijkbaars door eerst naar een iets lager energieniveau te
vervallen in de titaandioxide nanodeeltjes (zie figuur 4) en vervolgens wordt via
een aantal stappen de stroomkring gesloten waardoor de zonnecel stroom
produceert (zie module kleurstofzonnecel).
De fluorescentie is een handig hulpmiddel om de fotosynthetische efficiëntie te
onderzoeken vanwege de correlatie. Als bijna al het opgevangen licht wordt
omgezet in ATP en NADPH in de elektronen transportketen dan zal er weinig
verlies zijn zoals in de vorm van warmte of fluorescentie. Dit zal het geval zijn op
een bewolkte dag. Op een zonnige dag kan het gebeuren dat een in fotosysteem
II vrijgemaakt elektron niet kan worden overgedragen naar fotosysteem I omdat
de elektronoverdracht van een vorig elektron nog aan de gang is. In dit geval is
de route naar de elektronen transportketen afgesloten en moet de aangeslagen
toestand wel vervallen via warmte of fluorescentie (zie figuur 4). Dit is dus een
ander proces dan de ‘dimschakelaar’ in de antenne-eiwitten van de planten.
Figuur 4. Energieniveaus.
THEORIE VRAGEN
1. Waarom hebben planten twee fotosystemen? Zou fotosysteem I niet
voldoende zijn om planten van energie te voorzien? Hint: wat zijn de
producten van de fotosynthesereactie.
2. Welke kleur zal het fluorescentielicht hebben als chlorofyl a blauw licht
opneemt?
11 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
P RACTICUM H ANDLEIDING
EXPERIMENT 1: DE KLEURSTOFZONNECEL
D oel
Het doel van deze proef is het maken van een kleurstofzonnecel en onderzoeken
hoe deze reageert op verschillende lichtintensiteiten.
Inleiding
In fotosynthetische organismen wordt zonne-energie omgezet in chemische
energie. De organische kleurstofzonnecel maakt gebruik van ditzelfde principe,
alleen wordt de energie (licht) niet omgezet in chemische energie maar in
elektrische energie (stroom). Dit proces wordt fotovoltaïsche omzetting genoemd.
In deze zonnecel worden de natuurlijke kleurstoffen ‘anthocyanen’ gebruikt. Deze
kleurstoffen komen veel voor in bramen, frambozen, rode druiven en veel
bloemen waaronder de hibiscus. De rode, paarse of blauwe kleur (afhankelijk van
de pH) van deze vruchten of bloemen heeft twee belangrijke functies: de
vruchten/bloemen vallen op voor dieren waardoor de zaden beter verspreid
worden en de kleur zorgt daarnaast voor bescherming tegen te veel licht in
fotosynthetisch weefsel waar ‘anthocyanen’ ook in voorkomen (als een soort
zonnebrandcrème).
Het is ook mogelijk om andere kleurstoffen te gebruiken zoals chlorofyl, maar het
nadeel is dat deze kleurstof niet zo goed hecht aan het oppervlak van de
kleurstofzonnecel.
De kleurstofzonnecel die in dit practicum gemaakt wordt, bestaat uit de volgende
onderdelen (zie figuur 1):
1. Een glasplaat voor de boven- en onderkant van de zonnecel met een
transparante geleidende laag (TCO: Transparent conductive oxide).
2. Een dun laagje (ongeveer 10-6 meter) met nanodeeltjes titaandioxide.
3. Een kleurstof
4. Elektrolyt (een vloeistof met jodide ionen die zorgen voor geleiding)
5. En laagje grafiet dat als katalysator dient, zodat de jodide ionen snel een
elektron kunnen afstaan.
Titaandioxide is een mineraal dat veel gebruikt wordt in verf, tandpasta,
keramisch materiaal, cement, kunststof en soms in levensmiddelen (E171). De
nanodeeltjes titaandioxide zorgen niet alleen voor de geleiding van elektronen,
maar door het driedimensionale netwerk zorgen ze ook voor een enorme
oppervlaktevergroting waardoor de kleurstofmoleculen zich gemakkelijker kunnen
hechten.
