Abitur Berlin Biologie 2025 · GK · Algenkultur

Kultivierung von Algen

Algen lassen sich leicht kultivieren. Sie werden zunehmend als Nahrungsmittel genutzt und geraten als CO 2 -Speicher immer mehr in den Fokus der Forschung. Dies ist auch in Bezug auf den Klimawandel von großem Interesse.

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Beschreiben Sie die charakteristische Ausprägung von drei abiotischen Faktoren in einem Ihnen bekannten Ökosystem. [6 BE]

Material 1: Kultivierung von Algen

Mikroalgen sind einzellige, Fotosynthese betreibende Organismen, die im Vergleich zu Landpflanzen eine viel höhere Biomasseproduktivität aufweisen. Aus Algen kann ähnlich wie aus Früchten, wie z. B. Oliven, ein Öl gewonnen werden. Der Öl-Ertrag bei Mikroalgen liegt zwischen 46 und 140 Tonnen pro Hektar und Jahr, bei Landpflanzen wie z. B. Ölpalmen bei ca. 6 Tonnen pro Hektar und Jahr.

Bei der Kultivierung von Algen werden zwei verschiedene Systeme unterschieden: offene und geschlossene. Offene Systeme sind flache Teiche, die den Wetterbedingungen ausgesetzt sind. Diese Systeme benötigen eine große Fläche, über die Verunreinigungen eingetragen werden können. Das Wasser muss in Bewegung gehalten werden. Diese Systeme haben für den Betrieb einen relativ geringen Energiebedarf pro Kubikmeter Wasser und sind wartungsarm.

Geschlossene Systeme sind Anlagen mit ca. 6 m hohen Röhren, in denen die Algen kontrolliert gezüchtet werden. Der genutzte Platz ist im Vergleich zu offenen Systemen bei gleicher Ausbeute an Biomasse halb so groß. Die transparenten Kunststoffröhren werden schubweise belüftet, um CO 2 -haltiges Gas einzupumpen und die Lösung in Bewegung zu halten. Der Energiebedarf pro Kubikmeter Wasser ist dementsprechend hoch. Die Röhren werden je nach Verschmutzungsgrad gereinigt oder ausgetauscht, um die Produktivität der Anlage zu erhalten. Der gebildete Sauerstoff muss aus der Anlage entweichen können, da es ansonsten zu Wachstumshemmungen kommt.

(in Anlehnung an Kuhn, 2018 und Zarre, 2015)

Material 2: Modellrechnung mit Algenkulturen

Die Technische Universität Hamburg-Harburg hat für ein kleines Modellkohlekraftwerk kalkuliert, ob es möglich wäre, das gesamte in diesem Kraftwerk gebildete Kohlenstoffdioxid mithilfe von Algen aufzufangen. Das Kraftwerk würde ausreichen, um bis zu zwei Stadtteile Hamburgs mit Energie zu versorgen.

Bei einem geschlossenen System würde eine Fläche von 84 Hektar für die Anzucht der Algen benötigt. Dies entspricht einem Flächenbedarf von ca. 118 Fußballfeldern. Außerdem könnte diese Anlage nur bei kräftiger Sonneneinstrahlung effektiv funktionieren. Die aus den Röhren gewonnenen Algen könnten zur Herstellung von Biodiesel oder von Nahrungsmitteln auf Algenbasis genutzt werden.

(in Anlehnung an o. A., 2008 und Skarka, 2015)

2 Stellen Sie tabellarisch drei Unterschiede zwischen den beiden Systemen zur Kultivierung von Algen dar (M 1).

Begründen Sie die Notwendigkeit der Wasserbewegung in den Systemen (M 1). [6 BE]

Material 1: Kultivierung von Algen

Mikroalgen sind einzellige, Fotosynthese betreibende Organismen, die im Vergleich zu Landpflanzen eine viel höhere Biomasseproduktivität aufweisen. Aus Algen kann ähnlich wie aus Früchten, wie z. B. Oliven, ein Öl gewonnen werden. Der Öl-Ertrag bei Mikroalgen liegt zwischen 46 und 140 Tonnen pro Hektar und Jahr, bei Landpflanzen wie z. B. Ölpalmen bei ca. 6 Tonnen pro Hektar und Jahr.

