„W związku z naszym problemem, z problemem, który postawiłem jako pierwszy – co ze stale rosnącą liczbą ludzi na Ziemi, pojawia się pytanie: „Co może dać ludziom duży cykl biologiczny w biosferze?” Problem ten można rozważyć w trzy do głównych punktów lub miejsc biosfery, które właśnie opisałem:
1) na wejściu energii,
2) w cyklu biologicznym biosfery i
3) przy wyjściu z cyklu biologicznego do geologii.
Zacznijmy od wkładu energetycznego. Pewna ilość energii słonecznej spada na powierzchnię Ziemi. Oczywiście biologicznie może działać tylko ta jego część, która jest wchłaniana przez organizmy autotroficzne. Z całej energii słonecznej padającej na Ziemię tylko pewien procent (dokładne obliczenie nie jest łatwe), powiedzmy w przybliżeniu od trzech do ośmiu procent wchłaniane przez rośliny zielone. Z pochłoniętej energii nie cała idzie na fotosyntezę. Podobnie jak w technice, w dzikiej przyrodzie możemy mówić o wydajności – o wydajności fotosyntezy. Wynosi (znów bardzo trudno to policzyć) w przybliżeniu od od dwóch do ośmiu procent .
Jednocześnie bardzo ważne jest, aby pamiętać, że różne typy i grupy roślin mają różną wydajność.
Tak więc już przy wejściu ludzkość może coś zrobić, aby roślinność pochłonęła więcej energii słonecznej docierającej do Ziemi, a do tego konieczne jest zwiększenie gęstości zielonej pokrywy Ziemi. Tymczasem my, ludzie, w swojej działalności gospodarczej, przemysłowej iw życiu codziennym raczej zmniejszamy gęstość zielonej pokrywy Ziemi, beztrosko obchodząc się z lasami, łąkami, polami, placami budowy. Niewystarczające nasadzenie pustyń, stepów, zmniejszamy gęstość zielonej pokrywy. Ale właśnie poziom nowoczesnej techniki i przemysłu teoretycznie umożliwia wykonanie pracy odwrotnej - zwiększenie w każdy możliwy sposób na wszystkich odpowiednich do tego obszarach powierzchni ziemi oraz w zbiornikach, zwłaszcza słodkowodnych, zagęszczenia pokrywy zielonej.
Co więcej, jak pokazują obliczenia, można ją zwiększyć co najmniej półtora, a może nawet dwukrotnie, a tym samym zwiększyć biologiczną produktywność Ziemi.
Powyżej powiedziano, że wydajność - wydajność - różnych rodzajów roślin może być bardzo różna, wahając się od dwóch do ośmiu, a dla wielu form roślin i więcej procent. I tu przed ludzkością otwiera się kolejna szansa: oczywiście, na podstawie wstępnych dokładnych badań wydajności różnych gatunków roślin przez fizjologów, rozsądne jest podjęcie próby zwiększenia procentowego udziału w zbiorowiskach roślinnych pokrywających Ziemię, rośliny o najwyższej, a nie najniższej wydajności. To znowu może zwiększyć o pewną liczbę, półtora raza, mniej lub więcej procent energii słonecznej, która jest przyswajana przez rośliny i poprzez fotosyntezę roślin prowadzi do produkcji materii organicznej na Ziemi.
Oznacza to, że już na wejściu do biosfery, na wejściu energii, można wygrać, zwiększyć produktywność biologiczną Ziemi, powiedzmy, dwukrotnie. Przypomnę, że tego właśnie będziemy potrzebować za sto lat”.
Timofeev-Resovsky N.V., Memoirs, M., Vagrius, 2008, s. 344-345.
Charakterystyka głównych wskaźników fotosyntezy:
intensywność i produktywność.
Fotosynteza charakteryzuje się następującymi wskaźnikami ilościowymi:
intensywność fotosyntezy
produktywność fotosyntezy.
Intensywność (szybkość) fotosyntezy to ilość dwutlenku węgla, która jest przyswajana przez jednostkę powierzchni liścia w jednostce czasu. W zależności od rodzaju rośliny wskaźnik ten wynosi od 5 do 25 mg CO2/dm2. h.
Wydajność fotosyntezy to stosunek dziennego przyrostu masy całej rośliny (w gramach) do powierzchni liścia. Średnio wartość ta wynosi od 5 do 12 g suchej masy na 1 m2 powierzchni liści na dobę.
Istnieje wiele metod określania tych wskaźników ilościowych.
Intensywność fotosyntezy można określić:
metody gazometryczne,
metody radiometryczne.
Za pomocą metod gazometrycznych można określić ilość pobranego dwutlenku węgla lub ilość uwolnionego tlenu. W tym przypadku stosuje się zarówno wskaźniki masy pochłoniętych lub emitowanych gazów, jak i wskaźniki objętości, wskaźniki ciśnienia, wskaźniki koloru i wskaźniki przewodności cieplnej oznaczanych gazów.
