Fotosynthese als energiebron Leerlingenhandleiding
1 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Ontwikkeld door Wageningen University.
Maart 2014 © Wageningen University Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
2 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Inhoud Inhoud .................................................................................................. 2 Experiment 1: De kleurstofzonnecel........................................................... 3 Doel ................................................................................................... 3 Inleiding ............................................................................................. 3 Uitvoering experiment 1........................................................................ 4 Metingen ............................................................................................ 7 Vragen ............................................................................................... 7 Experiment 2: Adaptatie van planten en korstmossen .................................. 8 Doel ................................................................................................... 8 Theorie PAM fluorometer ....................................................................... 8 Uitvoering experiment 2.......................................................................10 Metingen ...........................................................................................12 Vragen ..............................................................................................12 Bronnen................................................................................................14
3 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Experiment 1: De kleurstofzonnecel D oel Het doel van deze proef is het maken van een kleurstofzonnecel en onderzoeken hoe deze reageert op verschillende lichtintensiteiten.
Inleiding In fotosynthetische organismen wordt zonne-energie omgezet in chemische energie. De organische kleurstofzonnecel maakt gebruik van ditzelfde principe, alleen wordt de energie (licht) niet omgezet in chemische energie, maar in elektrische energie (stroom). Dit proces wordt fotovoltaïsche omzetting genoemd. In deze zonnecel worden de natuurlijke kleurstoffen ‘anthocyanen’ gebruikt. Deze kleurstoffen komen veel voor in bramen, frambozen, rode druiven en veel bloemen waaronder de hibiscus. De rode, paarse of blauwe kleur (afhankelijk van de pH) van deze vruchten of bloemen heeft twee belangrijke functies: de vruchten/bloemen vallen op voor dieren waardoor de zaden beter verspreid worden en de kleur zorgt daarnaast voor bescherming tegen te veel licht in fotosynthetisch weefsel waar ‘anthocyanen’ ook in voorkomen (als een soort zonnebrandcrème). Het is ook mogelijk om andere kleurstoffen te gebruiken zoals chlorofyl, maar het nadeel is dat deze kleurstof niet zo goed hecht aan het oppervlak van de kleurstofzonnecel. De kleurstofzonnecel die in dit practicum gemaakt wordt, bestaat uit de volgende onderdelen (zie figuur 1): 1. Een glasplaat voor de boven- en onderkant van de zonnecel met een transparante geleidende laag (TCO: Transparent conductive oxide). 2. Een dun laagje (ongeveer 10-6 meter) met nanodeeltjes titaandioxide. 3. Een kleurstof 4. Elektrolyt (een vloeistof met jodide ionen die zorgen voor geleiding) 5. En laagje grafiet dat als katalysator dient, zodat de jodide ionen snel een elektron kunnen afstaan. Titaandioxide is een mineraal dat veel gebruikt wordt in verf, tandpasta, keramisch materiaal, cement, kunststof en soms in levensmiddelen (E171). De nanodeeltjes titaandioxide zorgen niet alleen voor de geleiding van elektronen, maar door het driedimensionale netwerk zorgen ze ook voor een enorme oppervlaktevergroting waardoor de kleurstofmoleculen zich gemakkelijker kunnen hechten. Het elektron in de kleurstof neemt het licht (een foton) op en komt hierdoor in een aangeslagen toestand. Het elektron kan terugvallen naar de grondtoestand door een elektron te injecteren in de nanodeeltjes titaandioxide (zie figuur 1). De ionen in het elektrolyt zorgen er vervolgens voor dat het kleurstofmolecuul weer een elektron krijgt waardoor de stroomkring gesloten wordt.
