بازده فتوسنتز به طور متوسط ​​است. ویژگی های شاخص های اصلی فتوسنتز. زمان زیادی برای انتظار نیست

"در رابطه با مشکل ما، با مشکلی که برای اولین بار مطرح کردم - در مورد تعداد روزافزون مردم روی زمین، این سوال مطرح می شود: "یک چرخه بیولوژیکی بزرگ در بیوسفر چه چیزی می تواند به مردم بدهد؟" این مشکل را می توان در نظر گرفت سهبه نقاط یا مکان های اصلی زیست کره که به تازگی توضیح دادم:

1) در ورودی انرژی،
2) در چرخه بیولوژیکی زیست کره و
3) در خروج از چرخه بیولوژیکی به زمین شناسی.

بیایید با ورودی انرژی شروع کنیم. مقدار معینی از انرژی خورشیدی روی سطح زمین می افتد. البته تنها قسمتی از آن که توسط ارگانیسم های اتوتروف جذب می شود می تواند از نظر بیولوژیکی کار کند. از تمام انرژی خورشیدی که بر روی زمین می افتد، فقط درصد معینی (مثلاً محاسبه دقیق آن چندان آسان نیست) سه تا هشت درصد جذب گیاهان سبز از انرژی جذب شده، همه به فتوسنتز نمی رسد. همانطور که در فناوری، در حیات وحش می توان در مورد کارایی صحبت کرد - در مورد کارایی فتوسنتز. مقدار آن (باز هم محاسبه آن بسیار دشوار است) تقریباً از آن است دو تا هشت درصد .

در عین حال، توجه به این نکته بسیار مهم است که انواع و گروه های مختلف گیاهان دارای کارایی متفاوتی هستند.

بنابراین، در حال حاضر در ورودی، بشریت می تواند کاری انجام دهد تا پوشش گیاهی انرژی خورشیدی بیشتری را که به زمین می آید جذب کند و برای این کار لازم است تراکم پوشش سبز زمین افزایش یابد. در این میان، ما مردم در فعالیت‌های اقتصادی، صنعتی و در زندگی روزمره، تراکم پوشش سبز زمین را کاهش می‌دهیم و با بی‌احتیاطی با جنگل‌ها، مراتع، مزارع، کارگاه‌های ساختمانی برخورد می‌کنیم. کاشت ناکافی بیابان ها، استپ ها، تراکم پوشش سبز را کاهش می دهیم. اما فقط سطح فن آوری و صنعت مدرن از نظر تئوری انجام کار معکوس را امکان پذیر می کند - به هر طریق ممکن در تمام مناطق سطح زمین مناسب برای این کار و در مخازن، به ویژه آب شیرین، تراکم پوشش سبز افزایش یابد.

علاوه بر این، همانطور که محاسبات نشان می دهد، می توان آن را حداقل یک و نیم، شاید حتی دو برابر افزایش داد و در نتیجه بهره وری بیولوژیکی زمین را افزایش داد.

در بالا گفته شد که کارایی - کارایی - انواع مختلف گیاهان می تواند بسیار متفاوت باشد و از دو تا هشت متغیر باشد و برای تعدادی از اشکال گیاهان و درصد بیشتر باشد. و در اینجا فرصت دیگری برای بشر باز می شود: البته منطقی است، بر اساس مطالعه دقیق اولیه کارایی گونه های مختلف گیاهی توسط فیزیولوژیست ها، تلاش برای افزایش درصد مشارکت در جوامع گیاهی که زمین را می پوشانند. گیاهان با بالاترین و نه کمترین راندمان. این، باز هم می‌تواند یک و نیم برابر یا کمتر یا بیشتر، درصدی از انرژی خورشیدی را که توسط گیاهان جذب می‌شود و از طریق فتوسنتز گیاهان منجر به تولید مواد آلی روی زمین می‌شود، افزایش دهد.

این بدان معنی است که در حال حاضر در ورودی زیست کره، در ورودی انرژی، می توانید برنده شوید، مثلاً دو برابر بهره وری بیولوژیکی زمین را افزایش دهید. بگذارید یادآوری کنم که این همان چیزی است که ما صد سال دیگر به آن نیاز خواهیم داشت.»

Timofeev-Resovsky N.V., Memoirs, M., Vagrius, 2008, p. 344-345.

ویژگی های شاخص های اصلی فتوسنتز:

شدت و بهره وری

فتوسنتز با شاخص های کمی زیر مشخص می شود:

شدت فتوسنتز

بهره وری فتوسنتز

شدت (سرعت) فتوسنتز مقدار دی اکسید کربنی است که توسط یک واحد سطح برگ در واحد زمان جذب می شود. بسته به نوع گیاه، این شاخص از 5 تا 25 میلی گرم CO2/dm2 متغیر است. ساعت

بهره وری فتوسنتز عبارت است از نسبت افزایش روزانه در جرم کل گیاه (بر حسب گرم) به سطح برگ. به طور متوسط، این مقدار از 5 تا 12 گرم ماده خشک در هر متر مربع از سطح برگ در روز است.

تعداد زیادی روش برای تعیین این شاخص های کمی وجود دارد.

شدت فتوسنتز را می توان تعیین کرد:

روش های گازسنجی

روش های رادیومتری

با استفاده از روش های گازسنجی می توان میزان دی اکسید کربن دریافتی و یا میزان اکسیژن آزاد شده را تعیین کرد. در این حالت هم از شاخص وزن گازهای جذب شده یا ساطع شده و هم از نشانگرهای حجم، نشانگر فشار، نشانگر رنگ و نشانگر هدایت حرارتی گازهای تعیین شده استفاده می شود.

