“ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับปัญหาของเรา กับปัญหาที่ฉันตั้งขึ้นครั้งแรก - แล้วจำนวนคนบนโลกที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เป็นอย่างไร คำถามจึงเกิดขึ้น: “วัฏจักรทางชีววิทยาขนาดใหญ่ในชีวมณฑลสามารถให้อะไรผู้คนได้บ้าง” ปัญหานี้สามารถพิจารณาได้ใน สามถึงประเด็นหลักหรือสถานที่ของชีวมณฑลที่ฉันเพิ่งอธิบาย:
1) ที่อินพุตพลังงาน
2) ในวงจรชีวภาพของชีวมณฑลและ
3) ที่ทางออกจากวงจรชีวภาพสู่ธรณีวิทยา
เริ่มกันที่การป้อนพลังงาน พลังงานแสงอาทิตย์จำนวนหนึ่งตกลงบนพื้นผิวโลก แน่นอน เฉพาะส่วนนั้นที่ถูกดูดซับโดยสิ่งมีชีวิต autotrophic เท่านั้นที่สามารถทำงานได้ทางชีวภาพ จากพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่ตกลงมาบนโลกมีเพียงเปอร์เซ็นต์เดียวเท่านั้น (มันไม่ง่ายเลยที่จะคำนวณอย่างแม่นยำ) พูดโดยประมาณ สามถึงแปดเปอร์เซ็นต์ ดูดซับโดยพืชสีเขียว ในบรรดาพลังงานที่ดูดกลืนนั้น ไม่ใช่ทั้งหมดไปกับการสังเคราะห์ด้วยแสง ในเทคโนโลยีสัตว์ป่าเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับประสิทธิภาพ - เกี่ยวกับประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นจำนวนเงิน (อีกครั้งเป็นการยากที่จะคำนวณ) ประมาณจาก สองถึงแปดเปอร์เซ็นต์ .
ในเวลาเดียวกันสิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าพืชประเภทต่างๆและกลุ่มต่างๆมีประสิทธิภาพแตกต่างกัน
ดังนั้นที่ทางเข้ามนุษยชาติสามารถทำบางสิ่งเพื่อให้พืชดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่มาถึงโลกมากขึ้นและด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องเพิ่มความหนาแน่นของสิ่งปกคลุมสีเขียวของโลก ในขณะเดียวกัน เรา ผู้คน ในกิจกรรมทางเศรษฐกิจ อุตสาหกรรม และในชีวิตประจำวัน ค่อนข้างจะลดความหนาแน่นของสิ่งปกคลุมสีเขียวของโลก จัดการป่า ทุ่งหญ้า ทุ่งนา สถานที่ก่อสร้างอย่างไม่ระมัดระวัง การปลูกทะเลทรายสเตปป์ไม่เพียงพอเราลดความหนาแน่นของพื้นที่สีเขียว แต่เพียงระดับของเทคโนโลยีสมัยใหม่และอุตสาหกรรมในทางทฤษฎีทำให้สามารถทำงานย้อนกลับได้ - เพื่อเพิ่มทุกวิถีทางในทุกพื้นที่ของพื้นผิวโลกที่เหมาะสมสำหรับสิ่งนี้และในอ่างเก็บน้ำโดยเฉพาะน้ำจืดความหนาแน่นของสิ่งปกคลุมสีเขียว
ยิ่งไปกว่านั้น จากการคำนวณพบว่ามันสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างน้อยหนึ่งเท่าครึ่ง หรืออาจจะถึงสองเท่า และทำให้ผลผลิตทางชีวภาพของโลกเพิ่มขึ้นด้วย
มีการกล่าวไว้ข้างต้นว่าประสิทธิภาพ - ประสิทธิผล - ของพืชประเภทต่างๆ อาจแตกต่างกันมาก ตั้งแต่สองถึงแปด และสำหรับรูปแบบต่างๆ ของพืชและเปอร์เซ็นต์ที่มากขึ้น และนี่คือโอกาสอื่นที่เปิดกว้างสำหรับมนุษยชาติ: แน่นอนว่ามันสมเหตุสมผลบนพื้นฐานของการศึกษาเบื้องต้นอย่างแม่นยำเกี่ยวกับประสิทธิภาพของพืชชนิดต่างๆ โดยนักสรีรวิทยา เพื่อพยายามเพิ่มเปอร์เซ็นต์การมีส่วนร่วมในชุมชนพืชที่ปกคลุมโลก พืชที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและไม่ใช่ประสิทธิภาพต่ำสุด อีกครั้ง อาจเพิ่มขึ้นประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง หรือน้อยกว่า หรือมากกว่านั้น เปอร์เซ็นต์ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่พืชดูดซึมและผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชนำไปสู่การผลิตสารอินทรีย์บนโลก
ซึ่งหมายความว่าที่ทางเข้าสู่ชีวมณฑล ที่ทางเข้าพลังงาน คุณสามารถชนะ เพิ่มผลผลิตทางชีวภาพของโลก พูด สองครั้ง ฉันขอเตือนคุณว่านี่คือสิ่งที่เราต้องการอย่างยิ่งในอีกร้อยปีข้างหน้า”
Timofeev-Resovsky N.V., Memoirs, M., Vagrius, 2008, p. 344-345.
ลักษณะของตัวบ่งชี้หลักของการสังเคราะห์ด้วยแสง:
ความเข้มและผลผลิต
การสังเคราะห์ด้วยแสงมีลักษณะตามตัวบ่งชี้เชิงปริมาณดังต่อไปนี้:
ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ผลผลิตของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ความเข้ม (ความเร็ว) ของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกดูดซึมโดยหน่วยพื้นผิวใบต่อหน่วยเวลา ขึ้นอยู่กับชนิดของพืช ตัวบ่งชี้นี้มีช่วงตั้งแต่ 5 ถึง 25 มก. CO2/dm2 ชม.
