«У зв'язку з нашою проблемою, з тією проблемою, яку я спочатку поставив - як же бути з наростаючою чисельністю людей на Землі, виникає питання: «Що може великий біологічний кругообіг у біосфері давати людям?» Цю проблему можна розглянути по трьомосновним пунктам чи місцям щойно описаної мною біосфери:
1) на енергетичному вході,
2) у біологічному кругообігу біосфери та
3) на виході з біологічного круговороту до геології.
Почнемо з енергетичного входу. На поверхню Землі падає певна кількість сонячної енергії. Звісно, спрацювати біологічно може лише та її частина, яка поглинається організмами-автотрофами. З усієї падаючої на Землю сонячної енергії лише певний відсоток (точно його підрахувати не так легко), скажімо, приблизно від трьох до восьми відсотків , поглинається зеленими рослинами З поглиненої енергії не вся йде на фотосинтез. Як і в техніці, в живій природі ми можемо говорити про ККД - коефіцієнт корисної дії фотосинтезу. Він складає (знову-таки підрахувати його дуже нелегко) приблизно від двох до восьми відсотків .
При цьому дуже суттєво помітити, що різні види та групи рослин мають різні ККД.
Так от, вже на вході людство може щось зробити для того, щоб рослинність поглинала більше сонячної енергії, що надходить на Землю, і для цього необхідно підвищити щільність зеленого покриву Землі. Поки ж ми, люди, у своїй господарській, промисловій діяльності та у побуті швидше скорочуємо щільність зеленого покриву Землі, недбало поводжуючись із лісами, луками, полями, будівельними майданчиками. Недостатньо озеленяючи пустелі, степи, ми знижуємо щільність зеленого покриву. Але якраз рівень сучасної техніки та промисловості теоретично дозволяє зробити зворотну роботу - підвищувати всіляко на всіх придатних для цього площах земної поверхні та у водоймах, особливо прісноводних, щільність зеленого покриву.
Причому підвищити його, як свідчать розрахунки, можна щонайменше півтора, можливо, навіть удвічі й цим підвищити біологічну продуктивність Землі.
Вище було сказано, що ККД – коефіцієнти корисної дії – різних видів рослин можуть бути дуже різні, варіюючи від двох до восьми, а у ряду форм рослин і більше відсотків. І тут відкривається для людства ще одна можливість: розумно, звичайно, на основі попереднього точного вивчення ККД різних видів рослин фахівцями-фізіологами намагатися підвищувати відсоток участі в рослинних угрупованнях, що покривають Землю, рослин з найвищим, а не найнижчим ККД. Цим знов-таки можна на якусь цифру, у півтора рази, або менше, або більше, підвищити вже той відсоток сонячної енергії, який засвоюється рослинами та через фотосинтез рослин веде до виробництва органічної речовини на Землі.
Отже, вже на вході в біосферу, на енергетичному вході можна виграти, підвищити біологічну продуктивність Землі, скажімо, вдвічі. Нагадаю - це те, що нам буде абсолютно необхідно через сто років».
Тимофєєв-Ресовський Н.В., Спогади, М., «Вагріус», 2008, с. 344-345.
Характеристика основних показників фотосинтезу:
інтенсивності та продуктивності.
Фотосинтез характеризується такими кількісними показниками:
інтенсивністю фотосинтезу,
продуктивністю фотосинтезу.
Інтенсивність (швидкість) фотосинтезу – це кількість вуглекислого газу, яка засвоюється одиницею листової поверхні за одиницю часу. Залежно від виду рослини цей показник коливається від 5 до 25 мг СО2/дм2. год.
Продуктивність фотосинтезу – це відношення добового збільшення маси всієї рослини (у грамах) до площі листя. У середньому ця величина становить від 5 до 12 г сухої речовини на 1 м2 листової поверхні на добу.
Існує велика кількість методів визначення цих кількісних показників.
Інтенсивність фотосинтезу можна визначати:
газометричними методами,
радіометричними методами.
За допомогою газометричних методів можна визначити кількість засвоєного вуглекислого газу, або кількість виділеного кисню. При цьому використовують як вагові показники газів, що поглинаються або виділяються, так і об'ємні показники, показники тиску, показники фарбування, показники теплопровідності визначених газів.