با کمک روش های رادیومتری، شدت جذب C14O2 توسط یک گیاه با وجود C14 در آن یا تغییر در رادیواکتیویته مخلوط گاز تعیین می شود.

بهره وری فتوسنتز با تجمع مواد جذب شده در گیاه تعیین می شود. از روش هایی مانند:

تغییر در مقدار ماده خشک قلمه ها از ورق پس از یک دوره زمانی معین،

انباشته شدن کربوهیدرات ها در برگ پس از یک دوره زمانی معین،

تغییر در گرمای احتراق ماده خشک برگها در هنگام قرار گرفتن در معرض نور.

در طول فصل رشد، شدت و بهره وری فتوسنتز از ابتدای رشد به تدریج افزایش می یابد، در مرحله گلدهی- باردهی به حداکثر می رسد و سپس به تدریج کاهش می یابد.

جذب تابش فعال فتوسنتزی توسط یک گیاه.

تابش فعال فتوسنتزی (PAR) بخشی از تابش خورشیدی است که می تواند توسط کلروفیل ها در طول فتوسنتز جذب شود. PAR دارای طیف موجی از 380 تا 710 نانومتر است و از نور مستقیم خورشید و نور پراکنده تشکیل شده است که شدت آن برابر با 1/3 تابش مستقیم خورشید است. در نور پراکنده، PAR تا 90% را تشکیل می دهد، یعنی نور پراکنده، بر خلاف نور مستقیم خورشید، تقریباً به طور کامل توسط گیاه جذب می شود.

شدت فتوسنتز در قسمت قرمز طیف حداکثر و در قسمت های آبی و سبز حداقل است.

PAR به طور متفاوتی توسط برگ گیاهان مختلف جذب می شود. این فرآیند با ترکیب کمی و کیفی رنگدانه های برگ تعیین می شود. در صبح و عصر، فتوسنتز در گیاهان با مقدار کافی کلروفیل شدیدترین است.

میزان استفاده گیاه از فعالیت فتوشیمیایی کلروفیل با عدد جذب - یعنی با مقدار دی اکسید کربن جذب شده توسط یک واحد کلروفیل در واحد زمان - قضاوت می شود.

در گیاهان با برگهای سبز تیره، تعداد جذب کم است، اینها گیاهانی هستند که عمدتاً در سایه زندگی می کنند، در گیاهانی با رنگ سبز روشن - این رقم بسیار بالاتر است، زیرا این گیاهان نور دوست هستند.

جذب اصلی PAR در لایه های بالایی کاشت و همچنین حاوی مقدار بیشتری کلروفیل است.

جذب انرژی تابشی توسط یک برگ با فرمول بیان می شود:

که در آن Q مقدار تابش تابیده شده بر روی ورق است، R تابش منعکس شده، در٪، T تابش ارسالی، در٪، A تابش جذب شده، در٪ است. هر سه شاخص به محتوای کلروفیل در برگ بستگی دارد.

فتوسنتز با حداقل شدت نور امکان پذیر است، با افزایش شدت نور به 1/3 روشنایی کامل خورشیدی، شدت فتوسنتز افزایش می یابد، با روشنایی حتی بیشتر، شدت فتوسنتز کمی افزایش می یابد و در حداکثر روشنایی، اشباع نور فتوسنتز اتفاق می افتد و مکانیسم تنفس نوری وارد عمل می شود.

مقدار کل تابش خورشیدی که در طول فصل رشد به 1 هکتار می رسد 21.109 کیلوژول است که PAR تنها 8.109 کیلوژول است، یعنی فقط حدود یک سوم.

مقدار PAR جذب شده توسط کاشت با فرمول تعیین می شود:

P \u003d Q - R - Tp + Rp

که در آن P تشعشع جذب شده توسط محصول، Q کل تشعشعات وارده بر محصول، R تشعشعی است که از محصول منعکس شده و از مرز بالایی آن فراتر رفته است، Tp تشعشعی است که به خاک نفوذ کرده است، Rp تابش منعکس شده است. از خاک زیر پوشش گیاهی

ضریب جذب انرژی PAR (Qp) با تلقیح با تقسیم هر دو بخش فرمول بر Q تعیین می شود:

Qp \u003d P / Q \u003d 1 - R / Q - Tp / Q + Rp / Q،

که در آن R/Q میزان آلبیدوی کاشت است، نشان می دهد که چه نسبتی از تابش فرودی با کاشت منعکس می شود، Tp/Q میزان عبور است، نشان می دهد که چه نسبتی از تابش فرودی (Q) به خاک زیر پوشش گیاهی می رسد، Rp/Q آلبیدو است. از خاک زیر پوشش گیاهی

کارایی فتوسنتز را می توان با ضریب کارایی مشخص کرد که با فرمول تعیین می شود:

E% (بازده) = V.100 / A،

که در آن A مقدار انرژی دریافتی در طول فصل رشد به ازای هر 1 هکتار کاشت، یا انرژی جذب شده توسط کاشت، بر حسب کیلوژول، B مقدار انرژی انباشته شده در توده آلی محصول (بیولوژیکی یا اقتصادی) است. در کیلوژول

ثابت شده است که تنها 2 درصد از انرژی خورشیدی برای تشکیل محصولات فتوسنتز تحت تمام شرایط مساعد (آبیاری، غلظت بالای CO2) استفاده می شود. به طور متوسط، بازده فتوسنتز گیاهان کشاورزی در شرایط واقعی حدود 0.5-1٪ است (یعنی حدود 16 کیلوژول / متر مربع در ساعت)، در حالی که از نظر تئوری امکان افزایش این شاخص به 4-6٪ وجود دارد. یکی از ضروری ترین کارهایی که پیش روی تولید عملی کشاورزی قرار دارد، افزایش کارایی فتوسنتز است.