ผลผลิตของการสังเคราะห์ด้วยแสงคืออัตราส่วนของมวลที่เพิ่มขึ้นทุกวันของพืชทั้งหมด (หน่วยเป็นกรัม) ต่อพื้นที่ใบ โดยเฉลี่ยแล้วค่านี้อยู่ที่ 5 ถึง 12 กรัมของวัตถุแห้งต่อพื้นผิวใบ 1 ตร.ม. ต่อวัน
มีหลายวิธีในการพิจารณาตัวบ่งชี้เชิงปริมาณเหล่านี้
สามารถกำหนดความเข้มของการสังเคราะห์แสงได้:
วิธีแกสเมทริก,
วิธีการทางรังสี
โดยใช้วิธีแก๊สเมตริกสามารถกำหนดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่รับเข้าไปหรือปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมาได้ ในกรณีนี้ จะใช้ทั้งตัวบ่งชี้น้ำหนักของก๊าซที่ดูดซับหรือปล่อยออกมา และตัวบ่งชี้ปริมาตร ตัวบ่งชี้ความดัน ตัวบ่งชี้สี และตัวบ่งชี้การนำความร้อนของก๊าซที่กำหนด
ด้วยความช่วยเหลือของวิธีการทางรังสี ความเข้มของการดูดซึมของ C14O2 โดยพืชจะถูกกำหนดโดยการมี C14 อยู่ในนั้นหรือการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีของส่วนผสมของก๊าซ
ผลผลิตของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นพิจารณาจากการสะสมของการดูดซึมในพืช มันใช้วิธีการเช่น:
การเปลี่ยนแปลงปริมาณของวัตถุแห้งของการตัดจากแผ่นหลังจากระยะเวลาหนึ่ง
การสะสมคาร์โบไฮเดรตในใบหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง
การเปลี่ยนแปลงความร้อนจากการเผาไหม้ของวัตถุแห้งของใบไม้เมื่อได้รับแสง
ในช่วงฤดูปลูก ความเข้มและผลผลิตของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตั้งแต่เริ่มพัฒนา จนถึงสูงสุดในระยะออกดอก-ติดผล แล้วค่อยๆ ลดลง
การดูดกลืนรังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสงโดยพืช
รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสง (PAR) เป็นส่วนหนึ่งของรังสีดวงอาทิตย์ที่คลอโรฟิลล์สามารถดูดซับได้ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง PAR มีสเปกตรัมคลื่นตั้งแต่ 380 ถึง 710 นาโนเมตรและประกอบด้วยแสงแดดโดยตรงและแสงที่กระจัดกระจายซึ่งมีความเข้มเท่ากับ 1/3 ของรังสีดวงอาทิตย์โดยตรง ในแสงที่กระจัดกระจาย PAR คิดเป็นสัดส่วนสูงถึง 90% นั่นคือแสงที่กระจายซึ่งแตกต่างจากแสงแดดโดยตรงสามารถถูกดูดซึมโดยพืชได้เกือบทั้งหมด
ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะสูงสุดในส่วนสีแดงของสเปกตรัม และต่ำสุดในส่วนสีน้ำเงินและสีเขียว
PAR ถูกดูดซึมต่างกันโดยใบของพืชต่างชนิดกัน กระบวนการนี้กำหนดโดยองค์ประกอบเชิงปริมาณและคุณภาพของเม็ดสีในใบไม้ ในช่วงเช้าและเย็น การสังเคราะห์แสงในพืชที่มีคลอโรฟิลล์เพียงพอจะรุนแรงที่สุด
ระดับการใช้งานโดยกิจกรรมโฟโตเคมีคอลของคลอโรฟิลล์โดยพืชจะตัดสินจากจำนวนการดูดซึม นั่นคือโดยปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์ที่คลอโรฟิลล์หนึ่งหน่วยดูดซึมต่อหน่วยเวลา
ในพืชที่มีใบสีเขียวเข้มจำนวนการดูดซึมมีขนาดเล็กซึ่งเป็นพืชที่อาศัยอยู่ในที่ร่มเป็นหลักในพืชที่มีสีเขียวอ่อน - ตัวเลขนี้สูงกว่ามากเนื่องจากเป็นพืชที่ชอบแสง
การดูดซึมหลักของ PAR เกิดขึ้นในชั้นบนของการหว่านเช่นเดียวกับที่มีคลอโรฟิลล์ในปริมาณที่มากขึ้น
การดูดซับพลังงานรังสีของใบไม้แสดงโดยสูตร:
โดยที่ Q คือปริมาณของรังสีที่ตกกระทบบนแผ่นงาน, R คือรังสีสะท้อน, มีหน่วยเป็น %, T เป็นรังสีที่ส่งผ่าน มีหน่วยเป็น %, A เป็นรังสีที่ถูกดูดกลืน มีหน่วยเป็น % ตัวบ่งชี้ทั้งสามขึ้นอยู่กับปริมาณคลอโรฟิลล์ในใบ
การสังเคราะห์ด้วยแสงทำได้ที่ความเข้มแสงขั้นต่ำ โดยเพิ่มความเข้มของแสงเป็น 1/3 ของการส่องสว่างเต็มดวงอาทิตย์ ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้น เมื่อแสงสว่างสูงขึ้น ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย และที่ความสว่างสูงสุด ความอิ่มตัวของแสงของ การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นและกลไกการหายใจด้วยแสงเริ่มทำงาน
ปริมาณรังสีดวงอาทิตย์ทั้งหมดที่ตกลงมาบนพื้นที่ 1 เฮกตาร์ในช่วงฤดูปลูกคือ 21.109 kJ ซึ่ง PAR มีค่าเพียง 8.109 kJ นั่นคือประมาณหนึ่งในสามเท่านั้น
ปริมาณ PAR ที่ดูดซับโดยการหว่านจะพิจารณาจากสูตร:
P \u003d Q - R - Tp + Rp
โดยที่ P คือรังสีที่พืชดูดซับไว้, Q คือรังสีทั้งหมดที่ตกกระทบบนพืช, R คือรังสีที่สะท้อนจากพืชผลและออกไปนอกขอบเขตด้านบน, Tp คือรังสีที่ทะลุผ่านไปยังดิน, Rp คือรังสีที่สะท้อนกลับ จากดินใต้ต้นไม้
ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับพลังงาน PAR (Qp) โดยการฉีดวัคซีนถูกกำหนดโดยการหารทั้งสองส่วนของสูตรด้วย Q:
Qp \u003d P / Q \u003d 1 - R / Q - Tp / Q + Rp / Q
โดย R/Q คืออัลเบโดหว่าน ซึ่งแสดงสัดส่วนของรังสีตกกระทบที่สะท้อนจากการหว่านเมล็ด Tp/Q คือค่าการส่งผ่าน แสดงสัดส่วนของรังสีตกกระทบ (Q) ที่มาถึงดินใต้พืชพรรณ Rp/Q คืออัลเบโด ของดินภายใต้พืชพรรณ
ประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถระบุได้ด้วยปัจจัยประสิทธิภาพซึ่งกำหนดโดยสูตร:
E% (ประสิทธิภาพ) = V.100 / A,
โดยที่ A คือปริมาณพลังงานที่ได้รับในช่วงฤดูปลูกต่อ 1 เฮกตาร์ของการหว่าน หรือพลังงานที่ถูกดูดซับโดยการหว่าน มีหน่วยเป็น kJ โดย B คือปริมาณพลังงานที่สะสมในมวลสารอินทรีย์ของพืช (ทางชีวภาพหรือทางเศรษฐกิจ) ในหน่วยกิโลจูล
ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีเพียง 2% ของพลังงานแสงอาทิตย์เท่านั้นที่ใช้สำหรับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ด้วยแสงภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวยทั้งหมด (การชลประทาน ความเข้มข้นของ CO2 สูง) โดยเฉลี่ยแล้วประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชเกษตรในสภาพจริงอยู่ที่ประมาณ 0.5-1% (นั่นคือประมาณ 16 kJ / m2 ต่อชั่วโมง) ในขณะที่ในทางทฤษฎีสามารถเพิ่มตัวบ่งชี้นี้เป็น 4-6% ภารกิจเร่งด่วนที่สุดประการหนึ่งที่ต้องเผชิญในการผลิตภาคปฏิบัติทางการเกษตรคือการเพิ่มประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสง
เป็นไปไม่ได้เลยที่จะควบคุมการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยตรง แต่เป็นไปได้โดยอ้อม
บริเวณใบ. ILP ควรมีอย่างน้อย 4-5 เช่น ต่อ 1 เฮกตาร์ พื้นที่ใบควรอยู่ที่ 40-50,000 ม. 2
ความหนาแน่นของการเพาะเมล็ดแบบออปติกที่ช่วยให้ใช้แสงได้ดีขึ้น สิ่งนี้ทำได้โดยอัตราการเพาะซึ่งทำให้สามารถสร้างแบบหนา (เช่นในแปลงเมล็ดมันฝรั่ง) หรือพืชที่กระจัดกระจายมากขึ้น (เช่นเมล็ดธัญพืช)
รูปร่างของใบไม้บนพืชมีบทบาทสำคัญ มันไม่ดีทั้งการจัดเรียงแนวนอนและแนวตั้ง (คันธนู) ดีกว่า - รูปกรวยเหมือนข้าวโพดซีเรียล
การควบคุมปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (แสง อุณหภูมิ CO 2 , H 2 O โภชนาการแร่ธาตุ ฯลฯ )
การสร้างพืชผลด้วยพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง:
ใบธงมีบทบาทสำคัญในการเล่น - ใบบนสุดของธัญพืช เนื่องจากการทำงานของมันประมาณ 50% ของผลิตภัณฑ์สังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นหลังดอกบานในช่วงระยะเวลาการเติมเมล็ดพืช
การยืดระยะเวลาของพืชที่ใช้งานโดยการปลูกต้นกล้า, หัวที่งอก, การหว่านต้น มันเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้พืชอยู่ในสถานะทางสรีรวิทยาที่ใช้งานอยู่
ไม่เพียงแต่ใบไม้เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพืชผล แต่ยังรวมถึงหู ลำต้น และแม้แต่หนามด้วย ซึ่งกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเกิดขึ้น ส่วนแบ่งของพวกเขาแตกต่างกัน แต่ค่อนข้างจับต้องได้
การแนะนำพืชชนิดใหม่โดยพื้นฐานซึ่งผลผลิตของพืชเพิ่มขึ้น 1.5-2 เท่าเนื่องจากกิจกรรมการสังเคราะห์แสงที่สูงขึ้น เหล่านี้เป็นพืชวงแคบ: สลับแถบกว้างประมาณ 1 ม. ของพืชลำต้นสูง (ธัญพืช) และพืชไถพรวน (หัวบีท มันฝรั่ง ฯลฯ) ในพืชดังกล่าวการใช้แสงได้รับการปรับปรุงเนื่องจากผลข้างเคียงของแสง ความเข้มข้นของพืชแถว CO และประโยชน์อื่น ๆ อีกมากมาย
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นวิธีการหลักในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ให้ผลกำไรสูง
การสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นอยู่กับปัจจัยแวดล้อมและลักษณะของพืช
การพึ่งพาอาศัยกันของ FI ในเนื้อหาของ CL อธิบายได้ด้วยหมายเลขการดูดซึม (AN) หรือหมายเลข Wilstetter ACh คือปริมาณ CO 2 ที่ใบไม้ดูดซึมได้ใน 1 ชั่วโมงต่อหน่วยของคลอโรฟิลล์ที่มีอยู่ ปริมาณคลอโรฟิลล์ยิ่งสูง ปริมาณ AP ยิ่งต่ำ ในพืชที่มีใบสีเขียวอ่อน ค่า AN คือ 60-80 ในสีเขียวเข้ม - 5-7 mg CO 2 /ชั่วโมง mg CL
คลอโรฟิลล์เหมือนกันทั่วโลกของพืชและปริมาณของมันขึ้นอยู่กับสภาพการเจริญเติบโตตั้งแต่ 0.7 ถึง 9 มก. / ตร.ม. 2
ยิ่งพืชดูดซับแสงมากเท่าใด ปริมาณ CL ในใบก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ในเขตอบอุ่นเช่น RB ใบไม้มีสีเขียวเข้มในภาคใต้ - สีเขียวอ่อน พืชมักจะสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ในปริมาณที่มากเกินไป เนื้อหาในพืชมีความชื้นตามธรรมชาติตั้งแต่ร้อยถึงสิบเปอร์เซ็นต์ (0.05-0.32%)
การเปลี่ยนแปลงการสังเคราะห์ด้วยแสงในออนโทจีนี
เพื่อศึกษาการพึ่งพานี้มักใช้ต้นกล้าที่ถูกทำลาย เติบโตในความมืด ไม่มีคลอโรฟิลล์ เมื่อส่องไฟ คลอโรฟิลล์จะเกิดขึ้นภายในไม่กี่นาที และหลังจากสี่ชั่วโมง การสังเคราะห์ด้วยแสงจะเริ่มขึ้นในคลอโรฟิลล์ ในพืชประจำปี การเปลี่ยนแปลงแบบเดียวใน IF เกิดขึ้นในออนโทจีนี IF ตั้งไว้ที่ระดับหนึ่งหลังจากผ่านไป 2 วัน ค่าสูงสุดของ IF คือช่วงเปลี่ยนผ่านจากพืชผักสู่การสืบพันธุ์ (ระยะออกดอก) ในใบแก่ IF จะลดลง
2. ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม.
