Samenvattingen · BiologieNL · HAVO

Regulatie van ecosystemen: energiestroom, kringloop, dynamiek en evenwicht

Een ecosysteem wordt geregeld door de manier waarop energie en stoffen er doorheen bewegen. Dit onderwerp bouwt dat stap voor stap op: van voedselketens en -webben naar de energiepiramide, en daarna naar de koolstof- en de stikstofkringloop. De rode draad is één scherp contrast: stoffen circuleren in een kringloop, terwijl energie het systeem maar één keer doorstroomt en als warmte verdwijnt.

4 Onderdelen~29 min leestijd4 VaardighedenNiveau Basis 1 · Standaard 2 · Verdieping 1

T·161616 / 20

Examenprofiel

Voedselrelaties beschrijven met producenten, consumenten en reducenten, een voedselketen en een voedselweb lezen (de pijl wijst van prooi naar eter) en het trofische niveau van een organisme bepalen.De energiestroom door een ecosysteem verklaren, met de 10%-regel de energie per trofisch niveau berekenen, en uitleggen waarom energie eenmalig doorstroomt terwijl stoffen circuleren.De koolstofkringloop beschrijven: fotosynthese legt CO₂ vast, ademhaling en verbranding maken het weer vrij, met de rol van reducenten en van fossiele brandstof.De stikstofkringloop beschrijven met de rol van bacteriën — stikstofbinding, nitrificatie, ammonificatie en denitrificatie — en de stoffen N₂, NH₄⁺ en NO₃⁻ op de juiste plaats zetten.

Operatoren:leg uitverklaarberedeneerberekeninterpreteer

basisniveau

Zorg dat je producent, consument en reducent kunt benoemen, de pijlrichting in een voedselketen en -web kent, het trofische niveau kunt aflezen, de 10%-regel kunt toepassen, en de hoofdstappen van de koolstof- en de stikstofkringloop op volgorde kunt zetten. Onthoud de kern: stoffen circuleren, energie stroomt eenmalig door.

verhoogd niveau

Redeneer in onbekende contexten: verklaar metingen (bijvoorbeeld het dag-en-nachtverschil in CO₂ of stikstofverlies uit natte grond), beredeneer de gevolgen van het wegvallen van een schakel of van menselijke verstoring (fossiele brandstof, bemesting), en koppel elk proces aan het juiste organisme of de juiste bacterie en aan de omstandigheden (aeroob of anaeroob).

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

Regulatie van ecosystemen: energiestroom, kringloop, dynamiek en evenwicht

Voedselrelaties: ketens en webben#

Basisexamenblad-nl

Voedselweb van een grasland

Afb. 1Een voedselweb van een grasland: alle voedselketens samen in één figuur. Elke pijl wijst van de prooi naar de eter. De muis (benadrukt) wordt door zowel de vos als de uil gegeten en zit daardoor in meerdere ketens tegelijk — precies wat een web onderscheidt van een losse keten.

Een ecosysteem bestaat uit een levensgemeenschap van organismen samen met hun leefomgeving (de biotoop). De organismen hebben binnen dat systeem elk een functie, en op grond van hun rol in de voedselrelaties deel je ze in drie groepen in. Producenten zijn de groene planten, algen en sommige bacteriën: zij maken met behulp van licht zelf organische stof (zoals glucose) uit anorganische stoffen — CO₂ en water — door fotosynthese. Omdat ze hun eigen voedsel produceren, vormen ze de basis van het hele systeem. Consumenten kunnen dat niet; zij eten andere organismen om aan energie en bouwstoffen te komen, en je verdeelt ze in planteneters (herbivoren), vleeseters (carnivoren) en alleseters (omnivoren). Reducenten, ten slotte, zijn bacteriën en schimmels die dood organisch materiaal en afvalstoffen afbreken. Daarbij maken ze de mineralen weer vrij, zodat de producenten die opnieuw kunnen gebruiken. Onthoud deze drie rollen goed, want ze keren in elke voedselketen en in beide kringlopen terug.

De plaats die een organisme in een voedselketen inneemt, heet het trofische niveau (voedingsniveau). Je telt daarbij hoeveel stappen het organisme van de bron — de producenten — verwijderd is. De producenten vormen het eerste trofische niveau. De herbivoren die de producenten eten, zijn eerste-orde consumenten en vormen het tweede niveau. Een carnivoor die zo'n herbivoor eet, is een tweede-orde consument op het derde niveau, en een roofdier dat díé carnivoor eet staat op het vierde niveau. De handige vuistregel is dus: tel de pijlen vanaf het gras. Belangrijk is dat een soort niet voor altijd aan één niveau vastzit: een vos die een konijn eet staat op het derde niveau, maar een vos die bessen eet gedraagt zich als herbivoor op het tweede niveau. Hetzelfde organisme kan in verschillende ketens dus een verschillend trofisch niveau hebben. Dit inzicht heb je straks nodig om een voedselweb te lezen en om de energiepiramide te begrijpen.

