Planter i undertryk Plants in low pressure

Transkript

1 Planter i undertryk Plants in low pressure Gruppe 3, Hus semester foråret 2005 Naturvidenskabelig basisuddannelse RUC Udarbejdet af: Anders Sommer Christensen Thomas Lysebjerg Hansen Johan Hilge Thygesen June Liljefeld Nielsen Dennis Steven Friis Vejleder: Niels Schrøder

2 Abstrakt Projektet omhandler problematikkerne vedrørende dyrkning af planter i undertryk. Der opstilles i rapporten en hypotese om, at planter dyrket ved et tryk på 260hPa vil have en øget vækst og et større næringsoptag, end planter dyrket ved normalt tryk (1013hPa). Vi søger at efterprøve denne hypotese eksperimentelt. Da der ikke foreligger nogen form for øvelsesvejledninger, gennemføres en række testforsøg for at udvikle og efterprøve vores egen forsøgsstrategi. Eksperimentet udføres med karse og består af en klargørings- og dyrkningsfase, en observationsfase samt en fase, hvor der høstes, og biomaterialet analyseres. Ud fra vores forsøgsresultater kan man se, at karse i undertryk ikke vokser ligeså godt som karse ved almindeligt tryk. Dermed må vi antage, at der er andre forhold end de, der fremgår af hypotesen, som påvirker vækst og spiring af karse i et undertryk på 260hPa. Et af de forhold, der ændres i undertrykket, er ilts partialtryk; en vigtig faktor for frøets spiringsfase. Det tyder på, at partialtrykket ikke har været tilstrækkelig højt til at aktivere spiringen, idet vi observerer en lavere spiringsprocent for karse i undertryk end i alm. tryk. Dog kan mange andre faktorer have været medvirkende til den ringere plantevækst. Abstract The Project deals with problems regarding growth of plants in low pressure. A hypothesis is put forward in the report claming that plants grown at a pressure at 260hPa will have better growth and absorb more nutrients than plants grown in a normal pressure (1013hPa). We strive to verify this hypothesis through experiments. No instruction manuals were to be found, therefore we are executing a series of test experiments in order to develop and check up on our own experimental procedure. The experiment, conducted on cress, consists of a preparation- and cultivation- phase, an observation phase together with a phase where we harvest and analyse the biomaterial. From our experimental results it s clear that cress in low pressure doesn t grow as well as cress in normal pressure. Therefore we assume that there are other conditions than those of the hypothesis, which effect the growth and germination of cress at a low pressure of 260hPa. One of the conditions which changes in low pressure is the partial pressure of oxygen, an important factor for the seeds germination phase. This implies that the partial pressure hasn t been high enough to activate the germination, as we observe lower germination percentages for cress in low pressure than in normal pressure. Yet many other factors have probably been contributory to the poorer plant growth. 1

3 Forord Under forløbet med projektet har vi i gruppen fået hjælp fra mange forskellige personer. Først og fremmest vil vi sige tak til vores vejleder, Niels Schrøder, som har støttet og hjulpet os gennem dette 2. semester-projekt. Derudover vil vi gerne takke biologi-lektorerne Søren Laurentius Nielsen og Morten Foldager Pedersen for god hjælp mht. vejledning om plantefysiologi og gode råd til forsøgsopstilling og målemetoder. Også en tak til laboratorieoverassistent Klara Jensen, og laboranttekniker Lykke Helene Enøe for rigtig god hjælp og vejledning i laboratorierne samt for hjælp til overvågning af forsøgenes forløb. Ikke mindst tak til kemilektor Erik Tüchsen for god vejledning til den kemiske del af projektet samt til ingeniørassistent Ebbe Hyldahl Larsen fra værkstedet på RUC for hjælp til opbygning af selve forsøgsopstillingen. Alle har været medvirkende til, at vi har kunnet gennemføre vores eksperimenter og udarbejde denne projektrapport. Tak! 2

