„Във връзка с нашия проблем, с проблема, който за първи път поставих - какво да кажем за непрекъснато нарастващия брой хора на Земята, възниква въпросът: „Какво може да даде на хората един голям биологичен цикъл в биосферата?“ Този проблем може да се разглежда в тридо основните точки или места на биосферата, които току-що описах:
1) при входящата енергия,
2) в биологичния цикъл на биосферата и
3) на изхода от биологичния цикъл в геологията.
Да започнем с вложената енергия. Определено количество слънчева енергия пада върху земната повърхност. Разбира се, само тази част от него, която се усвоява от автотрофните организми, може да работи биологично. От цялата слънчева енергия, падаща на Земята, само определен процент (не е толкова лесно да се изчисли точно), да речем, приблизително три до осем процента усвоени от зелени растения. От погълнатата енергия не всичко отива за фотосинтеза. Както в технологиите, в дивата природа можем да говорим за ефективност - за ефективността на фотосинтезата. Тя възлиза (отново е много трудно да се изчисли) приблизително от два до осем процента .
В същото време е много важно да се отбележи, че различните видове и групи растения имат различна ефективност.
Така че още на входа човечеството може да направи нещо, така че растителността да абсорбира повече слънчева енергия, идваща към Земята, а за това е необходимо да се увеличи плътността на зелената покривка на Земята. Междувременно ние, хората, в нашите икономически, промишлени дейности и в ежедневието, по-скоро намаляваме плътността на зелената покривка на Земята, като се отнасяме небрежно към гори, ливади, полета, строителни площадки. Недостатъчно засаждане на пустини, степи, намаляваме плътността на зеленото покритие. Но само нивото на съвременните технологии и индустрия теоретично позволява да се направи обратната работа - да се увеличи по всякакъв възможен начин във всички зони на земната повърхност, подходящи за това и в резервоари, особено сладководни, плътността на зелената покривка.
Освен това, както показват изчисленията, тя може да бъде увеличена поне един и половина, може би дори два пъти и по този начин да се увеличи биологичната продуктивност на Земята.
По-горе беше казано, че ефективността - ефективността - на различните видове растения може да бъде много различна, варираща от два до осем, а за редица форми на растения и повече процента. И тук пред човечеството се открива още една възможност: разумно е, разбира се, въз основа на предварително точно изследване на ефективността на различни растителни видове от физиолози, да се опитаме да увеличим процента на участие в растителните съобщества, които покриват Земята, инсталации с най-висока, а не с най-ниска ефективност. Това, отново, може да увеличи с известна цифра, един път и половина, или по-малко, или повече, процента на слънчевата енергия, която се усвоява от растенията и чрез фотосинтезата на растенията води до производството на органична материя на Земята.
Това означава, че още на входа на биосферата, на входа на енергията, можете да спечелите, да увеличите биологичната продуктивност на Земята, да речем, два пъти. Позволете ми да ви напомня, че това е, от което абсолютно ще имаме нужда след сто години.
Тимофеев-Ресовски Н.В., Мемоари, М., Вагриус, 2008, стр. 344-345.
Характеристики на основните показатели на фотосинтезата:
интензивност и продуктивност.
Фотосинтезата се характеризира със следните количествени показатели:
интензивност на фотосинтезата
продуктивност на фотосинтезата.
Интензивността (скоростта) на фотосинтезата е количеството въглероден диоксид, което се усвоява от единица листна повърхност за единица време. В зависимост от вида на растението този показател варира от 5 до 25 mg CO2/dm2. ч.
Производителността на фотосинтезата е съотношението на дневното увеличение на масата на цялото растение (в грамове) към площта на листата. Средно тази стойност е от 5 до 12 g сухо вещество на 1 m2 листна повърхност на ден.
Има голям брой методи за определяне на тези количествени показатели.
Интензивността на фотосинтезата може да се определи:
газометрични методи,
радиометрични методи.
С помощта на газометрични методи може да се определи или количеството поет въглероден диоксид, или количеството отделен кислород. В този случай се използват както тегловни индикатори на абсорбирани или изпуснати газове, така и обемни индикатори, индикатори за налягане, цветни индикатори и показатели за топлопроводимост на определените газове.
С помощта на радиометрични методи интензивността на абсорбция на C14O2 от растението се определя от наличието на C14 в него или промяна в радиоактивността на газовата смес.
