Lyceum Martha Somers Karel Bogaerdstraat 4, 1020 Laken
Onderzoek competenties Biologie
De CO2-uitstoot Hoeveel bomen moet men aanplanten om de CO2-uitstoot van de leerlingen uit een klas 5 wetenschappen bij het komen naar school te neutraliseren?
Belhaj Azzadinne 5 wetenschappen-wiskunde iskunde Vak: biologie Mevrouw M. Van Hulle Schooljaar: 2012 – 2013
2
Voorwoord Twee weken na het begin van het schooljaar 2012 – 2013 zijn we gestart aan onze onderzoek competentie. Omdat we een volledig schooljaar aan een onderzoekscompetentie moesten werken, moeten we een goede keuze maken wat betreft het onderwerp. Ik had de keuze tussen vier wetenschapsvakken. Ik heb voor biologie gekozen en ben daar heel blij mee. Ik zou mijn leerkracht biologie, mevrouw Van Hulle, willen danken voor haar hulp en haar aanwezigheid. Mijn leerkracht is mij van heel grote hulp geweest, ze heeft mij geholpen om mijn onderzoeksvraag te vinden en heef mij mijn eerste informatie gegeven. Ze heeft mij namelijk een van haar oude collega’s aangewezen om mijn onderzoek te beginnen: mevrouw Vanhellemont (Dr. Ir. In het departement van ‘Forest and Water Managment’ aan de Universiteit Gent). Mevrouw Vanhellemont heeft mij op haar beurt heel goed geholpen en heel wat informatie doorgestuurd. Daarvoor wil ik haar ook heel hard bedanken. Ik zou ook mijn vrienden en familie willen danken voor hun steun. Ze hebben alles gedaan voor dat ik mijn onderzoek zo goed mogelijk ten einde zou brengen. Ik dank ook mijn klasgenoten om mijn enquête zo goed ingevuld te hebben. Ik denk dat ik zonder deze personen nooit zo ver zou geraakt zijn. Al deze personen hebben mij zowel mentaal gesteund als zeer kostbare raad en informatie gegeven.
3
Inhoudsopgave
Voorwoord................................................................................................................................. 3 Inleiding ..................................................................................................................................... 5 1. CO2 (koolstofdioxide) .......................................................................................................... 6 1.1 Wat is CO2? ................................................................................................................... 6 1.2 Hoe ontstaat CO2? ........................................................................................................ 6 1.3 Gevolgen van CO2 ........................................................................................................ 7 2. Fotosynthese ....................................................................................................................... 8 2.1 Geschiedenis ................................................................................................................. 8 2.2 Fotosynthese ................................................................................................................. 8 2.3 Chlorofyl en groene blaadjes ...................................................................................... 8 2.4 Lichtreacties ................................................................................................................... 9 2.5 Donkerreacties ............................................................................................................ 10 3. Onderzoek en enquête ..................................................................................................... 11 3.1 Vervoer ......................................................................................................................... 11 3.2 Resultaten van de enquête ....................................................................................... 12 3.3 Analyse van de enquête ............................................................................................ 13 3.4 Verwerking van gegevens ......................................................................................... 14 4. Slotwoord ............................................................................................................................ 14 Bijlage 1: Invulbrief (enquête) .............................................................................................. 15 Bibliografie ............................................................................................................................ 166
