Kas lemia fotosintezės efektyvumą? Fotosintezės efektyvumo didinimo būdai

„Kalbant apie mūsų problemą, su problema, kurią iškėliau pirmą kartą – ką daryti su nuolat didėjančiu žmonių skaičiumi Žemėje, kyla klausimas: „Ką gali duoti žmonėms didelis biologinis ciklas biosferoje? Šią problemą galima apsvarstyti trys pagrindiniai ką tik aprašyti biosferos taškai arba vietos:

1) prie energijos įvesties,
2) biosferos biologiniame cikle ir
3) prie išėjimo iš biologinio ciklo į geologiją.

Pradėkime nuo energijos sąnaudų. Tam tikras saulės energijos kiekis patenka į Žemės paviršių. Žinoma, tik ta jo dalis, kurią absorbuoja autotrofiniai organizmai, gali veikti biologiškai. Iš visos Saulės energijos, patenkančios į Žemę, tik tam tikras procentas (tiksliai apskaičiuoti nėra taip paprasta), tarkime, maždaug nuo trijų iki aštuonių procentų , sugeria žali augalai. Ne visa sugerta energija patenka į fotosintezę. Kaip ir technologijose, taip ir gyvojoje gamtoje galime kalbėti apie efektyvumą – fotosintezės efektyvumą. Tai (vėlgi labai sunku apskaičiuoti) maždaug nuo nuo dviejų iki aštuonių procentų .

Labai svarbu pažymėti, kad skirtingų tipų ir grupių augalai pasižymi skirtingu efektyvumu.

Taigi jau prie įėjimo žmonija gali ką nors padaryti, kad augmenija sugertų daugiau į Žemę patenkančios saulės energijos, o tam būtina padidinti Žemės žaliosios dangos tankį. Tuo tarpu mes, žmonės, savo ūkinėje, pramoninėje veikloje ir kasdieniame gyvenime dažniau mažiname Žemės žaliosios dangos tankumą, neatsargiai elgdamiesi su miškais, pievomis, laukais, statybvietėmis. Nepakankamai žalindami dykumas ir stepes, mažiname žaliosios dangos tankumą. Tačiau būtent šiuolaikinių technologijų ir pramonės lygis teoriškai leidžia daryti priešingą darbą – visais įmanomais būdais didinti žaliosios dangos tankį visose tinkamose žemės paviršiaus vietose ir rezervuaruose, ypač gėlavandeniuose.

Be to, kaip rodo skaičiavimai, jį galima padidinti bent pusantro, o gal net du kartus ir taip padidinti biologinį Žemės produktyvumą.

Aukščiau buvo pasakyta, kad skirtingų augalų rūšių efektyvumas – naudingumo koeficientai – gali būti labai įvairus – nuo ​​dviejų iki aštuonių, o kai kurioms augalų formoms – net daugiau procentų. Ir čia žmonijai atsiveria dar viena galimybė: pagrįsta, žinoma, remiantis išankstiniu tiksliu įvairių augalų rūšių efektyvumo tyrimu, kurį atliko fiziologai-specialistai, pabandyti padidinti dalyvavimo Žemę dengiančiose augalų bendrijose procentą. su didžiausiu, o ne mažiausiu efektyvumu. Tai vėlgi gali padidėti tam tikru skaičiumi, pusantro karto, mažiau ar daugiau, saulės energijos, kurią absorbuoja augalai, procentas ir dėl augalų fotosintezės susidaro organinės medžiagos Žemėje.

Tai reiškia, kad jau prie įėjimo į biosferą, energijos įvedime, galite laimėti, padidinti biologinį Žemės produktyvumą, tarkime, du kartus. Leiskite jums priminti, kad tai yra kažkas, ko mums tikrai prireiks po šimto metų.

Timofejevas-Resovskis N.V., Atsiminimai, M., „Vagrius“, 2008, p. 344-345.

n1.doc

Augalai

Fotosintezės produktyvumo problema užima svarbią vietą šiuolaikiniuose fotosintezės tyrimuose, nes galiausiai visų fotosintezės mechanizmo bet kurio lygmens tyrimų tikslas yra suprasti nukreipto augalų fotosintezės aktyvumo reguliavimo ir bendros fotosintezės lygio didinimo mechanizmus. produktyvumas. Įvairūs šios problemos aspektai, tokie kaip fiziologinis fotosintezės reguliavimas, augalų fotosintezės aktyvumo optimizavimas, fotosintezės intensyvumo ir bendro augalų organizmų produktyvumo ryšys ir kiti, tapo išsamių tyrimų objektu. Tyrimai atliekami pasėlių, viso augalo, atskirų jo organų, ląstelių ir ląstelių struktūrų lygmeniu.
6.1. Fotosintezės rodikliai
Fotosintezės funkciją galima įvertinti įvairiais rodikliais, tarp kurių, lyginant fotosintezės efektyvumą, plačiai naudojami šie: kvantinis suvartojimas, kvantinis derlius, fotosintezės intensyvumas, grynasis produktyvumas, fotosintezės efektyvumo koeficientas, asimiliacijos skaičius ir kt.

Kvantinis suvartojimas – tai šviesos kvantų skaičius, reikalingas 1 moliui CO 2 sumažinti iki organinių junginių lygio. Atskiro kvanto (fotono) energija yra labai maža, dažniausiai ji išreiškiama fotonų molio energija - Einšteinai (1 Einšteinas lygus 1 moliui kvanto,
1 molis kvantų lygus 6,02 10 23). Einšteinas lygus N A h, kur N A yra Avogadro konstanta (6,02·10 23; molekulių skaičius medžiagos moliui). Fotonų energija gali būti išreikšta ergs, kcal/mol (1 kcal=
4.2·10 10 erg) arba elektronvoltais (1 eV=23 kcal/mol). Asimiliuotas CO 2 išreiškiamas moliais.

Pirmuosius O 2 molekulės išskyrimo fotosintezės metu kvantinius matavimus 1922 m. atliko Warburgas. Eksperimentuodamas su chlorela, jis gavo kvantines suvartojimo vertes, lygias 4. Iki 1937 m. kai kurie tyrinėtojai gavo kvantines suvartojimo vertes, lygias 8. Remdamiesi dviejų kvantų pirminių fotosintezės procesų teorija (Z-schema), iš to seka, kad optimaliausiomis sąlygomis kvantinis suvartojimas vienai O 2 molekulei ekskrecijai arba vienos CO 2 molekulės fiksavimui turėtų būti lygus 8. Kvantinė suvartojimo reikšmė 8 neprieštarauja didžiajai eksperimentinės medžiagos daliai. Tačiau optimalaus kvantinio srauto greičio klausimas nebuvo eksperimentiškai išspręstas, todėl reikia atlikti tolesnius tyrimus. Praktiškai jis gali būti didesnis nei 8 kvantai. Esant nepalankioms sąlygoms (temperatūrai, šviesai, drėgmei ir kt.), fotosintezės kvantinis suvartojimas gali padidėti dešimtis ar šimtus kartų. Taip yra dėl neišvengiamų energijos nuostolių fotofizinių (energijos išsklaidymo į šilumą) arba fotocheminių ir biocheminių etapų metu.

Norint apibūdinti energijos suvartojimą fotosintezės procese, taip pat naudojamas toks kiekis kaip kvantinė išeiga - absorbuotų CO 2 molekulių skaičiaus ir tam sunaudotų šviesos kvantų skaičiaus santykis.

Didžiausia ir teoriškai įmanoma kvantinė išeiga yra 0,25. Praktiškai ši vertė yra žymiai mažesnė nei teorinė.