За допомогою радіометричних методів визначають інтенсивність поглинання С14О2 рослиною за наявністю С14 або зміна радіоактивності газової суміші.
Продуктивність фотосинтезу визначають за накопиченням асимілятів у рослині. При цьому використовують такі методи, як:
зміна кількості сухої речовини висікання з листа через певний часовий проміжок,
накопичення вуглеводів у листі через певний часовий проміжок,
зміна теплоти згоряння сухої речовини листя за період експозиції їх на світлі.
У процесі вегетації інтенсивність та продуктивність фотосинтезу зростають поступово від початку розвитку, досягають максимуму у фазі цвітіння-плодоутворення, а потім поступово зменшуються.
Засвоєння рослиною фотосинтетично-активної радіації.
Фотосинтетично активна радіація (ФАР) - це частина сонячного випромінювання, яка здатна поглинатися хлорофілами в процесі фотосинтезу. ФАР має спектр хвиль від 380 до 710 нм і складається з прямих сонячних променів і розсіяного світла, інтенсивність якого дорівнює 1/3 прямої сонячної радіації. У розсіяному світлі частку ФАР припадає до 90%, тобто розсіяне світло на відміну прямих сонячних променів може бути поглинений рослиною майже повністю.
Інтенсивність фотосинтезу максимальна у червоній частині спектру та мінімальна у синій та зеленій частинах.
ФАР по-різному поглинається листям різних рослин. Цей процес визначається кількісним та якісним складом пігментів у листі. Вранці та ввечері фотосинтез у рослин із достатнім запасом хлорофілу найбільш інтенсивний.
Про рівень використання рослиною фотохімічної активності хлорофілу судять за асиміляційним числом - тобто за кількістю вуглекислого газу, асимільованого одиницею хлорофілу в одиницю часу.
У рослин з темно-зеленим листям асиміляційне число невелике, це рослини, що мешкають в основному в тіні, у рослин зі світло-зеленим забарвленням - цей показник значно вищий, тому що це світлолюбні рослини.
Основне поглинання ФАР відбувається у верхніх ярусах посіву, так само і міститься більша кількість хлорофілу.
Поглинання променистої енергії листом виражається формулою:
де Q - кількість радіації, що падає на лист, R - відбита радіація,%, Т - пропущена радіація,%, А - поглинена радіація,%. Усі три показники залежать від вмісту хлорофілу в аркуші.
Фотосинтез можливий при мінімальній інтенсивності світла, при збільшенні інтенсивності світла до 1/3 від повного сонячного освітлення інтенсивність фотосинтезу зростає, при ще більш високій освітленості інтенсивність фотосинтезу підвищується незначно, а при максимальному освітленні настає світлове насичення фотосинтезу і діє механізм фотодихання.
Загальна кількість сонячної радіації, що падає на 1 га за період вегетації, становить 21.109 кДж, їх ФАР - лише 8.109 кДж, тобто лише близько однієї третини.
Кількість ФАР, поглиненої посівом, визначають за формулою:
П = Q - R - Тп + Rп
де П - поглинена посівом радіація, Q - сумарна радіація, що падає на посів, R - радіація, відбита від посіву і що вийшла за межі його верхньої межі, Тп - радіація, що проникла до ґрунту, Rп - радіація, відбита від ґрунту під рослинністю.
Коефіцієнт поглинання енергії ФАР (Qп) посівом визначають розподілом обох частин формули Q:
Qп = П/Q = 1 - R/Q - Тп/Q + Rп/Q,
де R/Q - альбедо посіву, що показує, яка частка падаючої радіації відбивається посівом, Тп/Q-коефіцієнт пропускання, що показує, яка частка падаючої радіації (Q) досягає грунту під рослинністю, Rп/Q - альбедо грунту під рослинністю.
Ефективність фотосинтезу можна характеризувати коефіцієнтом корисної дії, який визначають за такою формулою:
Е% (ККД) = В.100/А,
де А - кількість енергії, що надійшла за період вегетації на 1 га посіву, або енергії, яка була поглинена посівом, кДж, В - кількість енергії, що накопичилася в органічній масі врожаю (біологічного або господарського), в кДж.