Een voedselketen laat in één rechte lijn zien wie wie eet. Je tekent de keten met pijlen, en de pijl wijst altijd van de prooi naar de eter — dus in de richting waarin de energie en de bouwstoffen stromen. De keten gras → konijn → vos lees je daarom als: het gras wordt gegeten door het konijn, en het konijn wordt gegeten door de vos. Let goed op die pijlrichting, want hem omdraaien is de meestgemaakte fout bij dit onderwerp; de pijl volgt de stroom van het voedsel, niet de blik van de eter. Een voedselketen begint vrijwel altijd bij een producent, omdat alleen die zelf organische stof maakt waar de rest op teert. Een keten is bovendien meestal kort — zelden meer dan vier of vijf schakels. De reden daarvoor wordt in de volgende paragraaf duidelijk: bij elke stap gaat het grootste deel van de energie verloren, zodat er na een paar schakels te weinig overblijft om nóg een niveau te voeden.

In werkelijkheid eet bijna geen enkel dier maar één soort voedsel, en heeft bijna geen enkele soort maar één vijand. Daardoor grijpen veel voedselketens in elkaar tot een voedselweb (of voedselnet): alle voedselketens van een ecosysteem samen, getekend in één figuur. In de figuur hiernaast zie je zo'n web van een grasland. De muis is benadrukt, omdat hij tegelijk in meerdere ketens zit: hij eet gras, maar wordt zowel door de vos als door de uil gegeten. Juist die knooppunten maken het verschil tussen een web en een losse keten. Een voedselweb is ook realistischer én stabieler dan een enkele keten: valt één prooisoort weg, dan kan een eter vaak overstappen op een andere prooi, zodat het systeem niet meteen instort. De reducenten staan meestal niet apart in zo'n web getekend, maar ze werken op élk niveau: ze breken de resten van producenten én consumenten af. Het web is zo het complete kaartje van de voedselrelaties in een ecosysteem.

Met de begrippen producent, consument, reducent, trofisch niveau, keten en web heb je het geraamte van een ecosysteem in handen. Langs precies dat geraamte bewegen zich twee dingen die je goed uit elkaar moet houden: energie en stof. Beide komen het systeem binnen bij de producenten en gaan vervolgens via de voedselrelaties naar de hogere niveaus, maar ze gedragen zich totaal verschillend. De energie maakt één reis: ze stroomt eenmalig door en verlaat het systeem weer als warmte (de volgende paragraaf). De stoffen — koolstof, stikstof en andere mineralen — gaan daarentegen rond in een kringloop en worden steeds opnieuw gebruikt (de laatste twee paragrafen). Dit is de rode draad van het hele onderwerp: stof circuleert, energie stroomt eenmalig door. Houd dat contrast steeds in je achterhoofd, want bijna elke examenvraag over de regulatie van ecosystemen komt erop neer dat je dit verschil correct toepast op een concrete situatie.

Uitgewerkt voorbeeld

Twee voedselketens uit het web halen

Haal uit het voedselweb van het grasland hiernaast twee verschillende voedselketens die allebei bij de uil eindigen, en bepaal van elke schakel het trofische niveau.

Stap 1 — Begin bij de producent
Een voedselketen begint altijd bij een producent. In dit web is gras de enige producent, dus elke keten start bij het gras. Het gras staat op het eerste trofische niveau.
Stap 2 — Eerste keten naar de uil
Volg de pijlen vanaf het gras tot je bij de uil uitkomt. Eén route is gras → muis → uil: het gras (1e niveau) wordt gegeten door de muis (een herbivoor, 2e niveau), en de muis wordt gegeten door de uil (een tweede-orde consument, 3e niveau).
Stap 3 — Tweede keten naar de uil
Er is nog een route naar de uil: gras → sprinkhaan → uil. Ook hier is het gras het 1e niveau, de sprinkhaan een herbivoor op het 2e niveau en de uil een tweede-orde consument op het 3e niveau.
Stap 4 — Wat dit over het web zegt
De uil staat dus aan het eind van twee verschillende ketens. Omdat die ketens organismen delen (hier de uil, en ook de muis wordt door meerdere eters gedeeld), grijpen ze in elkaar tot één voedselweb in plaats van losse ketens.

Resultaat: Resultaat: de twee ketens zijn gras → muis → uil en gras → sprinkhaan → uil, in beide gevallen met de trofische niveaus 1 → 2 → 3. Doordat de ketens organismen delen, vormen ze samen een voedselweb.