Продуктивността на фотосинтезата се определя от натрупването на асимилати в растението. Той използва методи като:
промяна в количеството сухо вещество на изрезки от листа след определен период от време,
натрупване на въглехидрати в листа след определен период от време,
промяна в топлината на изгаряне на сухото вещество на листата по време на излагането им на светлина.
По време на вегетационния период интензивността и продуктивността на фотосинтезата се увеличават постепенно от началото на развитието, достигат максимум във фазата цъфтеж-плод и след това постепенно намаляват.
Усвояване на фотосинтетично активна радиация от растение.
Фотосинтетично активната радиация (PAR) е тази част от слънчевата радиация, която може да бъде абсорбирана от хлорофилите по време на фотосинтезата. PAR има вълнов спектър от 380 до 710 nm и се състои от пряка слънчева светлина и разсеяна светлина, чийто интензитет е равен на 1/3 от пряката слънчева радиация. В разсеяната светлина PAR представлява до 90%, т.е. дифузната светлина, за разлика от пряката слънчева светлина, може да се абсорбира от растението почти напълно.
Интензивността на фотосинтезата е максимална в червената част на спектъра и минимална в синята и зелената част.
PAR се абсорбира по различен начин от листата на различните растения. Този процес се определя от количествения и качествен състав на пигментите в листата. Сутрин и вечер фотосинтезата в растения с достатъчно количество хлорофил е най-интензивна.
Степента на използване от растението на фотохимичната активност на хлорофила се оценява по броя на асимилацията - т.е. по количеството въглероден диоксид, асимилиран от единица хлорофил за единица време.
При растенията с тъмнозелени листа броят на асимилацията е малък, това са растения, които живеят предимно на сянка, при растения със светлозелен цвят - тази цифра е много по-висока, тъй като това са светлолюбиви растения.
Основната абсорбция на PAR се извършва в горните нива на сеитба, както и съдържа по-голямо количество хлорофил.
Поглъщането на лъчиста енергия от листа се изразява с формулата:
където Q е количеството радиация, падаща върху листа, R е отразената радиация, в%, T е предаваната радиация, в%, A е абсорбираната радиация, в%. И трите показателя зависят от съдържанието на хлорофил в листата.
Фотосинтезата е възможна при минимален интензитет на светлината, с увеличаване на интензитета на светлината до 1/3 от пълното слънчево осветление, интензитетът на фотосинтезата се увеличава, с още по-висока осветеност интензивността на фотосинтезата се увеличава леко, а при максимална осветеност светлинната наситеност на протича фотосинтеза и се задейства механизмът на фотодишането.
Общото количество слънчева радиация, падаща върху 1 ха през вегетационния период, е 21,109 kJ, от които PAR е само 8,109 kJ, тоест само около една трета.
Количеството PAR, абсорбирано от сеитбата, се определя по формулата:
P \u003d Q - R - Tp + Rp
където P е радиацията, погълната от културата, Q е общата радиация, падаща върху културата, R е радиацията, отразена от културата и преминала извън горната й граница, Tp е радиацията, проникнала в почвата, Rp е радиацията, отразена от почвата под растителността.
Коефициентът на поглъщане на енергия на PAR (Qp) чрез инокулация се определя чрез разделяне на двете части на формулата на Q:
Qp \u003d P / Q \u003d 1 - R / Q - Tp / Q + Rp / Q,
където R/Q е албедото на сеитбата, показващо каква част от падащата радиация се отразява от сеитбата, Tp/Q е пропускливостта, показваща каква част от падащата радиация (Q) достига до почвата под растителност, Rp/Q е албедото на почвата под растителност.
Ефективността на фотосинтезата може да се характеризира с коефициента на ефективност, който се определя по формулата:
E% (ефективност) = V.100 / A,
където A е количеството енергия, получено по време на вегетационния период на 1 ha сеитба, или енергията, погълната от сеитбата, в kJ, B е количеството енергия, натрупано в органичната маса на културата (биологична или икономическа), в kJ.