کنترل مستقیم فتوسنتز عملا غیرممکن است، اما به طور غیرمستقیم امکان پذیر است.

تنظیم عوامل محیطی (نور، دما، CO 2، H 2 O، تغذیه معدنی و غیره)

ایجاد محصولات با پارامترهای بهینه برای فتوسنتز:

1. سطح برگ. ILP باید حداقل 4-5 باشد، یعنی. در هر هکتار، سطح برگ باید 40-50 هزار متر مربع باشد.

   تراکم بذر اپتیسیک که امکان استفاده بهتر از نور را فراهم می کند. این امر با نرخ بذر به دست می آید، که امکان تشکیل محصولات ضخیم (مثلاً در کرت های بذر سیب زمینی) یا محصولات پراکنده تر (مثلاً محصولات بذر غلات) را فراهم می کند.

   نقش مهمی را شکل برگ روی گیاه بازی می کند. هم با چیدمان افقی و هم با آرایش شدید عمودی (کمان) بد است. بهتر - قیف شکل مانند ذرت، غلات.

نقش مهمی را برگ پرچم - بالاترین برگ غلات - ایفا می کند. با توجه به کار آن، حدود 50 درصد از محصولات فتوسنتز پس از گلدهی، در دوره پر شدن دانه تشکیل می شود.

طولانی شدن دوره رویش فعال گیاهان با کاشت نهال، غده جوانه زده، کاشت زودرس. لازم است گیاهان در حالت فیزیولوژیکی فعال نگهداری شوند.

نه تنها برگ ها در تشکیل محصول نقش دارند، بلکه گوش ها، ساقه ها و حتی ریشک ها نیز که در آنها فتوسنتز انجام می شود، نقش دارند. سهم آنها متفاوت است، اما کاملا ملموس است.

معرفی انواع اساساً جدید محصولات، که در آن بهره وری گیاهان به دلیل فعالیت فتوسنتزی بالاتر 1.5-2 برابر افزایش می یابد. اینها محصولات با نوار باریک هستند: تناوب نوارهایی به عرض حدود 1 متر از گیاهان با ساقه بلند (غلات) و محصولات کشاورزی (چغندر، سیب زمینی و غیره) در چنین محصولاتی استفاده از نور به دلیل عوارض جانبی سبک بهبود می یابد. غلظت محصولات ردیف CO و تعدادی از مزایای دیگر.

فتوسنتز اصلی ترین راه بسیار سودآور برای استفاده از انرژی خورشیدی است.

وابستگی فتوسنتز به عوامل محیطی و خصوصیات گیاهی

وابستگی FI به محتوای CL با عدد جذب (AN) یا عدد Wilstetter توضیح داده می شود. ACH مقدار CO 2 جذب شده توسط برگ در 1 ساعت در هر واحد کلروفیل موجود است. هر چه میزان کلروفیل بیشتر باشد، میزان AP کمتر است. در گیاهان با برگ های سبز روشن، مقدار AN 60-80، در سبز تیره - 5-7 میلی گرم CO 2 / ساعت میلی گرم CL است.

کلروفیل در سراسر جهان گیاه یکسان است و محتوای آن بسته به شرایط رشد از 0.7 تا 9 میلی گرم در دسی متر مربع متغیر است.

هر چه گیاه بیشتر نور را جذب کند، محتوای CL در برگها کمتر می شود. در منطقه معتدل، به عنوان مثال، RB، برگها سبز تیره هستند، در مناطق جنوبی - سبز روشن. گیاهان معمولاً کلروفیل را مقداری اضافی سنتز می کنند. محتوای آن در گیاهان از صدم تا دهم درصد برای رطوبت طبیعی (0.05-0.32٪) است.

تغییرات در فتوسنتز در انتوژن.

برای مطالعه این وابستگی معمولاً از نهال های اتیوله استفاده می شود. در تاریکی رشد کرده است آنها حاوی کلروفیل نیستند. با روشن شدن در عرض چند دقیقه کلروفیل تشکیل می شود و پس از چهار ساعت فتوسنتز در آنها آغاز می شود. در گیاهان یکساله، یک تغییر تک وجهی در IF در انتوژن رخ می دهد. IF دو روز پس از سبز شدن در یک سطح مشخص تنظیم می شود. حداکثر مقدار IF در طول انتقال از پوشش گیاهی به تولید مثل (مرحله گلدهی) است. در پیر شدن برگها، IF کاهش می یابد.

2. شدت فتوسنتز و عوامل محیطی.

2.1 FI هم به شدت نور (شار فوتون) و هم به ترکیب طیفی آن بستگی دارد. وابستگی IF به RI (شدت نور) توضیح داده شده است منحنی نور فتوسنتز که به شکل سهمی است که از دو فاز تشکیل شده است. فاز اول یک وابستگی خطی IF به شرکت IE است نقطه جبران نور (SKP). SKP شدت نوری است که در آن IF = ID است. فاز دوم کاهش شیب منحنی با افزایش هوش مصنوعی و رسیدن آن به یک فلات است. این اشباع نور فتوسنتز

منحنی نور تعمیم یافته به شکل زیر است.

اشباع نور در گیاهان C 3 در مقادیر IO برابر با 0.4-0.6 PSO رخ می دهد و در C 4 عملاً مشاهده نمی شود.

