Opgaver til kvælstofkredsløbet | VG3

Projecter »

Opgaver til kvælstofkredsløbet

1. Nedbrydning af organisk stof
Alle levende organismer har brug for energi til deres livsprocesser. Energien kommer fra nedbrydning af organisk stof. Hvis de organiske stoffer nedbrydes fuldstændigt og der dannes kuldioxid og vand, kalder man processen respiration. Men det er forskelligt om respirationen foregår aerobt eller anaerobt. De fleste organismer lever i et aerobt miljø og laver derfor respiration med ilt. Men i de iltfattige zoner foregår nedbrydningen af det organiske stof ved hjælp af andre respirationsmidler, fx nitrat (NO3-) eller sulfat (SO42-).

1.a.
Tildel oxidationstal og afstem følgende reaktionsskemaer for nedbrydning af organisk stof, i dette tilfælde nedbrydning af ethansyre (eddikesyre). Antag at de anaerobe processer foregår i et surt miljø.

Aerob respiration: CH3COOH + O2 → CO2 + H2O

Denitrifikation: CH3COOH + NO3- → CO2 + N2 + H2O

Sulfatreduktion: CH3COOH + SO42-→ CO2 +H2S + H2O

1.b.
Man kan beregne energiudbyttet pr. mol ethansyre der nedbrydes, ved hjælp af såkaldte molære standard dannelsesenergier, Gmө (Gibbsenergier ved 25 ºC), som er værdier man kan slå op tabeller.
Hvis man opskriver et generelt udtryk for en kemisk reaktion, hvor a og b mol af reaktanterne A og B omdannes til c og d mol af produkterne C og D således:

aA + bB → cC + dD

så kan energiudbyttet eller –forbruget for reaktionen beregnes ved hjælp af nedenstående formel:

ΔGmө = cGmө(C) + dGmө(D) – (aGmө(A) + bGmө(B))

Tallet bliver negativt hvis der frigives energi ved processen, mens det bliver positivt hvis der forbruges energi ved processen.

Beregn ved hjælp af nedenstående tabel over molære standardenergier, hvad energiudbyttet er for hhv aerob respiration, denitrifikation og sulfatreduktion pr. mol ethansyre der omdannes.

Tabel over molære standard Gibbsenergier, Gmө:

CH3COOH (Ethansyre) -389,45 kJ/mol
CO2 (Carbondioxid) -394,35 kJ/mol
H+ (Hydron) 0 kJ/mol
H2O (Vand) -237,13 kJ/mol
H2S (Hydrogensulfid) -33,51 kJ/mol
N2 (Dinitrogen) 0 kJ/mol
NO3- (Nitrat) -111,3 kJ/mol
O2 (Dioxygen) 0 kJ/mol
SO42- (Sulfat) -744,63 kJ/mol

Hvordan passer energiudbyttet med de forskellige nedbrydningstypers forekomst i havet?

2. Fjernelse af kvælstof fra vand til atmosfære
Som omtalt, findes der to processer, der returnerer kvælstof til atmosfæren i form af N2, nemlig denitrifikation og anammox. Begge processer foregår i de iltfattige zoner.

Man har anslået iltsvindszonernes volumen til at være 1,5 x 1015 m3 og beregnet at N2-produktionen heri er 150 Tg (terragram, 1012 g) pr. år.

Hvor meget kvælstof fjernes pr. m3 pr. dag?

Bakterietætheden i den iltfrie zoner er ca. 109 pr. m3, heraf er ca. 5% anammoxbakterier.

Hvad er anammoxraten pr. celle hvis vi antager at alle anammoxbakterier bidrager til N2-produktionen og hvis det altså er anammox, der forårsager hele N2 produktionen?

Anammoxbakterier i rensningsanlæg fjerner op til 280 fg (femtogram 10-15 g) N pr. celle pr. dag. Sammenlign denne rate med aktiviteten i iltsvindszonerne. Hvor ville du forvente den største aktivitet?

