"In connessione con il nostro problema, con il problema che ho posto per primo: cosa fare con il numero sempre crescente di persone sulla Terra, sorge la domanda: "Cosa può dare alle persone un grande ciclo biologico nella biosfera?" Questo problema può essere considerato da tre i principali punti o luoghi della biosfera che ho appena descritto:
1) all'ingresso di energia,
2) nel ciclo biologico della biosfera e
3) all'uscita dal ciclo biologico nella geologia.
Cominciamo con l'apporto energetico. Una certa quantità di energia solare cade sulla superficie della Terra. Naturalmente, solo la parte assorbita dagli organismi autotrofi può funzionare biologicamente. Di tutta l'energia solare che cade sulla Terra, solo una certa percentuale (non è così facile calcolarla esattamente), diciamo, approssimativamente dal tre all’otto per cento , viene assorbito dalle piante verdi. Non tutta l'energia assorbita va nella fotosintesi. Come nella tecnologia, nella natura vivente possiamo parlare di efficienza: l'efficienza della fotosintesi. È (ancora una volta molto difficile da calcolare) approssimativamente da dal due all’otto per cento .
È molto importante notare che diversi tipi e gruppi di impianti hanno efficienze diverse.
Quindi, già all’ingresso, l’umanità può fare qualcosa affinché la vegetazione assorba una maggiore quantità di energia solare che entra nella Terra, e per questo è necessario aumentare la densità della copertura verde della Terra. Nel frattempo, noi persone, nelle nostre attività economiche, industriali e nella vita di tutti i giorni, abbiamo maggiori probabilità di ridurre la densità della copertura verde della Terra, gestendo con noncuranza foreste, prati, campi e cantieri. Rendendo insufficientemente verdi i deserti e le steppe, riduciamo la densità della copertura verde. Ma è proprio il livello della tecnologia e dell'industria moderne che teoricamente ci consente di fare il lavoro opposto: aumentare in ogni modo possibile la densità della copertura verde su tutte le aree idonee della superficie terrestre e nei bacini idrici, in particolare quelli d'acqua dolce.
Inoltre, come mostrano i calcoli, può essere aumentato di almeno una volta e mezza, forse anche due volte, aumentando così la produttività biologica della Terra.
Si è detto sopra che l'efficienza - coefficienti di efficienza - dei diversi tipi di impianti può essere molto diversa, variando da due a otto, e per un certo numero di forme di impianto anche più percentuali. E qui si apre un'altra opportunità per l'umanità: è ragionevole, ovviamente, sulla base di uno studio preliminare accurato dell'efficienza delle varie specie vegetali da parte di fisiologi specializzati, cercare di aumentare la percentuale di partecipazione alle comunità vegetali che ricoprono la Terra di piante con la massima efficienza, anziché la minima. Ciò, ancora una volta, può aumentare di una certa cifra, una volta e mezza, o meno, o più, la percentuale di energia solare che viene assorbita dalle piante e, attraverso la fotosintesi vegetale, porta alla produzione di materia organica sulla Terra.
Ciò significa che già all'ingresso nella biosfera, nell'immissione di energia, puoi vincere, aumentare la produttività biologica della Terra, diciamo, due volte. Permettetemi di ricordarvi che questo è qualcosa di cui avremo assolutamente bisogno tra cento anni”.
Timofeev-Resovsky N.V., Memorie, M., “Vagrius”, 2008, p. 344-345.
Caratteristiche dei principali indicatori della fotosintesi:
intensità e produttività.
La fotosintesi è caratterizzata dai seguenti indicatori quantitativi:
intensità della fotosintesi,
produttività fotosintetica.
L'intensità (velocità) della fotosintesi è la quantità di anidride carbonica che viene assorbita da un'unità di superficie fogliare per unità di tempo. A seconda del tipo di impianto, questo valore varia da 5 a 25 mg CO2/dm2. H.
La produttività fotosintetica è il rapporto tra l'aumento giornaliero della massa dell'intera pianta (in grammi) e l'area fogliare. In media questo valore varia da 5 a 12 g di sostanza secca per 1 m2 di superficie fogliare al giorno.
Esistono numerosi metodi per determinare questi indicatori quantitativi.
L'intensità della fotosintesi può essere determinata:
metodi gasometrici,
metodi radiometrici.
Utilizzando metodi gasometrici è possibile determinare sia la quantità di anidride carbonica assorbita sia la quantità di ossigeno rilasciata. In questo caso vengono utilizzati sia indicatori di peso dei gas assorbiti o rilasciati, sia indicatori volumetrici, indicatori di pressione, indicatori di colore e indicatori di conduttività termica dei gas da determinare.
Utilizzando metodi radiometrici, l'intensità dell'assorbimento di C14O2 da parte di una pianta è determinata dalla presenza di C14 in essa o da un cambiamento nella radioattività della miscela di gas.