Veelgemaakte fouten

De pijl omdraaien, dus van de eter naar de prooi tekenen. De pijl volgt de stroom van het voedsel: van prooi naar eter.
Reducenten vergeten of ze 'gewoon consumenten' noemen. Reducenten breken dood materiaal en afval af, ze eten geen levende prooi, en ze geven de mineralen terug aan de omgeving.
Een soort vast aan één trofisch niveau koppelen, terwijl een alleseter (of een dier dat soms plant, soms dier eet) in verschillende ketens op verschillende niveaus kan staan.

Actieve herhaling

Bekijk het voedselweb hiernaast; de muis is benadrukt. (a) Noem alles wat de muis eet en alles wat de muis eet. (b) Schrijf twee verschillende voedselketens op waarin de muis voorkomt. (c) Leg met je antwoord uit waarom dit een voedselweb is en geen losse voedselketen.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Energiestroom en de energiepiramide#

Standaardexamenblad-nl

Energiepiramide

Afb. 2De energiepiramide: per trofisch niveau blijft ongeveer 10% van de energie over, dus 100% → 10% → 1% → 0,1%. De brede basis (producenten, benadrukt) bevat de meeste energie; de smalle top houdt nog maar weinig over. Daarom zijn voedselketens kort.

Vrijwel alle energie in een ecosysteem komt oorspronkelijk van de zon. De producenten vangen met hun bladgroen een deel van het zonlicht op en zetten dat met fotosynthese om in chemische energie, die ze opslaan in organische stof zoals glucose. Slechts een klein deel van het opvallende zonlicht wordt op die manier vastgelegd: veel licht wordt weerkaatst, mist de bladeren of heeft de verkeerde golflengte. Toch is precies deze stap de enige grote toegangspoort waardoor energie het levende deel van het ecosysteem binnenkomt. Vanaf dat moment zit de energie opgesloten in organische moleculen en kan ze worden doorgegeven aan organismen die de producenten opeten. Je kunt de producenten dus zien als de 'accu' van het systeem: zij laden zonne-energie op tot een vorm die de rest van de levensgemeenschap kan gebruiken. Hoeveel energie er op elk volgend niveau overblijft, en waarom dat steeds minder is, bekijken we hierna met de 10%-regel en de energiepiramide.

Wat gebeurt er met de energie als een herbivoor een plant opeet? De herbivoor neemt de chemische energie uit het plantenmateriaal op, maar gebruikt verreweg het grootste deel daarvan voor zijn eigen levensprocessen: bewegen, groeien, warm blijven en alle onderhoud van zijn lichaam. Die energie wordt bij de verbranding van glucose — de ademhaling — omgezet in warmte en verdwijnt uit het organisme. Alleen het deel dat de herbivoor vastlegt in nieuw lichaamsmateriaal, dus in groei en voortplanting, blijft beschikbaar voor het dier dat hém weer opeet. Daar komt nog bij dat lang niet alles wordt opgegeten of verteerd: botten, haren en onverteerde resten verlaten het lichaam zonder dat hun energie wordt doorgegeven. Het netto-effect is dat er bij elke stap in de keten maar een fractie van de energie het volgende niveau bereikt. Dit verlies is geen toeval of vermijdbare verspilling; het is een onvermijdelijk gevolg van het feit dat elk levend organisme energie verbruikt om in leven te blijven.

Als vuistregel geldt dat van de energie op een trofisch niveau ongeveer 10% wordt doorgegeven aan het niveau erboven; de overige circa 90% gaat verloren, grotendeels als warmte via de ademhaling en deels via niet-opgegeten of onverteerde delen. Begin je bij de producenten met 100% van de vastgelegde energie, dan houden de herbivoren daarvan nog 10% over, de carnivoren 1% en de topcarnivoren nog maar 0,1%. In de piramide hiernaast zie je die reeks 100% → 10% → 1% → 0,1% terug. In het uitgewerkte voorbeeld hiernaast passen we de regel toe op een grasland met concrete getallen, zodat je ziet hoe je per niveau met

0{,}1

vermenigvuldigt. Bedenk wel dat die 10% een gemiddelde vuistregel is en geen natuurwet: in werkelijkheid ligt het rendement per ecosysteem ergens tussen ongeveer 5% en 20%. Voor het examen reken je echter netjes met 10%, tenzij in de opgave uitdrukkelijk een ander percentage staat.