Bei der Kultivierung von Algen werden zwei verschiedene Systeme unterschieden: offene und geschlossene. Offene Systeme sind flache Teiche, die den Wetterbedingungen ausgesetzt sind. Diese Systeme benötigen eine große Fläche, über die Verunreinigungen eingetragen werden können. Das Wasser muss in Bewegung gehalten werden. Diese Systeme haben für den Betrieb einen relativ geringen Energiebedarf pro Kubikmeter Wasser und sind wartungsarm.

Geschlossene Systeme sind Anlagen mit ca. 6 m hohen Röhren, in denen die Algen kontrolliert gezüchtet werden. Der genutzte Platz ist im Vergleich zu offenen Systemen bei gleicher Ausbeute an Biomasse halb so groß. Die transparenten Kunststoffröhren werden schubweise belüftet, um CO 2 -haltiges Gas einzupumpen und die Lösung in Bewegung zu halten. Der Energiebedarf pro Kubikmeter Wasser ist dementsprechend hoch. Die Röhren werden je nach Verschmutzungsgrad gereinigt oder ausgetauscht, um die Produktivität der Anlage zu erhalten. Der gebildete Sauerstoff muss aus der Anlage entweichen können, da es ansonsten zu Wachstumshemmungen kommt.

(in Anlehnung an Kuhn, 2018 und Zarre, 2015)

Material 2: Modellrechnung mit Algenkulturen

Die Technische Universität Hamburg-Harburg hat für ein kleines Modellkohlekraftwerk kalkuliert, ob es möglich wäre, das gesamte in diesem Kraftwerk gebildete Kohlenstoffdioxid mithilfe von Algen aufzufangen. Das Kraftwerk würde ausreichen, um bis zu zwei Stadtteile Hamburgs mit Energie zu versorgen.

Bei einem geschlossenen System würde eine Fläche von 84 Hektar für die Anzucht der Algen benötigt. Dies entspricht einem Flächenbedarf von ca. 118 Fußballfeldern. Außerdem könnte diese Anlage nur bei kräftiger Sonneneinstrahlung effektiv funktionieren. Die aus den Röhren gewonnenen Algen könnten zur Herstellung von Biodiesel oder von Nahrungsmitteln auf Algenbasis genutzt werden.

(in Anlehnung an o. A., 2008 und Skarka, 2015)

3 Diskutieren Sie den Einsatz von Algenkulturen zur Reduzierung der $\text{CO}_2$-Emission in Deutschland (M 1, M 2). [5 BE]

Material 3: Einfluss von CO₂ und Rauchgas auf die Biomasseproduktion

Algen könnten in Zukunft für eine alternative Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden. Das Ziel für die Entwicklung solcher Nahrungsmittel ist eine hohe Proteinmenge. Um dies zu erforschen, wurden zwei Versuche mit Algenkulturen durchgeführt.

Zum einen wurde untersucht, welchen Einfluss das Einleiten von Luft verschiedener Zusammensetzung auf die Biomasseproduktion von Algen hat (Abb. 1). Untersucht wurde der Einfluss von Luft mit 0,04 % CO₂, von Luft mit erhöhtem CO₂-Anteil (9 % CO₂) und von Rauchgas. Rauchgase sind Verbrennungsprodukte von Brennstoffen aus Kraftwerken, die neben einem CO₂-Anteil von 9 % noch andere Verbindungen enthalten. Kohlenstoffdioxid bildet in der wässrigen Umgebung der Algen Kohlensäure, so dass die kontinuierliche Zufuhr von überschüssigem CO₂ zu einem Absinken des pH-Wertes führt. Dadurch wird das Kulturmedium immer saurer. Der optimale pH-Wert für die untersuchten Algen liegt im neutralen Bereich. Auch andere Verbindungen, wie die aus dem Rauchgas, senken den pH-Wert.

Zum anderen wurde die Proteinmenge in der Biomasse der Algen bei gleichen Versuchsbedingungen bestimmt (Abb. 2).

4 Beschreiben Sie die in Abbildung 2 dargestellten Versuchsergebnisse und interpretieren Sie diese (M 3).

Diskutieren Sie die Verwendung von Rauchgas bei der Kultivierung von Algen zur Nutzung als alternative Proteinquelle (M 3). [13 BE]

a)

b)