La produttività della fotosintesi è determinata dall'accumulo di assimilati nella pianta. In questo caso, metodi come:
variazione della quantità di sostanza secca dei ritagli da un foglio dopo un certo periodo di tempo,
accumulo di carboidrati nella foglia dopo un certo periodo di tempo,
variazione del calore di combustione della sostanza secca delle foglie durante il periodo della loro esposizione alla luce.
Durante la stagione di crescita, l'intensità e la produttività della fotosintesi aumentano gradualmente dall'inizio dello sviluppo, raggiungono il massimo nella fase di fioritura-fruttificazione, per poi diminuire gradualmente.
Assimilazione della radiazione fotosinteticamente attiva da parte delle piante.
La radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) è quella parte della radiazione solare che può essere assorbita dalle clorofille durante la fotosintesi. PAR ha uno spettro d'onda da 380 a 710 nm ed è costituito da raggi solari diretti e luce diffusa, la cui intensità è pari a 1/3 della radiazione solare diretta. Nella luce diffusa, il PAR rappresenta fino al 90%, cioè la luce diffusa, a differenza della luce solare diretta, può essere assorbita quasi completamente dalla pianta.
L'intensità della fotosintesi è massima nella parte rossa dello spettro e minima nelle parti blu e verde.
Il PAR viene assorbito in modo diverso dalle foglie di piante diverse. Questo processo è determinato dalla composizione quantitativa e qualitativa dei pigmenti nella foglia. Al mattino e alla sera la fotosintesi delle piante con un sufficiente apporto di clorofilla è più intensa.
Il grado in cui una pianta utilizza l'attività fotochimica della clorofilla è giudicato dal numero di assimilazione, cioè dalla quantità di anidride carbonica assimilata da un'unità di clorofilla per unità di tempo.
Nelle piante con foglie verde scuro il numero di assimilazione è piccolo; si tratta di piante che vivono prevalentemente all'ombra; nelle piante con colorazione verde chiaro questo valore è molto più alto, trattandosi di piante che amano la luce.
L'assorbimento principale del PAR avviene negli strati superiori della coltura, dove è contenuta anche una maggiore quantità di clorofilla.
L’assorbimento di energia radiante da parte di una foglia è espresso dalla formula:
dove Q è la quantità di radiazione incidente sul foglio, R è la radiazione riflessa, in%, T è la radiazione trasmessa, in%, A è la radiazione assorbita, in%. Tutti e tre gli indicatori dipendono dal contenuto di clorofilla nella foglia.
La fotosintesi è possibile con un'intensità luminosa minima, quando l'intensità della luce aumenta a 1/3 dell'illuminazione solare completa, l'intensità della fotosintesi aumenta, con un'illuminazione ancora più elevata, l'intensità della fotosintesi aumenta leggermente e con l'illuminazione massima, la saturazione della luce della fotosintesi avviene ed entra in azione il meccanismo della fotorespirazione.
La quantità totale di radiazione solare che cade per 1 ettaro durante la stagione di crescita è di 21.109 kJ, di cui PAR è solo 8.109 kJ, cioè solo circa un terzo.
La quantità di PAR assorbita dalla coltura è determinata dalla formula:
P = Q - R - Tp + Rp
dove P è la radiazione assorbita dalla coltura, Q è la radiazione totale incidente sulla coltura, R è la radiazione riflessa dalla coltura e oltre il suo limite superiore, Tp è la radiazione che penetra nel suolo, Rp è la radiazione riflessa dalla coltura terreno sotto la vegetazione.
Il coefficiente di assorbimento energetico PAR (Qp) mediante semina si determina dividendo entrambe le parti della formula per Q:
Qп = Ï/Q = 1 - R/Q - Òп/Q + Rï/Q,
dove R/Q è l'albedo della coltura, che mostra quale frazione della radiazione incidente viene riflessa dalla coltura, Tp/Q è il coefficiente di trasmittanza, che mostra quale frazione della radiazione incidente (Q) raggiunge il suolo sotto la vegetazione, Rp /Q è l'albedo del terreno sotto la vegetazione.
L'efficienza della fotosintesi può essere caratterizzata dal coefficiente di efficienza, che è determinato dalla formula:
E% (efficienza) = V.100/A,
dove A è la quantità di energia ricevuta durante la stagione di crescita per 1 ettaro di coltura, o l'energia assorbita dalla coltura, in kJ, B è la quantità di energia accumulata nella massa organica della coltura (biologica o economica) , in kJ.
È stato dimostrato che per la formazione dei prodotti della fotosintesi, in tutte le condizioni favorevoli (irrigazione, elevata concentrazione di CO2), viene utilizzato solo il 2% dell'energia solare. In media, l'efficienza della fotosintesi delle piante agricole in condizioni reali è di circa 0,5-1% (cioè circa 16 kJ/m2 all'ora), ma teoricamente è possibile aumentare il livello di questo indicatore al 4-6%. Una delle sfide più urgenti che deve affrontare la produzione agricola pratica è aumentare l’efficienza della fotosintesi.