4 Indhold 1.0 Indledning Semesterbinding Problemformulering Projektafgrænsning Metode Teori Mars Atmosfæreforskelle på Mars & Jorden Lysforskelle på Mars & Jorden Trykforskelle på Mars & Jorden Tryk Plantefysiologi Roden Stilken Bladet Plantecellen Diffusion Osmose Transpiration Stomata Phloem Xylem Rodnet Fotosyntese Lysreaktionen Mørkereaktionen Lysabsorption Respiration Fra frø til plante Nærinsstofsbehovet Hypotese Baggrundsviden for eksperimentelt arbejde Næringsanalyser Partialtryk Buffere Tilførsel af CO 2 til eksikatorene Eksperimentelt arbejde Forsøgsopstilling Pilotforsøg Fremstilling af Vækstmedie Tryk forsøg

5 5.2.3 Forbedringer af pilotforsøget Forsøg Forbedringer af forsøg Forsøg Bearbejdning af observationer og målinger Forsøg Tryksvingninger Biomassetilvækst Plantevækst & Spiring CNH-analyse Forsøg Tryk- og temperatursvingninger Biomassetilvækst Plantevækst & Spiring CHN-analyse Diskussion Konklusion Perspektivering...67 Litteraturliste...69 Bøger...69 PDF-filer...70 Internetsider...70 Bilag 1 - Substral...72 Bilag 2 Måledata fra forsøg Tabel 1 Tryksvingninger/maksimaltryk...73 Tabel 2 Vægt og tilvækst i biomasse...73 Tabel 3 Plantelængder & spiringsprocent...75 Bilag 3 Måledata og observationer fra forsøg Tabel 1 Tryksvingninger/maksimaltryk & temperatur...78 Tabel 2 Gennemsnitligt maksimaltryk & temperatur...79 Tabel 3 Observationer & billeder...79 Tabel 4 Vægt og tilvækst i biomasse...89 Tabel 5 Vægt af testfrø (med og uden vand)...90 Tabel 6 Plantelængder & spiringsprocent

6 1.0 Indledning Rumforskere har i lang tid arbejdet på mulighederne for at sende astronauter til Mars i længere tid ad gangen. Det betyder, at astronauter under deres ophold på planeten skal være selvforsynende med hensyn til bl.a. ilt og mad. I den sammenhæng har man fundet ud af, at det vil være hensigtsmæssigt at dyrke planter på Mars. En løsning ville derfor være, at bygge et drivhus, der kunne fungere som et lukket økosystem. Her kunne planterne producere ilt ud af de store mængder kuldioxid fra Mars atmosfære og samtidig give astronauterne mad i form af grøntsager og frugter. Idet der langtfra er de samme forhold på Mars, som der er her på Jorden, kan man ikke umiddelbart dyrke planter på samme måde. En af de væsentlige forskelle, der er på de to planeter der samtidig har stor indvirkning på planterne er det atmosfæriske tryk. Trykket på Mars er en hundrededel af det, vi kender her på jorden. Af den grund vil planterne sandsynligvis også spire og vokse anderledes på Mars end på Jorden. En omfattende grundforskning på Jorden er nødvendig for at kunne forudse, hvordan planterne reagerer på disse nye forhold. Størstedelen af projektet omhandlede opbygning og overvejelser omkring forsøgene. Teorien er i høj grad et støttende element, og det er udvalgt til brug ved analyse og fortolkning af det eksperimentelle arbejde. Projektet har mange faglige aspekter fra både fysik, kemi, biologi og biokemi. I henhold til dette og rapportens sprogbrug henvender den sig hovedsagligt til personer med interesse inden for rumforskning og planters reaktioner under stressforhold. Den vil være læselig for både fysikere, biologer mv., og ikke mindst studerende med interesse inden for disse fagområder. Tværfagligheden gør altså rapporten interessant og læselig for mange faggrupper. 1.1 Semesterbinding Semesterbindingen på 2. semester på NATBAS er: Modeller, teorier og eksperimenter i naturvidenskab. Vi opfylder semesterbindingen i og med, at vi ud fra teoriafsnittet i rapporten tilegner os viden til at opstille en hypotese, som er vores forventning til, hvad der vil ske med planter, når de spirer og vokser i undertryk. Der udføres herefter en række eksperimenter, som skal vise, hvordan planterne i virkeligheden reagerer under disse forhold. Teori og resultater fra eksperimenterne benyttes til at beskrive, hvordan planterne reelt er blevet påvirket af at befinde sig i det lavere tryk. Denne beskrivelse vil i vores rapport virke som en model, eftersom den opstilles på baggrund af vores eksperimenter. I den afsluttende diskussion vil vi sammenholde forskelle og ligheder mellem vores hypotese og forsøgsresultaterne. Vi anvender altså naturvidenskab til at opstille hypotese, efterprøve denne eksperimentelt og derefter opstille en model/beskrivelse, der vurderes og diskuteres for derigennem at besvare problemformuleringen. 5