تابش خورشیدی مربوط به نقطه خمش منحنی نور نامیده می شود دستگاه تشعشع(RP). بازده فتوسنتز در طول RP به حداکثر مقادیر می رسد. اما در محصولات زراعی به دلیل سایه دو طرفه، گیاهان در شرایط نور ناکافی قرار دارند.

در رابطه با نور، گیاهان به دو دسته نور دوست (SR) و مقاوم در برابر سایه (TR) تقسیم می شوند. آنها از نظر خصوصیات مورفولوژیکی، تشریحی و فیزیولوژیکی متفاوت هستند. برگ‌های SR کوچک‌تر، ضخیم‌تر، دارای رگ‌بندی متراکم، رنگ سبز روشن‌تر و محتوای کلروفیل کمتری هستند. در TR برعکس است: برگ‌ها بزرگ، نازک‌تر، پراکنده‌تر، رنگ سبز تیره، کلروفیل بیشتر به‌خصوص Chlv هستند. SR ها مولدتر هستند.

TR و SR در سیر منحنی های نور فتوسنتز متفاوت است (شکل 2). در IE پایین، FI در TR بیشتر از SR است و با افزایش IE، FI در TR ↓ و در SR بالاتر است.

سعی شده است از توانایی تک تک گونه های گیاهی، هیبریدها، واریته ها برای انجام فتوسنتز در مقادیر کم هوش مصنوعی در کارهای اصلاحی استفاده شود. چنین انتخابی حتی در میان دوستداران نور اجباری C 4 -فرهنگ ها نیز امکان پذیر است.

ترکیب طیفی نور. IF به شدت به کیفیت نور بستگی دارد. بر اساس تئوری کوانتومی، 1 ژول پرتوهای قرمز (RC) حاوی 1.5 برابر بیشتر از 1 ژول پرتوهای آبی-بنفش (SF) است. هنگام تراز کردن SF و CS با توجه به کوانتوم های فرودی، معلوم می شود که FI در CS بالاتر از SF و نور سفید (BS) است. با این حال، در اشباع نور، مزیت به SF منتقل می شود. در گیاهانی که روی SF رشد می کنند، اشباع FS در روشنایی بالاتر رخ می دهد و آنها از شارهای تابشی قدرتمند به طور موثرتری نسبت به گیاهان روی CL استفاده می کنند.

کیفیت نور بر تعداد و اندازه کلروپلاست ها در برگ هایی که رشد کامل کرده اند تأثیر نمی گذارد؛ بنابراین IF ها عمدتاً به دلیل فعالیت یک کلروپلاست منفرد است که در گیاهان روی CC بیشتر است.

ترکیب مواد سنتز شده به کیفیت نور بستگی دارد. SF پروتئین ها و چربی های بیشتری را جمع می کند، در حالی که CS کربوهیدرات های محلول و نشاسته بیشتری را جمع می کند. اثر افزودن حتی 20% SF و RC شبیه به نور آبی تک رنگ است. توجه: SF به نور آبی اشاره دارد. این در ساخت لامپ های فتوسنتزی استفاده می شود.

تغذیه معدنی.

رژیم آب

ترکیب گاز هوا

حداقل محتوای CO 2 در هوا - برای C3 - 0.005٪، برای C4 - 0.0005٪

افزایش CO 2 از 0.03٪ به 0.3٪ باعث افزایش شدت فتوسنتز می شود. افزایش بیشتر CO 2 به 1٪ بر فتوسنتز تأثیر نمی گذارد.

با کمبود آب زیاد، شدت فتوسنتز به دلیل بسته شدن روزنه ها کاهش می یابد که باعث کاهش عرضه CO2 به برگ ها، کاهش تعرق و افزایش دمای برگ می شود. علاوه بر این، کم آبی ساختار و در نتیجه فعالیت آنزیم ها را تغییر می دهد.

حداکثر شدت فتوسنتز در کمبود آب 5-10٪، در 20٪ - به شدت کاهش می یابد و در 50٪ فتوسنتز متوقف می شود.

حذف هر گونه EMF بر فتوسنتز تأثیر منفی می گذارد. پتاسیم فرآیندهای فسفوریلاسیون را فعال می کند و در باز شدن روزنه ها نقش دارد. منیزیم بخشی از کلروفیل ها است، واکنش های کربوکسیلاسیون و کاهش NADP را فعال می کند. آهن برای سنتز کلروفیل ضروری است. منگنز و کلر در تجزیه نوری آب نقش دارند. مس بخشی از پلاستوسیانین است. نیتروژن برای تشکیل کلروپلاست و تشکیل رنگدانه ها ضروری است. گوگرد بخشی از پروتئین های ETC است

کارایی فتوسنتز- درصد ذخیره انرژی PAR را در محصولات فتوسنتز مشخص می کند. راندمان گیاهان در بیوسفر کم است: حدود 0.2٪، برای نیشکر - 1.9٪، برای k-la - 0.5-0.6٪. راندمان در محصولات صنعتی 0.5-1.5٪. محاسبات نشان می دهد که از نظر تئوری می توان بازدهی تا 12 درصد را در محصولات به دست آورد. در محصولات ذرت، راندمان 7-8٪ قبلاً به دست آمده است.

راه های افزایش کارایی:

1) تنظیم عوامل محیطی (نور، رطوبت، دما)

2) ایجاد محصولات با پارامترهای بهینه برای فتوسنتز:

– سطح برگ. ILP - حداقل 4-5، یعنی. در هر هکتار، سطح برگ باید 40-50 هزار متر مربع باشد.

– تراکم نوری محصولاتکه امکان استفاده بهتر از نور را فراهم می کند. این امر با نرخ بذر به دست می آید، که اجازه می دهد تا محصولات ضخیم شده (در کرت های بذر سیب زمینی)، یا محصولات کمیاب تر (محصولات بذر غلات) ایجاد شود.