È quasi impossibile controllare direttamente la fotosintesi, ma è possibile controllarla indirettamente.
Zona fogliare. L'ILP dovrebbe essere almeno 4-5, cioè per 1 ettaro la superficie fogliare dovrebbe essere di 40-50 mila m2.
Densità ottica del raccolto, che consente un migliore utilizzo della luce. Ciò si ottiene grazie alle velocità di semina dei semi, che consentono la formazione di colture ispessite (ad esempio, negli appezzamenti di semina di patate) o più sparse (ad esempio, nelle colture di semi di grano).
La forma delle foglie sulla pianta gioca un ruolo importante. Va male sia con una disposizione orizzontale che strettamente verticale (arco). Meglio: a forma di imbuto come mais e cereali.
Regolazione dei fattori ambientali (luce, temperatura, CO 2, H 2 O, nutrizione minerale, ecc.)
Creazione di colture con parametri ottimali per la fotosintesi:
Un ruolo importante è svolto dalla foglia a bandiera, la foglia più alta dei cereali. Grazie al suo lavoro, circa il 50% dei prodotti della fotosintesi si formano dopo la fioritura, durante il periodo di riempimento dei chicchi.
Estendere la stagione di crescita attiva delle piante piantando piantine, tuberi germinati e date di semina anticipate. È necessario mantenere le piante in uno stato fisiologico attivo.
Nella formazione del raccolto sono coinvolti non solo le foglie, ma anche le orecchie, gli steli e persino le tende, in cui avviene la fotosintesi. La loro quota è diversa, ma abbastanza evidente.
L'introduzione di tipi di colture fondamentalmente nuovi, in cui la produttività delle piante aumenta di 1,5-2 volte a causa della maggiore attività fotosintetica. Si tratta di colture a fascia stretta: si alternano strisce larghe circa 1 m di colture ad alto fusto (cereali) e colture a filari (barbabietole, patate, ecc.). In tali colture l'uso della luce è migliorato grazie agli effetti collaterali della luce, alla concentrazione di Aumenti di CO 2 dovuti allo spostamento dei raccolti e all'introduzione di materia organica sotto le colture in filari e ad una serie di altri vantaggi.
La fotosintesi è il modo principale ed estremamente conveniente per sfruttare l’energia solare.
Dipendenza della fotosintesi da fattori ambientali e caratteristiche della pianta
La dipendenza dell'IF dal contenuto del CL è spiegata dal numero di assimilazione (AN) o numero di Willstätter. AC è la quantità di CO2 assimilata dalla foglia in 1 ora per unità di clorofilla contenuta. Maggiore è il contenuto di clorofilla, minore è il contenuto di AN. Nelle piante con foglie verde chiaro, il valore AC è 60-80, in quelle verde scuro - 5-7 mg CO 2 / ora mg CL.
La clorofilla è uniforme in tutto il mondo vegetale e il suo contenuto, a seconda delle condizioni di crescita, varia da 0,7 a 9 mg/dm2.
Più luce assorbe una pianta, minore è il contenuto di CL nelle foglie. Nella zona temperata, ad esempio, nella Repubblica di Bielorussia, le foglie sono verde scuro, nelle regioni meridionali sono verde chiaro. Le piante solitamente sintetizzano la clorofilla in eccesso. Il suo contenuto nelle piante varia da centesimi a decimi di percentuale in base all'umidità naturale (0,05-0,32%).
Cambiamenti nella fotosintesi durante l'ontogenesi.
Per studiare questa dipendenza si utilizzano solitamente piantine eziolate, cioè cresciuto nell'oscurità. Non contengono clorofilla. Quando sono illuminati, in pochi minuti si forma la clorofilla e dopo quattro ore inizia la fotosintesi. Nelle piante annuali, durante l'ontogenesi si verifica un cambiamento unimodale nell'IF. L'IF viene fissato a un determinato livello due giorni dopo l'inverdimento. Il valore massimo di IF si ha durante il passaggio dalla vegetazione alla riproduzione (fase di fioritura). Nelle foglie invecchiate, l’IF è ridotto.
2. Intensità della fotosintesi e fattori ambientali.
2.1 L'IF dipende sia dall'intensità della luce (flusso di fotoni) che dalla sua composizione spettrale. Viene descritta la dipendenza di FI dall'IR (intensità della luce). curva di luce fotosintesi, che assomiglia ad una parabola composta da due fasi. La prima fase è una dipendenza lineare dell'IF dall'IO con punto di compensazione della luce (SKP). SKP – intensità luminosa alla quale IF = ID. La seconda fase è una diminuzione della pendenza della curva man mano che l'IA aumenta e raggiunge un plateau. Questo saturazione della luce fotosintesi.