Atmosfæren består af 78% N2 og alligevel er kvælstof begrænsende for væksten af alger og planter – hvorfor er N2 molekylet så svært at udnytte? Hvis de er inde i termodynamisk ligevægt kunne man også lave en pointe over at nitrat er den termodynamisk stabile form for N under oxiske betingelser, men trods det er N2 den dominerende for på jordoverfladen]

Øvelser

1. Aerobe og anaerobe respirationer.
Indsaml sedimentprøver fra et lavvandet fjordområde. Det gøres nemmest vha. af sulforetrør, der er et gennemsigtigt pleksiglasrør, diameter ca. 6 cm, længde ca. 30 cm med prop. Uden prop presses røret ca. 10 cm ned i bunden. Der graves forsigtigt fri under røret, så man kan sætte proppen i nedefra, og derefter forsigtigt trække røret op.

  1. Demonstrér anaerobe respirationer i forsøg med tilsætning af forskellige respirationsmidler, f.eks. sulfatreduktion (sulfidlugt), denitrifikation (gasproduktion). Se evt. skift fra aerob til anaerob respiration. Nitrat og nitrit kan måles med strips fra akvariehanderen eller i mere følsomme farvereaktioner (især nitrit). Find Beggiatoa i mudder, og evt. foramineferer (næppe denitrificerende).
  2. Find også inspiration i følgende eksperiment:
    http://www.aarhusakademi.dk/detvirtuellehus/Vejledninger/Datafangst/Svovl.PDF


2. Næringsstoffers betydning for algevækst
Filtrér noget sø- eller havvand. Tilbage på filteret skulle gerne sidde nogle alger. Disse filtre anbringes i petriskåle med vand. Petriskålene kan sættes i lys eller mørke, og vandet kan tilsættes forskellige opløsninger der indeholder eller fjerner næringsstoffer, (fx flydende gødning til potteplanter (indeholder både N og P), koncentreret opløsning af fosfatholdigt vaskepulver, koncentreret ferrosulfatopløsning, FeSO4 (fælder fosfat).

Væksten af alger på filtrérpapiret måles ud fra farveintensiteten på filteret efter nogen tid. Evt. kan man ekstrahere klorofyl fra papiret vha. ethanol og måle absorption af klorofyl, som et udtryk for algetætheden.

  1. Hvad bruger algerne kvælstof til? Udpeg processen i kvælstofkredsløbet (figur 1), der finder sted i planten.
  2. Hvad bruger algerne fosfor til?
  3. Hvad betyder det indbyrdes mængdeforhold af N og P for algevæksten?
Baggrund

I det følgende kan du læse mere om, hvad der kendetegner det iltfattige hav ud for Perus kyst.

Iltfattige zoner

Iltfattige zoner i både Danmark og ved Chile. Lær her om forholdene de forskellige steder.

Foraminifere – skalbærende dyr

Foraminiferer er encellede organismer, der dominerer de organismer, der lever i en iltfri havbund.

Eukaryoter der ånder med nitrat

Det har længe været en gåde, hvordan foraminifererne klarer sig på havbunden, når der næsten ingen ilt er.

Foraminiferer og denitrifikation

Foraminiferer, der laver denitrifikation, bærer et lager af nitrat inde i deres celle.

Kvælstofkredsløbet

Alle levende organismer har brug for kvælstof, som indgår i vigtige cellebestanddele som proteiner og nukleinsyrer (DNA og RNA).

Kvælstoffets vej fra luft til land og vand

Den ene af de to største puljer af kvælstof på Jorden er bundet som ammonium i klipper og i havbunden.

Op i luften igen

Det er overraskende, at puljen af kvælstof i oceanerne er så lille (mindre end 0.01% af kvælstofpuljen i atmosfæren).

En ny proces i kvælstofkredsløbet

For mindre end 20 år siden beskrev forskerne også en helt ny proces inden for kvælstofkredsløbet.