Hotz Belinda - Kantonsschule Ausserschwyz

Kantonsschule Ausserschwyz
Gymnasium | Fachmittelschule
Maturaarbeit Oktober 2016
Der Einfluss des
monochromatischen Lichts
auf das Pflanzenwachstum
Belinda Hotz, M4a
Mövenstrasse 9, 8645 Jona
Betreuende Lehrperson:
Marc Steinegger
1 Vorwort | Maturaarbeit
INHALTVERZEICHNIS
1 VORWORT ..............................................................................................................................................2
2 ABSTRACT ..............................................................................................................................................4
3 EINLEITUNG ........................................................................................................................................... 5
3.1 ZIELSETZUNG .....................................................................................................................................................5
3.2 FRAGESTELLUNG................................................................................................................................................ 6
3.3 HYPOTHESEN .................................................................................................................................................... 6
3.4 LICHT ................................................................................................................................................................ 7
3.5 MONOCHROMATISCHES LICHT.............................................................................................................................. 9
3.5.1 LEDs ....................................................................................................................................................... 10
3.6 FOTOSYNTHESE ................................................................................................................................................ 11
3.7 KOPFSALAT ...................................................................................................................................................... 14
3.8 AKTUELLER WISSENSSTAND ............................................................................................................................... 14
4 MEINE IDEEN, MATERIAL UND METHODEN ........................................................................................... 15
4.1 METHODE........................................................................................................................................................ 15
4.2 VERSUCHSAUFBAU ............................................................................................................................................ 15
4.2.1 Beleuchtung ........................................................................................................................................... 15
4.2.2 Box ........................................................................................................................................................ 17
4.2.3 Pflanze ................................................................................................................................................... 19
4.3 VERSUCH ......................................................................................................................................................... 19
4.4 AUSWERTUNG ..................................................................................................................................................20
5 ERGEBNISSE ......................................................................................................................................... 21
6 DISKUSSION ......................................................................................................................................... 26
6.1 INTERPRETATION UND VERGLEICH DER RESULTATE .................................................................................................26
6.2 LITERATURVERGLEICH........................................................................................................................................ 27
6.3 BEANTWORTUNG DER LEITFRAGEN.......................................................................................................................28
6.4 FEHLERQUELLEN UND VERBESSERUNGSMÖGLICHKEITEN .........................................................................................28
7 SCHLUSSWORT ..................................................................................................................................... 29
7.1 FAZIT ..............................................................................................................................................................29
7.2 REFLEXION....................................................................................................................................................... 30
8 VERZEICHNISSE ................................................................................................................................... 31
8.1 LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS................................................................................................................ 31
8.2 BILDVERZEICHNIS.............................................................................................................................................. 32
9 EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG ........................................................................................................ 34
10 ANHANG ............................................................................................................................................. 35
10.1 MESSUNG DES GRÜNEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS ......................................................................................... 35
10.2 MESSUNG DES BLAUEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS ......................................................................................... 36
10.3 MESSUNG DES ROTEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS ........................................................................................... 37
10.4 MESSUNG DES LICHTS DER KONTROLLEGRUPPE ................................................................................................... 38
1
1 Vorwort | Maturaarbeit
1 VORWORT
Die Naturwissenschaften haben mich schon immer fasziniert. Zusammenhänge erkennen und
verstehen ist ein grundlegendes Bedürfnis von mir. Die Logik der Mathematik und die Begeisterung
für Biologie und Chemie waren Basis für meine Entscheidung, meine Studienrichtung und das
Schwerpunktfach in diesem Gebiet zu wählen.
Für die Maturaarbeit war es daher naheliegend, ein Thema aus diesen Gebieten zu wählen. Besonders
interessant finde ich die Wirkung Licht, als Grundlage des Lebens, auf das Wachstum von Pflanzen.
Wichtig war mir zudem, dass meine Arbeit einen Alltagsbezug hat. Pflanzen werden heute immer
häufiger unter Einbezug von künstlichem Licht in Gewächshäusern gezüchtet. Dies hat den
kommerziellen Vorteil, dass über das ganze Jahr gezüchtet und geerntet werden kann. Mit speziellen
Tricks kann zudem das Wachstum beschleunigt werden. Zum Beispiel können mit einem optimalen
Lichtspektrum und der richtigen Beleuchtungszeit für jede Pflanze ideale Wachstumsbedingungen
geschaffen werden. Vor dem Hintergrund einer stetig wachsenden Erdbevölkerung und knapper
werdenden Ressourcen, ist Forschung in diesem Bereich sinnvoll und nötig.
Ich habe mich deshalb mit der Frage auseinandergesetzt, ob ein kleinerer Teil des Lichtspektrums
ausreicht, um ein normales Pflanzenwachstum zu ermöglichen. Konkret habe ich mich entschieden,
dass ich die Auswirkung des Einsatzes von monochromatischem Licht auf das Pflanzenwachstum
untersuchen will.
2
1 Vorwort | Maturaarbeit
Danksagung
In erster Linie möchte ich mich bei meiner Betreuungsperson Herrn Marc Steinegger bedanken. Es
war für mich sehr motivierend, dass er von Beginn an von meiner Idee für die Maturaarbeit begeistert
war und es mir ermöglicht hat, über dieses Thema zu schreiben. Er schenkte mir den nötigen Freiraum
für die Gestaltung der Maturaarbeit, was mir sehr geholfen hat meine Vorstellungen umzusetzen und
das Thema selbständig zu erarbeiten. In den Besprechungen gab er mir immer wertvolle Inputs und
konstruktive Rückmeldungen.
Ein grosses Dankeschön geht an meinen Vater. Seine Unterstützung hat mir geholfen, einen guten
Versuchsaufbau sowie eine geeignete Lichtplanung durchzuführen. Die Beschaffung der
kostspieligen LED-Module war nicht einfach und ich erhielt durch ihn Zugang zu Kontakten, die mir
weiter helfen konnten. Ebenso erhielt ich von ihm Unterstützung bei der Wahl der Materialien für den
Bau der Kisten. Das optimale Zusammenspiel von Lampen, Pflanzen und Boxen war eine eigene
Herausforderung.
Ein grosses Dankeschön geht auch an meine Mutter. Sie motivierte und ermutigte mich immer, wenn
ich das Gefühl hatte, nicht weiter zu kommen.
Ausserdem war ich sehr froh, dass ich die Feinwaage der HSR benutzen durfte, sodass ich das Frischund Trockengewichts der Pflanzen genau bestimmen konnte.
Für die kritische Durchsicht und Korrektur meiner Arbeit bedanke ich mich herzlich bei Claudia Egli
und Beat Wirth.
Dankbar bin ich auch meiner Nachbarin Ann Staub, die während meinen Ferien pflichtbewusst meine
Pflanzen betreut hat.
Während meiner Maturaarbeit haben mich viele Personen mit interessanten Denkanstössen und
Informationen unterstützt und motiviert. Ihnen allen ein herzliches Dankeschön.
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2 Abstract | Maturaarbeit
2 ABSTRACT
In der Industrie wird das Wachstum der Pflanzen heute oft mit künstlichem Licht gefördert. So kann
eine stetige Nahrungsmittelversorgung sichergestellt werden und man ist unabhängig von
Sonnenlicht und Klima, da die Pflanzen in einem geschlossenen Raum angebaut werden können.
Mein Experiment ist im Grunde genommen ein Gewächshausversuch. Bei diesen Versuchen geht es
im Allgemeinen um eine Minimalisierung der Wachstumszeit und eine effiziente Energienutzung.
Mich hat deshalb die Frage beschäftigt, welches Licht am effizientesten ist, um bei den Pflanzen eine
gute Energieumsetzung zu erreichen. Das Wachstum der Pflanze kann anhand der resultierenden
Biomasse gemessen werden. Zudem gibt es noch andere sichtbare Merkmale, wie die Pflanzenform,
die Grösse oder die Blätterform und –farbe, welche Aufschluss über das Pflanzenwachstum geben.
Wenn das Licht auf ein sehr schmales Wellenband minimiert wird, entsteht monochromatisches
Licht, wie beispielsweise ein Farbstrahl bei der Lichtbrechung in einem Prisma. Ich habe in meiner
Arbeit analysiert, welchen Einfluss monochromatisches Licht auf das Pflanzenwachstum hat.
