Qu’est-ce qui détermine l’efficacité de la photosynthèse ? Moyens d'augmenter l'efficacité de la photosynthèse

"En relation avec notre problème, avec le problème que j'ai posé pour la première fois - que faire du nombre toujours croissant de personnes sur Terre, la question se pose : " Que peut apporter aux humains un grand cycle biologique dans la biosphère ? Ce problème peut être envisagé par trois les principaux points ou lieux de la biosphère que je viens de décrire :

1) à l'entrée d'énergie,
2) dans le cycle biologique de la biosphère et
3) à la sortie du cycle biologique vers la géologie.

Commençons par l'apport énergétique. Une certaine quantité d’énergie solaire tombe à la surface de la Terre. Bien entendu, seule la partie absorbée par les organismes autotrophes peut fonctionner biologiquement. De toute l'énergie solaire tombant sur la Terre, seul un certain pourcentage (il n'est pas si facile de le calculer avec précision), disons approximativement de trois à huit pour cent , est absorbé par les plantes vertes. Toute l’énergie absorbée ne va pas à la photosynthèse. Comme dans la technologie, dans la nature vivante, nous pouvons parler d’efficacité – l’efficacité de la photosynthèse. Il est (encore une fois très difficile à calculer) approximativement à partir de deux à huit pour cent .

Il est très important de noter que différents types et groupes d’installations ont des efficacités différentes.

Ainsi, dès l’entrée, l’humanité peut faire quelque chose pour que la végétation absorbe davantage d’énergie solaire entrant sur Terre, et pour cela, il est nécessaire d’augmenter la densité de la couverture verte de la Terre. Entre-temps, nous, les gens, dans nos activités économiques, industrielles et dans notre vie quotidienne, sommes plus susceptibles de réduire la densité de la couverture verte de la Terre, en manipulant avec négligence les forêts, les prairies, les champs et les chantiers de construction. En ne verdissant pas suffisamment les déserts et les steppes, nous réduisons la densité de la couverture verte. Mais c'est précisément le niveau de technologie et d'industrie modernes qui nous permet théoriquement de faire le travail inverse : augmenter de toutes les manières possibles la densité de la couverture verte sur toutes les zones appropriées de la surface de la Terre et dans les réservoirs, en particulier ceux d'eau douce.

De plus, comme le montrent les calculs, il peut être augmenté d'au moins une fois et demie, voire deux fois, et ainsi augmenter la productivité biologique de la Terre.

Il a été dit plus haut que l'efficacité - les coefficients d'efficacité - de différents types de plantes peuvent être très différents, variant de deux à huit, et pour un certain nombre de formes végétales, encore plus pour cent. Et ici une autre opportunité s'ouvre pour l'humanité : il est raisonnable, bien entendu, sur la base d'une étude préalable précise de l'efficacité de diverses espèces végétales par des physiologistes spécialisés, d'essayer d'augmenter le pourcentage de participation aux communautés végétales couvrant la Terre de plantes avec l'efficacité la plus élevée, plutôt que la plus faible. Ceci, encore une fois, peut augmenter d'un certain chiffre, une fois et demie, ou moins, ou plus, le pourcentage d'énergie solaire absorbée par les plantes et, grâce à la photosynthèse végétale, conduit à la production de matière organique sur Terre.

Cela signifie que déjà à l'entrée de la biosphère, au niveau de l'apport d'énergie, vous pouvez gagner, augmenter la productivité biologique de la Terre, disons, deux fois. Permettez-moi de vous rappeler que c’est quelque chose dont nous aurons absolument besoin dans cent ans.

Timofeev-Resovsky N.V., Mémoires, M., « Vagrius », 2008, p. 344-345.

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Plantes

Le problème de la productivité photosynthétique occupe une place importante dans les études modernes sur la photosynthèse, car en fin de compte, le but de toutes les études du mécanisme de la photosynthèse à tout niveau est de comprendre les mécanismes de régulation dirigée de l'activité photosynthétique des plantes et d'augmenter le niveau d'activité photosynthétique globale. productivité. Divers aspects de ce problème, tels que la régulation physiologique de la photosynthèse, l'optimisation de l'activité photosynthétique des plantes, la relation entre l'intensité de la photosynthèse et la productivité globale des organismes végétaux et autres, ont fait l'objet de recherches approfondies. La recherche est menée au niveau des cultures, de la plante entière, de ses organes individuels, de ses cellules et de ses structures cellulaires.
6.1. Indicateurs de photosynthèse
La fonction photosynthétique peut être évaluée par divers indicateurs, parmi lesquels les suivants sont largement utilisés pour comparer l'efficacité de la photosynthèse : consommation quantique, rendement quantique, intensité photosynthétique, productivité nette, coefficient d'efficacité photosynthétique, nombre d'assimilation, etc.

La consommation quantique est le nombre de quanta de lumière requis pour réduire 1 mole de CO 2 au niveau de composés organiques. L'énergie d'un quantum individuel (photon) est très petite, elle est généralement exprimée en énergie d'une mole de photons - Einstein (1 Einstein est égal à 1 mole de quanta,
1 mole de quanta équivaut à 6,02 10 23). Einstein est égal à N A h, où N A est la constante d'Avogadro (6,02·10 23 ; nombre de molécules par mole de substance). L'énergie des photons peut être exprimée en ergs, kcal/mol (1 kcal=
4,2·10 10 erg) ou en électronvolts (1 eV=23 kcal/mol). Le CO 2 assimilé est exprimé en moles.

Les premières mesures de la consommation quantique de la libération de la molécule O 2 lors de la photosynthèse ont été réalisées en 1922 par Warburg. Dans des expériences avec la chlorelle, il a obtenu des valeurs de consommation quantique égales à 4. En 1937, certains chercheurs ont obtenu des valeurs de consommation quantique égales à 8. Basé sur la théorie à deux quantiques des processus primaires de la photosynthèse (schéma Z), il s'ensuit que dans les conditions les plus optimales, la consommation quantique pour l'excrétion d'une molécule d'O 2 ou la fixation d'une molécule de CO 2 devrait être égale à 8. La valeur de consommation quantique de 8 ne contredit pas l'essentiel du matériel expérimental. Mais la question du débit quantique optimal n’a pas été résolue expérimentalement, ce qui nécessite des recherches plus approfondies. En pratique, il peut être supérieur à 8 quanta. Dans des conditions défavorables (température, lumière, humidité…), la consommation quantique de la photosynthèse peut augmenter des dizaines ou des centaines de fois. Cela est dû aux pertes d’énergie inévitables lors des étapes photophysiques (dissipation d’énergie en chaleur) ou photochimiques et biochimiques.

Pour caractériser la consommation d'énergie dans le processus de photosynthèse, une quantité telle que le rendement quantique est également utilisée - le rapport entre le nombre de molécules de CO 2 absorbées et le nombre de quanta de lumière dépensés pour cela.

