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Versuch III: Transportprozesse, Wasserhaushalt II

Versuch III A, B, C

Versuch III, A: Messung der Transpiration im Potometer

 

 

Mit dem folgenden Versuch soll die Transpiration einer Pflanze bei unterschiedlichen Bedingungen gemessen werden.

Ein Stengel von Cyperus alternifolius wird unter Wasser abegschnitten und ohne Lufteinschlüsse in einem Pototmeter verankert. An Hand der Bewegung der Luftblase in der wassergefüllten Kapillare kann die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme abgelesen werden. Die zurückgelegte Strecke wird alle zwei Minuten gemessen; einmal bei Windstille, dann bei leichtem und starkem Wind.

Die Windmessung erfolgt mit einem Schalenkreuz-Windmesser. Die relative Luftfeuchtigkeit wird mit einem Assmann-Aspirationspsychometer gemessen und mit Hilfe des im Skript angeführten Diagramms ermittelt.

 

Die relative Luftfeuchtigkeit betrug in allen Messreihen 53% (trockenes Thermometer 21°C, feuchtes Thermometer 15°C), die Lufttemperatur 21°C.

 

Windstärke 0 m/s.

t [min]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

s [cm]

0

0,4

0,7

0,9

1,3

1,7

2,0

2,3

2,6

3,0

3,3

 

Windstärke 5,5 m/s:

t [min]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

s [cm]

0

0,4

0,9

1,3

1,6

1,9

2,2

2,5

2,8

3,1

3,4

 

Windstärke 8 m/s:

t [min]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

s [cm]

0

0,8

1,2

1,5

1,8

2,2

2,9

3,2

3,6

3,9

4,2

 

 

 

 

Die Transpiration nahm mit steigender Luftbewegung zu. Normalerweise schliessen sich die Stomata bei stärkerem Wind, so dass der Austrocknung durch physikalische Einflüsse entgegengewirkt wird. Da es keine logische Erklärung für die hohe Transpiration im Falle des Starkwindes gibt, kann ein Messfehler nicht ausgeschlossen werden. Der Vergleich der Transpiration bei Windstille und leichtem Wind zeigt, dass hier die physikalische Komponente Wind eine Rolle spielt, solange er nicht so stark ist, dass sich die Stomata zum Schutz schliessen. Die beschleunigte Transpiration bei leichtem Wind ist dadurch zu erklären, dass Dampfhauben auf der Blattoberfläche weggeblasen werden und so mehr Wasser entzogen wird.

 

Die Geschwindigkeit des Wassertransports wurde noch auf eine zweit Weise untersucht.

Weiße Blüten wurden in ein Gefäß mit 10%iger, saurer Fuchsinlösung gestellt. Nach einiger Zeit kann man die Rotfärbung der Blattadern verfolgen. Der Farbstoff gelangte in etwa 30 min 8,9 cm (vom Stil bis zum Blütenrand). Daraus lässt sich eine Transportgeschwindigkeit von ca. 0,05 mm/sec ermitteln.

 

Versuch III B: Selektive Ionenaufnahme

  

Zellen können Ionen sowohl durch Diffusion als auch durch aktiven, energieverbrauchenden Transport aufnehmen. Die Ionenaufnahme macht sich in einem veränderten pH-Wert bemerkbar, da die Elektroneutralität gewahrt werden muss. Werden bevorzugt Anionen aufgenommen wird das Medium basischer; und saurer bei Kationenaufnahme.

Die für den Transport benötigte Energie in Form von ATP wird aus Stärke bzw. Glucose gewonnen. Bietet man einer stärkeverarmten oder -freien Alge Glucose und kann durch deren Veratmung ein höherer Transport erfolgen als bei Zellen ohne Glucose, so ist dies ein Hinweis auf aktiven Transport.

 

In zwei 100 ml Enghals-Erlenmeyerkolben wurden jeweils 6 ml einer Algensuspension von Chlorella vulgaris gegeben. Dazu wurde jeweils 2 ml 2%ige (G/G) NH4Cl pipettiert und nur zu einer Suspension 2 ml 2%ige Glucoselösung. Dann wurde mit Wasser auf 16 ml aufgefüllt. Die Endkonzentration jeder zugesetzten Substanz sollte nun 0,25% (G/G) betragen.

Mittels 0,02 N HCl bzw. NaOH wurden mit dem vorher geeichten pH-Meter die Proben auf einen pH von 5,0 (±0,2) eingestellt.

