Kaj določa učinkovitost fotosinteze? Načini za povečanje učinkovitosti fotosinteze

»V zvezi z našim problemom, s problemom, ki sem ga najprej postavil - kaj storiti z vedno večjim številom ljudi na Zemlji, se postavlja vprašanje: »Kaj lahko velik biološki cikel v biosferi da ljudem?« To težavo lahko obravnava tri glavne točke ali mesta biosfere, ki sem jih pravkar opisal:

1) pri vnosu energije,
2) v biološkem ciklu biosfere in
3) na izhodu iz biološkega kroga v geologijo.

Začnimo z vložkom energije. Določena količina sončne energije pade na površje Zemlje. Biološko lahko seveda deluje le tisti del, ki ga absorbirajo avtotrofni organizmi. Od vse sončne energije, ki pade na Zemljo, le določen odstotek (ni tako enostavno natančno izračunati), recimo približno od tri do osem odstotkov , absorbirajo zelene rastline. Vsa absorbirana energija ne gre v fotosintezo. Tako kot v tehniki lahko tudi v živi naravi govorimo o učinkovitosti – učinkovitosti fotosinteze. Je (spet zelo težko izračunati) približno od dva do osem odstotkov .

Zelo pomembno je vedeti, da imajo različne vrste in skupine rastlin različno učinkovitost.

Tako lahko človeštvo že na vhodu naredi nekaj, da vegetacija absorbira več sončne energije, ki vstopa v Zemljo, za to pa je potrebno povečati gostoto zelenega pokrova Zemlje. Medtem pa ljudje v svojih gospodarskih, industrijskih dejavnostih in v vsakdanjem življenju pogosteje zmanjšujemo gostoto zelenega pokrova Zemlje, malomarno ravnamo z gozdovi, travniki, njivami in gradbišči. Z nezadostno ozelenitvijo puščav in step zmanjšujemo gostoto zelene odeje. Toda ravno raven sodobne tehnologije in industrije nam teoretično omogoča nasprotno delo - na vse možne načine povečati gostoto zelenega pokrova na vseh primernih območjih zemeljske površine in v rezervoarjih, zlasti sladkovodnih.

Poleg tega, kot kažejo izračuni, ga je mogoče povečati za vsaj en in pol, morda celo dvakrat, in s tem povečati biološko produktivnost Zemlje.

Zgoraj je bilo rečeno, da so lahko učinkovitosti - koeficienti učinkovitosti - različnih vrst rastlin zelo različni in se gibljejo od dva do osem, pri številnih rastlinskih oblikah pa tudi več odstotkov. In tu se človeštvu odpira še ena priložnost: seveda je smiselno, da na podlagi predhodne natančne študije učinkovitosti različnih rastlinskih vrst s strani specialistov fiziologov poskušamo povečati odstotek udeležbe rastlin v rastlinskih združbah, ki pokrivajo Zemljo, z najvišja, namesto najnižja učinkovitost. To pa lahko spet poveča za nekaj številk, enkrat in pol, ali manj, ali več, odstotek sončne energije, ki jo absorbirajo rastline in s fotosintezo rastlin vodi do proizvodnje organske snovi na Zemlji.

To pomeni, da že na vstopu v biosfero, pri vnosu energije, lahko zmagaš, povečaš biološko produktivnost Zemlje recimo dvakrat. Naj vas spomnim, da je to nekaj, kar bomo čez sto let nujno potrebovali.”

Timofeev-Resovski N.V., Spomini, M., “Vagrius”, 2008, str. 344-345.

n1.doc

Rastline

Problem fotosintetske produktivnosti zavzema pomembno mesto v sodobnih študijah fotosinteze, saj je končni cilj vseh raziskav mehanizma fotosinteze na kateri koli ravni razumevanje mehanizmov usmerjene regulacije fotosintetske aktivnosti rastlin in povečanje ravni celotne fotosinteze. produktivnost. Različni vidiki tega problema, kot so fiziološka regulacija fotosinteze, optimizacija fotosintetske aktivnosti rastlin, razmerje med intenzivnostjo fotosinteze in celotno produktivnostjo rastlinskih organizmov in drugi, so postali predmet podrobnih raziskav. Raziskave potekajo na ravni pridelka, celotne rastline, njenih posameznih organov, celic in celičnih struktur.
6.1. Indikatorji fotosinteze
Fotosintetsko funkcijo je mogoče oceniti z različnimi kazalniki, med katerimi se pri primerjavi učinkovitosti fotosinteze pogosto uporabljajo naslednji: kvantna poraba, kvantni donos, fotosintetska intenzivnost, neto produktivnost, koeficient fotosintetske učinkovitosti, asimilacijsko število itd.

Kvantna poraba je število svetlobnih kvantov, potrebnih za redukcijo 1 mol CO 2 na raven organskih spojin. Energija posameznega kvanta (fotona) je zelo majhna, običajno jo izražamo z energijo mola fotonov – Einsteinov (1 Einstein je enak 1 molu kvanta,
1 mol kvanta je enak 6,02 10 23). Einstein je enako N A h, kjer je N A Avogadrova konstanta (6,02·10 23; število molekul na mol snovi). Energijo fotona lahko izrazimo v ergih, kcal/mol (1 kcal=
4,2·10 10 erg) ali v elektronvoltih (1 eV=23 kcal/mol). Asimiliran CO 2 je izražen v molih.

Prve meritve kvantne porabe sproščanja molekule O 2 med fotosintezo je leta 1922 izvedel Warburg. V poskusih s klorelo je dobil kvantne vrednosti porabe, enake 4. Do leta 1937 so nekateri raziskovalci dobili kvantne vrednosti porabe, enake 8. Na podlagi dvokvantne teorije primarnih procesov fotosinteze (Z-shema) iz tega sledi, da bi morala biti v najbolj optimalnih pogojih kvantna poraba za izločanje ene molekule O 2 ali fiksacijo ene molekule CO 2 enaka 8. Vrednost kvantne porabe 8 ni v nasprotju z glavnino eksperimentalnega materiala. Toda vprašanje optimalne hitrosti kvantnega pretoka ni bilo eksperimentalno rešeno, kar zahteva nadaljnje raziskave. V praksi je lahko višji od 8 kvantov. V neugodnih pogojih (temperatura, svetloba, vlaga itd.) se lahko kvantna poraba fotosinteze poveča deset ali stokrat. To je posledica neizogibnih izgub energije med fotofizičnimi (odvajanje energije v toploto) ali fotokemičnimi in biokemičnimi stopnjami.

Za karakterizacijo porabe energije v procesu fotosinteze se uporablja tudi količina, kot je kvantni izkoristek - razmerje med številom absorbiranih molekul CO 2 in številom svetlobnih kvantov, porabljenih za to.

Najvišji in teoretično možen kvantni izkoristek je 0,25. V praksi je ta vrednost bistveno nižja od teoretične.