Доведено, що для утворення продуктів фотосинтезу за всіх сприятливих умов (зрошення, висока концентрація СО2) сонячна енергія використовується лише на 2%. У середньому ККД фотосинтезу сільськогосподарських рослин у реальних умовах становить близько 0,5-1% (тобто близько 16 кДж/м2 на годину), теоретично можливо підвищення рівня цього показника до 4-6%. Однією з найнагальніших завдань, що стоять перед практичним сільськогосподарським виробництвом, є підвищення ефективності фотосинтезу.
Фотосинтез безпосередньо управляти практично неможливо, але непрямими шляхами можна.
Площа листя. ІЛП має бути не менше 4-5, тобто. на 1 га площа листя має становити 40-50 тис. м 2 .
Оптисеська густина посівів, яка дозволяє краще використовувати світло. Це досягається нормами висіву насіння, що дозволяє формувати або загущені (наприклад, на насіннєвих ділянках картоплі), або більш зріджені посіви (наприклад, насіннєві посіви зернових).
Велику роль грає форма розташування листя на рослині. Погано як з горизонтальним, так і строго вертикальним (цибуля) розташуванням. Краще – лійкоподібна як у кукурудзи, зернових.
Регулювання екологічних факторів (світло, температура, СО2, Н2О, мінеральне харчування та ін.)
Створення посівів із оптимальними параметрами для фотосинтезу:
Велику роль відіграє лист прапора – найвищий лист у зернових. За рахунок його роботи формується близько 50% продуктів фотосинтезу після цвітіння під час наливу зерна.
Продовження періоду активної вегетації рослин шляхом висадки розсадою, пророщеними бульбами, ранніми строками сівби. Потрібно підтримувати рослини в активному фізіологічному стані.
У формуванні врожаю беруть участь як листя, а й колосся, стебла і навіть ості, у яких протікає фотосинтез. Їхня частка різна, але цілком відчутна.
Використання нових видів посівів, у яких продуктивність рослин зростає в 1,5-2 разу з допомогою вищої фотосинтетичної діяльності. Такими є вузькосмугові посіви: чергування смуг шириною близько 1 м високостеблових культур (зернові) і просапних (буряк, картопля та ін.). просапні культури та ряд інших переваг.
Фотосинтез є основним високорентабельним способом використання сонячної енергії.
Залежність фотосинтезу від факторів довкілля та особливостей рослин
Залежність ІФ від вмісту ХЛ пояснюється показником асиміляційного числа (АЧ) або число Вільштеттера. АЧ – кількість асимільованої листом СО 2 за 1 годину на одиницю хлорофілу, що міститься. Чим вищий вміст хлорофілу, тим нижчий вміст АЧ. У рослин зі світло-зеленим листям величина АЧ 60-80, у темно-зелених - 5-7 мг 2 /год мг ХЛ.
Хлорофіл єдиний у всьому рослинному світі і його вміст залежно від умов зростання коливається від 0,7 до 9 мг/дм 2 .
Чим більше рослина поглинає світла, тим менше у листі вміст ХЛ. У помірній зоні, наприклад, РБ листя темно-зелене, у південних районах - світло-зелене. Рослини зазвичай синтезують хлорофіл з деяким надлишком. Його вміст у рослинах від сотих до десятих часток відсотка на природну вологість (0,05-0,32%).
Зміна фотосинтезу в онтогенезі.
Для вивчення цієї залежності зазвичай використовують етіоловані проростки, тобто. вирощені у темряві. Вони не містять хлорофілу. При їх висвітленні хлорофіл утворюється через кілька хвилин, а через чотири години починається фотосинтез. У однорічних рослин відбувається одновершинна зміна ІФ в онтогенезі. ІФ встановлюється на певному рівні через дві доби після зелені. Максимальне значення ІФ – під час переходу від вегетації до репродукції (фаза цвітіння). У старілому листі ІФ знижена.
2. Інтенсивність фотосинтезу та фактори зовнішнього середовища.
2.1 ІФ залежить як від сили світла (потоку фотонів), і від його спектрального складу. Залежність ІФ від ІО (інтенсивності світла) описується світловий кривий фотосинтезу, яка має вигляд параболи, що складається із двох фаз. Перша фаза являє собою лінійну залежність ІФ від ІО зі світловим компенсаційним пунктом (СКП). СКП – інтенсивність світла, коли він ИФ = ИД. Друга фаза – зменшення нахилу кривої зі збільшенням ІО і її на плато. Це світлове насичення фотосинтезу.