Za pomocą metod radiometrycznych intensywność absorpcji C14O2 przez roślinę określa się na podstawie obecności w niej C14 lub zmiany radioaktywności mieszaniny gazowej.
Wydajność fotosyntezy zależy od akumulacji asymilatów w roślinie. Wykorzystuje takie metody jak:
zmiana ilości suchej masy sadzonek z arkusza po określonym czasie,
kumulacja węglowodanów w liściu po pewnym czasie,
zmiana ciepła spalania suchej masy liści podczas ich ekspozycji na światło.
W okresie wegetacji intensywność i produktywność fotosyntezy wzrasta stopniowo od początku rozwoju, osiągając maksimum w fazie kwitnienia-owocowania, a następnie stopniowo maleje.
Asymilacja promieniowania fotosyntetycznie czynnego przez roślinę.
Promieniowanie aktywne fotosyntetycznie (PAR) to ta część promieniowania słonecznego, która może być absorbowana przez chlorofile podczas fotosyntezy. PAR ma widmo falowe od 380 do 710 nm i składa się z bezpośredniego światła słonecznego oraz światła rozproszonego, którego intensywność jest równa 1/3 bezpośredniego promieniowania słonecznego. W świetle rozproszonym PAR stanowi do 90%, co oznacza, że światło rozproszone, w przeciwieństwie do bezpośredniego światła słonecznego, może być prawie całkowicie wchłonięte przez roślinę.
Intensywność fotosyntezy jest maksymalna w czerwonej części widma, a minimalna w niebieskiej i zielonej.
PAR jest różnie wchłaniany przez liście różnych roślin. Proces ten zależy od składu ilościowego i jakościowego pigmentów w liściu. W godzinach porannych i wieczornych fotosynteza w roślinach z wystarczającą podażą chlorofilu jest najbardziej intensywna.
Stopień wykorzystania przez roślinę aktywności fotochemicznej chlorofilu ocenia się na podstawie liczby asymilacyjnej - czyli ilości dwutlenku węgla zasymilowanej przez jednostkę chlorofilu w jednostce czasu.
W roślinach o ciemnozielonych liściach liczba asymilacji jest niewielka, są to rośliny żyjące głównie w cieniu, w roślinach o jasnozielonym kolorze - liczba ta jest znacznie wyższa, ponieważ są to rośliny światłolubne.
Główna absorpcja PAR występuje w górnych warstwach siewu, jak również zawiera większą ilość chlorofilu.
Pochłanianie energii promieniowania przez liść wyraża się wzorem:
gdzie Q to ilość promieniowania padającego na arkusz, R to promieniowanie odbite, w%, T to promieniowanie przechodzące, w%, A to promieniowanie pochłonięte, w%. Wszystkie trzy wskaźniki zależą od zawartości chlorofilu w liściu.
Fotosynteza jest możliwa przy minimalnym natężeniu światła, przy wzroście natężenia światła do 1/3 pełnego nasłonecznienia intensywność fotosyntezy wzrasta, przy jeszcze większym naświetleniu intensywność fotosyntezy nieznacznie wzrasta, a przy maksymalnym naświetleniu nasycenie światłem zachodzi fotosynteza i zaczyna działać mechanizm fotooddychania.
Całkowita ilość promieniowania słonecznego padającego na 1 ha w okresie wegetacji wynosi 21,109 kJ, z czego PAR wynosi tylko 8,109 kJ, czyli tylko około jednej trzeciej.
Ilość PAR wchłoniętą przez siew określa się ze wzoru:
P \u003d Q - R - Tp + Rp
gdzie P to promieniowanie pochłonięte przez uprawę, Q to całkowite promieniowanie padające na uprawę, R to promieniowanie odbite od uprawy i wyszło poza jej górną granicę, Tp to promieniowanie, które przeniknęło do gleby, Rp to promieniowanie odbite z gleby pod roślinnością.
Współczynnik pochłaniania energii PAR (Qp) przez inokulację wyznacza się dzieląc obie części wzoru przez Q:
Qp \u003d P / Q \u003d 1 - R / Q - Tp / Q + Rp / Q,
gdzie R/Q to albedo wysiewu, pokazujące, jaka część padającego promieniowania jest odbijana przez siew, Tp/Q to transmitancja, pokazująca, jaka część padającego promieniowania (Q) dociera do gleby pod roślinnością, Rp/Q to albedo gleby pod roślinnością.
Wydajność fotosyntezy można scharakteryzować współczynnikiem wydajności, który określa wzór:
E% (sprawność) = V.100 / A,
gdzie A to ilość energii otrzymanej w okresie wegetacji na 1 ha zasiewu lub energia, która została pochłonięta przez siew, w kJ, B to ilość energii zgromadzonej w masie organicznej rośliny (biologicznej lub ekonomicznej), w kJ.
