Erbsen mit Untermietern
AFB I–IIIErbsen (Pisum sativum) gehören zu den Schmetterlingsblütlern. In einem Versuch wurden Erbsen aus Samen in gewaschenem, stickstofffreiem Sand angezogen und mit einer stickstofffreien Nährlösung gegossen (M1, M2).
| Ansatz | Knöllchenbakterien | Nitratdünger | Knöllchen | Trockenmasse in g | Stickstoff in der Pflanze in mg |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | – | – | 0 | 0,8 | 12 |
| 2 | + | – | 38 | 3,1 | 95 |
| 3 | – | + | 0 | 3,4 | 102 |
| 4 | + | + | 6 | 3,5 | 108 |
| 5 | + (Luft ohne N₂: Argon und O₂) | – | 35 | 0,9 | 14 |
Die Nitrogenase der Knöllchenbakterien verbraucht je fixiertem N₂ mindestens 16 ATP. Sie wird durch O₂ rasch zerstört. Die Wirtspflanze bildet in den Knöllchen Leghämoglobin, das O₂ bindet und gezielt an die Atmungskette der Bakterien abgibt; dafür erhalten die Bakterien Kohlenhydrate aus der Fotosynthese der Pflanze.
- Beschreiben Sie die Beziehung zwischen Erbse und Knöllchenbakterien auf molekularer Ebene (M2).
- Werten Sie die Ansätze 1 bis 3 aus (M1).
- Deuten Sie die Ergebnisse der Ansätze 4 und 5.
- Ein Landwirt überlegt, vor dem Weizen Erbsen anzubauen und dafür weniger Mineraldünger zu verwenden. Beurteilen Sie diesen Plan aus ökologischer Sicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Knöllchenbakterien leben in Wurzelknöllchen der Erbse. Ihre Nitrogenase reduziert N₂ aus der Bodenluft zu NH₃ bzw. NH₄⁺ (Stickstoff-Fixierung); das Ammonium gibt es an die Pflanze ab, die es in Aminosäuren einbaut. Die Pflanze liefert Kohlenhydrate aus der Fotosynthese; die Bakterien oxidieren sie in der Zellatmung und gewinnen so das ATP für die Nitrogenase. Leghämoglobin hält die O₂-Konzentration niedrig, damit die Nitrogenase nicht zerstört wird, und liefert zugleich genug O₂ für die Atmungskette. Beide Partner profitieren: Symbiose (Mutualismus).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ohne Bakterien und ohne Dünger (Ansatz 1) bleibt die Pflanze klein (0,8 g) und enthält kaum mehr Stickstoff als der Samen (12 mg gegenüber 11 mg): Stickstoff begrenzt ihr Wachstum. Mit Knöllchenbakterien (Ansatz 2) bilden sich 38 Knöllchen, Trockenmasse und Stickstoffgehalt steigen fast auf das Vierfache bzw. Achtfache. Mit Nitratdünger (Ansatz 3) erreicht die Pflanze ähnliche Werte ohne Knöllchen. Die Knöllchenbakterien ersetzen also den Stickstoffdünger; der zusätzliche Stickstoff in Ansatz 2 kann nur aus der Luft stammen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ansatz 4: Mit Nitrat bildet die Pflanze trotz Bakterien kaum Knöllchen (6 statt 38), wächst aber gut. Da die Fixierung viel ATP und damit Kohlenhydrate kostet, ist die Aufnahme von vorhandenem Nitrat für die Pflanze günstiger; sie unterdrückt die aufwendige Symbiose. Ansatz 5: Knöllchen entstehen, aber Masse und Stickstoffgehalt bleiben auf dem Niveau von Ansatz 1. Ohne N₂ in der Luft können die Bakterien nichts fixieren. Das belegt, dass der zusätzliche Stickstoff in Ansatz 2 aus dem N₂ der Luft stammt und nicht aus den Bakterien oder dem Sand.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Dafür spricht: Die Erbsen reichern über die Knöllchenbakterien Stickstoff an; nach dem Unterpflügen oder aus Wurzel- und Ernteresten wird er durch Ammonifikation und Nitrifikation als Nitrat für den Weizen verfügbar. Weniger Mineraldünger spart die energieaufwendige Haber-Bosch-Synthese und senkt die Gefahr von Überdüngung, Nitratauswaschung und Eutrophierung. Einschränkungen: Ein großer Teil des fixierten Stickstoffs wird mit den Erbsen geerntet; die Menge im Boden ist schwer planbar. Wird das Nitrat im Herbst freigesetzt, ohne dass Pflanzen wachsen, kann es ebenfalls ausgewaschen oder denitrifiziert werden (N₂O). Fazit: ökologisch sinnvoll, wenn die Düngung an den tatsächlichen Stickstoffvorrat angepasst und der Boden im Winter bewachsen ist.