Узагальнена світлова крива має такий вигляд.
Світлове насичення у З 3 -рослин відбувається при значеннях ІО рівної 0,4-0,6 від ПСО, а у З 4 воно практично не спостерігається.
Сонячна радіація, що відповідає точці вигину світлової кривої, називається радіацією пристосування(РП). ККД фотосинтезу при РП досягає максимальних значень. Однак у посівах через взаємне затінення рослини знаходяться в умовах недостатнього освітлення.
По відношенню до світла рослини поділяються на світлолюбні (СР) і тіньовитривалі (ТР). Вони відрізняються за своїми морфолого-анатомічними та фізіологічними особливостями. Листя СР дрібніші, товщі, у них густе жилкування, мають більш світло-зелене забарвлення і менший вміст хлорофілу. У ТР все навпаки: листя великих розмірів, тонше, рідкісне жилкування, темно-зелене забарвлення, більше хлорофілу, особливо Хлв. СР продуктивніші.
ТР і СР різняться перебігом світлових кривих фотосинтезу (рис.2). При низьких ІО у ТР ІФ вище, ніж у СР, а при збільшенні ІО ІФ у ТР ↓, а у СР.
Здатність окремих видів рослин, гібридів, сортів здійснювати фотосинтез за низьких значень ІО намагаються використовувати у селекційній роботі. Подібний відбір можливий навіть серед С 4-культур - облігатних світлолюбів.
Спектральний склад світла. ІФ залежить від якості світла. Відповідно до квантової теорії 1 Дж червоних променів (КС) містить у 1,5 рази більше квантів, ніж 1 Дж синьо-фіолетових променів (СФ). При вирівнюванні СФ і КС за квантами, що падають, ІФ виявляється вище на КС, ніж на СФ і білому світлі (БС). Однак на насичуючому світлі перевага переходить до СФ. У рослин, вирощених на СФ, насичення Фс відбувається при вищій освітленості і вони ефективніше використовують потужні променисті потоки, ніж рослина на КС.
Якість світла не впливає на число і розміри хлоропластів у листі, що завершив зростання, тому ІФ обумовлені, головним чином, активністю одиничного хлоропласту, яка вище у рослин на СС.
Від якості світла залежить склад речовин, що синтезуються. На СФ більше накопичується білків та ліпідів, а на КС – розчинних вуглеводів та крохмалю. Ефект додавання навіть 20% СФ і КС подібний до ефекту монохроматичного синього світла. Примітка: під СФ розуміє синє світло. Це використовують при конструкції фотосинтетичних ламп.
Мінеральне харчування.
водний режим.
Газовий склад повітря.
Мінімальний вміст СО 2 у повітрі - для С3-0,005%, для С4-0,0005%
Підвищення 2 з 0,03% до 0,3% викликає збільшення інтенсивності фотосинтезу. Подальше зростання СО 2 до 1% не позначається на фотосинтезі,
При великому водному дефіциті інтенсивність фотосинтезу знижується через закриття продихів, що зменшує надходження 2 у листя, знижує транспірацію і призводить до підвищення температури листа. Крім того, зневоднення змінює конформацію і, отже, активність ферментів.
Максимальна інтенсивність фотосинтезу при водному дефіциті 5-10%, при 20% різко падає і при 50% фотосинтез припиняється
Виняток будь-якого ЕМП негативно позначається на фотосинтезі. Калій активує процеси фосфорилювання та бере участь у відкритті продихів. Магній входить до складу хлорофілів, активує реакції карбоксилювання та відновлення НАДФ. Залізо необхідне синтезу хлорофілів. Марганець та хлор беруть участь у фоторозкладанні води. Мідь входить до складу пластоціаніну. Азот необхідний для формування хлоропластів та утворення пігментів. Сірка входить до складу білків ЕТЦ
ККД фотосинтезу– характеризує відсоток запасання енергії ФАР у продуктах фотосинтезу. ККД рослин біосфери невеликий: близько 0,2%, у сах.тросника - 1,9%, у к-ля - 0,5-0,6%. ККД у виробничих посівах 0,5-1,5%. Розрахунки показують, що теоретично реально отримувати посівах ККД до 12%. У посівах кукурудзи вже отримано ККД 7-8%.
