Ökologie - Advance Organizer

Ökologie - Advance Organizer
Die Bedeutung der Fotosynthese
1.1 Produktion von Sauerstoff
 Bedeutung der Fotosynthese: O2-Produktion und Ozon
1.2 CO2-Verbrauch und der Treibhauseffekt
1.3 Produktion von Biomasse
 nachwachsende Rohstoffe
1.4 Nahrungskette
 Schadstoffakkumulation
1.5 Stoffkreislauf im Ökosystem (Biotop, Biozönose)
 Produzenten
 Konsumenten
 Destruenten
1.6 Beeinflussung eines Ökosystems durch den Menschen
 saurer Regen
 Ozonschäden
 Brandrodung
Bedeutung der Fotosynthese
Grüne Pflanzen entziehen dem atmosphärischen Speicher durch Aufnahme von CO2 den Kohlenstoff.
In den lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen der Fotosynthese entsteht in den Chloroplasten
der energiereiche Stoff Glucose (=Assimilat). Die Glucose wird entweder sofort in Assimilationsstärke
umgewandelt. Aber vor allem in der Nacht werden die Assimilate in die Transportform Saccharose
verwandelt und über das Phloem in Spross und Wurzel transportiert und in Leukoplasten als Reservestärke
gespeichert. (s. Natura S. 210)
Bedeutung des bei der Fotosynthese entstehenden Sauerstoffs:
 Abgabe des Sauerstoffs in die Atmosphäre.
(Der gesamte atmosphärische Sauerstoff ist so entstanden.)
 Grüne Pflanzen bauen nachts mit Hilfe des Sauerstoffs
bei der Zellatmung die selbst gebildeten organischen Stoffe
wieder ab, um die darin gebundene Energie zu nutzen.
 Menschen und Tiere benötigen den Sauerstoff
bei der Zellatmung zum Abbau energiereicher Stoffe und
Aufbau des universellen Energieträgers ATP (=>Dissimilation)
 Ein Teil des Sauerstoffs löst sich im Wasser
und dient den Wasserlebewesen zur Zellatmung.
 Der Sauerstoff dient außerdem zur Bildung
der sehr wichtigen Ozonschicht in der Stratosphäre.
Biologie JS2 / Fotosynthese_Bedeutung / Wunder 2012
Ozonbildung in der Stratosphäre
Ozon wird in der Stratosphäre durch eine
fotochemische Reaktion (UV-Licht) aus Sauerstoff
gebildet:
Ozon absorbiert UV-Strahlung, insbesondere UV-B,
wobei das Ozon teilweise von dieser Strahlung wieder
in Sauerstoff zerlegt wird, so dass sich ein chemisches
Gleichgewicht ausbildet, bei dem die Menge von Ozon
normalerweise annähernd konstant bleiben sollte:
Ozonbildung: 3 O2 → 2 O3 unter UVb<240 nm u. UVc
Ozonzerfall: 2 O3 → 3 O2 unter UVb>240 nm u. UVa
3
Beide Prozesse werden also durch die Energie der
UV-Strahlung aktiviert, wobei unterschiedliche
Wellenlängen absorbiert werden. Die einzelnen
Reaktionsschritte verlaufen über die Bildung von freien
Sauerstoffradikalen.
Bedeutung der Ozonschicht in der Stratosphäre:
 Die Ozonmoleküle absorbieren in einer Höhe von 25-30 km die Strahlung mit
einer Wellenlänge von 200-310 nm.
 Damit wird das UV-Licht absorbiert, das bei Organismen Strahlungsschäden
verursachen kann.
Entstehung des Ozonlochs
Bestimmte Gase, insbesondere die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), können durch katalytische Effekte
während der Nacht einen beschleunigten Abbau des Ozons bewirken, so dass die Konzentration in Richtung
Sauerstoff O2 verschoben wird. Dieses führt während der langandauernden Polarnächte zum Ozonloch.
Strahlt gegen Ende der Polarnächte die Sonne durch das noch nicht wieder geschlossene Ozonloch auf die Erde,
nimmt auf der Erde die UV-B-Exposition zu, so dass mit einem deutlichen Anstieg von Hautkrebsfällen und schweren
Augenerkrankungen zu rechnen ist. Auch das Immunsystem wird gestört. Bei Pflanzen wird die Fotosynthese im
Blattgrün beeinträchtigt - mit der Folge starker Ernterückgänge. In den Meeren geht die Entstehung der
Kleinstlebewesen (Phytoplankton) zurück - mit spürbaren Folgen für die gesamte Nahrungskette.