Die Suspensionen wurden auf einen Schüttler gestellt  und im Abstand von 30 min wurde der pH-Wert mit der Glaselektrode gemessen.

 

t  in min

pH ohne Glucose

pH mit Glucose

0

5,0

5,0

30

5,19

5,40

60

5,25

5,08

90

4,93

4,41

120

5,02

3,80

150

4,85

3,54

 

 

 

Gegen die Erwartung steigt der pH-Wert erst einmal an. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die ausgehungerten Algen zuerst Chloridionen aufnehmen und folglich OH- ins Medium abgeben.

Deutlich ist zu sehen, dass die Aufnahme von Ammonium mit aktiven energieverbrauchenden Prozessen gekoppelt ist. Der pH im Ansatz ohne Glucose fällt im betrachteten Zeitraum so gut wie nicht ab, d.h. dass die Zellen fast kein Ammonium aufnehmen können, da kein ATP mehr vorhanden ist. Im Ansatz mit Glucose hingegen fällt der pH nach 1 h durch Abgabe von Protonen steil ab, woran man sehen kann, dass Ammonium aufgenommen wurde.

 

Der gleiche Versuchsansatz hätte noch mit KNO3 statt NH4Cl durchgeführt werden sollen.

Dabei wäre theoretisch zu erwarten gewesen, dass der pH-Wert durch Abgabe von OH- ansteigt, da die Zellen Nitrat aufnehmen. Die Katalysatorwirkung der Glucose hätte in etwa vergleichbar sein müssen.

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 Versuch III C: Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung

 

Sind in einem Lösungsmittel Stoffe gelöst, muss auf Grund der Wechselwirkungen mehr Arbeit geleistet werden um die Stoffe aus dem Verband zu nehmen als bei reinem Lösungsmittel. Die Folge ist eine Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung, die nach RAOULT proportional zur Molarität der Lösung ist. Für Wasser beträgt sie 1,86°C/mol.

Dies macht man sich zu Nutze, um die Konzentrationen löslicher Substanzen festzustellen.

 

Zur Messung des Gefrierpunkts wurde ein Kryoskop verwendet. Mit Hilfe von Eis und Kochsalz wurde eine sogenannte Kältemischung hergestellt, deren Temperatur -6°C bis -7°C betragen sollte. Dabei musste darauf geachtet werden, dass der Quecksilberfaden des Thermometers nicht abreißt.

Alle Lösungen wurden erst auf -2°C abgekühlt und gerührt, bis die Temperatur wegen der Schmelzwärme wieder anstieg. Das darauf folgende Maximum ist als der Gefrierpunkt definiert.

Zunächst wurde als Kontrolle die Gefrierpunktserniedrigung einer 0,5 M Saccharoselösung bestimmt. Die Temperatur wurde etwa alle 20 sec in °C gemessen:

 

-0,10

-0,30

-0,59

-0,70

-0,90

-1,02

-1,10

-1,18

-1,20

0,30

 

Da der Gefrierpunkt im positiven Bereich lag (0,3°C), muss ein Meßfehler unterlaufen sein oder die Lösung war zu alt.

Theoretisch müßte der Wert  0,5  x  1,86 = 0,93°C unter 0°C liegen.

 

Es sollte nun die Molarität von Preßsaft einer temperiert gelagerten Kartoffel gemessen werden und einer Kartoffel, die geringem Frost ausgesetzt war und deshalb erhöhten Zuckergehalt aufweist.

Dazu wurden wie oben das Maximum bzw. der Gefrierpunkt gemessen:

 

Temperiert gelagerte Kartoffel:-0,6 °C

Frostkartoffel: -1,8 °C

 

 

Berechnung des Zuckergehalts:

Temperiert gelagerte Kartoffel: 0,6/1,86 = 0,32 M

Frostkartoffel: 1,8/1,86 = 0,96 M

 

Die Vermutung, dass der Preßsaft der gefrorenen Kartoffel eine höhere Zuckerkonzentration enthält, wird dadurch bestätigt. Durch die Frosteinwirkung wurden die Stärkemoleküle verstärkt abgebaut, wodurch die Glucosekonzentration stieg.

 

____________________________________________

 

Versuch 3: Transportprozesse, Wasserhaushalt II

 

 

A: Messung der Transpiration im Potometer   

 

Durchführung

Die Saugkraft eines Stengels von Cyperus alternifolius wird in einem Potometer bei 3 verschiedenen Windgeschwindigkeiten untersucht.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Fuchsin in einem Blütenblatt einer Cyclame wird gemessen.