4
Inleiding In het begin van het schooljaar 2012 – 2013 kregen de leerlingen uit de derde graad van het Lyceum Martha Somers als opdracht een onderzoekscompetentie te maken. Ik had de keuze tussen vier wetenschappelijke vakken: fysica, chemie, aardrijkskunde en biologie. Ik heb de keuze gemaakt om het vak biologie te nemen omdat dit een van mijn lievelingsvakken is. Je kunt daar van alles over het milieu, ecosysteem, dieren en ook nog over de mens leren. Ik heb heel veel interesse voor het menselijk lichaam, daarom koos ik in het begin om een onderzoek te maken over welke effecten drugs op het menselijk lichaam hebben. Uiteindelijk koos ik iets anders omdat mijn leerkracht biologie mij een onderwerp had voorgesteld. Ik kende er niet veel van en wou er graag over bijleren. Dit was dus een ideale kans. De twee hoofdbegrippen van mijn onderzoekscompetentie zijn koolstofdioxide (CO2 ) en fotosynthese. Koolstofdioxide is een heel bekende stof in ons dagelijks leven. Heel wat mensen weten dat CO2 een schadelijke stof is en dat deze door de auto’s wordt geproduceerd, maar meer weten zij niet. CO2 is helemaal geen giftige stof en heeft zowel negatieve als positieve punten. CO2 is namelijk een heel belangrijke stof in ons dagelijks leven: het is heel belangrijk bij het fotosyntheseproces. Zonder CO2 zou fotosynthese bij planten en bomen niet kunnen doorgaan, en zouden we geen O2 in de lucht krijgen. O2 is beter bekend onder de naam zuurstof. Ja, deze stof hebben de levende wezens zoals mensen, dieren enz… nodig om te ademen en leven. Ik heb als volgt gewerkt om tot deze informatie te komen en dit onderzoek te maken. Ik heb in het begin van het jaar een enquête laten invullen door mijn medeleerlingen van het vijfde jaar wetenschappen uit het Lyceum Martha Somers. Ik heb daarvan de informatie verwerkt en heb daarna informatie gezocht over CO2 en fotosynthese. Ik moest ook nagaan hoeveel bomen men zou aanplanten om de CO2 –uitstoot van mijn medeleerlingen bij het komen naar school te neutraliseren. Dit is ook mijn hoofdvraag. Bij het onderzoeken van dit onderwerp dacht ik veel te weten over de stof koolstofdioxide en fotosynthese. Maar ik heb heel wat bij geleerd. Deze stof en zeker het fotosyntheseproces zijn heel ingewikkeld en interessant. Ik ben dus een uitdaging aangegaan om dit onderzoek zo goed mogelijk ten einde te brengen. Ik hoop alvast dat ik jullie iets bijgeleerd hebben bij het lezen van mijn onderzoekscompetentie.
5
1. CO2 (koolstofdioxide) oolstofdioxide) 1.1 Wat is CO2? CO2 of koolstofdioxide is een ee van de meest bekende broeikasgassen gassen in de atmosfeer en is een reuk- en kleurloos gas dat van nature in de atmosfeer voorkomt. CO2 is een chemische verbinding erbinding tussen een koolstofkoolstof en twee zuurstofatomen. De structuurformule van koolstofdioxide is O=C=O (zie afbeelding). afbeelding) Koolstofdioxide heeft twee dubbele bindingen, bindinge daarmee zijn dus alle vier potentiële verbindingen bezet. CO2 is een zeer lichte stof zoals de meeste gassen. 10 liter l koolstofdioxide weegt maar 19,8 gram. CO2 is een niet giftig gas, in tegenstelling tot wat de meeste meest mensen denken. Deze verwarren dit gas met CO (koolstofmonoxide), wat wel giftig is.
1.2 Hoe ontstaat CO2? De mens is mee verantwoordelijk voor de productie van CO2, namelijk bij het uitademen. Maar dit gebeurt in heel kleine kleine hoeveelheden. Meer extreme gevallen zijn de industrie,, elektriciteitscentrales, verkeer, bosbranden, vulkanen enz… Hieronder worden enkele voorbeelden gegeven. Bij een huishouden stoot een persoon gemiddelde 9 ton CO2 per jaar uit. Deze cijfers kunnen lager zijn en dit hangt af van de leefstijl van personen. Bosbranden produceren ook een heel grote hoeveelheid hoeveelheid koolstofdioxide. Ook vulkanen stoten ten constant koolstofdioxide uit en eens dat deze uitbarsten, komt er een heel grote hoeveelheid koolstofdioxide in een keer vrij,, men spreekt hier over tonnen koolstofdioxide. koolstofd Er bestaan heel wat mogelijkheden om elektriciteit te produceren. De meest bekende en ook het meest milieu vervuilend zijn de kerncentrales en thermische centrales. De elektriciteitsproductie stoot in totaal ongeveer 20 miljoen ton CO2 per jaar uit in België. De kerncentrales stoten geen CO2 uit maar produceren wel nucleaire afval.