2.1 FI ขึ้นอยู่กับทั้งความเข้มของแสง (โฟตอนฟลักซ์) และองค์ประกอบของสเปกตรัม มีการอธิบายการพึ่งพา IF บน RI (ความเข้มของแสง) เส้นโค้งแสง การสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งมีรูปแบบเป็นพาราโบลาประกอบด้วยสองระยะ ระยะแรกเป็นการพึ่งพาเชิงเส้นของ IF บน IE co จุดชดเชยแสง (สกป). SKP คือความเข้มของแสงที่ IF = ID ช่วงที่สองคือความชันของเส้นโค้งที่ลดลงเมื่อ AI เพิ่มขึ้นและถึงจุดที่ราบสูง นี้ ความอิ่มตัวของแสง การสังเคราะห์ด้วยแสง
เส้นโค้งของแสงทั่วไปมีรูปแบบดังต่อไปนี้
ความอิ่มตัวของแสงในพืช C 3 เกิดขึ้นที่ค่า IO เท่ากับ 0.4-0.6 ของ PSO และใน C 4 จะไม่ถูกสังเกต
รังสีดวงอาทิตย์ที่ตรงกับจุดดัดของเส้นโค้งของแสง ก็เรียก การติดตั้งรังสี(ป.). ประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วง RP ถึงค่าสูงสุด อย่างไรก็ตาม ในพืชผล เนื่องจากการบังแดดร่วมกัน พืชจึงอยู่ในสภาพแสงไม่เพียงพอ
ในส่วนที่เกี่ยวกับแสง ต้นไม้แบ่งออกเป็นประเภทชอบแสง (SR) และทนร่มเงา (TR) พวกเขาแตกต่างกันในลักษณะทางสัณฐานวิทยากายวิภาคและสรีรวิทยา ใบของ SR มีขนาดเล็กกว่า หนากว่า มีเลือดออกหนาแน่น มีสีเขียวอ่อน และมีคลอโรฟิลล์ต่ำกว่า ใน TR ตรงกันข้าม: ใบมีขนาดใหญ่ บางลง มีเลือดออกเบาบาง สีเขียวเข้ม มีคลอโรฟิลล์มากขึ้น โดยเฉพาะ Chlv. SR มีประสิทธิผลมากขึ้น
TR และ SR ต่างกันที่เส้นกราฟของการสังเคราะห์ด้วยแสง (รูปที่ 2) ที่ IE ต่ำ FI จะสูงกว่าใน TR มากกว่าใน SR และเมื่อเพิ่มขึ้นใน IE FI จะสูงขึ้นใน TR ↓ และใน SR
ความสามารถของพืชแต่ละชนิด, ลูกผสม, พันธุ์ในการสังเคราะห์แสงที่ค่า AI ต่ำนั้นพยายามนำมาใช้ในงานปรับปรุงพันธุ์ การเลือกดังกล่าวเป็นไปได้แม้ในหมู่ C 4 - วัฒนธรรม - บังคับให้คนรักแสง
องค์ประกอบสเปกตรัมของแสง. IF ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสงเป็นอย่างมาก ตามทฤษฎีควอนตัม 1 J ของรังสีสีแดง (RC) มีปริมาณควอนตัมมากกว่า 1 J ของรังสีสีน้ำเงิน-ม่วง (SF) 1.5 เท่า เมื่อจัดแนว SF และ CS ตามควอนตัมของเหตุการณ์ FI จะกลายเป็น CS ที่สูงกว่าบน SF และแสงสีขาว (BS) อย่างไรก็ตาม ในสภาพแสงอิ่มตัว ข้อได้เปรียบจะส่งต่อไปยัง SF ในพืชที่ปลูกบน SF ความอิ่มตัวของ FS จะเกิดขึ้นที่การส่องสว่างที่สูงขึ้น และใช้ฟลักซ์การแผ่รังสีที่ทรงพลังอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าพืชบน CL
คุณภาพของแสงไม่ส่งผลต่อจำนวนและขนาดของคลอโรพลาสต์ในใบที่เจริญสมบูรณ์ ดังนั้น IFs ส่วนใหญ่เกิดจากกิจกรรมของคลอโรพลาสต์เดี่ยวซึ่งสูงกว่าในพืชบน CC
องค์ประกอบของสารสังเคราะห์ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสง SF จะสะสมโปรตีนและไขมันมากขึ้น ในขณะที่ CS จะสะสมคาร์โบไฮเดรตและแป้งที่ละลายน้ำได้มากขึ้น เอฟเฟกต์ของการเพิ่ม SF และ RC ถึง 20% นั้นคล้ายกับแสงสีน้ำเงินแบบสีเดียว หมายเหตุ: SF หมายถึงแสงสีน้ำเงิน นี้ใช้ในการสร้างหลอดสังเคราะห์แสง
โภชนาการแร่ธาตุ
ระบอบการปกครองของน้ำ
ส่วนประกอบของก๊าซในอากาศ
เนื้อหาขั้นต่ำของ CO 2 ในอากาศ - สำหรับ C3 - 0.005% สำหรับ C4 - 0.0005%
การเพิ่มขึ้นของ CO 2 จาก 0.03% เป็น 0.3% ทำให้ความเข้มของการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้น การเพิ่ม CO 2 เป็น 1% ต่อไปจะไม่ส่งผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง
เมื่อขาดน้ำมาก ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะลดลงเนื่องจากการปิดของปากใบ ซึ่งลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ส่งไปยังใบ ลดการคายน้ำ และทำให้อุณหภูมิใบเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การขาดน้ำยังเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและด้วยเหตุนี้การทำงานของเอ็นไซม์
ความเข้มสูงสุดของการสังเคราะห์ด้วยแสงที่การขาดน้ำ 5-10% ที่ 20% - ลดลงอย่างรวดเร็วและการสังเคราะห์แสงที่ 50% จะหยุดลง
การยกเว้น EMF ใดๆ ส่งผลเสียต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง โพแทสเซียมกระตุ้นกระบวนการฟอสโฟรีเลชั่นและเกี่ยวข้องกับการเปิดปากใบ แมกนีเซียมเป็นส่วนหนึ่งของคลอโรฟิลล์ กระตุ้นปฏิกิริยาของคาร์บอกซิเลชันและการลดลงของ NADP ธาตุเหล็กจำเป็นต่อการสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ แมงกานีสและคลอรีนมีส่วนร่วมในการสลายตัวด้วยแสงของน้ำ ทองแดงเป็นส่วนหนึ่งของพลาสโตไซยานิน ไนโตรเจนจำเป็นต่อการสร้างคลอโรพลาสต์และการสร้างเม็ดสี ซัลเฟอร์เป็นส่วนหนึ่งของโปรตีน ETC
ประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสง- แสดงลักษณะเปอร์เซ็นต์ของการเก็บพลังงาน PAR ในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ด้วยแสง ประสิทธิภาพของพืชใน biosphere ต่ำ: ประมาณ 0.2% สำหรับอ้อย - 1.9% สำหรับ k-la - 0.5-0.6% ประสิทธิภาพในพืชอุตสาหกรรม 0.5-1.5% การคำนวณแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะได้รับประสิทธิภาพสูงสุด 12% ในพืชผล ในพืชข้าวโพดได้รับประสิทธิภาพ 7-8% แล้ว
วิธีเพิ่มประสิทธิภาพ:
1) การควบคุมปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (แสง ความชื้น อุณหภูมิ)
2) การสร้างพืชผลด้วยพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง:
– พื้นที่ใบ. ILP - อย่างน้อย 4-5 เช่น ต่อ 1 เฮกตาร์ พื้นที่ใบควรอยู่ที่ 40-50,000 ม. 2
– ความหนาแน่นของแสงของพืชผลซึ่งช่วยให้ใช้แสงได้ดีขึ้น สิ่งนี้ทำได้โดยอัตราการเพาะซึ่งทำให้เกิดความหนา (บนแปลงเมล็ดมันฝรั่ง) หรือพืชที่กระจัดกระจายมากขึ้น (เมล็ดพืชของธัญพืช)
- มีบทบาทสำคัญ การจัดเรียงใบบนพืช. มันไม่ดีทั้งการจัดเรียงแนวนอนและแนวตั้ง (คันธนู) ดีกว่า - รูปกรวยเหมือนข้าวโพดและซีเรียล
3) การยืดระยะเวลาของพืชที่ใช้งานของพืช:
โดยการปลูกต้นกล้าหัวที่งอก
หว่านเร็ว
จำเป็นต้องบำรุงรักษาพืชให้อยู่ในสภาพทางสรีรวิทยาที่ใช้งานอยู่ ในการก่อตัวของพืชผล ไม่เพียงแต่ใบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงหู ลำต้น และแม้แต่หนามด้วย ซึ่ง F.
