StemExpert

Intermediate · Werkboek · 35. Micro-organismen en biotechnologie
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me

IIntermediate · deel I9 · Leven en biotechnologie

Werkboek · hoofdstuk 35Micro-organismen en biotechnologie

Onzichtbare helpers en belagers: van gist in je brood tot insuline uit een bacterie, en een compostvat voor Habitat

Je begint met herkennen, schalen, verdubbelen en reactievergelijkingen. In de tweede trede doe je drie labo's (gist en suiker, yoghurt, kiemen op agar), tel je bacteriën en bepaal je generatietijden, en pas je het groeimodel aan in Python. In de uitdagingen ontwerp je het compostvat (35.13) en het hygiëneplan (35.14) van Habitat, reken je uit of biogas loont en debatteer je over antibiotica.

5× oefenen7× toepassen4× uitdagen± 499 min0/16 gedaan

BLeven en systemen OOnderzoeken en meten WWiskundig modelleren

Elk stipje is een kolonie van miljoenen cellen, gegroeid uit één enkele bacterie of spore.

Hoe lees je een opdracht?

Drie tredenOefenen Toepassen Uitdagen

Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).

De StemExpert-schaal5

Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.

Oefenen

één stap, direct toepassen

35.1

Bacterie, gist, schimmel of virus?

Oefenen3Begrijpen10 min

gedaan

Welke groep past bij elke uitspraak? Er kunnen meer antwoorden goed zijn.

a
(a) heeft geen celkern maar wel een celwand; (b) vermeerdert door knopvorming; (c) kan zich niet zonder gastheercel vermenigvuldigen; (d) groeit met hyfen en verspreidt zich met sporen; (e) wordt niet geremd door antibiotica; (f) is kleiner dan het oplossend vermogen van een lichtmicroscoop.
b
Waarom noemt men een gist een schimmel, al heeft ze geen draden?

35.2

Van nanometer tot millimeter

Oefenen3Rekenen12 min

gedaan

Gebruik 1 mm = 1000 µm en 1 µm = 1000 nm.

a
Hoeveel bacteriën van 2 µm liggen er achter elkaar op een lijn van 1 cm? Hoeveel griepvirussen van 100 nm?
b
Een bacterie is ongeveer een cilinder van 2 µm lang en 1 µm dik. Bereken haar volume in µm³. Hoeveel bacteriën passen er in 1 mm³ (dicht op elkaar)?
c
Een mens bevat ongeveer 4 · 10¹³ bacteriën, vooral in de darmen. Hoeveel is dat, als ze allemaal 1,5 µm³ groot zijn, in cm³?

35.3

Delen en verdubbelen

Oefenen4Rekenen15 min

gedaan

Eén bacterie komt op een stukje vlees bij 30 °C; ze verdubbelt elke 30 minuten.

a
Hoeveel bacteriën zijn er na 3 uur, en na 10 uur, als niets de groei remt?
b
Na hoeveel uur zijn er een miljoen? Gebruik logaritmen (hoofdstuk 5).
c
In de koelkast (4 °C) verdubbelt deze bacterie niet meer. Een andere soort, Listeria, verdubbelt er elke 30 uur. Hoeveel keer is ze na een week vermeerderd?

35.4

Fermentaties kloppend maken

Oefenen3Rekenen12 min

gedaan

Maak kloppend en zeg welk micro-organisme het doet en waar je het tegenkomt.

a
(a) $C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ C_{2} H_{5} OH + C O_{2}$
b
(b) $C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O ⟶ C_{3} H_{6} O_{3}$ (lactose tot melkzuur)
c
(c) $C_{2} H_{5} OH + O_{2} ⟶ C H_{3} COOH + H_{2} O$
d
(d) $C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ C H_{4} + C O_{2}$

35.5

Vier fasen herkennen

Oefenen4Analyseren15 min

gedaan

De grafiek toont een groeicurve met vier fasen A, B, C en D.

De groeicurve van het handboek op een logaritmische as, zonder namen.

a
Geef elke fase haar naam en zeg in één zin wat de bacteriën er doen.
b
Waarom is fase B een rechte op deze as? Hoe zou ze eruitzien op een gewone as?
c
Lees af: hoeveel bacteriën per mL zijn er na 6 uur en na 30 uur (orde van grootte)?