4 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Er zijn diverse voordelen van een kleurstofzonnecel t.o.v. de normale silicium zonnecel. De belangrijkste economische voordelen van de kleurstofzonnecel zijn de lage prijs en de eenvoudige productie. Daarnaast kan de kleurstofzonnecel als flexibele dunne laag geproduceerd worden. Dit maakt toepassingen op bijvoorbeeld ramen en op ronde oppervlaktes mogelijk. Qua materiaaleigenschappen werkt de kleurstofzonnecel prima met diffuus licht zoals op bewolkte dagen het geval is. Het nadeel is wel dat op zonnige dagen de silicium zonnecel een veel hoger rendement heeft dan de kleurstofzonnecel. Het grootste nadeel van de kleurstofzonnecel is echter de beperkte levensduur (max. vijf jaar) t.o.v. de silicium zonnecel die makkelijk meer dan 30 jaar kan meegaan. Er is nog veel onderzoek nodig om de kleurstofzonnecel te laten concurreren met de silicium zonnecel, maar veel potentie heeft de kleurstofzonnecel in ieder geval wel.
Figuur 1. De kleurstofzonnecel.
Uitvoering experim ent 1 Lijst met benodigdheden - Petrischaaltje met filterpapier - 2 glasplaatjes, waarvan 1 met wit laagje - Voltmeter - Rode en zwarte kabels met krokodillenbekjes voor de voltmeter - Potlood - 1 grote knijper - 2 kleine knijpertjes
5 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
-
Flesje jodium Handschoenen voor mensen met jodide-allergie Tissues Hibiscusthee in bekerglas Zaklampje
Een aantal materialen dat gebruikt wordt voor deze proef is afkomstig van Man Solar B.V. (www.mansolar.com). Ook deze instructie is voor een deel gebaseerd op het voorschrift van Man Solar. Instructies vooraf •
Draag bij voorkeur een labjas, omdat de kleurstof uit de hibiscusthee en de elektrolyt (jodium) vlekken in kleding kunnen geven.
•
Als iets niet werkt, practicumbegeleider.
•
Jodium kan een allergische reactie veroorzaken; vermijdt contact tussen de elektrolyt en de huid.
•
Was na afloop je handen.
breekt
of
kapot
gaat,
waarschuw
dan
de
Stap 1 De ‘min’-elektrode - Klem het glasplaatje met de witte laag (titaandioxide) vast in de grote houten knijper en hang het in de hibiscusthee. (Zet de houten knijper niet op de witte laag, die krast gemakkelijk. Zorg ervoor dat de witte laag helemaal ondergedompeld is.) Laat dit ongeveer 10 minuten staan. De witte titaandioxide is dan paars geworden. Ga intussen verder met de volgende stappen. Stap 2 - Sluit de meetkabels aan op de multimeter. De rode stekker in de bus ‘V-Ω’, de zwarte stekker in de zwarte bus COMMON. - Zet de draaiknop op ‘Ω’, bij de 200. De weerstand wordt nu in Ω (Ohm) weergegeven. Stap 3 De ‘plus’-elektrode - Bepaal met de multimeter, ingesteld als weerstandmeter welke kant van het glasplaatje (degene zonder witte laag) geleidend is. De weerstand moet ongeveer 20 - 50 Ω zijn. De weerstand aan de andere kant wordt aangegeven met een 1 helemaal aan de linker kant. - Reinig het glasplaatje met een tissue; doe dit voorzichtig. Raak de geleidende kant daarna niet meer met je vingers aan (de zijkant kun je nog wel aanraken). - Leg het glasplaatje met de geleidende kant naar boven op een schone ondergrond.
6 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
-
-
Kleur de geleidende laag zo volledig mogelijk in met een zacht potlood (grafiet). Laat echter aan de korte zijde van het glasplaatje een strook van ongeveer 6 mm onbeschreven (figuur 2). Verwijder het overtollige grafiet door er zachtjes overheen te blazen. De ‘plus’-elektrode van de zonnecel is nu klaar.