7 1.2 Problemformulering Hvordan vil en plante trives i et lukket system ved henholdsvis et normalt atmosfærisk tryk og et undertryk på 260hPa? Vil planterne i undertryk trives bedre eller dårligere end dem i normalt tryk, og hvordan påvirker undertrykket planternes næringsoptag? 1.3 Projektafgrænsning Det har været nødvendigt at afgrænse projektet på flere punkter, da arbejdet ellers vil blive alt for omfattende. Vi vil tage udgangspunkt i problemformuleringen ved at undersøge en specifik plante. Valget af planten er sket under forudsætninger af, at denne skulle være hurtigt voksende, spiselig og let at dyrke. Karse opfylder disse betingelser og blev dermed den plante, vi brugte til de endelige forsøg. Kravet om en hurtigvoksende plante har dog gjort, at vi måtte gå på kompromis med, hvor anvendelig planten måtte være som føde for astronauter. Da vi eksperimentelt arbejder med to sæt opstillinger, er det vigtigt at kun én faktor er forskellig opstillingerne imellem i vores tilfælde trykket. Vi har altså nogle opstillinger med planter i undertryk og andre med planter i normalt tryk. Valget stod nu imellem at undersøge karse fra frø eller se på tilvækst af karse, der i forvejen havde overstået spiringsfasen. Vi vurderede her, at vi bedst kunne sikre ens betingelser for alle forsøg ved at anvende karse direkte fra frøstadiet. Et andet vigtigt argument for at anvende frø var, at vi derved kunne følge hele udviklingen af de nye planter og observere, om undertrykket ville have nogen indvirkning på de tidlige dele af karsens livscyklus. Derudover er det mest tænkeligt, at man ved opbygning af drivhuse på Mars vil medbringe frø i stedet for voksne planter, da frø vejer meget mindre, og alt unødig vægt ved rumfart er bekostelig. Som skildret i problemformuleringen ønsker vi at beskrive de reaktioner, vi ser som følge af planters vækst i undertryk. Der findes mange mulige måder, hvorpå man rent teknisk kan analysere og beskrive planter ved hjælp af teknisk måleudstyr. Vores projekt er afgrænset fra mange af disse analysemetoder, ved at vores forsøgsopstilling umuliggør dem anvendt pga. pladsmangel, eller at udstyret ikke kan virke samtidig med, at vi arbejder med et lukket system (jf. afsnit om eksperimentelt arbejde). De metoder vi vil anvende til at observere reaktioner som følge af vækst i undertryk er derved valgt ud fra de mulige, og er metoder, der anvendes før og efter forsøget. Vi afgrænser os dermed til at se på vægt og længde af biomaterialet og analyserer afslutningsvis indholdet af karbon og nitrogen. Ydermere føres logbog, hvor der løbende observeres, hvad der sker med planterne under forsøget. Forsøgene varede i ca. 14 dage. Dette har vi valgt ud fra, at vi gerne ville gennemføre flere forsøg under den begrænsede tidsperiode, som projektet forløb over. Som nævnt vil man på Mars dyrke planter i drivhuse, men der opstår problemer med dyrkningen i og med, at trykket på Mars er så forskelligt fra Jordens. Der er derfor planer om i nogen grad at forøge trykket inde i drivhusene. Det vil sige, at man konstruktionsmæssigt sikrer, at der ikke er så lavt tryk inde i drivhuset som udenfor. NASA har dog fundet ud af, at det at konstruere et drivhus med tryk nær Jordens, er utroligt omkosteligt. Man har derfor anslået det optimale tryk hvor både planter kan gro, og konstruktionen kan holde til ca. 1/4atm (260hPa) [Weeler et al., link 4]. Et undertryk som vi derfor også har valgt at benytte i eksperimenterne. 6

