ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ ΤΟΥ ΧΑΡΤΙΟΥ Βιολογία Β’ Γυμνασίου

Διδακτικοί στόχοι Να ανακαλύψουν οι μαθητές κάποιους από τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η ταχύτητα με την οποία αποικοδομείται ένα υλικό Να διαπιστώσουν ότι η αποικοδόμηση εξαρτάται από την παρουσία ζωντανών οργανισμών Να έρθουν σε επαφή με βασικές εργαστηριακές δεξιότητες, όπως η μέτρηση, η καταγραφή και η σύγκριση τιμών Να αξιοποιήσουν στη Βιολογία γνώσεις από άλλες επιστήμες (Φυσική, Μαθηματικά) για την κατασκευή γραφικών παραστάσεων, αντιλαμβανόμενοι έτσι την ενότητα των επιστημών Να αντιληφθούν τη χρησιμότητητα του μάρτυρα

Εναλλακτικές ιδέες Άγνοια των μαθητών για το ρόλο των μικροβίων στη διαδικασία της αποικοδόμησης υλικών. Αναφέρουν: το ψωμί σάπισε επειδή πέρασαν μέρες, επειδή ήταν φτιαγμένο από κακές πρώτες ύλες ή επειδή δεν συντηρήθηκε σωστά. Πιστεύουν ότι η αποικοδόμηση είναι μια διαδικασία που θα συνέβαινε ούτως ή άλλως, ασύνδετη από τη δράση των μικροοργανισμών. Ακόμα κι όταν αναγνωρίζουν την εμπλοκή των μικροβίων θεωρούν ότι αυτά απλώς επιταχύνουν τη διαδικασία.

Θεωρητικό υπόβαθρο Το χαρτί Υλικό αποτελούμενο κυρίως από φυτικές ίνες ή από τμήματα φυτικών ινών διαπλεγμένα ή συμπιεσμένα σε συνεκτικό ενιαίο σύνολο. Ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται υφίσταται και ανάλογη επεξεργασία παρασκευής.

Βασική δομή του χαρτιού Επαναλαμβανόμενες αλυσίδες κυτταρίνης (ίνες) ενωμένες με ίνες λιγνίνης Η κυτταρίνη είναι πολυμερές της γλυκόζης Σύνδεση των μονομερών γλυκόζης με β-1,4 γλυκοζιτικό δεσμό Μέτρο της ποιότητας του χαρτιού είναι το μήκος των αλυσίδων κυτταρίνης. Μεγάλες σε μήκος αλυσίδες έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής

Πριν τα μέσα του 19ου αι. το χαρτί παρασκευαζόταν κυρίως από βαμβακερά ή λινά υφασμάτινα κουρέλια, με μια διαδικασία που διατηρούσε μεγάλες σε μήκος αλυσίδες κυτταρίνης. Το χαρτί αυτό είχε μεγάλη διάρκεια ζωής. Αργότερα το ξύλο έδωσε τη θέση του στα κουρέλια. Η κατεργασία του ξύλου (χημική ή μηχανική), δίνει συγκρινόμενη με το ύφασμα μικρότερες αλυσίδες κυτταρίνης. Η περαιτέρω χημική κατεργασία για να μην τρέχει το μελάνι, οδηγούσε στην γρηγορότερη αποδόμηση των ινών.

Αποικοδόμηση του χαρτιού Το χαρτί δεν είναι μια ομοιογενής μάζα, αλλά ένα υλικό αποτελούμενο από πολλά συστατικά Κάθε μόριο κυτταρίνης μπορεί να αποτελείται από 103εώς 106 μονάδες γλυκόζης ενωμένες Η κυτταρίνη σχηματίζει κρυσταλλικές δομές εξαιτίας της στενής διάταξης των αλυσίδων της. Η δομή αυτή είναι ιδιαίτερα σταθερή κάτω από πολλές συνθήκες Είναι παντελώς αδιάλυτη στο νερό, σε πολλούς οργανικούς διαλύτες, σε βάσεις και σε ασθενή οξέα

Το σπάσιμο του δεσμού που συνδέει τα μονομερή της γλυκόζης οδηγεί στην υδρόλυση της κυτταρίνης και την παραγωγή ολιγοασακχαριτών ή γλυκόζης.