6
Een meer extreem geval waar de mens voor CO2-uitstoot zorgt, is bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen zijn koolwaterstofbindingen die zijn ontstaan uit resten van plantaardige en dierlijke levende wezens. Voorbeeld van fossiele brandstoffen zijn steenkool, aardolie, aardgas en bruinkool. Bij het verbranden van een fossiele brandstof is O2 (zuurstofgas) nodig. Bij deze verbranding ontstaat niet alleen CO2 maar ook H2O (water). Octaan is een bestanddeel van benzine, dit is dus een fossiele brandstof. De verbranding van octaan gebeurt als volgt: 2 C8H18 + 25 O2 —> 18 H2O + 16 CO2 Heel wat auto’s rijden met fossiele brandstoffen. Deze zorgen ook voor heel wat CO2-uitstoot. Maar in ons dagelijks leven worden niet alleen auto’s als vervoermiddel gebruikt, maar ook trams, bussen, treinen, metro’s, enz… Een persoon legt gemiddelde elk jaar 15 000 kilometer af, dat komt overeen met een jaarlijkse CO2-uitstoot van ongeveer 2,8 ton.
1.3 Gevolgen van CO2 Koolstofdioxide heeft naast zijn belangrijke toepassingen als fotosynthese, in het dagelijks leven ook heel slechte gevolgen. Koolstofdioxide is een broeikasgas, en heeft dus gevolgen op de mens, economie en ons milieu. Bij een te hoge concentratie van koolstofdioxide worden er meer infraroodstralen (IR) geabsorbeerd. De inkomende warmtestraling van de zon warmen de atmosfeer op. Deze opwarming bevindt zich op zeer grote hoogten. Deze opwarming vindt plaats omdat de broeikasgassen een laag om de aarde vormen die de infrarood stralingen tegenhoudt. De opwarming van de aarde is de gemiddelde temperatuur die op de aarde wordt waargenomen. Sinds het begin van de twintigste eeuw is de gemiddelde temperatuur van de aarde met ongeveer 0,74°C gesteg en. Dit heeft als gevolg onder andere klimaatsveranderingen (smelten van het ijs aan de polen enz…). Deze stijging van de gemiddelde temperatuur wordt dus veroorzaakt door de menselijke CO2-uitstoot. Deze CO2-uitstoot is in de loop van de twintigste eeuw heel hard gestegen door de menselijke activiteit. De mens heeft deze laatste eeuw heel wat fossiele brandstoffen gebruikt. Ecologisch heeft dit grote gevolgen: ijskappen smelten en de zeespiegel stijgt. Deze effecten zijn nu al wereldwijd waarneembaar en het ecosysteem dreigt flink te ontsporen. 7
2. Fotosynthese 2.1 Geschiedenis Voor het begin van de 18de eeuw geloofden wetenschappers dat planten al hun bouwstoffen uit de bodem haalden. In 1727 suggereerde Stephen Hales dat planten een deel van hun voeding halen uit de atmosfeer, en dat ook licht op een of andere wijze participeerde in dit proces. Dit werd later beschreven als het fotosyntheseproces.
2.2 Fotosynthese Fotosynthese is een biochemisch proces, waarbij de hogere planten lichtenergie gebruiken om CO2 en H2O om te zetten in koolhydraten: licht + 6 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2 In deze reactie is C6H12O6 een voorbeeld van een koolhydraat (glucose). De basisvoorwaarde voor fotosynthese is de absorptie van licht door het blad. Het fotosyntheseproces bestaat uit 2 fasen: de lichtreacties waarbij lichtenergie omgezet wordt in chemische energie, en de donkerreacties (ook Calvincyclus genoemd) waarbij de CO2 met behulp van de verkregen chemische energie omgezet wordt in glucose (zie verder).