Efektyvumas, kuriuo augalas kaupia šviesos energiją, apibūdinamas jo energijos išeiga (E). Jis apibrėžiamas kaip sukauptos energijos ir sugertos energijos santykis:
8
Svarbus klausimas yra tai, kokia iš tikrųjų yra maksimali galima fotosintezės energijos išeiga, nes nuo šios vertės priklauso didžiausias derlius. Teoriškai skaičiuojant didžiausias galimas išeigas, imamasi teoriškai didžiausios energijos išeigos. Jei žinoma energijos išeiga (E), tai žinant šviesos kiekį, kurį augalas sugeria, galima apskaičiuoti sukauptos energijos kiekį. Pagal lygtį (CO 2 + H 2 O  CH 2 O + O 2 + 112 kcal/mol) kiekvienam
112 kcal augalo sukauptos energijos pagamina 30 g organinių medžiagų (30 g yra CH 2 O molekulinė masė). Tai leidžia apskaičiuoti sausos masės padidėjimą. Jei darysime prielaidą, kad fotosintezės kvantinis suvartojimas lygus 8, tai didžiausia galima fotosintezės energijos išeiga bus lygi 112 kcal: 8·40=0,35. Beveik maksimali energijos išeiga yra mažesnė esant natūraliai šviesai (0,35 vertė, gauta esant raudonai šviesai
( = 680). Skaičiavimai rodo, kad saulės spinduliuotės maksimali energijos išeiga, remiantis 8-uoju kvantiniu suvartojimu, yra 14%. Ši vertė gauta atsižvelgiant į tai, kad augalo lapas sugeria visą ant jo krintantį šviesą (optimalus variantas).

Energijos išeiga apibūdina energijos kaupimo efektyvumą, kurį galima įvertinti apskaičiuojant šviesos energijos virsmo chemine energija naudingumo koeficientą (efektyvumą). Didžiausia jo vertė yra 35%. Tamsios fotosintezės reakcijų efektyvumas siekia 81%.

Remiantis fotosintezės energijos analize, pastarosios biologinė prasmė yra išgauti laisvą energiją iš aplinkos ir ją kaupti ateičiai panaudoti stabilių organinių junginių pavidalu. Šviesos kvantų energija išleidžiama paprastai stipresniems kovalentiniams ryšiams (CO 2 ir H 2 O) pakeisti paprastai silpnesniais ryšiais (CH 2 O ir O 2) ir sistemai sutvarkyti.

Fotosintezė yra endoterminis procesas, tai įmanoma tik tada, kai sistema tiekiama energija iš išorės. Fotosintezės intensyvumas – tai CO 2 kiekis, kuris absorbuojamas lapo paviršiaus (arba masės) vienete per laiko vienetą (mg/dm 2 val., g/m 2 parą). Jis svyruoja nuo 5 iki 25 mg anglies dioksido vienam
1 dm 2 per 1 valandą.

Grynasis paros produktyvumas – tai viso augalo masės padidėjimo (g) ir lapų ploto santykis. Paprastai tai yra 5–12 g sausos pasėlių masės 1 m 2 lapų per dieną. Santykis tarp fotosintezės metu pasisavinto CO 2 kiekio ir sukauptos sausos organinės masės vadinamas fotosintezės efektyvumo koeficientu.

Grynasis fotosintezės produktyvumas (PF. pr.) apibūdina pasėlių masės formavimosi ir kaupimosi intensyvumą (g/m2), jis nustatomas pagal formulę:

, 9
kur B 1 ir B 2 yra pasėlių sausosios medžiagos masė ataskaitinio laikotarpio pradžioje ir pabaigoje, B 2 -B 1 yra sausos masės padidėjimas per ataskaitinį laikotarpį, L 1 ir L 2 yra plotas mėginys išeina laikotarpio pradžioje ir pabaigoje, (L 1 +L 2)·1/2n – vidutinis lapų plotas per nurodytą laikotarpį, n – dienų skaičius per ataskaitinį laikotarpį.

Pasėlių fotosintezę galima įvertinti naudojant kasdien

Sausos fitomasės padidėjimas:

, 10
čia M – sausosios medžiagos masė (padidėjimas per dieną), S – sukauptos sausos fitomasės perskaičiavimo į pasisavinto CO 2 kiekį koeficientas, k – kvėpavimo korekcija, t – paros ilgis.

Iš išvardintų rodiklių palyginimui dažniausiai naudojamas fotosintezės greitis (tikroji arba tariama fotosintezė).

Asimiliatų kiekis, kurį gamina visas augalas (tiek savo kūnui formuoti, tiek kvėpavimo išlaidoms padengti), vadinamas tikra, arba stambiąja fotosinteze. Grynoji fotosintezė arba matoma, stebima fotosintezė yra skirtumas tarp anglies dioksido kiekio, kurį pasisavina lapas ir tuo pačiu metu išleidžiamas į atmosferą kvėpuojant.

Biomasės ir derliaus padidėjimas priklauso nuo lapų ploto santykio su paties pasėlio užimamu plotu (lapų indeksas). Optimalios lapų indekso vertės yra 4–5. Kiekvienam pasėliui ir kiekvienam regionui optimalaus asimiliacijos paviršiaus radimas yra viena iš svarbių užduočių (javams tai yra 20–
30 tūkst. m2/ha). Fotosintezės aparato vystymuisi pasėliuose apibūdinti rekomenduojama nustatyti „chlorofilo indeksą“ (g chlorofilo/m2; kg chlorofilo/ha pasėlių), kuriam apskaičiuoti chlorofilo kiekį visuose antžeminiuose organuose. sąskaitą ir apibendrina. 1 mg chlorofilo (PPX) veikimas taip pat gali būti fotosintezės aparato veikimo charakteristika:

mg per parą, 11

kur M yra sausos medžiagos masė, X yra bendras chlorofilo kiekis augale,
D – dienų skaičius.

Chlorofilo naudojimo fotosintezėje poveikis apibūdinamas asimiliacijos skaičiumi - fotosintezės intensyvumo ir chlorofilo kiekio lape santykiu:
12
Daugumoje augalų – 4–8, pavėsiui atspariuose – 20–70, etioliuotuose – 100.

6.2. Fotosintezė ir bioproduktyvumas
Per milijardus metų augalai sukūrė Žemėje šiuolaikinę atmosferą ir sąlygas gyvybei, įskaitant žmogaus gyvybę, vystytis, aprūpindami jį maistu, energija ir kitais ištekliais. Užduotis keliama ne tik saugoti augalų pasaulį ir fotosintezės funkciją, bet ir ją stiprinti, ypač žemės ūkio augaluose. Pastaraisiais metais intensyviai plėtojama fotosintezės produktyvumo teorija. Ypatingą dėmesį mokslininkai skiria fotosintezės parametrų ir augalų produktyvumo ryšiui bei veisimui svarbių fotosintezės savybių nustatymui. Visa žemės ūkio praktika yra skirta išauginti didelį augalų derlių. Derlius formuojasi per visą vegetacijos laikotarpį ir priklauso nuo fiziologinių procesų pastovumo bei medžiagų apykaitos krypties. Intensyvaus augalų augimo laikotarpiu 1 hektare pasėlių per parą susidaro vidutiniškai 80–150 kg sausos masės, kartais – 300–500 kg.

Pasėlių kaupimas priklauso nuo visų vidinių procesų komplekso ir išorinių veiksnių santykio, tačiau vis tiek pagrindinė vieta tenka fotosintezės procesams. Fotosintezė pirmiausia yra saulės šviesos energijos kaupimas augaluose redukuotų anglies produktų pavidalu.

Augalų pasaulio fotosintezės funkciją Žemės mastu galima apibūdinti šiais rodikliais.