Het elektron in de kleurstof neemt het licht (een foton) op en komt hierdoor in
een aangeslagen toestand. Het elektron kan terugvallen naar de grondtoestand
door een elektron te injecteren in de nanodeeltjes titaandioxide(zie figuur 1). De
12 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
ionen in het elektrolyt zorgen er vervolgens voor dat het kleurstofmolecuul weer
een elektron krijgt waardoor de stroomkring gesloten wordt.
Er zijn diverse voordelen van een kleurstofzonnecel t.o.v. de normale silicium
zonnecel. De belangrijkste economische voordelen van de kleurstofzonnecel zijn
de lage prijs en de eenvoudige productie. Daarnaast kan de kleurstofzonnecel als
flexibele dunne laag geproduceerd worden. Dit maakt toepassingen op
bijvoorbeeld
ramen
en
op
ronde
oppervlaktes
mogelijk.
Qua
materiaaleigenschappen werkt de kleurstofzonnecel prima met diffuus licht zoals
op bewolkte dagen het geval is. Het nadeel is wel dat op zonnige dagen de
silicium zonnecel een veel hoger rendement heeft dan de kleurstofzonnecel. Het
grootste nadeel van de kleurstofzonnecel is echter de beperkte levensduur (max.
vijf jaar) t.o.v. de silicium zonnecel die makkelijk meer dan 30 jaar kan meegaan.
Er is nog veel onderzoek nodig om de kleurstofzonnecel te laten concurreren met
de silicium zonnecel, maar veel potentie heeft de kleurstofzonnecel in ieder geval
wel.
Figuur 1. De kleurstofzonnecel.
Uitvoering experim ent 1
Lijst met benodigdheden
- Petrischaaltje met filterpapier
- 2 glasplaatjes, waarvan 1 met wit laagje
- Voltmeter
- Rode en zwarte kabels voor de voltmeter met krokodillenbekjes
- Potlood
- 1 grote knijper
13 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
-
2 kleine knijpertjes
Flesje jodium
Handschoenen voor mensen met jodide-allergie
Tissues
Hibiscusthee in bekerglas
Zaklampje
Een aantal materialen dat gebruikt wordt voor deze proef is afkomstig van Man
Solar B.V. (www.mansolar.com). Ook deze instructie is voor een deel gebaseerd
op het voorschrift van Man Solar.
Instructies vooraf
•
Draag bij voorkeur een labjas, omdat de kleurstof uit de hibiscusthee en
de elektrolyt (jodium) vlekken in kleding kunnen geven.
•
Als iets niet werkt, breekt of kapot gaat, waarschuw dan de
practicumbegeleider.
•
Jodium kan een allergische reactie veroorzaken; vermijdt contact tussen
de elektrolyt en de huid.
•
Was na afloop je handen.
Stap 1
De ‘min’-elektrode
- Klem het glasplaatje met de witte laag (titaandioxide) vast in de grote
knijper en hang het in de hibiscusthee. (Zet de houten knijper niet op de
witte laag, die krast gemakkelijk. Zorg ervoor dat de witte laag helemaal
ondergedompeld is.) Laat dit ongeveer 10 minuten staan. De witte
titaandioxide is dan paars geworden. Ga intussen verder met de volgende
stappen.
Stap 2
- Sluit de meetkabels aan op de multimeter. De rode stekker in de bus ‘VΩ’, de zwarte stekker in de zwarte bus COMMON.
- Zet de draaiknop op ‘Ω’, bij de 200. De weerstand wordt nu in Ω (Ohm)
weergegeven.
Stap 3
De ‘plus’-elektrode
- Bepaal met de multimeter, ingesteld als weerstandmeter welke kant van
het glasplaatje (degene zonder witte laag) geleidend is. De weerstand
moet ongeveer 20 - 50 Ω zijn. De weerstand aan de andere kant wordt
aangegeven met een 1 helemaal aan de linker kant.
- Reinig het glasplaatje met een tissue; doe dit voorzichtig. Raak de
geleidende kant daarna niet meer met je vingers aan (de zijkant kun je
nog wel aanraken).
- Leg het glasplaatje met de geleidende kant naar boven op een schone
ondergrond.