Entstehung von Ozon in Bodennähe
Das bodennahe Ozon entsteht unter Mitwirkung von Stickstoffoxiden. NO2 wird durch UV-Strahlung in NO und ein
Sauerstoffatom gespalten. Dieser atomare Sauerstoff verbindet sich mit einem Sauerstoff-Molekül zu Ozon:
NO2 + Licht (λ < 420 nm) → NO• + •O•
•O• + O2 → O3
Gleichzeitig baut Stickstoffmonoxid (NO) Ozon unter Bildung von Stickstoffdioxid und Sauerstoff wieder ab:
NO + O3 → NO2 + O2
Die Ozonkonzentration ist also abhängig von der Stickstoffdioxid-Konzentration, der Stickstoffmonoxid-Konzentration
und der Strahlungsintensität.
Ozon dringt als Reizgas tief in die Lunge ein und kann Entzündungen hervorrufen. Je nach Dauer der Belastung und
der Konzentration gibt es gesundheitliche Auswirkungen wie: Husten, Augenreizung, Kopfschmerzen,
Lungenfunktionsstörungen.
Biologie JS2 / Fotosynthese_Ozon / Wunder 2012 Quelle: Experiment Zukunft, SWR Schulfernsehen Multimedial
Kohlenstoffdioxid und der Treibhauseffekt
1. Wodurch kommt es grundsätzlich zu einem Treibhauseffekt?
 Es wird mehr Energie eingestrahlt (z.B. durch eine Glasscheibe) als
abgegeben.
2. Wodurch kommt der natürliche Treibhauseffekt zustande?
 In der Erdatmosphäre absorbieren Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und
Methan die eingestrahlte Energie.
3. Wie wirkt sich dieser natürliche Treibhauseffekt auf unser Klima aus?
 Diese Gase erzeugen einen natürlichen Treibhauseffekt. Dadurch wird die
mittlere Atmosphärentemperatur auf +15° C gehalten.
Ohne Treibhauseffekt läge die Temperatur bei -18° C.
4. Welche Ursachen führen zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes?
 Seit Beginn des Industriezeitalters (1760) hat sich durch die Verbrennung
fossiler Brennstoffe der Co2-Gehalt der Atmosphäre auf 380 ppm erhöht.
Dadurch hat sich auch der Treibhauseffekt der Atmosphäre verstärkt.
5. Welche Auswirkungen haben anthropogene Einflüsse auf die
Erdatmosphäre?
 Die Konzentration von Kohlenstoffdioxid hat in den letzten 200 Jahren um
ca. 25 % zugenommen.
Durch die Erwärmung der Erde tauen Permafrostböden, die gefrorenen
Sumpfböden in Sibirien und darin enthaltenes Methangas entweicht.
6. Welche klimatischen Veränderungen werden prognostiziert?
 Mit Hilfe von Modellrechnungen und Simulationen werden weltweite
Klimaveränderungen vorausgesagt: Stärkere Stürme, Anstieg der
Meeresspiegel, Verlagerungen der Wüstengebiete und Verschiebungen der
Klimazonen.
7. Erläutern Sie die Herstellung von Biodiesel.
 Rapsöl wird getrennt in Glycerin und Fettsäuren. Die Fettsäuren werden mit
Methanol zu Methylester umgewandelt. Im Biodiesel ist etwa 3x so viel
Energie wie für dessen Produktion aufgewendet werden muss.
8. Beurteilen Sie die Aussage: „Um den Co2-Ausstoß in
Deutschland um 1,4% zu senken, müsste auf 10 000 km2
Fläche (Größe des Regierungsbezirks von Stuttgart) Raps
angebaut werden.“
Bedeutung des Kohlenstoffdioxids
Der Kohlenstoffkreislauf
(1) CO2 wird aus der Atmosphäre von Pflanzen aufgenommen.
Die Pflanzen produzieren Sauerstoff und Biomasse.
(2) Der Sauerstoff wird von den Lebewesen veratmet.
Entstehung von CO2, das in die Atmosphäre gelangt.
(3) Durch Ablagerung von Biomasse im Boden sind fossile Brennstoffe entstanden
(Erdöl,...)
Durch Verbrennung dieser Stoffe wird CO2 frei,
das in die Atmosphäre gelangt.
(4) Weitere C-Speicher sind Karbonate (Kalk), Knochen oder Muscheln und
organische Abfallstoffe.