La curva di luce generalizzata ha la seguente forma.
La saturazione della luce nelle piante C 3 avviene a valori IR pari a 0,4-0,6 da PSO, e in C 4 non è praticamente osservata.
Viene chiamata la radiazione solare corrispondente al punto di curvatura della curva di luce dispositivi di radiazione(RP). L'efficienza della fotosintesi durante RP raggiunge i valori massimi. Tuttavia, nelle colture, a causa dell'ombreggiamento reciproco, le piante si trovano in condizioni di illuminazione insufficienti.
In relazione alla luce, le piante si dividono in fotofile (SR) e tolleranti all'ombra (TP). Differiscono per caratteristiche morfologiche, anatomiche e fisiologiche. Le foglie CP sono più piccole, più spesse, densamente venate, di colore verde più chiaro e hanno un contenuto di clorofilla inferiore. In TR è tutto il contrario: le foglie sono più grandi, più sottili, scarsamente venate, di colore verde scuro, più clorofilla, soprattutto Chlv. Gli SR sono più produttivi.
TP e SR differiscono nel corso delle curve di luce della fotosintesi (Fig. 2). A un IR basso, l'IF di TR è superiore a quello di SR e con un aumento di IR, l'IF di TR è ↓ e quello di SR è .
Stanno cercando di sfruttare la capacità di alcune specie vegetali, ibridi e varietà di effettuare la fotosintesi a bassi valori IR nei lavori di selezione. Tale selezione è possibile anche tra le colture C 4 – amanti della luce obbligati.
Composizione spettrale della luce. SE dipende fortemente dalla qualità della luce. Secondo la teoria quantistica, 1 J di raggi rossi (CR) contiene 1,5 volte più quanti di 1 J di raggi blu-viola (SV). Quando si allineano SF e CS secondo i quanti incidenti, l'IF risulta essere maggiore su CS che su SF e luce bianca (BL). Tuttavia, in condizioni di luce saturante il vantaggio va a SF. Nelle piante coltivate su SF, la saturazione di Phs avviene con un'illuminazione più elevata e utilizzano potenti flussi radianti in modo più efficiente rispetto alle piante su CS.
La qualità della luce non influenza il numero e la dimensione dei cloroplasti in una foglia che ha completato la crescita; pertanto, gli IF sono determinati principalmente dall'attività di un singolo cloroplasto, che è maggiore nelle piante su SS.
La composizione delle sostanze sintetizzate dipende dalla qualità della luce. L'SF accumula più proteine e lipidi, mentre il CS accumula più carboidrati solubili e amido. L'effetto dell'aggiunta anche del 20% di SF e CS è simile all'effetto della luce blu monocromatica. Nota: SF si riferisce alla luce blu. Questo viene utilizzato nella costruzione di lampade fotosintetiche.
Nutrizione minerale.
Modalità acqua.
Composizione gassosa dell'aria.
Il contenuto minimo di CO 2 nell'aria è per C3 – 0,005%, per C4 – 0,0005%
Un aumento della CO 2 dallo 0,03% allo 0,3% provoca un aumento dell'intensità della fotosintesi. Un ulteriore aumento di CO 2 fino all'1% non influisce sulla fotosintesi,
Con un grande deficit idrico, l'intensità della fotosintesi diminuisce a causa della chiusura degli stomi, che riduce l'ingresso di CO 2 nelle foglie, riduce la traspirazione e porta ad un aumento della temperatura fogliare. Inoltre la disidratazione modifica la conformazione e quindi l'attività degli enzimi.
L'intensità della fotosintesi è massima con un deficit idrico del 5-10%, al 20% diminuisce bruscamente e al 50% la fotosintesi si arresta
L'esclusione di qualsiasi campo elettromagnetico influisce negativamente sulla fotosintesi. Il potassio attiva i processi di fosforilazione ed è coinvolto nell'apertura degli stomi. Il magnesio fa parte delle clorofille e attiva le reazioni di carbossilazione e riduzione del NADP. Il ferro è necessario per la sintesi delle clorofille. Manganese e cloro sono coinvolti nella fotodecomposizione dell'acqua. Il rame fa parte della plastocianina. L'azoto è necessario per la formazione dei cloroplasti e la formazione dei pigmenti. Lo zolfo fa parte delle proteine ETC
Efficienza della fotosintesi– caratterizza la percentuale di energia PAR immagazzinata nei prodotti fotosintetici. L'efficienza delle piante nella biosfera è bassa: circa 0,2%, per la canna da zucchero - 1,9%, per la canna da zucchero - 0,5-0,6%. L'efficienza nelle colture industriali è dello 0,5-1,5%. I calcoli mostrano che teoricamente è possibile raggiungere un'efficienza fino al 12% nelle colture. Nelle colture di mais è già stata raggiunta un'efficienza del 7-8%.