Den Einfluss des eingeschränkten Lichts habe ich an Hand eines Experiments ermittelt. Als
Experimentobjekt habe ich Kopfsalat gewählt. Der Kopfsalat hat den Vorteil, dass er relativ schnell
wächst, eine klare Blätterform hat und nicht zu gross wird. Durch diese Merkmale konnte ich das
Wachstum der Pflanzen gut vergleichen und interpretieren.
Zusammengefasst hat sich der Kopfsalat unter den verschieden monochromatischen Lichtquellen
äusserst unterschiedlich entwickelt. Jedoch war kein Wachstum besser als das der Kontrolle, die ohne
Spektrumseinschränkungen belichtet wurden.
4
3 Einleitung | Maturaarbeit
3 EINLEITUNG
3.1 ZIELSETZUNG
In der Natur wachsen die Pflanzen unter Einwirkung von Sonnenstrahlen, welche aus einer Summe
von verschiedenen Spektralfarben bestehen. Immer mehr Pflanzen werden ohne direktes
Sonnenlicht gezüchtet. Was geschieht, wenn sie mit einem anderen Lichtspektrum beleuchtet
werden? Um dies festzustellen, werde ich einen Versuch machen, in dem ich eine Pflanzenart
verschiedenen monochromatischen Lichtern aussetze, was einem Licht mit einem engen
Lichtspektrum entspricht.
Abb. 1: Lichtspektrum des Tageslichts
Dies kann einen Aufschluss geben, wie Pflanzen in Gewächshäusern beleuchtet werden sollen, um ein
optimales Wachstum zu erhalten. Mit zusätzlichen Lampen kann das Wachstum gesteigert, die Zeit
bis zur Ernte verkürzt und der finanzielle Ertrag erhöht werden. Es gibt viele Studien zur optimalen
Beleuchtung in Gewächshäusern. Nur wenige befassen sich jedoch mit dem Wachstum unter
verschiedenen Lichtspektren.
Wegen dem Bevölkerungswachstum und der damit verbundenen Nahrungsverknappung befasst sich
die Forschung unter anderem mit den Möglichkeiten der Ertragssteigerung. Der Anbau von Pflanzen
in Gewächshäusern wird zunehmen, da er unabhängig von Wettereinflüssen und somit
berechenbarer ist. Im Gewächshaus kann die optimale Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewässerung
und Belichtung gewährleistet werden. Die Belichtung der Pflanzen ist der noch am wenigsten
erforschte Teil. Dies mag damit zusammenhängen, dass es im Fachgebiet des künstlichen Lichts in
den letzten Jahren immer wieder zu innovativen Entwicklungen gekommen ist.
5
3 Einleitung | Maturaarbeit
Das Pflanzenwachstum selbst steht in meinem Fokus meiner Versuchsanlage. Die äusseren Faktoren
werde ich stabil halten, damit ich aussagekräftige und reproduzierbare Resultate erhalte. Dazu gehört
die
Erdbeschaffenheit,
die
Bewässerung,
die
Luftfeuchtigkeit,
die
Temperatur,
die
Photonenflussdichte, die Beleuchtungsdauer sowie die Sauer- und Kohlenstoffsättigung der Luft.
Untersuchen werde ich das Wachstum anhand der Pflanzengrösse, der Blätterform und –farbe.
Zudem werde ich das Trockengewicht bestimmen, was einen Anhaltspunkt darüber liefert, wieviel
Fotosynthese die einzelnen Pflanzen unter dem entsprechenden Licht betrieben haben. Ich habe
mich für den Kopfsalat als Versuchspflanze entschieden und werde meine Aussagen speziell auf den
Kopfsalat beziehen. Je nach Pflanzenart können die unterschiedlich ausfallen. Die Resultate können
nicht generalisiert werden.
3.2 FRAGESTELLUNG
Alle Pflanzen in der Natur haben sich auf das Sonnenlicht eingestellt und sind davon abhängig. Das
Sonnenlicht hat ein ausgewogenes Lichtspektrum. Wenn die Sonne nun plötzlich durch ein anderes
Licht ersetzt wird, könnte sich das Wachstum der Pflanze entscheidend verändern. Vielleicht wächst
der Kopfsalat unter bestimmten Umständen gar nicht mehr. Für mich stellt sich die Frage ob und wie
sich das Pflanzenwachstum verändert, wenn das Lichtspektrum auf eine Spektralfarbe reduziert wird.
Kann sich der Kopfsalat anpassen oder zu welchen Veränderungen führt das reduzierte
Lichtspektrum?
3.3 HYPOTHESEN
Die Pflanzen haben sich seit Millionen von Jahren genetisch an das Sonnenlicht angepasst.
Grundsätzlich gehe ich davon aus, dass ein künstlich verändertes Lichtspektrum das
Pflanzenwachstum beeinträchtigt. Zudem besteht die Möglichkeit, dass kein Leben oder Wachstum
in diesen eingeschränkten Spektren möglich ist.
Bei dem grünen monochromatischen Licht könnte ich mir vorstellen, dass der Kopfsalat schlechter
wächst als bei anderen eingeschränkten Lichtspektren. Dies würde ich darauf zurückführen, dass der
grüne Kopfsalat das grüne monochromatische Licht reflektiert und nur wenig aufnimmt. Bei allen
anderen Farben werden die Lichtwellen vom grünen Kopfsalat absorbiert. Bei grünen Pflanzen gehe
ich davon aus, dass das Licht reflektiert wird und deshalb auch nur reduzierte Fotosynthese
stattfindet.
6
3 Einleitung | Maturaarbeit
3.4 LICHT
In der Tierwelt ist der Sehsinn äusserst wichtig. Zur Kommunikation mit Artgenossen, zum Aufspüren
von Beute, zum Erkennen von Gefahren, zur Steuerung des Tag-Nacht-Rhythmus und zur
Orientierung im Raum wird dieser Sinn gebraucht. Nur Tiere, welche in völliger Dunkelheit leben, sind
vollkommen unempfindlich für Lichtreize.
Lichtstrahlen lösen im Auge ein Helligkeitseindruck aus. Was wir als Licht wahrnehmen, ist die
physikalische Aussendung und Übertragung von Energie in elektromagnetischen Wellen mit
bestimmter Frequenz und Wellenlänge. Elektromagnetische Wellen schwingen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung, weshalb sie als transversale Schwingungen bezeichnet werden. Sie breiten
sich mit der Geschwindigkeit (c) im luftleerem Raum aus: c = 2,99792458 108 m/s. Dieser Wert ist die
Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist in Gasen, Flüssigkeiten
und festen Körpern, welche Strahlung durchlassen, kleiner als im leeren Raum. Die Frequenz sagt aus,
wie schnell die Strahlung schwingt. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen. Dabei entspricht ein Hertz einer
vollständigen Schwingung pro Sekunde. Als eine vollständige Schwingung wird ein Wellenberg und
–tal bezeichnet. Mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Frequenz kann die Wellenlänge
ermittelt werden. Die Wellenlänge ist die Entfernung, welche während einer vollständigen
Schwingung zurückgelegt wird. Der Zusammenhang der drei Grössen lässt sich in der folgenden
Formel darstellen:
Wellenlänge =
Ausbreitungsgeschwindigkeit (c)
Frequenz (Hz)
Das elektromagnetische Spektrum umfasst die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen. Dieses
Spektrum ist in verschiedene Bereiche unterteilt. Der Mensch kann nicht alle Wellen wahrnehmen. So
nimmt er über die verschiedenen Sinnesorgane kann er unterschiedliche Wellenlängen wahr. Mit den
Augen sieht er einen Teil der elektromagnetischen Strahlen. Einen Teil kann er mit den Ohren hören
und über die Haut werden durch Strahlungen Wärmeindrücke aufgenommen.
Abb. 2: Elektromagnetisches Spektrum
7
3 Einleitung | Maturaarbeit
In der Quantentheorie wird die Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Materie beschrieben.
Dabei wird die Energie nur in Elementarmengen von den sogenannten Photonen oder Quanten
ausgestossen und absorbiert. Photonen werden immer als Ganzes ausgesendet. Je höher die
Frequenz und somit je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher sind sie.
Die Energie (E) wird aus der Formel 𝐸 = ℎ × 𝑓 errechnet. Das Plancksche Wirkungsquantum wird
als h bezeichnet und ist eine Konstante, welche dem Verhältnis von Energie und Frequenz eines
Photons entspricht. h = 6,6260755 x 10-34 Js
Das 𝐸 steht für die Energie mit der Einheit Joule und das 𝑓 für die Frequenz in Hertz eines Photons.