Le rendement quantique le plus élevé et théoriquement possible est de 0,25. En pratique, cette valeur est nettement inférieure à la valeur théorique.

L'efficacité avec laquelle une plante stocke l'énergie lumineuse est caractérisée par sa production d'énergie (E). Il est défini comme le rapport entre l’énergie stockée et l’énergie absorbée :
8
Une question importante est de savoir quelle est réellement la production d’énergie maximale possible de la photosynthèse, puisque les rendements maximaux dépendent de cette valeur. Lors du calcul théorique des rendements maximaux possibles, on part du rendement énergétique théoriquement maximal. Si la production d’énergie (E) est connue, alors, connaissant la quantité de lumière absorbée par la plante, la quantité d’énergie stockée peut être calculée. D'après l'équation (CO 2 + H 2 O  CH 2 O + O 2 + 112 kcal/mol) pour chaque
112 kcal d'énergie stockée par la plante produisent 30 g de matière organique (30 g est le poids moléculaire du CH 2 O). Cela permet de calculer l'augmentation de la masse sèche. Si l'on suppose que la consommation quantique de la photosynthèse est égale à 8, alors le rendement énergétique maximum possible de la photosynthèse sera égal à 112 kcal : 8·40=0,35. La production d'énergie presque maximale est plus faible en lumière naturelle (valeur de 0,35 obtenue pour la lumière rouge
( = 680). Les calculs montrent que pour le rayonnement solaire, le rendement énergétique maximum, basé sur la 8ème consommation quantique, est de 14 %. Cette valeur a été obtenue en tenant compte du fait que la feuille de la plante absorbe toute la lumière qui tombe sur elle (l'option optimale).

La production d'énergie caractérise l'efficacité du stockage d'énergie, qui peut être évaluée en calculant le coefficient de performance (efficacité) de transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique. Sa valeur maximale est de 35%. L'efficacité des réactions de photosynthèse sombre est de 81 %.

Basé sur l'analyse de l'énergie de la photosynthèse, la signification biologique de cette dernière est d'extraire de l'énergie gratuite de l'environnement et de stocker cette énergie pour une utilisation future sous forme de composés organiques stables. L'énergie des quanta de lumière est dépensée pour remplacer des liaisons covalentes généralement plus fortes (dans CO 2 et H 2 O) par des liaisons généralement plus faibles (dans CH 2 O et O 2) et pour ordonner le système.

La photosynthèse est un processus endothermique ; elle n'est possible que si le système est alimenté en énergie de l'extérieur. L'intensité de la photosynthèse est la quantité de CO 2 absorbée par unité de surface (ou masse) de feuille par unité de temps (mg/dm 2 h, g/m 2 jour). Cela varie de 5 à 25 mg de dioxyde de carbone par
1 dm 2 en 1 heure.

La productivité nette journalière est le rapport entre l’augmentation de la masse de la plante entière (g) et la surface foliaire. Il s'agit généralement de 5 à 12 g de masse sèche de la culture pour 1 m 2 de feuilles par jour. Le rapport entre la quantité de CO 2 assimilée lors de la photosynthèse et la masse organique sèche accumulée est appelé coefficient d'efficacité photosynthétique.

La productivité nette de la photosynthèse (PF. pr.) caractérise l'intensité de formation et d'accumulation de la masse végétale (g/m2), elle est déterminée par la formule :

, 9
où B 1 et B 2 sont la masse de matière sèche de la culture au début et à la fin de la période comptable, B 2 -B 1 est l'augmentation de la masse sèche au cours de la période comptable, L 1 et L 2 sont la superficie de ​​l'échantillon part au début et à la fin de la période, (L 1 +L 2)·1/2n – surface foliaire moyenne pour la période spécifiée, n – nombre de jours dans la période comptable.

La photosynthèse des cultures peut être estimée en utilisant quotidiennement

Augmentation de la phytomasse sèche :

, 10
où M est la masse de matière sèche (augmentation quotidienne), S est le facteur de conversion de la phytomasse sèche accumulée en quantité de CO 2 assimilé, k est la correction pour la respiration, t est la durée du jour.

Parmi les indicateurs répertoriés, le taux de photosynthèse (photosynthèse vraie ou apparente) est le plus souvent utilisé à des fins de comparaison.

La quantité d'assimilats produits par la plante dans son ensemble (à la fois pour construire son corps et pour couvrir les coûts de la respiration) est appelée photosynthèse vraie ou brute. La photosynthèse nette, ou photosynthèse visible et observable, est la différence entre la quantité de dioxyde de carbone assimilée par la feuille et simultanément rejetée dans l'atmosphère lors de la respiration.

L'augmentation de la biomasse et du rendement dépend du rapport entre la surface foliaire et la surface occupée par la culture elle-même (indice foliaire). Les valeurs optimales de l'indice foliaire sont de 4 à 5. Trouver la surface d'assimilation optimale pour chaque culture et chaque région est une des tâches importantes (pour les céréales, elle est de 20 à
30 mille m2/ha). Pour caractériser le développement de l'appareil photosynthétique des cultures, il est recommandé de déterminer « l'indice de chlorophylle » (g de chlorophylle/m2 ; kg de chlorophylle/ha de culture), pour lequel la quantité de chlorophylle dans tous les organes aériens est prise en compte. compte et résumé. La performance de 1 mg de chlorophylle (PPX) peut aussi être une caractéristique du fonctionnement de l'appareil photosynthétique :

mg/jour, 11

où M est le poids sec, X est la quantité totale de chlorophylle dans la plante,
D – nombre de jours.

L'effet de l'utilisation de la chlorophylle dans la photosynthèse est caractérisé par le nombre d'assimilation - le rapport entre l'intensité de la photosynthèse et la teneur en chlorophylle de la feuille :
12
Dans la plupart des plantes, il est de 4 à 8, chez les plantes tolérantes à l'ombre, de 20 à 70, chez les plantes étiolées, de 100.

6.2. Photosynthèse et bioproductivité
Au cours de milliards d'années, les plantes ont créé sur Terre l'atmosphère moderne et les conditions nécessaires au développement de la vie, y compris de la vie humaine, en lui fournissant de la nourriture, de l'énergie et d'autres ressources. L’objectif est non seulement de protéger le monde végétal et la fonction photosynthétique, mais aussi de le renforcer, en particulier dans les plantes agricoles. Ces dernières années, la théorie de la productivité photosynthétique a été intensivement développée. Les chercheurs accordent une attention particulière à la relation entre les paramètres de la photosynthèse et la productivité des plantes, ainsi qu'à l'identification des traits photosynthétiques importants pour la sélection. Toutes les pratiques agricoles visent à obtenir des rendements élevés de plantes. La récolte se forme tout au long de la saison de croissance et dépend de la cohérence des processus physiologiques et de la direction du métabolisme. Pendant la période de croissance intensive des plantes, en moyenne 80 à 150 kg de masse sèche se forment pour 1 hectare de culture par jour, et parfois 300 à 500 kg.