Шляхи підвищення ККД:
1) регулювання екологічних факторів (світло, вологість, температура)
2) створення посівів з оптимальними параметрами для фотосинтезу:
– площа листя. ІЛП - щонайменше 4-5, тобто. на 1 га площа листя має становити 40-50 тис. м 2 .
– оптична щільність посівівяка дозволяє краще використовувати світло. Це досягається нормами висіву, що дозволяє формувати загущені (на насіннєвих ділянках картоплі), або більш зріджені посіви (насіннєві посіви зернових).
- Велику роль грає форма розташування листя на рослині. Погано як з горизонтальним, так і строго вертикальним (цибуля) розташуванням. Краще – лійкоподібна як у кукурудзи та зернових.
3) продовження періоду активної вегетації рослин:
Шляхом висадки розсадою, пророщеними бульбами.
Ранні терміни сівби.
Необхідно підтримувати рослини в активному фізіологічному стані. У формуванні врожаю беруть участь як листя, а й колосся, стебла і навіть ості, у яких протікає Ф.
4) Використання принципово нових видів посівів, у яких продуктивність рослин зростає в 1,5-2 рази рахунок більш високої фотосинтетичної діяльності (смуговий та інших. посіви).
Безконтрольне споживання копалин ресурсів привело світ на поріг еколого-енергетичної кризи. У подібній обстановці необхідне принципово інше джерело енергії, яке, з одного боку, вписувалося б у наш нафтовий світ, а з іншого - було б відновне, екологічно чисте і економічно вигідне. Можливе рішення – штучний фотосинтез (ІФ), завдяки якому на світ вже з'явилися рукотворні установки для синтезу органіки з електрики, світла, а також дивовижні напівпровідникові бронебактерії-фотосинтетики.
Глобальна енергетична криза, або Навіщо потрібний штучний фотосинтез
Сьогодні і так велике населення планети збільшується на 1% щорічно. Зростаючи з кожним роком енергетичні потреби людство задовольняє насамперед за рахунок викопних ресурсів. Але вже ні для кого не секрет, що запаси нафти та вугілля обмежені і здебільшого невідновні. Коли їх обсяги перестануть відповідати глобальним темпам розвитку (або навіть витратиться), світ зіткнеться з енергетичною кризою небувалих масштабів.
Вже зараз можна спостерігати запеклу боротьбу, що розв'язалася на світовій арені за великі джерела палива. У перспективі пального буде все менше, а конфлікти інтересів відбуватимуться дедалі частіше.
Останні два століття людство було засліплене доступністю копалин енергоносіїв і розробило безліч заснованих на них технологій, без яких життя сьогодні просто немислиме. Спочатку були вугілля та паровози, потім люди навчилися отримувати електрику, спалюючи те ж вугілля, виробляти газові плити, приватний та громадський транспорт – все це потребує витрати запасених мільйони років тому органічних речовин. Використовуючи енергію цих речовин, людство зробило стрибок у багатьох сферах суспільного життя: чисельність світового населення перевищила 7 млрд, у пустелях виникли квітучі міста та держави, виробничі потужності та рівень споживання збільшуються з року в рік. Без сумніву, сучасний світ немислимий без вугілля, нафтопродуктів та газу.
Тут проявляється дилема сучасної енергетики: з одного боку, абсолютно очевидною є необхідність переходу на відновлювані джерела енергії, з іншого - світ не пристосований для споживання такої енергії. Проте в останнє десятиліття все активніше ведуться розробки джерела енергії, яке могло б вирішити цю дилему. Йдеться про штучному фотосинтезі (ІФ)- спосіб перетворювати енергію сонця на зручну форму органічного пального.
Не можна забувати, що спалювання палива призводить до масивних викидів СО 2 в атмосферу, що негативно впливає на стан усієї біосфери. У великих містах цей вплив особливо помітний: тисячі димящих машин і підприємств утворюють смог, і кожен городянин, вибравшись за місто, насамперед захоплюється свіжим повітрям. Створення джерела енергії, яке подібно до рослин поглинало б СО 2 і виробляло О 2 , могло б зупинити деградацію навколишнього середовища, що йде на всіх парах.
Таким чином, ІФ - потенційне рішення як світової енергетичної, так і екологічної криз. Але як працює ІФ і чим він відрізняється від природного?