Tik 1/10 9 Saulės skleidžiamos energijos pasiekia Žemės paviršių. 30 % energijos atsispindi kosmose, 47 % išsklaido ir paverčia šiluma, 23 % panaudojama vandens garinimui ir kaupiama vandens ir ledo energijos pavidalu, o vidutiniškai 0,02 % (40·10 12 W). ) išleidžiama fotosintezei. Žemės augalija kasmet pagamina 80 milijardų tonų sausos biomasės (3,2·10 17 kcal/metus); įskaitant sintezę: jūrų ir vandenynų fitolaktonas 27 mlrd. tonų per metus (1,1·10 17 kcal per metus); sausumos augalų – 53 mlrd. t/metus (2,1 10 17 kcal/metus), iš jų kultūrinių augalų – 7,5 mlrd. t/metus (0,3 10 17 kcal/metus), miškų – 7,5 mlrd.
38 milijardai tonų per metus (1,5 10 17 kcal per metus), stepių, pievų ir dykumų augalai –
7 milijardai tonų per metus (0,3·10 17 kcal per metus). Kultūrinių augalų fotosintezė bendroje planetos fotosintezėje yra 8%, o sausumos augalų fotosintezėje 12–15% (7,5 mlrd. tonų sausos organinės masės per metus, tai prilygsta 3 10 16 kcal sukauptos energijos arba 35). tūkst. milijardų kWh).

Maisto kiekis vienam žmogui yra vidutiniškai 1,87 tonos biomasės per metus (5,1 kg per dieną). Tačiau didelės biomasės dalies žmonės negali panaudoti tiesiogiai, taip pat patiriama nuostolių. Todėl kultūrinių augalų produktyvumo didinimas yra svarbi problema. 12% žemės užima kultūriniai augalai. Plotas gali būti padidintas, tačiau tam reikės didelių kapitalo investicijų. Derlių galima padidinti padidinus saulės energijos naudojimo žemės ūkio augalams efektyvumą. Taip yra dėl žemės ūkio lygio padidėjimo ir racionalaus žemės ūkio kultūrų išdėstymo bei produktyvių veislių kūrimo. Vertinant augalo lapo suminės ant jo krentančios saulės energijos panaudojimo efektyvumą, reikia atkreipti dėmesį į tai, kad jei bendra saulės spinduliuotė laikoma 100 %, tai atspindėta spinduliuotė yra 10 %, sugerta spinduliuotė – 70 % ir per lapą sklindanti spinduliuotė yra 20 proc. Iš 70 % spinduliuotės, kurią sugeria lapas, 1 % energijos sukaupta fotosintezės produktuose, 49 % išleidžiama transpiracijai, 20 % – antrinei spinduliuotei. Todėl bendros spinduliuotės naudingumo koeficientas (efektyvumas) yra 1%. Jis gali skirtis priklausomai nuo auginimo sąlygų, augalų biologinių savybių ir jo fiziologinių procesų būklės.

Fotosintezei naudojama fotosintetiškai aktyvi spinduliuotė (PAR, 380–780 nm). Tai sudaro 26–55% visos saulės spinduliuotės. Kai kviečių grūdų derlius viršija 70 c/ha, augalai panaudoja vegetacijos metu ateinantį PAR 4,0–4,3% naudingumo koeficientu. Esant gerai ūkininkavimo kultūrai ir aktyviam fotosintezės aparatui, PAR panaudojimo efektyvumas gali siekti 8–5% ir siekti 10%. Didžiausios produktyvumo vertės gali siekti 50 g sausos biomasės 1 m 2 pasėlių per dieną. Tai atitinka 5 c/ha. Jei vertinsime pagal fotosintezės intensyvumą, tai tokį padidėjimą gali užtikrinti fotosintezės intensyvumas, lygus 20–25 kg CO 2 per parą 1 m 2 lapų paviršiaus.

CO 2 balansas (%), atsižvelgiant į srautą ir sunaudojimą, yra šios vertės (jei ore kiekis laikomas 100%): jauniklių - 0,09%, anglies, naftos - 3,08, pramoninis deginimas. kalkakmenio - 0,04, gaisrų miškuose - 0,38, kvėpavimas, fermentacija, irimas (sausumos, jūros augalai) - 56,09, CO 2 išsiskyrimas iš dirvožemio paviršiaus - 38,09, žmonių kvėpavimas - 0,32, gyvūnų kvėpavimas - 1,28%, suvartojimas: per atmosferą silikatų - 0,09%, sausumos augalų asimiliacija - 40,60, jūros augalų, dumblių asimiliacija - 59,31%.

Per metus sausumos ir vandenynų augalai sugeria 1,5 10 11 tonų anglies dioksido, suskaidydami 1,2 10 11 tonų vandens, išskiria 10 11 tonų deguonies ir sukaupia 6 10 20 kalorijų saulės energijos cheminės energijos pavidalu. fotosintezės produktų.

Fotosintezės dėka šviesos energija paverčiama chemine energija, kuri kaupiama biomasėje. Augalų biomasė yra sausoji masė tam tikru metu, kai gyvena antžeminės ir požeminės augalų dalys, tenkančios dirvožemio paviršiaus ploto vienetui. Produkcija apibrėžiama kaip biomasė arba tam tikros augalų grupės ar rūšies asimiliuota organinių medžiagų masė ploto vienetui per laiko vienetą. Pirminė gamyba savo ruožtu skirstoma į tikrą pirminę gamybą ir grynąją pirminę gamybą. Tikroji pirminė produkcija – tai bendras pasisavintų organinių medžiagų kiekis, įskaitant kvėpavimo išlaidas, o grynoji pirminė produkcija – ta organinės medžiagos dalis (įskaitant kvėpavimo išlaidas), kuri yra prieinama žmonėms arba lieka sukauptos cheminės energijos pavidalu. Remiantis skaičiavimais, pasaulinis grynasis fotosintezės produktyvumas yra 78·10 9 tonos anglies per metus, iš kurių 7% tiesiogiai ir per gyvūninius organizmus žmonės sunaudoja maistui, kurui ir žaliavoms. Gyvos biomasės kaupimasis per metus sudaro grynąjį ekosistemos produktyvumą. Atogrąžų miškai daugiausia prisideda prie tikrojo produktyvumo tarp sausumos fototrofų (iki 29%). Apskritai visų tipų miškų indėlis siekia 68%.

Vandenynų plotas yra 2,5 karto didesnis nei žemės plotas, tačiau jų pirminė produkcija sudaro tik 1/2–1/3 sausumos. Apskaičiuota, kad bendra grynoji pirminė gamyba yra lygi 10–
13% anglies kiekis atmosferoje. Atmosferos anglies atsinaujinimas iš biosferos trunka 7–10 metų. Jei atsižvelgsime į kvėpavimą ir fotokvėpavimą, šį laikotarpį galima sutrumpinti iki 3–
5 metai. Anglies mainai tarp atmosferos ir vandenynų paviršiaus taip pat trunka 7–8 metus. Kultūrinių augalų CO 2 asimiliacija lemia žmogaus priklausomybę nuo fotosintezės. Biomasė gali būti naudojama ne tik kaip maisto produktas, bet ir kaip žaliava kurui kurti. Kasmetinėje fotosintezės produkcijoje yra beveik 10 kartų daugiau energijos, nei šiuo metu reikia visos planetos gyventojų poreikiams patenkinti. Tačiau norint racionaliai naudoti biomasę kaip energijos šaltinį, reikia mokslo ir technologijų plėtros.