Доказано е, че само 2% от слънчевата енергия се използва за образуване на продукти от фотосинтезата при всички благоприятни условия (напояване, висока концентрация на CO2). Средно ефективността на фотосинтезата на селскостопанските растения в реални условия е около 0,5-1% (т.е. около 16 kJ / m2 на час), докато теоретично е възможно този показател да се увеличи до 4-6%. Една от най-неотложните задачи, пред които е изправено практическото земеделско производство, е повишаването на ефективността на фотосинтезата.
Практически е невъзможно фотосинтезата да се контролира директно, но индиректно е възможно.
Листна площ. ILP трябва да е поне 4-5, т.е. на 1 ha площта на листата трябва да бъде 40-50 хиляди m 2.
Оптична плътност на засяване, която позволява по-добро използване на светлината. Това се постига чрез норми на сеитба, което позволява да се формират или удебелени (например в семената на картофите), или по-редки култури (например семена на зърнени култури).
Важна роля играе формата на листата на растението. Лошо е както с хоризонтално, така и със строго вертикално (лък) разположение. По-добре - с форма на фуния като царевица, зърнени култури.
Регулиране на факторите на околната среда (светлина, температура, CO 2 , H 2 O, минерално хранене и др.)
Създаване на култури с оптимални параметри за фотосинтеза:
Важна роля играе флаговият лист – най-горният лист на житните култури. Благодарение на неговата работа около 50% от продуктите на фотосинтезата се образуват след цъфтежа, по време на периода на напълване на зърното.
Удължаване на периода на активна вегетация на растенията чрез засаждане на разсад, покълнали грудки, ранна сеитба. Необходимо е растенията да се поддържат в активно физиологично състояние.
Във формирането на реколтата участват не само листа, но и уши, стъбла и дори сенници, в които се извършва фотосинтеза. Техният дял е различен, но доста осезаем.
Въвеждането на принципно нови видове култури, при които продуктивността на растенията се увеличава 1,5-2 пъти поради по-висока фотосинтетична активност. Това са теснолентови култури: редуване на ивици с ширина около 1 m от високостъблени култури (зърнени култури) и орни култури (цвекло, картофи и др.) При такива култури се подобрява използването на светлина поради светлинни странични ефекти, концентрацията на CO редови култури и редица други предимства.
Фотосинтезата е основният високодоходен начин за използване на слънчевата енергия.
Зависимост на фотосинтезата от факторите на околната среда и характеристиките на растенията
Зависимостта на FI от съдържанието на CL се обяснява с числото на асимилация (AN) или числото на Wilstetter. ACh е количеството CO 2, усвоено от листата за 1 час на единица съдържащ се хлорофил. Колкото по-високо е съдържанието на хлорофил, толкова по-ниско е съдържанието на AP. При растения със светлозелени листа стойността на AN е 60-80, при тъмнозелени - 5-7 mg CO 2 /час mg CL.
Хлорофилът е еднакъв в целия растителен свят и съдържанието му, в зависимост от условията на отглеждане, варира от 0,7 до 9 mg / dm 2.
Колкото повече растението абсорбира светлина, толкова по-ниско е съдържанието на CL в листата. В умерената зона, например RB, листата са тъмнозелени, в южните райони - светлозелени. Растенията обикновено синтезират хлорофил в известен излишък. Съдържанието му в растенията е от стотни до десети от процента за естествена влажност (0,05-0,32%).
Промени във фотосинтезата в онтогенезата.
За изследване на тази зависимост обикновено се използват етиолирани разсад; отглеждани на тъмно. Не съдържат хлорофил. При осветяване за няколко минути се образува хлорофил, а след четири часа в тях започва фотосинтеза. При едногодишните растения в онтогенезата настъпва унимодална промяна в IF. IF се задава на определено ниво два дни след озеленяването. Максималната стойност на IF е по време на прехода от вегетация към размножаване (фаза на цъфтеж). При застаряващите листа IF се понижава.
2. Интензивност на фотосинтезата и фактори на околната среда.
2.1 FI зависи както от интензитета на светлината (фотонен поток), така и от нейния спектрален състав. Описана е зависимостта на IF от RI (интензитета на светлината). светлинна крива фотосинтеза, която има формата на парабола, състояща се от две фази. Първата фаза е линейна зависимост на IF от IE co точка на компенсация на светлината (SKP). SKP е интензитетът на светлината, при който IF = ID. Втората фаза е намаляване на наклона на кривата с увеличаване на AI и достигане на плато. то светлинна наситеност фотосинтеза.