Durch Zersetzungsvorgänge gelangen diese in den Boden bzw. auf den
Meeresgrund.
(5) Zwischen der Hydrosphäre (Meer) und der Atmosphäre laufen in beiden
Richtungen
CO2-Diffusionsvorgänge ab.
(6) Phytoplankton im Meer nimmt CO2 auf.
Meerestiere nutzen das Phytoplankton als Nahrungsquelle und geben
Exkrementen ab.
Organisches Material (=kohlenstoffhaltig) wird zersetzt und setzt sich ab.
(7) Durch Abtragung und Auswaschung gelangt kohlenstoffhaltige Materie ins Meer.
Durch Diffusion gelangt CO2 in die Atmosphäre.
Der Kohlenstoffkreislauf ist hauptsächlich ein Kreislauf des Kohlenstoffdioxids.
Unter natürlichen Bedingungen ist der Kohlenstoffkreislauf geschlossen.
Biologie / JSt 2 / Stoffkreislauf / Wunder 2009 / Quelle:www.lenntech.de/kohlenstoffkreislauf.htm
Biomasse – Nachwachsende Rohstoffe
Primärproduktion
Biomasse:
Gesamtheit an organischer Substanz in einem Ökosystem
Bruttoprimärproduktion:
Gesamtmenge der von den Pflanzen eines Ökosystems gebildeten
organischen Substanz
Nettoprimärproduktion:
Produktion organischer Substanz eines Ökosystems
abzüglich des durch Zellatmung abgegebenen Kohlenstoffs
Biomasse als regenerativer Energierohstoff
 zur Erzeugung von Strom und Wärme und zur Herstellung von Treibstoff (z.B. Biodiesel)
Grenzen des Einsatzes von Biomasse
 Hohe Kosten und teilweise hoher technischer Aufwand.
 Gewährleistung der Nachhaltigkeit, d. h. kein Kahlschlag an Wäldern.
 Begrenzte landwirtschaftliche Nutzflächen.
 Ethische Bedenken, wenn statt Grundnahrungsmitteln Energie produziert wird.
 Begrenztheit der nachwachsenden Ressourcen.
Biomasseabfälle zur Wärme - und Stromproduktion
1. „Pellets“ als Heizölersatz: Säge- und Hobelspäne werden ohne chemische Zusätze zu kleinen
Holzstückchen gepresst.
2. Nutzung von Rindenabfällen und Holzhackschnitzeln: Im waldreichen Schweden werden
Holzabfälle in Wärmekraftwerken verbrannt. Die dabei entstehende Heißluft treibt Turbinen an,
die Strom erzeugen. Auch die „Abfallwärme“ wird genutzt (Kraft-Wärme-Kopplung).
3. Vergärung von Biomüll zu Biogas: Biomüll (Gülle, Kuhdung) wird im Gärbehälter vergärt.
Primärenergieverbrauch
in Deutschland (2006)
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
in Deutschland (2006)
Quellen: Institut für Weltkunde in Bildung und Forschung (WBF), BMU (Hrsg.)
Entwicklung erneuerbarer Energie im Jahr 2006 in Deutschland. Berlin 2007
Gestufte Systeme - Trophiestufen
1. Erklären Sie folgende Begriffe:
Biozönose
Biotop
Ökosystem
Biomasse
Produktion
Lebensgemeinschaft aller Organismen in einem Biotop
Lebensraum, Gesamtheit aller abiotischen Umweltfaktoren
(= nicht lebend, z.B. Temperatur, CO2)
Vernetzung von Biozönose und Biotop
gesamte lebende Masse aller Individuen
in einer bestimmten Zeit neu gebildete Biomasse
2. Trophiestufen (= Nahrungsstufen)
2.1 Wodurch kennzeichnen sich autotrophe Organismen aus?
 Autotrophe Organismen sind in der Lage, aus anorganischen Stoffen
energiereiche organische Stoffe herzustellen (Primärproduktion).
Welche Trophiestufe bilden die autotrophen Organismen?
 Primärproduzenten
2.2 Auf welche Weise ernähren sich heterotrophe Organismen?
 Als Nahrung nehmen sie die Biomasse anderer Organismen auf.
Welcher Trophiestufe werden diese heterotrophen Organismen zugeordnet?
