Oefentoets Biologie: Broeikaseffect | VWO 4/VWO 5/VWO 6 | variant 1

1/4 Biobrandstof.

De Nederlandse overheid wil het gebruik van biobrandstof stimuleren, niet alleen voor verbrandingsmotoren maar ook voor elektriciteitsproductie. Biobrandstof is een brandstof die uit biomassa verkregen wordt. Bekende autobrandstoffen zijn bio-ethanol uit plantaardige suikers en biodiesel uit plantaardige oliën.

Noem een milieuvoordeel van het produceren van autobrandstof uit biomassa in plaats van uit aardolie.

2/4 Biobrandstof.

Bij de huidige commerciële productieprocessen van bio-ethanol zijn koolhydraten uit suikerrijke voedingsgewassen, zoals suikerriet, suikerbieten en uien, de grondstof voor het vergistingsproces.
Zetmeel kan niet rechtstreeks tot ethanol vergist worden doordat gisten alleen enzymen bezitten voor de omzetting van mono- en disachariden. Toch worden steeds meer zetmeelrijke plantendelen als grondstof gebruikt voor de productie van bio-ethanol. In een voorbehandeling vindt dan de omzetting van zetmeel tot suikers plaats. Hieronder is in vier stappen de omzetting van zetmeel uit graan in bio-ethanol schematisch weergegeven.
afbeelding

Tijdens het proces worden enzymen en gist toegevoegd.

Bij welke van de genummerde stappen in het proces worden bepaalde enzymen toegevoegd en bij welke wordt gist toegevoegd?

afbeelding

3/4 Biobrandstof.

Veel onderzoek is gericht op het benutten van (afval)hout en andere celluloserijke biomassa voor de productie van ethanol. De omzetting van cellulose is veel moeilijker dan de omzetting van zetmeel. Bij de afbraak van cellulose ontstaat het disacharide cellobiose dat vervolgens tot glucose wordt afgebroken.
Een belangrijke verbetering in het productieproces van ethanol uit cellulose werd gerealiseerd door de omzetting van cellulose, cellobiose en glucose gelijktijdig in hetzelfde vat te laten plaatsvinden. Deze gecombineerde procesgang wordt SSF (simultaneous saccharification and fermentation) genoemd. Als de deelprocessen in verschillende vaten gescheiden plaatsvinden, treedt productinhibitie op die bij SSF minder groot is.
Hieronder zijn de genoemde omzettingen schematisch weergegeven. De werkzame enzymen zijn met de letters P, Q en R aangeduid.
afbeelding

Geef een voorbeeld van productinhibitie die in een van de in de afbeelding aangegeven deelprocessen tot remming zal leiden, maar die bij SSF minder optreedt.
- Leg uit waardoor deze productinhibitie bij SSF minder optreedt.

4/4 Biobrandstof.

Een voordeel van het gebruik van celluloserijke biomassa in plaats van zetmeelrijke biomassa bij de productie van bio-ethanol is dat het goedkoper is.

Wat is een ander belangrijk voordeel van het gebruik van celluloserijke biomassa in plaats van zetmeelrijke biomassa bij de productie van bio-ethanol?

1/6 IJzer in de oceaan.

Om het versterkt broeikaseffect tegen te gaan willen commerciële bedrijven ijzer toevoegen aan de oceanen. Grootschalige ijzerbemesting zou de groei van mariene algen bevorderen.
In 1987 werd een onderzoek gestart in het noordoosten van de Stille Oceaan, waar uitgestrekte ‘High Nutrient, Low Chlorophyl' (HNLC) gebieden zijn te vinden. In HNLC-gebieden zijn grote hoeveelheden nutriënten, zoals stikstof en fosfor, aanwezig. Ook rond de Zuidpool zijn dergelijke gebieden gevonden.
Wanneer ijzer in de HNLC-gebieden wordt aangevoerd - door opwelling uit de diepzee of door de wind- ontstaan gebieden met algenbloei, die met behulp van satellieten kunnen worden waargenomen.
In laboratoriumexperimenten bleek de algengroei flink bevorderd te worden door toediening van een ijzeroplossing. Men besloot te onderzoeken wat het effect zou zijn van grootschalige bemesting van het oceaanoppervlak met oplossingen van ijzersulfaat (FeSO₄ ). Het eerste experiment vond plaats in 1993 en er zijn er nu twaalf achter de rug. Steeds was het resultaat dat een algenbloei optrad, die soms vele dagen aanhield.
Ecologen waarschuwen dat over de gevolgen van ijzertoediening in de oceaan nog te weinig bekend is.