Atsižvelgiant į tai, kad maksimalus fotosintezės energijos efektyvumas pasiekiamas esant aštuonių kvantų sąnaudoms vienai CO 2 molekulei ir kad fitocenozėse kvėpavimo procesuose prarandama 40–60 % asimiliuoto CO 2 ir energijos, galimas fitocenozių produktyvumo lygis su efektyvumo koeficientu. jų energijos suvartojimas buvo nustatytas 4–6% fotosintetiškai aktyvios spinduliuotės (PAR).
6.3. Gamybos procesas ir fotosintezė. Derliaus formavimas
Pagrindiniai augalų fotosintezės aktyvumo ir biologinio bei ekonominio derliaus formavimo dėsniai buvo nustatyti daugelio laboratorijų ilgus metus trukusių tyrimų rezultatas. Remiantis pagrindiniais fotosintezės produktyvumo teorijos principais, kurie buvo išsamiai išplėtoti ir eksperimentiškai pagrįsti A.A. Ničiporovičius ir jo kolegos, pagrindiniai veiksniai, lemiantys augalų produktyvumo lygį, yra fotosintezės aparato dydis (lapų plotas), jo darbo intensyvumas ir produktyvumas, naujų formavimosi proceso ir organinių medžiagų suvartojimo santykis. Ekologinio pagrindo ir galimybių didinti organizmų produktyvumą, didinant saulės spinduliuotės efektyvumą, nustatymas yra viena iš svarbiausių augalininkystės problemų. Fiziologiniai gamybos proceso programavimo principai apima cenozių formavimą su optimaliais lapų paviršiaus, grynojo fotosintezės produktyvumo, fotosintezės potencialo ir asimiliacinio paviršiaus produktyvumo rodikliais. Reikia atsižvelgti į tai, kad galutinis fotosintezės produktyvumas yra koordinuoto fotosintezės sistemų darbo skirtinguose jų organizavimo lygiuose rezultatas. A. A. Nichiporovičius (1982), charakterizuodamas „idealią“ fotosintezės sistemą, mano, kad didžiausio energijos vartojimo efektyvumo fotosintezė vyksta tokiomis sąlygomis, kai redukuojama 1 g molio CO 2 (44 g arba 6,2 10 23 molekulės) 8 kvantai arba 8 einšteinai. (e) sunaudojama chlorofilo absorbuotų PAR (8·6,02·10 23 h).

Didžiausias PAR intensyvumas, patenkantis į 1 dm 2 lapo paviršiaus, yra 15,07 kJ dm 2 h Jei atsižvelgsime į tai, kad 1 e PAR yra lygus 209,35 kJ, galime nustatyti, kad PAR intensyvumas yra 12,56 kJ dm 2 h atitinka. toks PAR kvantinio srauto tankis:

Taikant aštuonių kvantų procesą, fotosintezės sistema turėtų įsisavinti:

CO 2 molekulės 1 dm 2 val.,

Arba atlikite fotosintezę intensyviai:

Augalų lapuose, priešingai nei „idealioje“ sistemoje, 1 dm 2 yra atitinkamai tik 3–7 mg chlorofilo, 4,0–5,5 10 9 chloroplastų ir 0,8–1,2 10 16 reakcijos centrų. Tai leidžia atlikti tikrą fotosintezę, kai aštuonių kvantų sąnaudos yra 20–40 mg CO 2 per 1 dm 2 h. Šiuolaikinėje augalininkystėje naudojama fotosintezė, kurios PAR saugojimo pasėlyje efektyvumo koeficientas yra 0,1–0,5% (rečiau 1–2%). Tikslas yra padidinti šį lygį iki 3–5% PAR.

Esant skirtingoms sąlygoms, atskiri augalų produktyvumo komponentai gali labai skirtis: skirtingi lapų ploto didėjimo tempai, skirtingos vegetacijos trukmės, fotosintezės intensyvumo lygis (5–50 mg/dm 2 val.).

Būdingas pasėlių biologinio produktyvumo rodiklis yra „pasėlių fotosintezės potencialas“, tai yra lapų ploto (m 2 /ha) suma kiekvienai dienai per visą vegetacijos sezoną. Šis rodiklis tarp skirtingų augalų svyruoja nuo 0,5 iki 5 mln.

Ne mažiau svarbus derliaus veiksnys yra kiekvieno lapų ploto kvadratinio metro fotosintezės darbo našumas. 1 m 2 lapų fotosintezės produktyvumas svyruoja nuo gramo frakcijų iki 4–6 g CO 2 per 1 valandą. Fotosintezės produktyvumą apibūdina sausos biomasės kiekis, susidarantis iš 1 m 2 lapų ploto. dieną. Grynasis fotosintezės produktyvumas svyruoja nuo 0 iki 15–18 g/m2 per dieną. Normaliomis sąlygomis per parą pasėlių sausos masės prieaugis yra 150 kg iš 1 ha per parą, palankesnėmis sąlygomis - 300-400 kg 1 ha, optimaliomis sąlygomis - 500-600 kg 1 ha. Šis biomasės kaupimas atitinka 45–50 c/ha kviečių, 70–80 c/ha grūdų ir 450–1000 c/ha kukurūzų žaliosios masės derlių. Grynasis fotosintezės produktyvumas taip pat priklauso nuo fotosintezės intensyvumo pertekliaus, palyginti su kvėpavimo intensyvumu. Kuo didesnis skirtumas, tuo didesnis grynasis fotosintezės produktyvumas. Šis rodiklis skiriasi augaluose, kurie skiriasi anglies apykaitos rūšimi: C 3 augaluose – 2 g/dm 2 parą, C 4 augaluose –
4–5, CAM augalams – 0,015–0,018 g/dm 2 d. Grynasis augalų produktyvumas nustatomas pasėlių biomasės prieaugį per tam tikrą laikotarpį padalijus iš vidutinio lapų ploto.

Biomasės ir derliaus padidėjimas priklauso nuo lapų ploto santykio su paties pasėlio užimamu plotu (lapų indeksas).

Apibūdinti fotosintezės aparato raidą
pasėliuose rekomenduojama nustatyti „chlorofilo indeksą“
(g chlorofilo/m2; kg chlorofilo/ha pasėlių). Svarbus rodiklis yra paros fotosintezės kiekis – per dieną 1 m 2 lapų pasisavinamas CO 2 kiekis (g CO 2 / m 2 d). Esminiai rodikliai, apibūdinantys augalų darbą pasėliuose, yra proceso energinio naudingumo koeficientas, fotosintezė (Eco 2) ir pasėlių formavimo energetinis efektyvumas (Eur.). Eso 2 – pasėlių ploto vieneto sugerto CO 2 kiekio ir ant jį krentančios saulės spinduliuotės kiekio santykis (bendras PAR). Eur. – per bendrą biologinį (arba ekonominį) derlių sukauptos cheminės energijos kiekio ir ant pasėlių patenkančios saulės spinduliuotės kiekio santykis.

Yra biologinis (Ubiol.) ir ūkinis (Ukhoz.) derlius. Biologinis derlius apima visos sausos masės, susidariusios vienam pasėlių hektarui per vegetacijos sezoną, svorį:
Ubiol. =  (С 1 ,С 2 , …, n), 14
čia C yra dienos derliaus padidėjimas iš 1 hektaro, apskaičiuotas atsižvelgiant į keletą rodiklių:

kg/ha per dieną. 15
Fso 2 - absorbuoto CO 2 kiekis per dieną (g/m 2); Cef. – fotosintezės efektyvumo koeficientas. Rodo, kiek sausos biomasės susidaro augalas per parą, sugerdamas 1 kg CO 2 (jos reikšmė vidutiniškai 0,3–0,5). L – lapų plotas. Atsižvelgiant į šiuos rodiklius, biologinis derlius gali būti išreikštas tokia lygtimi:

c/ha 16
Biologinio derliaus dydis lemia ir ekonominio derliaus lygį (pavyzdžiui, grūdų derliaus), nes ekonominis derlius yra biologinio derliaus dalis, priklausomai nuo ekonominio koeficiento reikšmės (Khoz.):Ukhoz.= Ubiol.·Kchozas.