Modi per aumentare l'efficienza:
1) regolazione dei fattori ambientali (luce, umidità, temperatura)
2) creare colture con parametri ottimali per la fotosintesi:
– zona fogliare. ILP - almeno 4-5, cioè per 1 ettaro la superficie fogliare dovrebbe essere di 40-50 mila m2.
– densità ottica delle colture, che consente un migliore utilizzo della luce. Ciò si ottiene grazie ai tassi di semina, che consentono la formazione di colture ispessite (nelle parcelle di semina di patate) o più sparse (colture di semi di grano).
- gioca un ruolo importante forma delle foglie su una pianta. Va male sia con una disposizione orizzontale che strettamente verticale (arco). Meglio: a forma di imbuto come mais e cereali.
3) estensione della stagione di crescita attiva delle piante:
Piantando piantine, tuberi germinati.
Date di semina anticipate.
È necessario mantenere le piante in uno stato fisiologico attivo. Non solo le foglie, ma anche le orecchie, gli steli e persino le tende, in cui avviene la fecondazione, partecipano alla formazione del raccolto.
4) l'introduzione di tipi di colture fondamentalmente nuovi, in cui la produttività delle piante aumenta di 1,5-2 volte a causa della maggiore attività fotosintetica (strisce e altre colture).
Il consumo incontrollato di risorse fossili ha portato il mondo sulla soglia di una crisi ambientale ed energetica. In una situazione del genere, è necessaria una fonte di energia fondamentalmente diversa, che, da un lato, si adatterebbe al nostro mondo petrolifero e, dall’altro, sarebbe rinnovabile, rispettosa dell’ambiente ed economicamente redditizia. Una possibile soluzione è la fotosintesi artificiale (AP), grazie alla quale sono già apparse installazioni artificiali per la sintesi di materia organica da elettricità e luce, nonché sorprendenti batteri fotosintetici corazzati a semiconduttore.
Crisi energetica globale o perché è necessaria la fotosintesi artificiale
Oggi, la già numerosa popolazione del pianeta aumenta dell’1% ogni anno. L’umanità soddisfa il proprio fabbisogno energetico, che cresce ogni anno, principalmente attraverso le risorse fossili. Ma non è più un segreto che le riserve di petrolio e carbone siano limitate e nella maggior parte dei casi non rinnovabili. Quando i loro volumi non corrisponderanno più al ritmo di sviluppo globale (o addirittura saranno esauriti), il mondo si troverà ad affrontare una crisi energetica di proporzioni senza precedenti.
Possiamo già vedere la feroce lotta che è scoppiata sulla scena mondiale per le grandi fonti di combustibili fossili. In futuro ci sarà sempre meno carburante e i conflitti di interessi si verificheranno sempre più spesso.
Negli ultimi due secoli, l'umanità è stata accecata dalla disponibilità di risorse energetiche fossili e ha sviluppato molte tecnologie basate su di esse, senza le quali la vita oggi è semplicemente impensabile. Prima c'erano le locomotive a carbone e a vapore, poi le persone hanno imparato a ottenere elettricità bruciando lo stesso carbone, a produrre stufe a gas, trasporti privati e pubblici: tutto ciò richiede il consumo di sostanze organiche immagazzinate milioni di anni fa. Utilizzando l’energia di queste sostanze, l’umanità ha fatto un salto in molti ambiti della vita sociale: la popolazione mondiale ha superato i 7 miliardi, città e stati fiorenti sono sorti nei deserti, la capacità produttiva e i livelli di consumo aumentano di anno in anno. Senza dubbio, il mondo moderno è impensabile senza carbone, prodotti petroliferi e gas.
Qui entra in gioco il dilemma dell’energia moderna: da un lato la necessità di passare alle fonti energetiche rinnovabili è assolutamente evidente, dall’altro il mondo non è attrezzato per consumare tale energia. Tuttavia, nell’ultimo decennio, si è assistito a un crescente sviluppo di una fonte energetica in grado di risolvere questo dilemma. Stiamo parlando di fotosintesi artificiale (IF)- un modo per convertire l'energia solare in una forma conveniente di combustibile organico.
Non dobbiamo dimenticare che la combustione di carburante porta a massicce emissioni di CO 2 nell'atmosfera, influenzando negativamente lo stato dell'intera biosfera. Nelle grandi città, questa influenza è particolarmente evidente: migliaia di auto e imprese fumanti creano smog e ogni abitante della città, uscendo dalla città, ammira prima di tutto l'aria fresca. La creazione di una fonte energetica che, come le piante, assorbisse CO 2 e producesse O 2, potrebbe fermare il degrado ambientale a tutta velocità.