Обобщената крива на светлината има следния вид.
Светлинното насищане в C 3 -растения възниква при стойности на IO, равни на 0,4-0,6 PSO, а в C 4 практически не се наблюдава.
Слънчевата радиация, съответстваща на точката на огъване на светлинната крива, се нарича радиационно приспособление(RP). Ефективността на фотосинтезата по време на RP достига максимални стойности. Въпреки това, в културите, поради взаимно засенчване, растенията са в условия на недостатъчно осветление.
По отношение на светлината растенията се делят на светлолюбиви (SR) и сенкоустойчиви (TR). Те се различават по своите морфологични, анатомични и физиологични особености. Листата на СР са по-дребни, по-дебели, с гъсто жилкуване, по-светлозелен цвят и по-ниско съдържание на хлорофил. При TR е обратното: листата са големи, по-тънки, с рядко жилкуване, тъмнозелен цвят, повече хлорофил, особено Chlv. СР са по-продуктивни.
TR и SR се различават по хода на светлинните криви на фотосинтезата (фиг. 2). При нисък IE, FI е по-висок в TR, отколкото в SR, а с увеличаване на IE, FI е по-висок в TR ↓ и в SR.
Способността на отделните растителни видове, хибриди, сортове да извършват фотосинтеза при ниски стойности на AI се опитва да се използва в селекционната работа. Такъв подбор е възможен дори сред С 4 -култури - задължителни светлолюбители.
Спектрален състав на светлината. IF е силно зависим от качеството на светлината. Според квантовата теория 1 J червени лъчи (RC) съдържа 1,5 пъти повече кванти от 1 J синьо-виолетови лъчи (SF). При подравняване на SF и CS по отношение на падащите кванти, FI се оказва по-високо на CS, отколкото на SF и бялата светлина (BS). При насищащата светлина обаче предимството преминава към SF. При растенията, отглеждани на SF, насищането с FS възниква при по-висока осветеност и те използват мощни лъчисти потоци по-ефективно от растение на CL.
Качеството на светлината не влияе върху броя и размера на хлоропластите в листа, който е завършил растеж; следователно, IFs се дължат главно на активността на един хлоропласт, която е по-висока в растенията на CC.
Съставът на синтезираните вещества зависи от качеството на светлината. SF натрупва повече протеини и липиди, докато CS натрупва повече разтворими въглехидрати и нишесте. Ефектът от добавянето дори на 20% SF и RC е подобен на този от монохроматична синя светлина. Забележка: SF се отнася за синя светлина. Това се използва при конструирането на фотосинтетични лампи.
Минерално хранене.
воден режим.
Газов състав на въздуха.
Минималното съдържание на CO 2 във въздуха - за C3 - 0,005%, за C4 - 0,0005%
Увеличаването на CO 2 от 0,03% до 0,3% води до увеличаване на интензивността на фотосинтезата. По-нататъшното увеличение на CO 2 до 1% не засяга фотосинтезата,
При голям воден дефицит интензивността на фотосинтезата намалява поради затварянето на устицата, което намалява доставката на CO2 към листата, намалява транспирацията и води до повишаване на температурата на листата. В допълнение, дехидратацията променя конформацията и следователно активността на ензимите.
Максималната интензивност на фотосинтезата при дефицит на вода от 5-10%, при 20% - рязко спада и при 50% фотосинтезата спира
Изключването на каквото и да е ЕМП влияе неблагоприятно на фотосинтезата. Калият активира процесите на фосфорилиране и участва в отварянето на устицата. Магнезият е част от хлорофилите, активира реакциите на карбоксилиране и редукция на NADP. Желязото е от съществено значение за синтеза на хлорофили. Манганът и хлорът участват във фоторазграждането на водата. Медта е част от пластоцианина. Азотът е необходим за образуването на хлоропласти и образуването на пигменти. Сярата е част от ETC протеините
ефективност на фотосинтезата- характеризира процента на съхранение на PAR енергия в продуктите на фотосинтезата. Ефективността на растенията в биосферата е ниска: около 0,2%, за захарната тръстика - 1,9%, за k-la - 0,5-0,6%. Ефективност при технически култури 0,5-1,5%. Изчисленията показват, че теоретично е възможно да се получи ефективност до 12% при културите. При царевичните посеви вече е получена ефективност от 7-8%.