Učinkovitost, s katero rastlina shranjuje svetlobno energijo, je označena z njeno izhodno energijo (E). Opredeljena je kot razmerje med shranjeno in absorbirano energijo:
8
Pomembno vprašanje je, kakšna je v resnici največja možna energija fotosinteze, saj so največji donosi odvisni od te vrednosti. Pri teoretičnem izračunu največjih možnih izkoristkov izhajamo iz teoretično največje vrednosti izhodne energije. Če je izhodna energija (E) znana, potem lahko ob poznavanju količine svetlobe, ki jo rastlina absorbira, izračunamo količino shranjene energije. V skladu z enačbo (CO 2 + H 2 O  CH 2 O + O 2 + 112 kcal/mol) za vsak
112 kcal energije, ki jo shrani rastlina, proizvede 30 g organske snovi (30 g je molekulska masa CH 2 O). To omogoča izračun povečanja suhe mase. Če predpostavimo, da je kvantna poraba fotosinteze enaka 8, potem bo največji možni energijski izkoristek fotosinteze enak 112 kcal: 8·40=0,35. Skoraj največja izhodna energija je manjša pri naravni svetlobi (vrednost 0,35, pridobljena za rdečo svetlobo
( = 680). Izračuni kažejo, da je za sončno sevanje največji izkoristek energije, ki temelji na porabi 8. kvanta, 14 %. Ta vrednost je bila pridobljena ob upoštevanju dejstva, da list rastline absorbira vso svetlobo, ki pade nanj (optimalna možnost).

Izhodna energija označuje učinkovitost shranjevanja energije, ki jo je mogoče oceniti z izračunom koeficienta učinkovitosti (učinkovitosti) pretvorbe svetlobne energije v kemično energijo. Njegova največja vrednost je 35 %. Učinkovitost reakcij temne fotosinteze je 81%.

Na podlagi analize energije fotosinteze je biološki pomen slednje pridobivanje proste energije iz okolja in shranjevanje te energije za prihodnjo uporabo v obliki stabilnih organskih spojin. Energija svetlobnih kvantov se porabi za zamenjavo praviloma močnejših kovalentnih vezi (v CO 2 in H 2 O) s praviloma šibkejšimi vezmi (v CH 2 O in O 2) in za urejanje sistema.

Fotosinteza je endotermni proces, možna je le, če se sistem oskrbuje z energijo od zunaj. Intenzivnost fotosinteze je količina CO 2, ki se absorbira na enoto listne površine (ali mase) na enoto časa (mg/dm 2 h, g/m 2 dan). Giblje se med 5–25 mg ogljikovega dioksida na
1 dm 2 v 1 uri.

Neto dnevna produktivnost je razmerje med povečanjem mase cele rastline (g) in listne površine. Običajno je 5–12 g suhe mase pridelka na 1 m 2 listov na dan. Razmerje med količino CO 2, asimiliranega med fotosintezo, in akumulirano suho organsko maso imenujemo koeficient fotosintetske učinkovitosti.

Neto produktivnost fotosinteze (PF. pr.) označuje intenzivnost nastajanja in kopičenja mase pridelka (g/m2), določena je s formulo:

, 9
kjer sta B 1 in B 2 masa suhe snovi pridelka na začetku in koncu obračunskega obdobja, B 2 -B 1 je povečanje suhe mase v obračunskem obdobju, L 1 in L 2 sta površina ​​vzorec zapusti na začetku in koncu obdobja, (L 1 +L 2)·1/2n – povprečna listna površina za določeno časovno obdobje, n – število dni v obračunskem obdobju.

Fotosintezo pridelka je mogoče oceniti z dnevno uporabo

Povečanje suhe fitomase:

, 10
kjer je M masa suhe snovi (dnevni prirastek), S faktor pretvorbe akumulirane suhe fitomase v količino asimiliranega CO 2, k popravek za dihanje, t dolžina dneva.

Od naštetih kazalcev se za primerjavo najpogosteje uporablja hitrost fotosinteze (prava ali navidezna fotosinteza).

Količina asimilatov, ki jih proizvede rastlina kot celota (tako za izgradnjo telesa kot za kritje stroškov dihanja), se imenuje prava ali bruto fotosinteza. Neto fotosinteza ali vidna, opazljiva fotosinteza je razlika med količino ogljikovega dioksida, ki jo asimilira list, in količino ogljikovega dioksida, ki se istočasno sprosti v ozračje med dihanjem.

Povečanje biomase in pridelka je odvisno od razmerja med listno površino in površino, ki jo zaseda sam pridelek (listni indeks). Optimalne vrednosti indeksa listov so 4–5. Iskanje optimalne asimilacijske površine za vsak posevek in posamezno regijo je ena izmed pomembnih nalog (pri žitih je 20–
30 tisoč m2/ha). Za karakterizacijo razvoja fotosintetskega aparata v rastlinah je priporočljivo določiti »klorofilni indeks« (g klorofila/m2; kg klorofila/ha posevka), za katerega se upošteva količina klorofila v vseh nadzemnih organih. račun in povzeli. Delovanje 1 mg klorofila (PPX) je lahko tudi značilnost delovanja fotosintetskega aparata:

mg/dan, 11

kjer je M suha teža, X skupna količina klorofila v rastlini,
D – število dni.

Učinek uporabe klorofila v fotosintezi je označen z asimilacijskim številom - razmerjem med intenzivnostjo fotosinteze in vsebnostjo klorofila v listu:
12
Pri večini rastlin je 4–8, pri rastlinah, odpornih na senco, 20–70, pri etioliranih rastlinah pa 100.

6.2. Fotosinteza in bioproduktivnost
V milijardah let so rastline na Zemlji ustvarile sodobno ozračje in pogoje za razvoj življenja, vključno s človekom, ki mu zagotavljajo hrano, energijo in druge vire. Naloga je zastavljena ne samo za zaščito rastlinskega sveta in fotosintetske funkcije, temveč za njeno krepitev, predvsem pri kmetijskih rastlinah. V zadnjih letih se intenzivno razvija teorija fotosintetske produktivnosti. Posebno pozornost raziskovalci posvečajo razmerju med parametri fotosinteze in produktivnostjo rastlin ter identifikaciji fotosintetskih lastnosti, ki so pomembne za žlahtnjenje. Vse kmetijske prakse so usmerjene v gojenje visokih donosov rastlin. Pridelek se oblikuje skozi celotno rastno sezono in je odvisen od doslednosti fizioloških procesov in smeri metabolizma. V obdobju intenzivne rasti rastlin nastane povprečno 80–150 kg suhe mase na 1 ha posevka na dan, včasih pa tudi 300–500 kg.

Kopičenje pridelka je odvisno od kompleksa vseh notranjih procesov in razmerja zunanjih dejavnikov, vendar še vedno osrednje mesto pripada procesom fotosinteze. Fotosinteza je predvsem proces shranjevanja sončne svetlobne energije v rastlinah v obliki produktov zmanjšanega ogljika.

Fotosintetsko funkcijo rastlinskega sveta v zemeljskem merilu lahko označimo z naslednjimi kazalci.