Het allerbelangrijkste inzicht van deze paragraaf is dat energie eenmalig door het ecosysteem stroomt. De energie komt binnen als zonlicht, wordt door de producenten vastgelegd, stroomt één keer omhoog door de trofische niveaus en verlaat het systeem ten slotte volledig als warmte. Die warmte straalt weg en kan door de organismen niet opnieuw worden gebruikt — er is geen enkele manier waarop warmte terug wordt omgezet in bruikbare chemische energie. Daarom spreek je van een energiestroom of eenrichtingsverkeer, en niet van een kringloop. Een gevolg hiervan is dat elk ecosysteem een voortdurende aanvoer van zonne-energie nodig heeft om te blijven draaien: zou de zon uitvallen, dan zou de energiestroom binnen korte tijd opdrogen. Zet dit scherp tegenover wat er met de stoffen gebeurt: koolstof en stikstof maken juist wél een kringloop en worden eindeloos hergebruikt (de volgende paragrafen). Dit contrast — energie stroomt eenmalig door, stof circuleert — is precies wat je bij dit onderwerp moet kunnen uitleggen.

Omdat elk niveau ongeveer tien keer minder energie bevat dan het niveau eronder, kun je de niveaus boven elkaar stapelen tot een energiepiramide: een brede basis van producenten met heel veel energie, en daarboven steeds smallere lagen. De piramide hiernaast laat dat zien, met de producenten als benadrukte basis. Diezelfde steile afname verklaart meteen waarom voedselketens zo kort zijn: na vier of vijf schakels is er domweg te weinig energie over om nóg een trofisch niveau te voeden. Een topcarnivoor moet daarom een groot leefgebied met veel prooi hebben om aan voldoende energie te komen. Naast de energiepiramide bestaan er ook een biomassapiramide (de totale massa aan organisch materiaal per niveau) en een aantalpiramide; meestal hebben ook die een piramidevorm, omdat er nu eenmaal veel producenten nodig zijn om weinig toppredatoren te onderhouden. De energiepiramide is echter het meest betrouwbaar, want hij volgt rechtstreeks uit de 10%-regel en kan — anders dan de andere twee — nooit op zijn kop staan.

Uitgewerkt voorbeeld

De 10%-regel toepassen op een grasland

De producenten in een grasland leggen per jaar 20 000 kJ aan energie vast. Bereken met de 10%-regel hoeveel energie er beschikbaar is voor de herbivoren, de carnivoren en de topcarnivoren, en geef aan waar de rest blijft.

Stap 1 — Het eerste niveau
De producenten vormen het eerste trofische niveau en beginnen met de volledige 100%, dat is $20\,000$ kJ.
Stap 2 — Naar de herbivoren (2e niveau)
Van elk niveau gaat ongeveer 10% naar het volgende. De herbivoren krijgen dus $0{,}1 \times 20\,000 = 2000$ kJ.
Stap 3 — Naar de carnivoren (3e niveau)
Pas de regel opnieuw toe, nu op de 2000 kJ van de herbivoren: $0{,}1 \times 2000 = 200$ kJ voor de carnivoren.
Stap 4 — Naar de topcarnivoren (4e niveau)
Nog één keer: $0{,}1 \times 200 = 20$ kJ voor de topcarnivoren. Dat is 0,1% van de oorspronkelijke energie — precies de waarde die de top van de piramide hiernaast aangeeft.
Stap 5 — Waar blijft de rest?
Bij elke stap gaat ongeveer 90% verloren: het grootste deel als warmte via de ademhaling, de rest via niet-opgegeten en onverteerde delen. Die energie verlaat het ecosysteem en komt niet terug.

Resultaat: Resultaat: de herbivoren krijgen 2000 kJ, de carnivoren 200 kJ en de topcarnivoren 20 kJ. Per stap wordt de energie tien keer kleiner, en de verloren 90% verdwijnt als warmte — een mooie illustratie van het feit dat energie eenmalig doorstroomt.

Veelgemaakte fouten

Denken dat energie net als stoffen een kringloop maakt. Energie stroomt eenmalig door en verlaat het systeem als warmte; ze wordt nooit hergebruikt.
De 10%-regel verkeerd om toepassen: 10% wordt dóórgegeven, dus 90% gaat verloren — niet andersom.
Zeggen dat de energie 'verdwijnt'. Energie verdwijnt niet, maar wordt omgezet in warmte (bij de ademhaling), en díé warmte kan het ecosysteem niet opnieuw gebruiken.

Actieve herhaling

In een sloot leggen de waterplanten per jaar 5000 kJ aan energie vast. Een reiger is een topcarnivoor op het vierde trofische niveau. Bereken met de 10%-regel hoeveel energie er voor de reiger overblijft, en leg uit waarom er bovenop de reiger geen vijfde niveau (een roofdier dat reigers eet) kan bestaan.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De koolstofkringloop#

Standaardexamenblad-nl

Koolstofkringloop

Afb. 3De koolstofkringloop: fotosynthese (benadrukt) legt CO₂ vast in planten; via voedsel stroomt de koolstof naar de dieren. De ademhaling van planten, dieren én reducenten maakt CO₂ weer vrij, net als de verbranding van fossiele brandstof. Zo circuleert de koolstof tussen de lucht en de organismen.