Figuur 2. Glas met een grafietlaag. Stap 4 De ‘min’-elektrode - Haal na 10 minuten de klem met daaraan het glasplaatje voorzichtig uit de hibiscusthee; pas op: het glasplaatje kan heet zijn! - Spoel de ‘min’-elektrode voorzichtig schoon met water. Hou de glasplaat aan de zijkant vast. - De ‘min’-elektrode is nu klaar voor gebruik. Stap 5 In elkaar zetten van de zonnecel - Leg de ‘plus’-elektrode met het grafiet (potloodlaag) naar boven op een filtreerpapiertje in de petrischaal. Druppel hierop één druppeltje elektrolytoplossing. Leg vervolgens de ‘min’-elektrode met de titaandioxide laag naar beneden op de ‘plus-elektode’. Zorg ervoor dat de plaatjes zodanig t.o.v. elkaar zijn verschoven, zodat de onbedekte kanten van beide elektroden aan weerskanten uitsteken (figuur 3). - Klem de plaatjes op elkaar met de 2 kleine knijpertjes - Knijp de krokodillenbekjes aan weerskanten van de zonnecel op het uitstekende, kale glas. Plaats een klem van de ‘plus’ (grafiet) elektrode aan de rode aansluiting van de voltmeter en een klem van de ’min’ (hibiscus) elektrode aan de zwarte aansluiting.
Figuur 3. De kleurstofzonnecel. Stap 6 Spanningmeting (Volt, V) Stap 7
Selecteer de draaiknop op
V (niet de V~). Selecteer 200m.
7 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
-
De zonnecel is klaar voor gebruik.
M etingen Wat is het voltage van de zonnecel in het zonlicht of in het klaslokaal? …. mV Dek de zonnecel af met bijvoorbeeld je handen, hoeveel is het voltage na 20 seconden? …. mV Gebruik de zaklamp om te kijken wat het maximale voltage van de zonnecel is. …. mV
Vragen 1. Kan je nu ook verklaren waarom de kleurstof paars is? Hint: vraag een van de begeleiders om een geplastificeerd A4-tje met een figuur van absorptiespectra en golflengtes. 2. Hoe kan de kleurstofzonnecel nog efficiënter worden gemaakt? 3. Wat zou er met het voltage gebeuren als je de zonnecel alleen met rood licht belicht? 4. Wat moet er nog verbeterd worden aan de kleurstofzonnecel, voordat het een commercieel succes kan worden?
8 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Experiment 2: Adaptatie van planten en korstmossen D oel Het doel van het tweede experiment is de fluorescentie te meten van planten en korstmossen met een PAM fluorometer en aan de hand van de verschillende uitkomsten de fotosynthetische efficiëntie verklaren.
Theorie P AM fluorom eter In dit experiment wordt gebruik gemaakt van een PAM fluorometer. PAM staat voor Pulse Amplified Modulation. De basis voor een meting met een PAM fluorometer is de fluorescentie die optreedt bij een plant of korstmos. Hoe hoger de fluorescentie, des te minder van de geabsorbeerde lichtenergie gebruikt wordt voor het fotosyntheseproces. Een PAM apparaat bestaat uit een kastje met een lichtbron waaraan een glasvezelkabel verbonden is. Een lichtpuls wordt via de glasvezelkabel naar het blad geleid. Via dezelfde glasvezelkabel kan het licht dat ontstaat door fluorescentie (en een lagere golflengte heeft) terug naar het kastje geleid worden. In het kastje zit een lichtsensor die gevoelig is voor de golflengte van het licht dat bij fluorescentie wordt uitgezonden. De gemeten fluorescentie wordt door de computer vertaald naar een fluorescentiepercentage. In figuur 4 is een foto te zien van een meetopstelling.