Начини за повишаване на ефективността:
1) регулиране на факторите на околната среда (светлина, влажност, температура)
2) създаване на култури с оптимални параметри за фотосинтеза:
– листна площ. ILP - поне 4-5, т.е. на 1 ha площта на листата трябва да бъде 40-50 хиляди m 2.
– оптична плътност на културитекоето позволява по-добро използване на светлината. Това се постига чрез норми на сеитба, които позволяват формирането на удебелени (върху семената на картофите) или по-разредени посеви (семена на житни култури).
- играе голяма роля разположение на листата на растението. Лошо е както с хоризонтално, така и със строго вертикално (лък) разположение. По-добре - с форма на фуния като царевица и зърнени култури.
3) удължаване на периода на активна вегетация на растенията:
Чрез засаждане на разсад, покълнали грудки.
Ранна сеитба.
Необходимо е растенията да се поддържат в активно физиологично състояние. При формирането на културата не само листата, но и ушите, стъблата и дори сенниците, в които F.
4) въвеждането на принципно нови видове култури, при които продуктивността на растенията се увеличава с 1,5-2 пъти поради по-висока фотосинтетична активност (лентови и други култури).
Неконтролираното потребление на изкопаеми ресурси доведе света до ръба на екологична и енергийна криза. В такава ситуация е необходим коренно различен източник на енергия, който, от една страна, би се вписал в нашия петролен свят, а от друга страна, би бил възобновяем, екологичен и икономически изгоден. Възможно решение е изкуствената фотосинтеза (IF), благодарение на която вече са родени създадени от човека инсталации за синтез на органична материя от електричество, светлина, както и невероятни полупроводникови фотосинтетични бронирани бактерии.
Световната енергийна криза или защо е необходима изкуствена фотосинтеза
Днес вече голямото население на планетата се увеличава с 1% годишно. Човечеството задоволява нарастващите всяка година енергийни нужди предимно за сметка на изкопаемите ресурси. Но вече не е тайна за никого, че запасите от нефт и въглища са ограничени и в повечето случаи невъзобновими. Когато обемите им престанат да отговарят на световните темпове на развитие (или дори са изразходвани), светът ще бъде изправен пред енергийна криза с безпрецедентни размери.
Вече може да се наблюдава ожесточена борба, отприщена на световната сцена за големи източници на изкопаеми горива. В бъдеще ще има все по-малко гориво, а конфликтите на интереси ще се появяват все по-често.
През последните два века човечеството беше заслепено от наличието на изкопаеми горива и разработи много технологии, базирани на тях, без които животът днес е просто немислим. Първо имаше въглища и парни локомотиви, след това хората се научиха да получават електричество чрез изгаряне на същите въглища, да произвеждат газови печки, личен и обществен транспорт - всичко това изисква консумация на органична материя, съхранявана преди милиони години. Използвайки енергията на тези вещества, човечеството направи скок в много области на обществения живот: световното население надхвърли 7 милиарда, процъфтяващи градове и държави се появиха в пустините, производственият капацитет и нивата на потребление се увеличават от година на година. Без съмнение съвременният свят е немислим без въглища, петролни продукти и газ.
Тук се проявява дилемата на съвременната енергетика: от една страна, необходимостта от преминаване към възобновяеми енергийни източници е абсолютно очевидна, от друга страна, светът не е пригоден за потребление на такава енергия. Въпреки това през последното десетилетие се наблюдава нарастващо развитие на енергиен източник, който би могъл да реши тази дилема. Ние говорим за изкуствена фотосинтеза (IF)- начин за превръщане на енергията на слънцето в удобна форма на органично гориво.
Не трябва да забравяме, че изгарянето на гориво води до огромни емисии на CO 2 в атмосферата, което се отразява негативно на състоянието на цялата биосфера. В големите градове това влияние е особено забележимо: хиляди димящи коли и предприятия образуват смог и всеки гражданин, излизайки от града, се възхищава преди всичко на чистия въздух. Създаването на източник на енергия, който, подобно на растенията, ще абсорбира CO 2 и ще произвежда O 2, може да спре разграждането на околната среда, което върви с пълна скорост.
По този начин IF е потенциално решение както за глобалната енергийна, така и за екологичната криза. Но как работи IF и как се различава от естествения?