Le 1/10 9 energije, ki jo oddaja Sonce, doseže Zemljino površje. 30 % energije se odbije v vesolje, 47 % se razprši in pretvori v toploto, 23 % se porabi za izhlapevanje vode in se shrani v obliki energije vode in ledu, povprečno pa 0,02 % (40·10 12 W). ) se porabi za fotosintezo. Zemeljska vegetacija letno proizvede 80 milijard ton suhe biomase (3,2·10 17 kcal/leto); vključno s sintezo: fitoplakton morij in oceanov 27 milijard ton/leto (1,1·10 17 kcal/leto); kopenske rastline – 53 milijard ton/leto (2,1 10 17 kcal/leto), od tega gojene rastline – 7,5 milijarde ton/leto (0,3 10 17 kcal/leto), gozdovi –
38 milijard ton/leto (1,5 10 17 kcal/leto), rastline step, travnikov in puščav –
7 milijard ton/leto (0,3·10 17 kcal/leto). Fotosinteza kulturnih rastlin v celotni fotosintezi planeta je 8 %, v fotosintezi kopenskih rastlin pa 12–15 % (7,5 milijarde ton suhe organske mase na leto, kar je enako 3 10 16 kcal shranjene energije ali 35 tisoč milijard kWh).

Količina hrane na osebo je v povprečju 1,87 ton biomase na leto (5,1 kg na dan). Toda precejšnjega dela biomase ljudje ne morejo neposredno uporabiti, prihaja pa tudi do izgub. Zato je povečanje produktivnosti gojenih rastlin pomemben problem. 12% zemlje zasedajo gojene rastline. Območje je mogoče povečati, vendar bo to zahtevalo velike kapitalske naložbe. Pridelek lahko povečamo s povečanjem učinkovitosti izrabe sončne energije pri kmetijskih rastlinah. To je posledica povečanja ravni kmetijstva in racionalne postavitve kmetijskih pridelkov ter ustvarjanja produktivnih sort. Pri ocenjevanju učinkovitosti uporabe rastlinskega lista celotne sončne energije, ki pade nanj, je treba upoštevati, da če skupno sončno sevanje vzamemo za 100%, potem je odbito sevanje 10%, absorbirano sevanje 70% in sevanje, prepuščeno skozi list, je 20 %. Od 70 % sevanja, ki ga absorbira list, se 1 % energije shrani v produktih fotosinteze, 49 % se porabi za transpiracijo, 20 % za sekundarno sevanje. Zato je faktor učinkovitosti (izkoristek) celotnega sevanja 1%. Lahko se spreminja glede na rastne razmere, biološke značilnosti rastlin in stanje njenih fizioloških procesov.

Fotosinteza uporablja fotosintetsko aktivno sevanje (PAR, 380–780 nm). Predstavlja 26–55 % celotnega sončnega sevanja. Ko je pridelek pšeničnega zrnja nad 70 c/ha, rastline uporabljajo PAR, ki pride med rastno sezono, z učinkovitostjo 4,0–4,3 %. Z dobro kulturo kmetovanja in aktivnim fotosintetskim aparatom je lahko učinkovitost uporabe PAR 8–5 % in doseže 10 %. Največje vrednosti produktivnosti lahko dosežejo 50 g suhe biomase na 1 m 2 pridelkov na dan. To ustreza 5 c/ha. Če ocenjujemo z intenzivnostjo fotosinteze, lahko takšno povečanje zagotovimo z intenzivnostjo fotosinteze, ki je enaka 20–25 kg CO 2 na dan na 1 m 2 listne površine.

Bilanca CO 2 (%) ob upoštevanju dotoka in porabe je naslednje vrednosti (če je vsebnost v zraku vzeta kot 100%): mladoletni - 0,09%, zgorevanje premoga, nafte - 3,08, industrijsko zgorevanje apnenca - 0,04, požari v gozdovih - 0,38, dihanje, fermentacija, gnitje (kopenske, morske rastline) - 56,09, sproščanje CO 2 s površine tal - 38,09, dihanje ljudi - 0,32, dihanje živali - 1,28 %, poraba : med vremenskimi vplivi. silikatov - 0,09%, asimilacija s kopenskimi rastlinami - 40,60, asimilacija z morskimi rastlinami, alge - 59,31%.

Kopenske in oceanske rastline v enem letu absorbirajo 1,5 10 11 ton ogljikovega dioksida, pri čemer razgradijo 1,2 10 11 ton vode, sprostijo 10 11 ton kisika in shranijo 6 10 20 kalorij sončne energije v obliki kemične energije. produktov fotosinteze.

Zahvaljujoč fotosintezi se svetlobna energija pretvori v kemično energijo, ki se shrani v biomasi. Rastlinska biomasa je suha masa v določenem času življenja nadzemnih in podzemnih delov rastlin na enoto površine tal. Proizvodnja je opredeljena kot biomasa ali masa organske snovi, ki jo asimilira določena rastlinska skupina ali vrsta na enoto površine na enoto časa. Primarno proizvodnjo pa delimo na pravo primarno proizvodnjo in čisto primarno proizvodnjo. Prava primarna proizvodnja je skupna količina asimilirane organske snovi, vključno s stroški dihanja, neto primarna proizvodnja pa je tisti del organske snovi (vključno s stroški dihanja), ki je na voljo za uporabo človeka ali ostane v obliki shranjene kemične energije. Po izračunih je globalna neto produktivnost fotosinteze 78·10 9 ton ogljika na leto, od tega 7 % neposredno in preko živalskih organizmov človek porabi za hrano, gorivo in surovine. Akumulacija žive biomase skozi vse leto predstavlja neto produktivnost ekosistema. Tropski gozdovi največ prispevajo k pravi produktivnosti med kopenskimi fototrofi (do 29 %). Na splošno je prispevek gozdov vseh vrst 68 %.

Površina oceanov je 2,5-krat večja od površine kopnega, vendar je njihova primarna proizvodnja le 1/2–1/3 proizvodnje kopnega. Skupna neto primarna proizvodnja je izračunana tako, da je enaka 10–
13 % vsebnost ogljika v ozračju. Obnova atmosferskega ogljika iz biosfere traja 7–10 let. Če upoštevamo dihanje in fotorespiracijo, lahko to časovno obdobje skrajšamo na 3–
5 let. Izmenjava ogljika med ozračjem in površjem oceanov prav tako traja 7–8 let. Asimilacija CO 2 s strani kulturnih rastlin določa človeško odvisnost od fotosinteze. Biomasa se lahko uporablja ne samo kot živilo, ampak tudi kot surovina za razvoj goriva. Letna proizvodnja fotosinteze vsebuje skoraj 10-krat več energije, kot je trenutno potrebno za zadovoljitev potreb celotnega prebivalstva planeta. Toda za racionalno uporabo biomase kot vira energije je potreben znanstveni in tehnološki razvoj.