 

Ergebnisse

Die Tabelle zeigt die zurückgelegte Strecke der Luftblase am Potometer in cm

Luftfeuchtigkeit: 40-50%

Temperatur: 23 °C (Raumtemperatur)

 

Zeit in min.

Ruhende Luft

Wind, 5 m/sec

Wind, 7 m/sec

0

0

0

0

2

0,6

0,3

0,2

4

1

0,5

0,5

6

1,1

0,8

0,5

8

1,7

1,1

1,1

10

1,7

1,4

1,3

12

2,0

1,6

1,6

14

2,2

1,8

1,9

16

2,5

2,1

2,1

18

2,7

2,4

2,4

20

3,0

2,6

2,7

22

3,2

2,9

3,0

24

3,5

3,2

3,3

26

3,7

3,4

3,6

28

4,0

3,7

3,9

30

4,2

4,0

?

 

Anhang 1 Zeigt die Werte in einem Diagramm.

 

Die Blüte zieht den Farbstoff 3 cm in 4 min hoch. Das ergibt eine Geschwindigkeit von

0,45 m/sec.

 

Diskussion

Der Wasserdampf, der sich in den Interzellularräumen befindet seht mit den Stomata in Verbindung. Sind die Schließzellen geöffnet kann der Wasserdampf nach Außen diffundieren, da dort seine Konzentration niedriger als in der Pflanze ist.

Die Bedingungen Außen beeinflussen die Diffusion maßgeblich. Bei windstillen Verhältnissen kann sich um die Stomata und auch um die anderen Organe der Pflanze ein Luftpolster bilden, in dem die Wasserdampfkonzentration höher ist als in der Umgebung. Es diffundiert  relativ wenig Wasserdampf nach außen und die Pflanze sollte weniger Wasser ansaugen. Die Ergebnisse aus dem Versuch zeigen allerdings gegenteilige Ergebnisse. Dies könnte einerseits daran liegen, dass die Transportfunktion der Pflanze schon nicht mehr richtig funktionierte, andererseits an technisch bedingten Messfehlern, z.B. Luftblasen im Potometer oder ein Leck im Halteglas.

 

B: Selektive Ionenaufnahme

 

Durchführung

Zwei Testreihen einer Suspension von Chlorella werden angesetzt, eine mit Glucose die andere ohne. Die Algen waren zuvor einer Dunkelperiode ausgesetzt. Der Suspension wird NH4Cl oder KNO3 zugesetzt. Dann wird in regelmäßigen Abständen der pH-Wert gemessen. Durch die pH-Wert Änderung kann auf die bevorzugt aufgenommene Ionensorte geschlossen werden. Unsere Gruppe führte den Versuch mit NH4Cl durch.

 

Ergebnis

 

Zeit in min

pH-Wert Probe I

pH-Wert Probe II (mit Glucose)

0

5,2

6

30

6,29

5,94

60

6,43

5,80

90

6,48

5,68

120

6,52

5,46

180

6,59

5,87

 

Anlage 1 zeigt die Daten in der graphischen Darstellung

 

Diskussion

Die beiden Proben verhalten sich gegenläufig, dh. Bei Probe I steigt der pH-Wert, während er bei Probe II sinkt. Dies entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Da die Algen durch die Dunkelperiode „ausgehungert“ sind, sollten sie bevorzugt NH4+ aufnehmen, da Stickstoff ein wichtiger Wachstumsfaktor ist. Der pH-Wert sollte also sinken, und zwar bei der Probe mit Glucose schneller als bei der Probe ohne. Offensichtlich war die Zelle aber so sehr geschwächt, dass ohne Zugabe von Glucose zum Zeitpunkt der ersten Messung überhaupt kein aktiver Transport mehr stattfand. (Zwischen Proben-Ansatz und erster Messung lagen ca. 30 min., da die Eichung des pH-Meters etwas langwierig war) Der pH-Wert Anstieg bei Probe I ist damit zu erklären, dass die viel kleineren Cl--Ionen dem Konzentrationsgefälle fogend ins Zellinnere diffundiert sind, und zum Ausgleich Hydroxid-Ionen hinaus gelangten. Der letzte Wert bei Probe II zeigt ebenfalls einen Anstieg des pH-Wertes, möglicherweise war in der Probe zu diesem Zeitpunkt bereits alle Glucose aufgebraucht, so dass der gleiche Effekt wie bei Probe I eintrat.