Ein Photon besitzt nur eine sehr kleine Menge an Energie, so beträgt sie bei rotem Licht mit einer
Wellenlänge von 700nm 2,84 x 10-19 J, bei grünem Licht mit 500nm Wellenlänge 3,98 x 10-19 J und bei
violettem Licht mit einer Wellenlänge von 400nm 4,97 x 10-19 J. Das blaue Licht besitzt am meisten
Energie und sollte deswegen besser zu sehen und wirkungsvoller für die Pflanzen sein. Jedoch ist dies
nicht der Fall, da je nach Wellenlänge unterschiedliche Empfindlichkeiten vorliegen.
(AEG; Philips, 4-5)
Das Auge des Menschen nimmt gelbliches Licht am stärksten wahr, da in diesem Bereich eine
spezielle Empfindlichkeit vorliegt. Bei den Pflanzen ist das anders. In den Bereichen mit violettdunkelblauem Licht und orange-roten Licht haben die Pflanzen eine stärkere Empfindlichkeit. Aus
diesem Grund kann nicht mit Lux gerechnet werden, denn diese Einheit ist auf das menschliche Auge
angepasst. Bei Pflanzen wird deshalb der Photonenfluss als Kriterium eingesetzt, welcher auf die
Empfindlichkeiten der Pflanzen eingeht. (Philips, S.3)
Das PAR steht für Photosynthetically Active
Radiation und beschreibt die Empfindlichkeit
der einzelnen Wellenlängen bei der Pflanze.
Das SL steht für Solar Light und zeigt die
Empfindlichkeit des menschlichen Auges auf.
Abb. 3: Unterschied der Lichtempfindlichkeit des Auges und der Pflanzen
8
3 Einleitung | Maturaarbeit
3.5 MONOCHROMATISCHES LICHT
Als monochromatisches (von griechisch mono-chromos, dt. „eine Farbe“) Licht wird das Licht einer
bestimmten Wellenlänge bezeichnet. Die Farbe einer solchen bestimmten Wellenlänge ist eine
Spektralfarbe. Bei einem Lichtstrom haben somit alle Photonen theoretisch die gleiche Wellenlänge,
was in der Praxis jedoch niemals exakt zutrifft. Deshalb wird jeweils der Mittelwert genommen, was
eine gewisse Bandbreite an Wellenlängen zulässt.
Monochromatisches Licht kann durch unterschiedliche Methoden hergestellt werden. Mit Hilfe eines
Monochromators kann aus polychromatischem Licht, welches aus verschiedenen Wellenlängen
besteht, monochromatisches Licht erzeugt werden.
Ein bekanntes Beispiel eines Monochromators ist das Prisma. Wenn Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen durch ein Prisma strahlt, werden durch die unterschiedliche Brechungszahl des Glases
die Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen. Kurzwelliges und somit blaues Licht wird stärker
gebrochen als langwelliges, rotes Licht. Je nach Wellenlänge tritt deshalb das Licht mit einem anderen
Winkel aus dem Prisma aus. Somit wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt.
Abb. 4: Licht wird durch das Prisma in die Spektralfarben zerlegt
Ein weiterer Monochromator ist der optische Filter. Er basiert auf einem Instrument, welches für
manche Wellenlängen transparent ist und für andere unpassierbar. So kommt nur ein kleiner Teil des
Lichtes durch den Filter und erzeugt so ein monochromatisches Licht.
Ebenfalls ein Monochromator ist das Beugungsgitter. Es ist so angelegt, dass aus feinen Fäden mit
bestimmter Dicke und Abstand zu einander ein Netz gebildet wird. Wenn das Licht darauf einfällt,
wird es in alle Richtungen gebeugt, wodurch in unterschiedlichen Beugungsrichtungen jeweils ein
monochromatisches Licht entsteht. (Wikipedia 2003)
Ein monochromatisches Licht kann auch durch LED-Lampen erzeugt werden.
9
3 Einleitung | Maturaarbeit
3.5.1 LEDs
LED bedeutet Light-Emitting Diode, was übersetzt „Licht aussendende Diode“ heisst.
Die Diode besteht aus zwei Anschlussdrähten, einer Kathode, die positive Ladungsteilchen anzieht,
und einer Anode, die negative Landungsteilchen anzieht. Beide Drähte sind in einer Kunststoffkapsel
eingeschlossen, welche das emittierte Licht verteilt und die Bauteile schützt. Ein sehr feiner
Bonddraht verbindet die Anode mit einem Halbleiterkristall. Dieser Halbleiterkristall befindet sich in
einer Reflektorwanne, welcher über der Kathode platziert ist. Ein Halbleiterkristall ist ein Festkörper,
welcher sowohl leiten als auch isolieren kann, was von der Temperatur und der Lichteinwirkung
abhängt.
Ein Halbleiterkristall besteht aus zwei Schichten. Die eine Schicht hat einen Elektronenüberschuss
(n-Schicht) und die Zweite hat einen Elektronenmangel (p-Schicht). Dieses Ungleichgewicht wird
durch eine gezielte Zugabe von Atomen, die eine andere Anzahl an Valenzelektronen aufweisen,
erzielt.
Wenn
die
beiden
Schichten
zusammengebracht
werden,
gleichen
sich
die
Landungsunterschiede aus. Solange kein Strom fliesst ist der n-p-Körper neutral. Sobald eine
Spannung in Flussrichtung angelegt wird, startet ein Stromfluss von der n-Schicht zur p-Schicht. Der
Elektronenüberfluss wird mit dem Elektronenmangel ausgeglichen. Man spricht in diesem
Zusammenhang von einer Rekombination. Dabei geben die Elektronen ihre enthaltene Energie in
Form von Lichtblitzen frei. Das Licht entweicht durch die dünne p-Schicht. Je nach Art des
Halbleitermaterials wird eine andere Wellenlänge des Lichts abgestrahlt. Für alle LEDs ist dies ein
enger spektraler Bereich. So erzeugen LEDs ein monochromatisches Licht.
(Friedrich; Wirries 2014)
Abb. 5: Aufbau einer LED
10
3 Einleitung | Maturaarbeit
3.6 FOTOSYNTHESE
Zwischen dem Leben von Mensch und Tier und dem Leben von Pflanzen besteht eine
Wechselwirkung. Was Pflanzen als Abfallstoff produzieren, ist für den Menschen überlebenswichtig.
Dasselbe gilt auch umgekehrt. Ein Organismus zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass er
wächst. So kommt es zu einer Zunahme an Gewicht, Grösse und/oder Anzahl. Das Wachstum basiert
auf der Synthese neuer Bauelemente aus organischen Substanzen. Dabei wird viel Energie gebraucht.
Die benötigte Energie wird für die meisten lebenden Organismen durch Spaltung von Zucker und Fett
bereitgestellt, die sich zusammen mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid transformieren.
Während dieser Reaktion wird eine gewisse Menge an Energie freigesetzt, da die Reaktion exotherm
verläuft. Damit diese Reaktion möglich ist, muss der Organismus immer mit ausreichend Sauerstoff
und organischen Verbindungen versorgt werden.
Damit die Pflanzen wachsen, brauchen sie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Energie. Der chemische
Prozess, bei dem die Pflanzen diese Edukte verbrauchen, um Glucose herzustellen heisst
Photosynthese. Bei dieser Reaktion entsteht Sauerstoff als Nebenprodukt. Die Energie für die
Photosynthese wird von der Sonne bereitgestellt, denn die Strahlen, die auf der Erde auftreffen,
enthalten Photonen. Die Photonen sind die kleinste Einheit des Lichts. Photonen schwingen entlang
eines Weges, der als Wellenlänge gemessen wird. Die Farbe der Pigmente kommt von der
Wellenlänge des reflektierten Lichts. Die Pflanzen sind grün, da die Pigmente grünes und gelbes Licht
reflektieren. Blaue und rote Wellenlängen werden absorbiert. Die Energie stellen die Pigmente für die
Photosynthese zur Verfügung. Die Glucose wird in der Pflanze zu Stärke, Zellulose oder
Traubenzucker umgewandelt und vielseitig verwendet als Energiespeicher, Baustoff oder Lockstoff.
Bruttoteilchengleichung:
Nettoteilchengleichung:
6 CO2 + 12 H2O  C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2
11
3 Einleitung | Maturaarbeit
Auf der Zellebene findet die Photosynthese in den Chloroplasten statt. Nur pflanzliche Zellen besitzen
Chloroplasten, deshalb können nur Pflanzen Photosynthese betreiben. Im Aufbau unterscheiden sich
pflanzliche und tierische Zellen durch die Zellwände, die Vakuole und die Chloroplasten.
