Stelle die Unterschiede bei der Aufnahme von Wassermolekülen und Nitrat-Ionen anhand von drei Kriterien tabellarisch dar (M 1).

Stelle eine Hypothese zur Auswirkung übermäßig nitratgedüngter Böden auf den Wasserhaushalt der Pflanzen auf (M 2).

Plane einen Modellversuch, mit dem du deine Hypothese überprüfen kannst (M 1, M 2, M 3). Führe den Modellversuch durch (M 2, M 3). Hinweis: Sollte dir die schriftliche Planung und/oder die Durchführung nicht gelingen oder sollten dir die Ergebnisse unbrauchbar erscheinen, kannst du korrekte Daten von der Aufsicht führenden Fachlehrkraft anfordern. Für die Planung und Durchführung werden in diesem Fall bis zu sieben Bewertungseinheiten nicht erteilt.

Stelle dein Ergebnis in einer mikroskopischen Zeichnung dar (M 3). Hinweis: Nach Fertigstellung der mikroskopischen Zeichnung ist das Präparat unter dem Mikroskop der Aufsicht führenden Fachlehrkraft vorzuzeigen.

Ein Beispielpräparat ohne Plasmolyse, welches als Ersatzergebnis dienen soll, ist in den Lösungen zu finden.

Erkläre anhand deiner Beobachtungsergebnisse ein verändertes Pflanzenwachstum bei übermäßiger Nitratdüngung auch unter Rückbezug auf die aufgestellte Hypothese (M 2, M 3).

Erläutere die chemiosmotische Synthese von ATP bei Nitrobacter winogradskyi (M 4).
Erkläre die Notwendigkeit einer guten Bodenbelüftung für die Aufrechterhaltung des Stickstoffkreislaufs (M 4).

Unterschiede bei der Aufnahme von Wassermolekülen und Nitrat-Ionen:

Auswirkung übermäßig gedüngter Böden auf den Wasserhaushalt der Pflanze: Eine mögliche Hypothese zur Auswirkung übermäßig nitratgedüngter Böden auf den Wasserhaushalt von Pflanzen lautet: Ein zu stark mit Nitrat gedüngter Boden verschlechtert die Wasseraufnahme der Pflanze. Die Ursache dafür liegt in der erhöhten Konzentration von Nitrat-Ionen im Boden, die zu einer hypertonen Umgebung im Wurzelbereich führt. Dadurch entsteht ein osmotisches Gefälle, bei dem Wasser aus den Wurzelzellen in den Boden abgegeben wird, anstatt aufgenommen zu werden. In der Folge kann es zur Dehydrierung der Pflanzenzellen und damit zur Beeinträchtigung wichtiger Stoffwechselprozesse kommen.

Modellversuch: Zur Überprüfung der Hypothese, dass übermäßig nitratgedüngte Böden die Wasserversorgung der Pflanze verschlechtern, wird ein Modellversuch mit roten Küchenzwiebeln geplant. Zunächst wird ein Abzugpräparat der Epidermis einer Zwiebelschuppe in Leitungswasser angefertigt und mikroskopiert. Anschließend wird entweder das gleiche Präparat mit Kaliumnitrat-Lösung (ω = 10 %) übergossen oder ein zweites Präparat direkt in dieser Lösung hergestellt. Beide Präparate werden unter dem Lichtmikroskop verglichen. Dabei wird gezielt auf die Plasmolyse geachtet – also das Ablösen der Zellmembran von der Zellwand aufgrund von Wasserverlust. Die Durchführung erfolgt in mehreren Schritten: Zuerst wird mit Hilfe einer Pinzette eine Epidermiszelle der roten Küchenzwiebel entnommen und auf einen Objektträger gelegt. Darauf gibt man einen Tropfen Leitungswasser bzw. Kaliumnitrat-Lösung und deckt das Präparat mit einem Deckgläschen ab. Das Mikroskop wird korrekt eingestellt, um eine optimale Beobachtung zu ermöglichen. Dabei ist auf ein sauberes, luftblasenfreies Präparat und sachgerechte, sichere Arbeitsweise zu achten. Beim Vergleich beider Präparate wird im Kaliumnitrat-Ansatz eine verstärkte Plasmolyse erwartet, da die hypertonische Umgebung Wasser aus der Zelle zieht – was die Hypothese stützt.

Verändertes Pflanzenwachstum bei übermäßiger Nitratdüngung: Bei der Zugabe einer 10 %igen Kaliumnitrat-Lösung entsteht im Boden eine hypertone Umgebung, die osmotisch Wasser aus den Pflanzenzellen zieht. In der Folge verlieren Cytoplasma und Vakuole an Volumen, da Wasser aus der Zelle austritt. Dieser Wasserverlust führt zur Plasmolyse, bei der sich der Protoplast von der Zellwand ablöst. Übertragen auf den natürlichen Boden bedeutet das: Bei übermäßiger Nitratdüngung wird die Wasseraufnahme der Pflanze durch osmotische Effekte erschwert oder ganz verhindert. Dadurch sinkt die Photosyntheseleistung, da weniger Wasser für den Aufbau organischer Substanz zur Verfügung steht. Das Pflanzenwachstum ist somit insgesamt vermindert – die Beobachtungen stützen also die zuvor aufgestellte Hypothese.

Chemiosmotische Synthese von ATP: Die chemiosmotische ATP-Synthese bei Nitrobacter winogradskyi erfolgt im Zuge der Nitrifikation, bei der Nitrit-Ionen (NO₂^-) zu Nitrat-Ionen (NO₃^-) oxidiert werden. Die dabei freigesetzten Elektronen werden auf Sauerstoff als finalen Elektronenakzeptor übertragen. Der Elektronentransport setzt Energie frei, mit der ein Protonengradient an der inneren Membran des Bakteriums aufgebaut wird: Protonen werden aktiv aus dem Cytoplasma ins Periplasma gepumpt. Strömen die Protonen durch die ATP-Synthase wieder zurück, wird die frei werdende Energie genutzt, um aus ADP und Phosphat ATP zu synthetisieren. Eine gute Bodenbelüftung ist essenziell für die Funktion dieser nitrifizierenden Bodenbakterien, da sie Sauerstoff benötigen. Sauerstoff dient in der Elektronentransportkette als Elektronenakzeptor. Nur wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, kann die Oxidation von Nitrit zu Nitrat vollständig ablaufen. Wird der Boden nicht ausreichend belüftet, fehlt der Sauerstoff als Akzeptor und die Nitrifikation kommt zum Erliegen. Dadurch wird der Stickstoffkreislauf unterbrochen und die Pflanze erhält weniger Nitrat als verwertbare Stickstoffquelle.