Udowodniono, że tylko 2% energii słonecznej jest wykorzystywane do tworzenia produktów fotosyntezy we wszystkich sprzyjających warunkach (nawadnianie, wysokie stężenie CO2). Średnio wydajność fotosyntezy roślin rolniczych w warunkach rzeczywistych wynosi około 0,5-1% (czyli około 16 kJ/m2 na godzinę), podczas gdy teoretycznie możliwe jest zwiększenie tego wskaźnika do 4-6%. Jednym z najpilniejszych zadań stojących przed praktyczną produkcją rolniczą jest zwiększenie wydajności fotosyntezy.
Bezpośrednia kontrola fotosyntezy jest praktycznie niemożliwa, ale pośrednio jest możliwa.
Powierzchnia liścia. ILP powinien wynosić co najmniej 4-5, tj. na 1 ha powierzchnia liści powinna wynosić 40-50 tys.
Optissic gęstość zasiewu, która pozwala na lepsze wykorzystanie światła. Osiąga się to poprzez tempo siewu, co umożliwia tworzenie zagęszczonych (na przykład na poletkach nasiennych ziemniaków) lub bardziej rzadkich upraw (na przykład upraw nasiennych zbóż).
Ważną rolę odgrywa kształt liści na roślinie. Źle jest zarówno przy ustawieniu poziomym, jak i ściśle pionowym (łuk). Lepiej - w kształcie lejka jak kukurydza, zboża.
Regulacja czynników środowiskowych (światło, temperatura, CO 2 , H 2 O, odżywianie mineralne itp.)
Tworzenie upraw o optymalnych parametrach do fotosyntezy:
Ważną rolę odgrywa liść flagowy - najwyższy liść zbóż. Dzięki swojej pracy około 50% produktów fotosyntezy powstaje po kwitnieniu, w okresie zasypywania ziarna.
Wydłużenie okresu aktywnej wegetacji roślin poprzez sadzenie rozsady, kiełkowanie bulw, wczesny siew. Konieczne jest utrzymywanie roślin w aktywnym stanie fizjologicznym.
W tworzeniu plonu biorą udział nie tylko liście, ale także kłosy, łodygi, a nawet markizy, w których zachodzi fotosynteza. Ich udział jest inny, ale dość namacalny.
Wprowadzenie zasadniczo nowych rodzajów upraw, w których wydajność roślin wzrasta 1,5-2 razy ze względu na wyższą aktywność fotosyntetyczną. Są to uprawy wąskopasmowe: naprzemienne pasy o szerokości około 1 m upraw wysokołodygowych (zboża) i uprawnych (buraki, ziemniaki itp.) W takich uprawach poprawia się wykorzystanie światła ze względu na lekkie efekty uboczne, koncentrację CO w uprawach rzędowych i szereg innych korzyści.
Fotosynteza jest głównym wysoce opłacalnym sposobem wykorzystania energii słonecznej.
Zależność fotosyntezy od czynników środowiskowych i cech roślin
Zależność FI od zawartości CL wyjaśnia liczba asymilacyjna (AN) lub liczba Wilstettera. ACh to ilość CO 2 zasymilowana przez liść w ciągu 1 godziny na jednostkę zawartego chlorofilu. Im wyższa zawartość chlorofilu, tym niższa zawartość AP. W roślinach o jasnozielonych liściach wartość AN wynosi 60-80, w ciemnozielonych - 5-7 mg CO 2 /h mg CL.
Chlorofil jest taki sam w całym świecie roślin, a jego zawartość w zależności od warunków wzrostu waha się od 0,7 do 9 mg/dm 2 .
Im bardziej roślina pochłania światło, tym mniejsza jest zawartość CL w liściach. Na przykład w strefie umiarkowanej RB liście są ciemnozielone, w regionach południowych - jasnozielone. Rośliny zwykle syntetyzują chlorofil w pewnym nadmiarze. Jego zawartość w roślinach wynosi od setnych do dziesiątych części procenta dla naturalnej wilgotności (0,05-0,32%).
Przemiany fotosyntezy w ontogenezie.
Do badania tej zależności zwykle stosuje się sadzonki etiolowane; rośnie w ciemności. Nie zawierają chlorofilu. Po oświetleniu chlorofil powstaje w ciągu kilku minut, a po czterech godzinach rozpoczyna się w nich fotosynteza. W roślinach jednorocznych jednomodalna zmiana IF zachodzi w ontogenezie. IF ustala się na pewnym poziomie dwa dni po zazielenieniu. Maksymalna wartość IF występuje podczas przejścia od wegetacji do reprodukcji (faza kwitnienia). W starzejących się liściach IF jest obniżony.
2. Intensywność fotosyntezy i czynniki środowiskowe.
2.1 FI zależy zarówno od natężenia światła (strumienia fotonów), jak i od jego składu widmowego. Opisano zależność IF od RI (natężenia światła). krzywa światła fotosynteza, która ma postać paraboli, składa się z dwóch faz. Pierwsza faza to liniowa zależność IF od IE co punkt kompensacji światła (SKP). SKP to natężenie światła, przy którym IF = ID. Druga faza to spadek nachylenia krzywej wraz ze wzrostem AI i osiągnięciem plateau. to nasycenie światłem fotosynteza.