(AEG; Philips, S. 7-8)
Abb. 6: Aufbau einer pflanzlichen Zelle
Die Photosynthese besteht aus der Lichtreaktion und dem Calvin Zyklus. Innerhalb des Chloroplasts
sind kleine scheibenartige Strukturen, genannt Thylakoide, die von einem flüssigkeitsgefüllten Raum
namens Stroma umgeben sind. Die Reaktion, welche Glucose herstellt, ist der Calvin Zyklus und
findet in dem Stroma statt. Die Lichtreaktion findet in den Thylkoiden statt. Dort wird die
Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt.
Abb. 7: Stadien der Photosynthese in den Chloroplasten
12
3 Einleitung | Maturaarbeit
Zu den wichtigsten Pigmenten gehören das Chlorophyll a und b und verschiedene Carotinoide. Das
Chlorophyll a und b absorbieren Licht im blauen und roten Wellenlängenbereich. Jedoch werden
durch die anderen Chloroplastenpigmente auch noch andere Spektralbereiche absorbiert. Dies
geschieht aber in einem kleineren Ausmass. (Schöbel 2005)
Durch die Absorption von Photonen wird Lichtenergie gewonnen und gespeichert. Bei diesem
Prozess wird das Wasser(H2O) in 2 H+-Teilchen und ein ½ O2 aufgetrennt. Zudem wird aus der
gewonnenen Lichtenergie ATP und NADPH aufgebaut, welche nachher im Calvin-Zyklus als
Energiequellen gebraucht werden. Die Lichtreaktion besteht aus den Photosystemen I und II. Das
Photosystem II, bei dem ATP entsteht, findet vor dem Photosystem I statt. Das Photosystem I liefert
NADPH. (Thema Biologie 2012)
Die Internetseite Thema Biologie sagt: „Ein Photosystem besteht aus einem Reaktionszentrum, das
von sogenannten Lichtsammelkomplexen umgeben ist. Die Lichtsammelkomplexe sind jene Orte, in
denen sich die verschiedenen Farbstoffmoleküle (Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide) befinden.
Eine größere Anzahl der Farbstoffmoleküle erlauben einem Photosystem ein größeres Spektrum an
Licht für die Fotosynthese verwenden zu können.“
Der Calvin-Zyklus findet in dem Stroma statt. Die Reaktion wird auch Schattenreaktion genannt, da
sie keinen direkten Lichteinfluss braucht. Der Calvin-Zyklus nimmt die benötigte Energie in Form von
ATP und NADPH, die bei den Photosystemen II und I entstanden sind, auf und baut damit
Kohlenstoffdioxid in die Kohlenhydrate ein. Somit muss der Calvin-Zyklus 6 Mal durchlaufen werden
um ein Glucose-Molekül herzustellen. (Schöbel 2005)
Pflanzen speichern Energie in Form von Stärke. Organismen, die keine Photosynthese betreiben
können, sind darauf angewiesen die in den Pflanzen ausgelagerte Stärke durch Nahrung
aufzunehmen. (AEG; Philips, S. 7-8)
13
3 Einleitung | Maturaarbeit
3.7 KOPFSALAT
Der Kopfsalat ist ein Gemüse, welches sehr einfach anzubauen ist. Er kann in Gewächshäusern wie
auch im Freien angebaut werden. Ein sonniger Standort und eine regelmässige Wasserversorgung
ohne Staunässe sind wichtig für ein gutes Gedeihen. Zusätzlich sollte der pH-Wert des Bodens nicht
unter 5.5 liegen. Wann der Kopfsalat geerntet werden kann, hängt stark von der Temperatur ab. Die
Reifezeit beträgt 60 bis 120 Tage. Bei dieser Sorte Salat ist die Sprossachse stark gestaucht, sodass
die Blätter rund um den Stängel nahe beieinander liegen und sich gegenseitig überlappen. Die
äusseren Blätter sind nach aussen gebogen, wodurch die Form abgeflacht ist. Die Blätter sind meist
breiter als lang, zudem etwas runzelig mit einer weichen Oberfläche, welche sich leicht ölig anfühlt.
(Wikipedia 2005)
3.8 AKTUELLER WISSENSSTAND
Die Photosynthese der Pflanzen findet vorwiegend in den Wellenbereichen zwischen 400 und 500 nm
(blau) und 600-700 nm (hellrot) statt. Jedoch ist das nicht bei allen Pflanzen gleich, da sie für
verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen. Bei gleichem Licht kann
das Ergebnis für zwei verschiedene Pflanzen unterschiedlich ausfallen.
Laut Studien der Firmen AEG und Philips ist das Licht im Wellenbereich von 530-670 nm am
Effektivsten. Licht kürzer als 400 nm und länger als 700 nm ist fast nutzlos für die Photosynthese. Das
Licht gibt der Pflanze ihre Form. Dieser Formgebungseffekt wird Photomorphogenese genannt. Der
blaue Spektralbereich führt dazu, dass die Pflanzen kompakt wachsen. Das langwellige, rote Licht
bringt Pflanzen hervor, die gestreckt sind und fast keine Seitentriebe haben. (Philips)
Je kürzer die Wellenlänge desto energiereicher ist sie. So ist bei UV-B Strahlung mit einer Wellenlänge
zwischen 280-320 nm die Energie so stark, dass die Pflanzen eine Abnahme der Biomasse, der
Wuchshöhe und des Blattvolumes zeigen. Zu blauem Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380-500
nm, finden sich in der Literatur widersprüchliche Angaben. Es wurde sowohl eine Zunahme wie auch
eine Abnahme des Längenwachstums festgestellt. Grünes Licht, welches sich im Wellenbereich
zwischen 500-600 nm befindet, wird zu einem grossen Teil von den Blättern reflektiert, weshalb sie
grün erscheinen. Eine Absorption findet im blaugrünen, kurzwelligen Bereich durch Carotinoide statt.
Auch über das Pflanzenwachstum bei hellrotem Licht mit einer Wellenlänge von 600-700 nm gibt es
verschiedene Aussagen. Das verstärkte Längenwachstum lässt sich auf eine starke Photosynthese
Aktivität durch das Chlorophyll zurückführen, wie es auch beim blauen Licht der Fall ist. (Prucker 2013)
14
4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
4 MEINE IDEEN, MATERIAL UND METHODEN
4.1 METHODE
Um den Einfluss des monochromatischen Lichts auf das Pflanzenwachstum zu untersuchen, ist ein
Experiment die beste Lösung. Anhand eines Versuchs, kann die Auswirkung auf die Pflanze praktisch
bewiesen und mit der Theorie verglichen werden.
Ein Experiment will eine Frage beantworten. Dazu wird eine Hypothese formuliert und überprüft.
Experimente werden vor allem in den Naturwissenschaften angewandt. Mit Experimenten werden
präzise Annahmen über den Verlauf eines Prozesses in der Natur durch Tests überprüft.
4.2 VERSUCHSAUFBAU
4.2.1 Beleuchtung
Ich habe mich für LED-Lampen als Lichtquelle entschieden, denn diese erzeugen monochromatisches
Licht. LEDs haben den Vorteil, dass sie einen geringen Energieverbrauch sowie eine geringe
Wärmeentwicklung aufweisen und sehr klein sind. Es gibt diese Lampen in den drei Grundfarben des
Lichts. Mit den drei Grundfarben grün, rot und blau werde ich meine Pflanzen belichten. Zusätzlich
werde ich zum Vergleich eine Kontrollgruppe in den Versuch miteinbeziehen, die mit allen drei
Grundfarben, was einem weissen Licht entspricht, ausgestattet ist. Ich habe bewusst keine
Kontrollgruppe mit Sonnenlicht gewählt, da dort die Beleuchtungsdauer, Intensivität und die
Wetterbedingungen anders wären. Die Pflanzen wurden pro Tag 16 Stunden beleuchtet, was sich mit
einem Tag in einem Hochsommermonat vergleichen lässt. Die Beleuchtungsdauer wurde so gewählt,
weil in einem geschlossenen Raum niemals eine so hohe Photonenflussdichte reproduziert werden
kann, wie wenn eine Pflanze von der Sonne bestrahlt wird. Mit acht Stunden bleibt den Pflanzen
trotzdem eine ausreichende Regenerationszeit, was für ein gutes Wachstum wichtig ist.