Waardoor kan bevordering van de algengroei in oceanen mogelijk een vermindering van het broeikaseffect bewerkstelligen?

2/6 IJzer in de oceaan.

IJzer wordt door de algen opgenomen zodat bepaalde reacties uitgevoerd kunnen worden. Bij gebrek aan ijzer kunnen op den duur fotosynthese en dissimilatie niet meer plaatsvinden.

- Noem een functie van ijzer bij het mogelijk maken van fotosynthese.
- Noem een functie van ijzer bij het mogelijk maken van dissimilatie.

3/6 IJzer in de oceaan.

Waardoor leidt ijzerbemesting juist in HNLC-gebieden tot algenbloei?

4/6 IJzer in de oceaan.

Omdat het rond de Zuidpool vaak hevig stormt, heeft ijzerbemesting daar slechts een kortdurend effect.

Leg dit uit.

5/6 IJzer in de oceaan.

Tegenstanders van ijzerbemesting vrezen dat ijzerbemesting een averechts effect kan hebben. Na verloop van tijd kunnen juist meer broeikasgassen zoals methaan (CH₄ ) en lachgas (N₂ O) geproduceerd worden.

Welke organismen zijn hiervoor verantwoordelijk?

6/6 IJzer in de oceaan.
Zie figuur B 4515 van de bijlage.

Algen worden wereldwijd gezien als een veelbelovende grondstof voor biodiesel. De ervaring opgedaan met het bestuderen van de algengroei in laboratoriumomstandigheden wordt gebruikt om algen grootschaliger in bassins op het land te kweken. Ook in Nederland zijn algenkwekerijen opgezet. De minuscuul kleine organismen zijn rijk aan plantaardige olie en kunnen hun gewicht dagelijks verzesvoudigen. Dat leidt tot grote opbrengsten: "120 ton droge stof per jaar per hectare", aldus een woordvoerder van DLV Plant, een landbouwkundig adviesbureau. "Daaruit is 6500 liter biodiesel te winnen."
Algenkweek op het land, om biodiesel te produceren, is een effectievere methode om het versterkt broeikaseffect tegen te gaan dan ijzerbemesting in de oceaan (waarbij de algen niet geoogst worden).

Geef hiervoor twee redenen.

1/3 Meat the Truth.
Zie figuur C 400 van de bijlage.

Eind 2007 bracht de Partij voor de Dieren de documentaire ‘Meat the Truth' uit.
Deze documentaire gaat over de bijdrage van de (intensieve) veehouderij aan de uitstoot van onder andere koolstofhoudende broeikasgassen.
In een publicatie van de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties wordt gesteld dat de veehouderij verantwoordelijk is voor 18% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, terwijl het aandeel van verkeer en vervoer maar 13% van de wereldwijde uitstoot is.
Dit wordt door de makers van de documentaire als argument gebruikt om te pleiten voor vermindering van productie en consumptie van vlees.
De afbeelding geeft de circulatie van koolstof in de biosfeer weer.
Voorraden zijn schuingedrukt in Gt = gigaton = 109 ton C en stromen zijn normaal gedrukt in Gt C per jaar.
De totale uitstoot van koolstofhoudende broeikasgassen (zie afbeelding) wordt vergeleken met de uitstoot ten gevolge van alleen menselijke activiteiten (antropogene uitstoot).