Uogólniona krzywa blasku ma następującą postać.
Nasycenie światłem w roślinach C 3 występuje przy wartościach IO równych 0,4-0,6 PSO, aw C 4 praktycznie nie jest obserwowane.
Nazywa się promieniowanie słoneczne odpowiadające punktowi zagięcia krzywej blasku oprawa radiacyjna(RP). Wydajność fotosyntezy podczas RP osiąga maksymalne wartości. Jednak w uprawach, ze względu na wzajemne zacienienie, rośliny znajdują się w warunkach niedostatecznego oświetlenia.
W odniesieniu do światła rośliny dzielą się na światłolubne (SR) i odporne na cień (TR). Różnią się cechami morfologicznymi, anatomicznymi i fizjologicznymi. Liście SR są mniejsze, grubsze, mają gęste żyłkowanie, mają jaśniejszy zielony kolor i mniejszą zawartość chlorofilu. W TR jest odwrotnie: liście są duże, cieńsze, rzadsze żyłkowanie, ciemnozielony kolor, więcej chlorofilu, zwłaszcza Chlv. SR są bardziej produktywni.
TR i SR różnią się przebiegiem krzywych blasku fotosyntezy (ryc. 2). Przy niskim IE FI jest wyższy w TR niż w SR, a wraz ze wzrostem IE FI jest wyższy w TR ↓ i SR.
W pracach hodowlanych próbuje się wykorzystać zdolność poszczególnych gatunków roślin, mieszańców, odmian do przeprowadzania fotosyntezy przy niskich wartościach AI. Taki wybór jest możliwy nawet wśród C4-kultur - obowiązkowych miłośników światła.
Widmowy skład światła. IF jest silnie zależny od jakości światła. Zgodnie z teorią kwantową 1 J promieni czerwonych (RC) zawiera 1,5 razy więcej kwantów niż 1 J promieni niebiesko-fioletowych (SF). Podczas ustawiania SF i CS w odniesieniu do kwantów padających, FI okazuje się być wyższy na CS niż na SF i świetle białym (BS). Jednak w świetle nasycającym przewaga przechodzi na SF. U roślin uprawianych na SF nasycenie FS występuje przy wyższym oświetleniu i wykorzystują one potężne strumienie promieniowania wydajniej niż rośliny na CL.
Jakość światła nie wpływa na liczbę i wielkość chloroplastów w liściu, który zakończył wzrost, dlatego IF wynika głównie z aktywności pojedynczego chloroplastu, która jest wyższa u roślin na CC.
Skład syntetyzowanych substancji zależy od jakości światła. SF gromadzi więcej białek i lipidów, podczas gdy CS gromadzi więcej rozpuszczalnych węglowodanów i skrobi. Efekt dodania nawet 20% SF i RC jest podobny do monochromatycznego światła niebieskiego. Uwaga: SF odnosi się do światła niebieskiego. Jest to wykorzystywane w budowie lamp fotosyntetycznych.
Odżywianie mineralne.
reżim wodny.
Gazowy skład powietrza.
Minimalna zawartość CO 2 w powietrzu - dla C3 - 0,005%, dla C4 - 0,0005%
Wzrost CO 2 z 0,03% do 0,3% powoduje wzrost intensywności fotosyntezy. Dalszy wzrost CO 2 do 1% nie wpływa na fotosyntezę,
Przy dużym deficycie wody intensywność fotosyntezy spada z powodu zamykania aparatów szparkowych, co zmniejsza dopływ CO2 do liści, zmniejsza transpirację i prowadzi do wzrostu temperatury liści. Ponadto odwodnienie zmienia konformację, a tym samym aktywność enzymów.
Maksymalna intensywność fotosyntezy przy deficycie wody 5-10%, przy 20% - gwałtownie spada, a przy 50% fotosynteza zatrzymuje się
Wykluczenie jakiegokolwiek pola elektromagnetycznego niekorzystnie wpływa na fotosyntezę. Potas aktywuje procesy fosforylacji i bierze udział w otwieraniu aparatów szparkowych. Magnez wchodzi w skład chlorofili, aktywuje reakcje karboksylacji i redukcji NADP. Żelazo jest niezbędne do syntezy chlorofili. Mangan i chlor biorą udział w fotorozkładzie wody. Miedź jest częścią plastocyjaniny. Azot jest niezbędny do tworzenia chloroplastów i tworzenia pigmentów. Siarka jest częścią białek ETC
wydajność fotosyntezy- charakteryzuje procentowy udział energii PAR w produktach fotosyntezy. Wydajność roślin w biosferze jest niska: około 0,2%, dla trzciny cukrowej - 1,9%, dla k-la - 0,5-0,6%. Wydajność w uprawach przemysłowych 0,5-1,5%. Z obliczeń wynika, że teoretycznie możliwe jest uzyskanie wydajności do 12% w uprawach. W uprawach kukurydzy uzyskano już wydajność 7-8%.