Jedes Lichtmodul besteht aus einer LED-Lampe, einem Kühlkörper und einem Betriebselement. Mit
dem ProLight PUMF-100FFA-NC3P 100W COB Light-Engine LEDs Technical Datasheet Version: 1.0
wurde das monochromatische Licht erzeugt. Das rote monochromatische Licht hat eine Wellenlänge
von 623 nm, das Grüne 528 nm und das Blaue 455 nm. Jedes dieser Module hat einem 120 Grad
Abstrahlwinkel, das heisst, dass der Lichtstrahl mit einem Kegel von 120 Grad abgestrahlt wird. Damit
diese LED-Module nicht überhitzen, muss ein Kühlkörper angebracht werden. Es sind Kühlkörper von
Mechatronix, welche einen Durchmesser von 99 mm haben und 100 mm hoch sind. Mit dem Mean
Well Konstantstrom dimmbarem Betriebsgerät kann die Intensivität der LED-Module so eingestellt
werden, dass alle Boxen dieselbe Photonenflussdichte aufweisen. Bei der Photonenflussdichte wird
berücksichtigt, dass die Pflanze für verschiedene Farben verschiedene Empfindlichkeiten aufweist
und somit gewisse Wellenlängen besser in Energie umgewandelt werden können als andere. Da die
15
4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
Photonenflussdichte bei allen Boxen gleich ist, wird nur die Lichtfarbe entscheidend sein, ob die
Pflanzen unterschiedlich wachsen. Mit Hilfe des GL Optic MINI Spectrometers kann der
Photonenfluss gemessen und richtig eingestellt werden. Als Photonenflussdichte (PFFD-Wert) habe
ich mich für einen Wert von 80 µmol m-2s-1 entschieden. Wenn ein Kopfsalat in einem Gewächshaus
mit Tageslicht noch zusätzlich während 16 Stunden beleuchtet wird, sollte man einen PFFD-Wert von
45-60 µmol m-2s-1 nehmen. Da in meinem Versuch die Kopfsalate ohne Sonnenlicht beleuchtet
werden, muss dieser Wert höher sein. Bei einem mittlerem Strahlungsbedarf benötigen Pflanzen 3050 µmol m-2s-1 und bei einem hohen Strahlungsbedarf bis zu 100 µmol m-2s-1. Vor diesem Hintergrund
habe ich mich dafür entschieden, einen PFFD-Wert von 80 µmol m-2s-1 zu nehmen. Es kommt nicht
allzu sehr darauf an, wie gross der PFFD-Wert ist, solange er nicht zu tief oder allzu hoch ist. Wichtiger
ist, dass alle Pflanzen mit denselben PFFD-Wert beleuchtet werden. Da der PFFD-Wert vom PARWert abhängt, welcher die unterschiedlichen Empfindlichkeiten für das Licht berücksichtigt, kommt
es schliesslich nur noch auf die Lichtfarbe an. Unter dem Betriebsgerät wurde aus
Brandschutzgründen jeweils eine Aluminiumfolie platziert, damit die Hitze der Regler nicht direkt auf
die Box übertragen wird.
Abb. 8: blaues Licht erzeugender LED-Chip mit schwarzem Kühlelement
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4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
4.2.2 Box
Damit die Kopfsalate lichtdicht abgeschirmt sind und die Lichtquellen eine geeignete Aufhängung
haben, baute ich vier Boxen aus einem Material für Architekturmodelle. Es ist eine Leichtstoffplatte
mit PUR-Schaumkern und beidseitigen Deckschichten aus Papier. Dieses Material ist geeigneter als
Karton, da es wenig Feuchtigkeit aufnimmt und die Box dadurch stabiler bleibt. Jede Versuchsgruppe
erhält eine separate Box.
Damit sie über die Salatschalen (55 x 32 cm) passen, habe ich die Boxen 55 cm lang und 34.5 cm breit
gemacht. Da die Lichtquelle ein 120 Grad Abstrahlwinkel hat, habe ich für die Höhe 34 cm gewählt,
damit die gesamte Fläche der Box ausgeleuchtet wird.
Lichtquelle
Länge der Salatschale
Abb. 9: Beweis, dass die ganze Kiste beleuchtet wird
Die Belüftungsschlitze sind 20cm breit und 4cm hoch. Sie befinden sich auf beiden Seiten der Boxen.
Dies ist für die Photosynthese sehr wichtig. Durch diese Schlitze kann der entstandene Sauerstoff an
die Umgebung abgegeben und neues Kohlenstoffdioxid aufgenommen werden. Das Licht, welches
durch die Belüftungsschlitze in die Box gelangen kann, ist vernachlässigbar.
Abb. 10: Aufbau der Box
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4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
Damit diese Box auch die Lichtquelle tragen kann, habe ich die Kisten mit Holzlatten verstärkt. Es sind
jeweils zwei Latten auf der Längsseite der Boxen aufgeklebt sowie zwei auf dem Deckel. Sie haben
einen Abstand von 6.5cm zueinander, damit sie die Lichtquelle mit dem Kühlelement, mit einem
Durchmesser von 9.9 cm, tragen. Zudem hat die Box im Deckel ein Loch, damit die Lampe auf den
Deckel gelegt werden kann und die Lichtquelle gut in die Box strahlt Diese Öffnung ist 5cm lang und
6cm breit. Zusammengeklebt sind die Boxen mit Leim und Klebeband.
Abb. 11: Box zusammengeklebt
In jeder Box werde ich drei Pflanzen belichten. So kann die Streuung der Pflanzen etwas ausgeglichen
werden und ich kann ein verlässlicheres Ergebnis erzielen. Die Pflanzen habe ich in einem Dreieck in
den Kisten angeordnet, damit sie alle gleich weit von der Lichtquelle entfernt sind und somit gleich
stark bestrahlt werden. Die Pflanzenschalen sind 50cm lang, 32cm breit und 7cm hoch.
Abb. 12: Versuchsaufbau
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4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
4.2.3 Pflanze
Als Versuchspflanze habe ich mich für den Kopfsalat entschieden, da er einfach anzubauen ist und als
unkompliziert gilt. Zudem war es wichtig, eine Pflanze auszusuchen, die nicht allzu hoch wird. Sie
sollte eher in die Breite wachsen, da die Lichtintensität stark zunimmt, wenn die Pflanze der
Lichtquelle näher kommt. So wäre die Bestrahlungsintensität an gewissen Stellen viel grösser als an
anderen. Ausserdem besitzt der Kopfsalat grosse Blätter, was optimal für die Photosynthese ist. Je
grösser die Blätter einer Pflanze sind, desto grösser ist die beleuchtete Fläche, wo sich die
Photosynthese abspielt.
4.3 VERSUCH
Das Experiment startete ich am Sonntag 12. Juni 2016. An diesem Tag mussten alle Lichter auf
denselben Photonenfluss von 80 µmol m-2s-1 eingestellt werden. Dabei kam ein Spektrometer zum
Einsatz. Mit einer Zeitschaltuhr wurde die Bestrahlungsdauer der Lichtquellen von 6 Uhr morgens bis
10 Uhr abends eingestellt.
Während des Versuchs überprüfte ich täglich den Wasserstand und machte von Zeit zu Zeit Fotos von
den Salaten. Leider liebten auch sehr viele Fruchtfliegen dieses Klima. Mit einer Fliegenfalle kam ich
ihnen nicht bei. Nach kurzer Zeit bedeckten sie den ganzen Boden.
Abb. 13: Boxen beleuchtet
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4 Meine Ideen, Material und Methoden | Maturaarbeit
Am 8. Juli 2016 beendete ich das Experiment. Damit sich die Wurzeln aus der Erde lösen liessen,
musste ich die Erde mit Wasser tränken. Dieser Prozess dauerte etwa 4-5 Stunden. Danach musste
die gesamte Erde von den Blättern und Wurzeln entfernt werden. Sobald die Pflanzen sauber waren,
habe ich mit der Feinwaage der HSR das Frischgewicht der Salate bestimmt. Zudem habe ich die
Grösse und den Durchmesser der Pflanzen und die Blättergrösse bestimmt. Anschliessend habe ich
die Pflanzen bei 100-110 Grad im Backofen getrocknet. Diese Temperatur war so gewählt, damit das
Wasser verdampft, der Salat aber nicht verkohlt. Die Salate liess ich 16 Stunden im Backofen, bis sie
trocken waren. Anschliessend habe ich die Pflanzen nochmals gewogen, damit ich das
Trockengewicht ermitteln konnte. Von den Schalen der Versuchsgruppen habe ich jeweils noch eine
Probe der Erde genommen, um zu schauen, ob sich der pH-Wert verändert hat. Danach habe ich alle
erhobenen Daten ausgewertet.