- نقش بزرگی دارد چیدمان برگ ها روی گیاه. هم با چیدمان افقی و هم با آرایش شدید عمودی (کمان) بد است. بهتر - قیفی شکل مانند ذرت و غلات.

3) طولانی شدن دوره پوشش گیاهی فعال گیاهان:

با کاشت نهال، غده ها جوانه زدند.

کاشت زودرس.

نگهداری گیاهان در وضعیت فیزیولوژیکی فعال ضروری است. در شکل گیری محصول نه تنها برگ ها بلکه بلال ها، ساقه ها و حتی ریشک ها نیز وجود دارد که در آن F.

4) معرفی انواع اساساً جدید محصولات، که در آن بهره وری گیاهان به دلیل فعالیت فتوسنتزی بالاتر (نوار و سایر محصولات) 1.5-2 برابر افزایش می یابد.

مصرف بی رویه منابع فسیلی جهان را در آستانه یک بحران زیست محیطی و انرژی قرار داده است. در چنین شرایطی به یک منبع انرژی اساساً متفاوت نیاز است که از یک سو در دنیای نفت ما جا بیفتد و از سوی دیگر تجدیدپذیر، سازگار با محیط زیست و از نظر اقتصادی سودآور باشد. یک راه حل ممکن، فتوسنتز مصنوعی (IF) است که به لطف آن، تاسیسات ساخت بشر برای سنتز مواد آلی از الکتریسیته، نور و همچنین باکتری های زرهی فتوسنتزی نیمه هادی شگفت انگیز، قبلاً متولد شده اند.

بحران جهانی انرژی، یا چرا فتوسنتز مصنوعی مورد نیاز است

امروزه جمعیت بزرگ کره زمین سالانه 1 درصد افزایش می یابد. بشریت نیازهای انرژی را که هر ساله در حال رشد است، عمدتاً با هزینه منابع فسیلی برآورده می کند. اما دیگر بر کسی پوشیده نیست که ذخایر نفت و زغال سنگ محدود و در بیشتر موارد غیر قابل تجدید است. زمانی که حجم آنها دیگر با سرعت توسعه جهانی مطابقت نداشته باشد (یا حتی مصرف شود)، جهان با بحران انرژی با ابعاد بی سابقه مواجه خواهد شد.

در حال حاضر، می توان مبارزه شدیدی را مشاهده کرد که در صحنه جهانی برای منابع بزرگ سوخت های فسیلی آغاز شده است. در آینده، سوخت کمتر و کمتر خواهد شد و تضاد منافع بیشتر و بیشتر رخ خواهد داد.

در دو قرن گذشته، بشریت به دلیل در دسترس بودن سوخت‌های فسیلی کور شده و فناوری‌های بسیاری را بر اساس آن‌ها توسعه داده است که بدون آن‌ها زندگی امروز به سادگی غیرممکن است. ابتدا زغال سنگ و لوکوموتیوهای بخار وجود داشت، سپس مردم یاد گرفتند که با سوزاندن همان زغال سنگ، برق تولید کنند، اجاق گاز، حمل و نقل خصوصی و عمومی تولید کنند - همه اینها مستلزم مصرف مواد آلی ذخیره شده میلیون ها سال پیش است. با استفاده از انرژی این مواد، بشریت در بسیاری از زمینه های زندگی عمومی جهشی داشته است: جمعیت جهان از 7 میلیارد نفر فراتر رفته است، شهرها و ایالت های شکوفا در بیابان ها ظهور کرده اند، ظرفیت های تولید و میزان مصرف سال به سال افزایش می یابد. بدون شک، دنیای مدرن بدون زغال سنگ، محصولات نفتی و گاز غیرقابل تصور است.

در اینجا معضل انرژی مدرن آشکار می شود: از یک سو، نیاز به تغییر به منابع انرژی تجدید پذیر کاملاً آشکار است، از سوی دیگر، جهان برای مصرف چنین انرژی سازگار نیست. با این حال، در دهه گذشته، توسعه روزافزون یک منبع انرژی وجود داشته است که می تواند این معضل را حل کند. ما در مورد آن صحبت می کنیم فتوسنتز مصنوعی (IF)- راهی برای تبدیل انرژی خورشید به شکل مناسبی از سوخت آلی.

ما نباید فراموش کنیم که احتراق سوخت منجر به انتشار گسترده CO 2 در جو می شود که بر وضعیت کل بیوسفر تأثیر منفی می گذارد. در شهرهای بزرگ، این تأثیر به ویژه قابل توجه است: هزاران اتومبیل و شرکت سیگاری تشکیل دود می دهند و هر شهروندی که از شهر خارج شده است، اول از همه هوای تازه را تحسین می کند. ایجاد یک منبع انرژی که مانند گیاهان، CO 2 را جذب کرده و O 2 تولید کند، می تواند از تخریب محیط با سرعت کامل جلوگیری کند.

بنابراین، IF یک راه حل بالقوه برای بحران انرژی و محیط زیست جهانی است. اما IF چگونه کار می کند و چه تفاوتی با طبیعی دارد؟

سبزه ناقص

شکل 2. فتوسنتز غیر حلقوی در گیاهان.الکترون از کلروفیل برانگیخته نور فتوسیستم II (PS-II) خارج می‌شود و «حفره» حاصل با الکترون‌های آزاد شده در حین شکافتن آب پر می‌شود. گیرنده الکترون نهایی مانند باکتری های بنفش رنگدانه فتوسیستم نیست، بلکه NADP + است. تفاوت دیگر این است که در گیاهان، دو فتوسیستم (FS-I و PS-II) یک مکانیسم مزدوج را تشکیل می دهند و برای یک چرخه عملکرد آن، جذب دو فوتون لازم است. شکل کمپلکس b 6 f را نشان نمی دهد.