Недосконалість зелені
Малюнок 2. Нециклічний фотосинтез рослин.Електрон залишає збуджений світлом хлорофіл фотосистеми II (ФС-II), а «дірку», що вийшла, заповнюють електрони, що вивільнилися при розщепленні води. Кінцевий приймач електронів – не пігмент фотосистеми, як у пурпурових бактерій, а НАДФ+. Ще одна відмінність - у рослин дві фотосистеми (ФС-I та ФС-II) утворюють сполучений механізм, і для одного такту його роботи потрібно поглинання двох фотонів. На малюнку не показано b 6 f-комплекс.
Отриманий градієнт H + надає енергію для синтезу АТФ за допомогою ферменту АТФ-синтази, подібно до того, як вода, що падає, стає джерелом енергії для водяного млина (рис. 3). АТФ - універсальний переносник хімічної енергії у клітині і бере участь у абсолютній більшості енерговитратних реакцій, зокрема - у реакціях циклу Кальвіна, які забезпечують перетворення СО 2 на відновлену органіку . У цьому циклі більша частина енергії витрачається на боротьбу з побічними реакціями. Є й інші шляхи асиміляції вуглецю - наприклад, шлях Вуда-Льюнгдала, про який буде написано далі.
3. Запасання енергії світла.При фотосинтезі білки-фотосистеми переносять протони через мембрану з допомогою енергії фотонів. Фермент АТФ-синтазу скидає градієнт концентрацій Н+, що утворюється, і виробляє універсальний переносник енергії в клітині - АТФ. Аналогія з водяним млином, що обертається, насправді, дуже близька до реальності.
Хоча фотосинтез зрештою забезпечує всю біосферу енергією, ККД цього процесу залишає бажати кращого (табл. 1). Рекордсмен фотосинтезу - сорго, що вирощується для виробництва біопалива, у якого ефективність переведення сонячної енергії в хімічну становить 6,6%. Для порівняння: у картоплі, пшениці та рису – близько 4%.
| Причина втрати енергії | Втрата енергії | Залишок |
|---|---|---|
| Поглинання фотонів тільки видимої частини спектру | 47% | 53% |
| Лише частина світлового потоку проходить через частини листа, що фотосинтезують. | 70% | 37% |
| Хоча у видимому світлі є високо- та низькоенергетичні фотони, всі вони поглинаються фотосистемами як низькоенергетичні (своєрідний принцип каравану) | 24% | 28% |
| Втрати при синтезі глюкози | 68% | 9% |
| Очищення листа від побічних продуктів фотосинтезу ( див.фотодихання) | 32% | 6% |
У той же час типовий ККД для сучасних сонячних батарей - 15-20%, а дослідні зразки досягли значення 46%. Така різниця у ККД рукотворних фотоосередків та живих рослин пояснюється насамперед відсутністю стадій синтезу. Але є й більш тонка відмінність: рослинні фотосистеми отримують енергію тільки з фотонів видимого світла з довжинами хвиль 400-700 нм, причому вихід від високоенергетичних фотонів такий самий, як і від низькоенергетичних. Напівпровідники, що застосовуються в сонячних батареях, уловлюють фотони ширшого спектра. А для максимального виходу в одну батарею поєднуються матеріали, створені спеціально для різних частин спектру сонячного світла.
Кінцева мета інженерів ІФ - створити установку (або штучний організм), який би здійснював фотосинтез краще за рослини. Сьогодні біоінженерна думка досягла рівня, на якому можна спробувати це зробити. І з року в рік спроби вчених стають все ближче і ближче до заповітної мети, змушуючи нас дивуватися неймовірним відкриттям.
Такий різний ІФ
Найпростіша схема ІФ - повністю абіотичний синтез органіки на каталізаторі. У 2014 році було відкрито рутенієвий каталізатор, який при освітленні синтезує метан з H2 та СО2. За оптимальних умов, що мають на увазі нагрівання до 150 °С і інтенсивне освітлення, один грам цього каталізатора створює один мілімоль метану на годину, що, звичайно ж, дуже мало. Самі вчені, що досліджують каталізатор, визнають, що така швидкість реакції при досить високій вартості каталізатора дуже низька для його практичного застосування.