- Kleur de geleidende laag zo volledig mogelijk in met een zacht potlood
(grafiet). Laat echter aan de korte zijde van het glasplaatje een strook van
ongeveer 6 mm onbeschreven (figuur 2).
- Verwijder het overtollige grafiet door er zachtjes overheen te blazen.
14 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
-
De ‘plus’-elektrode van de zonnecel is nu klaar.
Figuur 2. Glas met een grafietlaag.
Stap 4
De ‘min’-elektrode
- Haal na 10 minuten de klem met daaraan het glasplaatje voorzichtig uit de
hibiscusthee; pas op: het glasplaatje kan heet zijn!
- Spoel de ‘min’-elektrode voorzichtig schoon met water. Hou de glasplaat
aan de zijkant vast.
- De ‘min’-elektrode is nu klaar voor gebruik.
Stap 5
In elkaar zetten van de zonnecel
- Leg de ‘plus’-elektrode met het grafiet (potloodlaag) naar boven op een
filtreerpapiertje in de petrischaal. Druppel hierop één druppeltje
elektrolytoplossing. Leg vervolgens de ‘min’-elektrode met de titaandioxide
laag naar beneden op de ‘plus-elektode’. Zorg ervoor dat de plaatjes
zodanig t.o.v. elkaar zijn verschoven, zodat de onbedekte kanten van
beide elektroden aan weerskanten uitsteken (figuur 3).
- Klem de plaatjes op elkaar met de 2 kleine knijpertjes
- Knijp de krokodillenbekjes aan weerskanten van de zonnecel op het
uitstekende, kale glas. Plaats een klem van de ‘plus’ (grafiet) elektrode
aan de rode aansluiting van de voltmeter en een klem van de ’min’
(hibiscus) elektrode aan de zwarte aansluiting.
Figuur 3. De kleurstofzonnecel.
Stap 6
Spanningmeting (Volt, V)
-
Selecteer de draaiknop op
V
(niet de V~). Selecteer 200m.
Stap 7
- De zonnecel is klaar voor gebruik.
15 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
M etingen
Wat is het voltage van de zonnecel in het zonlicht of in het klaslokaal?
….
mV
Dek de zonnecel af met bijvoorbeeld je handen, hoeveel is het voltage na 20
seconden?
….
mV
Gebruik de zaklamp om te kijken wat het maximale voltage van de zonnecel
is.
….
mV
Vragen
1. Kan je nu ook verklaren waarom de kleurstof paars is? Hint: vraag een
van de begeleiders om een geplastificeerd A4-tje met een figuur van
absorptiespectra en golflengtes.
2. Hoe kan de kleurstofzonnecel nog efficiënter worden gemaakt?
3. Wat zou er met het voltage gebeuren als je alleen de zonnecel met rood
licht belicht?
4. Wat moet er nog verbeterd worden aan de kleurstofzonnecel, voordat het
een commercieel succes kan worden?
16 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Experiment 2: Adaptatie van planten
en korstmossen
D oel
Het doel van het tweede experiment is de fluorescentie te meten van planten en
korstmossen met een PAM fluorometer en aan de hand van de verschillende
uitkomsten de fotosynthetische efficiëntie verklaren.
Theorie P AM fluorom eter
In dit experiment wordt gebruik gemaakt van een PAM fluorometer. PAM staat
voor Pulse Amplified Modulation. De basis voor een meting met een PAM
fluorometer is de fluorescentie die optreedt bij een plant of korstmos. Hoe hoger
de fluorescentie, des te minder van de geabsorbeerde lichtenergie gebruikt wordt
voor het fotosyntheseproces. Een PAM apparaat bestaat uit een kastje met een
lichtbron waaraan een glasvezelkabel verbonden is. Een lichtpuls wordt via de
glasvezelkabel naar het blad geleid. Via dezelfde glasvezelkabel kan het licht dat
ontstaat door fluorescentie (en een lagere golflengte heeft) terug naar het kastje
geleid worden. In het kastje zit een lichtsensor die gevoelig is voor de golflengte
van het licht dat bij fluorescentie wordt uitgezonden. De gemeten fluorescentie
wordt door de computer vertaald naar een fluorescentiepercentage. In figuur 4 is
een foto te zien van een meetopstelling.
Figuur 4. Meetopstelling PAM fluorometer.
