Funktion und Aufbau der Clark-Elektrode

Die Clark-Elektrode ist ein elektrochemischer Sensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einer Lösung (oder auch in Gasen).

Die Clark-Elektrode besteht meist aus einer Platin-Kathode und einer Silber-Anode, die über eine Elektrolytlösung in Verbindung stehen. Aber auch andere Kombinationen, wie Gold gegen Silber oder Gold gegen Blei, bilden funktionstüchtige Anordnungen. Vom Messgut sind diese Metallelektroden in der Regel durch eine sauerstoffdurchlässige Membran, meist aus Teflon, getrennt. Es gibt aber auch membranfreie Anordnungen, bei denen das Messgut zugleich als Elektrolyt dient.

Wie funktioniert die Photosynthese? - Kurzbeschreibung

Photosynthese oder Fotosynthese (griechisch: phos, Licht; sýnthesis, Zusammensetzung) ist ein biochemischer Vorgang, den Pflanzen, verschiedene Algengruppen und Bakteriengruppen betreiben. Mit Hilfe von lichtabsorbierenden Farbstoffen, meistens Chlorophylle, wandeln sie Lichtenergie in chemische Energie um. Üblicherweise werden Kohlenstoffdioxid und Wasser in die energiereiche organische Verbindung Traubenzucker und in Sauerstoff umgewandelt.

Neben dieser Form der Photosynthese gibt es Fälle, bei denen Schwefelwasserstoff statt Wasser umgesetzt wird.

Die Photosynthese mit Sonnenenergie ist nicht nur der bedeutendste biogeochemische Prozess der Erde, sondern auch einer der ältesten. Sie treibt durch die Bildung organischer Stoffe direkt und indirekt nahezu alle bestehenden Ökosysteme an, da sie anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen liefert. Bakterienähnliche Mikro-Fossilien von Organismen, die möglicherweise zu Photosynthese fähig waren, wurden auf ein Alter von 3,5 bis 4 Milliarden Jahren datiert. Die Photosynthese kann in drei Schritte untergliedert werden :

* Im ersten Schritt wird die elektromagnetische Energie in Form von Licht unter Verwendung von Farbstoffen (Chlorophylle, Phycobiline, Carotinoide, Bacteriorhodopsin) absorbiert.
* Direkt hieran anschließend erfolgt im zweiten Schritt eine Umwandlung der elektromagnetischen Energie in chemische Energie (siehe Phototrophie).
* Im letzten Schritt wird diese chemische Energie zur Synthese energiereicher organischer Verbindungen verwendet, die den Lebewesen sowohl im Baustoffwechsel für das Wachstum als auch im Energiestoffwechsel für die Gewinnung von Energie dienen.

Die Synthese dieser Stoffe geht überwiegend von der sehr energiearmen anorganischen Kohlenstoff-Verbindung Kohlenstoffdioxid (CO2) aus, in wenigen Fällen allerdings von einfachen, energiearmen organischen Kohlenstoff-Verbindungen. In jedem Fall müssen diese Ausgangsstoffe reduziert werden. Als Reduktionsmittel (Reduktans) dienen oxidierbare Stoffe: Wasser (H2O), elementarer, molekularer Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S) oder einfache organische Stoffe (wie Säuren und Alkohole, z. B. Acetat bzw. Ethanol). Welches Reduktans verwendet wird, hängt vom Organismus ab, von seinen Enzymen, die ihm zur Nutzung der Reduktantien zur Verfügung stehen.

Die Gesamtreaktion der Photosynthese lässt sich im Fall von CO2 als Ausgangsstoff allgemein und vereinfacht wie folgt formulieren:
\mathrm{ 2\;H_{2}A + CO_{2} \rightarrow{} + 2\;A + H_{2}O}

Als allgemeine Formulierungen stehen hier H2A für das Reduktans und für die gebildeten energiereichen organischen Stoffe.