 Als Pflanzenfresser (= Herbivoren) sind sie Konsumenten
1. Ordnung (=Primärkonsumenten)
2.3 Welche Organismen gehören zur dritten Trophiestufe?
 Fleischfresser (= Carnivoren) sind Konsumenten 2. Ordnung
(= Sekundärkonsumenten).
2.4 Warum ist die Anzahl der Trophiestufen eines Ökosystems begrenzt?
 Mit jeder höheren Stufe wird die Nahrung seltener und ihre Schwankungen wirken
sich gravierender aus.
2.5 Wie wird Produktion als kennzeichnende Größe einer Trophiestufe definiert?
Biologie JS2 / Trophiestufen / Wunder 2012
 Produktion beschreibt, wie viel neue Biomasse in einer bestimmten Zeit gebildet
wird.
2.6 Nach welchen Größen können ökologische Pyramiden erstellt werden?
 Biomasse (Masse pro Fläche)
 Produktion (Masse pro Fläche * Zeit)
 Flächenbedarf (Fläche pro Individuum)
3. Produktivitätsverhältnisse
„Die von Konsumenten als Nahrung aufgenommene Biomasse kann nicht
vollständig verwertet werden.“
3.1 Wozu verwenden die Konsumenten den nutzbaren Anteil der Biomasse?
 Für die Energieversorgung (= Zellatmung)
 Für das Wachstum der Individuen
 Für die Produktion von Nachkommen
3.2 Welche Beziehung besteht zwischen der Menge an aufgenommener Biomasse
und der Produktion einer Trophiestufe?
 Die Produktion einer Trophiestufe ist geringer als die Menge der aufgenommenen
Biomasse.
3.3 Welche Produktion hat eine höhere Trophiestufe im Vergleich zur darunter
liegenden Stufe?
 Die Produktion einer Trophiestufe beträgt nur 1/10 der darunter liegenden Stufe.
3.4 Was versteht man in diesem Zusammenhang unter der Produktivitätseffizienz?
 Das Verhältnis der Produktion aufeinander folgenden Trophiestufen liegt bei
annähernd 10:1;
d.h. die Produktivitätseffizienz liegt nur bei 10%.
 Von einer Trophiestufe zur Folgenden nimmt also die Produktion deutlich ab.
Biologie JS2 / Trophiestufen / Wunder 2012
Ökosystem Wald - Waldschäden
Schutzwirkungen des Bergwaldes
Ein gesunder, dichter Wald festigt durch sein Wurzelwerk den Boden und schützt diesen vor direkt
auftreffendem Regen. Er kann also die Erosion wirksam verhindern. Der Niederschlag wird
aufgefangen, langsam zum Boden weitergeleitet und kann dort z. B. entlang der Wurzeln gut versickern.
Ein Teil des Niederschlags wird von den Bäumen aufgenommen und verbraucht. Weitere Anteile des
Niederschlags verdunsten sofort wieder. Die Blätter bzw. Nadeln bilden insgesamt sehr große
Verdunstungsflächen. Die abfließende Wassermenge reduziert sich dadurch. Der Boden nimmt die
Feuchtigkeit wie ein Schwamm auf und gibt sie nur langsam wieder ab. Der Wald hat also eine den
Abfluss regulierende Wirkung. Nach starken Niederschlägen speichert der Wald bzw. Boden 80 bis 90
Prozent des Regenwassers, ein mit Wiese bedeckter Boden dagegen nur etwa 15 bis 20 Prozent.
Die das Klima ausgleichende Wirkung des Waldes und sein eigenes Mikroklima (Schatten) verzögert die
Schneeschmelze bis in den Sommer hinein und bremst auch hier den Abfluss.
Außerdem stellen die Bergwaldregionen der Alpen zusammen mit den weiten Schotterfeldern der
Flusstäler einen riesigen Trinkwasserspeicher dar.
Quelle: www.diercke.de/kartenansicht W. Linder, E. Jordan; Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann GmbH
1. Welchen Schutz bietet ein intakter Bergwald? Markieren Sie die Schlüsselwörter im Text!
Entstehung von Waldschäden
Zu Beginn der 80ziger Jahre lösten Meldungen über vermehrt aufgetretene Kronenschäden an
Waldbäumen Diskussionen aus... Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Verbrennung von Kohle
und Erdöl aus Schwefel, der in den Energieträgern enthalten ist, gasförmiges Schwefeldioxid entsteht. Es
gelangt mit den Abgasen in die Atmosphäre. Schwefeldioxid reagiert mit dem in der Luft enthaltenen
Wasserdampf und Sauerstoff zu Schwefliger Säure. Mit den Niederschlägen erreicht die Schwefelsäure die
Waldökosysteme. Zu diesem sauren Regen trägt auch Salpetersäure bei, die in der Atmosphäre aus
gasförmigen Stickstoffoxiden entsteht. Diese werden vor allem bei Verbrennungsprozessen in Automotoren
gebildet.