2.3 Chlorofyl en groene blaadjes In de cellen van bladeren bevinden zich chlorofylmoleculen, dit is een pigment of kleurstof. Een pigment levert een kleur op omdat het het licht van een bepaalde golflengte niet absorbeert en de andere golflengten wel. De kleur die je ziet, is de kleur die niet wordt geabsorbeerd. Het volledige spectrum van licht bevat de volgende kleuren: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. Planten kleuren vooral groen. Het pigmentmolecule chlorofyl absorbeert elke golflengte van licht, op het groen na. De groene lichtstralen worden door het blad weerkaatst en door je ogen opgevangen: je ziet dus groen. In de herfst raken de moleculen van chlorofyl-a op en beginnen de bladeren van kleur te veranderen. De pigmentmolecule chlorofyl-b absorbeert licht van elke golflengte behalve rood, oranje en geel, dus zie je die kleuren als chlorofyl-b het licht van de zon absorbeert.
8
2.4 Lichtreacties Lichtvangers, zijn moleculen aan de rand van het pigmentsysteem. Wanner deze belicht worden vangen de lichtvangers het licht even op en geven het daarna door aan chlorofyl a2 van het reactiecentrum. Tegelijkertijd treedt er fotolyse van water op 1 met behulp van de aangeslagen lichtenergie: 2 H2O /2 O2 + 2 e-. De vrije plaatsen van de aangeslagen chlorofylmoleculen in chlorofyl a2 worden weer ingevuld door deze elektronen. Daarbij wordt het molecule O2 gevormd en dat gaat later uit de cel. De vrijgekomen elektronen van chlorofyl a2 worden overgedragen aan chlorofyl a1 via de oxidatieve fosforylatie of oxfoseenheid. Wanneer de moleculen hun weg door de oxfoseenheid gaan, gaat een deel van deze energie gebruikt worden om ADP om te zetten in een energierijkere ATP. Daarbij laadt de cel zijn baterijen op. Het aangeslagen chlorofyl a1-molecule heeft immers lichtenergie geabsorbeerd en ook elektronen vrijgelaten. De elektronen van chlorofyl a1 die werden vrijgelaten, worden eveneens door een acceptor opgevangen en door een 2de oxfoseenheid geleid. Ook bij dit proces wordt energie vrijgegeven. Om in het stroma van de chloroplasten de bij de fotolyse vrijgekomen H+ te binden aan waterstofdragers (NADP+) is de vrijgekomen energie nodig. NADPH (NADP+ + H+ NADPH) bevat heel veel energie.
9
2.5 Donkerreacties Donkerfasen zijn reacties die ook in het donker kunnen optreden. Deze reacties vinden plaats in het stroma. Tijdens de lichtfase werd energie geproduceerd. Deze energie wordt nu gebuikt in de donkerfase om glucose aan te maken (C6H12O6). De Calvincyclus is een cyclus die in drie fasen gebeurt en dat voor C6H12O6 zorgt. Fixatie van suiker, reductie tot suiker en ten slotte regeneratie van ribulose-1,5-bifosfaat zijn de drie fasen van de Calvincyclus. Fixatie van suiker: koolstofdioxide wordt opgenomen (uit de omgeving) en wordt met behulp van ribulosebifosfaatcarboxylase gebonden aan ribulose1,5-bifosfaat en word daarna in de Calvincyclus opgenomen. Er onstaan daarna twee moleculen 3-fosfoglyceraat uit de gevormde C6-verbindingen, omdat deze onstabiel zijn. Reductie tot suiker: de NADPH gaat er voor zorgen dat de carboxylgroep van het 3-fosfoglyceraat gereduceerd wordt tot een fosfotriose: glyceraldehyde-3fosfaat (C3H5O6P). De energie die nodig is voor dit proces is afkomstig uit de lichtfase van het fotosyntheseproces. Regeneratie van ribulose-1,5-bifosfaat: via een complexe reactiereeks wordt ribulose-1,5-bifosfaat terug omgezet vanuit de gevormde glyceraldehyde-3fosfaat. Daarbij word de cyclus gesloten.