Toepassen

meerdere stappen, in een context

35.6

Labo: gist en suiker in een ballon

Toepassen5Labo60 min

gedaan

Onderzoek met de opstelling van het handboek één veranderlijke: de temperatuur (15, 25, 35, 45 °C), de hoeveelheid glucose (1, 2,5, 5 en 10 g) of de soort suiker (glucose, sacharose, lactose, zetmeel).

a
Kies je veranderlijke, formuleer een hypothese en noem wat je gelijk houdt.
b
Meet de omtrek om de 10 minuten en bereken het volume.
t (min) C (cm) V (mL) C (cm) V (mL) C (cm) V (mL)
c
Teken de grafieken. Bepaal de snelheid (mL per minuut) in het steilste stuk.
d
Verklaar je resultaat met enzymen (hoofdstuk 34) of met stoichiometrie. Welke fout heeft je meting?

Zo wordt dit beoordeeld

Opzet	Eén veranderlijke, de rest gelijk (volume, gist, temperatuur of suiker), een controle zonder gist of zonder suiker.
Metingen	Omtrek regelmatig gemeten, volume correct berekend met V = C³/(6π²).
Analyse	Grafiek, snelheid uit de helling, vergelijking met het maximum uit de stoichiometrie.
Verklaring	Temperatuuroptimum en denaturatie, of evenredigheid met de suiker; lactose en zetmeel: gist heeft er geen (of weinig) enzymen voor.

35.7

Labo: yoghurt maken

Toepassen5Labo60 min

gedaan

Voer de proef van het handboek uit met een pH-meter of pH-papier. Werk voedselveilig.

a
Waarom verwarm je de melk eerst tot net onder de kook? Waarom mag de yoghurt pas bij 43 °C erbij?
b
Meet de pH elk uur in de drie potjes.
t (h) A: 43 °C B: 20 °C C: zonder
c
Teken de drie curven. Wanneer wordt A dik, en bij welke pH?
d
Verklaar de vorm van curve A met de groeicurve van de bacteriën.

Zo wordt dit beoordeeld

Voedselveilig	Schone potjes, geen labomateriaal, proeven alleen als het mag.
Metingen	pH-meter geijkt of pH-papier consequent afgelezen; elk uur gemeten.
Grafiek	Drie curven, assen met eenheid, het moment van stremmen aangeduid.
Verklaring	Aanloop, exponentiële groei, afremming door het zuur; stremmen bij pH ± 4,6 (caseïne).

35.8

Labo: kiemen op agar, veilig

Toepassen5Labo50 min

gedaan

Kies zelf een onderzoeksvraag voor de agarproef, bijvoorbeeld: 'Helpt handgel even goed als handen wassen met zeep?' of 'Hoeveel bacteriën zitten er op een smartphone na een dag?' Werk volgens de veiligheidsregels van het handboek.

a
Onderzoeksvraag, hypothese, en welke platen je nodig hebt (met blanco).
b
Noteer de veiligheidsregels die je volgt, van het werkblad tot het vernietigen van de platen.
c
Tel de kolonies door het deksel en beschrijf hun uitzicht.
plaat wat aantal kolonies uitzicht
d
Trek een besluit. Wat zou je veranderen om het betrouwbaarder te maken?

Zo wordt dit beoordeeld

Veiligheid	Werkblad ontsmet, beschrift op de bodem, 2-4 stroken plakband, 20-25 °C, nooit geopend, vernietigd door de leerkracht.
Opzet	Blanco, één veranderlijke, vergelijkbare werkwijze per plaat.
Waarneming	Kolonies geteld, soorten onderscheiden naar kleur en vorm.
Besluit	Voorzichtig: één plaat per situatie is weinig; voorstel voor herhalingen.

35.9

Tellen met een verdunningsreeks

Toepassen5Rekenen20 min

gedaan

Om de kwaliteit van het water in het reservoir van Habitat te controleren, maakt een bewoner een verdunningsreeks van tien keer per stap en strijkt telkens 0,1 mL uit. Resultaten na 3 dagen: onverdund: te veel; 10⁻¹: 312; 10⁻²: 34; 10⁻³: 2.

a
Welke plaat gebruik je voor de berekening? Waarom niet de andere?
b
Bereken het aantal KVE per mL in het reservoir.
c
Hoeveel KVE zitten er dan in het hele reservoir van 60 L?
d
Waarom zegt dit getal alleen niet of het water gevaarlijk is?