Laat aan de hand van de afbeelding met een berekening zien of de genoemde bijdrage van de veehouderij 18% van de antropogene CO₂ -uitstoot betreft of dat het 18% van de totale uitstoot van koolstofhoudende broeikasgassen is.

2/3 Meat the Truth.

Het Voedingscentrum adviseert volwassenen om elke dag ongeveer 100 gram vlees òf vleesvervangers te eten voor een evenwichtig voedingspatroon.
Het voer bij de intensieve varkenshouderij bestaat voor een belangrijk deel uit soja. Vleesvervangers worden in de meeste gevallen ook gemaakt van soja.
Soja bevat hoogwaardig eiwit, dat wil zeggen dat het een voor de mens gunstige samenstelling aan essentiële aminozuren heeft. Voor de teelt van sojabonen worden bossen gekapt.

Leg uit dat onder deze omstandigheden, de productie van vleesvervangers minder uitstoot van koolstofhoudende broeikasgassen tot gevolg heeft dan productie van vlees.

3/3 Meat the Truth.

Een Hummer heeft een gemiddelde CO₂ -uitstoot die viereneenhalve keer zo groot is als die van een Toyota Prius. Bij de presentatie van de documentaire kwam Marianne Thieme van de Partij van de Dieren in het nieuws met de volgende vergelijking: ‘Een vegetariër in een Hummer stoot minder broeikasgas uit dan een vleeseter in een Toyota Prius'. Met andere woorden: wie overschakelt van een Hummer naar een Toyota Prius spaart minder CO₂ uit dan een vleeseter die vegetariër wordt.
Verscheidene mensen dachten dat, bij de vergelijking die mevrouw Thieme maakte, de CO₂ -productie van varkens ook meegeteld was.

Leg uit dat dit meetellen niet correct zou zijn geweest.

1/3 Toename productie biomassa dankzij versterkt broeikaseffect.
Zie figuur C 416 van de bijlage.

Amerikaanse milieubiologen hebben een onderzoek naar wereldwijde effecten van klimaatveranderingen op de jaarlijkse netto primaire productie (NPP) afgesloten met een artikel in het tijdschrift Science.
In de afbeelding is een resultaat van het onderzoek weergegeven: de toe- en afname van de NPP op verschillende plaatsen op de wereld in de periode van 1982 tot 1999.

Op een aantal plaatsen is sprake van een toename van de NPP. Over de oorzaak van de toename in die gebieden zijn wetenschappers nog volop in discussie. Klimaatverandering, bijvoorbeeld als gevolg van een versterking van het broeikaseffect, kan een oorzaak zijn. Maar ook door de mens veroorzaakte of aangebrachte plaatselijke veranderingen kunnen een toename van de NPP teweegbrengen.

Klimaatveranderingen die in deze periode plaatselijk werden gevonden, zijn:

1. verhoging van de hoeveelheid jaarlijkse neerslag;
2. verlaging van de gemiddelde temperatuur;
3. verandering van het aantal zonuren.

Welke van deze veranderingen kan of welke kunnen een verklaring zijn voor een plaatselijke toename van de NPP?

2/3 Toename productie biomassa dankzij versterkt broeikaseffect.

Activiteiten die in deze periode door boeren lokaal werden uitgevoerd, zijn:

1. uitbreiding van het land- en tuinbouwareaal;
2. verbetering van de teeltmethodes;
3. meer gebruikmaken van genetisch gemodificeerde gewassen.

Welke van deze activiteiten kan of welke kunnen een verklaring zijn voor de toename van de NPP op bepaalde plaatsen?

3/3 Toename productie biomassa dankzij versterkt broeikaseffect.

Als gevolg van een verhoging van het CO₂ -gehalte van de atmosfeer is er meer fotosynthese-activiteit mogelijk. Om een inschatting te maken over de invloed van de verhoogde fotosynthese-activiteit op het CO₂ -gehalte van de atmosfeer, moet rekening worden gehouden met andere processen die in de koolstofkringloop plaatsvinden.