 

 

 

C: Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung

 

Durchführung

In einem Kolben wurde mit Kochsalz und Eis eine Kältemischung hergestellt. Entgegen der Angaben im Skript mussten ca. 250 g NaCl zugegeben werden, um die Temperatur auf –6°C bis –7°C zu senken.

Um das Thermometer zu eichen, wird zuerst destilliertes Wasser in das Innengefäß gegeben. Der Gefrierpunkt lässt sich daran erkennen, dass die Temperatur kurz ansteigt um dann endgültig abzufallen. Allerdings geht dieser Vorgang sehr schnell und ist relativ schwer festzustellen. Der Gefrierpunkt sollte bei dest. Wasser bei 0°C liegen.

Mit dem so geeichten Thermometer bestimmen wir zunächst den Gefrierpunkt einer 0,3 molaren Saccharose-Lösung. Anschließend den von Kartoffelpressaft von gefrorenen Kartoffeln und nicht gefrorenen Kartoffeln.

 

Ergebnis

Die Tabelle zeigt die gemessenen Temperaturen der verschiedenen Proben in °C.

           

Zeit in Sek.

Kartoffeln gefroren I

Kartoffeln gefroren II

Kartoffeln frisch I

Kartoffeln frisch II

Saccharose 0,3 mol/l I

Saccharose 0,3 mol/l II

Destilliertes Wasser

10

-0,1

-0,5

-0,65

-0,75

-0,6

-0,6

0

20

-0,3

-1,0

-1,2

-1,13

-1,02

-1,22

0,10

30

-0,65

-1,45

-1,75

-1,6

-1,4

-1,8

0,12

40

-1,1

-1,9

-2,2

-2,0

-1,6

-2,0

-0,2

50

-1,5

-2,0

-1,5

-1,4

-2,0

-2,1

-0,35

60

-1,9

-1,8

-1,7

-1,35

-1,6

-2,5

-0,55

70

-1,8

-1,7

-2,2

-1,6

-1,05

-2,7

-0,9

80

-1,7

-1,6

-2,4

-1,8

-0,85

-2,95

-1,25

90

-1,8

-1,56

-2,55

-1,95

-0,78

-2,4

-1,65

100

-1,9

-1,6

-2,8

-2,2

-0,76

-1,1

-1,99

110

-2,1

-1,9

-3,12

-2,5

-0,8

-0,9

 

120

-2,5

-2,2

 

-2,8

-0,9

-0,8

 

130

-2,8

-2,6

 

 

-0,92

-0,7

 

140

-3,0

-2,9

 

 

-0,95

-0,76

 

 

 

 

 

 

 

-0,79

 

 

 

 

 

 

 

-0,84

 

 

 

 

 

 

 

-0,91

 

 

 

 

 

 

 

-0,97

 

 

Damit ergeben sich die folgenden durchschnittlichen Gefrierpunkte:

-        Wasser dest:                +0,1°C

-        Saccharose 0,3 mol/l:  -0,73°C (-0,83)

-        Kartoffeln frisch: -1,43°C (-1,53)

-        Kartoffeln gefroren:         -1,63°C (-1,73)

Bei einer Gefrierpunktserniedrigung von 1,86°C/mol (nach Raoult) ergeben sich aus den um 0,1°C korrigierten Werten folgende Zuckerkonzentrationen

-        Kartoffeln frisch: 0,8 mol/l (-0,83/1,86)

-        Kartoffeln gefroren:         0,9 mol/l

 

Diskussion

Die Gefrierpunkterniedrigung nach Raoult beträgt 1,86°C/mol. Demnach müsste der Gefrierpunkt von 0,3 mol Saccharose bei 0,56°C liegen. Entweder war die Konzentration der Lösung zu hoch, oder der Wert wurde fehlerhaft abgelesen, jedenfalls liegt er bei uns um 0,83°C zu tief, da die Werte aufgrund der Eichung mit Wasser um 0,1°C nach oben korrigiert werden müssen.

Wie zu erwarten ist die Zuckerkonzentration in angefrorenen Kartoffeln höher, da durch den Frost Stärkedepots zerstört und abgebaut werden, und somit mehr Zucker freigesetzt wird.

Insgesamt erwies sich der Versuch als schwierig und die Meßwerte relativ ungenau, da die Kältemischung ziemlich oft zu warm wurde, und mit neuem Eis und Salz versehen werden mußte, was die Messung erschwerte.

 

 

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