35.10

Generatietijd bij twee temperaturen

Toepassen5Analyseren20 min

gedaan

Twee culturen van dezelfde bacterie, bij 20 °C en bij 37 °C. Metingen in de exponentiële fase: 20 °C: 1,2 · 10⁴ per mL om 2 h en 3,1 · 10⁵ per mL om 10 h; 37 °C: 2,0 · 10⁴ per mL om 1 h en 1,3 · 10⁷ per mL om 4 h.

a
Bereken bij elke temperatuur het aantal verdubbelingen en de generatietijd.
b
Bereken Q10 voor de groei tussen 20 en 37 °C (per 10 °C). Vergelijk met de vuistregel voor enzymen (hoofdstuk 34).

Hint

Q10 per 10 °C: de factor over 17 °C is Q10^1,7.

35.11

Hoe lang mag de sla buiten de koelkast?

Toepassen5Rekenen20 min

gedaan

Gebruik de generatietijden uit het temperatuurmodel van het handboek: Listeria 30 h bij 4 °C, 13 h bij 7 °C, 2,0 h bij 20 °C; E. coli groeit niet onder 7 °C, verdubbelt om de 1,6 h bij 20 °C en om de 32 min bij 30 °C. De Europese regels laten in kant-en-klaar voedsel hoogstens 100 KVE Listeria per gram toe tot de houdbaarheidsdatum.

a
Verse sla bevat 10 KVE Listeria per gram. Hoeveel na 5 dagen bij 4 °C, en bij 7 °C? Wordt de grens van 100 per gram overschreden?
b
Een slaatje met 100 E. coli per gram blijft 4 uur in een warme auto (30 °C). Hoeveel zijn er daarna?
c
Formuleer twee regels voor de bewoners van Habitat voor de oogst en de opslag van sla.

35.12

Python: het groeimodel aanpassen

Toepassen5Programmeren25 min

gedaan

Neem groei.py uit het handboek.

a
Start met 10 keer meer bacteriën (n0 = 1e4). Hoeveel sneller wordt het plafond bereikt? Verklaar met de generatietijd.
b
Maak de generatietijd 60 minuten in plaats van 20 (koeler). Hoe lang duurt het nu tot het plafond?
c
Voeg een functie verdubbelingstijd(curve, t1, t2) toe die uit twee punten van de curve de generatietijd berekent. Test ze tussen 3 en 6 uur.

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

35.13

Habitat: het compostvat ontwerpen

Uitdagen7Habitat75 min

gedaan

Habitat wil de plantenresten (2,4 kg per teelt van 35 dagen) en het keukenafval (± 0,25 kg per dag voor twee bewoners) composteren, met karton van de bevoorrading erbij. Rekenwaarden: slaresten 5 % droge stof (40 % C, 4,0 % N); keukenafval 20 % droge stof (45 % C, 2,5 % N); karton 90 % droge stof (42 % C, 0,14 % N). Goede compost: C/N 25 tot 35, vocht 50 tot 65 %, zuurstof, en enkele dagen boven 55 °C om ziekteverwekkers te doden.

Voorbeeldverloop van de temperatuur in een groot en een klein compostvat.

a
Hoeveel slaresten en keukenafval komen er per week binnen? Bereken hun samen C/N en het vochtgehalte.
b
Hoeveel karton per week brengt de C/N op 28? Wat wordt het vochtgehalte? Hoeveel karton heb je nodig voor 65 % vocht, en wat is dan de C/N?
c
Kies een mengsel en verdedig je keuze. Wat doe je met het teveel aan vocht?
d
Waarom haalt een klein vat moeilijk 55 °C (grafiek)? Wat doe je eraan, en welke regel volgt daaruit voor het gebruik van de compost?
e
Teken het compostvat met de plaats in het station, de beluchting, de afvoer van vocht en een temperatuursensor, en schrijf de logregel die de microcontroller elke dag bijhoudt.

Zo wordt dit beoordeeld

Rekenwerk	Massa's per week, C- en N-balans, C/N en vocht correct, met eenheden.
Afweging	Ziet dat C/N en vocht niet tegelijk ideaal zijn met deze stoffen; kiest een verdedigbaar compromis of een extra maatregel.
Hygiëne	Temperatuur boven 55 °C of, als dat niet lukt, geen compost bij voedselgewassen; vat buiten de kweekruimte; handen wassen.
Ontwerp	Beluchting, vochtafvoer, isolatie, sensor en logregel; plaats en geur doordacht.