Figuur 4. Meetopstelling PAM fluorometer. De PAM zendt in dit experiment twee verschillende soorten licht uit: 1) Het meetlicht (measuring light, ML) 2) Een verzadigende lichtpuls (saturated pulse, SAT-pulse)
9 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Het meetlicht wordt in zwakke pulsjes gegeven en is net sterk genoeg om een minimale fotosyntheseactiviteit tot stand te brengen. Aangezien het vrijmaken van elektronen in fotosysteem II een veel sneller proces is dan het overdragen van elektronen van fotosysteem II naar fotosysteem I, treedt er altijd fluorescentie op. Dit wordt de minimale fluorescentie genoemd en wordt aangeduid met F0. Als de elektronentransportketens efficiënt werken, is deze fluorescentie laag. De verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) is bedoeld om in één klap, in alle antennecomplexen, elektronen aan te slaan. Hierdoor worden alle elektronentransportketens volledig in gebruik genomen en kunnen ze voor korte tijd geen elektronen meer doorlaten. Het gevolg is dat de fluorescentie maximaal wordt, aangeduid met (FM). Het verschil tussen FM en F0, vaak aangeduid als FV, is een maat voor de maximale variatie in fluorescentie. Als je vervolgens FV deelt door FM krijg je de Yield. Dit getal is de maat voor de efficiëntie van de fotosynthese. Als ((FM - F0)/FM) groot is, dan is het getal voor de Yield dus groot. In dit geval is er blijkbaar een groot aantal antennecomplexen in staat om weer snel om te schakelen naar een situatie waarin de antennecomplexen nieuwe elektronen kunnen opnemen. Samengevat: de Yield ((FM - F0)/FM) is een maat voor de fotosynthese. Hoe hoger de Yield, hoe efficiënter de fotosyntheseactiviteit (er is dan relatief weinig fluorescentie en de plant kan dan dus nog veel licht opnemen). Een praktijkvoorbeeld
Figuur 5. In deze afbeelding is de gemeten fluorescentie uitgezet onder verschillende belichtingscondities tegen de tijd. Bij nr. 1 staat het meetlicht aan en bij nr. 2 wordt een verzadigde lichtpuls gegeven. In figuur 5 is de gemeten fluorescentie uitgezet tegen de tijd. Eerst staan de planten in het schemerdonker zodat er geen fluorescentie is. Als nu het meetlicht
10 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
(ML) wordt aangezet (zie nr. 1 in figuur 5) meet je een minimale fluorescentie: de F0. Als er nu een verzadigende lichtpuls (SAT-pulse) wordt toegediend (zie nr. 2 in figuur 5) zullen in alle reactiecentra elektronen worden vrijgemaakt. Hierna kunnen er geen nieuwe elektronen meer worden opgenomen in de reactiecentra, omdat de elektronentransportketens vol zitten. Het resultaat is dat er nu een maximale fluorescentie (FM) kan plaatsvinden. Na een korte tijd is deze lichtpuls verwerkt en zal de fluorescentie sterk dalen.
Uitvoering experim ent 2 Om je het gebruik van de PAM fluorometer eigen te maken, wordt de eerste meting aan een blaadje hieronder uitvoerig beschreven.
Instellen P am M eter 1.
Het programma ‘WinControl-3’ is opgestart door een begeleider.
2.
Ga naar het tabblad Chart (links onderaan het scherm te zien).
3.
Controleer door in de glasvezelkabel te kijken of het blauwe knipperende meetlicht te zien is. In figuur 6 (pagina 13) staat bij 1 aangegeven of het meetlicht aan staat of niet.
4.
Vervolgens gaan we de juiste parameters selecteren voor onze grafiek die zal worden weergegeven; dit kun je doen door linksbovenin F (nummer 2 in figuur 6) te selecteren als Y-as.
5.
De andere parameters die moeten worden geselecteerd staan aan de rechter kant van het scherm; vink de volgende parameters aan: Ft, F, Y(II) (nummer 3 in figuur 6). Vink de andere parameters uit.
11 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Flu orescentie m eting 6.
De grafiek kan worden gestart door op Start Onl. Rec. (nummer 4 in figuur 6) te drukken. De lijn die zichtbaar wordt, geeft het fluorescentieniveau aan van wat je aan het meten bent.
7.