Khozas. reiškia medžiagų, naudojamų ekonominei pasėlių daliai sudaryti, masės santykį su visa biologinio pasėlio masė (Ukhoz./Ubiol.). Šiuo atžvilgiu ekonominį derlių galima apibūdinti atsižvelgiant į šiuos rodiklius:

c/ha 17
Vadinasi, derlių lemia lapų ploto išsivystymas, jų darbo trukmė vegetacijos metu, fotosintezės intensyvumas ir sausos masės padidėjimas per dieną. Turi būti optimalus šių rodiklių santykis, kurį galima pasiekti esant tam tikrai pasėlių struktūrai. Patartina lapų (jų ploto) padidėjimą iki tam tikros ribos - 30–40 tūkst. m 2 /ha). Tolesnis asimiliuojančio paviršiaus padidėjimas sukelia abipusį lapų šešėliavimą. Dėl to pablogėja apšvietimo sąlygos, dėl ko mažėja fotosintezės produktyvumas ploto vienetui. Šiuo atžvilgiu šiuolaikinio veisimo uždavinys – sukurti ekonomiškai vertingų augalų veisles, kurios turėtų didelį asimiliacinį paviršių ir galėtų efektyviai panaudoti šviesos energiją su dideliu fotosintezės aparato aktyvumu. Pastaraisiais metais buvo sukurtos derlingos vadinamojo intensyvaus tipo grūdų veislės. Tai iškėlė klausimą dėl didelio augalų produktyvumo fiziologinio pagrindo. Intensyvaus tipo veislės išsiskiria didelėmis Khoz vertėmis, užtikrinančiomis iki 40% visos organinės masės derlių į grūdus (mažo derlingumo: - 25%). Biologinį derlių įtakojantys veiksniai taip pat turi įtakos ekonominiam derliui, įskaitant fotosintezės intensyvumą.

Augalų produktyvumui didinti svarbios žinios apie paties fotosintezės proceso mechanizmus, kurios yra gamybos proceso teorijos ir jo optimizavimo sistemų kūrimo pagrindas. Fiziologiniai tyrimai turi integruoti šias žinias ir nustatyti fotosintezės sistemų formavimosi ir veikimo modelius, atsižvelgiant į autoreguliaciją, prisitaikymą ir savaiminį derinimą, kad būtų pasiektas didžiausias augalų produktyvumas. Tiek gamtoje, tiek kultivuojamų laukų žemdirbystėje, tiek specialiose bioinžinerinėse sistemose augalai gali duoti žymiai daugiau naudingų produktų nei teikia šiuo metu.

Jei viršutiniai lapai daugiausia išsidėstę vertikaliai, ant jų praslinks tiesioginiai saulės spinduliai, todėl jų apšvietimas kiek sumažės ir atitiks tas reikšmes, kurioms esant fotosintezės efektyvumas yra gana didelis.

Tuo pačiu metu tokie lapai gana gerai perduos šviesą į pasėlius, „palikdami“ vidurinės ir apatinės pakopos lapams, tačiau šiek tiek susilpnėjusios formos. Naudinga, kad vidurinės ir apatinės pakopos lapai palaipsniui turėtų vis didesnį pasvirimo kampą, kol apatiniai lapai bus horizontalūs. Tokiais atvejais saulės spinduliuotės energiją sėjos ploto vienetui, viena vertus, visiškai sugers visas pasėlis ir kartu pasiskirstys dideliame lapų plote, t.y. apšvieskite juos šiek tiek sumažintu intensyvumu.

Tokiu atveju kiekvienas lapo paviršiaus kvadratinis metras veiks su šiek tiek sumažintu fotosintezės intensyvumu, bet padidintu efektyvumu, o idealus derlius su pakankamai dideliu lapų plotu galės atlikti didžiausią bendrą fotosintezės darbą, t.y. geriausia naudoti saulės energiją, priskiriamą jai spinduliuotei.

Norėdami pabrėžti pasėlių ir cenozių, kaip vientisos fotosintezės sistemos, kurios pagalba galima efektyviai panaudoti gaunamą saulės spinduliuotės energiją, svarbą, pateikime tokį pavyzdį: įsivaizduokite, kad pasėlių augalai sudaro vieną ištisinį horizontalų sluoksnį. lapai greta vienas kito (moneslayer). Jų bendras plotas sieks 10 000 m2/ha (, 13).

Abu augalai sugers apie 85% gaunamos fotosintezės aktyvios spinduliuotės energijos. Šiuo atžvilgiu jie bus beveik vienodi. Tačiau tikroje sėjoje šią energiją sugers 5 kartus didesnis lapų plotas nei įsivaizduojamoje sėjoje su „vieno sluoksnio“ lapais. Pastaruoju atveju pasėlių fotosintezės priklausomybė nuo šviesos intensyvumo praktiškai atitiks atskiro lapo fotosintezės šviesos kreivę. Todėl sėjant su „vieno sluoksnio“ lapais, didžiąją dienos dalį šviesos bus per daug.

Tokių pasėlių fotosintezės intensyvumas dienos valandomis gerokai atsiliks nuo šviesos intensyvumo eigos. Iš viso tokiam sėjimui sugerta šviesos energija bus naudojama palyginti mažu efektyvumu

Kalbant apie tikrą sėją, toks pat sugertos energijos kiekis bus paskirstytas didesniam lapų plotui. Tokiu atveju kiekvienas kvadratinis metras lapų bus apšviestas vidutiniškai mažesniu intensyvumu nei „vieno sluoksnio“ lapai. Todėl tikrajai sėjai net vidurdienio tiesioginių saulės spindulių nebus taip per daug, kaip sėjant „vieno sluoksnio“, o tikra sėja teigiamai reaguos net į didžiausio intensyvumo šviesą. Šiuo atveju tikrojo derliaus šviesos kreivė bus daug palankesnė nei atskiro lapo ar „vieno sluoksnio“ šviesos kreivė.

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).

Tai patvirtina, kad dienos metu realaus derliaus fotosintezė praktikoje (žinoma, jei jis yra gerai aprūpintas ir struktūrizuotas) gali gana gerai sekti spinduliuotės intensyvumo eigą, visą laiką naudojant ją efektyviau nei įsivaizduojamas pavyzdinis derlius. su „vieno sluoksnio“ lapais.

Siekdami padidinti saulės spinduliuotės energijos panaudojimo greitį pasėlių fotosintezės procese, turime stengtis išspręsti dvi pagrindines problemas:

Čia aprašomas galimas geriausios būklės pasėlių fotosintezės darbo efektyvumas, tai yra tuose, kai jie turi didelį lapų plotą ir gerą struktūrą. Tiesą sakant, šioje valstybėje net geriausi pasėliai yra tik dalis viso auginimo laikotarpio naštos. Nemaža laiko dalis skiriama daigų atsiradimui, pirmiesiems jų vystymosi etapams. Šiuo metu žolynai dar neužsidarę ir nemaža dalis saulės spinduliuotės energijos patenka į dirvožemį ir negrįžtamai prarandama fotosintezei.

Pasibaigus optimalios būklės laikotarpiui, prasideda augalų brendimo laikotarpis. Lapai praranda fotosintezės aktyvumą. Ūkinė pasėlių dalis formuojasi ne tiek fotosintezės būdu, kiek anksčiau susikaupusioms plastikinėms medžiagoms iš lapų ir stiebų judėjimo į reprodukcinius ir saugojimo organus: grūdus, gumbus, šakniavaisius ir kt.

Galų gale, vystymosi metu pasėlis naudoja saulės spinduliuotės energiją fotosintezei, kurio efektyvumas yra mažesnis nei nurodyta aukščiau. Be to, skirtingais atvejais ir skirtingose ​​kultūrose bendri galutiniai efektyvumo rodikliai gali labai skirtis. Į visa tai reikia atsižvelgti. Tačiau net ir nepaisant visų sunkumų, yra daug būdų, kaip nukreipti pasėlių formavimo pažangą geriausiais keliais ir pasiekti aukštą energijos panaudojimo fotosintezei efektyvumą.

Norint sėkmingai pasiekti norimų rezultatų, reikia visiškai suprasti ryšius ir būtinas sąlygas, kuriomis formuojasi fotosintezės sistemos, galinčios atlikti fotosintezę maksimaliai efektyviai.