Sposoby na zwiększenie efektywności:
1) regulacja czynników środowiskowych (światło, wilgotność, temperatura)
2) tworzenie upraw o optymalnych parametrach fotosyntezy:
– obszar liścia. ILP - co najmniej 4-5, tj. na 1 ha powierzchnia liści powinna wynosić 40-50 tys.
– gęstość optyczna upraw co pozwala na lepsze wykorzystanie światła. Osiąga się to poprzez dawki wysiewu, które pozwalają na tworzenie zagęszczonych (na działkach nasiennych ziemniaków) lub bardziej rzadkich upraw (nasienne zboża).
- odgrywa dużą rolę układ liści na roślinie. Źle jest zarówno przy ustawieniu poziomym, jak i ściśle pionowym (łuk). Lepiej - w kształcie lejka jak kukurydza i zboża.
3) wydłużenie okresu aktywnej wegetacji roślin:
Sadząc sadzonki, kiełkujące bulwy.
Wczesny siew.
Konieczne jest utrzymanie roślin w aktywnym stanie fizjologicznym. W formowaniu plonu biorą udział nie tylko liście, ale także kłosy, łodygi, a nawet markizy, w których F.
4) wprowadzenie zasadniczo nowych rodzajów upraw, w których wydajność roślin wzrasta 1,5-2 razy ze względu na wyższą aktywność fotosyntetyczną (uprawy pasowe i inne).
Niekontrolowana konsumpcja surowców kopalnych doprowadziła świat na skraj kryzysu ekologicznego i energetycznego. W takiej sytuacji potrzebne jest zasadniczo inne źródło energii, które z jednej strony pasowałoby do naszego naftowego świata, az drugiej strony byłoby odnawialne, przyjazne dla środowiska i opłacalne ekonomicznie. Możliwym rozwiązaniem jest sztuczna fotosynteza (IF), dzięki której narodziły się już stworzone przez człowieka instalacje do syntezy materii organicznej z elektryczności, światła, a także niesamowite półprzewodnikowe fotosyntetyzujące bakterie pancerne.
Światowy kryzys energetyczny, czyli dlaczego potrzebna jest sztuczna fotosynteza
Dziś i tak już duża populacja planety rośnie o 1% rocznie. Ludzkość zaspokaja rosnące z roku na rok potrzeby energetyczne przede wszystkim kosztem surowców kopalnych. Ale dla nikogo nie jest już tajemnicą, że zasoby ropy i węgla są ograniczone iw większości przypadków nieodnawialne. Kiedy ich wolumeny przestaną odpowiadać światowemu tempu rozwoju (lub wręcz się zużyją), świat stanie w obliczu kryzysu energetycznego o niespotykanych dotąd rozmiarach.
Już teraz można obserwować zaciekłą walkę rozpętaną na arenie światowej o duże źródła paliw kopalnych. W przyszłości paliwa będzie coraz mniej, a konflikty interesów będą pojawiać się coraz częściej.
Przez ostatnie dwa stulecia ludzkość była zaślepiona dostępnością paliw kopalnych i rozwinęła wiele opartych na nich technologii, bez których życie jest dziś po prostu nie do pomyślenia. Najpierw były lokomotywy węglowe i parowe, potem ludzie nauczyli się pozyskiwać elektryczność spalając ten sam węgiel, produkować kuchenki gazowe, transport prywatny i publiczny – wszystko to wymaga zużycia materii organicznej zmagazynowanej miliony lat temu. Wykorzystując energię tych substancji ludzkość dokonała skoku w wielu dziedzinach życia publicznego: światowa populacja przekroczyła 7 miliardów, na pustyniach powstały kwitnące miasta i państwa, z roku na rok wzrastają zdolności produkcyjne i poziom konsumpcji. Bez wątpienia współczesny świat jest nie do pomyślenia bez węgla, produktów ropopochodnych i gazu.
Tu objawia się dylemat współczesnej energetyki: z jednej strony konieczność przejścia na odnawialne źródła energii jest absolutnie oczywista, z drugiej strony świat nie jest przystosowany do zużywania takiej energii. Jednak w ostatniej dekadzie nastąpił coraz większy rozwój źródła energii, które mogłoby rozwiązać ten dylemat. Rozmawiamy o sztuczna fotosynteza (IF)- sposób na zamianę energii słonecznej w wygodną formę ekologicznego paliwa.
Nie wolno nam zapominać, że spalanie paliw prowadzi do masowej emisji CO 2 do atmosfery, co negatywnie wpływa na stan całej biosfery. W dużych miastach wpływ ten jest szczególnie zauważalny: tysiące dymiących samochodów i przedsiębiorstw tworzą smog, a każdy mieszkaniec, wychodząc z miasta, zachwyca się przede wszystkim świeżym powietrzem. Stworzenie źródła energii, które podobnie jak rośliny pochłaniałoby CO 2 i produkowało O 2, mogłoby zatrzymać postępującą pełną parą degradację środowiska.