Koolstof (het element C) is de bouwsteen van alle organische moleculen: koolhydraten, vetten, eiwitten en het DNA bestaan er voor een groot deel uit. Anders dan energie kan stof niet uit het niets worden gemaakt of verdwijnen — de hoeveelheid koolstof op aarde ligt vast. Daarom worden dezelfde koolstofatomen telkens opnieuw gebruikt: ze gaan rond in de koolstofkringloop. In die kringloop pendelt koolstof heen en weer tussen twee vormen. Aan de ene kant is er een anorganische voorraad: koolstofdioxide (CO₂) in de lucht en opgelost in water. Aan de andere kant zit koolstof vastgelegd in organische stof, in de lichamen van producenten, consumenten en reducenten. De figuur hiernaast toont deze lus. Het grote verschil met de vorige paragraaf is dat het hier wél om een echte kringloop gaat: een koolstofatoom dat vandaag in een grasspriet zit, kan over een paar maanden als CO₂ in de lucht zweven en daarna weer in een boom worden ingebouwd. We lopen de stappen van die lus één voor één langs.

De ingang van koolstof in de levende wereld is de fotosynthese. Planten, algen en sommige bacteriën nemen CO₂ op uit de lucht (of uit het water) en bouwen dat, met behulp van lichtenergie, om tot glucose. De woordvergelijking is: koolstofdioxide + water → glucose + zuurstof, en in symbolen: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Met deze stap verhuist koolstof van de anorganische vorm (CO₂) naar de organische vorm (glucose), waarna de plant er zijn hele lichaam — bladeren, stengels, wortels — mee opbouwt. Dit vastleggen van koolstof noem je ook wel assimilatie, en het is in de figuur hiernaast de benadrukte stap. Het is bovendien zo'n beetje de enige grote route waarlangs koolstof het organische deel van de kringloop binnenkomt; zonder fotosynthese zou er geen organische stof worden gemaakt en zou de hele kringloop tot stilstand komen. Onthoud dus: fotosynthese légt koolstof vast, en gebruikt daarvoor licht. In de volgende stappen zie je hoe diezelfde koolstof weer als CO₂ vrijkomt.

Via het eten van planten en dieren (voedsel) komt de vastgelegde koolstof in de consumenten terecht en stroomt zo door het voedselweb. Maar de koolstof keert ook steeds weer terug naar de lucht, en dat gebeurt door de ademhaling. Álle organismen — planten, dieren én reducenten — verbranden glucose om er energie uit te halen, volgens de vergelijking C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energie. Daarbij komt de koolstof als CO₂ weer vrij in de lucht. De ademhaling is dus precies de omgekeerde reactie van de fotosynthese: waar fotosynthese CO₂ vastlegt, maakt ademhaling het weer los. Een veelgemaakte fout is te denken dat alleen dieren ademhalen. Ook planten halen dag en nacht adem; overdag doen ze tegelijk aan fotosynthese, die meestal sterker is, zodat ze netto CO₂ opnemen, maar 's nachts blijft alleen de ademhaling over en geven ze netto CO₂ af. Dat dag-en-nachtverschil komt in het uitgewerkte voorbeeld hiernaast terug.

Wat gebeurt er met de koolstof in organismen die doodgaan? Hier komen de reducenten in beeld: bacteriën en schimmels breken dood organisch materiaal — afgevallen bladeren, dode dieren, uitwerpselen — af. Dit afbreken levert de reducenten zelf energie op, en bij hun eigen ademhaling maken ze de koolstof uit dat dode materiaal weer vrij als CO₂. Zonder reducenten zou de koolstofkringloop vastlopen: de koolstof zou opgesloten blijven in steeds groeiende bergen dood materiaal, en omdat er dan ook geen mineralen meer zouden vrijkomen, zouden de producenten uiteindelijk zonder voedingsstoffen komen te zitten. De reducenten zijn daarmee de schakel die de kringloop sluit aan de 'achterkant': ze geven de koolstof (en andere stoffen) terug aan de omgeving, zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. In de figuur hiernaast zie je ze dood plant- en diermateriaal omzetten en de koolstof als CO₂ teruggeven. Het is geen toeval dat reducenten in beide kringlopen van dit onderwerp — koolstof én stikstof — een sleutelrol spelen.