Šias būtinas sąlygas ir principus galima aiškiausiai apibūdinti naudojant fotosintezės sistemų veikimo vienaląsčių dumblių suspensijų pavidalu pavyzdį.

FOTOSINTEZĖS EFEKTYVUMAS

FOTOSINTEZĖS EFEKTYVUMAS 1) augalų pasisavinamos šviesos energijos dalis; apskaičiavimas pagrįstas grynąja produkcija (grynasis fotosintezės efektyvumas) arba visa produkcija (bendras fotosintezės efektyvumas); 2) pirminės produkcijos susidarymo greitis augalų dariniuose natūraliomis sąlygomis. Išreiškiama kaip krintančios matomos spinduliuotės procentinė dalis, kuri aktyvios fotosintezės metu paverčiama grynąja galia. Jei vandens ir maisto medžiagų pakanka ir niekas neriboja augalų produkcijos, tai maksimalus fotosintezės efektyvumas yra 1-2% turimos šviesos energijos (labai produktyviose grūdinių kultūrų, cukranendrių ir kt. veislėse). Taip pat žr Asimiliacijos efektyvumas.

Ekologinis enciklopedinis žodynas. - Kišiniovas: Moldavijos sovietinės enciklopedijos pagrindinė redakcija. I.I. Dedu. 1989 m.

• TRANSPIRACIJOS EFEKTYVUMAS
• GROŠŪNŲ VEIKSMINGUMAS

Pažiūrėkite, kas yra „FOTOSINTEZĖS EFEKTYVUMAS“ kituose žodynuose:

ASIMILIAVIMO EFEKTYVUMAS- kūno sunaudotos energijos dalis, palyginti su sugerta energija (išreikšta procentais); pasisavinamo maisto kiekio ir suvalgyto maisto kiekio santykis. Žaliųjų augalų saulės energijos įsisavinimo efektyvumas... Ekologijos žodynas

FOTOSINTEZĖS EFEKTYVUMO SANTYKIS- fotosintezės metu absorbuoto anglies dioksido panaudojimo efektyvumas augalų biomasei kurti. Jis keičiasi augalų vegetacijos metu: jaunuose augaluose yra 0,36 0,39, o vegetacijos pabaigoje padidėja iki 1,01 1,02 ... Botanikos terminų žodynas

ANGLIES DIOKSIDAS- anglies dioksidas, anglies anhidridas, CO2, būtinas komponentas organinių statybai. fotosintezės procese. Susidaro žmonių ir moterų kvėpavimo, organinių medžiagų oksidacijos metu. organizmuose, degimas, irimas, tam tikri geologiniai... ...

- (iš graikų kalbos chlorós green and plastós formuotas, suformuotas) tarpląstelinės augalo ląstelės organelės Plastidai, kuriuose vyksta fotosintezė. Jie yra žalios spalvos dėl pagrindinio fotosintezės pigmento... Didžioji sovietinė enciklopedija

Šiam straipsniui trūksta įvado. Pridėkite įvadinę dalį, kurioje trumpai pristatoma tema... Vikipedija

Turinys 1 Mikrobiologinė vandenilio gamyba 2 Vandens biofotolizė 2.1 Os... Vikipedija

anglies dvideginio- anglies dioksidas, anglies dioksidas, anglies anhidridas, CO2, būtinas komponentas organinėms medžiagoms augaluose fotosintezės proceso metu. Jis susidaro kvėpuojant žmonėms ir gyvūnams, oksiduojantis organinėms medžiagoms organizmuose,... ... Žemės ūkis. Didelis enciklopedinis žodynas

- (Chlorella), chlorokokinių dumblių gentis. Ląstelės yra pavienės, sferinės, dia. iki 15 mikronų, su lygiu apvalkalu ir sienele chloroplastu. Dauginimosi metu ląstelėse susidaro 4 8 (16) autosporų. Gerai. 20 rūšių, SSRS apytiksliai. 10 rūšių. Jie auga gėlame vandenyje... Biologinis enciklopedinis žodynas

Kerpėse yra daug elementų ir medžiagų. Visus juos galima suskirstyti į dvi dideles grupes: pirminę ir antrinę. Pirminėms medžiagoms priskiriamos tos medžiagos, kurios tiesiogiai dalyvauja ląstelių metabolizme; iš jų...... Biologinė enciklopedija

ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJA- augalų auginimo technologija, klastojimo technikų sistema p. X. pasėlius A. uždavinys – užtikrinti aukštą auginamų kultūrų produktyvumą su minimumu. darbo ir pinigų sąnaudos už aukštos kokybės vienetą. produktų. Modernus A. taip pat siekiama išsaugoti... ... Žemės ūkio enciklopedinis žodynas

Knygos

• Auksinė patarimų kolekcija Išmanusis daržovių sodas su Nikolajumi Kurdyumovu 8 knygų rinkinys, Kurdyumov N.. Žinai, aš beveik įsitikinau: mūsų moksle VISKAS atvira. Bėda ta, kad ne viskas atpažįstama ir paviešinama. Dar prieš „perestroiką“ ukrainiečių mokslininkas Olegas Anatoljevičius Voinovas atrado ir įrodė: jei...
• Molekulinis ženklinimas augalų selekcijoje, naudojant ryžių pavyzdį, Yu K. Goncharova. Knygoje pateikiami daugelio ryžių mėginių požymių paveldimumo ir polimorfizmo tyrimų, genų kompleksų, lemiančių heterotinius...

Nekontroliuojamas iškastinių išteklių vartojimas privedė pasaulį prie aplinkos ir energetikos krizės slenksčio. Esant tokiai situacijai, reikalingas iš esmės kitoks energijos šaltinis, kuris, viena vertus, tilptų į mūsų naftos pasaulį, o iš kitos – būtų atsinaujinantis, tausojantis aplinką ir ekonomiškai pelningas. Galima išeitis – dirbtinė fotosintezė (AP), kurios dėka jau atsirado žmonių sukurti organinių medžiagų sintezės įrenginiai iš elektros, šviesos, taip pat nuostabios puslaidininkinės šarvuotos fotosintezės bakterijos.

Pasaulinė energijos krizė arba kodėl reikalinga dirbtinė fotosintezė

Šiandien ir taip didelis planetos gyventojų skaičius kasmet didėja 1%. Žmonija patenkina savo energijos poreikius, kurie kasmet auga, pirmiausia naudodama iškastinius išteklius. Tačiau nebėra paslaptis, kad naftos ir anglies atsargos yra ribotos ir daugeliu atvejų neatsinaujinančios. Kai jų apimtys nebeatitiks pasaulinio vystymosi tempo (ar net bus išnaudotos), pasaulis susidurs su neregėto masto energetine krize.

Jau dabar matome nuožmią kovą, prasidėjusią pasaulinėje arenoje dėl didelių iškastinio kuro šaltinių. Ateityje degalų bus vis mažiau, o interesų konfliktai kils vis dažniau.

Per pastaruosius du šimtmečius žmonija buvo apakinta iškastinių energijos išteklių prieinamumo ir jais pagrįstų sukūrė daugybę technologijų, be kurių šiandien gyvenimas tiesiog neįsivaizduojamas. Iš pradžių buvo anglimi ir garvežiai, vėliau žmonės išmoko gauti elektros energiją deginant tas pačias anglis, gaminti dujines virykles, privatų ir viešąjį transportą – visa tai reikalauja vartoti organines medžiagas, sukauptas prieš milijonus metų. Naudodama šių medžiagų energiją žmonija padarė šuolį daugelyje socialinio gyvenimo sričių: pasaulio gyventojų skaičius viršijo 7 milijardus, dykumose iškilo klestintys miestai ir valstybės, gamybos pajėgumai ir vartojimo lygis kasmet didėja. Be jokios abejonės, šiuolaikinis pasaulis neįsivaizduojamas be anglies, naftos produktų ir dujų.