L'accumulation des cultures dépend de l'ensemble de tous les processus internes et de la relation entre des facteurs externes, mais la place centrale appartient toujours aux processus de photosynthèse. La photosynthèse est principalement le processus de stockage de l'énergie solaire par les plantes sous forme de produits à teneur réduite en carbone.

La fonction photosynthétique du monde végétal à l'échelle terrestre peut être caractérisée par les indicateurs suivants.

Seulement 1/10 9 de l'énergie émise par le Soleil atteint la surface de la Terre. 30 % de l'énergie est réfléchie dans l'espace, 47 % est dissipée et convertie en chaleur, 23 % est utilisée pour l'évaporation de l'eau et stockée sous forme d'eau et d'énergie glacée, et une moyenne de 0,02 % (40·10 12 W ) est consacré à la photosynthèse. La végétation de la Terre produit annuellement 80 milliards de tonnes de biomasse sèche (3,2·10 17 kcal/an) ; dont synthèse : phytoplacton des mers et océans 27 milliards de tonnes/an (1,1·10 17 kcal/an) ; plantes terrestres – 53 milliards de tonnes/an (2,1 10 17 kcal/an), dont plantes cultivées – 7,5 milliards de tonnes/an (0,3 10 17 kcal/an), forêts –
38 milliards de tonnes/an (1,5 10 17 kcal/an), plantes des steppes, prairies et déserts –
7 milliards de tonnes/an (0,3·10 17 kcal/an). La photosynthèse des plantes cultivées dans la photosynthèse totale de la planète est de 8 % et dans la photosynthèse des plantes terrestres de 12 à 15 % (7,5 milliards de tonnes de masse organique sèche par an, ce qui équivaut à 3 10 16 kcal d'énergie stockée ou 35 milliers de milliards de kWh).

La quantité de nourriture par personne est en moyenne de 1,87 tonne de biomasse par an (5,1 kg par jour). Mais une part importante de la biomasse ne peut pas être utilisée directement par l’homme, et il y a aussi des pertes. L’augmentation de la productivité des plantes cultivées constitue donc un problème important. 12% des terres sont occupées par des plantes cultivées. La superficie peut être agrandie, mais cela nécessitera d'énormes investissements en capital. Le rendement peut être augmenté en augmentant l’efficacité de l’utilisation de l’énergie solaire par les plantes agricoles. Cela est dû à l'augmentation du niveau d'agriculture, au placement rationnel des cultures agricoles et à la création de variétés productives. Lors de l'évaluation de l'efficacité de l'utilisation par une feuille de plante de l'énergie solaire totale qui tombe sur elle, il convient de noter que si le rayonnement solaire total est pris à 100 %, alors le rayonnement réfléchi est de 10 %, le rayonnement absorbé est de 70 % et le rayonnement transmis à travers la feuille est de 20 %. Sur les 70 % de rayonnement absorbé par une feuille, 1 % de l'énergie est stockée dans les produits de la photosynthèse, 49 % est dépensée en transpiration, 20 % en rayonnement secondaire. Par conséquent, le facteur d'efficacité (efficacité) du rayonnement total est de 1 %. Cela peut varier en fonction des conditions de croissance, des caractéristiques biologiques des plantes et de l'état de leurs processus physiologiques.

La photosynthèse utilise un rayonnement photosynthétiquement actif (PAR, 380–780 nm). Il représente 26 à 55 % du rayonnement solaire total. Lorsque le rendement en grains de blé dépasse 70 c/ha, les plantes utilisent le PAR généré pendant la saison de croissance avec une efficacité de 4,0 à 4,3 %. Avec une bonne culture agricole et un appareil photosynthétique actif, l'efficacité de l'utilisation du PAR peut être de 8 à 5 % et atteindre 10 %. Les valeurs de productivité maximales peuvent atteindre 50 g de biomasse sèche pour 1 m 2 de cultures par jour. Cela correspond à 5 c/ha. Si elle est évaluée par l'intensité de la photosynthèse, une telle augmentation peut être assurée par une intensité de photosynthèse égale à 20 à 25 kg de CO 2 par jour pour 1 m 2 de surface foliaire.

Le bilan de CO 2 (%) prenant en compte l'afflux et la consommation est les valeurs suivantes (si la teneur dans l'air est prise à 100%) : juvénile - 0,09%, combustion de charbon, pétrole - 3,08, combustion industrielle de calcaire - 0,04, incendies de forêts - 0,38, respiration, fermentation, décomposition (plantes terrestres, marines) - 56,09, dégagement de CO 2 de la surface du sol - 38,09, respiration humaine - 0,32, respiration animale - 1,28%, consommation : lors des intempéries de silicates - 0,09%, assimilation par les plantes terrestres - 40,60, assimilation par les plantes marines, algues - 59,31%.

Au cours d'une année, les plantes terrestres et océaniques absorbent 1,5 10 11 tonnes de dioxyde de carbone, décomposent 1,2 10 11 tonnes d'eau, libèrent 10 11 tonnes d'oxygène et stockent 6 10 20 calories d'énergie solaire sous forme d'énergie chimique. des produits de la photosynthèse.

Grâce à la photosynthèse, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique, stockée dans la biomasse. La biomasse végétale est la masse sèche à un moment donné des parties vivantes aériennes et souterraines des plantes par unité de surface de sol. La production est définie comme la biomasse ou la masse de matière organique assimilée par un groupe végétal ou une espèce particulière par unité de surface et par unité de temps. La production primaire, à son tour, est divisée en production primaire véritable et production primaire pure. La véritable production primaire est la quantité totale de matière organique assimilée, y compris les coûts de respiration, et la production primaire nette est la partie de la matière organique (y compris les coûts de respiration) qui est disponible pour l'usage humain ou qui reste sous forme d'énergie chimique stockée. Selon les calculs, la productivité nette mondiale de la photosynthèse est de 78,10 9 tonnes de carbone par an, dont 7 % sont utilisés directement et par l'intermédiaire des organismes animaux par les humains pour se nourrir, se carburant et comme matières premières. L'accumulation de biomasse vivante tout au long de l'année constitue la productivité nette d'un écosystème. Les forêts tropicales contribuent le plus à la véritable productivité des phototrophes terrestres (jusqu'à 29 %). En général, la contribution des forêts de tous types est de 68 %.

La superficie des océans est 2,5 fois plus grande que la superficie des terres, mais leur production primaire ne représente que 1/2 à 1/3 de celle des terres. La production primaire nette totale est estimée à 10–
13% de carbone dans l'atmosphère. Le renouvellement du carbone atmosphérique de la biosphère prend 7 à 10 ans. Si l'on prend en compte la respiration et la photorespiration, alors cette période peut être réduite à 3–
5 ans. L’échange de carbone entre l’atmosphère et la surface des océans prend également 7 à 8 ans. L'assimilation du CO 2 par les plantes cultivées détermine la dépendance de l'homme à la photosynthèse. La biomasse peut être utilisée non seulement comme produit alimentaire, mais également comme matière première pour le développement de carburants. La production annuelle de photosynthèse contient près de 10 fois plus d'énergie que ce qui est actuellement nécessaire pour satisfaire les besoins de la population mondiale. Mais pour une utilisation rationnelle de la biomasse comme source d’énergie, des progrès scientifiques et technologiques sont nécessaires.