گرادیان H+ حاصل، انرژی را برای سنتز ATP از طریق آنزیم سنتاز ATP فراهم می کند، مشابه اینکه چگونه آب در حال سقوط به منبع انرژی برای آسیاب آبی تبدیل می شود (شکل 3). ATP یک حامل جهانی انرژی شیمیایی در سلول است و در اکثریت قریب به اتفاق واکنش های مصرف کننده انرژی، از جمله واکنش های چرخه کالوین، که تبدیل CO 2 به مواد آلی کاهش یافته را تضمین می کند، درگیر است. در این چرخه بیشتر انرژی صرف مبارزه با واکنش های جانبی می شود. راه های دیگری برای جذب کربن وجود دارد - به عنوان مثال، مسیر Wood-Lyungdal، که بعداً در مورد آن نوشته خواهد شد.

شکل 3. ذخیره انرژی نور.در طول فتوسنتز، پروتئین‌های فتوسیستم پروتون‌ها را به هزینه انرژی فوتون در سراسر غشاء حمل می‌کنند. آنزیم سنتاز ATP، گرادیان غلظت H + حاصل را تخلیه می کند و حامل انرژی جهانی در سلول - ATP را تولید می کند. قیاس آسیاب آبی ریسی در واقع بسیار به واقعیت نزدیک است.

اگرچه فتوسنتز در نهایت کل بیوسفر را با انرژی تامین می کند، اما کارایی این فرآیند چیزهای زیادی را به همراه دارد (جدول 1). دارنده رکورد فتوسنتز، سورگوم است که برای تولید سوخت زیستی رشد می کند، که بازده تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی 6.6 درصد است. برای مقایسه: سیب زمینی، گندم و برنج حدود 4 درصد دارند.

جدول 1. پارامترهای انرژی فتوسنتز.فتوسنتز یک فرآیند چند مرحله ای است و در هر مرحله بخشی از انرژی نور خورشید از بین می رود. راندمان پایین فتوسنتز نقطه ضعف اصلی آن در مقایسه با باتری های خورشیدی مدرن است. انرژی نور خورشید که بر روی برگ می افتد 100٪ در نظر گرفته می شود. جدول بر اساس داده های بدست آمده است.

علت اتلاف انرژی	از دست دادن انرژی	باقی مانده
جذب فوتون فقط در قسمت مرئی طیف	47%	53%
فقط بخشی از شار نور از قسمت های فتوسنتزی برگ عبور می کند	70%	37%
اگرچه در نور مرئی فوتون های پرانرژی و کم انرژی وجود دارد، اما همه آنها به عنوان کم انرژی (نوعی اصل کاروان) توسط فتوسیستم ها جذب می شوند.	24%	28%
تلفات در سنتز گلوکز	68%	9%
پاکسازی برگ از محصولات جانبی فتوسنتز ( سانتی متر.تنفس نوری)	32%	6%

در عین حال، بازده معمول باتری های خورشیدی مدرن 15-20٪ است و نمونه های اولیه به ارزش 46٪ رسیده اند. چنین تفاوتی در کارایی فتوسل‌های ساخته شده توسط انسان و گیاهان زنده در درجه اول با عدم وجود مراحل سنتز توضیح داده می‌شود. اما یک تفاوت ظریف تر وجود دارد: فتوسیستم های گیاهی انرژی را فقط از فوتون های نور مرئی با طول موج های 400-700 نانومتر استخراج می کنند و خروجی فوتون های پرانرژی دقیقاً مشابه فوتون های کم انرژی است. نیمه هادی های مورد استفاده در سلول های خورشیدی فوتون های طیف وسیع تری را می گیرند. و برای حداکثر خروجی، مواد طراحی شده به طور خاص برای بخش های مختلف طیف نور خورشید در یک باتری ترکیب می شوند.

هدف نهایی مهندسان IF ایجاد یک تاسیسات (یا یک موجود مصنوعی) است که فتوسنتز را بهتر از گیاهان انجام دهد. امروزه تفکر مهندسی زیستی به سطحی رسیده است که می توان برای انجام این کار تلاش کرد. و سال به سال، تلاش های دانشمندان به هدف گرامی نزدیکتر و نزدیکتر می شود و ما را از اکتشافات باورنکردنی شگفت زده می کند.

چنین IF متفاوت

ساده ترین طرح IF است سنتز کاملا غیر زنده مواد آلی روی یک کاتالیزور. در سال 2014، یک کاتالیزور روتنیم کشف شد که متان را از H 2 و CO 2 در هنگام روشن شدن سنتز می کند. در شرایط بهینه، شامل گرمایش تا 150 درجه سانتیگراد و روشنایی شدید، یک گرم از این کاتالیزور یک میلی مول متان در ساعت ایجاد می کند که البته بسیار ناچیز است. خود دانشمندانی که کاتالیزور را مطالعه می کنند، اذعان دارند که چنین سرعت واکنشی با هزینه نسبتاً زیاد کاتالیزور برای کاربرد عملی آن بسیار کم است.

فتوسنتز واقعی یک فرآیند چند مرحله ای است که در هر مرحله از آن انرژی از دست می رود. تا حدی، این حتی خوب است، زیرا فضای زیادی را برای بهینه سازی باز می کند. در مورد فتوسنتز بیوژنیک، تنها کاری که می توان انجام داد این است که یک کاتالیزور اساساً جدید ارائه شود.