Ein Aquarium läuft ein
AFB II–IIIWer ein neues Aquarium einrichtet, soll einige Wochen warten, bevor viele Fische eingesetzt werden. Man spricht vom „Einfahren“ des Aquariums (M3, M4).
Ammonium stammt aus den Ausscheidungen der Fische und aus Futterresten. Die Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter siedeln sich vor allem im Filter an. Sie wachsen langsam: Ihre Verdopplungszeit beträgt je nach Bedingungen etwa 10 bis 30 Stunden, die vieler Destruenten weniger als eine Stunde. Nitrit ist für Fische schon ab etwa 0,5 mg/l giftig, Nitrat erst in weit höheren Konzentrationen.
- Beschreiben Sie den Verlauf der drei Konzentrationen in M3.
- Erklären Sie den zeitlich versetzten Verlauf mithilfe von M4.
- Stellen Sie die Reaktionsgleichungen der beiden Nitrifikationsschritte auf, geben Sie die Oxidationszahlen des Stickstoffs an und erläutern Sie, wie die Bakterien die Energie nutzen.
- Ein Aquarianer möchte den Nitratanstieg ab Tag 20 bremsen. Bewerten Sie die Vorschläge „wöchentlich ein Drittel des Wassers wechseln“, „schnell wachsende Wasserpflanzen einsetzen“ und „den Filter gründlich mit heißem Wasser reinigen“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ammonium steigt in der ersten Woche auf ein Maximum von etwa 3 mg/l (Tag 8) und fällt bis Tag 16 auf null. Nitrit steigt ab etwa Tag 6 an, erreicht um Tag 15 das Maximum von etwa 5 mg/l und ist ab Tag 24 kaum noch nachweisbar. Nitrat steigt ab etwa Tag 9 an und nimmt danach gleichmäßig auf über 30 mg/l bis Tag 35 zu. Die drei Maxima folgen also zeitlich versetzt aufeinander.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Fische scheiden von Anfang an Ammonium aus; Destruenten setzen aus Futterresten zusätzlich NH₄⁺ frei (Ammonifikation). Da nitrifizierende Bakterien im neuen Filter zunächst fehlen und sich nur langsam vermehren, reichert sich Ammonium an. Sobald die Nitrosomonas-Population groß genug ist, oxidiert sie Ammonium zu Nitrit; das Ammonium sinkt, Nitrit steigt. Nitrobacter kann sich erst vermehren, wenn Nitrit als Substrat vorhanden ist, und wächst ebenfalls langsam — deshalb folgt das Nitritmaximum mit Verzögerung. Wenn beide Populationen eingespielt sind, wird Ammonium sofort über Nitrit zu Nitrat umgesetzt. Da ohne Pflanzen kein Nitrat assimiliert und im gut durchlüfteten Wasser kaum denitrifiziert wird, reichert sich Nitrat als Endprodukt an.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Schritt 1 (Nitrosomonas): NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂⁻ + 2 H⁺ + H₂O; N: −III → +III, 6 Elektronen abgegeben. Schritt 2 (Nitrobacter): NO₂⁻ + 0,5 O₂ → NO₃⁻; N: +III → +V, 2 Elektronen abgegeben. Die Elektronen werden über eine Elektronentransportkette auf O₂ übertragen; dabei wird ATP gebildet, außerdem entsteht Reduktionsmittel (NADH). ATP und NADH dienen zur Fixierung von CO₂ im Calvin-Zyklus. Die Bakterien sind chemoautotroph (Chemosynthese). Weil die freigesetzte Energie je umgesetztem Ion gering ist, müssen sie große Mengen umsetzen und wachsen langsam.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Teilwasserwechsel: sehr wirksam und sicher — mit jedem Wechsel wird ein Drittel des Nitrats entfernt, der Kreislauf im Filter bleibt erhalten. Wasserpflanzen: wirksam und ökologisch sinnvoll — sie assimilieren Nitrat und Ammonium als Stickstoffquelle und bauen es in organische Stoffe ein; zusätzlich liefern sie O₂. Sie ersetzen den Wasserwechsel nur teilweise, weil abgestorbene Pflanzenteile wieder ammonifiziert werden. Filter heiß reinigen: ungeeignet und gefährlich — dabei werden die nitrifizierenden Bakterien abgetötet. Nitrat sinkt dann zwar vorübergehend, aber Ammonium und das giftige Nitrit steigen erneut an wie beim Einfahren. Fazit: Wasserwechsel und Pflanzen kombinieren, den Filter nur schonend reinigen.