De PAM zendt in dit experiment twee verschillende soorten licht uit:
1) Het meetlicht (measuring light, ML)
2) Een verzadigende lichtpuls (saturated pulse, SAT-pulse)
17 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Het meetlicht wordt in zwakke pulsjes gegeven en is net sterk genoeg om een
minimale fotosyntheseactiviteit tot stand te brengen. Aangezien het vrijmaken
van elektronen in fotosysteem II een veel sneller proces is dan het overdragen
van elektronen van fotosysteem II naar fotosysteem I, treedt er altijd
fluorescentie op. Dit wordt de minimale fluorescentie genoemd en wordt
aangeduid met F0. Als de elektronentransportketens efficiënt werken, is deze
fluorescentie laag. De verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) is bedoeld om in één
klap, in alle antennecomplexen, elektronen aan te slaan. Hierdoor worden alle
elektronentransportketens volledig in gebruik genomen en kunnen ze voor korte
tijd geen elektronen meer doorlaten. Het gevolg is dat de fluorescentie maximaal
wordt, aangeduid met (FM). Het verschil tussen FM en F0, vaak aangeduid als FV, is
een maat voor de maximale variatie in fluorescentie. Als je vervolgens FV deelt
door FM krijg je de Yield. Dit getal is de maat voor de efficiëntie van de
fotosynthese. Als ((FM - F0)/FM) groot is dan is het getal voor de Yield dus groot.
In dit geval is er blijkbaar een groot aantal antennecomplexen in staat om weer
snel om te schakelen naar een situatie waarin de antennecomplexen nieuwe
elektronen kunnen opnemen.
Samengevat: de Yield ((FM - F0)/FM) is een maat voor de fotosynthese. Hoe hoger
de Yield, hoe efficiënter de fotosyntheseactiviteit (er is dan relatief weinig
fluorescentie en de plant kan dan dus nog veel licht opnemen).
Een praktijkvoorbeeld
Figuur 5. In deze afbeelding is de gemeten fluorescentie uitgezet onder
verschillende belichtingscondities tegen de tijd. Bij nr. 1 staat het meetlicht aan
en bij nr. 2 wordt een verzadigde lichtpuls gegeven.
In figuur 5 is de gemeten fluorescentie uitgezet tegen de tijd. Eerst staan de
planten in het schemerdonker zodat er geen fluorescentie is. Als nu het meetlicht
18 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
(ML) wordt aangezet (zie nr. 1 in figuur 5) meet je een minimale fluorescentie: de
F0. Als er nu een verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) wordt toegediend (zie nr. 2
in figuur 5) zullen in alle reactiecentra elektronen worden vrijgemaakt. Hierna
kunnen er geen nieuwe elektronen meer worden opgenomen in de
elektronentransportketens. Het resultaat is dat er nu een maximale fluorescentie
(FM) kan plaatsvinden. Na een korte tijd is deze lichtpuls verwerkt en zal de
fluorescentie sterk dalen.
Uitvoering experim ent 2
Om je het gebruik van de PAM fluorometer eigen te maken, wordt de eerste
meting aan een blaadje hieronder uitvoerig beschreven.
Instellen P am M eter
1.
Het programma ‘WinControl-3’ is opgestart door een begeleider.
2.
Ga naar het tabblad Chart (links onderaan het scherm te zien).
3.
Controleer door in de glasvezelkabel te kijken of
het blauwe knipperende meetlicht te zien is. In
figuur 6 (pagina 21) staat bij 1 aangegeven of
het meetlicht aan staat of niet.
4.
Vervolgens gaan we de juiste parameters selecteren voor onze grafiek die
zal worden weergegeven; dit kun je doen door linksbovenin F (nummer 2
in figuur 6) te selecteren als Y-as.
5.
De andere parameters die moeten worden geselecteerd
staan aan de rechter kant van het scherm; vink de
volgende parameters aan: Ft, F, Y(II) (nummer 3 in
figuur 6). Vink de andere parameters uit.
19 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Flu orescentie m eting
6.
De grafiek kan worden gestart door op Start Onl. Rec. (nummer 4 in
figuur 6) te drukken. De lijn die zichtbaar wordt, geeft het
fluorescentieniveau aan van wat je aan het meten bent.