Čia iškyla šiuolaikinės energetikos dilema: viena vertus, būtinybė pereiti prie atsinaujinančių energijos šaltinių yra visiškai akivaizdi, kita vertus, pasaulis nėra pasirengęs vartoti tokią energiją. Tačiau per pastarąjį dešimtmetį buvo vis labiau plėtojami energijos šaltiniai, galintys išspręsti šią dilemą. Tai apie dirbtinė fotosintezė (IF)- būdas paversti saulės energiją patogia organinio kuro forma.

Turime nepamiršti, kad deginant kurą į atmosferą išmetamas didžiulis CO 2 kiekis, neigiamai veikiantis visos biosferos būklę. Didžiuosiuose miestuose ši įtaka ypač pastebima: tūkstančiai rūkančių automobilių ir įmonių sukuria smogą, o kiekvienas miestietis, išėjęs iš miesto, pirmiausia žavisi grynu oru. Sukūrus energijos šaltinį, kuris, kaip ir augalai, sugertų CO 2 ir gamintų O 2, galėtų sustabdyti visu greičiu vykstantį aplinkos blogėjimą.

Taigi IF yra potencialus sprendimas tiek pasaulinei energetikos, tiek aplinkosaugos krizei. Tačiau kaip veikia IF ir kuo jis skiriasi nuo natūralaus?

žalumos netobulumas

2 pav. Neciklinė fotosintezė augaluose. Elektronas palieka šviesos sužadintą fotosistemos II (PS-II) chlorofilą, o susidariusią „skylę“ užpildo vandens skilimo metu išsiskiriantys elektronai. Galutinis elektronų imtuvas yra ne fotosistemos pigmentas, kaip purpurinėse bakterijose, o NADP +. Kitas skirtumas – augaluose dvi fotosistemos (PS-I ir PS-II) sudaro susietą mechanizmą, o vienam jo veikimo ciklui reikia dviejų fotonų sugerties. B 6 f kompleksas paveiksle nepavaizduotas.

Gautas H+ gradientas suteikia energijos ATP sintezei naudojant fermentą ATP sintazę, panašiai kaip krintantis vanduo suteikia energijos vandens malūnui (3 pav.). ATP yra universalus cheminės energijos nešėjas ląstelėje ir dalyvauja daugumoje energiją vartojančių reakcijų, įskaitant Kalvino ciklo reakcijas, kurios užtikrina CO 2 pavertimą sumažinta organine medžiaga. Šiame cikle didžioji dalis energijos išleidžiama kovojant su šalutinėmis reakcijomis. Yra ir kitų anglies asimiliacijos būdų – pavyzdžiui, Wood-Ljungdahl kelias, apie kurį bus parašyta vėliau.

3 pav. Šviesos energijos kaupimas. Fotosintezės metu fotosistemos baltymai perneša protonus per membraną naudodami fotonų energiją. Fermentas ATP sintazė iš naujo nustato susidariusį H + koncentracijos gradientą ir ląstelėje gamina universalų energijos nešiklį – ATP. Analogija su besisukančiu vandens malūnu iš tikrųjų labai artima realybei.

Nors fotosintezė galiausiai aprūpina visą biosferą energija, šio proceso efektyvumas palieka daug norimų rezultatų (1 lentelė). Fotosintezės rekordininkas – biokuro gamybai auginamas sorgas, kurio saulės energijos pavertimo chemine energija efektyvumas siekia 6,6 proc. Palyginimui: bulvės, kviečiai ir ryžiai turi apie 4 proc.

Tuo pačiu metu tipiškas šiuolaikinių saulės elementų efektyvumas yra 15-20%, o prototipai pasiekė 46%. Šis žmogaus sukurtų fotoelementų ir gyvų augalų efektyvumo skirtumas pirmiausia paaiškinamas tuo, kad nėra sintezės etapų. Tačiau yra ir subtilesnis skirtumas: augalų fotosistemos išgauna energiją tik iš matomos šviesos fotonų, kurių bangos ilgis yra 400–700 nm, o didelės energijos fotonų išvestis lygiai tokia pati, kaip ir iš mažos energijos fotonų. Saulės elementuose naudojami puslaidininkiai fiksuoja platesnio spektro fotonus. Ir siekiant maksimaliai padidinti našumą, viena baterija sujungia medžiagas, specialiai sukurtas skirtingoms saulės šviesos spektro dalims.

Galutinis IF inžinierių tikslas – sukurti augalą (arba dirbtinį organizmą), kuris fotosintezę vykdytų geriau nei augalai. Šiandien bioinžinerija yra pasiekusi tokį lygį, kai galima pabandyti tai daryti. Ir metai iš metų mokslininkų bandymai vis labiau artėja prie savo puoselėjamo tikslo, verčia mus stebėtis neįtikėtinais atradimais.

Toks kitoks IF

Paprasčiausia IF schema yra visiškai abiotinė organinių medžiagų sintezė ant katalizatoriaus. 2014 metais buvo aptiktas rutenio katalizatorius, kuris apšviestas iš H 2 ir CO 2 sintetina metaną. Optimaliomis sąlygomis, įskaitant kaitinimą iki 150 ° C ir intensyvų apšvietimą, vienas gramas šio katalizatoriaus sukuria vieną milimolį metano per valandą, o tai, žinoma, yra labai mažai. Patys mokslininkai, tyrinėjantys katalizatorių, pripažįsta, kad toks reakcijos greitis už gana didelę katalizatoriaus kainą yra per mažas jo praktiniam panaudojimui.

Tikroji fotosintezė yra daugiapakopis procesas, kurio kiekviename etape prarandama energija. Tai iš dalies gerai, nes atveria daug galimybių optimizuoti. Abiogeninės fotosintezės atveju viskas, ką galima padaryti, yra sukurti iš esmės naują katalizatorių.

Visiškai kitoks požiūris į IF - saulės energija varomų bioreaktorių kūrimas. Tokiuose bioreaktoriuose, kaip bebūtų keista, jie naudojasi Ne fotosintetiniai mikroorganizmai, kurie vis dar gali fiksuoti CO 2 naudodami kitus energijos šaltinius.

Susipažinkime su kelių tipų IF įrenginių konstrukcijomis, naudodamiesi konkrečiais pavyzdžiais.

2014 m. buvo paskelbti įrenginio, kuris srovę paverčia biomase rekordiniu efektyvumu – 13 proc., bandymų rezultatai. Norint gauti IF reaktorių, tereikia prijungti saulės bateriją. Šis įrenginys iš esmės yra elektrocheminis elementas (4 pav.). A), kur du elektrodai dedami į maistinę terpę su bakterijomis Ralstonia eutropha(jie taip pat yra Cupriavidus necator). Kai veikia išorinė srovė, katalizatorius prie anodo padalija vandenį į deguonį ir protonus, o katodo katalizatorius redukuoja protonus į vandenilio dujas. R. eutropha gauna energijos CO 2 asimiliacijai Kalvino cikle dėl H 2 oksidacijos fermentu hidrogenaze.

4 pav. IF bioreaktoriai, pagrįsti elektrocheminiais elementais. Srovę galima generuoti fotolizuojant vandenį prie anodo naudojant saulės elementą (A) arba be jo (b) . Abiem atvejais iš vandens paimti elektronai suteikia autotrofiniams mikrobams redukuojančius ekvivalentus, reikalingus CO 2 fiksavimui.

Kūrėjų skaičiavimais, derinant jų įrengimą su tipine saulės baterija (18 proc. efektyvumas), bendras fotosintezės efektyvumas bus 2,5 proc., jei visa šviesos energija bus paversta biomasės augimu, ir 0,7 proc., jei genetiškai modifikuotos bakterijos, sintetinančios butanolį. yra naudojami. Šis rezultatas palyginamas su tikrų augalų fotosintezės efektyvumu, nors ir nepasiekia kultūrinių augalų lygio. Gebėjimas R. eutropha Organinių medžiagų sintezė dalyvaujant H 2 yra labai įdomi ne tik IF kontekste, bet ir kaip galimas vandenilio energijos panaudojimas.