Реальний фотосинтез – багатостадійний процес, на кожній стадії якого відбувається втрата енергії. Почасти це навіть добре, бо відкриває великий простір оптимізації. У випадку абіогенного фотосинтезу все, що можна зробити - це придумати принципово новий каталізатор.
Зовсім інший підхід до ІФ - створення біореакторів, що працюють на сонячній енергії. У таких біореакторах, як не дивно, використовують нефотосинтезуючі мікроорганізми, які все ж таки можуть фіксувати СО 2 , використовуючи інші джерела енергії.
Ознайомимося з кількома типами конструкцій апаратів для ІФ на конкретних прикладах.
У 2014 році були опубліковані результати випробувань установки, яка переводить струм у біомасу з рекордним ККД 13%. Щоб отримати ІФ-реактор, достатньо підключити сонячну батарею. Ця установка по суті є електрохімічним осередком (рис. 4 а), де два електроди поміщені в живильне середовище з бактеріями Ralstonia eutropha(вони ж - Cupriavidus necator). При підведенні зовнішнього струму каталізатор на аноді проводить розщеплення води на кисень та протони, а каталізатор на катоді – відновлення протонів до газоподібного водню. R. еutrophaотримує енергію для асиміляції 2 в циклі Кальвіна за рахунок окислення Н 2 ферментом гідрогеназою.
Малюнок 4. Біореактори для ІФ з урахуванням електрохімічних осередків.Струм може генеруватися за рахунок фотолізу води на аноді за допомогою сонячної батареї (а) або без неї (б) . В обох випадках забрані у води електрони забезпечують мікробам-автотроф відновлювальні еквіваленти, необхідні для фіксації СО 2 .
Згідно з розрахунками розробників, суміщення їх установки з типовою сонячною батареєю (18% ККД) призведе до сумарної ефективності фотосинтезу 2,5%, якщо переводити всю енергію світла на зростання біомаси, і 0,7% - якщо використовувати генетично модифіковані бактерії, що синтезують бутанол. Такий результат можна порівняти з ефективністю фотосинтезу в реальних рослинах, хоча й не досягає рівня культурних рослин. Здатність R. еutrophaсинтезувати органіку за наявності Н 2 дуже цікава не тільки в контексті ІФ, але і як можливе застосування водневої енергетики.
У 2015 році вчені з Каліфорнії створили не менш цікаву установку, де стадії світлопоглинання та синтезу пов'язані більш тісно. Фотоанод сконструйованого реактора при освітленні розщеплює воду на кисень, протони та електрони, що прямують провідником до катода (рис. 4). б). Щоб підвищити швидкість фотолізу води, що йде на межі розділу фаз, фотоанод зроблений з кремнієвих нанопроводків, що багаторазово збільшують його поверхню.
Катод цієї установки складається з «лісу» TiO 2 -наностержні (мал. 5 а), серед яких ростуть бактерії Sporomusa ovata. Електрони від фотоанода надходять саме до цих бактерій, які використовують їх як відновлювальні еквіваленти для перетворення розчиненого в середовищі 2 в ацетат.
Малюнок 5. Штучний фотосинтез немислимий без наноматеріалів. а - В ІФ-реакторі зі статті 2 фіксують бактерії, що ростуть в «нанолісі» з кремнієвих стрижнів, покритих TiO 2 (шар 30 нм); цей наноліс створює необхідні бактеріям анаеробні умови та підвищує поверхневу щільність контактів бактерій з провідником. б - При принципово іншому підході не бактерій поміщають на напівпровідник, а напівпровідник – на бактерій; завдяки панцирю з CdS, бактерії, що вмирають на світлі, стають фотосинтетиками.
Наноліс з TiO 2 виконує відразу кілька функцій: забезпечує високу щільність бактерій на контакті, захищає облігатно анаеробних. S. ovataвід розчиненого у середовищі кисню і також може перетворювати світло на електрику, допомагаючи бактеріям фіксувати СО 2 .
S. ovata- бактерії з дуже гнучким метаболізмом, який легко підлаштовується до зростання в так званому електротрофному режимі. Вони фіксують СО 2 шляхом Вуда-Льюнгдала, в якому на зростання біомаси йде тільки 10% ацетату, а 90%, що залишилися, викидаються в навколишнє середовище.