Pertanto, l’IF rappresenta una potenziale soluzione sia alla crisi energetica globale che a quella ambientale. Ma come funziona l'IF e in cosa differisce dal naturale?
imperfezione del verde
Figura 2. Fotosintesi non ciclica nelle piante. Un elettrone lascia la clorofilla eccitata dalla luce del fotosistema II (PS-II) e il “buco” risultante viene riempito dagli elettroni rilasciati durante la scissione dell’acqua. Il ricevitore finale degli elettroni non è il pigmento del fotosistema, come nei batteri viola, ma il NADP+. Un'altra differenza è che nelle piante due fotosistemi (PS-I e PS-II) formano un meccanismo accoppiato e un ciclo del suo funzionamento richiede l'assorbimento di due fotoni. Il complesso b 6 f non è mostrato nella figura.
Il gradiente H+ risultante fornisce energia per la sintesi di ATP da parte dell'enzima ATP sintasi, in modo simile a come l'acqua che cade fornisce energia per un mulino ad acqua (Figura 3). L'ATP è un vettore universale di energia chimica nella cellula ed è coinvolto nella stragrande maggioranza delle reazioni che consumano energia, comprese le reazioni del ciclo di Calvin, che assicurano la conversione della CO 2 in materia organica ridotta. In questo ciclo, la maggior parte dell’energia viene spesa per combattere le reazioni collaterali. Esistono altri modi per assimilare il carbonio, ad esempio il percorso Wood-Ljungdahl, di cui parleremo più avanti.
Figura 3. Immagazzinamento dell'energia luminosa. Durante la fotosintesi, le proteine del fotosistema trasferiscono i protoni attraverso la membrana utilizzando l'energia dei fotoni. L'enzima ATP sintasi ripristina il gradiente di concentrazione H + risultante e produce il vettore energetico universale nella cellula: ATP. L'analogia con un mulino ad acqua rotante è in realtà molto vicina alla realtà.
Sebbene la fotosintesi alla fine fornisca energia all’intera biosfera, l’efficienza di questo processo lascia molto a desiderare (Tabella 1). Il detentore del record per la fotosintesi è il sorgo, coltivato per la produzione di biocarburanti, la cui efficienza di conversione dell'energia solare in energia chimica è del 6,6%. Per fare un confronto: patate, grano e riso ne hanno circa il 4%.
| Causa della perdita di energia | Perdita di energia | Resto |
|---|---|---|
| Assorbimento dei fotoni solo nella parte visibile dello spettro | 47% | 53% |
| Solo una parte del flusso luminoso attraversa le parti fotosintetiche della foglia | 70% | 37% |
| Sebbene nella luce visibile siano presenti fotoni ad alta e bassa energia, vengono tutti assorbiti dai fotosistemi come fotoni a bassa energia (una sorta di principio della carovana). | 24% | 28% |
| Perdite durante la sintesi del glucosio | 68% | 9% |
| Pulizia delle foglie dai sottoprodotti della fotosintesi ( cm. fotorespirazione) | 32% | 6% |
Allo stesso tempo, l'efficienza tipica delle moderne celle solari è del 15-20% e i prototipi hanno raggiunto un valore del 46%. Questa differenza nell'efficienza delle fotocellule artificiali e delle piante viventi è spiegata principalmente dall'assenza di fasi di sintesi. Ma c’è una differenza più sottile: i fotosistemi delle piante estraggono energia solo dai fotoni della luce visibile con lunghezze d’onda di 400-700 nm, e l’emissione dei fotoni ad alta energia è esattamente la stessa dei fotoni a bassa energia. I semiconduttori utilizzati nelle celle solari catturano fotoni da uno spettro più ampio. E per massimizzare la resa, una singola batteria combina materiali progettati specificamente per diverse parti dello spettro solare.
L'obiettivo finale degli ingegneri IF è creare una pianta (o un organismo artificiale) che possa svolgere la fotosintesi meglio delle piante. Oggi la bioingegneria ha raggiunto un livello in cui è possibile provare a farlo. E di anno in anno, i tentativi degli scienziati si avvicinano sempre di più al loro caro obiettivo, facendoci meravigliare di fronte a scoperte incredibili.
Un SE così diverso
Lo schema IF più semplice è sintesi completamente abiotica di materia organica su un catalizzatore. Nel 2014 è stato scoperto un catalizzatore al rutenio che, una volta illuminato, sintetizza il metano da H 2 e CO 2. In condizioni ottimali, che includono il riscaldamento a 150°C e un'illuminazione intensa, un grammo di questo catalizzatore crea una millimole di metano all'ora, che, ovviamente, è molto piccola. Gli stessi scienziati che studiano il catalizzatore ammettono che una tale velocità di reazione, a un costo piuttosto elevato del catalizzatore, è troppo bassa per il suo uso pratico.
La vera fotosintesi è un processo a più fasi, in ogni fase si verifica la perdita di energia. Ciò è in parte positivo perché apre molte possibilità di ottimizzazione. Nel caso della fotosintesi abiogenica, tutto ciò che si può fare è inventare un catalizzatore fondamentalmente nuovo.