Tym samym IF jest potencjalnym rozwiązaniem zarówno światowych kryzysów energetycznych, jak i środowiskowych. Ale jak działa IF i czym różni się od naturalnego?
Niedoskonała zieleń
Ryc. 2. Niecykliczna fotosynteza u roślin. Elektron opuszcza wzbudzony światłem chlorofil fotoukładu II (PS-II), a powstałą „dziurę” wypełniają elektrony uwolnione podczas rozszczepienia wody. Ostatecznym odbiornikiem elektronów nie jest pigment fotosystemu, jak u bakterii purpurowych, ale NADP+. Kolejna różnica polega na tym, że u roślin dwa fotosystemy (FS-I i PS-II) tworzą sprzężony mechanizm, a dla jednego cyklu jego działania wymagana jest absorpcja dwóch fotonów. Rysunek nie pokazuje kompleksu b 6 f.
Otrzymany gradient H+ dostarcza energię do syntezy ATP za pośrednictwem enzymu syntazy ATP, podobnie jak spadająca woda staje się źródłem energii dla młyna wodnego (ryc. 3). ATP jest uniwersalnym nośnikiem energii chemicznej w komórce i bierze udział w zdecydowanej większości energochłonnych reakcji, w tym w reakcjach cyklu Calvina, które zapewniają przemianę CO 2 w zredukowaną materię organiczną. W tym cyklu większość energii zużywana jest na walkę z reakcjami ubocznymi. Istnieją inne sposoby asymilacji węgla - na przykład ścieżka Wooda-Lyungdala, o której napiszemy później.
Rysunek 3. Magazynowanie energii świetlnej. Podczas fotosyntezy białka fotosystemu przenoszą protony przez błonę kosztem energii fotonów. Enzym syntaza ATP zrzuca powstały gradient stężenia H + i wytwarza uniwersalny nośnik energii w komórce - ATP. Analogia z obracającym się młynem wodnym jest w rzeczywistości bardzo bliska rzeczywistości.
Chociaż fotosynteza ostatecznie dostarcza energii całej biosferze, wydajność tego procesu pozostawia wiele do życzenia (tab. 1). Rekordzistą fotosyntezy jest sorgo uprawiane do produkcji biopaliw, którego sprawność przetwarzania energii słonecznej na energię chemiczną wynosi 6,6%. Dla porównania: ziemniaki, pszenica i ryż mają około 4%.
| Przyczyna utraty energii | Utrata energii | Reszta |
|---|---|---|
| Absorpcja fotonów tylko w widzialnej części widma | 47% | 53% |
| Tylko część strumienia świetlnego przechodzi przez fotosyntetyczne części liścia | 70% | 37% |
| Chociaż w świetle widzialnym występują fotony o wysokiej i niskiej energii, wszystkie są absorbowane przez fotosystemy jako niskoenergetyczne (rodzaj zasady karawany) | 24% | 28% |
| Straty w syntezie glukozy | 68% | 9% |
| Oczyszczanie liścia z produktów ubocznych fotosyntezy ( cm. fotooddychanie) | 32% | 6% |
Jednocześnie typowa wydajność dla nowoczesnych baterii słonecznych wynosi 15-20%, a prototypy osiągnęły wartość 46%. Taką różnicę w wydajności fotokomórek stworzonych przez człowieka i żywych roślin tłumaczy się przede wszystkim brakiem etapów syntezy. Istnieje jednak bardziej subtelna różnica: fotosystemy roślin pobierają energię tylko z fotonów światła widzialnego o długości fali 400–700 nm, a moc wyjściowa z fotonów o wysokiej energii jest dokładnie taka sama jak z fotonów o niskiej energii. Półprzewodniki stosowane w ogniwach słonecznych wychwytują fotony o szerszym spektrum. Aby uzyskać maksymalną wydajność, w jednym akumulatorze połączono materiały zaprojektowane specjalnie dla różnych części widma światła słonecznego.
Ostatecznym celem inżynierów IF jest stworzenie instalacji (lub sztucznego organizmu), która przeprowadzałaby fotosyntezę lepiej niż rośliny. Dzisiaj myśl bioinżynieryjna osiągnęła poziom, na którym można próbować to zrobić. A z roku na rok wysiłki naukowców coraz bardziej zbliżają się do upragnionego celu, sprawiając, że zachwycamy się niesamowitymi odkryciami.
Takie inne JEŚLI
Najprostszym schematem IF jest w pełni abiotyczna synteza związków organicznych na katalizatorze. W 2014 r. odkryto katalizator rutenowy, który po oświetleniu syntetyzuje metan z H 2 i CO 2 . W optymalnych warunkach, polegających na podgrzaniu do 150°C i intensywnym oświetleniu, jeden gram tego katalizatora tworzy jeden milimol metanu na godzinę, czyli oczywiście bardzo mało. Sami naukowcy zajmujący się badaniem katalizatora przyznają, że taka szybkość reakcji przy dość wysokim koszcie katalizatora jest zbyt niska do jego praktycznego zastosowania.