Несъвършена зеленина
Фигура 2. Нециклична фотосинтеза в растенията.Електронът напуска възбудения от светлина хлорофил на фотосистема II (PS-II) и получената "дупка" се запълва с електрони, освободени по време на разделянето на водата. Крайният приемник на електрони не е фотосистемен пигмент, както при лилавите бактерии, а NADP +. Друга разлика е, че при растенията две фотосистеми (FS-I и PS-II) образуват конюгиран механизъм и за един цикъл на неговата работа е необходимо поглъщане на два фотона. Фигурата не показва комплекса b 6 f.
Полученият H+ градиент осигурява енергия за синтеза на АТФ чрез ензима АТФ синтаза, подобно на това как падащата вода се превръща в източник на енергия за водна мелница (фиг. 3). АТФ е универсален носител на химическа енергия в клетката и участва в по-голямата част от енергоемките реакции, включително реакциите на цикъла на Калвин, които осигуряват превръщането на CO 2 в редуцирана органична материя. В този цикъл по-голямата част от енергията се изразходва за борба със страничните реакции. Има и други начини за асимилация на въглерод - например пътя на Wood-Lyungdal, за който ще бъде писано по-късно.
Фигура 3. Съхранение на светлинна енергия.По време на фотосинтезата протеините на фотосистемата пренасят протони през мембраната за сметка на фотонната енергия. Ензимът АТФ-синтаза изхвърля получения концентрационен градиент на H + и произвежда универсалния енергиен носител в клетката – АТФ. Аналогията с въртящата се воденица всъщност е много близка до реалността.
Въпреки че фотосинтезата в крайна сметка осигурява цялата биосфера с енергия, ефективността на този процес оставя много да се желае (Таблица 1). Рекордьорът по фотосинтеза е соргото, отглеждано за производство на биогорива, което има ефективност на преобразуване на слънчевата енергия в химическа енергия от 6,6%. За сравнение: картофите, пшеницата и ориза имат около 4%.
| Причина за загуба на енергия | Загуба на енергия | остатък |
|---|---|---|
| Поглъщане на фотони само във видимата част на спектъра | 47% | 53% |
| Само част от светлинния поток преминава през фотосинтезиращите части на листа | 70% | 37% |
| Въпреки че във видимата светлина има фотони с висока и ниска енергия, всички те се абсорбират от фотосистемите като нискоенергийни (вид принцип на караваната) | 24% | 28% |
| Загуби в синтеза на глюкоза | 68% | 9% |
| Почистване на листата от страничните продукти на фотосинтезата ( см.фотодишане) | 32% | 6% |
В същото време типичната ефективност за съвременните слънчеви батерии е 15-20%, а прототипите са достигнали стойност от 46%. Такава разлика в ефективността на създадените от човека фотоклетки и живите растения се обяснява главно с липсата на етапи на синтез. Но има по-фина разлика: растителните фотосистеми извличат енергия само от фотони на видимата светлина с дължини на вълните 400–700 nm, а изходът от високоенергийните фотони е точно същият като от нискоенергийните. Полупроводниците, използвани в слънчевите клетки, улавят фотони от по-широк спектър. И за максимална производителност, материалите, проектирани специално за различни части от спектъра на слънчевата светлина, са комбинирани в една батерия.
Крайната цел на инженерите на IF е да създадат инсталация (или изкуствен организъм), която да извършва фотосинтеза по-добре от растенията. Днес биоинженерната мисъл е достигнала ниво, на което човек може да се опита да направи това. И от година на година опитите на учените се приближават все повече и повече до заветната цел, карайки ни да се чудим на невероятни открития.
Такова различно АКО
Най-простата IF схема е напълно абиотичен синтез на органични вещества върху катализатор. През 2014 г. беше открит рутениев катализатор, който синтезира метан от H 2 и CO 2 при осветяване. При оптимални условия, включващи нагряване до 150 ° C и интензивно осветление, един грам от този катализатор създава един милимол метан на час, което, разбира се, е много малко. Самите учени, които изучават катализатора, признават, че такава скорост на реакция при доста висока цена на катализатора е твърде ниска за практическото му приложение.
Истинската фотосинтеза е многоетапен процес, на всеки етап от който има загуба на енергия. Отчасти това дори е добре, защото отваря много място за оптимизация. В случай на абиогенна фотосинтеза, всичко, което може да се направи, е да се излезе с фундаментално нов катализатор.