Glede na to, da je največja energetska učinkovitost fotosinteze opažena pri osemkvantnih stroških na molekulo CO 2 in da se 40–60 % asimiliranega CO 2 in energije izgubi v procesih dihanja v fitocenozah, so potencialne stopnje produktivnosti fitocenoz s koeficientom učinkovitosti za njihova poraba energije je bila ugotovljena fotosintetsko aktivno sevanje (PAR) 4–6 %.
6.3. Proizvodni proces in fotosinteza. Oblikovanje žetve
Osnovni vzorci fotosintetske aktivnosti rastlin ter nastajanja bioloških in ekonomskih donosov so bili ugotovljeni kot rezultat dolgoletnih raziskav v številnih laboratorijih. V skladu z osnovnimi načeli teorije fotosintetske produktivnosti, ki je dobila podroben razvoj in eksperimentalno utemeljitev v delih A.A. Nichiporovich in njegovi sodelavci so glavni dejavniki, ki določajo stopnjo produktivnosti rastlin, velikost fotosintetskega aparata (listna površina), intenzivnost in produktivnost njegovega dela, razmerje med procesom nastajanja novotvorb in porabo organskih snovi. Ugotavljanje ekoloških osnov in možnosti za povečanje produktivnosti organizmov s povečanjem učinkovitosti sončnega obsevanja je eden najpomembnejših problemov rastlinske pridelave. Fiziološki principi programiranja proizvodnega procesa vključujejo oblikovanje cenoz z optimalnimi kazalci listne površine, neto produktivnosti fotosinteze, fotosintetskega potenciala in produktivnosti asimilacijske površine. Upoštevati je treba, da je končna fotosintetska produktivnost rezultat usklajenega delovanja fotosintetskih sistemov na različnih ravneh njihove organiziranosti. A. A. Nichiporovich (1982), ki označuje "idealen" fotosintetski sistem, verjame, da se fotosinteza z najvišjo energetsko učinkovitostjo pojavi v pogojih, ko redukcija 1 g mol CO 2 (44 g ali 6,2 10 23 molekul) 8 kvantov ali 8 Einsteinovih (e) PAR, ki jih absorbira klorofil, se porabijo (8·6,02·10 23 h).

Največja intenzivnost PAR na 1 dm 2 površine lista je 15,07 kJ dm 2 h. Če upoštevamo, da je 1 e PAR enak 209,35 kJ, lahko ugotovimo, da intenziteta PAR 12,56 kJ dm 2 h ustreza. naslednjo kvantno gostoto pretoka PAR:

Z osemkvantnim procesom bi moral fotosintetski sistem asimilirati:

molekule CO 2 na 1 dm 2 h.,

Ali izvedite fotosintezo z intenzivnostjo:

Listi rastline v nasprotju z "idealnim" sistemom vsebujejo le 3–7 mg klorofila oziroma 4,0–5,5·10 9 kloroplastov in 0,8–1,2·10 16 reakcijskih centrov na 1 dm 2. To omogoča pravo fotosintezo z osem-kvantnimi stroški 20–40 mg CO 2 na 1 dm 2 h. Sodobna rastlinska pridelava uporablja fotosintezo s faktorjem učinkovitosti shranjevanja PAR v pridelku na ravni 0,1–0,5 % (redko 1–2 %). Cilj je povečati to raven na 3–5 % PAR.

V različnih pogojih se lahko posamezne komponente rastlinske produktivnosti zelo razlikujejo: različne stopnje povečanja listne površine, različna dolžina rastne dobe, stopnja intenzivnosti fotosinteze (5–50 mg/dm 2 h).

Značilen pokazatelj biološke produktivnosti poljščin je »fotosintetski potencial poljščin«, ki je vsota listne površine (m 2 /ha) za vsak dan v celotni rastni dobi. Ta indikator se med različnimi rastlinami razlikuje od 0,5 do 5 milijonov; je eden od odločilnih dejavnikov, ki določajo velikost pridelka.

Enako pomemben dejavnik pri donosu je produktivnost fotosintetskega dela vsakega kvadratnega metra listne površine. Produktivnost fotosinteze 1 m 2 listov se giblje od frakcij grama do 4–6 g CO 2 na 1 uro. Za produktivnost fotosinteze je značilna količina suhe biomase, ki jo tvori 1 m 2 listne površine. dan. Neto produktivnost fotosinteze se giblje od 0 do 15–18 g/m2 na dan. V normalnih pogojih je dnevni prirastek suhe mase pridelka 150 kg na 1 ha na dan, v ugodnejših pogojih - 300–400 kg na 1 ha, v optimalnih pogojih - 500–600 kg na 1 ha. To kopičenje biomase ustreza pridelku zrnja 45–50 c/ha za pšenico, 70–80 c/ha zrnja in 450–1000 c/ha zelene mase za koruzo. Neto produktivnost fotosinteze je odvisna tudi od presežka intenzivnosti fotosinteze nad intenzivnostjo dihanja. Večja kot je razlika, večja je neto fotosintetska produktivnost. Ta kazalnik je drugačen pri rastlinah, ki se razlikujejo po načinu presnove ogljika: pri rastlinah C 3 je 2 g/dm 2 dan, pri rastlinah C 4 pa
4–5, za rastline CAM – 0,015–0,018 g/dm 2 dan. Neto produktivnost rastlin se določi tako, da se dobiček biomase pridelka v določenem časovnem obdobju deli s povprečno listno površino.

Povečanje biomase in pridelka je odvisno od razmerja med listno površino in površino, ki jo zaseda sam pridelek (listni indeks).

Za opis razvoja fotosintetskega aparata v
v pridelkih je priporočljivo določiti "klorofilni indeks"
(g klorofila/m2; kg klorofila/ha posevkov). Pomemben pokazatelj je količina dnevne fotosinteze - količina CO 2, ki jo asimilira 1 m 2 listov na dan (g CO 2 / m 2 d). Bistveni kazalniki, ki označujejo delo rastlin v posevku, so koeficient energetske učinkovitosti procesa, fotosinteze (Eco 2) in energijske učinkovitosti oblikovanja pridelka (Eur.). Eso 2 je razmerje med količino CO 2, ki jo absorbira enota kmetijske površine, in količino sončnega sevanja, ki pade nanjo (skupni PAR). Eur. – razmerje med količino kemične energije, akumulirane v celotnem biološkem (ali ekonomskem) pridelku, in količino sončnega sevanja, ki pade na pridelek.

Obstajajo biološke (Ubiol.) in ekonomske (Ukhoz.) letine. Biološki pridelek vključuje težo celotne suhe mase, ki nastane na hektar posevka v rastni sezoni:
Ubiol. =  (С 1 ,С 2 , …, n), 14
kjer je C dnevno povečanje pridelka na 1 hektar, izračunano ob upoštevanju številnih kazalnikov:

kg/ha na dan. 15
Fso 2 - količina absorbiranega CO 2 čez dan (g/m 2); Cef. – koeficient učinkovitosti fotosinteze. Prikazuje količino suhe biomase, ki jo rastlina tvori čez dan, ko absorbira 1 kg CO 2 (njena vrednost je v povprečju 0,3–0,5). L – listna površina. Ob upoštevanju teh indikatorjev lahko biološki pridelek izrazimo z naslednjo enačbo:

c/ha 16
Velikost biološkega pridelka določa tudi višino ekonomskega pridelka (npr. pridelka žita), saj je ekonomski pridelek del biološkega pridelka, odvisno od vrednosti ekonomskega koeficienta (Kkhoz.): Ubiol.· Kkhoz.