4.4 AUSWERTUNG
Ich habe die Resultate anhand der folgenden Kriterien ausgewertet:
-
die Blattform
-
die Grösse
-
das Gewicht
-
die Blattfarbe
-
der pH-Wert
-
das Trockengewicht
-
die Beobachtung des Wachstums während des Versuchs
Die Pflanzen habe ich untereinander analysiert. Zudem verglich ich sie mit den Angaben in der
Literatur und anderen ähnlich durchgeführten Versuchen. Dabei suchte ich Gemeinsamkeiten und
Abweichungen und wog sie gegeneinander ab.
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5 Ergebnisse | Maturaarbeit
5 ERGEBNISSE
In meinem Feldversuch habe ich unter vier verschiedenen Belichtungen jeweils drei Kopfsalate
gepflanzt. Dies sollte einen genaueren Aufschluss darauf geben, wie die Pflanzen unter dem
jeweiligem Licht wachsen. Ich habe mich dafür entschieden, immer den Durchschnitt der drei
Pflanzen anzuschauen. Über die Zeitdauer von 26 Tagen waren die Pflanzen 16 Stunden pro Tag
beleuchtet.
Kontrolle
Grün
Blau
Rot
Durchmesser Ø
19.66 cm
20 cm
18.33 cm
11.66 cm
Höhe Ø
10.33 cm
7.33 cm
11.53 cm
13 cm
Frischgewicht Ø
76.95 g
66.11 g
72.66 g
67.05 g
Trockengewicht Ø
5.15 g
4.74 g
4.92 g
3.79 g
Verhältnis Trocken- &
Frischgewicht
14.9
13.9
14.8
17.7
pH-Wert
6.8
6.8
6.8
7
Blattfarbe
Sattes Grün
Helles Grün
Sattes Grün
Gelbliches Hellgrün
Tabelle 1: Übersicht der Resultate aller erhobenen Daten
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die erhobenen Ergebnisse. Beim Diagramm 1 wird genauer auf die
Frisch- und Trockenmasse eingegangen. Das Verhältnis der beiden Zahlen wird deutlich durch die
einzelnen Säulen. Zudem kann das Gewicht der einzelnen Ergebnisse entnommen werden.
Diagramm 1: Verhältnis zwischen Frisch- und Trockengewicht
Die Entwicklung des Wachstums wurde während des gesamten Versuchs mit einer Bilderfolge
aufgezeichnet. Ich habe vier verschiedene Wachstumsstadien dokumentiert. Das erste Foto der
Bilderfolge ist am ersten Tag aufgenommen worden, bevor die Pflanzen unterschiedlich beleuchtet
wurden. Das Foto rechts davon wurde nach fünf Tagen aufgenommen. Das untere linke Foto wurde
nach 15 Tagen und das Foto unten rechts nach 26 Tagen aufgenommen. Anhand diesen Stadien kann
das Wachstum des Salates in den unterschiedlichen Versuchsgruppen verglichen werden.
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5 Ergebnisse | Maturaarbeit
Abb. 14: Wachstumsverlauf unter dem blauen monochromatischen Licht
Die Kopfsalate unter dem blauen monochromatischen Licht sind sehr schnell zu grossen Köpfen
gewachsen. Die Blätter sind lang und nach aussen laufend breit. Oben auf der Sprossachse sind in
jedem Stadium sehr viele kleine Blätter zu sehen, was zeigt, dass der Salat immer wächst. Zudem sind
alle drei Salate aufgeschossen und sehr gross geworden. Die Blätter waren sehr steif, robust und in
einem satten Grün.
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5 Ergebnisse | Maturaarbeit
Abb. 15: Wachstumsverlauf unter dem grünen monochromatischen Licht
Unter dem grünen monochromatischen Licht haben sich die Blätter nach 5 Tagen leicht verdreht. In
den späteren Stadien haben sich die Blätter wieder zurückgedreht. Sie blieben leicht eingedreht,
sodass die Ränder nach unten oder oben zeigten. Die Salate dieser Versuchsgruppe blieben sehr flach
am Boden. Die spärliche Blattbildung erfolgte immer oben an der Sprossachse. Auch waren die
Blätter eher schlaff und kraftlos. Zudem wurden die Blätter hellgrün mit einem gelblichen Stich.
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5 Ergebnisse | Maturaarbeit
Abb. 16: Wachstumsverlauf unter dem roten monochromatischen Licht
Unter dem roten monochromatischen Licht wuchs der Salat schlecht. Die Blätter verdrehten sich
schon nach 5 Tagen. Die Blätter waren eigentlich genauso breit, wie die der anderen
Versuchsgruppen, jedoch rollten sie sich zusammen, was sie schmal erscheinen liess. Die drei
Kopfsalate haben trotzdem oben an der Sprossachse neue Blätter gebildet, auch wenn es nur wenige
waren. Im Vergleich zu den anderen Versuchsgruppen färbten sich die Blätter der Salate dieser
Versuchsgruppe in einem deutlich helleren Grün mit einem leicht gelblichen Stich. Alle drei
Kopfsalate waren aufgeschossen und hatten einen eher kleinen Durchmesser. Die Blätter dieser
Salate waren eher dünn, schlaff und kraftlos.
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5 Ergebnisse | Maturaarbeit
Abb. 17: Wachstumsverlauf der Kontrolle
Die Salate dieser Kontrollgruppe sind sehr konstant gewachsen. Oben an der Sprossachse sind immer
sehr viele kleine Blätter sichtbar, was auf ein stetiges Wachstum hindeutet. Die Blätter haben sich
nicht verdreht und erscheinen in einem satten Grün. Zudem waren sie sehr robust und knackig.
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6 Diskussion | Maturaarbeit
6 DISKUSSION
6.1 INTERPRETATION UND VERGLEICH DER RESULTATE
Bereits nach wenigen Tagen zeichneten sich die ersten Unterschiede im Wachstum zwischen den
Pflanzen ab. Deutlich war zu erkennen, dass jede Pflanze auf ihr monochromatisches Licht reagierte.
Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass alle Kopfsalate unter jedem monochromatischen Licht
gewachsen sind, in der Qualität jedoch sehr unterschiedlich.
Der pH-Wert hat sich bei allen Versuchsgruppen nicht oder nur wenig verändert. Die Abweichung
beim roten monochromatischen Licht zu den anderen Versuchsgruppen ist sehr klein und nicht
signifikant, sodass kein Schluss daraus gezogen werden kann.
Beim Durchmesser der verschiedenen Versuchsgruppen sticht ein Resultat heraus: Die Gruppe unter
dem roten monochromatischen Licht hat mit 11 cm einen markant kleineren Durchmesser als die
anderen Gruppen. Das Pflanzenwachstum war hier deutlich vermindert. Die Pflanzen unter dem roten
Licht haben wenig Photosynthese betrieben und deshalb weniger Baumaterial zur Verfügung gehabt.
Die Pflanzen der anderen drei Versuchsgruppen haben alle einen Durchmesser von ungefähr 19 cm,
mit einer Abweichung von ± 1 cm.
Die Kopfsalate unter dem roten monochromatischen Licht sahen auch optisch am schlechtesten aus.
Die Salate sind aufgeschossen und die Blätter haben sich verdreht. Zudem haben diese Köpfe im
Vergleich zu den anderen Versuchsgruppen die kleinste Trockenmasse. Das Frischgewicht der drei
Kopfsalate unter dem roten monochromatischen Licht war auch das kleinste. Wenn man das
Verhältnis des Frischgewichts zum Trockengewicht anschaut, sieht man, dass dieses Verhältnis sehr
gross ist. Mit viel Frischmasse und wenig Trockenmasse hat die Pflanze einen grossen Wasseranteil,
was bedeutet, dass wenig Biomasse vorhanden ist, welche bei der Photosynthese hergestellt wird. So
muss diese Versuchsgruppe wenig Photosynthese betrieben haben.
Unter dem grünen monochromatischen Licht hatten die Kopfsalate im Vergleich zu den anderen
Versuchsgruppen das kleinste Längenwachstum. Zudem hatte der Salat ein eher leichtes
Frischgewicht. Das Trockengewicht war jedoch fast so hoch, wie das der Kontrollgruppe und der
Gruppe unter dem blauen monochromatischen Licht. So ist das Verhältnis vom Frischgewicht zum
Trockengewicht eher klein. Das deutet auf eine hohe Photosytheseaktivität hin.