یک رویکرد کاملا متفاوت برای IF - ایجاد راکتورهای زیستی با انرژی خورشیدی. در چنین بیوراکتورهایی، به اندازه کافی عجیب، آنها استفاده می کنند نهمیکروارگانیسم های فتوسنتزی که هنوز هم می توانند CO2 را با استفاده از منابع انرژی دیگر تثبیت کنند.

بیایید با استفاده از نمونه های خاص با چندین نوع طراحی دستگاه برای IF آشنا شویم.

در سال 2014، نتایج آزمایش کارخانه ای که جریان را به زیست توده تبدیل می کند با بازده رکورد 13 درصد منتشر شد. برای تهیه یک راکتور IF کافی است یک باتری خورشیدی را وصل کنید. این تنظیم اساسا یک سلول الکتروشیمیایی است (شکل 4 آ) که در آن دو الکترود در یک محیط غذایی حاوی باکتری قرار می گیرند رالستونیا اوتروفا(آن ها هستند - Cupriavidus necator). هنگامی که یک جریان خارجی اعمال می شود، کاتالیزور روی آند، آب را به اکسیژن و پروتون تقسیم می کند و کاتالیزور روی کاتد، پروتون ها را به گاز هیدروژن کاهش می دهد. R. eutrophaانرژی را برای جذب CO 2 در چرخه کالوین به دلیل اکسیداسیون H 2 توسط آنزیم هیدروژناز دریافت می کند.

شکل 4. بیوراکتورها برای IF بر اساس سلول های الکتروشیمیایی.جریان را می توان با فوتولیز آب در آند با استفاده از باتری خورشیدی تولید کرد (آ) یا بدون آن (ب) . در هر دو مورد، الکترون‌های گرفته شده از آب، معادل‌های بازیابی لازم برای تثبیت CO 2 را برای میکروب‌های اتوتروف فراهم می‌کنند.

با توجه به محاسبات توسعه دهندگان، ترکیب نصب آنها با یک باتری خورشیدی معمولی (بازده 18٪) منجر به بازده کل فتوسنتز 2.5٪ در صورت تبدیل تمام انرژی نور به رشد زیست توده و 0.7٪ در صورت اصلاح ژنتیکی باکتری های سنتز کننده بوتانول می شود. استفاده می شود. این نتیجه با کارایی فتوسنتز در گیاهان واقعی قابل مقایسه است، اگرچه به سطح گیاهان کشت شده نمی رسد. توانایی R. eutrophaسنتز مواد آلی در حضور H2 نه تنها در زمینه IP، بلکه به عنوان یک کاربرد احتمالی انرژی هیدروژن بسیار جالب است.

در سال 2015، دانشمندان کالیفرنیا یک نصب به همان اندازه جالب ایجاد کردند، که در آن مراحل جذب و سنتز نور بیشتر به هم مرتبط هستند. آند فوتو راکتور طراحی شده، هنگامی که روشن می شود، آب را به اکسیژن، پروتون و الکترون تقسیم می کند که در امتداد هادی به کاتد فرستاده می شود (شکل 4). ب). برای افزایش سرعت فتولیز آب در مرز فاز، فوتوآند از نانوسیم های سیلیکونی ساخته شده است که سطح آن را چند برابر می کند.

کاتد این مجموعه از یک "جنگل" از نانومیله های TiO2 تشکیل شده است (شکل 5 آ) که در میان آنها باکتری ها رشد می کنند اسپوروموس اواتا. الکترون‌های حاصل از فوتوآند دقیقاً به سمت این باکتری‌ها می‌روند که از آنها به عنوان معادل‌های کاهنده برای تبدیل CO 2 محلول در محیط به استات استفاده می‌کنند.

شکل 5. فتوسنتز مصنوعی بدون نانومواد غیرممکن است. آ - در راکتور IF از مقاله CO 2، باکتری‌هایی را ثابت کرد که در "نانو جنگل" میله‌های سیلیکونی پوشیده شده با TiO2 (لایه 30 نانومتر) رشد می‌کنند. این نانو داربست شرایط بی هوازی لازم را برای باکتری ها ایجاد می کند و تراکم سطح تماس بین باکتری ها و هادی را افزایش می دهد. ب - با رویکردی اساساً متفاوت، باکتری ها روی یک نیمه هادی قرار نمی گیرند، بلکه یک نیمه هادی روی باکتری ها قرار می گیرد. به لطف پوسته CdS، باکتری هایی که در نور می میرند، فتوسنتزی می شوند.

نانو داربست TiO 2 چندین عملکرد را به طور همزمان انجام می دهد: تراکم بالایی از باکتری را در تماس فراهم می کند، از بی هوازی اجباری محافظت می کند. S.ovataاز اکسیژن محلول در محیط و همچنین می تواند نور را به الکتریسیته تبدیل کند و به باکتری ها در تثبیت CO2 کمک کند.

S.ovata- باکتری با متابولیسم بسیار انعطاف پذیر، که به راحتی با رشد در حالت به اصطلاح الکتروتروفیک سازگار می شود. آنها CO2 را در امتداد مسیر Wood-Ljungdal تثبیت می کنند که در آن تنها 10٪ استات به رشد زیست توده می رود و 90٪ باقی مانده در محیط آزاد می شود.

اما به خودی خود، استات ارزش کمی دارد. برای تبدیل آن به مواد پیچیده تر و گران تر، اصلاح ژنتیکی شده اشرشیاکلیسنتز بوتانول، ایزوپرنوئیدها یا پلی هیدروکسی بوتیرات از استات. آخرین ماده E. coliبا بالاترین عملکرد تولید می کند.

