Ökologie - Advance Organizer

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1 Ökologie - Advance Organizer Die Bedeutung der Fotosynthese 1.1 Produktion von Sauerstoff Bedeutung der Fotosynthese: O 2 -Produktion und Ozon 1.2 CO 2 -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

2 Bedeutung der Fotosynthese Grüne Pflanzen entziehen dem atmosphärischen Speicher durch Aufnahme von CO 2 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

3 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 O 2 2 O 3 unter UVb<240 nm u. UVc Ozonzerfall: 2 O 3 3 O 2 unter UVb>240 nm u. UVa 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. 3 Bedeutung der Ozonschicht in der Stratosphäre: Die Ozonmoleküle absorbieren in einer Höhe von km die Strahlung mit einer Wellenlänge von 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 O 2 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. NO 2 wird durch UV-Strahlung in NO und ein Sauerstoffatom gespalten. Dieser atomare Sauerstoff verbindet sich mit einem Sauerstoff-Molekül zu Ozon: NO 2 + Licht (λ < 420 nm) NO + O O + O 2 O 3 Gleichzeitig baut Stickstoffmonoxid (NO) Ozon unter Bildung von Stickstoffdioxid und Sauerstoff wieder ab: NO + O 3 NO 2 + O 2 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

4 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 Co 2 -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 Co 2 -Ausstoß in Deutschland um 1,4% zu senken, müsste auf km 2 Fläche (Größe des Regierungsbezirks von Stuttgart) Raps angebaut werden.

5 Bedeutung des Kohlenstoffdioxids Der Kohlenstoffkreislauf (1) CO 2 wird aus der Atmosphäre von Pflanzen aufgenommen. Die Pflanzen produzieren Sauerstoff und Biomasse. (2) Der Sauerstoff wird von den Lebewesen veratmet. Entstehung von CO 2, das in die Atmosphäre gelangt. (3) Durch Ablagerung von Biomasse im Boden sind fossile Brennstoffe entstanden (Erdöl,...) Durch Verbrennung dieser Stoffe wird CO 2 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 CO 2 -Diffusionsvorgänge ab. (6) Phytoplankton im Meer nimmt CO 2 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 CO 2 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:

6 Biomasse Nachwachsende Rohstoffe Primärproduktion Biomasse: Gesamtheit an organischer Substanz in einem Ökosystem Bruttoprimärproduktion: Nettoprimärproduktion: Gesamtmenge der von den Pflanzen eines Ökosystems gebildeten organischen Substanz 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

7 1. Erklären Sie folgende Begriffe: Gestufte Systeme - Trophiestufen Biozönose Biotop Ökosystem Biomasse Produktion Lebensgemeinschaft aller Organismen in einem Biotop Lebensraum, Gesamtheit aller abiotischen Umweltfaktoren (= nicht lebend, z.b. Temperatur, CO 2 ) 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

8 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

9 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: 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 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: SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 Reaktion von Stickstoffoxiden: 2 NO 2 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 2 HNO 2 + O 2 2 HNO 3 Biologie JS 2 / Waldschäden / Wunder 2012

10 Die sauren Niederschläge senken den ph-wert der Böden. Dadurch werden aus dem Boden Mineralstoffe ausgewaschen und Aluminium-Ionen aus den Bodenmineralien freigesetzt. Diese Aluminium- Ionen 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 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 (O 3, 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: 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