7.
Als de grafiek niet duidelijk zichtbaar is, dan kun je op de knop Autoscale
(nummer 5 in figuur 6) drukken waardoor de x en de y as automatisch op
de grafiek worden aangepast.
8.
Plaats de glasvezelkabel loodrecht op een plekje aan de bovenkant van het
blad. Zet de glasvezelkabel niet op de nerf van het blad. Je ziet het
fluorescentieniveau tot een bepaalde waarde stijgen en dan afvlakken. Dit
is de F0. Wacht tot je een stabiele waarde van F0 (na ca. 10s) hebt bereikt.
9.
Geef vervolgens een verzadigende lichtpuls door op de groene knop SAT
te klikken (nummer 6 in figuur 6). Je ziet dat er zeer intense blauwe
lichtpuls door de kabel wordt afgevuurd. Tegelijkertijd gaat het
fluorescentiesignaal op de grafiek naar zijn maximaal haalbare waarde
(FM). Het programma berekent vervolgens de Yield van de meting.
Yield = (FM-F0)/FM
Deze Yield is af te lezen in de rechter kolom op het beeldscherm en onderaan bij
de SAT knop, als Y(II), (nummer 7 in figuur 6). De Yield van deze meting kan
op de volgende pagina genoteerd worden. Omdat de Yield een relatieve maat is
(zie formule hierboven), ligt deze altijd tussen 0 en 1. Bij een gezond blad en
korstmos ligt de waarde van de Yield tussen de 0.60 en 0.80. Omdat de junior
PAM niet gevoelig genoeg is voor het meten van korstmossen zal hier in de
praktijk een veel lagere Yield uitkomen. Dit maakt voor dit experiment niets uit.
Voor de volgende metingen moeten steeds alleen de laatste stappen (stap 6,7,8
en 9) van de hierboven beschreven stappen uitgevoerd worden. Je hoeft dus
maar 1 keer de meter in te stellen. Per behandeling moet de meting drie maal
herhaald worden op drie verschillende plaatsen per blad en korstmos. Na elke
meting (Sat-pulse), moet je direct de Yield opschrijven. Het programma slaat
deze namelijk niet op.
20 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
M etingen
Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het licht gelegen)
Yield 1…
Yield 2…
Yield 3…
Gemiddelde Yield:
Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het donker gelegen)
Yield 1…
Yield 2…
Yield 3…
Gemiddelde Yield:
Korstmos (Start de meting met een droge korstmos)
Yield 1…
Yield 2…
Yield 3…
Gemiddelde Yield:
Korstmos (Maak je eigen korstmos nat)
Yield 1…
Yield 2…
Yield 3…
Gemiddelde Yield:
Vragen
1. Wat betekenen de termen F0 en FM?
2. Waarom gebruikt een plant niet al het licht dat op de bladeren valt voor
fotosynthese? Hint: vraag een van de begeleiders om een geplastificeerd
A4-tje met een figuur van absorptiespectra en golflengtes.
3. Wat is het voordeel voor een korstmos om de fotosyntheseactiviteit
compleet uit te schakelen als het te lang droog is?
4. Verklaar het verschil tussen de fotosyntheseactiviteit van een blad dat 5
minuten in het licht en 5 minuten in het donker is geweest.
5. Waarom zijn bladeren
absorptiespectra.
groen?
Hint:
Gebruik
het
figuur
van
de
21 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Figuur 6. Schermafbeelding van het WinControl-3 programma.
22 | Docentenhandleiding F o t o s y n t h e s e a l s e n e r g i e b r o n
Bronnen
[1]
J.R. Petit et al. Nature 1999. Vol. 399. 429-436
[2]
Centraal Bureau voor de Statistiek
[3]
Lewis et al. PNAS 2006.vol. 103. no.43. 15729-15735
[4]
Biologie overal (EPN)
Informatie over studeren in Wageningen, studiekeuze, spreekbeurt, scriptie,
profielwerkstuk etc. Kijk op:
www.wageningenuniversity.nl/studiekiezer
Informatie voor docenten:
http://www.wageningenuniversity.nl/NL/Informatie+voor/docenten/

Download Report