Напълно различен подход към IF - създаване на биореактори, захранвани със слънчева енергия. В такива биореактори, колкото и да е странно, те използват нефотосинтезиращи микроорганизми, които все още могат да фиксират CO 2 с помощта на други енергийни източници.
Нека се запознаем с няколко типа дизайни на устройства за IF, като използваме конкретни примери.
През 2014 г. бяха публикувани резултатите от теста на инсталация, която преобразува тока в биомаса с рекордната ефективност от 13%. За да получите IF-реактор, достатъчно е да свържете слънчева батерия. Тази настройка е по същество електрохимична клетка (фиг. 4 а), където два електрода се поставят в хранителна среда с бактерии Ralstonia eutropha(те са - Cupriavidus necator). Когато се приложи външен ток, катализаторът на анода разделя водата на кислород и протони, а катализаторът на катода редуцира протоните до водороден газ. R. еутрофаполучава енергия за асимилацията на CO 2 в цикъла на Калвин поради окисляването на Н 2 от ензима хидрогеназа.
Фигура 4. Биореактори за IF, базирани на електрохимични клетки.Токът може да се генерира чрез фотолиза на вода в анода с помощта на слънчева батерия (а) или без него (b) . И в двата случая електроните, взети от водата, осигуряват на автотрофните микроби еквивалентите за възстановяване, необходими за фиксиране на CO 2 .
Според изчисленията на разработчиците, комбинирането на тяхната инсталация с типична слънчева батерия (18% ефективност) ще доведе до обща ефективност на фотосинтезата от 2,5%, ако цялата светлинна енергия се преобразува в растеж на биомаса, и 0,7%, ако генетично модифицирани бактерии, синтезиращи бутанол са използвани. Този резултат е сравним с ефективността на фотосинтезата в реални растения, въпреки че не достига нивото на култивираните растения. Способност R. еутрофаСинтезирането на органични вещества в присъствието на H 2 е много интересно не само в контекста на IP, но и като възможно приложение на водородна енергия.
През 2015 г. учени от Калифорния създадоха също толкова интересна инсталация, където етапите на абсорбция и синтез на светлина са по-тясно свързани. Фотоанодът на проектирания реактор, когато е осветен, разделя водата на кислород, протони и електрони, които се изпращат по проводника към катода (фиг. 4 b). За да се увеличи скоростта на фотолиза на водата на фазовата граница, фотоанодът е направен от силициеви нанопроводници, които умножават повърхността му.
Катодът на тази настройка се състои от „гора“ от TiO2 нанопръчки (фиг. 5 а), сред които растат бактерии Sporomus ovata. Електроните от фотоанода отиват точно при тези бактерии, които ги използват като редуциращи еквиваленти за превръщането на разтворения в средата CO 2 в ацетат.
Фигура 5. Изкуствената фотосинтеза е немислима без наноматериали. а - В IF-реактора от статията CO 2 фиксирани бактерии, растящи в "наногората" от силициеви пръчки, покрити с TiO 2 (слой 30 nm); този наноскелет създава анаеробните условия, необходими за бактериите, и увеличава повърхностната плътност на контактите между бактериите и проводника. b - При принципно различен подход не бактериите се поставят върху полупроводник, а полупроводникът се поставя върху бактерии; благодарение на обвивката от CdS бактериите, умиращи на светлина, стават фотосинтетични.
TiO 2 nanoscaffold изпълнява няколко функции едновременно: осигурява висока плътност на бактериите при контакт, защитава облигатните анаеробни С.оватаот кислорода, разтворен в околната среда, и може също да преобразува светлината в електричество, като помага на бактериите да фиксират CO2.
С.овата- бактерии с много гъвкав метаболизъм, който лесно се адаптира към растеж в така наречения електротрофен режим. Те фиксират CO 2 по пътя на Wood-Ljungdal, при който само 10% от ацетата отива за растеж на биомаса, а останалите 90% се освобождават в околната среда.
Но сам по себе си ацетатът няма голяма стойност. Да го преобразува в по-сложни и скъпи субстанции, генетично модифицирани Ешерихия колисинтезиране на бутанол, изопреноиди или полихидроксибутират от ацетат. Последна субстанция E. coliпроизвежда с най-висок добив.