Un approccio completamente diverso all'IF - creazione di bioreattori alimentati da energia solare. In tali bioreattori, stranamente, usano Non microrganismi fotosintetici che possono ancora fissare la CO 2 utilizzando altre fonti di energia.
Facciamo conoscenza con diversi tipi di progetti di dispositivi per IF utilizzando esempi specifici.
Nel 2014 sono stati pubblicati i risultati dei test di un impianto che converte la corrente in biomassa con un'efficienza record del 13%. Per ottenere un reattore IF, devi solo collegare un pannello solare. Questa installazione è essenzialmente una cella elettrochimica (Fig. 4 UN), dove due elettrodi vengono posti in un mezzo nutriente con batteri Ralstonia eutropha(sono - Cupriavidus necatore). Quando viene applicata una corrente esterna, il catalizzatore sull'anodo divide l'acqua in ossigeno e protoni, e il catalizzatore sul catodo riduce i protoni in gas idrogeno. R. eutropha riceve energia per l'assimilazione della CO 2 nel ciclo di Calvin dovuto all'ossidazione dell'H 2 da parte dell'enzima idrogenasi.
Figura 4. Bioreattori per IF basati su celle elettrochimiche. La corrente può essere generata mediante fotolisi dell'acqua all'anodo utilizzando una cella solare (UN) o senza di essa (B) . In entrambi i casi, gli elettroni prelevati dall'acqua forniscono ai microbi autotrofi gli equivalenti riducenti necessari per la fissazione della CO2.
Secondo i calcoli degli sviluppatori, combinando la loro installazione con una tipica batteria solare (efficienza del 18%) si otterrà un'efficienza totale della fotosintesi del 2,5% se tutta l'energia luminosa viene convertita in crescita di biomassa e dello 0,7% se i batteri geneticamente modificati che sintetizzano il butanolo sono usati. Questo risultato è paragonabile all'efficienza della fotosintesi nelle piante reali, sebbene non raggiunga il livello delle piante coltivate. Capacità R. eutropha sintetizzare sostanze organiche in presenza di H 2 è molto interessante non solo nel contesto dell'IF, ma anche come possibile applicazione dell'energia dell'idrogeno.
Nel 2015, gli scienziati californiani hanno creato un'installazione altrettanto interessante, in cui le fasi di assorbimento e sintesi della luce sono più strettamente correlate. Il fotoanodo del reattore costruito, quando illuminato, divide l'acqua in ossigeno, protoni ed elettroni, che vengono inviati lungo un conduttore al catodo (Fig. 4 B). Per aumentare la velocità di fotolisi dell'acqua che avviene all'interfaccia, il fotoanodo è costituito da nanofili di silicio, che ne aumentano notevolmente la superficie.
Il catodo di questa installazione è costituito da una “foresta” di nanotubi di TiO 2 (Fig. 5 UN), tra i quali crescono i batteri Sporomusa ovata. Gli elettroni del fotoanodo vanno specificatamente a questi batteri, che li utilizzano come equivalenti riducenti per convertire la CO 2 disciolta nel mezzo in acetato.
Figura 5. La fotosintesi artificiale è impensabile senza i nanomateriali. UN - Nel reattore IF dell'articolo CO 2 vengono registrati i batteri che crescono in una “nanoforesta” di barre di silicio rivestite con TiO 2 (strato di 30 nm); Questa nanoforesta crea le condizioni anaerobiche necessarie per i batteri e aumenta la densità superficiale di contatto tra i batteri e il conduttore. B - Con un approccio fondamentalmente diverso, non sono i batteri a essere posizionati sul semiconduttore, ma il semiconduttore a essere posizionato sui batteri; Grazie al guscio di CdS, i batteri che muoiono alla luce diventano fotosintetici.
La nanoforesta di TiO 2 svolge diverse funzioni contemporaneamente: fornisce un'alta densità di batteri al contatto, protegge i batteri anaerobici obbligati S. ovata dall'ossigeno disciolto nell'ambiente e può anche convertire la luce in elettricità, aiutando i batteri a fissare la CO 2.
S. ovata- batteri con un metabolismo molto flessibile, che si adatta facilmente alla crescita nella cosiddetta modalità elettrotrofica. Fissano la CO 2 attraverso il percorso Wood-Ljungdahl, in cui solo il 10% dell'acetato viene utilizzato per la crescita della biomassa e il restante 90% viene rilasciato nell'ambiente.
Ma l'acetato in sé non è particolarmente prezioso. Per convertirlo in sostanze più complesse e costose, nel reattore vengono introdotte sostanze geneticamente modificate. Escherichia coli, sintetizzando butanolo, isoprenoidi o poliidrossibutirrato dall'acetato. Ultima sostanza Escherichia coli produce con la massima resa.