Soms worden afgestorven organismen niet door reducenten afgebroken, bijvoorbeeld doordat ze in een zuurstofarm moeras of op de zeebodem terechtkomen. Onder hoge druk en in de loop van miljoenen jaren veranderen ze dan in fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie en aardgas. De koolstof in die brandstoffen is feitelijk heel lang uit de kringloop genomen en ligt diep in de aardkorst opgeslagen. Door fossiele brandstoffen te verbranden, haalt de mens die oude koolstof er in korte tijd weer uit en brengt hij haar als extra CO₂ in de lucht — veel sneller dan ze ooit is vastgelegd. Daardoor stijgt de CO₂-concentratie in de atmosfeer, wat bijdraagt aan een versterkt broeikaseffect en aan klimaatverandering. Je kunt dit zien als een menselijke verstoring van een kringloop die van nature redelijk in evenwicht is: de natuurlijke processen van vastleggen (fotosynthese) en vrijmaken (ademhaling) houden elkaar globaal in balans, maar het massaal verbranden van fossiele brandstof verschuift die balans naar méér CO₂ in de lucht.

Uitgewerkt voorbeeld

CO₂ in een bos: dag en nacht

Een onderzoeker meet in een dicht bos de CO₂-concentratie van de lucht. Overdag daalt die concentratie, terwijl ze 's nachts juist stijgt. Verklaar dit verschil met behulp van fotosynthese en ademhaling.

Stap 1 — Welke processen spelen er?
In het bos vinden twee tegengestelde processen plaats. Fotosynthese neemt CO₂ op, maar alleen bij licht. Ademhaling geeft CO₂ af, en gebeurt voortdurend — dag en nacht, door planten, dieren én reducenten.
Stap 2 — Overdag
Overdag is er licht, dus de planten doen volop aan fotosynthese. De fotosynthese neemt dan méér CO₂ op dan alle ademhaling samen afgeeft. Netto wordt er dus CO₂ uit de lucht gehaald, en daalt de concentratie.
Stap 3 — 's Nachts
's Nachts is er geen licht, dus de fotosynthese stopt. De ademhaling gaat echter gewoon door. Er komt dan alleen CO₂ bij en er wordt niets opgenomen, zodat de concentratie stijgt.
Stap 4 — Conclusie
Het verschil tussen dag en nacht komt doordat fotosynthese van licht afhangt en ademhaling niet. Overdag wint de opname (fotosynthese), 's nachts blijft alleen de afgifte (ademhaling) over.

Resultaat: Resultaat: overdag overheerst de fotosynthese (netto CO₂-opname, dus daling), terwijl 's nachts alleen de ademhaling overblijft (netto CO₂-afgifte, dus stijging). Dit laat zien dat ook planten voortdurend ademhalen en dat fotosynthese en ademhaling samen de koolstofkringloop draaiende houden.

Veelgemaakte fouten

Denken dat alleen dieren ademhalen. Ook planten en reducenten halen adem en maken CO₂ vrij; planten doen overdag bovendien tegelijk aan fotosynthese.
Fotosynthese en ademhaling verwarren of omdraaien. Fotosynthese légt CO₂ vast (met licht), ademhaling maakt CO₂ juist vrij.
Vergeten dat reducenten de koolstof vrijmaken, en denken dat dood materiaal 'vanzelf' verdwijnt. Zonder reducenten zou de koolstof opgesloten blijven.

Actieve herhaling

Leg uit welke rol de reducenten in de koolstofkringloop spelen. Beschrijf daarna wat er met de koolstof in een laag afgevallen bladeren zou gebeuren als er geen reducenten zouden zijn, en wat dat op den duur voor de producenten zou betekenen.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De stikstofkringloop#

Verdiepingexamenblad-nl

Stikstofkringloop

Afb. 4De stikstofkringloop, gedreven door bacteriën: stikstofbinding (benadrukt) maakt van N₂ ammonium (NH₄⁺), nitrificatie maakt daar nitraat (NO₃⁻) van, planten nemen het nitraat op, reducenten breken dood materiaal weer af tot ammonium (ammonificatie), en denitrificatie brengt nitraat als N₂ terug naar de lucht.

Stikstof (het element N) is onmisbaar voor het leven, want het zit in de eiwitten en in het DNA van elk organisme. Op het eerste gezicht zou daar nooit een tekort aan kunnen zijn: de lucht bestaat voor ongeveer 78% uit stikstofgas (N₂), een gigantische voorraad. Toch is stikstof voor planten en dieren vaak een beperkende factor, en dat komt door een addertje onder het gras. In het N₂-molecuul worden de twee stikstofatomen bij elkaar gehouden door een zeer sterke driedubbele binding, en die binding is zó stabiel dat planten en dieren het gasvormige N₂ niet rechtstreeks kunnen gebruiken. Stikstof moet daarom eerst worden omgezet in vormen die wél bruikbaar zijn: ammonium (NH₄⁺) en nitraat (NO₃⁻). Het bijzondere is dat vrijwel al die omzettingen door bacteriën worden uitgevoerd. De stikstofkringloop is daardoor, nog meer dan de koolstofkringloop, een verhaal van micro-organismen: bacteriën zijn de motor die de stikstof rond laat gaan. In de figuur hiernaast zie je de hele lus, met de stappen die we nu langslopen.

