Aufgabe 3 – Ökologie, Pflanzenphysiologie und Forstbiologie

Wähle eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeite diese.

Aufgabe 3.1: Pflanzenwachstum und Stickstoffversorgung

Das Wachstum von Pflanzen hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Stickstoffversorgung. In der Landwirtschaft wird diese durch eine ausreichende Düngung gewährleistet. In der Natur spielen dabei nitrifizierende Bakterien eine große Rolle.
1
Stelle die Unterschiede bei der Aufnahme von Wassermolekülen und Nitrat-Ionen anhand von drei Kriterien tabellarisch dar (M 1).
9 BE
2.1
Stelle eine Hypothese zur Auswirkung übermäßig nitratgedüngter Böden auf den Wasserhaushalt der Pflanzen auf (M 2).
3 BE
2.2
Plane einen Modellversuch, mit dem du deine Hypothese überprüfen kannst (M 1, M 2, M 3).
Führe den Modellversuch durch (M 2, M 3).
Sollte dir die Planung und/oder die Durchführung nicht gelingen oder sollten dir die Ergebnisse unbrauchbar erscheinen, kannst du korrekte Daten von der Aufsicht führenden Fachlehrkraft anfordern. In diesem Fall werden 7 BE nicht erteilt.
7 BE
2.3
Stelle dein Ergebnis in einer mikroskopischen Zeichnung dar (M 3).
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.
7 BE
2.4
Erkläre anhand deiner Beobachtungsergebnisse ein verändertes Pflanzenwachstum bei übermäßiger Nitratdüngung auch unter Rückbezug auf die aufgestellte Hypothese (M 2, M 3).
6 BE
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).
8 BE

Material 1: Stofftransport an Biomembranen

Stofftransport an Biomembranen
Abb. 1: Schematische Darstellung der Aufnahme von Wassermolekülen (H2O) und Nitrat-lonen (NO3-) in Pflanzenzellen

Material 2: Stickstoffdüngung

Um eine ausreichende Stickstoffversorgung und damit einen hohen Ertrag zu sichern, werden Pflanzen gedüngt. Die Pflanzen erhalten dadurch stickstoffhaltige Mineralstoffe in Form von Nitraten und Ammoniumverbindungen. Von 2010 bis 2022 wurden dabei in Deutschland in der Landwirtschaft jährlich zwischen 1,1 und 1,8 Millionen Tonnen Stickstoff verbraucht. Dazu zählen mineralischer Dünger, aber auch die Gülle aus der Tierhaltung von Schweinen und Rindern. Bei einer übermäßigen Stickstoffdüngung wird jedoch der Wasserhaushalt der Pflanze beeinträchtigt.
(in Anlehnung an: Statistisches Bundesarmt, 2023)

Material 3: Untersuchung eines Frischpräparates

Folgende Geräte und Materialien stehen dir zur Verfügung:
Geräte: Lichtmikroskop, Objektträger, Deckgläschen, Pasteurpipette, Präparierbesteck, Filterpapier
Materialien: rote Küchenzwiebel, Leitungswasser
Chemikalien: Kaliumnitrat-Lösung (ω = 10 %)

Material 4: ATP-Synthese von Nitrobacter winogradskyi

Nitrobacter winogradskyi gehört zu den nitrifizierenden Bodenbakterien. Das Bakterium gewinnt seine Energie über einen Stoffwechselweg an der inneren Membran.
ATP-Synthase von Nitrobacter winogradskyi
Abb. 2: ATP-Synthese bei N. winogradskyi
verändert nach: Holiencin & Gujer, 1996

Aufgabe 3.2: Sachsens Wälder in Gefahr?

Wälder liefern wichtige Rohstoffe, sind Erholungsorte, filtern die Luft, erhöhen die Luftfeuchtigkeit und schützen vor Erosion und Hochwasser.
Die häufigsten Baumarten in sächsischen Wäldern sind Fichten und Kiefern. Der forstwirtschaftliche Anbau der Wälder erfolgte über Jahrzehnte vor allem in Monokulturen. Seit 2017 sind in sächsischen Forsten sehr hohe Schäden durch den Befall mit Borkenkäfern entstanden.
1
Beschreibe Bau und Funktion des Phloems.
Erkläre die Auswirkung des Borkenkäferbefalls für den betroffenen Baum (M 1).
7 BE
2.1
Bestimme mit Hilfe der dir zur Verfügung stehenden Bestimmungsliteratur zwei der drei vorliegenden Nadelbaumarten vollständig bis zur Art.
Beginne mit der Bestimmungstabelle für Nacktsamige Pflanzen.
Notiere die Literaturangabe zum Bestimmungsbuch und die vollständigen Bestimmungswege.
Gib den deutschen und wissenschaftlichen Artnamen der beiden Bäume an.
Sollte dir die Bestimmung nicht gelingen, so kannst du bei der Aufsicht führenden Fachlehrkraft die Namen einer oder beider Baumarten anfordern.
Den nicht erbrachten Leistungen entsprechend werden je Art 4 BE nicht erteilt.
Waldkiefer
Baumart 2
Europäische Lärche
Baumart 3
9 BE
2.2
Ordne eine der bestimmten Baumarten mit Hilfe der Bestimmungsliteratur anhand der systematischen Kategorien in das Reich der Pflanzen ein.
3 BE
3
Erläutere die Angepasstheiten von Nadelblättern an die abiotischen Umweltfaktoren Temperatur, Wasser und Wind (M 3).
6 BE
4
Leite vier mögliche Ursachen ab, die zu einer Massenvermehrung der Borkenkäfer in Sachsen geführt haben könnten (M 1, M 2).
Ziehe zwei Schlussfolgerungen bezüglich einer effektiven Bekämpfung des Borkenkäfers.
6 BE
5
Erläutere eine der in Material 4 dargestellten interspezifischen Beziehungen (M 4).
6 BE
6
Stelle die Erstbesiedelung eines Wirtsbaumes mit adulten Borkenkäfern und die Konzentration von Aggregationspheromonen in relativen Einheiten in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm graphisch dar (M 5).
Leite zwei Hypothesen für einen Einsatz von Pheromonen des Borkenkäfers zu seiner möglichen Bekämpfung ab (M 5).
6 BE