Що се отнася до ефективността на цялата инсталация, тя е много ниска. Само 0,4% от слънчевата енергия може да се преобразува в ацетат, а превръщането на ацетата в полихидроксибутират протича с ефективност от 50%. Общо само 0,2% от светлинната енергия може да се съхранява под формата на органична материя, която може да се използва допълнително като гориво или суровина за химическо производство. Разработчиците смятат за основното си постижение, че създадената от тях настройка може да се използва за напълно различни химически синтези без фундаментални промени в дизайна. Това показва аналогия с естествената фотосинтеза, при която всички видове органични вещества в крайна сметка се синтезират от асимилацията на CO 2 3-фосфоглицерат.
И в двете описани технологии разработчиците се опитаха да комбинират съвършенството на полупроводниците като абсорбери на светлинна енергия с каталитичната сила на биологичните системи. И двете получени инсталации бяха „обратни“ горивни клетки, където токът се използва за синтезиране на вещества.
С принципно различен подход отделните клетки се комбинират с полупроводници в едно цяло. И така, в самото начало на 2016 г. беше публикувана работа, в която бактерията-ацетоген Moorella thermoaceticaотглеждани в среда с високо съдържание на цистеин и кадмий, . В резултат на това обикновено загиват на светло M. thermoaceticaпокрит с обвивка от CdS (полупроводник) и по този начин не само получи защита от слънцето, но също така стана фотосинтетик: електроните от CdS навлязоха в пътя на Wood-Lyungdal (фиг. 5 b).
Експериментите върху такава "бронирана" бактерия показаха, че CO 2 се фиксира не само на светлина, но и на тъмно (при спазване на дневния цикъл). Причината за това е натрупването на метаболити на фотосинтезата в светлината в такова количество, че клетките нямат време да ги обработят. Основното предимство на такива бактерии в сравнение с описаните по-горе клетки е самоорганизацията. За клетките наноматериалите и катализаторите трябва да бъдат предварително произведени, а самите тези части се износват само с течение на времето. Кога M. thermoaceticaфотосинтетичните единици разделят, произвеждат и ремонтират всичко необходимо, ако има достатъчно кадмий и цистеин в околната среда. Тези бактерии все още не са изследвани като източник на гориво, но по отношение на квантовия добив на фотосинтезата те не отстъпват на растенията.
Не чака дълго...
IF технологиите все още са на етап прототип, но техните разработчици виждат много място за оптимизация. Възможно е да се оптимизират светлоуловителите на полупроводниците, микроорганизмите, пространствената организация на бактериите и други катализатори. Но преди всичко е необходимо да се реши проблемът със стабилността. Ефективността на произведените инсталации спада забележимо след няколко дни работа. Едно напълно подготвено IF устройство, като всяка жива система, трябва да се регенерира и самовъзпроизвежда. В тази връзка, от особен интерес M. thermoaceticaза които тези свойства се отнасят в пълна степен.
И въпреки че съществуващите модели далеч не са съвършени, работите в областта на IF са ценни преди всичко, защото показват фундаменталната възможност за вграждане на слънчева енергия в свят, уловен от двигател с вътрешно горене. Вятърните мелници и слънчевите панели, разбира се, имат висока ефективност и вече почти напълно осигуряват потреблението на енергия в Уругвай и Дания, а водноелектрическите централи са важни възли в енергийната мрежа на много страни. Но замяната на горивото с електричество в повечето случаи изисква радикално преструктуриране на енергийните мрежи и не винаги е възможно.
По-нататъшното развитие на инвестиционния фонд изисква огромни инвестиции. Може да се предположи, че фирмите, произвеждащи слънчеви батерии, на които футуролозите предричат световно господство в областта на енергетиката до 2030 г., ще се интересуват от развитието на тази все още млада и неопитна наука в пресечната точка на биоенергетиката, материалознанието и наноинженерството. Кой знае, може би IF няма да се превърне в ежедневие на бъдещето или може би работата по него ще даде тласък на водородната енергия или биофотоволтаиците. Няма да чакаме дълго, изчакайте и вижте.
Литература
- Пирамидите на населението на света от 1950 до 2100 г. (2013). PopulationPyramid.net;
- Корзинов Н. (2007).