Considérant que l'efficacité énergétique maximale de la photosynthèse est observée à des coûts de huit quantiques par molécule de CO 2 et que 40 à 60 % du CO 2 et de l'énergie assimilés sont perdus dans les processus de respiration dans les phytocénoses, les niveaux potentiels de productivité des phytocénoses avec un coefficient d'efficacité pour leur consommation d'énergie a été établie avec un rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) de 4 à 6 %.
6.3. Processus de production et photosynthèse. Formation de la récolte
Les schémas de base de l'activité photosynthétique des plantes et de la formation des rendements biologiques et économiques ont été établis à la suite de nombreuses années de recherche dans plusieurs laboratoires. Conformément aux principes de base de la théorie de la productivité photosynthétique, qui ont reçu un développement détaillé et une justification expérimentale dans les travaux d'A.A. Nichiporovich et ses collègues, les principaux facteurs déterminant le niveau de productivité des plantes sont la taille de l'appareil photosynthétique (surface foliaire), l'intensité et la productivité de son travail, la relation entre le processus de nouvelle formation et la consommation de substances organiques. La détermination des bases écologiques et des possibilités d'augmentation de la productivité des organismes en augmentant l'efficacité du rayonnement solaire est l'un des problèmes les plus importants de la production végétale. Les principes physiologiques de programmation du processus de production impliquent la formation de cénoses avec des indicateurs optimaux de surface foliaire, de productivité nette de photosynthèse, de potentiel photosynthétique et de productivité de surface d'assimilation. Il faut tenir compte du fait que la productivité photosynthétique finale est le résultat du travail coordonné des systèmes photosynthétiques à différents niveaux de leur organisation. A. A. Nichiporovich (1982), caractérisant le système photosynthétique « idéal », estime que la photosynthèse avec l'efficacité énergétique la plus élevée se produit dans des conditions où 1 g mole de CO 2 (44 g, ou 6,2 10 23 molécules) est nécessaire pour la réduction 8 quanta ou 8 les einsteins (e) des PAR absorbés par la chlorophylle sont consommés (8·6.02·10 23 h).

L'intensité maximale du PAR incident sur 1 dm 2 de la surface d'une feuille est de 15,07 kJ dm 2 h. Si l'on tient compte du fait que 1 e PAR est égal à 209,35 kJ, on peut déterminer que l'intensité du PAR est de 12,56 kJ dm 2 h. la densité de flux quantique PAR suivante :

Avec un processus à huit quantiques, le système photosynthétique devrait assimiler :

Molécules de CO 2 pour 1 dm 2 h.,

Ou réaliser la photosynthèse avec intensité :

Les feuilles des plantes, contrairement au système « idéal », ne contiennent respectivement que 3 à 7 mg de chlorophylle, 4,0 à 5,5 10 9 chloroplastes et 0,8 à 1,2 10 16 centres de réaction pour 1 dm 2. Cela permet une véritable photosynthèse avec un coût huit quantique de 20 à 40 mg de CO 2 par 1 dm 2 h. La production végétale moderne utilise la photosynthèse avec un facteur d'efficacité de stockage du PAR dans la culture de 0,1 à 0,5 % (rarement 1 à 2 %). L’objectif est d’augmenter ce niveau à 3 à 5 % du PAR.

Dans différentes conditions, les composantes individuelles de la productivité des plantes peuvent varier considérablement : différents taux d'augmentation de la surface foliaire, différentes durées de la saison de croissance, le niveau d'intensité de la photosynthèse (5 à 50 mg/dm 2 h).

Un indicateur caractéristique de la productivité biologique des cultures est le « potentiel photosynthétique des cultures », qui est la somme de la surface foliaire (m 2 /ha) pour chaque jour pendant toute la saison de croissance. Cet indicateur varie selon les plantes de 0,5 à 5 millions ; c'est l'un des facteurs décisifs déterminant la taille de la récolte.

Un facteur tout aussi important dans le rendement est la productivité du travail photosynthétique de chaque mètre carré de surface foliaire. La productivité de la photosynthèse de 1 m 2 de feuilles varie de fractions de gramme à 4 à 6 g de CO 2 par heure. La productivité de la photosynthèse est caractérisée par la quantité de biomasse sèche formée par 1 m 2 de surface foliaire au cours de la période. jour. La productivité nette de la photosynthèse varie de 0 à 15 à 18 g/m2 par jour. Dans des conditions normales, l'augmentation quotidienne du poids sec de la culture est de 150 kg pour 1 ha par jour, dans des conditions plus favorables - 300 à 400 kg pour 1 ha, dans des conditions optimales - 500 à 600 kg pour 1 ha. Cette accumulation de biomasse correspond à des rendements en grains de 45 à 50 c/ha pour le blé, de 70 à 80 c/ha de grain et de 450 à 1 000 c/ha de masse verte pour le maïs. La productivité nette de la photosynthèse dépend également de l'excès de l'intensité de la photosynthèse sur l'intensité de la respiration. Plus la différence est grande, plus la productivité photosynthétique nette est élevée. Cet indicateur est différent chez les plantes qui diffèrent par le type de métabolisme carboné : chez les plantes C 3 il est de 2 g/dm 2 jour, chez les plantes C 4 il est
4-5, pour les plantes CAM – 0,015-0,018 g/dm 2 jours. La productivité nette des plantes est déterminée en divisant le gain de biomasse d'une culture sur une certaine période de temps par la surface foliaire moyenne.

L'augmentation de la biomasse et du rendement dépend du rapport entre la surface foliaire et la surface occupée par la culture elle-même (indice foliaire).

Caractériser le développement de l’appareil photosynthétique chez
dans les cultures, il est recommandé de déterminer « l’indice de chlorophylle »
(g de chlorophylle/m2 ; kg de chlorophylle/ha de cultures). Un indicateur important est la quantité de photosynthèse quotidienne - la quantité de CO 2 assimilée par 1 m 2 de feuilles par jour (g CO 2 / m 2 j). Les indicateurs essentiels qui caractérisent le travail des plantes dans les cultures sont le coefficient d'efficacité énergétique du processus, la photosynthèse (Eco 2) et l'efficacité énergétique de la formation des cultures (Eur.). Eso 2 est le rapport entre la quantité de CO 2 absorbée par une unité de surface cultivée et la quantité de rayonnement solaire qui lui tombe dessus (PAR total). EUR. – le rapport entre la quantité d'énergie chimique accumulée dans la récolte biologique (ou économique) totale et la quantité de rayonnement solaire tombant sur la culture.