De eerste stap, waarmee stikstof de levende wereld binnenkomt, is de stikstofbinding. Stikstofbindende bacteriën zetten het N₂ uit de lucht om in ammonium (NH₄⁺). Sommige van die bacteriën leven vrij in de bodem, maar de bekendste leven in symbiose in de wortelknolletjes van vlinderbloemigen — peulvruchten zoals klaver, bonen, erwten en lupine. De plant levert de bacteriën suikers, en de bacteriën leveren de plant bruikbare stikstof; beide hebben er voordeel bij. In de figuur hiernaast is deze stap benadrukt, omdat hij de hele kringloop mogelijk maakt: pas ná de stikstofbinding kunnen alle andere organismen iets met de stikstof. Het is ook de reden dat boeren klaver of een andere vlinderbloemige inzaaien om de grond op natuurlijke wijze met stikstof te verrijken. Een kleine hoeveelheid stikstof wordt daarnaast door bliksem gebonden, die met zijn enorme energie de sterke N₂-binding kan verbreken, maar het leeuwendeel van de natuurlijke binding is het werk van bacteriën. Onthoud: binding brengt stikstof de levende wereld ín.

Het ammonium dat na de stikstofbinding (en straks na de afbraak) in de bodem zit, wordt door een tweede groep bacteriën verder omgezet. Nitrificerende bacteriën zetten ammonium (NH₄⁺) om in nitraat (NO₃⁻); dit proces heet nitrificatie. Het is een proces waarbij zuurstof nodig is, dus het verloopt vooral in goed doorluchte, zuurstofrijke (aerobe) grond. Planten nemen de stikstof vervolgens via hun wortels uit de bodem op — vooral in de vorm van nitraat, en deels als ammonium. Deze opname is het moment waarop de stikstof weer in een organisme terechtkomt: de plant gebruikt de stikstof om er zijn eigen eiwitten en DNA mee te bouwen. Door het eten van planten (voedsel) komt de stikstof daarna in de dieren terecht en stroomt zo, net als koolstof, door het voedselweb. Let op de volgorde en de stoffen: eerst ammonium, dan via nitrificatie nitraat, en dat nitraat wordt door de plant opgenomen. Het door elkaar halen van deze stappen is een klassieke examenfout.

Net als bij koolstof keert ook stikstof terug naar de bodem wanneer organismen sterven of afvalstoffen uitscheiden. Reducenten — rottingsbacteriën en schimmels — breken de stikstofhoudende organische stof, vooral de eiwitten uit dode planten en dieren en uit urine en mest, weer af tot ammonium (NH₄⁺). Deze stap heet ammonificatie (of kortweg afbraak). Hiermee komt de stikstof opnieuw beschikbaar in de bodem: het zojuist gevormde ammonium kan immers weer door nitrificerende bacteriën tot nitraat worden omgezet en daarna opnieuw door planten worden opgenomen. Zo ontstaat binnen de bodem een kleinere lus — opname, afsterven, afbraak, nitrificatie, opname — die de stikstof telkens opnieuw door de organismen laat gaan. In de figuur hiernaast zie je de reducenten dood materiaal omzetten in ammonium. Merk op dat de reducenten ook in deze kringloop weer de onmisbare schakel zijn die de stoffen teruggeeft aan de omgeving; zonder hen zou de stikstof opgesloten raken in dood materiaal, precies zoals dat bij de koolstofkringloop het geval was.

De laatste stap sluit de grote kringloop en brengt stikstof weer terug naar de lucht. Denitrificerende bacteriën zetten nitraat (NO₃⁻) om in stikstofgas (N₂), dat vervolgens uit de bodem ontsnapt naar de atmosfeer; dit proces heet denitrificatie en is in de figuur hiernaast benadrukt als tegenhanger van de stikstofbinding. Het gebeurt vooral in natte, zuurstofarme (anaerobe) grond: bij gebrek aan zuurstof gebruiken deze bacteriën het nitraat als alternatief voor zuurstof bij hun ademhaling, en daarbij komt N₂ vrij. Voor een boer betekent dit dat stikstof letterlijk uit een te natte akker kan 'verdwijnen' — een verschijnsel dat in het uitgewerkte voorbeeld hiernaast wordt verklaard. Met de vier bacteriële processen — stikstofbinding, nitrificatie, ammonificatie en denitrificatie — is de kringloop rond. En daarmee staat ook de grote conclusie van dit hele onderwerp er weer: stikstof circuleert, gedreven door bacteriën, net zoals koolstof circuleert — terwijl de energie het ecosysteem maar één keer doorstroomt en als warmte verdwijnt. Stof gaat rond, energie gaat door.