در مورد راندمان کل نصب، بسیار کم است. تنها 0.4 درصد از انرژی خورشیدی را می توان به استات تبدیل کرد و تبدیل استات به پلی هیدروکسی بوتیرات با بازده 50 درصد انجام می شود. در مجموع، تنها 0.2 درصد از انرژی نور را می توان به شکل مواد آلی ذخیره کرد که می تواند بیشتر به عنوان سوخت یا ماده خام برای تولید مواد شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. توسعه دهندگان دستاورد اصلی خود را این می دانند که تنظیماتی که ایجاد کرده اند می تواند برای سنتزهای شیمیایی کاملاً متفاوت بدون تغییرات اساسی در طراحی استفاده شود. این یک قیاس با فتوسنتز طبیعی را نشان می دهد، که در آن همه انواع مواد آلی در نهایت از جذب CO 2 3-phosphoglycerate سنتز می شوند.

در هر دو فناوری توصیف شده، توسعه دهندگان تلاش کردند تا برتری نیمه هادی ها را به عنوان جاذب انرژی نور با قدرت کاتالیزوری سیستم های بیولوژیکی ترکیب کنند. و هر دوی تأسیسات به‌دست‌آمده پیل‌های سوختی «معکوس» بودند، جایی که جریان برای سنتز مواد استفاده می‌شود.

با رویکردی اساساً متفاوت، سلول های منفرد با نیمه هادی ها در یک کل واحد ترکیب می شوند. بنابراین، در همان ابتدای سال 2016، اثری منتشر شد که در آن باکتری استوژن مورلا ترمواستیکادر محیطی با محتوای بالای سیستئین و کادمیوم رشد می کند. در نتیجه معمولاً در نور از بین می روند M. thermoaceticaبا پوسته ای از CdS (نیمه رسانا) پوشانده شد و بنابراین نه تنها از خورشید محافظت شد، بلکه تبدیل به یک فتوسنتز شد: الکترون های CdS وارد مسیر Wood-Lyungdal شدند (شکل 5). ب).

آزمایشات روی چنین باکتری "زرهی" نشان داد که CO 2 نه تنها در نور، بلکه در تاریکی نیز ثابت می شود (مطابق با چرخه روزانه). دلیل این امر تجمع متابولیت های فتوسنتز در نور به اندازه ای است که سلول ها زمان پردازش آنها را ندارند. مزیت اصلی چنین باکتری هایی در مقایسه با سلول هایی که در بالا توضیح داده شد، خود سازماندهی است. برای سلول ها، نانومواد و کاتالیزورها باید پیش ساخته باشند و خود این قطعات فقط در طول زمان فرسوده می شوند. چه زمانی M. thermoaceticaواحدهای فتوسنتزی در صورت وجود کادمیوم و سیستئین کافی در محیط هر آنچه را که نیاز دارند تقسیم، تولید و ترمیم می کنند. این باکتری ها هنوز به عنوان منبع سوخت مورد مطالعه قرار نگرفته اند، اما از نظر بازده کوانتومی فتوسنتز، از گیاهان کم نیستند.

انتظار زیادی نیست...

فناوری های IF هنوز در مرحله نمونه اولیه هستند، اما توسعه دهندگان آنها فضای زیادی برای بهینه سازی می بینند. امکان بهینه سازی نیمه هادی های نورگیر، میکروارگانیسم ها، سازمان فضایی باکتری ها و سایر کاتالیزورها وجود دارد. اما قبل از هر چیز لازم است مشکل ثبات حل شود. راندمان تاسیسات تولیدی پس از چند روز کارکرد به طور محسوسی کاهش می یابد. یک دستگاه IF کاملاً آماده، مانند هر سیستم زنده ای، باید خود را بازسازی و بازتولید کند. در این راستا، از علاقه خاصی است M. thermoaceticaکه این ویژگی ها به طور کامل در مورد آن اعمال می شود.

و اگرچه مدل‌های موجود از کامل بودن فاصله زیادی دارند، کارهایی که در زمینه IF انجام می‌شود، در درجه اول ارزشمند هستند زیرا امکان بنیادی تعبیه انرژی خورشیدی را در دنیایی که توسط یک موتور احتراق داخلی گرفته شده است را نشان می‌دهند. آسیاب‌های بادی و پنل‌های خورشیدی، البته، راندمان بالایی دارند و در حال حاضر تقریباً به طور کامل مصرف انرژی را در اروگوئه و دانمارک تأمین می‌کنند و نیروگاه‌های برق آبی گره‌های مهمی در شبکه انرژی بسیاری از کشورها هستند. اما جایگزینی سوخت با الکتریسیته در بیشتر موارد مستلزم تجدید ساختار بنیادی شبکه های انرژی است و همیشه امکان پذیر نیست.

توسعه بیشتر صندوق سرمایه گذاری مستلزم سرمایه گذاری های گسترده است. می توان تصور کرد که شرکت های تولید کننده باتری های خورشیدی که آینده پژوهان برای آنها سلطه جهانی در زمینه انرژی را تا سال 2030 پیش بینی می کنند، علاقه مند به توسعه این علم هنوز جوان و بی تجربه در تقاطع انرژی زیستی، علم مواد و مهندسی نانو باشند. چه کسی می داند، شاید IF تبدیل به یک روال روزمره در آینده نشود، یا شاید کار بر روی آن به انرژی هیدروژن یا بیوفوتوولتائیک ها انگیزه دهد. زمان زیادی برای انتظار نیست، صبر کنید و ببینید.

ادبیات

1. اهرام جمعیتی جهان از 1950 تا 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinov N. (2007).