Per quanto riguarda l'efficienza dell'intera installazione, è molto bassa. Solo lo 0,4% dell'energia solare può essere convertito in acetato e la conversione dell'acetato in poliidrossibutirrato avviene con un'efficienza del 50%. In totale, solo lo 0,2% dell’energia luminosa può essere immagazzinato sotto forma di materia organica, che può essere ulteriormente utilizzata come combustibile o materia prima per la produzione chimica. Gli sviluppatori ritengono che il loro risultato principale sia che l'installazione da loro creata può essere utilizzata per sintesi chimiche completamente diverse senza modifiche fondamentali nella progettazione. Ciò mostra un'analogia con la fotosintesi naturale, dove alla fine tutti i tipi di sostanze organiche vengono sintetizzati dal fosfoglicerato di CO 2 3 ottenuto attraverso l'assimilazione.
In entrambe le tecnologie descritte, gli sviluppatori hanno cercato di combinare l'eccellenza dei semiconduttori come assorbitori di energia luminosa con il potere catalitico dei sistemi biologici. Ed entrambe le installazioni risultanti erano celle a combustibile “inverse”, dove la corrente viene utilizzata per sintetizzare le sostanze.
In un approccio fondamentalmente diverso, le singole celle vengono combinate con i semiconduttori in un unico insieme. Pertanto, all'inizio del 2016, è stato pubblicato un lavoro in cui viene descritto il batterio acetogeno Moorella termoacetica coltivato in un ambiente ricco di cisteina e cadmio. Di conseguenza, di solito muore alla luce M. termoacetica era ricoperto da un guscio di CdS (semiconduttore) e quindi non solo riceveva protezione dal sole, ma diventava anche un fotosintetico: gli elettroni del CdS entravano nel percorso Wood-Ljungdahl (Fig. 5 B).
Esperimenti su un batterio così “corazzato” hanno dimostrato che la CO 2 viene fissata non solo alla luce, ma anche al buio (soggetto al ciclo quotidiano). La ragione di ciò è l'accumulo di metaboliti fotosintetici alla luce in quantità tali che le cellule non hanno il tempo di elaborarli. Il vantaggio principale di tali batteri rispetto alle cellule sopra descritte è l'autoorganizzazione. Per le cellule è necessario preparare in anticipo nanomateriali e catalizzatori e queste stesse parti si consumano solo nel tempo. Quando M. termoacetica le unità fotosintetiche si dividono, producono e riparano da sole tutto ciò di cui hanno bisogno se c'è abbastanza cadmio e cisteina nell'ambiente. Questi batteri non sono ancora stati studiati come fonte di combustibile, ma in termini di resa quantica della fotosintesi non sono inferiori alle piante.
Non c'è molto da aspettare...
Le tecnologie IF sono ancora allo stadio di prototipo, ma i loro sviluppatori vedono un ampio margine di ottimizzazione. Puoi ottimizzare i semiconduttori che catturano la luce, i microrganismi, l'organizzazione spaziale dei batteri e altri catalizzatori. Ma prima di tutto bisogna risolvere il problema della stabilità. L'efficienza degli impianti realizzati diminuisce notevolmente già dopo pochi giorni di funzionamento. Un dispositivo completamente completo per l'IF, come ogni sistema vivente, deve rigenerarsi e auto-riprodursi. A questo proposito, è particolarmente interessante M. termoacetica, al quale tali proprietà si applicano pienamente.
E sebbene i campioni esistenti siano lungi dall’essere perfetti, il lavoro nel campo dell’IF è prezioso soprattutto perché mostra la possibilità fondamentale di integrare l’energia solare in un mondo catturato dal motore a combustione interna. Le turbine eoliche e i pannelli solari, ovviamente, hanno un’elevata efficienza e coprono già quasi completamente il consumo energetico in Uruguay e Danimarca, e le centrali idroelettriche sono nodi importanti nella rete energetica di molti paesi. Ma la sostituzione del carburante con l’elettricità nella maggior parte dei casi richiede una ristrutturazione radicale delle reti energetiche e non è sempre possibile.
L'ulteriore sviluppo del fondo d'investimento richiede ingenti investimenti. Si può immaginare che le aziende produttrici di celle solari, alle quali i futuristi prevedono il dominio mondiale nel campo dell’energia entro il 2030, saranno interessate allo sviluppo di questa scienza ancora giovane e inesperta all’intersezione tra bioenergia, scienza dei materiali e nanoingegneria. Chissà, forse in futuro l'IF non diventerà una cosa di tutti i giorni, o forse il lavoro su di esso darà slancio all'energia dell'idrogeno o al biofotovoltaico. Non abbiamo molto da aspettare, aspettare e vedere.
Letteratura
- Piramidi della popolazione del mondo dal 1950 al 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
- Korzinov N. (2007).