Khoz. predstavlja razmerje med maso snovi, uporabljenih za oblikovanje gospodarskega dela pridelka, do celotne mase biološkega pridelka (Ukhoz./Ubiol.). V zvezi s tem je mogoče gospodarsko letino označiti ob upoštevanju naslednjih kazalnikov:

c/ha 17
Posledično je donos določen z razvitostjo listne površine, trajanjem njihovega dela v rastni sezoni, intenzivnostjo fotosinteze in povečanjem suhe mase čez dan. Obstajati mora optimalno razmerje teh kazalnikov, ki ga je mogoče doseči z določeno strukturo pridelka. Priporočljivo je povečanje listov (njihove površine) do določene meje - 30–40 tisoč m 2 /ha). Nadaljnje povečanje asimilacijske površine povzroči medsebojno senčenje listov. To poslabša svetlobne pogoje, kar vodi do zmanjšanja fotosintetske produktivnosti na enoto površine. V zvezi s tem je naloga sodobne žlahtnjenja ustvariti sorte gospodarsko vrednih rastlin, ki bi imele pomembno asimilacijsko površino in bi lahko učinkovito izrabljale svetlobno energijo z visoko aktivnostjo fotosintetskega aparata. V zadnjih letih so bile ustvarjene visokorodne sorte žit tako imenovanega intenzivnega tipa. To je sprožilo vprašanje fiziološke osnove visoke produktivnosti rastlin. Sorte intenzivnega tipa odlikujejo visoke vrednosti Khoz., ki zagotavljajo pridelek do 40% celotne organske mase v zrnju (za nizko donosne: - 25%). Dejavniki, ki vplivajo na biološki pridelek, vplivajo tudi na ekonomski pridelek, vključno z intenzivnostjo fotosinteze.

Za povečanje produktivnosti rastlin je pomembno poznavanje mehanizmov samega procesa fotosinteze, ki je osnova za razvoj teorije proizvodnega procesa in razvoj sistemov za njegovo optimizacijo. Fiziološke študije morajo integrirati to znanje in določiti vzorce oblikovanja in delovanja fotosintetskih sistemov, pri čemer upoštevajo avtoregulacijo, prilagajanje in samouravnavanje, da se doseže najvišja produktivnost rastlin. Rastline lahko zagotovijo bistveno več uporabnih produktov, kot jih zagotavljajo trenutno, tako v naravi kot v poljskem poljedelstvu in v posebnih bioinženirskih sistemih.

Če so zgornji listi nameščeni pretežno navpično, bo neposredna sončna svetloba zdrsnila po njih, zato bo njihova osvetlitev nekoliko zmanjšana in ustrezala tistim vrednostim, za katere je učinkovitost fotosinteze precej visoka.

Hkrati bodo takšni listi precej dobro prenašali svetlobo v pridelek in jo "pustili" za liste srednjega in spodnjega sloja, vendar v nekoliko oslabljeni obliki. Prednostno je, da imajo listi srednjega in spodnjega sloja postopoma vedno večji kot nagiba, dokler spodnji listi niso vodoravni. V takšnih primerih bo energija sončnega sevanja na enoto površine setve po eni strani popolnoma absorbirana v posevku kot celoti in hkrati porazdeljena po veliki površini listov, tj. jih osvetlite z nekoliko zmanjšano jakostjo.

V tem primeru bo vsak kvadratni meter listne površine deloval z nekoliko zmanjšano intenzivnostjo fotosinteze, a s povečano učinkovitostjo, idealen posevek z dovolj veliko listno površino pa bo lahko opravil največje skupno fotosintetsko delo, tj. najbolje uporabiti sončno energijo, ki jo pripisujemo sevanju.

Da bi poudarili pomen poljščin in cenoz kot celostnega fotosintetskega sistema, s pomočjo katerega je mogoče z visoko učinkovitostjo izrabljati vhodno energijo sončnega sevanja, navedimo naslednji primer: predstavljajte si, da poljščine tvorijo eno neprekinjeno plast vodoravnega listi, ki mejijo drug na drugega (moneslayer). Njihova skupna površina bo 10.000 m2/ha (, 13).

Oba pridelka bosta absorbirala približno 85 % vhodne energije fotosintetskega aktivnega sevanja. V tem pogledu bosta skoraj enaka. Toda pri resnični setvi bo to energijo absorbirala površina listov, ki je 5-krat večja kot pri namišljeni setvi z "enoplastjo" listov. V slednjem primeru bo odvisnost fotosinteze pridelka od jakosti svetlobe praktično ustrezala krivulji svetlobe fotosinteze posameznega lista. Zato bo za setev z "enoplastjo" listov svetloba večji del dneva pretirana.

Intenzivnost fotosinteze takšnih pridelkov v dnevnih urah bo znatno zaostajala za potekom jakosti svetlobe. Skupno bo takšno sejanje porabilo absorbirano svetlobno energijo z relativno nizko učinkovitostjo

Kot pri pravi setvi se bo enaka količina absorbirane energije porazdelila na večjo površino listov. V tem primeru bo vsak kvadratni meter listov v povprečju osvetljen z manjšo intenzivnostjo kot listi "enoplastne". Zato pri dejanski setvi tudi opoldanska direktna sončna svetloba ne bo tako pretirana kot pri setvi z »monoslojem«, prava setev pa se bo pozitivno odzvala tudi na svetlobo največjih intenzitet. V tem primeru bo svetlobna krivulja dejanskega pridelka kot celote veliko ugodnejša od svetlobne krivulje posameznega lista ali »monosloja«.

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).

To potrjuje, da lahko podnevi fotosinteza resničnega pridelka v praksi (seveda, če je dobro oskrbovan in strukturiran) precej dobro sledi poteku jakosti sevanja, pri čemer ga ves čas uporablja z večjo učinkovitostjo kot namišljeni modelni pridelek. z "enoplastjo" listov.

Da bi povečali stopnjo izkoriščenosti energije sončnega sevanja v procesu fotosinteze pridelkov, si moramo prizadevati rešiti dva glavna problema:

Tukaj opisujemo možno učinkovitost fotosintetskega dela poljščin v najboljši kondiciji, torej tistih, ko imajo veliko listno površino in dobro strukturo. Pravzaprav so v tem stanju tudi najboljši pridelki le del bremena celotne rastne dobe. Velik del časa porabimo za nastanek sadik, na prvih stopnjah njihovega razvoja. V tem času travni sestoji še niso zaprti in pomemben del energije sončnega sevanja pade na tla in se nepovratno izgubi za fotosintezo.

Po obdobju optimalnega stanja se začne obdobje zorenja rastlin. Listi izgubijo fotosintetično aktivnost. Oblikovanje gospodarskega dela pridelka se ne zgodi toliko s fotosintezo, temveč s premikanjem predhodno nabranih plastičnih snovi iz listov in stebel v reproduktivne in skladiščne organe: zrnje, gomolje, korenovke itd.

Na koncu rastlina med svojim razvojem porablja energijo sončnega sevanja za fotosintezo z učinkovitostjo, nižjo od zgoraj navedene. Poleg tega se lahko v različnih primerih in pri različnih pridelkih skupni končni kazalniki učinkovitosti zelo razlikujejo. Vse to je treba upoštevati. Toda kljub vsem težavam obstaja veliko načinov za usmerjanje napredka oblikovanja pridelkov po najboljših poteh in doseganje visoke učinkovitosti pri njihovi porabi energije za fotosintezo.

Za uspešno doseganje želenih rezultatov je treba popolnoma razumeti razmerja in predpogoje, ki so podlaga za oblikovanje fotosintetskih sistemov, ki so sposobni izvajati fotosintezo z največjo učinkovitostjo.

Te predpogoje in principe lahko najbolj jasno opišemo na primeru delovanja fotosintetskih sistemov v obliki suspenzije enoceličnih alg.