8 I den ene halvdel af opstillingerne er trykket sat til én normalatmosfære (1013hPa), og i den anden halvdel er trykket ca. 1/4 (260hPa). Vi valgte ikke at undersøge forskellige undertryk på grund af manglende materiale til forsøgsopstillingen. 1.4 Metode Efter en nærmere undersøgelse omkring problematikken vedrørende planter i undertryk fandt vi ud af, at lignende grundforskning i mindre omfang er foretaget. Denne grundforskning har haft udgangspunkt i optimeret vækst og ikke næringsanalyser som vores, og deres forsøgsresultater er ikke til disposition for offentligheden. Vi har derfor været nødsaget til at designe vores eget forsøg helt fra bunden og tilpasse dette ud fra egne fejl og erfaringer. Inspirationen har vi fået gennem en række småforsøg omhandlende planters næringsoptag, stressfaktorer og tryk. Selve forsøgsopstillingen blev fremstillet med hjælp fra RUC-værkstedet og vejledning af eksperter på hver deres delområde samt gennem supplering med teoretisk faglitteratur. Grundet projektets tværfaglighed var vi nødsaget til at henvende os til både laboranter, biologer, fysikere og kemikere, da ingen enkeltperson kunne hjælpe os på alle områder. Vores metode er at efterprøve hypotesen ved i et lukket system at dyrke karse i undertryk, sammenligne med karse dyrket i almindeligt tryk og derved eksperimentelt bestemme, om de opfører sig som forventet. Der blev udarbejdet et pilotforsøg til kalibrering af forsøgsopstilling og fremgangsmåde, og observationer blev benyttet til forbedring af de reelle forsøg, forsøg 1 & 2. I disse forsøg blev der afslutningsvis foretaget en CNH-næringsanalyse af det dyrkede biomateriale. Resultater fra tryk-, vægt-, og vækstmålinger samt næringsanalyse er grafisk fremstillet, hvorudfra analyse og konklusion er udarbejdet. 7