Але сам собою ацетат особливої цінності не представляє. Для його переведення в більш складні та дорогі речовини в реактор вносять генетично модифікованих Escherichia coli, що синтезують з ацетату бутанол, ізопреноїди або полігідроксибутират Остання речовина E. coliвиробляє з найбільшим виходом.
Що ж до ККД усієї установки, то він дуже низький. Тільки 0,4% сонячної енергії виходить перевести в ацетат, а перетворення ацетату на полігідроксибутират йде з ККД 50%. Сумарно лише 0,2% світлової енергії вдається запасти як органіки, яку можна далі використовувати як паливо чи сировину для хімвиробництва. Розробники вважають основним своїм досягненням те, що створена ними установка може використовуватися для різних хімічних синтезів без принципових змін у конструкції. У цьому видно аналогію з природним фотосинтезом, де з отриманого при асиміляції СО 2 3-фосфогліцерату зрештою синтезуються всілякі органічні речовини.
В обох описаних технологіях розробники намагалися поєднати досконалість напівпровідників як поглиначів світлової енергії з каталітичною потужністю біологічних систем. І обидві отримані установки були «зворотними» паливними елементами, де струм використовується для синтезу речовин.
При принципово іншому підході окремі клітини поєднуються з напівпровідниками в єдине ціле. Так, на самому початку 2016 року було опубліковано роботу, в якій бактерію-ацетоген Moorella thermoaceticaвирощували в середовищі з високим вмістом цистеїну та кадмію, . В результаті зазвичай гине на світлі М. thermoaceticaпокривалася панциром з CdS (напівпровідника) і тим самим не тільки отримувала захист від сонця, а й ставала фотосинтетиком: електрони від CdS прямували в дорогу Вуда-Льюнгдала (рис. 5). б).
Досліди над такою «броньованою» бактерією показали, що СО 2 фіксується не тільки на світлі, а й у темряві (при дотриманні добового циклу). Причина цього - накопичення метаболітів фотосинтезу на світлі в такій кількості, що клітини не встигають їх переробляти. Основна перевага таких бактерій у порівнянні з вищеописаними осередками – самоорганізація. Для осередків необхідно заздалегідь виготовляти наноматеріали та каталізатори, а ці деталі з часом тільки зношуються. В разі М. thermoaceticaфотосинтетичні одиниці діляться, самі виробляють та ремонтують все необхідне, якщо в середовищі достатньо кадмію та цистеїну. Цих бактерій поки що не досліджували як джерело палива, але за значеннями квантового виходу фотосинтезу вони не поступаються рослинам.
Чекати залишилося недовго.
Технології ІФ знаходяться на стадії прототипів, але їх розробники бачать великий простір для оптимізації. Оптимізувати можна напівпровідники-світлоуловлювачі, мікроорганізми, просторову організацію бактерій та інші каталізатори. Але насамперед необхідно вирішити проблему стабільності. ККД виготовлених установок помітно падає вже за кілька днів роботи. Повністю готовий прилад для ІФ, подібно до будь-якої живої системи, повинен регенерувати і самовідтворюватися. У зв'язку з цим особливо цікаві М. thermoacetica, яких ці властивості ставляться повною мірою.
І хоча існуючі зразки далекі від досконалості, роботи в галузі ІФ цінні насамперед тим, що показують принципову можливість вбудувати сонячну енергетику у світ, захоплений двигуном внутрішнього згоряння. Вітряки та сонячні батареї, безумовно, мають високий ККД і вже практично повністю забезпечують енергоспоживання в Уругваї та Данії, а ГЕС - важливі вузли в енергомережі багатьох країн. Але заміна палива електрикою в більшості випадків вимагає кардинальної перебудови енергомереж і не завжди можлива.
Подальший розвиток ІФ потребує потужних інвестицій. Можна уявити, що фірми - виробники сонячних батарей, яким футурологи пророкують світове панування в галузі енергетики вже до 2030 року, будуть зацікавлені в розвитку цієї поки молодої та недосвідченої науки на стику біоенергетики, матеріалознавства та наноінженерії. Хто знає, може ІФ і не стане повсякденністю майбутнього, а може, робота над ним дасть поштовх водневій енергетиці чи біофотовольтаїці. Чекати лишилося недовго, поживемо – побачимо.
Література
- Population Pyramids of the World from 1950 to 2100 . (2013). PopulationPyramid.net;
- Кошиків Н. (2007).