Prawdziwa fotosynteza jest procesem wieloetapowym, na każdym etapie następuje utrata energii. Po części jest to nawet dobre, ponieważ otwiera dużo miejsca na optymalizację. W przypadku fotosyntezy abiogenicznej jedyne, co można zrobić, to opracować zasadniczo nowy katalizator.
Zupełnie inne podejście do IF - tworzenie bioreaktorów zasilanych energią słoneczną. W takich bioreaktorach, co dziwne, używają nie mikroorganizmy fotosyntetyzujące, które nadal mogą wiązać CO 2 przy użyciu innych źródeł energii.
Zapoznajmy się z kilkoma typami konstrukcji urządzeń dla IF na konkretnych przykładach.
W 2014 roku opublikowano wyniki testów instalacji przetwarzającej prąd na biomasę z rekordową wydajnością 13%. Aby uzyskać reaktor IF, wystarczy podłączyć baterię słoneczną. Ta konfiguracja jest zasadniczo ogniwem elektrochemicznym (ryc. 4 a), gdzie dwie elektrody umieszcza się w pożywce z bakteriami Ralstonia eutropha(oni są - Cupriavidus necator). Po przyłożeniu zewnętrznego prądu katalizator na anodzie rozszczepia wodę na tlen i protony, a katalizator na katodzie redukuje protony do gazowego wodoru. R. eutrofa otrzymuje energię do asymilacji CO 2 w cyklu Calvina w wyniku utleniania H 2 przez enzym hydrogenazę.
Rysunek 4. Bioreaktory do IF oparte na ogniwach elektrochemicznych. Prąd może być generowany przez fotolizę wody na anodzie za pomocą baterii słonecznej (a) lub bez niego (b) . W obu przypadkach elektrony pobrane z wody dostarczają drobnoustrojom autotroficznym równoważników regeneracji niezbędnych do wiązania CO 2 .
Według wyliczeń deweloperów, połączenie ich instalacji z typową baterią słoneczną (wydajność 18%) doprowadzi do całkowitej wydajności fotosyntezy na poziomie 2,5%, jeśli cała energia świetlna zostanie zamieniona na wzrost biomasy, i 0,7%, jeśli genetycznie zmodyfikowane bakterie syntetyzujące butanol są używane. Wynik ten jest porównywalny z wydajnością fotosyntezy w rzeczywistych roślinach, choć nie osiąga poziomu roślin uprawnych. Umiejętność R. eutrofa Syntetyzowanie związków organicznych w obecności H 2 jest bardzo interesujące nie tylko w kontekście IP, ale także jako możliwe zastosowanie energii wodorowej.
W 2015 roku naukowcy z Kalifornii stworzyli równie ciekawą instalację, w której etapy absorpcji i syntezy światła są ze sobą ściślej powiązane. Fotoanoda projektowanego reaktora po oświetleniu rozszczepia wodę na tlen, protony i elektrony, które są przesyłane wzdłuż przewodnika do katody (rys. 4). b). Aby zwiększyć szybkość fotolizy wody na granicy faz, fotoanodę wykonano z krzemowych nanodrutów, które zwielokrotniają jej powierzchnię.
Katoda tego układu składa się z „lasu” nanoprętów TiO2 (ryc. 5 a), wśród których rosną bakterie Sporomus jajowaty. Elektrony z fotoanody trafiają właśnie do tych bakterii, które wykorzystują je jako redukujące równoważniki konwersji rozpuszczonego w podłożu CO 2 w octan.
Rysunek 5. Sztuczna fotosynteza jest nie do pomyślenia bez nanomateriałów. a - W reaktorze IF z artykułu CO 2 utrwalił bakterie rosnące w "nanolasie" krzemowych prętów pokrytych TiO 2 (warstwa 30 nm); to nanorusztowanie stwarza warunki beztlenowe niezbędne bakteriom i zwiększa gęstość powierzchniową kontaktów między bakteriami a przewodnikiem. b - Przy zasadniczo innym podejściu, nie bakterie są umieszczane na półprzewodniku, ale półprzewodnik jest umieszczany na bakteriach; dzięki otoczce CdS bakterie umierające na świetle stają się fotosyntetyzujące.
Nanorusztowanie TiO 2 spełnia jednocześnie kilka funkcji: zapewnia duże zagęszczenie bakterii na styku, chroni bezwzględnie beztlenowce S. ovata z tlenu rozpuszczonego w środowisku, a także może przekształcać światło w energię elektryczną, pomagając bakteriom wiązać CO2.
S. ovata- bakterie o bardzo elastycznym metabolizmie, które łatwo przystosowują się do wzrostu w tzw. trybie elektrotroficznym. Wiążą CO 2 wzdłuż szlaku Wood-Ljungdal, w którym tylko 10% octanu trafia do wzrostu biomasy, a pozostałe 90% jest uwalniane do środowiska.