UČINKOVITOST FOTOSINTEZE

UČINKOVITOST FOTOSINTEZE 1) delež svetlobne energije, ki jo rastline asimilirajo; izračun temelji bodisi na neto proizvodnji (neto fotosintetska učinkovitost) bodisi na skupni proizvodnji (skupna fotosintetska učinkovitost); 2) hitrost nastajanja primarne proizvodnje v rastlinskih formacijah v naravnih razmerah. Izraženo kot odstotek vpadlega vidnega sevanja, ki se med aktivno fotosintezo pretvori v neto proizvodnjo. Če je dovolj vode in hranilnih snovi in ​​nič ne omejuje rastlinske proizvodnje, potem je največja učinkovitost fotosinteze 1-2% razpoložljive svetlobne energije (pri visoko produktivnih sortah žitaric, sladkornega trsa itd.). Glej tudi Učinkovitost asimilacije.

Ekološki enciklopedični slovar. - Kišinjev: Glavno uredništvo Moldavske sovjetske enciklopedije. I.I. Dedu. 1989.

• UČINKOVITOST TRANSPIRACIJE
• UČINKOVITOST PLENILCEV

Poglejte, kaj je "UČINKOVITOST FOTOSINTEZE" v drugih slovarjih:

UČINKOVITOST ASIMILACIJE- delež energije, ki jo telo porabi v primerjavi z absorbirano energijo (izraženo v odstotkih); razmerje med količino asimilirane hrane in količino zaužite hrane. Učinkovitost asimilacije sončne energije z zelenimi rastlinami ... ... Ekološki slovar

RAZMERJE UČINKOVITOSTI FOTOSINTEZE- učinkovitost uporabe ogljikovega dioksida, absorbiranega med fotosintezo, za izgradnjo rastlinske biomase. Med rastno dobo rastlin se spreminja: pri mladih rastlinah je 0,36 0,39, do konca rastne dobe pa se poveča na 1,01 1,02 ... Slovar botaničnih izrazov

OGLJIKOV DIOKSID- ogljikov dioksid, anhidrid ogljikovega dioksida, CO2, nujna sestavina za gradnjo organskih. v procesu fotosinteze. Nastane med dihanjem ljudi in žensk, oksidacijo organskih snovi. v organizmih, zgorevanje, razpadanje, nekatere geološke... ...

- (iz grškega chlorós zelen in plastós oblikovan, oblikovan) znotrajcelični organeli rastlinske celice Plastidi, v katerih poteka fotosinteza. Obarvane so zeleno zaradi prisotnosti glavnega pigmenta fotosinteze... Velika sovjetska enciklopedija

V tem članku manjka uvod. Dodajte uvodni razdelek, ki na kratko predstavi temo... Wikipedia

Vsebina 1 Mikrobiološka proizvodnja vodika 2 Biofotoliza vode 2.1 Os ... Wikipedia

ogljikov dioksid- ogljikov dioksid, ogljikov dioksid, anhidrid ogljikovega dioksida, CO2, nujna sestavina za gradnjo organskih snovi v rastlinah v procesu fotosinteze. Nastaja pri dihanju ljudi in živali, oksidaciji organskih snovi v organizmih,... ... Kmetijstvo. Veliki enciklopedični slovar

- (Chlorella), rod klorokoknih alg. Celice so enojne, sferične, dia. do 15 mikronov, z gladko lupino in steno kloroplasta. Med razmnoževanjem v celicah nastane 4 8 (16) avtospor. OK. 20 vrst, v ZSSR pribl. 10 vrst. Raste v sladki vodi... Biološki enciklopedični slovar

Lišaji vsebujejo veliko elementov in snovi. Vse jih lahko razdelimo v dve veliki skupini: primarne in sekundarne. Primarne snovi vključujejo tiste snovi, ki neposredno sodelujejo pri celični presnovi; od njih...... Biološka enciklopedija

KMETIJSKA TEHNIKA- tehnologija gojenja rastlin, sistem tehnik ponarejanja str. X. pridelki Naloga A. je zagotoviti visoko produktivnost gojenih pridelkov z minimalno. stroški dela in denarja na enoto visoke kakovosti. izdelkov. Moderno A. je namenjen tudi ohranjanju... ... Kmetijski enciklopedični slovar

knjige

• Zlata zbirka nasvetov Pametni zelenjavni vrt s kompletom 8 knjig Nikolaja Kurdjumova, Kurdjumov N.. Veste, skoraj sem prepričan: v naši znanosti je VSE odprto. Težava je v tem, da vse ni prepoznano in javno objavljeno. Že pred »perestrojko« je ukrajinski znanstvenik Oleg Anatoljevič Vojnov odkril in dokazal: če ...
• Molekularno označevanje v žlahtnjenju rastlin na primeru riža, Yu K. Goncharova. Knjiga predstavlja rezultate raziskav o preučevanju dedovanja in polimorfizma številnih lastnosti v vzorcih riža, razvoju metod za fiksiranje genskih kompleksov, ki določajo heterotične...

Nenadzorovana poraba fosilnih virov je pripeljala svet na prag okoljske in energetske krize. V takih razmerah je potreben bistveno drugačen vir energije, ki bi po eni strani sodil v naš naftni svet, po drugi strani pa bi bil obnovljiv, okolju prijazen in ekonomsko donosen. Možna rešitev je umetna fotosinteza (AP), zahvaljujoč kateri so se že pojavile umetne naprave za sintezo organske snovi iz elektrike in svetlobe, pa tudi neverjetne polprevodniške oklepne fotosintetske bakterije.

Svetovna energetska kriza ali zakaj je potrebna umetna fotosinteza

Danes se že tako velika populacija planeta poveča za 1 % letno. Človeštvo svoje energetske potrebe, ki so vsako leto večje, zadovoljuje predvsem s fosilnimi viri. Vendar ni več skrivnost, da so zaloge nafte in premoga omejene in v večini primerov neobnovljive. Ko njihove količine ne bodo več ustrezale globalnemu tempu razvoja (ali bodo celo izrabljene), se bo svet soočil z energetsko krizo razsežnosti brez primere.

Že zdaj lahko vidimo oster boj, ki je izbruhnil na svetovnem prizorišču glede glavnih virov fosilnih goriv. V prihodnje bo goriva vedno manj, vse pogosteje pa bo prihajalo do konfliktov interesov.

V zadnjih dveh stoletjih je bilo človeštvo zaslepljeno z dostopnostjo fosilnih virov energije in je na njihovi osnovi razvilo številne tehnologije, brez katerih si življenja danes preprosto ni mogoče zamisliti. Najprej so bile lokomotive na premog in parne lokomotive, potem so se ljudje naučili pridobivati ​​elektriko s kurjenjem istega premoga, proizvajati plinske peči, zasebni in javni prevoz - vse to zahteva porabo organskih snovi, shranjenih pred milijoni let. Z uporabo energije teh snovi je človeštvo naredilo preskok na številnih področjih družbenega življenja: svetovno prebivalstvo je preseglo 7 milijard, v puščavah so nastala cvetoča mesta in države, proizvodne zmogljivosti in ravni porabe se iz leta v leto povečujejo. Brez dvoma si sodobnega sveta ni mogoče zamisliti brez premoga, naftnih derivatov in plina.