Il existe des récoltes biologiques (Ubiol.) et économiques (Ukhoz.). Le rendement biologique comprend le poids de la masse sèche totale formée par hectare de culture pendant la saison de croissance :
Ubiol. =  (С 1 ,С 2 , …, n), 14
où C est l'augmentation journalière du rendement pour 1 hectare, calculée en tenant compte d'un certain nombre d'indicateurs :

kg/ha par jour. 15
Fso 2 - la quantité de CO 2 absorbée pendant la journée (g/m 2) ; Cef. – coefficient d’efficacité de la photosynthèse. Il montre la quantité de biomasse sèche formée par une plante pendant la journée lorsqu'elle absorbe 1 kg de CO 2 (sa valeur est en moyenne de 0,3 à 0,5). L – surface foliaire. Compte tenu de ces indicateurs, le rendement biologique peut être exprimé par l'équation suivante :

c/ha 16
La taille de la récolte biologique détermine également le niveau de la récolte économique (par exemple, la récolte de céréales), puisque la récolte économique fait partie de la récolte biologique, en fonction de la valeur du coefficient économique (Kkhoz.):Ukhoz.= Ubiol.·Kkhoz.

Khoz. représente le rapport entre la masse des substances utilisées pour former la partie économique de la culture et la masse totale de la culture biologique (Ukhoz./Ubiol.). À cet égard, la récolte économique peut être caractérisée en tenant compte des indicateurs suivants :

c/ha 17
Par conséquent, le rendement est déterminé par le développement de la surface foliaire, la durée de leur travail pendant la saison de croissance, l'intensité de la photosynthèse et l'augmentation de la masse sèche au cours de la journée. Il doit y avoir un rapport optimal de ces indicateurs, qui peut être atteint avec une certaine structure de culture. Une augmentation du nombre de feuilles (leur superficie) est conseillée jusqu'à une certaine limite - 30 à 40 000 m 2 /ha). Une augmentation supplémentaire de la surface d'assimilation provoque un ombrage mutuel des feuilles. Cela aggrave les conditions d'éclairage, ce qui entraîne une diminution de la productivité de la photosynthèse par unité de surface. À cet égard, la tâche de la sélection moderne est de créer des variétés de plantes économiquement intéressantes qui auraient une surface d'assimilation importante et seraient capables d'utiliser efficacement l'énergie lumineuse avec une activité élevée de l'appareil photosynthétique. Ces dernières années, des variétés de céréales à haut rendement du type dit intensif ont été créées. Cela soulève la question des bases physiologiques d’une productivité végétale élevée. Les variétés de type intensif se distinguent par des valeurs élevées de Khoz., assurant un rendement allant jusqu'à 40 % de la masse organique totale en grains (pour les variétés à faible rendement : - 25 %). Les facteurs influençant le rendement biologique affectent également le rendement économique, notamment l'intensité de la photosynthèse.

Pour augmenter la productivité des plantes, la connaissance des mécanismes du processus de photosynthèse lui-même est importante, ce qui constitue la base du développement de la théorie du processus de production et du développement de systèmes pour son optimisation. La recherche physiologique doit intégrer ces connaissances et établir les modèles de formation et de fonction des systèmes photosynthétiques, en tenant compte de l'autorégulation, de l'adaptation et de l'auto-ajustement pour atteindre la productivité végétale la plus élevée. Les plantes peuvent fournir des produits beaucoup plus utiles qu’elles n’en fournissent actuellement, à la fois dans la nature, dans les champs cultivés et dans des systèmes spéciaux de bio-ingénierie.

Si les feuilles supérieures sont situées principalement verticalement, la lumière directe du soleil glissera sur elles, par conséquent, leur éclairage sera quelque peu réduit et correspondra aux valeurs pour lesquelles l'efficacité de la photosynthèse est assez élevée.

Dans le même temps, ces feuilles transmettront assez bien la lumière à la culture, la « laissant » aux feuilles des étages moyen et inférieur, mais sous une forme quelque peu affaiblie. Il est avantageux que les feuilles des étages moyen et inférieur aient progressivement un angle d'inclinaison de plus en plus grand jusqu'à ce que les feuilles inférieures soient horizontales. Dans de tels cas, l'énergie du rayonnement solaire par unité de surface de semis sera, d'une part, complètement absorbée par la culture dans son ensemble et en même temps répartie sur une grande surface de feuilles, c'est-à-dire illuminez-les avec une intensité légèrement réduite.

Dans ce cas, chaque mètre carré de surface foliaire fonctionnera avec une intensité de photosynthèse légèrement réduite, mais avec une efficacité accrue, et une culture idéale avec une surface foliaire suffisamment grande sera capable d'effectuer le plus grand travail photosynthétique total, c'est-à-dire qu'elle est Il est préférable d'utiliser l'énergie solaire qui lui est attribuable au rayonnement.

Pour souligner l'importance des cultures et des cénoses en tant que système photosynthétique intégral, à l'aide duquel l'énergie entrante du rayonnement solaire peut être utilisée avec une grande efficacité, donnons l'exemple suivant : imaginons que les plantes cultivées forment une couche continue de lumière horizontale. feuilles adjacentes les unes aux autres (moneslayer). Leur superficie totale sera de 10 000 m2/ha (, 13).

Les deux cultures absorberont environ 85 % de l’énergie du rayonnement actif photosynthétique entrant. À cet égard, ils seront presque égaux. Mais dans un semis réel, cette énergie sera absorbée par une surface de feuilles 5 fois plus grande que dans un semis imaginaire avec une « monocouche » de feuilles. Dans ce dernier cas, la dépendance de la photosynthèse des cultures à l'intensité lumineuse correspondra pratiquement à la courbe lumineuse de la photosynthèse d'une feuille individuelle. Ainsi, pour un semis avec une « monocouche » de feuilles, la lumière sera excessive pendant la majeure partie de la journée.

L'intensité de la photosynthèse de ces cultures pendant la journée sera considérablement en retard par rapport à l'intensité lumineuse. Au total, un tel ensemencement utilisera l’énergie lumineuse absorbée avec une efficacité relativement faible.

Comme pour un véritable semis, la même quantité d’énergie absorbée sera répartie sur une plus grande surface de feuilles. Dans ce cas, chaque mètre carré de feuilles sera éclairé en moyenne avec moins d'intensité que les feuilles du « monocouche ». Par conséquent, pour un semis proprement dit, même à midi, la lumière directe du soleil ne sera pas aussi excessive que pour un semis avec une « monocouche », et un vrai semis réagira positivement même à la lumière des plus hautes intensités. Dans ce cas, la courbe de lumière de la culture réelle dans son ensemble sera beaucoup plus favorable que la courbe de lumière d'une feuille individuelle ou « monocouche ».

1< Всемерно улучшать интенсивность фотосинтеза отдельных листьев растений. (На графиках такой процесс выразится в повышении крутизны подъема световых кривых и уровня плато светового их насыщения).