Ale sam octan ma niewielką wartość. Aby przekształcić go w bardziej złożone i droższe substancje, modyfikowane genetycznie Escherichia coli syntetyzowanie butanolu, izoprenoidów lub polihydroksymaślanu z octanu. Ostatnia substancja E coli produkuje z największą wydajnością.
Jeśli chodzi o sprawność całej instalacji to jest ona bardzo niska. Tylko 0,4% energii słonecznej można przekształcić w octan, a konwersja octanu w polihydroksymaślan przebiega z wydajnością 50%. W sumie tylko 0,2% energii świetlnej można zmagazynować w postaci materii organicznej, która może być dalej wykorzystywana jako paliwo lub surowiec do produkcji chemicznej. Deweloperzy uważają za swoje główne osiągnięcie, że stworzony przez nich układ może być używany do zupełnie różnych syntez chemicznych bez fundamentalnych zmian w projekcie. Pokazuje to analogię do naturalnej fotosyntezy, w której wszystkie rodzaje substancji organicznych są ostatecznie syntetyzowane z asymilacji CO 2 3-fosfoglicerynianu.
W obu opisanych technologiach twórcy starali się połączyć doskonałość półprzewodników jako pochłaniaczy energii świetlnej z katalityczną mocą układów biologicznych. A obie powstałe instalacje były „odwrotnymi” ogniwami paliwowymi, w których prąd służy do syntezy substancji.
Przy zasadniczo odmiennym podejściu poszczególne ogniwa są łączone z półprzewodnikami w jedną całość. Tak więc na samym początku 2016 roku opublikowano pracę, w której bakteria-acetogen Moorella thermoacetica uprawiane na podłożu o wysokiej zawartości cysteiny i kadmu, . W rezultacie zwykle ginie w świetle M. thermoacetica pokryty powłoką CdS (półprzewodnik) iw ten sposób nie tylko otrzymał ochronę przed słońcem, ale także stał się fotosyntetykiem: elektrony z CdS weszły na ścieżkę Wooda-Lyungdala (ryc. 5 b).
Eksperymenty na takiej „opancerzonej” bakterii wykazały, że CO 2 wiąże się nie tylko w świetle, ale także w ciemności (z zastrzeżeniem cyklu dobowego). Powodem tego jest nagromadzenie metabolitów fotosyntezy w świetle w takiej ilości, że komórki nie mają czasu na ich przetworzenie. Główną zaletą takich bakterii w porównaniu z komórkami opisanymi powyżej jest samoorganizacja. W przypadku ogniw nanomateriały i katalizatory muszą być prefabrykowane, a same te części zużywają się tylko z czasem. Kiedy M. thermoacetica jednostki fotosyntetyczne dzielą, produkują i naprawiają wszystko, czego potrzebują, jeśli w środowisku jest wystarczająca ilość kadmu i cysteiny. Bakterie te nie były jeszcze badane jako źródło paliwa, ale pod względem wydajności kwantowej fotosyntezy nie ustępują roślinom.
Nie trzeba długo czekać...
Technologie IF są jeszcze na etapie prototypów, ale ich twórcy widzą sporo miejsca na optymalizację. Możliwa jest optymalizacja półprzewodników wychwytujących światło, mikroorganizmów, organizacji przestrzennej bakterii i innych katalizatorów. Ale przede wszystkim konieczne jest rozwiązanie problemu stabilności. Wydajność produkowanych instalacji wyraźnie spada już po kilku dniach pracy. W pełni przygotowane urządzenie IF, jak każdy żywy system, musi się zregenerować i odtworzyć. W tym względzie szczególnie interesujące M. thermoacetica do których te właściwości odnoszą się w pełnym zakresie.
I choć istniejące modele są dalekie od doskonałości, to prace z zakresu IF są cenne przede wszystkim dlatego, że pokazują fundamentalną możliwość osadzania energii słonecznej w świecie uchwyconym przez silnik spalinowy. Wiatraki i panele fotowoltaiczne mają oczywiście wysoką sprawność i już prawie w całości zapewniają zużycie energii w Urugwaju i Danii, a elektrownie wodne są ważnymi węzłami sieci energetycznej wielu krajów. Jednak zastąpienie paliwa energią elektryczną w większości przypadków wymaga radykalnej przebudowy sieci energetycznych i nie zawsze jest możliwe.
Dalszy rozwój funduszu inwestycyjnego wymaga ogromnych inwestycji. Można sobie wyobrazić, że rozwojem tej jeszcze młodej i niedoświadczonej nauki na styku bioenergii, materiałoznawstwa i nanoinżynierii zainteresują się firmy produkujące baterie słoneczne, którym futuryści wróżą światową dominację w dziedzinie energii do 2030 roku. Kto wie, może IF nie stanie się codziennością przyszłości, a może praca nad nim da impuls do rozwoju energetyki wodorowej lub biofotowoltaiki. Nie długo czekać, czekać i zobaczyć.
Literatura
- Ludności Piramidy świata od 1950 do 2100 . (2013). PopulacjaPyramid.net;
- Korzinow N. (2007).