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6 Diskussion | Maturaarbeit
Wenn man das Verhältnis des Frischgewichts zum Trockengewicht der Versuchsgruppe unter dem
blauen monochromatischen Licht anschaut, sieht man, dass dieses Verhältnis ungefähr gleich gross
ist, wie das der Kontrollgruppe. Daraus schliesse ich, dass diese beiden Gruppen ein ähnliches
Wachstum haben. Diese These bestätigen auch der ähnliche Durchmesser und die Höhe der Pflanzen
beider Gruppen. Zudem haben die beiden Gruppen auch die gleiche Farbe und der Wachstumsverlauf
war ähnlich. Allerdings schnitt die Kontrollgruppe immer noch ein bisschen besser ab als die
Versuchsgruppe unter dem blauen monochromatischen Licht.
6.2 LITERATURVERGLEICH
Das blaue monochromatische Licht hat mit einer Wellenlänge von 455 nm die kürzeste Wellenlänge
der drei monochromatischen Versuchslichter und ist daher am energiereichsten. Energiereiches Licht
sollte auch mehr Energie für die Photosynthese liefern, was zu einem guten Wachstum führen sollte.
Das Wachstum unter dem blauen monochromatischen Licht war neben der Kontrollgruppe am
gleichförmigsten. Es darf angenommen werden, dass die Theorie der kurzen Wellenlänge auf das
Wachstum der Kopfsalate anwendbar ist. Jedoch ist die Literatur, wenn es um das blaue Licht geht,
widersprüchlich. In manchen Fällen wurde eine Zunahme, in Anderen eine Abnahme des
Längenwachstums beobachtet. In meinem Experiment zeigte sich eine Zunahme des
Längenwachstums. Trotz des gesteigerten Längenwachstums sind alle drei Kopfsalate unter dem
blauen monochromatischen Licht kompakt geblieben. Diese Beobachtung bestätigt die
Photomorphogenese. (AEG, Philips; Prucker 2013)
Der Kopfsalat unter dem grünen monochromatischen Licht hat optisch eine starke Reaktion gezeigt.
Es ist davon auszugehen, dass grünes Licht (500-600 nm) zu grossen Teilen von den Blättern
reflektiert wird. Das Licht muss von den Blättern absorbiert werden, um die Energie für die
Photosynthese bereit zu stellen. So wird unter dem grünen Licht weniger Photosynthese betrieben,
was sich in kleineren Frisch- und Trockengewicht sowie einem geringeren Wachstum manifestiert.
Die Ergebnisse sind beim grünen Licht daher schlechter ausgefallen, als bei der Kontrollgruppe.
(Prucker 2016)
Unter rotem monochromatischem Licht (623 nm) sind die Pflanzen aufgeschossen und eher schmal
geblieben. Genau dies besagt die Literatur, denn das langwellige Licht führt zu gestreckten Pflanzen
mit wenigen Seitentrieben. Das tiefe Frisch- und Trockengewicht deutet auf eine verminderte
Photosynthese hin, was das insgesamt schlechte Wachstum und Aussehen bestätigen. Auch beim
roten Licht (600-700 nm) gibt es unterschiedliche Theorieaussagen über das Wachstum.
Die Theorien im Allgemeinen geben nur wenig Aufschluss über das eigentliche Wachstum.
(AEG, Philips; Prucker 2016)
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6 Diskussion | Maturaarbeit
6.3 BEANTWORTUNG DER LEITFRAGEN
Meine Arbeit soll die Frage beantworten, ob und wie sich das Pflanzenwachstum verändert, wenn das
Lichtspektrum auf eine Spektralfarbe reduziert wird.
Mein Experiment hat gezeigt, dass die Eingrenzung des Lichtspektrums tatsächlich einen
entscheidenden Einfluss auf das Pflanzenwachstum hat. Es ist beachtlich, dass Wachstum unter einer
Spektralfarbe möglich ist. Die Pflanzenqualität leidet jedoch in jeden Fall, je nach Spektralfarbe mehr
oder weniger.
Meine Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die Wahl einer Lichtfarbe eine bedeutende Rolle
für das Wachstum spielt. Die Reaktion von Pflanzen unter rotem monochromatischem Licht ist
komplett anders als unter blauem monochromatischem Licht.
Das Pflanzenwachstum ist nach wie vor am effizientesten bei weissem Licht. Die Spektralfarbe blau
kommt diesem am nächsten. Das grüne monochromatische Licht hat zwar eine hohe Biomasse,
jedoch sehen die Salate optisch nicht gut aus. Kopfsalate sollten nicht mit rotem
monochromatischem Licht beleuchtet werden, da sie eine geringe Biomasse haben und deshalb nicht
sehr nahrhaft sind. Zudem sind sie optisch nicht schön.
6.4 FEHLERQUELLEN UND VERBESSERUNGSMÖGLICHKEITEN
Grundsätzlich würde ich die Vorgehensweise für das Experiment wieder gleich wählen. Meine
Erwartungen wurden erfüllt. Das Experiment war sehr interessant.
Der Kopfsalat hat sich als Versuchsobjekt bewährt. Bei einer Versuchswiederholung würde ich für die
Pflanzen grössere Schalen wählen. Das Wachstum der Salate war vereinzelt so gross, dass sie über
den Rand hinaus reichten bis hin zur Wand der Box. Es wäre vorteilhaft gewesen, wenn auch der
Abstand zwischen den Versuchssalaten grösser gewesen wäre. Zudem wären Schalen mit einem
tieferen Boden besser gewesen. Meine Kopfsalate konnten vornehmlich in die Breite wachsen und
weniger in die Tiefe. Dieser Umstand fiel ins Gewicht, als ich die Wurzeln von der Erde befreien musste
und dies nur umständlich zu bewältigen war. Einzelne Wurzeln klebten stark fest und rissen teilweise
sogar ab.
Für eine weitere Auswertung würde ich die Blattdicke berücksichtigen. Diese kann brauchbare
Rückschlüsse auf das Wachstum geben. Allerdings müssen dazu geeignete Messinstrumente und
Messverfahren ermittelt werden.
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7 Schlusswort | Maturaarbeit
7 SCHLUSSWORT
7.1 FAZIT
Am Anfang der Arbeit habe ich mir die Frage gestellt, was passiert, wenn die Sonne durch ein anderes
Licht ersetzt wird. Ich wusste nicht, ob die Pflanzen überhaupt wachsen, wenn ich sie mit einem
reduzierten Lichtspektrum beleuchte.
Eine meiner Erwartungen war, dass die Versuchsgruppe unter dem grünen monochromatischen Licht
schlechter abschneidet als die anderen Gruppen. Der grüne Kopfsalat reflektiert das grüne
monochromatische Licht und nimmt nur wenig Energie auf. Bei allen anderen Farben werden die
Lichtwellen vom grünen Kopfsalat absorbiert. Das optische Aussehen bestätigt diese Aussage, da
diese Versuchsgruppe nicht sehr schön gewachsen ist. Jedoch haben sie ein hohes Trockengewicht,
was schliessen lässt, dass die Pflanzen viel Photosynthese betrieben haben.
Es hat mich erstaunt, dass die Versuchsgruppe unter dem roten monochromatischen Licht schlecht
abgeschnitten hat. Auch wenn die Literatur nichts Eindeutiges über das Wachstum aussagt, hätte ich
wegen des PAR-Werts des roten Lichts darauf geschlossen, dass dieser Salat gut wachsen würde. Ich
habe gedacht, dass diese Versuchsgruppe am normalsten neben der Kontrollgruppe wachsen würde,
jedoch sah dieser Salat durch die verdrehten Blätter nicht sehr gut aus. Ein Teil der Literatur bestätigt
dieses Ergebnis.
Ich war überrascht wie gut die Kopfsalate unter dem blauen monochromatischen Licht gewachsen
sind. Das Wachstum entsprach dem der Kontrollgruppe am ehesten. Durch den PAR-Wert habe ich
mir gedacht, dass diese Gruppe gut wachsen wird, jedoch nicht in diesem Ausmass.