Cela confirme que pendant la journée, la photosynthèse d'une culture réelle (bien sûr, si elle est bien fournie et structurée) peut très bien suivre l'évolution des intensités de rayonnement, en l'utilisant toujours avec une efficacité supérieure à celle d'une culture modèle imaginaire. avec "monocouche" de feuilles.

Dans le but d’augmenter le taux d’utilisation de l’énergie du rayonnement solaire dans le processus de photosynthèse des cultures, nous devons nous efforcer de résoudre deux problèmes principaux :

Nous décrivons ici l'efficacité possible du travail photosynthétique des cultures dans les meilleures conditions, c'est-à-dire celles où elles ont une grande surface foliaire et une bonne structure. En fait, dans cet état, même les meilleures récoltes ne représentent qu’une partie du fardeau de la période de croissance totale. Une partie importante du temps est consacrée à la levée des plants, aux premiers stades de leur développement. A cette époque, les herbiers ne sont pas encore fermés et une partie importante de l'énergie du rayonnement solaire tombe sur le sol, étant irrémédiablement perdue pour la photosynthèse.

Après une période de condition optimale, commence la période de maturation des plantes. Les feuilles perdent leur activité photosynthétique. La formation de la partie économique de la culture ne se produit pas tant par la photosynthèse, mais par le mouvement des substances plastiques précédemment accumulées des feuilles et des tiges vers les organes reproducteurs et de stockage : céréales, tubercules, racines, etc.

Au final, au cours de son développement, la culture utilise l'énergie du rayonnement solaire pour la photosynthèse avec une efficacité inférieure à celle indiquée ci-dessus. De plus, dans différents cas et selon les cultures, les indicateurs de l'efficacité finale totale peuvent varier considérablement. Tout cela doit être pris en compte. Mais malgré toutes les difficultés, il existe de nombreuses façons d'orienter la progression de la formation des cultures sur les meilleures voies et d'atteindre une efficacité élevée dans l'utilisation de l'énergie pour la photosynthèse.

Pour réussir à obtenir les résultats souhaités, il faut avoir une compréhension complète des relations et des conditions préalables qui sous-tendent la formation de systèmes photosynthétiques capables de réaliser la photosynthèse avec la plus grande efficacité.

Ces conditions et principes peuvent être décrits le plus clairement à l'aide de l'exemple de l'action des systèmes photosynthétiques sous forme de suspensions d'algues unicellulaires.

EFFICACITÉ DE LA PHOTOSYNTHÈSE

EFFICACITÉ DE LA PHOTOSYNTHÈSE 1) la proportion d'énergie lumineuse assimilée par les plantes ; le calcul est basé soit sur la production nette (efficacité photosynthétique nette), soit sur la production totale (efficacité photosynthétique totale) ; 2) le taux de formation de la production primaire dans les formations végétales dans des conditions naturelles. Exprimé en pourcentage de rayonnement visible incident qui est converti en production nette pendant la photosynthèse active. S'il y a suffisamment d'eau et de nutriments et que rien ne limite la production végétale, alors l'efficacité maximale de la photosynthèse est de 1 à 2 % de l'énergie lumineuse disponible (dans les variétés de céréales hautement productives, la canne à sucre, etc.). Voir aussi Efficacité de l'assimilation.

Dictionnaire encyclopédique écologique. - Chisinau : Rédaction principale de l'Encyclopédie soviétique moldave. I.I. Dédu. 1989.

• EFFICACITÉ TRANSPIRATOIRE
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Livres

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La consommation incontrôlée des ressources fossiles a amené le monde au seuil d’une crise environnementale et énergétique. Dans une telle situation, il faut une source d’énergie fondamentalement différente, qui, d’une part, s’intégrerait dans notre monde pétrolier et, d’autre part, serait renouvelable, respectueuse de l’environnement et économiquement rentable. Une solution possible est la photosynthèse artificielle (PA), grâce à laquelle sont déjà apparues des installations artificielles pour la synthèse de matière organique à partir de l'électricité et de la lumière, ainsi que d'étonnantes bactéries photosynthétiques blindées à semi-conducteurs.

Crise énergétique mondiale, ou pourquoi la photosynthèse artificielle est nécessaire

Aujourd’hui, la population déjà importante de la planète augmente de 1 % par an. L’humanité satisfait ses besoins énergétiques, qui augmentent chaque année, principalement grâce aux ressources fossiles. Mais ce n’est plus un secret pour personne : les réserves de pétrole et de charbon sont limitées et, dans la plupart des cas, non renouvelables. Lorsque leurs volumes ne correspondront plus au rythme de développement mondial (voire seront épuisés), le monde sera confronté à une crise énergétique d’une ampleur sans précédent.

Nous pouvons déjà constater la lutte acharnée qui a éclaté sur la scène mondiale pour les grandes sources de combustibles fossiles. À l’avenir, il y aura de moins en moins de carburant et les conflits d’intérêts se produiront de plus en plus souvent.

Au cours des deux derniers siècles, l’humanité a été aveuglée par la disponibilité des ressources énergétiques fossiles et a développé de nombreuses technologies basées sur celles-ci, sans lesquelles la vie d’aujourd’hui est tout simplement impensable. Il y a d'abord eu les locomotives à charbon et à vapeur, puis les gens ont appris à obtenir de l'électricité en brûlant le même charbon, à produire des cuisinières à gaz, des transports privés et publics - tout cela nécessite la consommation de substances organiques stockées il y a des millions d'années. Grâce à l'énergie de ces substances, l'humanité a fait un bond en avant dans de nombreux domaines de la vie sociale : la population mondiale a dépassé les 7 milliards, des villes et des États prospères ont émergé dans les déserts, la capacité de production et les niveaux de consommation augmentent d'année en année. Sans aucun doute, le monde moderne est impensable sans le charbon, les produits pétroliers et le gaz.

C’est ici qu’intervient le dilemme de l’énergie moderne : d’une part, la nécessité de passer aux sources d’énergie renouvelables est absolument évidente, d’autre part, le monde n’est pas équipé pour consommer une telle énergie. Cependant, au cours de la dernière décennie, on a assisté au développement croissant d’une source d’énergie susceptible de résoudre ce dilemme. Il s'agit de photosynthèse artificielle (FI)- un moyen de convertir l'énergie solaire en une forme pratique de combustible organique.

Il ne faut pas oublier que la combustion de carburant entraîne des émissions massives de CO 2 dans l'atmosphère, affectant négativement l'état de la biosphère tout entière. Dans les grandes villes, cette influence est particulièrement visible : des milliers de voitures et d'entreprises fumantes créent du smog, et chaque citadin, sortant de la ville, admire avant tout l'air frais. La création d'une source d'énergie qui, comme les plantes, absorberait le CO 2 et produirait de l'O 2, pourrait stopper la dégradation accélérée de l'environnement.