10
3. Onderzoek en enquête In de maand oktober liet ik aan mijn klasgenoten lasgenoten van het vijfde jaar wetenschappen w uit hett Lyceum Martha Somers een kleine enquête invullen. Deze enquête was nodig nodi om hun totale koolstofdioxide-uitstoot koolstofdioxide uitstoot bij het komen naar school te berekenen. In totaal hebben 7 personen deze enquête ingevuld. Deze enquête bevat drie hoofdvragen: adres, dres, soort vervoermiddel en een gedetailleerde uitleg van hoe ze naar school komen.
3.1 Vervoer Heel wat auto’s rijden met fossiele brandstoffen, daarvan kunnen we heel gemakkelijk de CO2-uitstoot uitstoot gaan bereken namelijk met een chemische vergelijking. Maar in ons dagelijks gelijks leven worden niet alleen auto’s als vervoermiddel vervoermiddel gebruikt, ook trams, bussen, treinen, metro’s enz… Voor bussen die rijden met fossiele brandstoffen en is het zoals bij de auto’s, de koolstofdioxide-hoeveelheid koolstofdioxide hoeveelheid is gemakkelijk te berekenen. Voor oor andere vervoermiddelen zoals trams en treinen is het iets moeilijker.. Deze vervoermiddelen zijn elektrisch, ze gebruiken dus elektrische energie. In principe stoten ze dus geen koolstofdioxide uit. Dit wil niet zeggen dat deze voertuigen 100% groen zijn. Eigenlijk hangt het helemaal af van waar de energie komt. In onderstaande tabel kan men enkele gegevens vinden over de CO2uitstoot per persoon. We gaan ons dan ook op deze waarden rden baseren.
CO2 CO2-uitstoot per persoon
Bus
De Lijn
Tram
MIVB SNCB Metro
Trein
0
20
40
60
80
100
CO2 CO2-uitstoot/km-passagier (g/km)
11
In onderstaande tabel staan ook de gegevens voor verschillende wagentypes
Gemiddelde wagen, bezetting tijdens spitsuren
Gemiddelde nieuwe wagen
Gemiddelde wagen
0
20
40
60
80
100
120
140
160
CO2-uitstoot/km-passagier (g/km)
3.2 Resultaten van de enquête Soort vervoermiddel 14% 43%
14%
Te voet Tram MIVB Metro MIVB
29%
Auto
12
Soort vervoer middel Persoon 1 Persoon 2 Persoon 3 Persoon 4 Persoon 5 Persoon 6 Persoon 7
Tram MIVB Auto (gemiddelde wagen) Metro MIVB Tram MIVB Te voet Te voet Te voet
Afstand van woning tot school (in km) 2,3 km 11,3 km
Totale CO2 uitstoot (in gram)
4,4 km 2,5 km 850 m 350 m 1,5 km
134,2 g 112,5 g 0g 0g 0g
103,5 g 1491,6 g
3.3 Analyse van de enquête De totale koolstofdioxide-uitstoot van mijn klasgenoten bij het komen naar school is 1841,8 gram. Dit cijfer ligt laag omdat 43% van de leerlingen te voet naar school komt. Deze produceren ook koolstofdioxide bij het komen naar school, maar hun hoeveelheid uitgeademde koolstofdioxide is zo klein dat we die niet waarnemen. (Toch ademt een volwassen persoon dagelijks gemiddeld 900 g koolstofdioxide uit.). Men ziet hier duidelijk dat de auto de meeste koolstofdioxide-uitstoot veroorzaakt. Als persoon 2 uit de enquête met het openbaar vervoer zou komen, zou zijn koolstofdioxide-uitstoot tot 2 à 3 keer kleiner zijn. Bijvoorbeeld als persoon 2 uit de enquête de bus zou nemen zou zijn uitstoot maar 960,0 g bedragen. Of nog met de tram dan zou zijn uitstoot nog lager liggen (maar 519,0 g). Dit is tot 971 g minder dan de auto. Voor personen 1, 3 en 4 die maar gemiddelde 3 km van school wonen zou de koolstofdioxide-uitstoot ook lager kunnen worden tot zelfs 0 g, als deze met de fiets naar school zouden komen. Ze zouden ook sneller op school geraken met de fiets in plaats van het openbaar vervoer.