Quelle: Biologie Heute SII; Schroedel, Braunschweig; 2004; S.251
2. Beschreiben Sie die Entstehung von „Saurem Regen“.
Die Schadstoffe, die für den sauren Regen verantwortlich sind, sind
Schwefeldioxid und Stickstoffoxide.
 Diese Oxide entstehen bei der Verbrennung von fossilen
Brennstoffen in Kraftwerken, Haushalten und Verkehr.
 Die gasförmigen Oxide reagieren mit Wassermolekülen und mit
Sauerstoff in der Luft.
Reaktion von Schwefeloxiden:
SO2 + H2O
H2SO3
Reaktion von Stickstoffoxiden:
2 NO2+ H2O
2 HNO2 + O2
HNO2 + HNO3
2 HNO3
Biologie JS 2 / Waldschäden / Wunder 2012
Die sauren Niederschläge senken den pH-Wert der Böden. Dadurch werden aus dem Boden
Mineralstoffe ausgewaschen und Aluminium-Ionen aus den Bodenmineralien freigesetzt. Diese AluminiumIonen sind schädlich für die Wurzeln. Als Folge leiden die Bäume dann unter Mineralstoffmangel und
Wurzelschäden. Dadurch sind die Bäume anfälliger für Schäden durch Frost und Trockenheit, sowie für
den Befall durch Schädlinge.
Quelle: Biologie Heute SII; Schroedel, Braunschweig; 2004; S.251
3. Welche Folgen hat eine Übersäuerung des Waldbodens für den Baumbestand?
 Auswaschung von Mineralstoffen aus den Böden.
-> Mineralstoffmangel
 Freisetzung von giftigen Stoffen (Aluminium-Ionen).
-> Wurzelschäden
 Bäume sind dadurch anfälliger für Schäden durch Frost,
Trockenheit und Schädlinge.
Fotochemischer Smog. Viele der an die Umwelt abgegebenen Schadstoffe werden durch Reaktionen
untereinander und mit natürlichen Bestandteilen der Luft chemisch verändert. Da die Energie für diese
Reaktionen meist von der UV-Strahlung der Sonne stammt, nennt man diese Schadstoffe fotochemische
Oxidanzien. Eine zentrale Rolle spielt das Ozon. Es wird vor allem an heißen Sommertagen gebildet, wenn
von den Stickoxid-Emissionen aus Autoabgasen durch die Wirkung von UV-Strahlung atomarer Sauerstoff
abgespalten wird, der mit Luftsauerstoff zu Ozon (O3, Trisauerstoff) reagiert.
Quelle: Biologie Oberstufe; Prof. Ulrich Weber (Hrsg); Cornelsen-Verlag Berlin; S. 387
Ozonschäden am Tabakblatt
Bioindikatoren* werden als wichtiges Instrument in der ökologischen Umweltbeobachtung eingesetzt. Die
Tabaksorte Nicotiana tabacum reagiert empfindlich auf Ozon-Einwirkungen. Die Pflanze reagiert bereits auf
durchschnittliche Ozongehalte der Luft mit äußerlich sichtbaren Blattschädigungen, wie Vergilbungen und
Zerstörungen des Blattgewebes (Nekrosen). Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und schädigt die
Zellwände und die Plasmamembranen der Pflanzen. Diese Schädigungen können im Verhältnis zur
gesamten Blattfläche prozentual geschätzt werden. Diese akute Wirkung des Ozons tritt bei normal
empfindlichen Pflanzen meist nach kurzzeitiger Belastung mit hohen Ozonkonzentrationen auf.
Quelle: www.lfu.bayern.de; Landesamt für Umwelt
*Bioindikatoren: Ausgewählte Organismen, die Schadstoffe anreichern oder mit einer charakteristischen Veränderung
ihrer Lebensfunktionen reagieren und damit Schadstoffbelastungen anzeigen.
4. Warum verursacht Ozon diese Schäden an den Blättern?
 Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel.
 Es schädigt Zellwände und Plasmamembranen.
Biologie JS 2 / Waldschäden / Wunder 2012