δύο τρόποι υδρόλυσης της κυτταρίνης προς παραγωγή γλυκόζης Μεγάλο οικονομικό και οικολογικό ενδιαφερον. χημική υδρόλυση: γίνεται και παρουσία οξέων από το περιβάλλον (ατμοσφαιρικούς ρυπαντές, όξινη βροχή) που οδηγούν σε αποκοπή μορίων γλυκόζης και άρα σε κόντυμα των αλυσίδων κυτταρίνης

Ενζυματική υδρόλυση κυτταρίνης εμπλοκή κυρίως μικροοργανισμών που διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα τα ένζυμα που υδρολύουν την κυτταρίνη ονομάζοντια κυτταρινάσες ομάδα ενζύμων με διαφορετική δράση που πιθανά δρουν συνεργατικά Κάποια διασπούν την κυτταρίνη σε ενδιάμεσα σημεία, αφήνοντας κλάσματα 4-5 μορίων γλυκόζης, στη συνέχεια με τη δράση άλλων κυτταρινασών προκύπτουν διμερή γλυκόζης και εν συνεχεία μονομερή

Οι μικροοργανισμοί πρώτα πρέπει να διασπάσουν την οργανική ύλη για το λόγο αυτό διαθέτουν πεπτικά ένζυμα τα οποία εκκρίνουν στο περιβάλλον τους

Μέτρηση του ρυθμού αποικοδόμησης του χαρτιού Ταχύτητα αποικοδόμησης: εξαρτάται από το είδος του υλικού και τις συνθήκες (θερμοκρασία αέρα και εδάφους, υγρασία εδάφους, pH, διαθεσιμότητα σε άζωτο κ.α.) Υπό αερόβιες συνθήκες η κυτταρίνη μετατρέπεται σε γλυκόζη και CO2, ενώ υπό αναερόβιες σε διάφορα οργανικά οξέα και αλκοόλες Στο αποικοδομούμενο υλικό εμφανίζεται διαδοχή οργανισμών, ανάλογα και με τον τύπο του συστήματος, που ποικίλλουν από μύκητες, βακτήρια και νηματώδεις σκώληκες.

Στα μεσογειακά οικοσυστήματα, εξαιτίας της εναλλαγής θερμής και ξηρής εποχής, ο ρυθμός αποικοδόμησης των διαφορων υλικών δεν είναι καλά καθορισμένος. Εμφανίζει εξάρσεις που συμπίπτουν με τις φάσεις όπου συνδυάζονται θετικά η θερμοκρασία και οι βροχοπτώσεις

Ως πειραματική μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος των διάτρητων σάκων (Gilbert & Bocock) Μπορεί να χρησιμοποιηθούν διαφορετικού μεγέθους πόροι στα σακουλάκια, να επιλεγούν περιοχές με διαφορετικές συνθήκες υγρασίας, ηλιοφάνειας κλπ.

Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιώντας το ίδιο οργανικό υλικό μπορούμε να μελετήσουμε την ταχύτητα αποικοδόμησής του σε διαφορετικές περιοχές ή/και σε διαφορετικές εποχές. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μπορούμε να συμπεράνουμε πού και πότε οι συνθήκες είναι ευνοϊκότερες Χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά μπορούμε να μελετήσουμε την ταχύτητα αποικοδόμησής τους στην ίδια περιοχή και στη συνέχεια, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα, να συμπεράνουμε ποια υλικά είναι περισσότερο (και ποια λιγότερο) αποικοδομήσιμα.

Όργανα και υλικά (για τέσσερις ομάδες) Όργανα και υλικά (για τέσσερις ομάδες)   Εννέα φύλλα διηθητικό χαρτί ή κομμάτι από φίλτρο καφέ, ισομεγέθη και ισοβαρή ζυγός ακριβείας Εννέα πλαστικά σακουλάκια με τρύπες ή τούλι λύχνος με πλέγμα ή πιστολάκι μαλλιών Πλαστικό σακουλάκι λαβίδα ανατομική και πινέλο

Πορεία Η τάξη χωρίζεται σε 4 ομάδες των 5 ή έξι ατόμων Η κάθε ομάδα παραλαμβάνει δύο κομμάτια χαρτί με τα αντίστοιχα σακουλάκια, τα οποία έχουν τρύπες στην επιφάνειά τους

Πριν τη διεξαγωγή του πειράματος θέτουμε στους μαθητές μια σειρά από ερωτήματα, τα οποία θα απαντήσουν στο φύλλο εργασίας (ερωτήματα 1 εώς 3).