Ainsi, l’IF constitue une solution potentielle aux crises énergétique et environnementale mondiales. Mais comment fonctionne l’IF et en quoi diffère-t-il du naturel ?

imperfection de la verdure

Figure 2. Photosynthèse non cyclique chez les plantes. Un électron quitte la chlorophylle du photosystème II (PS-II), excitée par la lumière, et le « trou » résultant est rempli par les électrons libérés lors de la division de l’eau. Le récepteur final des électrons n'est pas le pigment du photosystème, comme chez les bactéries violettes, mais le NADP+. Une autre différence est que chez les plantes, deux photosystèmes (PS-I et PS-II) forment un mécanisme couplé et qu'un cycle de son fonctionnement nécessite l'absorption de deux photons. Le complexe b 6 f n'est pas représenté sur la figure.

Le gradient H+ résultant fournit de l’énergie pour la synthèse de l’ATP par l’enzyme ATP synthase, de la même manière que la chute d’eau fournit de l’énergie à un moulin à eau (Figure 3). L'ATP est un vecteur universel d'énergie chimique dans la cellule et intervient dans la grande majorité des réactions énergivores, dont les réactions du cycle de Calvin, qui assurent la conversion du CO 2 en matière organique réduite. Dans ce cycle, la majeure partie de l’énergie est dépensée pour lutter contre les réactions secondaires. Il existe d'autres voies d'assimilation du carbone - par exemple, la voie Wood-Ljungdahl, dont nous parlerons plus tard.

Figure 3. Stockage de l'énergie lumineuse. Pendant la photosynthèse, les protéines du photosystème transfèrent des protons à travers la membrane en utilisant l'énergie photonique. L'enzyme ATP synthase réinitialise le gradient de concentration H + résultant et produit le vecteur d'énergie universel dans la cellule - l'ATP. L’analogie avec un moulin à eau rotatif est en réalité très proche de la réalité.

Bien que la photosynthèse fournisse finalement de l’énergie à l’ensemble de la biosphère, l’efficacité de ce processus laisse beaucoup à désirer (tableau 1). Le détenteur du record de photosynthèse est le sorgho, cultivé pour la production de biocarburants, dont l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en énergie chimique est de 6,6 %. A titre de comparaison : les pommes de terre, le blé et le riz en contiennent environ 4 %.

Dans le même temps, le rendement typique des cellules solaires modernes est de 15 à 20 % et les prototypes ont atteint une valeur de 46 %. Cette différence d’efficacité entre les photocellules artificielles et les plantes vivantes s’explique principalement par l’absence d’étapes de synthèse. Mais il existe une différence plus subtile : les photosystèmes végétaux extraient l’énergie uniquement des photons de lumière visible avec des longueurs d’onde de 400 à 700 nm, et la production des photons de haute énergie est exactement la même que celle des photons de basse énergie. Les semi-conducteurs utilisés dans les cellules solaires capturent des photons provenant d’un spectre plus large. Et pour maximiser le rendement, une seule batterie combine des matériaux conçus spécifiquement pour différentes parties du spectre solaire.

Le but ultime des ingénieurs d’IF est de créer une plante (ou un organisme artificiel) qui réaliserait mieux la photosynthèse que les plantes. Aujourd’hui, la bio-ingénierie a atteint un niveau où il est possible d’essayer de le faire. Et d’année en année, les tentatives des scientifiques se rapprochent de plus en plus de leur objectif cher, nous faisant admirer des découvertes incroyables.

Un SI si différent

Le schéma IF le plus simple est synthèse complètement abiotique de matière organique sur un catalyseur. En 2014, un catalyseur au ruthénium a été découvert qui, lorsqu'il est éclairé, synthétise le méthane à partir de H 2 et CO 2. Dans des conditions optimales, qui incluent un chauffage à 150°C et un éclairage intense, un gramme de ce catalyseur crée une millimole de méthane par heure, ce qui, bien entendu, est très peu. Les scientifiques eux-mêmes qui étudient le catalyseur admettent qu'une telle vitesse de réaction, avec un coût de catalyseur assez élevé, est trop faible pour son utilisation pratique.

La vraie photosynthèse est un processus en plusieurs étapes, à chaque étape duquel se produit une perte d'énergie. C’est en partie une bonne chose, car cela ouvre de nombreuses possibilités d’optimisation. Dans le cas de la photosynthèse abiogénique, tout ce que l’on peut faire est de trouver un catalyseur fondamentalement nouveau.

Une approche complètement différente du SI - création de bioréacteurs alimentés par l'énergie solaire. Curieusement, dans de tels bioréacteurs, ils utilisent Pas micro-organismes photosynthétiques qui peuvent encore fixer le CO 2 en utilisant d'autres sources d'énergie.

Faisons connaissance avec plusieurs types de conceptions d'appareils pour IF à l'aide d'exemples spécifiques.

En 2014, les résultats des tests ont été publiés pour une installation qui convertit le courant en biomasse avec un rendement record de 13 %. Pour obtenir un réacteur IF, il suffit de connecter un panneau solaire. Cette installation est essentiellement une cellule électrochimique (Fig. 4 UN), où deux électrodes sont placées dans un milieu nutritif contenant des bactéries Ralstonia eutropha(ils sont aussi Nécateur de Cupriavidus). Lorsqu'un courant externe est appliqué, le catalyseur à l'anode divise l'eau en oxygène et en protons, et le catalyseur à la cathode réduit les protons en hydrogène gazeux. R. eutropha reçoit de l'énergie pour l'assimilation du CO 2 dans le cycle de Calvin grâce à l'oxydation de H 2 par l'enzyme hydrogénase.

Figure 4. Bioréacteurs pour IF basés sur des cellules électrochimiques. Le courant peut être généré par photolyse de l'eau à l'anode à l'aide d'une cellule solaire (UN) ou sans (b) . Dans les deux cas, les électrons prélevés dans l'eau fournissent aux microbes autotrophes les équivalents réducteurs nécessaires à la fixation du CO 2 .

Selon les calculs des développeurs, la combinaison de leur installation avec une batterie solaire typique (efficacité de 18 %) conduira à une efficacité photosynthétique totale de 2,5 % si toute l'énergie lumineuse est convertie en croissance de biomasse, et de 0,7 % si des bactéries génétiquement modifiées synthétisent le butanol. sont utilisés. Ce résultat est comparable à l’efficacité de la photosynthèse chez les plantes réelles, même s’il n’atteint pas le niveau des plantes cultivées. Capacité R. eutropha la synthèse de matières organiques en présence de H 2 est très intéressante non seulement dans le contexte de la FI, mais aussi comme application possible de l'énergie hydrogène.

En 2015, des scientifiques californiens ont créé une installation tout aussi intéressante, où les étapes d'absorption et de synthèse de la lumière sont plus étroitement liées. La photoanode du réacteur conçu, lorsqu'elle est éclairée, divise l'eau en oxygène, protons et électrons, qui sont envoyés le long d'un conducteur jusqu'à la cathode (Fig. 4). b). Pour augmenter le taux de photolyse de l'eau se produisant à l'interface, la photoanode est constituée de nanofils de silicium, qui augmentent considérablement sa surface.