- Noem een ander proces in de koolstofkringloop dat door een versterkt broeikaseffect beïnvloed wordt.
- Hoe wordt dit proces door een versterkt broeikaseffect beïnvloed?
- En wat is de invloed daarvan op het CO₂ -gehalte van de atmosfeer?

1/4 Vleeswijzer.

In 2009 werd door Milieudefensie en stichting Varkens in Nood de vleeswijzer gepresenteerd. Daarin is niet alleen te vinden hoe verschillende soorten vlees scoren op het gebied van dierenwelzijn, maar ook wat de gevolgen van de productie zijn voor het milieu. Op de website is te lezen: "Het verbouwen van veevoergewassen, zoals soja en graan, gaat ten koste van kostbare natuurgebieden. Zo zijn al miljoenen hectaren van het Amazonewoud gekapt voor de aanleg van velden om soja voor veevoer te verbouwen. Inmiddels is van alle landbouwgrond ter wereld 80% in gebruik voor de productie van vlees en zuivel. Alleen al in Nederland leven zo'n 450 miljoen kippen, 20 miljoen varkens en 5 miljoen runderen. Die miljoenen dieren produceren grote hoeveelheden mest en broeikasgassen, die op hun beurt bijdragen aan vervuiling van het milieu en de opwarming van de aarde. Wereldwijd is de vee-industrie verantwoordelijk voor de uitstoot van 12% van alle broeikasgassen."
In de tabel hieronder is van een aantal groepen landbouwhuisdieren de CO₂ -productie in een jaar weergegeven.

afbeelding

De CO₂ -productie per kg lichaamsgewicht van de groep kleinere herkauwers is relatief hoog.

Hoe groot is die CO₂ -productie?
- Leg uit waardoor de CO₂ -productie per kg lichaamsgewicht van kleine landbouwhuisdieren vaak hoger is dan die van grote landbouwhuisdieren.

2/4 Vleeswijzer.

In het Kyoto-protocol, het internationale verdrag uit 1997 met als inzet minder uitstoot van broeikasgassen, is afgesproken dat de CO₂ -productie van landbouwhuisdieren niet meegeteld wordt. Er wordt wel gekeken naar de productie van andere broeikasgassen zoals methaan en lachgas.
Methaan (CH₄ ) is een bijproduct van processen die in het spijsverteringskanaal van herkauwers plaatsvinden. Methaan verlaat het lichaam met opgeboerde lucht, met darmgassen en met uitgeademde lucht. Vooral de herkauwende dieren stoten op deze wijze aanzienlijke hoeveelheden methaan uit.

Is methaan een product van aërobe of van anaërobe dissimilatie?
En vindt deze dissimilatie plaats in darmwandcellen van de herkauwer of in micro-organismen in de darm van de herkauwer?

afbeelding

3/4 Vleeswijzer.

Methaan heeft per gram een sterker broeikaseffect dan CO₂ . Het wordt langzaam geoxideerd in de lucht.

Welke stoffen ontstaan bij volledige verbranding van methaan?

4/4 Vleeswijzer.

De sterkte van een broeikasgas wordt uitgedrukt in CO₂ -equivalenten. Als de sterkte van 1 gram van een bepaald broeikasgas zesmaal groter is dan de invloed van 1 gram CO₂ , dan is de bijdrage van 1 gram van dat gas 6 CO₂ -equivalenten. Er wordt dan ook wel gezegd dat dit broeikasgas dan 6 keer de zogenaamde Global Warming Potential (GWP) van CO₂ heeft.
In de tabel hieronder zijn voor de Verenigde Staten voor een drietal jaren schattingen weergegeven van de methaanuitstoot van de belangrijkste groepen landbouwhuisdieren. Met behulp van de tabel kan bepaald worden hoeveel maal sterker de Global Warming Potential van methaan is, vergeleken met die van CO₂ .

afbeelding

Hoeveel keer sterker is de Global Warming Potential van methaan?