Tu nastopi dilema sodobne energetike: po eni strani je nujnost prehoda na obnovljive vire energije povsem očitna, po drugi strani pa svet ni opremljen za porabo te energije. Vendar se v zadnjem desetletju vedno bolj razvija vir energije, ki bi lahko rešil to dilemo. Gre za umetna fotosinteza (IF)- način za pretvorbo sončne energije v priročno obliko organskega goriva.

Ne smemo pozabiti, da kurjenje goriva povzroča ogromne emisije CO 2 v ozračje, kar negativno vpliva na stanje celotne biosfere. V velikih mestih je ta vpliv še posebej opazen: na tisoče kadečih se avtomobilov in podjetij ustvarja smog in vsak mestni prebivalec, ki zapusti mesto, najprej občuduje svež zrak. Ustvarjanje vira energije, ki bi tako kot rastline absorbiral CO 2 in proizvajal O 2, bi lahko zaustavil degradacijo okolja s polno hitrostjo.

Tako je IF potencialna rešitev za svetovno energetsko in okoljsko krizo. Kako pa IF deluje in v čem se razlikuje od naravnega?

nepopolnost zelenja

Slika 2. Neciklična fotosinteza v rastlinah. Elektron zapusti svetlobno vzbujeni klorofil fotosistema II (PS-II), nastalo "luknjo" pa zapolnijo elektroni, ki se sprostijo med cepljenjem vode. Končni sprejemnik elektronov ni pigment fotosistema, kot pri vijoličnih bakterijah, ampak NADP +. Druga razlika je v tem, da pri rastlinah dva fotosistema (PS-I in PS-II) tvorita sklopljeni mehanizem in en cikel njegovega delovanja zahteva absorpcijo dveh fotonov. Kompleks b 6 f na sliki ni prikazan.

Nastali gradient H+ zagotavlja energijo za sintezo ATP z encimom ATP sintazo, podobno kot padajoča voda zagotavlja energijo za vodni mlin (slika 3). ATP je univerzalni nosilec kemične energije v celici in je vključen v veliko večino energijsko potratnih reakcij, vključno z reakcijami Calvinovega cikla, ki zagotavljajo pretvorbo CO 2 v reducirane organske snovi. V tem ciklu se večina energije porabi za boj proti stranskim reakcijam. Obstajajo tudi drugi načini asimilacije ogljika - na primer pot Wood-Ljungdahl, o kateri bomo pisali kasneje.

Slika 3. Shranjevanje svetlobne energije. Med fotosintezo proteini fotosistema prenašajo protone skozi membrano z uporabo energije fotonov. Encim ATP sintaza ponastavi nastali koncentracijski gradient H + in proizvede univerzalni nosilec energije v celici - ATP. Analogija z vrtečim se vodnim mlinom je pravzaprav zelo blizu realnosti.

Čeprav fotosinteza končno oskrbi celotno biosfero z energijo, učinkovitost tega procesa pušča veliko želenega (tabela 1). Rekorder po fotosintezi je sirek, gojen za proizvodnjo biogoriv, ​​katerega učinkovitost pretvorbe sončne energije v kemično je 6,6-odstotna. Za primerjavo: krompir, pšenica in riž imajo približno 4 %.

Hkrati je tipična učinkovitost sodobnih sončnih celic 15-20%, prototipi pa so dosegli vrednost 46%. Ta razlika v učinkovitosti umetnih fotocelic in živih rastlin je razložena predvsem z odsotnostjo stopenj sinteze. Toda obstaja bolj subtilna razlika: rastlinski fotosistemi črpajo energijo samo iz fotonov vidne svetlobe z valovno dolžino 400–700 nm, izhod visokoenergijskih fotonov pa je popolnoma enak kot nizkoenergijski fotoni. Polprevodniki, ki se uporabljajo v sončnih celicah, zajemajo fotone iz širšega spektra. In da povečate izhod, ena baterija združuje materiale, zasnovane posebej za različne dele spektra sončne svetlobe.

Končni cilj inženirjev IF je ustvariti rastlino (ali umetni organizem), ki bi fotosintezo izvajala bolje kot rastline. Danes je bioinženiring dosegel raven, ko je to mogoče poskusiti. In iz leta v leto so poskusi znanstvenikov vedno bližje zaželenemu cilju, zaradi česar se čudimo neverjetnim odkritjem.

Tako drugačen ČE

Najenostavnejša shema IF je popolnoma abiotska sinteza organske snovi na katalizatorju. Leta 2014 so odkrili rutenijev katalizator, ki ob osvetlitvi sintetizira metan iz H 2 in CO 2. V optimalnih pogojih, ki vključujejo segrevanje na 150 °C in intenzivno osvetlitev, en gram tega katalizatorja ustvari en milimol metana na uro, kar je seveda zelo malo. Znanstveniki sami, ki preučujejo katalizator, priznavajo, da je takšna hitrost reakcije ob dokaj visokih stroških katalizatorja prenizka za njegovo praktično uporabo.

Prava fotosinteza je večstopenjski proces, na vsaki stopnji katerega pride do izgube energije. To je delno dobro, saj odpira veliko prostora za optimizacijo. V primeru abiogene fotosinteze je vse, kar lahko storimo, to, da pripravimo popolnoma nov katalizator.

Povsem drugačen pristop k IF - ustvarjanje bioreaktorjev na sončno energijo. V takih bioreaktorjih, nenavadno, uporabljajo ne fotosintetski mikroorganizmi, ki še vedno lahko vežejo CO 2 z uporabo drugih virov energije.

Spoznajmo več vrst modelov naprav za IF na konkretnih primerih.

Leta 2014 so bili objavljeni rezultati testiranja naprave, ki pretvarja tok v biomaso z rekordno učinkovitostjo 13 %. Če želite dobiti IF reaktor, morate samo priključiti sončno ploščo. Ta naprava je v bistvu elektrokemična celica (slika 4 A), kjer dve elektrodi postavimo v hranilni medij z bakterijami Ralstonia eutropha(tudi so Cupriavidus necator). Ko se uporabi zunanji tok, katalizator na anodi razdeli vodo na kisik in protone, katalizator na katodi pa reducira protone v vodikov plin. R. eutropha prejme energijo za asimilacijo CO 2 v Calvinovem ciklu zaradi oksidacije H 2 z encimom hidrogenazo.

Slika 4. Bioreaktorji za IF na osnovi elektrokemičnih celic. Tok se lahko ustvari s fotolizo vode na anodi z uporabo sončne celice (A) ali brez njega (b) . V obeh primerih elektroni, vzeti iz vode, zagotavljajo avtotrofnim mikrobom redukcijske ekvivalente, potrebne za fiksacijo CO 2 .

Po izračunih razvijalcev bo kombinacija njihove namestitve s tipično sončno baterijo (18-odstotna učinkovitost) privedla do skupne fotosintetske učinkovitosti 2,5 %, če se vsa svetlobna energija pretvori v rast biomase, in 0,7 %, če gensko spremenjene bakterije, ki sintetizirajo butanol se uporabljajo. Ta rezultat je primerljiv z učinkovitostjo fotosinteze v pravih rastlinah, čeprav ne dosega ravni kulturnih rastlin. Sposobnost R. eutropha sintetiziranje organskih snovi v prisotnosti H 2 je zelo zanimivo ne le v kontekstu IF, temveč tudi kot možna uporaba vodikove energije.