2015 metais Kalifornijos mokslininkai sukūrė ne mažiau įdomią instaliaciją, kurioje šviesos sugerties ir sintezės etapai yra glaudžiau susiję. Sukonstruoto reaktoriaus fotoanodas, apšviestas, skaido vandenį į deguonį, protonus ir elektronus, kurie laidininku siunčiami į katodą (4 pav. b). Siekiant padidinti sąsajoje vykstančio vandens fotolizės greitį, fotoanodas pagamintas iš silicio nanolaidelių, kurios labai padidina jo paviršių.

Šios instaliacijos katodą sudaro TiO 2 nanorodelių „miškas“ (5 pav. A), tarp kurių auga bakterijos Sporomusa ovata. Elektronai iš fotoanodo patenka būtent į šias bakterijas, kurios jas naudoja kaip redukuojančius ekvivalentus, kad terpėje ištirpusį CO 2 paverstų acetatu.

5 pav. Dirbtinė fotosintezė neįsivaizduojama be nanomedžiagų. A - IF reaktoriuje iš CO 2 gaminio registruojamos bakterijos, augančios „nanomiške“ iš silicio strypų, padengtų TiO 2 (30 nm sluoksnis); Šis nanomiškas sukuria bakterijoms būtinas anaerobines sąlygas ir padidina bakterijų ir laidininko kontakto paviršiaus tankį. b – Taikant iš esmės skirtingą požiūrį, ant puslaidininkio dedamos ne bakterijos, o ant bakterijų dedamas puslaidininkis; CdS apvalkalo dėka šviesoje mirštančios bakterijos tampa fotosintezės procese.

TiO 2 nanomiškas vienu metu atlieka kelias funkcijas: užtikrina didelį bakterijų tankį kontaktuojant, apsaugo privalomas anaerobines S. ovata iš aplinkoje ištirpusio deguonies ir taip pat gali paversti šviesą elektra, padėdamas bakterijoms fiksuoti CO 2.

S. ovata- bakterijos su labai lanksčia medžiagų apykaita, kurios lengvai prisitaiko prie augimo vadinamuoju elektrotrofiniu režimu. Jie fiksuoja CO 2 per Wood-Ljungdahl kelią, kuriame tik 10 % acetato panaudojama biomasės augimui, o likusieji 90 % išleidžiami į aplinką.

Tačiau pats acetatas nėra ypač vertingas. Norint jį paversti sudėtingesnėmis ir brangesnėmis medžiagomis, į reaktorių įvedamos genetiškai modifikuotos medžiagos. Escherichia coli, sintezuoja butanolį, izoprenoidus arba polihidroksibutiratą iš acetato. Paskutinė medžiaga E. coli gamina didžiausią derlių.

Kalbant apie viso įrenginio efektyvumą, jis yra labai mažas. Tik 0,4% saulės energijos gali būti paversta acetatu, o acetatas virsta polihidroksibutiratu, kurio efektyvumas yra 50%. Iš viso tik 0,2% šviesos energijos gali būti sukaupta organinių medžiagų pavidalu, kuri gali būti toliau naudojama kaip kuras ar žaliava chemijos gamybai. Kūrėjai pagrindiniu savo pasiekimu laiko tai, kad jų sukurta instaliacija gali būti naudojama visiškai kitokioms cheminėms sintezėms be esminių dizaino pakeitimų. Tai rodo analogiją su natūralia fotosinteze, kai visų rūšių organinės medžiagos galiausiai sintetinamos iš CO 2 3-fosfoglicerato, gauto asimiliacijos būdu.

Abiejose aprašytose technologijose kūrėjai bandė sujungti puslaidininkių, kaip šviesos energijos absorbentų, meistriškumą su biologinių sistemų katalizine galia. Ir abu sukurti įrenginiai buvo „atvirkštiniai“ kuro elementai, kuriuose srovė naudojama medžiagoms sintetinti.

Taikant iš esmės skirtingą požiūrį, atskiros ląstelės sujungiamos su puslaidininkiais į vieną visumą. Taip pačioje 2016 metų pradžioje buvo publikuotas darbas, kuriame acetogeno bakterija Moorella thermoacetica auginami aplinkoje, kurioje daug cisteino ir kadmio. Dėl to jis dažniausiai miršta šviesoje M. thermoacetica buvo padengtas CdS (puslaidininkio) apvalkalu ir taip ne tik gavo apsaugą nuo saulės, bet ir tapo fotosintezės medžiaga: elektronai iš CdS pateko į Wood-Ljungdahl kelią (5 pav. b).

Eksperimentai su tokia „šarvuota“ bakterija parodė, kad CO 2 fiksuojamas ne tik šviesoje, bet ir tamsoje (atsižvelgiant į dienos ciklą). To priežastis yra fotosintetinių metabolitų kaupimasis šviesoje tokiais kiekiais, kad ląstelės nespėja jų apdoroti. Pagrindinis tokių bakterijų pranašumas, palyginti su aukščiau aprašytomis ląstelėmis, yra saviorganizacija. Ląstelėms būtina iš anksto paruošti nanomedžiagas ir katalizatorius, o pačios šios dalys tik laikui bėgant susidėvi. Tuo atveju M. thermoacetica fotosintezės vienetai patys padalija, gamina ir remontuoja viską, ko reikia, jei aplinkoje yra pakankamai kadmio ir cisteino. Šios bakterijos dar nebuvo ištirtos kaip kuro šaltinis, tačiau kvantiniu fotosintezės derliumi jos nenusileidžia augalams.

Laukti neilgai...

IF technologijos vis dar yra prototipo stadijoje, tačiau jų kūrėjai mato daug galimybių optimizuoti. Galite optimizuoti šviesą gaudančius puslaidininkius, mikroorganizmus, bakterijų erdvinį organizavimą ir kitus katalizatorius. Tačiau pirmiausia reikia išspręsti stabilumo problemą. Pagamintų įrenginių efektyvumas pastebimai krenta jau po kelių eksploatavimo dienų. Visiškai užbaigtas IF įrenginys, kaip ir bet kuri gyva sistema, turi atsinaujinti ir daugintis. Šiuo atžvilgiu tai ypač įdomu M. thermoacetica, kuriam šios savybės visiškai taikomos.

Ir nors esami pavyzdžiai toli gražu nėra tobuli, darbas FI srityje vertingas visų pirma dėl to, kad parodo esminę galimybę integruoti saulės energiją į pasaulį, užfiksuotą vidaus degimo variklio. Vėjo turbinos ir saulės baterijos, žinoma, pasižymi dideliu efektyvumu ir jau beveik visiškai padengia energijos suvartojimą Urugvajuje ir Danijoje, o hidroelektrinės yra svarbūs daugelio šalių energetikos tinklo mazgai. Tačiau kuro pakeitimas elektra daugeliu atvejų reikalauja radikalaus energijos tinklų pertvarkymo ir ne visada įmanomas.

Tolesnė investicinio fondo plėtra reikalauja didelių investicijų. Galima įsivaizduoti, kad saulės elementų gamybos įmonės, kurioms futuristai iki 2030 metų prognozuoja pasaulinį dominavimą energetikos srityje, susidomės šio dar jauno ir nepatyrusio mokslo plėtra bioenergijos, medžiagų mokslo ir nanoinžinerijos sankirtoje. Kas žino, gal IF ateityje netaps kasdienybe, o gal darbas prie jo suteiks postūmį vandenilio energijai ar biofotovoltikai. Nereikia ilgai laukti, laukti ir pamatyti.

Literatūra

1. Pasaulio gyventojų piramidės nuo 1950 iki 2100 m. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinovas N. (2007).