Alle Algen und fast alle Landpflanzen verwenden ausschließlich Wasser (H2O) als Reduktans H2A. Der Buchstabe A steht in diesem Fall für den im Wasser gebundenen Sauerstoff. Er wird als Oxidationsprodukt des Wassers bei der Photosynthese durch Algen und Landpflanzen als elementarer, molekularer Sauerstoff (O2) freigesetzt. Diese Art der Photosynthese wird deshalb oxygene Photosynthese genannt. Cyanobakterien (trotz ihrer Zugehörigkeit zu den Bakterien manchmal als Blaualgen bezeichnet) betreiben ebenfalls oxygene Photosynthese, unter bestimmten Voraussetzungen können einige von ihnen aber auch Schwefelwasserstoff verwenden. Der gesamte in der Erdatmosphäre vorkommende Sauerstoff wird durch oxygene Photosynthese gebildet.

Die anderen photosynthetischen Bakterien (Chloroflexaceae, Chlorobiaceae, Chromatiaceae, Heliobacteria, Chloracidobacterium[1]) können ein viel größeres Spektrum an Reduktantien nutzen, vorwiegend nutzen sie jedoch Schwefelwasserstoff (H2S). Da in diesem Fall A für den im Schwefelwasserstoff gebundenen Schwefel steht, wird bei dieser Art der bakteriellen Photosynthese elementarer Schwefel (S) und kein Sauerstoff freigesetzt. Diese Form der Photosynthese wird deshalb anoxygene Photosynthese genannt.

Auch wenn bei oxygener und anoxygener Photosynthese unterschiedliche Reduktantien verwendet werden, so ist doch beiden Prozessen gemein, dass durch deren Oxidation Elektronen gewonnen werden, denen im weiteren Ablauf die durch die Farbstoffe absorbierte Lichtenergie übertragen wird. Unter Ausnutzung dieser auf hohem Energieniveau (niedrigem Redoxpotential) stehenden Elektronen werden die energiereichen Verbindungen ATP und NADPH gebildet, mittels derer aus CO2 oder einfachen organischen Stoffen energiereiche organische Stoffe synthetisiert werden können.

Der bei der Synthese der energiereichen organischen Verbindungen benötigte Kohlenstoff kann aus Kohlenstoffdioxid (CO2) oder aus einfachen organischen Verbindungen (z. B. Acetat) gewonnen werden. Im ersten Fall spricht man von Photoautotrophie. Der weitaus größte Teil der phototrophen Organismen ist photoautotroph. Zu den photoautotrophen Organismen gehören z. B. alle Landpflanzen und Algen. Bei ihnen ist Glucose das primäre Syntheseprodukt und dient sowohl als Energielieferant als auch als Ausgangsmaterial für den nachfolgenden Aufbau von Bau- und Reservestoffen (d. h. verschiedenen organischen Stoffen). Photoautotrophe treiben mit ihrem Photosynthese-Stoffwechsel (direkt und indirekt) nahezu alle bestehenden Ökosysteme an, da sie mit dem Aufbau organischer Verbindungen aus anorganischem CO2 anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen liefern. Werden einfache organische Verbindungen als Ausgangsstoffe für die Photosynthese genutzt, bezeichnet man diesen Prozess, der nur bei Bakterien vorkommt, als Photoheterotrophie.

Brutto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese:
\begin{matrix}\mathrm{6\; CO_2 + 12\; H_2O \quad \rightarrow \;C_6H_{12}O_6 + 6\; O_2 + 6\; H_2O} \qquad \Delta H^0 = + 2 870\ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\end{matrix}

Netto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese:
\begin{matrix}\mathrm{6\; CO_2 + 6\; H_2O \quad \rightarrow \;C_6H_{12}O_6 + 6\; O_2} \qquad \Delta H^0 = + 2 870\ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\end{matrix}

Wortgleichung für die oxygene Photosynthese:
Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht – durch Energiezufuhr (Licht; Chlorophyll) – Traubenzucker (Glucose) und Sauerstoff.

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