Leta 2015 so znanstveniki iz Kalifornije ustvarili prav tako zanimivo instalacijo, kjer sta stopnji absorpcije in sinteze svetlobe tesneje povezani. Fotoanoda izdelanega reaktorja ob osvetlitvi razcepi vodo na kisik, protone in elektrone, ki se po vodniku pošljejo do katode (slika 4). b). Za povečanje hitrosti fotolize vode, ki se pojavi na vmesniku, je fotoanoda izdelana iz silicijevih nanožic, ki močno povečajo njeno površino.

Katoda te naprave je sestavljena iz »gozda« nanopalic TiO 2 (slika 5). A), med katerimi rastejo bakterije Sporomusa ovata. Elektroni iz fotoanode gredo posebej do teh bakterij, ki jih uporabljajo kot redukcijske ekvivalente za pretvorbo CO 2, raztopljenega v mediju, v acetat.

Slika 5. Umetna fotosinteza je nepredstavljiva brez nanomaterialov. A - V IF reaktorju iz članka CO 2 so zabeležene bakterije, ki rastejo v »nanogozdu« silicijevih palic, prevlečenih s TiO 2 (plast 30 nm); Ta nanogozd ustvarja anaerobne pogoje, potrebne za bakterije, in povečuje površinsko gostoto stika med bakterijami in prevodnikom. b - Z bistveno drugačnim pristopom niso bakterije tiste, ki so postavljene na polprevodnik, ampak polprevodnik tisti, ki je nameščen na bakterije; Zahvaljujoč lupini CdS postanejo bakterije, ki umirajo na svetlobi, fotosintetske.

TiO 2 nanoforest opravlja več funkcij hkrati: zagotavlja visoko gostoto bakterij ob stiku, ščiti obligatne anaerobne S. ovata iz kisika, raztopljenega v okolju, in lahko tudi pretvori svetlobo v elektriko, kar pomaga bakterijam vezati CO 2.

S. ovata- bakterije z zelo prilagodljivim metabolizmom, ki se zlahka prilagaja rasti v tako imenovanem elektrotrofnem načinu. CO 2 vežejo po Wood-Ljungdahlovi poti, pri kateri se le 10 % acetata porabi za rast biomase, preostalih 90 % pa se sprosti v okolje.

Toda sam acetat ni posebej dragocen. Za pretvorbo v kompleksnejše in dražje snovi v reaktor vnašajo gensko spremenjene snovi. Escherichia coli, ki sintetizira butanol, izoprenoide ali polihidroksibutirat iz acetata. Zadnja snov E. coli obrodi z največjim donosom.

Kar se tiče učinkovitosti celotne instalacije, je zelo nizka. Samo 0,4 % sončne energije se lahko pretvori v acetat, pretvorba acetata v polihidroksibutirat pa se pojavi z učinkovitostjo 50 %. Skupno lahko le 0,2 % svetlobne energije shranimo v obliki organske snovi, ki jo lahko uporabimo kot gorivo ali surovino za kemično proizvodnjo. Razvijalci menijo, da je njihov glavni dosežek ta, da je instalacijo, ki so jo ustvarili, mogoče uporabiti za popolnoma drugačne kemične sinteze brez temeljnih sprememb v zasnovi. To kaže analogijo z naravno fotosintezo, kjer se vse vrste organskih snovi končno sintetizirajo iz CO 2 3-fosfoglicerata, pridobljenega med asimilacijo.

Pri obeh opisanih tehnologijah so razvijalci poskušali združiti odličnost polprevodnikov kot absorberjev svetlobne energije s katalitično močjo bioloških sistemov. In obe nastali napravi sta bili "obratni" gorivni celici, kjer se tok uporablja za sintezo snovi.

Pri bistveno drugačnem pristopu so posamezne celice združene s polprevodniki v eno celoto. Tako je v samem začetku leta 2016 izšlo delo, v katerem je bakterija acetogen Moorella thermoacetica gojijo v okolju z visoko vsebnostjo cisteina in kadmija. Zaradi tega običajno umre na svetlobi M. thermoacetica je bil prekrit z lupino iz CdS (polprevodnika) in s tem ni bil le zaščiten pred soncem, ampak je postal tudi fotosintetik: elektroni iz CdS so vstopili v Wood-Ljungdahlovo pot (slika 5). b).

Poskusi na taki "oklepni" bakteriji so pokazali, da se CO 2 fiksira ne samo na svetlobi, ampak tudi v temi (ob upoštevanju dnevnega cikla). Razlog za to je kopičenje fotosintetskih metabolitov na svetlobi v takšnih količinah, da jih celice nimajo časa predelati. Glavna prednost takih bakterij v primerjavi z zgoraj opisanimi celicami je samoorganizacija. Za celice je treba vnaprej pripraviti nanomateriale in katalizatorje, sami ti deli pa se sčasoma le obrabijo. V primeru M. thermoacetica fotosintetske enote same delijo, proizvajajo in popravljajo vse, kar potrebujejo, če je v okolju dovolj kadmija in cisteina. Te bakterije še niso bile raziskane kot vir goriva, vendar glede kvantnega izkoristka fotosinteze niso slabše od rastlin.

Ni dolgo čakati ...

Tehnologije IF so še vedno v fazi prototipa, vendar njihovi razvijalci vidijo veliko možnosti za optimizacijo. Optimizirate lahko polprevodnike, ki lovijo svetlobo, mikroorganizme, prostorsko organizacijo bakterij in druge katalizatorje. Toda najprej je treba rešiti problem stabilnosti. Učinkovitost izdelanih inštalacij opazno pade že po nekaj dneh delovanja. Popolnoma dokončana naprava za IF se mora, kot vsak živ sistem, regenerirati in samoreproducirati. V zvezi s tem je še posebej zanimivo M. thermoacetica, za katere te lastnosti v celoti veljajo.

In čeprav obstoječi vzorci še zdaleč niso popolni, je delo na področju FI dragoceno predvsem zato, ker kaže na temeljno možnost integracije sončne energije v svet, ki ga zajema motor z notranjim zgorevanjem. Vetrne turbine in sončni paneli imajo seveda visok izkoristek in že skoraj v celoti pokrivajo porabo energije v Urugvaju in na Danskem, hidroelektrarne pa so pomembna vozlišča v energetskem omrežju številnih držav. Toda zamenjava goriva z elektriko v večini primerov zahteva korenito prestrukturiranje energetskih omrežij in ni vedno mogoča.

Nadaljnji razvoj investicijskega sklada zahteva velika vlaganja. Lahko si predstavljamo, da bo proizvajalce sončnih celic, ki jim futuristi napovedujejo svetovno prevlado na področju energetike do leta 2030, zanimal razvoj te še mlade in neizkušene vede na stičišču bioenergije, znanosti o materialih in nanoinženiringa. Kdo ve, morda IF v prihodnosti ne bo postal vsakdanji pojav ali pa bo delo na njem dalo zagon vodikovi energiji oziroma biofotovoltaiki. Ni nam treba dolgo čakati, počakajmo in bomo videli.

Literatura

1. Piramide prebivalstva sveta od 1950 do 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinov N. (2007).