9 You are reading a preview. Would you like to access the full-text? Access full-text

10 Glas fra eksikator 7 (undertryk): Glas fra forsøg 8 som ikke var i et lukket system: 87

11 Glas fra forsøg 9 som ikke var i et lukket system: Glas fra forsøg 10 som ikke var i et lukket system: 88

12 Tabel 4 Vægt og tilvækst i biomasse Inden forsøgt vejede vi vores karsefrø, og efter forsøgets afslutning vejede vi plantematerialet med og uden vand. Tabel 4 del 1 Eksikator nr. / / Vægt (g) Frø inden plantning (+ vand) Tomt sølvpapir Sølvpapir + Frisk matriale (+ vand) Frisk matriale (+ vand) 1 alm. tryk (1013hPa) 0,1148 0,703 2,2813 1, alm. tryk (1013hPa) 0,1092 0,618 2,5413 1, undertryk (260hPa) 0,1144 0,5788 0,9017 0, undertryk (260hPa) 0,1172 0,7042 1,333 0, undertryk (260hPa) 0,109 0,6109 1,4804 0, alm. tryk (1013hPa) 0,1123 0,5832 2,7111 2, undertryk (260hPa) 0,114 0,6444 0,9754 0,331 8 alm. tryk (åben) 0, alm. tryk (åben) 0, alm. tryk (åben) 0,1075 intet frisk materiale intet frisk materiale intet frisk materiale Tabel 4 del 2 Tilvækst - biomasse (+ vand) Sølvpapir + Tørret materiale (- vand) Tørret materiale (- vand) Vand i frø, 5% (af samlet vægt) Frø (- vand) Tilvækst - biomasse (- vand) 1,4635 0,8713 0,1683 0,0057 0,1091 0,0592 1,8141 0,8025 0,1845 0,0055 0,1037 0,0808 0,2085 0,6496 0,0708 0,0057 0,1087-0,0379 0,5116 0,8077 0,1035 0,0059 0,1113-0,0078 0,7605 0,7313 0,1204 0,0055 0,1036 0,0168 2,0156 0,7718 0,1886 0,0056 0,1067 0,0819 0,217 0,7285 0,0841 0,0057 0,1083-0,0242 0,0056 0,

13 0,0055 0,1051 0,0054 0,1021 Tabel 5 Vægt af testfrø (med og uden vand) Efter forsøget ved tørring af biomateriale talte vi 8 gange 40 frø op og vejede dem. Disse blev ligeledes tørret, og kom også med i CNH-analysen. Tabel 5 del 1 Sølvpapir + Friske frø (+ vand) Sølvpapir + Tørre frø (- vand) Frøtest nr. / / Vægt (g) Friske frø (+ vand) Tomt sølvpapir 11 - Frø 0,1113 0,5138 0,6251 0, Frø 0,1081 0,7001 0,8082 0, Frø 0,1172 0,7372 0,8544 0, Frø 0,1141 0,7565 0,8706 0, Frø 0,1152 0,8103 0,9255 0, Frø 0,1092 0,6969 0,8061 0, Frø 0,1099 0,7065 0,8164 0, Frø 0,1074 0,6891 0,7965 0,7912 Tabel 5 del 2 Tørre frø (- vand) Vand i frø (fra teori, 12,5%) Vand i frø (reelt) Procent vand i frø (reelt) 0,1063 0, ,0050 4,49 0,1030 0, ,0051 4,72 0,1121 0, ,0051 4,35 0,1088 0, ,0053 4,65 0,1102 0, ,0050 4,34 0,1039 0, ,0053 4,85 0,1047 0, ,0052 4,73 0,1021 0, ,0053 4,93 Tabel 6 Plantelængder & spiringsprocent Efter forsøgets afslutning blev alle plante målt. Først toppen, og derefter hele planten. Roden er altså differencen. Den gennemsnitlige længde og spiringsprocenten blev ligeledes beregnet. Da ikke alle frø spirede er mange af felterne tomme. Tabel 6 del 1 Plante nr. / / Plantelængde (cm) Glas fra eksikator nr. 1 Glas fra eksikator nr. 2 Top (grønne del) Hele planten Top (grønne del) Hele planten Karseplante nr. 1 3,6 5,0 4,5 9,0 90