Εξηγούμε στα παιδιά ότι όλα τα δείγματα πρέπει πριν να ζυγιστούν να ξηρανθούν. Επίσης πριν από κάθε μέτρηση θα πρέπει πάλι να ξεραίνονται. Τους καλούμε να σκεφτούν το λόγο (ερώτημα 4). Τα παιδιά παίρνουν μετρήσεις με το ζυγό ακριβείας και σημειώνουν τη μάζα στον πίνακα που τους δίνεται. Στη συνέχεια τοποθετούν το δείγμα στα σακουλάκια, προσέχοντας να μη διπλωθεί το χαρτί, έτσι ώστε να παρουσιάζει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το χώμα.

Για λόγους δυσκολίας να πραγματοποιηθεί το πείραμα στο πεδίο, μεταφέρουμε τη διαδικασία στο σχολικό εργαστήριο ή στη σχολική τάξη. Εν συνεχεία καλούμε τα παιδιά να σκεφτούν παράγοντες από τους οποίους μπορεί να εξαρτηθεί η ταχύτητα αποκοδόμησης

Η 1η ομάδα θάβει το σακουλάκι σε ένα κουτί από χώμα το οποίο θα ποτίζεται τακτικά. Ταυτόχρονα θαβει κι ένα δεύτερο σακουλάκι από νάυλον, το οποίο δεν διαθέτει τρύπες, και θα παραμείνει θαμμένο καθόλη τη διάρκεια του πειράματος για να χρησιμοποιηθεί ως μάρτυρας. Η 2η ομάδα θάβει το σακουλάκι σε χώμα το οποίο θα παραμείνει απότιστο. Η 3η ομάδα τοποθετεί το σακουλάκι σε χώμα το οποίο θα ποτίζεται με την ίδια συχνότητα, αλλά το αντίστοιχο κουτί θα τοποθετηθεί κοντά σε θερμαντικό σώμα που λειτουργεί. Η 4η ομάδα τοποθετεί το σακουλάκι σε χώμα το οποίο θα ποτίζεται με την ίδια συχνότητα, με αραιό διάλυμα χλωρίνης.

Φύλλο εργασίας 1η ΜΕΤΡΗΣΗ 2Η ΜΕΤΡΗΣΗ 3Η ΜΕΤΡΗΣΗ 4Η ΜΕΤΡΗΣΗ 5Η ΜΕΤΡΗΣΗ ΝΕΡΟ ΝΕΡΟ/ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΛΩΡΙΝΗ ΑΠΟΤΙΣΤΟ ΜΑΡΤΥΡΑΣ

Αποτελέσματα

Μία εβδομάδα (με νερό) Τρεις εβδομάδες (με νερό)

3 εβδομάδες (σύγκριση νερό και απότιστο)

Νερό (2 εβδομάδες) Χλωρίνη (2 εβδομάδες)

ΧΛΩΡΙΝΗ: διάλυμα 1:1, 500ml/βδομάδα   1Η 2Η ΜΕΤΡΗΣΗ 3Η ΜΕΤΡΗΣΗ 4Η ΜΕΤΡΗΣΗ 5Η ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΝΕΡΟ 0,6 0,4 0,3 0,1 0,05 ΝΕΡΟ ΚΑΙ ΘΕΡΜΑΝΣΗ 0,2 ΑΠΟΤΙΣΤΟ 0,5 ΧΛΩΡΙΝΗ ΜΑΡΤΥΡΑΣ ΝΕΡΟ: 500ml/βδομάδα ΧΛΩΡΙΝΗ: διάλυμα 1:1, 500ml/βδομάδα Για κάθε ομάδα πάρθηκαν 2 δείγματα, και αναγράφεται ο Μ.Ο.

Ρυθμός αποικοδόμησης Μάζα (g)