4) การแนะนำพืชชนิดใหม่โดยพื้นฐานซึ่งผลผลิตของพืชเพิ่มขึ้น 1.5-2 เท่าเนื่องจากกิจกรรมการสังเคราะห์แสงที่สูงขึ้น (แถบและพืชอื่น ๆ )
การบริโภคทรัพยากรฟอสซิลอย่างไม่มีการควบคุมทำให้โลกเข้าสู่วิกฤตระบบนิเวศน์และพลังงาน ในสถานการณ์เช่นนี้ จำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน ซึ่งในแง่หนึ่งจะเหมาะสมกับโลกน้ำมันของเรา และในทางกลับกัน ก็จะเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและให้ผลกำไรทางเศรษฐกิจ วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม (IF) ซึ่งต้องขอบคุณการติดตั้งที่มนุษย์สร้างขึ้นสำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์จากไฟฟ้า แสง และแบคทีเรียเกราะสังเคราะห์แสงของเซมิคอนดักเตอร์ที่น่าทึ่งได้ถือกำเนิดขึ้นแล้ว
วิกฤตการณ์พลังงานโลก หรือเหตุใดจึงต้องสังเคราะห์แสงเทียม
ทุกวันนี้ ประชากรโลกจำนวนมากอยู่แล้วเพิ่มขึ้น 1% ต่อปี มนุษยชาติตอบสนองความต้องการด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้นทุกปีโดยส่วนใหญ่มาจากค่าใช้จ่ายของทรัพยากรฟอสซิล แต่จะไม่เป็นความลับอีกต่อไปสำหรับใครก็ตามที่ปริมาณสำรองน้ำมันและถ่านหินมีจำกัด และในกรณีส่วนใหญ่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ เมื่อปริมาณของพวกมันไม่สอดคล้องกับจังหวะการพัฒนาทั่วโลกอีกต่อไป (หรือใช้จนหมด) โลกจะเผชิญกับวิกฤตพลังงานในสัดส่วนที่ไม่เคยมีมาก่อน
เราสามารถสังเกตการต่อสู้ที่ดุเดือดในเวทีโลกเพื่อแสวงหาแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลขนาดใหญ่ได้แล้ว ในอนาคตเชื้อเพลิงจะน้อยลงเรื่อยๆ และความขัดแย้งทางผลประโยชน์จะเกิดขึ้นบ่อยขึ้นเรื่อยๆ
ตลอด 2 ศตวรรษที่ผ่านมา มนุษยชาติถูกบดบังด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีอยู่มากมาย และได้พัฒนาเทคโนโลยีมากมายที่อิงจากเชื้อเพลิงเหล่านี้ โดยปราศจากซึ่งชีวิตในปัจจุบันเป็นสิ่งที่คิดไม่ถึง เริ่มแรกมีหัวรถจักรถ่านหินและไอน้ำ จากนั้นผู้คนเรียนรู้ที่จะผลิตไฟฟ้าโดยการเผาถ่านหินก้อนเดียวกัน เพื่อผลิตเตาแก๊ส การขนส่งสาธารณะและส่วนตัว ทั้งหมดนี้ต้องการการบริโภคสารอินทรีย์ที่เก็บไว้เมื่อหลายล้านปีก่อน โดยการใช้พลังงานของสสารเหล่านี้ มนุษยชาติได้ก้าวกระโดดในด้านต่างๆ ของชีวิตสาธารณะ: ประชากรโลกมีมากกว่า 7 พันล้านคน เมืองและรัฐที่เจริญรุ่งเรืองได้ถือกำเนิดขึ้นในทะเลทราย กำลังการผลิตและระดับการบริโภคเพิ่มขึ้นทุกปี ไม่ต้องสงสัยเลยว่าโลกสมัยใหม่นั้นเป็นไปไม่ได้หากปราศจากถ่านหิน ผลิตภัณฑ์น้ำมัน และก๊าซ
ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของพลังงานสมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นแล้ว: ในแง่หนึ่ง ความต้องการเปลี่ยนมาใช้พลังงานหมุนเวียนนั้นชัดเจนอย่างยิ่ง ในทางกลับกัน โลกไม่ได้ถูกปรับให้เหมาะกับการบริโภคพลังงานดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ในทศวรรษที่ผ่านมา มีการพัฒนาแหล่งพลังงานที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้เพิ่มมากขึ้น เรากำลังพูดถึง การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม (IF)- วิธีเปลี่ยนพลังงานของดวงอาทิตย์ให้เป็นเชื้อเพลิงอินทรีย์ในรูปแบบที่สะดวก
เราต้องไม่ลืมว่าการเผาไหม้เชื้อเพลิงนำไปสู่การปล่อย CO 2 จำนวนมหาศาลสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งส่งผลเสียต่อสถานะของชีวมณฑลทั้งหมด ในเมืองใหญ่อิทธิพลนี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษ: รถสูบบุหรี่และสถานประกอบการหลายพันคันก่อตัวเป็นหมอกควันและพลเมืองทุกคนที่ออกจากเมืองก่อนอื่นชื่นชมอากาศบริสุทธิ์ การสร้างแหล่งพลังงานที่สามารถดูดซับ CO 2 และผลิต O 2 ได้เช่นเดียวกับพืช สามารถหยุดการเสื่อมโทรมของสิ่งแวดล้อมที่ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว
ดังนั้น IF จึงเป็นทางออกที่เป็นไปได้สำหรับทั้งวิกฤตการณ์ด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมทั่วโลก แต่ IF ทำงานอย่างไร และแตกต่างจากธรรมชาติอย่างไร?