13
3.4 Verwerking van gegevens Nu we de totale koolstofdioxide-uitstoot van de klas kennen, moeten we bepalen hoeveel bomen men moet aanplanten om deze hoeveelheid koolstofdioxide te neutraliseren. Zoals eerder besproken, is er voor fotosynthese koolstofdioxide nodig. Afhankelijk van de soort plant, struik of boom en de leeftijd van het organisme, zal meer of minder zuurstof geproduceerd worden. Het is logisch dat een grote en volwassen boom met al zijn bladeren een grotere hoeveelheid koolstofdioxide zal opnemen dan een klein jonge boom met weinig bladeren. Er is ook een verschil met een boom die hier in België groeit of een boom die in de tropen groeit. Een volwassen Vlaamse boom neemt dagelijks gemiddeld zowat 65 gram koolstofdioxide op (of jaarlijks 24 kg per boom). Dit is al goed, maar er bestaan extreme gevallen waar bomen veel meer koolstofdioxide opnemen, zoals een honderdjarige boom (beuk) in Berlijn waarvan de kroondoorsnede circa twaalf meter breed is. Deze één eeuw oude beuk neemt dagelijks zowat 18 kg koolstofdioxide op. Zoals we gezien hebben produceren de leerlingen van het vijfde jaar wetenschappen uit het Lyceum Martha Somers bij het komen naar school zowat 1841,8 gram koolstofdioxide. Als men nu de gemiddelde koolstofdioxide-opname van een Vlaamse boom bekijkt, zou dit willen zeggen dat men zowat 28 bomen zou moeten aanplanten om de koolstofdioxide-uitstoot van deze leerlingen van het vijfde jaar wetenschappen uit het Lyceum Martha Somers te neutraliseren. Dit is een nog al heel groot aantal bomen. Als men deze gegevens op een jaar bekijkt (175 schooldagen x 1841,8 gram CO2 = 322315 gram CO2 ). Dit betekent dat er jaarlijks ongeveer 322 kg koolstofdioxide wordt geproduceerd.
4. Slotwoord Ik heb bij het maken van mijn werkstuk heel wat bijgeleerd over ons milieu en koolstofdioxide (CO2). Ik vond het ook heel leuk om zelf mijn onderzoeken te kunnen ondernemen dit zal mij zeker helpen later als ik verder zal gaan studeren. Het is anderzijds ook niet altijd gemakkelijk geweest om de juiste en goede informatie te vinden. Maar we leren bij het maken van zo een werk dat men niet mag opgeven en dat heb ik ook gedaan. Ik zou dat nooit van mijn zelf gedacht hebben om zo sterk te blijven zoeken.
14
Bijlage 1: Invulbrief (enquête)
Invulbrief O.C.
Beste leerlingen van het vijfde jaar Wetenschappen-Wiskunde uit het Lyceum Martha Somers. Ik Belhaj Azzadinne vraag jullie vriendelijk om dit fiche serieus en juist in te vullen voor mijn onderzoek competentie, en dit zo snel mogelijk weer in te dienen. Alvast bedankt.
-
Naam: Voornaam: Adres: Post code: Soort vervoermiddel waarmee je naar school komt: Leg juist en gedetailleerd hoe je aan school geraakt: o Bijvoorbeeld: - 5 min stappen van huis tot metro station ‘SIMONIS’ - 3 metro haltes tot en met metro station ‘BOCKSTEAL’ - 2 min stappen tot aan school
15
Bibliografie 1. MIVB, CO2-uitstoot, Internet, (http://www.stib.be/irj/go/km/docs/STIBMIVB/INTERNET/attachments/publications/studie_co2logic_internet_NL.pdf) 2. DE LIJN,CO2-uitstoot,Internet (http://www.delijn.be/over/milieu/co2_uitstoot_verkeer.htm) 3. INE, CO2-uitstoot, Internet, (http://www.lne.be/campagnes/dikke-truiendag/aan-deslag/energiebesparingstips/12.-co2-opslaan) 4. DONNA RAE SIEGFRIED, Biologie voor dummies,Wiley Publishing, Inc., 2001 5. Fotosynthese en chemosynthese, Cursus leerkracht Van Hulle
16