La cathode de cette installation est constituée d'une « forêt » de nanobâtonnets de TiO 2 (Fig. 5 UN), parmi lesquels se développent des bactéries Sporomusa ovale. Les électrons issus de la photoanode vont spécifiquement vers ces bactéries, qui les utilisent comme équivalents réducteurs pour convertir le CO 2 dissous dans le milieu en acétate.

Figure 5. La photosynthèse artificielle est impensable sans nanomatériaux. UN - Dans le réacteur IF de l'article CO 2, les bactéries se développant dans une « nanoforêt » de tiges de silicium recouvertes de TiO 2 (couche de 30 nm) sont enregistrées ; Cette nanoforêt crée les conditions anaérobies nécessaires aux bactéries et augmente la densité surfacique de contact entre les bactéries et le conducteur. b - Avec une approche fondamentalement différente, ce ne sont pas les bactéries qui sont posées sur le semi-conducteur, mais le semi-conducteur qui est posé sur les bactéries ; Grâce à la coquille CdS, les bactéries mourant à la lumière deviennent photosynthétiques.

TiO 2 nanoforest remplit plusieurs fonctions à la fois : fournit une haute densité de bactéries au contact, protège les bactéries anaérobies obligatoires S.ovata de l'oxygène dissous dans l'environnement et peut également convertir la lumière en électricité, aidant ainsi les bactéries à fixer le CO 2.

S.ovata- des bactéries au métabolisme très flexible, qui s'adaptent facilement à la croissance selon le mode dit électrotrophique. Ils fixent le CO 2 par la voie Wood-Ljungdahl, dans laquelle seulement 10 % de l'acétate est utilisé pour la croissance de la biomasse, et les 90 % restants sont rejetés dans l'environnement.

Mais l'acétate lui-même n'est pas particulièrement précieux. Pour le convertir en substances plus complexes et plus coûteuses, des substances génétiquement modifiées sont introduites dans le réacteur. Escherichia coli, synthétisant du butanol, des isoprénoïdes ou du polyhydroxybutyrate à partir d'acétate. Dernière substance E. coli produit avec le rendement le plus élevé.

Quant au rendement de l’ensemble de l’installation, il est très faible. Seulement 0,4 % de l'énergie solaire peut être convertie en acétate, et la conversion de l'acétate en polyhydroxybutyrate s'effectue avec une efficacité de 50 %. Au total, seulement 0,2 % de l’énergie lumineuse peut être stockée sous forme de matière organique, qui peut ensuite être utilisée comme combustible ou matière première pour la production chimique. Les développeurs considèrent que leur principale réussite est que l'installation qu'ils ont créée peut être utilisée pour des synthèses chimiques complètement différentes sans modifications fondamentales de la conception. Cela montre une analogie avec la photosynthèse naturelle, où toutes sortes de substances organiques sont finalement synthétisées à partir du CO 2 3-phosphoglycérate obtenu par assimilation.

Dans les deux technologies décrites, les développeurs ont tenté de combiner l’excellence des semi-conducteurs en tant qu’absorbeurs d’énergie lumineuse avec le pouvoir catalytique des systèmes biologiques. Et les deux installations qui en ont résulté étaient des piles à combustible « inversées », où le courant est utilisé pour synthétiser des substances.

Dans une approche fondamentalement différente, des cellules individuelles sont combinées avec des semi-conducteurs en un seul tout. Ainsi, tout début 2016, un ouvrage a été publié dans lequel la bactérie acétogène Moorella thermoacétique cultivé dans un environnement riche en cystéine et en cadmium. En conséquence, il meurt généralement à la lumière M. thermoacétiqueétait recouvert d'une coque de CdS (semi-conducteur) et recevait ainsi non seulement une protection contre le soleil, mais devenait également photosynthétique : les électrons du CdS entraient dans le chemin Wood-Ljungdahl (Fig. 5 b).

Des expériences sur une telle bactérie « blindée » ont montré que le CO 2 se fixe non seulement à la lumière, mais aussi dans l'obscurité (sous réserve du cycle quotidien). La raison en est l'accumulation de métabolites photosynthétiques dans la lumière en quantités telles que les cellules n'ont pas le temps de les traiter. Le principal avantage de ces bactéries par rapport aux cellules décrites ci-dessus est leur auto-organisation. Pour les cellules, il est nécessaire de préparer à l’avance les nanomatériaux et les catalyseurs, et ces pièces elles-mêmes ne s’usent qu’avec le temps. Au cas où M. thermoacétique les unités photosynthétiques divisent, produisent et réparent elles-mêmes tout ce dont elles ont besoin s'il y a suffisamment de cadmium et de cystéine dans l'environnement. Ces bactéries n'ont pas encore été étudiées comme source de carburant, mais en termes de rendement quantique de la photosynthèse, elles ne sont pas inférieures aux plantes.

Pas longtemps à attendre...

Les technologies IF en sont encore au stade du prototype, mais leurs développeurs voient de grandes possibilités d'optimisation. Vous pouvez optimiser les semi-conducteurs captant la lumière, les micro-organismes, l’organisation spatiale des bactéries et d’autres catalyseurs. Mais avant tout, il faut résoudre le problème de la stabilité. L'efficacité des installations fabriquées diminue sensiblement après seulement quelques jours de fonctionnement. Un appareil entièrement fini pour IF, comme tout système vivant, doit se régénérer et s’auto-reproduire. À cet égard, il est particulièrement intéressant M. thermoacétique, auquel ces propriétés s’appliquent pleinement.

Et bien que les échantillons existants soient loin d’être parfaits, les travaux dans le domaine de l’IF sont précieux principalement parce qu’ils montrent la possibilité fondamentale d’intégrer l’énergie solaire dans un monde capturé par le moteur à combustion interne. Les éoliennes et les panneaux solaires ont bien sûr un rendement élevé et couvrent déjà presque entièrement la consommation d'énergie de l'Uruguay et du Danemark, et les centrales hydroélectriques sont des nœuds importants du réseau énergétique de nombreux pays. Mais remplacer le carburant par l’électricité nécessite dans la plupart des cas une restructuration radicale des réseaux énergétiques et n’est pas toujours possible.

La poursuite du développement du fonds d'investissement nécessite des investissements massifs. On peut imaginer que les fabricants de cellules solaires, à qui les futuristes prédisent une domination mondiale dans le domaine de l’énergie d’ici 2030, s’intéresseront au développement de cette science encore jeune et inexpérimentée, à l’intersection de la bioénergie, de la science des matériaux et de la nano-ingénierie. Qui sait, peut-être que l'IF ne deviendra pas une réalité quotidienne à l'avenir, ou peut-être que les travaux dans ce domaine donneront un élan à l'énergie hydrogène ou au biophotovoltaïque. Nous n’avons pas longtemps à attendre, attendre et voir.

Littérature

1. Pyramides des âges du monde de 1950 à 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinov N. (2007).