ความเขียวขจีที่ไม่สมบูรณ์
รูปที่ 2 การสังเคราะห์ด้วยแสงแบบไม่เป็นวัฏจักรในพืชอิเล็กตรอนจะหลุดออกจากคลอโรฟิลล์ที่กระตุ้นด้วยแสงของระบบภาพถ่าย II (PS-II) และ "รู" ที่เกิดขึ้นนั้นเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกน้ำ ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายไม่ใช่เม็ดสีของระบบภาพถ่ายเหมือนแบคทีเรียสีม่วง แต่เป็น NADP + ข้อแตกต่างอีกประการหนึ่งคือในพืช ระบบภาพถ่ายสองระบบ (FS-I และ PS-II) สร้างกลไกที่เชื่อมโยงกัน และสำหรับหนึ่งรอบของการทำงาน จำเป็นต้องมีการดูดกลืนโฟตอนสองตัว รูปไม่แสดง b 6 f คอมเพล็กซ์
การไล่ระดับสี H+ ที่เป็นผลลัพธ์จะให้พลังงานสำหรับการสังเคราะห์ ATP ผ่านทางเอนไซม์ ATP synthase ซึ่งคล้ายกับการที่น้ำที่ตกลงมากลายเป็นแหล่งพลังงานสำหรับโรงสีน้ำ (รูปที่ 3) ATP เป็นพาหะนำพลังงานเคมีสากลในเซลล์และมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่ใช้พลังงานส่วนใหญ่ รวมถึงปฏิกิริยาของวัฏจักรแคลวิน ซึ่งรับประกันการเปลี่ยน CO 2 เป็นสารอินทรีย์ที่ลดลง ในรอบนี้ พลังงานส่วนใหญ่ถูกใช้ไปกับการต่อสู้กับปฏิกิริยาข้างเคียง มีวิธีอื่นในการดูดซึมคาร์บอน เช่น เส้นทาง Wood-Lyungdal ซึ่งจะเขียนถึงในภายหลัง
รูปที่ 3 การจัดเก็บพลังงานแสงในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง โปรตีนในระบบแสงจะนำพาโปรตอนไปทั่วเยื่อหุ้มเซลล์ด้วยพลังงานโฟตอน เอนไซม์ ATP synthase จะทิ้งการไล่ระดับความเข้มข้นของ H + ที่เกิดขึ้นและสร้างตัวพาพลังงานสากลในเซลล์ - ATP การเปรียบเทียบโรงสีน้ำปั่นนั้นใกล้เคียงกับความเป็นจริงมาก
แม้ว่าท้ายที่สุดแล้วการสังเคราะห์ด้วยแสงจะให้พลังงานแก่ชีวมณฑลทั้งหมด แต่ประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ยังเป็นที่ต้องการอีกมาก (ตารางที่ 1) เจ้าของสถิติการสังเคราะห์ด้วยแสงคือข้าวฟ่างที่ปลูกเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี 6.6% สำหรับการเปรียบเทียบ: มันฝรั่ง ข้าวสาลี และข้าวมีประมาณ 4%
| สาเหตุของการสูญเสียพลังงาน | การสูญเสียพลังงาน | ส่วนที่เหลือ |
|---|---|---|
| การดูดกลืนโฟตอนเฉพาะในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม | 47% | 53% |
| ฟลักซ์แสงเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ผ่านส่วนที่สังเคราะห์แสงของใบไม้ได้ | 70% | 37% |
| แม้ว่าจะมีโฟตอนพลังงานสูงและพลังงานต่ำในแสงที่ตามองเห็น แต่โฟตอนทั้งหมดจะถูกดูดซับโดยระบบภาพถ่ายในรูปของพลังงานต่ำ (หลักการคาราวานแบบหนึ่ง) | 24% | 28% |
| การสูญเสียในการสังเคราะห์กลูโคส | 68% | 9% |
| การทำความสะอาดใบจากผลพลอยได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสง ( ซม.การหายใจด้วยแสง) | 32% | 6% |
ในขณะเดียวกัน ประสิทธิภาพทั่วไปของแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์สมัยใหม่คือ 15-20% และต้นแบบมีค่าถึง 46% ความแตกต่างในประสิทธิภาพของโฟโตเซลล์ที่มนุษย์สร้างขึ้นและพืชที่มีชีวิตนั้นอธิบายได้เบื้องต้นเนื่องจากไม่มีขั้นตอนการสังเคราะห์ แต่มีความแตกต่างที่ลึกซึ้งกว่านั้น: ระบบภาพถ่ายของพืชดึงพลังงานจากโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ด้วยความยาวคลื่น 400–700 นาโนเมตรเท่านั้น และผลลัพธ์จากโฟตอนพลังงานสูงจะเหมือนกับโฟตอนที่พลังงานต่ำทุกประการ สารกึ่งตัวนำที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์จับโฟตอนของสเปกตรัมที่กว้างขึ้น และเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงสุด วัสดุที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัมแสงอาทิตย์จะรวมกันเป็นแบตเตอรี่ก้อนเดียว
เป้าหมายสูงสุดของวิศวกร IF คือการสร้างสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่ง (หรือสิ่งมีชีวิตเทียม) ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ดีกว่าพืช ทุกวันนี้ ความคิดด้านวิศวกรรมชีวภาพได้มาถึงระดับที่สามารถลองทำสิ่งนี้ได้ และในแต่ละปี ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้เป้าหมายที่ตั้งไว้มากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้เราประหลาดใจกับการค้นพบที่น่าทึ่ง
IF ที่แตกต่างกัน
รูปแบบ IF ที่ง่ายที่สุดคือ การสังเคราะห์สารอินทรีย์แบบ abiotic อย่างเต็มที่บนตัวเร่งปฏิกิริยา. ในปี 2014 มีการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียมที่สังเคราะห์มีเทนจาก H 2 และ CO 2 เมื่อส่องไฟ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมซึ่งเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนถึง 150 ° C และแสงที่รุนแรง ตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งกรัมจะสร้างมีเธนหนึ่งมิลลิโมลต่อชั่วโมง ซึ่งแน่นอนว่ามีปริมาณน้อยมาก นักวิทยาศาสตร์เองที่ศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยายอมรับว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวที่ราคาตัวเร่งปฏิกิริยาค่อนข้างสูงนั้นต่ำเกินไปสำหรับการใช้งานจริง
การสังเคราะห์ด้วยแสงที่แท้จริงเป็นกระบวนการหลายขั้นตอน ซึ่งในแต่ละขั้นตอนจะมีการสูญเสียพลังงาน ในส่วนนี้เป็นสิ่งที่ดีด้วยซ้ำ เพราะมันเปิดพื้นที่มากมายสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ ในกรณีของการสังเคราะห์ด้วยแสงแบบ abiogenic สิ่งที่ทำได้คือสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่โดยพื้นฐาน