Eine Untersuchung aus dem Jahr 2013 der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf unter der Leitung
von Dietmar Prucker sagte:
„Es gibt zahlreiche Untersuchungen, die sich mit dem Einfluss von Strahlung bestimmter
Wellenlängen auf das Wachstum von verschiedenen Pflanzenarten beschäftigen. Die erzielten
Resultate sind jedoch nicht immer übereinstimmend. So kann die Belichtung mit identischen
Wellenlängen bei verschiedenen Pflanzenarten durchaus zu unterschiedlichen Ergebnissen
beim Wachstum führen.“
Aus diesem Grund sind meine Ergebnisse nicht allgemein auf alle Pflanzen anwendbar. Zu diesem
Thema muss sicher noch weiter geforscht werden. Wenn ich mich für ein bestimmtes
monochromatisches Licht für die Beleuchtung von Kopfsalaten entscheiden müsste, hätte ich das
Blaue genommen. Dieses Licht ist sehr energiereich und hat einen hohen PAR-Wert. So wird die
Energie, die dieses Licht bereitstellt, effizient genutzt.
29
7 Schlusswort | Maturaarbeit
Interessant fände ich, wenn man die Wirkung von weiteren Kombinationen monochromatischer
Lichter erfassen würde. Mit der Anwendung vertiefter Kenntnisse über das monochromatische Licht
kann das Wachstum von Pflanzen verändert und verbessert werden. Ich bin überzeugt, dass dieses
Wissen für die Gesellschaft in naher Zukunft immer wichtiger wird.
7.2 REFLEXION
Meine Themenwahl war für mich eine grosse Herausforderung. Der gesamte Bereich war für mich
Neuland. Ich hatte mich zuvor weder mit dem Pflanzenwachstum, noch mit der Lichtenergie
gedankenvoll auseinandergesetzt. Deshalb war zu Beginn die Auslegeordnung gross. Das Festlegen
der Vorgehensschritte gestaltete sich schwierig. Die Planung der Bepflanzung musste zeitlich
genügend früh eingeplant sein, um Fehlschläge ausgleichen zu können.
Noch nie habe ich mich während einer so langen Zeit mit demselben Thema beschäftigt. Einerseits
empfand ich dies als vorteilhaft und spannend, denn so konnte ich das Thema vertieft kennenlernen
und mich voll und ganz auf die Arbeit einlassen. Andererseits empfand ich es aber auch als
anstrengend, mir das breite Wissen anzueignen und die Zeit zu managen. Ebenfalls realisierte ich,
dass das erste Formulieren der einzelnen Kapitel nur ein Teil der eigentlich anfallenden Arbeit war.
Wirklich gefordert war ich, als es darum ging, das Experiment mit seiner Komplexität aufzuzeigen,
Unstimmigkeiten zwischen den Kapiteln auszuräumen, zu kürzen oder zu ergänzen, meine eigenen
Schlüsse zu ziehen und sie schliesslich zu Papier zu bringen.
Mit dieser Arbeit habe ich mein gestecktes Ziel erreicht. Ich schätze mein Wissen über das
Zusammenspiel des Pflanzenwachstums und dem monochromatischen Licht und finde es äusserst
interessant. Es beeindruckt mich, dass es ein zukunftsträchtiges, gesellschaftlich wichtiges Thema ist.
Abgesehen von der Wahl der Pflanzenschalengrösse und der fehlenden Auswertung der Blattdicke,
empfinde ich die Arbeit als gelungen. Es freut mich, dass der gewählte Versuch eindeutige Ergebnisse
hervorgebracht hat. An der Vorgehensweise würde ich keine grundlegenden Änderungen
vornehmen.
Rückblickend bin ich äusserst froh, dass ich dieses interessante und vielfältige Thema gewählt habe.
30
8 Verzeichnisse | Maturaarbeit
8 VERZEICHNISSE
8.1 LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS
AEG; Philips: Künstliche Belichtung im Gartenbau.
URL: http://www.luxlight.de/img/cms/files/pflanzenbroschuere.pdf [05.03.2016].
Friedrich, Martin; Wirries, Benjamin: Aufbau von Leuchtdioden. Hannover 2014.
URL: http://www.dieenergiesparlampe.de/led-lampen/aufbau/ [13.10.2016].
Philips: Mehr Licht für mehr Wachstum. Pflanzenbelichtung.
URL: http://www.luxlight.de/img/cms/files/Pflanzenbelichtung%20dt.pdf [27.07.2016].
Prucker, Dietmar: Einfluss der verschiedenen Wellenlängen einer LED-Belichtung auf das
Pflanzenwachstum. Hochschule Weihnenstephan-Triesdorf. April 2013.
URL: http://www.hswt.de/forschung/wissenstransfer/2013/april-2013/belichtung.html
[27.08.2016].
Schöbel, Felicitas: Photosynthese. Lichtreaktion. April 2005.
URL:http://www.fsbio-hannover.de/oftheweek/120.htm [14.10.2016].
Thelen, Otto: Natürliches, künstliches und monochromatisches Licht in seiner Bedeutung für die
Entwicklung und die Stoffproduktion einiger Kulturpflanzen. Carl Hinstorffs Buchdruckerei:
Rostock 1910.
Thema Biologie: Die Fotosynthese. 09.10.2012. URL: http://themenbiologie.blogspot.ch/2012/10/die-fotosynthese.html [10.10.2016].
Wikipedia: Kopfsalat. 10.08.2005.
URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Kopfsalat [28.07.2016].
Wikipedia : Monochromatisches Licht. 09.06.2003.
URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Monochromatisches_Licht [28.07.2016].
31
8 Verzeichnisse | Maturaarbeit
8.2 BILDVERZEICHNIS
Titelbild
http://www.easyfreeclipart.com/big-green-leaf-clipart.html [18.10.2016]
https://www.macprovideo.com/ru/hub/after-effects/producing-volumetric-light-after-effects-cs6
[18.09.2016]
Abbildung 1: Lichtspektrum des Tageslichts
URL: http://lucere.de/info/energiesparlampen.html [16.10.2016].
Abbildung 2: Elektromagnetisches Spektrum
URL: http://www.factbook.org/wikipedia/de/e/el/elektromagnetisches_spektrum.html
[09.10.2016].
Abbildung 3: Unterschied der Lichtempfindlichkeit des Auges und der Pflanzen
URL: https://www.maxgrowshop.com/img/p/344-1064.jpg. [11.10.2016].
Abbildung 4: Licht wird durch das Prisma in die Spektralfarben zerlegt
URL: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/Prism-rainbow.svg [27.08.2016].
Abbildung 5: Aufbau einer LED
URL: https://lichtforum.files.wordpress.com/2013/02/led-aufbau1.jpg [14.10.2016].
Abbildung 6: Aufbau einer pflanzlichen Zelle
http://www.evbs-geislingen.de/biologie.html [11.10.2016].
Abbildung 7: Stadien der Photosynthese in den Chloroplasten
URL: http://themen-biologie.blogspot.ch/2012/10/die-fotosynthese.html [13.10.2016].
Abbildung 8: blaues Licht erzeugender LED-Chip mit schwarzem Kühlelement
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 9: Beweis, dass die ganze Kiste beleuchtet wird
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 10: Aufbau der Box
Fotografie von Belinda Hotz 2016
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8 Verzeichnisse | Maturaarbeit
Abbildung 11: Box zusammengeklebt
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 12: Versuchsaufbau
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 13: Boxen beleuchtet
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Tabelle 1: Übersicht der Resultate aller erhobenen Daten
erstellt von Belinda Hotz 2016
Diagramm 1: Verhältnis zwischen Frisch- und Trockengewicht
erstellt von Belinda Hotz 2016
Abbildung 14: Wachstumsverlauf unter dem blauen monochromatischen Licht
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 15: Wachstumsverlauf unter dem grünen monochromatischen Licht
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 16: Wachstumsverlauf unter dem roten monochromatischen Licht
Fotografie von Belinda Hotz 2016
Abbildung 17: Wachstumsverlauf der Kontrolle
Fotografie von Belinda Hotz 2016
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9 Eigenständigkeitserklärung | Maturaarbeit
9 EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Benutzung der
angegebenen Quellen verfasst habe und ich auf eventuelle Mithilfe Dritter in der Arbeit ausdrücklich
hinweise.
Rapperswil-Jona, 17.10.2016
Unterschrift: ______________________
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10 Anhang | Maturaarbeit
10 ANHANG
10.1 MESSUNG DES GRÜNEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS
35
10 Anhang | Maturaarbeit
10.2 MESSUNG DES BLAUEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS
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10 Anhang | Maturaarbeit
10.3 MESSUNG DES ROTEN MONOCHROMATISCHEN LICHTS
37
10 Anhang | Maturaarbeit
10.4 MESSUNG DES LICHTS DER KONTROLLEGRUPPE
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