35.14

Habitat: een hygiëneplan voor de kweekruimte

Uitdagen6Habitat45 min

gedaan

Werk de acht hygiëneregels van het handboek uit tot een plan voor de kweekruimte, met een risicotabel zoals in F5. Houd rekening met het rondpompen (60 L in 12,5 minuten), de temperatuur van het reservoir (18-22 °C), de bewoners (twee), en de bevoorrading om de dertig dagen.

a
Maak een risicotabel met minstens vijf gevaren.
gevaar kans gevolg maatregel wie, wanneer
b
Wat doe je als de sla op één plaats slap wordt en de wortels bruin zijn? Beschrijf de stappen.
c
Welke metingen neem je op in het logboek (hoofdstuk 30) om een besmetting vroeg te zien?

Zo wordt dit beoordeeld

Risico's	Minstens vijf realistische gevaren (Pythium, Botrytis, Salmonella via handen, norovirus, Legionella, algen), met kans en gevolg.
Maatregelen	Concreet, uitvoerbaar in een station, met verantwoordelijke en frequentie.
Noodplan	Snel isoleren en verwijderen, reservoir ontsmetten, oorzaak zoeken (temperatuur), opnieuw starten.
Metingen	Temperatuur reservoir, EC en pH, luchtvochtigheid, visuele controle, eventueel plaattellingen.

35.15

Biogas uit het afval van het station: loont het?

Uitdagen6Rekenen30 min

gedaan

Een kleine vergister zou het organisch afval van het station kunnen omzetten in biogas. Neem als model dat 80 % van de droge stof als suiker CH₂O afbreekt: per 2 mol CH₂O ontstaat 1 mol CH₄. Methaan levert 890 kJ per mol. Neem voor het elektriciteitsverbruik van het hele station 10 kWh per dag (rekenwaarde).

a
Hoeveel mol methaan en hoeveel energie leveren de slaresten van één teelt (0,12 kg droge stof)?
b
Het keukenafval brengt 0,35 kg droge stof per week. Hoeveel energie per dag leveren beide samen, in Wh?
c
Een motor met generator maakt er 30 % elektriciteit van. Welk deel van het elektriciteitsverbruik dekt dat?
d
Loont een vergister voor Habitat? Geef ook een argument dat niet over energie gaat.

35.16

Debat: antibiotica in de veeteelt

Uitdagen6Argumenteren30 min

gedaan

Stelling: 'Antibiotica mogen alleen nog gebruikt worden om zieke dieren te genezen, nooit om ziekte te voorkomen of groei te versnellen.' In de EU is antibiotica voor groeibevordering verboden sinds 2006, en ook preventief gebruik bij groepen dieren is sinds 2022 sterk beperkt. Resistente bacteriën kunnen via vlees, mest en water bij mensen komen.

a
Leg uit hoe een bacteriepopulatie resistent wordt door veel antibioticagebruik. Gebruik de groeicurve en het plasmide.
b
Geef twee argumenten voor en twee tegen de stelling.
c
Wat betekent resistentie voor een station, ver van een ziekenhuis?

Zo wordt dit beoordeeld

Biologie	Selectie: gevoelige bacteriën sterven, de enkele resistente overleeft en groeit exponentieel; plasmiden geven resistentie door.
Argumenten	Voor en tegen, met gezondheid van mens en dier, economie, dierenwelzijn.
Toepassing	Zinvolle link met Habitat: beperkte medicatie, infecties voorkomen door hygiëne.

ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet

Ik kan bacteriën, gisten, schimmels en virussen onderscheiden naar bouw, grootte en manier van vermeerderen.
Ik kan uitleggen hoe je steriel werkt, en een kweekproef veilig opzetten en afronden.
Ik kan de vier fasen van een groeicurve benoemen en verklaren, op een lineaire en op een logaritmische as.
Ik kan met een verdunningsreeks het aantal bacteriën per mL berekenen, en een generatietijd bepalen uit metingen.
Ik kan uitleggen hoe temperatuur de groei van bacteriën beïnvloedt, en waarom koelen, pasteuriseren en steriliseren werken.
Ik kan fermentaties (alcohol, melkzuur, azijn, methaan) als reactievergelijking schrijven en er mee rekenen.
Ik kan uitleggen hoe bacteriën menselijke insuline maken.
Ik kan een compostvat en hygiëneregels voor de kweekruimte van Habitat onderbouwen.

t (min)	C (cm)	V (mL)	C (cm)	V (mL)	C (cm)	V (mL)

plaat	wat	aantal kolonies	uitzicht

gevaar	kans	gevolg	maatregel	wie, wanneer