Material 1: Vermehrung von Borkenkäfern

Die Weibchen der Borkenkäfer legen ihre Eier in die Rinde. Dort fressen sich die Larven durch das Leitgewebe und ernähren sich vom Pflanzensaft.
Nach Eiablage, Larvenfraß und Verpuppung schlüpfen die Jungtiere je nach Witterung nach 7-10 Wochen. Das ermöglicht pro Jahr 2-3 Generationen mit mehr als 100.000 Nachkommen aus der Brut eines Borkenkäferweibchens.

Material 2: Fortpflanzungsbedingungen von Borkenkäfern

In der Vegetationsperiode von April bis September schwärmen Borkenkäfer bei Temperaturen ab 16,5 °C und trockener Witterung aus. Sie vermehren sich besonders in Monokulturen, in Waldbereichen mit Windwurf und Schneebruch sowie in Lagerplätzen von Stammhölzern. Laubmischwälder haben eine geringere Anfälligkeit für Borkenkäferbefall. Trockenperioden verringern die Abwehrkräfte der Bäume. Es fehlt Wasser zur Produktion für ausreichend Harz, welches das Eindringen der Käfer in den Baum behindert.
Borkenkäfer sind sehr kälteresistent. Sie überwintern geschützt unter der Borke, im Boden und im Totholz. Somit können sie bis zu 2 Jahre alt werden.

Material 3: Bau eines Nadelblattes

Die Laubblätter der Nadelbäume sind als Nadeln ausgebildet und haben meist eine im Querschnitt halbrunde Form.
Den äußeren Abschluss eines Nadelblattes bildet die Epidermis, die zusammen mit dem darunterliegenden Festigungsgewebe der Nadel ihre Festigkeit verleiht.
Das Nadelinnere ist von Fotosyntheseparenchym erfüllt. Die Wände dieser Zellen ragen wie Arme in das Zellinnere. Deshalb nennt man diese Zellen Armpalisaden. Das Fotosynthesegewebe wird in Längsrichtung von Harzkanälen durchzogen, die von einer sklerenchymatischen Scheide umgeben sind. Das Harz schützt einerseits vor Wildverbiss und andererseits bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes vor der Ausbildung von Eiskristallen.
schematische darstellung eines nadelblattes
Abb. 1: Schematische Darstellung eines Nadelblattes

Material 4: Natürliche Feinde des Borkenkäfers

Borkenkäferpopulationen können bei einem geringen Befall eines Waldökosystems durch natürliche Feinde reguliert werden.
Die bekanntesten natürlichen Feinde von Borkenkäfern sind Spechte, beispielsweise der in Mitteleuropa am häufigsten vorkommende Buntspecht Dendrocopos majoram. Spechte sind in der Lage, unter der Rinde verborgene Käfer und Larven zu erreichen. Dazu benutzen sie ihre kräftigen Meißelschnäbel und mit Widerhaken besetzte Schleuderzungen.
Verschiedene Schlupfwespenarten legen ihre Eier in oder an den Eiern, Larven oder adulten Borkenkäfern ab. Die Larven entwickeln sich dann im Körper des Wirtes und fressen sich durch diesen. Dies kann zum Tod des Wirtes führen.

Material 5: Einfluss von Botenstoffen

Während des Schwärmfluges fliegen die Borkenkäfermännchen potenzielle Wirtsbäume an. An einem geeigneten Baum beginnen diese Männchen mit der Anlockung ihrer Artgenossen durch Abgabe eines körpereigenen Lockstoffes, dem so genannten Aggregationspheromon, dessen Konzentration sich zunehmend erhöht. Die so angelockten Weibchen und Männchen umschwärmen den Befallsbaum.
Sobald genügend Käfer angelockt sind, erhöht sich die Freisetzung von hemmenden Pheromonen, um den weiteren Anflug von Käfern zu begrenzen. Nach erfolgreicher Besiedlung sinkt die Konzentration an Aggregationspheromon und die Fortpflanzung beginnt. Die von den Borkenkäfern abgegebenen Aggregationspheromone werden auch von anderen Insekten wahrgenommen. So findet zum Beispiel der Ameisenbuntkäfer Thanasimus formicarius, ein spezifischer Feind des Borkenkäfers, befallene Bäume und damit seine Beute.

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