14 Karseplante nr. 2 4,2 10,1 6,5 9,0 Karseplante nr. 3 3,2 9,5 5,0 8,5 Karseplante nr. 4 3,0 6,4 5,5 10,0 Karseplante nr. 5 3,4 8,2 4,5 10,0 Karseplante nr. 6 2,9 5,9 6,5 10,5 Karseplante nr. 7 4,2 6,2 4,7 8,1 Karseplante nr. 8 1,9 5,3 5,0 7,2 Karseplante nr. 9 4,0 8,3 5,0 9,0 Karseplante nr. 10 3,6 6,7 5,5 11,5 Karseplante nr. 11 3,1 4,6 5,0 9,5 Karseplante nr. 12 1,5 3,6 5,2 9,8 Karseplante nr. 13 2,6 5,3 6,2 14,0 Karseplante nr. 14 1,1 2,3 4,7 10,6 Karseplante nr. 15 1,0 2,8 4,0 7,0 Karseplante nr. 16 3,4 8,7 5,5 9,0 Karseplante nr. 17 4,9 8,9 5,4 10,4 Karseplante nr. 18 3,1 6,4 5,0 10,0 Karseplante nr. 19 2,0 2,7 5,5 9,2 Karseplante nr. 20 4,5 10,4 4,5 9,8 Karseplante nr. 21 1,7 2,5 5,0 10,5 Karseplante nr. 22 4,1 9,4 2,0 2,5 Karseplante nr. 23 3,9 9,8 5,1 9,9 Karseplante nr. 24 3,7 4,2 3,5 5,5 Karseplante nr. 25 0,7 1,6 4,2 7,8 Karseplante nr. 26 3,7 4,7 4,2 6,5 Karseplante nr. 27 1,5 1,8 2,5 3,6 Karseplante nr. 28 1,3 3,0 3,5 6,0 Karseplante nr. 29 1,0 2,0 1,5 4,0 Karseplante nr. 30 3,0 3,7 2,0 3,0 Karseplante nr. 31 3,8 5,0 2,8 4,6 Karseplante nr. 32 Karseplante nr. 33 Karseplante nr. 34 Karseplante nr. 35 Karseplante nr. 36 Karseplante nr. 37 Karseplante nr. 38 Karseplante nr. 39 Karseplante nr. 40 Gennemsnitslængde (cm) 2,9 5,6 4,5 8,3 Spiringsprocent (%) 77,5 77,5 Tabel 6 del 2 Glas fra eksikator nr. 3 Glas fra eksikator nr. 4 Glas fra eksikator nr. 5 Top (grønne del) Hele planten Top (grønne del) Hele planten Top (grønne del) Hele planten Ingen spirede frø 3,6 4,9 3,4 6,2 91

15 1,3 1,7 3,2 7,7 2,4 3,4 3,7 9,0 1,1 1,6 2,2 2,7 0,8 1,9 0,0 0,2 1,5 1,9 2,2 2,8 0,8 1,0 0,0 0,4 3,5 4,2 0,0 0,2 Måleusikkerhed, da glas sprang (ved uheld) inden 2,0 2,5 måling 2,2 2,2 0,5 0,5 2,2 3,2 1,9 2,0 1,9 2,0 2,0 2,1 1,3 1,3 2,0 2,0 1,2 2,3 2,2 2,7 0,0 0,0 1,6 2,3 1,9 2,8 Tabel 6 del ,5 50 Glas fra eksikator nr. 6 Glas fra eksikator nr. 7 Top (grønne del) Hele planten Top (grønne del) Hele planten 4,1 9,6 Ingen spirede frø 92

16 4,0 9,6 3,8 9,7 3,9 9,2 3,7 10,7 3,4 9,1 5,8 11,8 4,9 11,3 6,0 12,7 4,5 8,9 4,3 11,0 3,6 10,3 3,7 10,2 4,8 12,0 5,5 12,6 4,9 11,8 5,1 12,3 3,3 9,3 6,4 13,4 3,6 9,7 6,0 12,1 4,4 8,5 2,9 9,6 5,2 8,7 4,5 11,6 4,1 11,0 4,9 13,1 2,0 7,0 2,1 7,0 2,3 3,5 2,2 2,7 2,6 3,0 1,9 2,1 1,1 1,1 2,0 2,3 0,7 0,7 0,7 0,7 0,5 0,5 3,7 8,4 0,0 0,