วิธีการที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับ IF - การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์. ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพดังกล่าวใช้อย่างผิดปกติ ไม่จุลินทรีย์สังเคราะห์แสงซึ่งยังสามารถตรึง CO 2 ได้โดยใช้แหล่งพลังงานอื่น
มาทำความคุ้นเคยกับการออกแบบอุปกรณ์หลายประเภทสำหรับ IF โดยใช้ตัวอย่างเฉพาะ
ในปี 2014 มีการเผยแพร่ผลการทดสอบของโรงงานที่แปลงกระแสไฟฟ้าเป็นชีวมวลด้วยประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 13% ในการรับเครื่องปฏิกรณ์ IF ก็เพียงพอแล้วที่จะเชื่อมต่อแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ การตั้งค่านี้โดยพื้นฐานแล้วเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี (รูปที่ 4 ก) โดยที่ขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ววางอยู่ในสารอาหารที่มีแบคทีเรีย ราลสโทเนีย ยูโทรฟา(พวกเขาคือ - Cupriavidus necator). เมื่อใช้กระแสภายนอก ตัวเร่งปฏิกิริยาบนขั้วบวกจะแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและโปรตอน และตัวเร่งปฏิกิริยาบนแคโทดจะลดโปรตอนเป็นก๊าซไฮโดรเจน อาร์ยูโทรฟาได้รับพลังงานสำหรับการดูดซึมของ CO 2 ในวัฏจักรแคลวินเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของ H 2 โดยเอนไซม์ไฮโดรจีเนส
รูปที่ 4 เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับ IF จากเซลล์ไฟฟ้าเคมีกระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้จากโฟโตไลซิสของน้ำที่ขั้วบวกโดยใช้แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ (ก) หรือไม่มีก็ได้ (ข) . ในทั้งสองกรณี อิเล็กตรอนที่นำมาจากน้ำจะให้จุลินทรีย์ autotrophic เทียบเท่ากับการกู้คืนที่จำเป็นสำหรับการตรึง CO 2
จากการคำนวณของนักพัฒนา การรวมการติดตั้งเข้ากับแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ทั่วไป (ประสิทธิภาพ 18%) จะทำให้ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงทั้งหมดอยู่ที่ 2.5% หากพลังงานแสงทั้งหมดถูกแปลงเป็นการเจริญเติบโตของมวลชีวภาพ และ 0.7% หากแบคทีเรียสังเคราะห์บิวทานอลดัดแปลงพันธุกรรม ถูกนำมาใช้ ผลลัพธ์นี้เทียบได้กับประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชจริงแม้ว่าจะไม่ถึงระดับของพืชที่ปลูกก็ตาม ความสามารถ อาร์ยูโทรฟาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ในที่ที่มี H 2 นั้นน่าสนใจมาก ไม่เพียงแต่ในบริบทของ IP เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการประยุกต์ใช้พลังงานไฮโดรเจนด้วย
ในปี พ.ศ. 2558 นักวิทยาศาสตร์จากแคลิฟอร์เนียได้สร้างสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่งที่น่าสนใจพอๆ กัน ซึ่งขั้นตอนการดูดกลืนแสงและการสังเคราะห์มีความเกี่ยวข้องกันมากขึ้น โฟโตแอโนดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ออกแบบไว้ เมื่อส่องสว่าง จะแยกน้ำออกเป็นออกซิเจน โปรตอน และอิเล็กตรอน ซึ่งจะถูกส่งไปตามตัวนำไปยังแคโทด (รูปที่ 4 ข). ในการเพิ่มอัตราการสลายโฟโตไลซิสของน้ำที่ขอบเขตของเฟส โฟโตแอโนดทำจากเส้นลวดนาโนของซิลิคอนที่เพิ่มจำนวนพื้นผิว
แคโทดของการตั้งค่านี้ประกอบด้วย "ฟอเรสต์" ของ TiO2 nanorods (รูปที่ 5 ก) ซึ่งแบคทีเรียเติบโต สปอโรมัสโอวาตา. อิเล็กตรอนจากโฟโตแอโนดจะตรงไปยังแบคทีเรียเหล่านี้ ซึ่งใช้พวกมันเป็นตัวรีดิวซ์เทียบเท่าสำหรับการเปลี่ยน CO 2 ที่ละลายในตัวกลางให้เป็นอะซีเตต
รูปที่ 5 การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์เป็นสิ่งที่คิดไม่ถึงหากไม่มีวัสดุนาโน ก - ในเครื่องปฏิกรณ์ IF จากบทความ CO 2 ตรึงแบคทีเรียที่เติบโตใน "นาโนฟอเรสต์" ของแท่งซิลิกอนที่เคลือบด้วย TiO 2 (ชั้น 30 นาโนเมตร) โครงสร้างนาโนนี้สร้างสภาวะไร้อากาศที่จำเป็นสำหรับแบคทีเรีย และเพิ่มความหนาแน่นพื้นผิวของการสัมผัสระหว่างแบคทีเรียและตัวนำ ข - ด้วยวิธีการที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน แบคทีเรียไม่ได้ถูกวางบนเซมิคอนดักเตอร์ แต่เซมิคอนดักเตอร์ถูกวางบนแบคทีเรีย ด้วยเปลือกของ CdS แบคทีเรียที่ตายด้วยแสงจะกลายเป็นสังเคราะห์แสงได้
TiO 2 nanoscaffold ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกัน: ให้ความหนาแน่นสูงของแบคทีเรียที่หน้าสัมผัส ปกป้องภาระผูกพันแบบไม่ใช้ออกซิเจน ส. โอวาตะจากออกซิเจนที่ละลายอยู่ในสิ่งแวดล้อม และยังสามารถเปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า ช่วยให้แบคทีเรียสามารถแก้ไข CO 2 ได้
ส. โอวาตะ- แบคทีเรียที่มีเมแทบอลิซึมที่ยืดหยุ่นมากซึ่งปรับให้เข้ากับการเจริญเติบโตในโหมดอิเล็กโทรโทรฟิคได้อย่างง่ายดาย พวกเขาแก้ไข CO 2 ตามทางเดิน Wood-Ljungdal ซึ่งอะซิเตตเพียง 10% เท่านั้นที่ไปสู่การเจริญเติบโตของชีวมวล และอีก 90% ที่เหลือถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม
แต่โดยตัวของมันเองแล้ว อะซิเตทมีค่าเพียงเล็กน้อย เพื่อแปลงเป็นสารที่ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า, ดัดแปลงพันธุกรรม เอสเคอริเชีย โคไลการสังเคราะห์บิวทานอล ไอโซพรีนอยด์ หรือโพลีไฮดรอกซีบิวทีเรตจากอะซิเตต สารสุดท้าย เชื้ออีโคไลผลิตด้วยผลผลิตสูงสุด