Als de grafiek niet duidelijk zichtbaar is, dan kun je op de knop Autoscale (nummer 5 in figuur 6) drukken, waardoor de x en de y as automatisch op de grafiek worden aangepast.
8.
Plaats de glasvezelkabel loodrecht op een plekje aan de bovenkant van het blad. Zet de glasvezelkabel niet op de nerf van het blad. Je ziet het fluorescentieniveau tot een bepaalde waarde stijgen en dan afvlakken. Dit is de F0. Wacht tot je een stabiele waarde van F0 (na ca. 10s) hebt bereikt.
9.
Geef vervolgens een verzadigende lichtpuls door op de groene knop SAT te klikken (nummer 6 in figuur 6). Je ziet dat er zeer intense blauwe lichtpuls door de kabel wordt afgevuurd. Tegelijkertijd gaat het fluorescentiesignaal op de grafiek naar zijn maximaal haalbare waarde (FM). Het programma berekent vervolgens de Yield van de meting. Yield = (FM-F0)/FM
Deze Yield is af te lezen in de rechter kolom op het beeldscherm en onderaan bij de SAT knop, als Y(II), (nummer 7 in figuur 6). De Yield van deze meting kan op de volgende pagina genoteerd worden. Omdat de Yield een relatieve maat is (zie formule hierboven), ligt deze altijd tussen 0 en 1. Bij een gezond blad en korstmos ligt de waarde van de Yield tussen de 0.60 en 0.80. Omdat de junior PAM niet gevoelig genoeg is voor het meten van korstmossen zal hier in de praktijk een veel lagere Yield uitkomen. Dit maakt voor dit experiment niets uit. Voor de volgende metingen moeten steeds alleen de laatste stappen (stap 6,7,8 en 9) van de hierboven beschreven stappen uitgevoerd worden. Je hoeft dus maar 1 keer de meter in te stellen. Per behandeling moet de meting drie maal herhaald worden op drie verschillende plaatsen per blad en korstmos. Na elke meting (Sat-pulse), moet je direct de Yield opschrijven. Het programma slaat deze namelijk niet op.
12 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
M etingen Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het licht gelegen) Yield 1… Yield 2… Yield 3… Gemiddelde Yield: Blad (Heeft minimaal 5 minuten in het donker gelegen) Yield 1… Yield 2… Yield 3… Gemiddelde Yield: Korstmos (Start de meting met een droge korstmos) Yield 1… Yield 2… Yield 3… Gemiddelde Yield: Korstmos (Maak je eigen kostmos nat) Yield 1… Yield 2… Yield 3… Gemiddelde Yield:
Vragen 1. Wat betekenen de termen F0 en FM?
2. Waarom gebruikt een plant niet al het licht dat op de bladeren valt voor fotosynthese? Hint: vraag een van de begeleiders om een geplastificeerd A4-tje met een figuur van absorptiespectra en golflengtes.
3. Wat is het voordeel voor een korstmos om de fotosyntheseactiviteit compleet uit te schakelen als het te lang droog is?
4. Verklaar het verschil tussen de fotosyntheseactiviteit van een blad dat 5 minuten in het licht en 5 minuten in het donker is geweest.
5. Waarom zijn bladeren absorptiespectra.
groen?
Hint:
Gebruik
het
figuur
van
de
13 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Figuur 6. Schermafbeelding van het WinControl-3 programma.
14 | Leerlingenhandleiding F o t o s y n t h e s e
als
energiebron
Bronnen [1]
J.R. Petit et al. Nature 1999. Vol. 399. 429-436
[2]
Centraal Bureau voor de Statistiek
[3]
Lewis et al. PNAS 2006.vol. 103. no.43. 15729-15735
[4]
Biologie overal (EPN)
Informatie over studeren in Wageningen, studiekeuze, spreekbeurt, scriptie, profielwerkstuk etc. Kijk op: www.wageningenuniversity.nl/studiekiezer Informatie voor docenten: http://www.wageningenuniversity.nl/NL/Informatie+voor/docenten/