Uitgewerkt voorbeeld

Waar verdwijnt de stikstof uit een natte akker?

Een boer merkt dat er uit een drassig, slecht doorlucht weiland stikstof lijkt te 'verdwijnen': het gras groeit er slecht door stikstofgebrek. Leg met de stikstofkringloop uit welk proces hier verantwoordelijk is, welke bacteriën dat doen, en wat de boer eraan kan doen.

Stap 1 — Wat betekent 'drassig en slecht doorlucht'?
Een natte, dichtgeslagen bodem bevat weinig zuurstof; zo'n bodem noem je zuurstofarm of anaeroob. Dat is precies de omstandigheid waarin één bepaald proces uit de kringloop op gang komt.
Stap 2 — Welk proces?
In zuurstofarme grond gaan denitrificerende bacteriën aan het werk. Bij gebrek aan zuurstof gebruiken zij nitraat (NO₃⁻) voor hun ademhaling en zetten het daarbij om in stikstofgas (N₂). Dit proces heet denitrificatie.
Stap 3 — Waarom 'verdwijnt' de stikstof?
Het gevormde N₂ is een gas en ontsnapt uit de bodem naar de lucht. Planten kunnen dat N₂ niet rechtstreeks opnemen, dus voor het weiland is die stikstof verloren — vandaar het stikstofgebrek en de slechte groei.
Stap 4 — Wat kan de boer doen?
De boer moet de bodem beter beluchten, bijvoorbeeld door te draineren of te ploegen. In een zuurstofrijke bodem krijgen de denitrificerende bacteriën geen kans en verloopt juist de nitrificatie weer goed, zodat er nitraat voor de planten beschikbaar blijft.

Resultaat: Resultaat: in de zuurstofarme bodem zetten denitrificerende bacteriën nitraat om in N₂-gas (denitrificatie), dat naar de lucht ontsnapt. Door de grond te beluchten (draineren of ploegen) stopt de boer dit verlies. Het laat mooi zien hoe de omstandigheden in de bodem bepalen welke bacteriën — en dus welke stap van de kringloop — de overhand krijgen.

Veelgemaakte fouten

Stikstofbinding en denitrificatie verwarren. Stikstofbinding brengt N₂ de levende wereld ín (N₂ → NH₄⁺); denitrificatie brengt het er weer uit (NO₃⁻ → N₂).
Denken dat planten het N₂ uit de lucht rechtstreeks opnemen. Planten nemen nitraat (en deels ammonium) uit de bodem op; dat het bruikbaar is, danken ze aan bacteriën.
De volgorde van nitrificatie en ammonificatie omdraaien. Ammonificatie maakt NH₄⁺ uit dood materiaal; nitrificatie maakt daarna NO₃⁻ uit dat NH₄⁺.

Actieve herhaling

Hoewel de lucht voor ongeveer 78% uit stikstofgas (N₂) bestaat, kunnen planten dat N₂ niet rechtstreeks gebruiken. Leg uit hoe stikstof tóch in een plant terechtkomt: benoem de stappen op volgorde, de stoffen die daarbij ontstaan, en de bacteriën die onmisbaar zijn.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Referenties en bronnen

Bronnen

CvTE / Examenblad

Examenprogramma biologie (HAVO)

Regulatie van ecosystemen: energiestroom, kringloop, dynamiek en evenwicht

4 Onderdelen~29 min leestijd4 VaardighedenNiveau Basis 1 · Standaard 2 · Verdieping 1

Regulatie van ecosystemen: energiestroom, kringloop, dynamiek en evenwicht

Kernpunten

Twee voedselketens uit het web halen

Kernpunten

De 10%-regel toepassen op een grasland

Kernpunten

CO₂ in een bos: dag en nacht

Kernpunten

Waar verdwijnt de stikstof uit een natte akker?

Bronnen

Regulatie van ecosystemen: energiestroom, kringloop, dynamiek en evenwicht

Kernpunten

Twee voedselketens uit het web halen

Kernpunten

De 10%-regel toepassen op een grasland

Kernpunten

CO₂ in een bos: dag en nacht

Kernpunten

Waar verdwijnt de stikstof uit een natte akker?

Bronnen