สำหรับประสิทธิภาพของการติดตั้งทั้งหมดนั้นต่ำมาก พลังงานแสงอาทิตย์สามารถเปลี่ยนเป็นอะซิเตตได้เพียง 0.4% และการเปลี่ยนอะซิเตตเป็นโพลีไฮดรอกซีบิวทีเรตมีประสิทธิภาพ 50% โดยรวมแล้วพลังงานแสงเพียง 0.2% สามารถเก็บในรูปของสารอินทรีย์ ซึ่งสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงหรือวัตถุดิบในการผลิตสารเคมีต่อไปได้ นักพัฒนาถือว่าความสำเร็จหลักของพวกเขาคือการตั้งค่าที่พวกเขาสร้างขึ้นสามารถใช้สำหรับการสังเคราะห์ทางเคมีที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในการออกแบบ สิ่งนี้แสดงให้เห็นความคล้ายคลึงกับการสังเคราะห์ด้วยแสงตามธรรมชาติ ซึ่งสารอินทรีย์ทุกชนิดจะถูกสังเคราะห์ในที่สุดจากการดูดซึมของ CO 2 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต
ในทั้งสองเทคโนโลยีที่อธิบายไว้ นักพัฒนาพยายามผสมผสานความสมบูรณ์แบบของเซมิคอนดักเตอร์ในฐานะตัวดูดซับพลังงานแสงเข้ากับพลังเร่งปฏิกิริยาของระบบชีวภาพ และผลลัพธ์ของการติดตั้งทั้งสองก็คือเซลล์เชื้อเพลิงแบบ "ย้อนกลับ" ซึ่งกระแสไฟฟ้าถูกใช้เพื่อสังเคราะห์สารต่างๆ
ด้วยวิธีการที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน เซลล์แต่ละเซลล์จะถูกรวมเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์ให้เป็นเซลล์เดียว ดังนั้นเมื่อต้นปี 2559 มีการตีพิมพ์ผลงานที่แบคทีเรีย - อะซิโตเจน มูเรลลาเทอร์โมอะเซติกาปลูกในอาหารที่มีซิสเทอีนและแคดเมียมสูง เป็นผลให้มักจะพินาศในแสง M. เทอร์โมอะซีติกาปกคลุมด้วยเปลือกของ CdS (เซมิคอนดักเตอร์) จึงไม่เพียงแต่ได้รับการปกป้องจากดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังกลายเป็นสารสังเคราะห์ด้วยแสงอีกด้วย อิเล็กตรอนจาก CdS เข้าสู่เส้นทาง Wood-Lyungdal (รูปที่ 5 ข).
การทดลองเกี่ยวกับแบคทีเรีย "หุ้มเกราะ" ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า CO 2 นั้นคงที่ไม่เพียง แต่ในแสงสว่างเท่านั้น แต่ยังอยู่ในความมืดด้วย (ขึ้นอยู่กับวงจรรายวัน) เหตุผลนี้คือการสะสมของสารสังเคราะห์แสงในแสงในปริมาณที่เซลล์ไม่มีเวลาในการประมวลผล ข้อได้เปรียบหลักของแบคทีเรียดังกล่าวเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ที่อธิบายไว้ข้างต้นคือการจัดระเบียบตนเอง สำหรับเซลล์ วัสดุนาโนและตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องประกอบขึ้นสำเร็จรูป และชิ้นส่วนเหล่านี้จะเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลาเท่านั้น เมื่อไร M. เทอร์โมอะซีติกาหน่วยสังเคราะห์แสงแบ่ง ผลิต และซ่อมแซมทุกสิ่งที่พวกเขาต้องการหากมีแคดเมียมและซิสเทอีนเพียงพอในสิ่งแวดล้อม แบคทีเรียเหล่านี้ยังไม่ได้รับการศึกษาว่าเป็นแหล่งเชื้อเพลิง แต่ในแง่ของควอนตัมผลผลิตของการสังเคราะห์ด้วยแสง พวกมันไม่ได้ด้อยกว่าพืช
รอไม่นาน...
เทคโนโลยี IF ยังอยู่ในขั้นตอนต้นแบบ แต่นักพัฒนามองเห็นช่องว่างมากมายสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ เป็นไปได้ที่จะเพิ่มประสิทธิภาพสารกึ่งตัวนำที่จับแสง จุลินทรีย์ การจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของแบคทีเรีย และตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ แต่ก่อนอื่นจำเป็นต้องแก้ปัญหาความมั่นคง ประสิทธิภาพของการติดตั้งที่ผลิตลดลงอย่างเห็นได้ชัดหลังจากใช้งานไปสองสามวัน อุปกรณ์ IF ที่เตรียมพร้อมอย่างเต็มที่ เช่นเดียวกับระบบที่มีชีวิตอื่นๆ จะต้องสร้างและแพร่พันธุ์ตัวเองใหม่ ในเรื่องนี้สนใจเป็นพิเศษ M. เทอร์โมอะซีติกาซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้นำไปใช้อย่างครบถ้วน
และแม้ว่าแบบจำลองที่มีอยู่จะยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ แต่การทำงานในด้าน IF นั้นมีคุณค่าในเบื้องต้น เนื่องจากแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้พื้นฐานของการฝังพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในโลกที่ถูกกักเก็บโดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน แน่นอนว่ากังหันลมและแผงเซลล์แสงอาทิตย์นั้นมีประสิทธิภาพสูงและให้พลังงานเกือบสมบูรณ์ในอุรุกวัยและเดนมาร์กแล้ว และโรงไฟฟ้าพลังน้ำก็เป็นโหนดสำคัญในโครงข่ายพลังงานของหลายประเทศ แต่การเปลี่ยนเชื้อเพลิงด้วยไฟฟ้าในกรณีส่วนใหญ่จำเป็นต้องปรับโครงสร้างเครือข่ายพลังงานใหม่ทั้งหมดและไม่สามารถทำได้เสมอไป
การพัฒนากองทุนเพิ่มเติมต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก สามารถจินตนาการได้ว่าบริษัทที่ผลิตแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งนักอนาคตคาดการณ์ว่าจะครอบครองโลกในด้านพลังงานภายในปี 2573 จะสนใจในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ที่ยังใหม่และไม่มีประสบการณ์นี้ที่จุดตัดของพลังงานชีวภาพ วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมนาโน ใครจะไปรู้ บางที IF จะไม่กลายเป็นกิจวัตรประจำวันในอนาคต หรือบางทีการทำงานกับมันอาจเป็นแรงผลักดันไปสู่พลังงานไฮโดรเจนหรือเซลล์แสงอาทิตย์ชีวภาพ อีกไม่นานเกินรอ รอดูกัน
วรรณกรรม
- พีระมิดประชากรของโลกตั้งแต่ปี 1950 ถึง 2100 (2556). PopulationPyramid.net;
- Korzinov N. (2550).