Çfarë e përcakton efikasitetin e fotosintezës? Mënyrat për të rritur efikasitetin e fotosintezës

"Në lidhje me problemin tonë, me problemin që parashtrova për herë të parë - çfarë të bëjmë me numrin gjithnjë në rritje të njerëzve në Tokë, lind pyetja: "Çfarë mund t'u japë njerëzve një cikël i madh biologjik në biosferë?" Ky problem mund të konsiderohet nga tre pikat ose vendet kryesore të biosferës që sapo kam përshkruar:

1) në hyrjen e energjisë,
2) në ciklin biologjik të biosferës dhe
3) në dalje nga cikli biologjik në gjeologji.

Le të fillojmë me hyrjen e energjisë. Një sasi e caktuar e energjisë diellore bie në sipërfaqen e Tokës. Natyrisht, vetëm ajo pjesë e saj që absorbohet nga organizmat autotrofikë mund të funksionojë biologjikisht. Nga e gjithë energjia diellore që bie në Tokë, vetëm një përqindje e caktuar (nuk është aq e lehtë të llogaritet saktësisht), të themi, afërsisht nga tre në tetë për qind , përthithet nga bimët e gjelbra. Jo e gjithë energjia e absorbuar shkon në fotosintezë. Ashtu si në teknologji, në natyrën e gjallë mund të flasim për efikasitetin - efikasitetin e fotosintezës. Është (përsëri shumë e vështirë për t'u llogaritur) përafërsisht nga dy deri në tetë për qind .

Është shumë e rëndësishme të theksohet se lloje dhe grupe të ndryshme bimësh kanë efikasitet të ndryshëm.

Pra, tashmë në hyrje, njerëzimi mund të bëjë diçka për të siguruar që bimësia thith më shumë energjinë diellore që hyn në Tokë, dhe për këtë është e nevojshme të rritet dendësia e mbulesës së gjelbër të Tokës. Ndërkohë, ne njerëzit, në aktivitetet tona ekonomike, industriale dhe në jetën e përditshme, kemi më shumë gjasa të zvogëlojmë dendësinë e mbulesës së gjelbër të Tokës, duke trajtuar pa kujdes pyjet, livadhet, fushat dhe kantieret e ndërtimit. Duke gjelbëruar në mënyrë të pamjaftueshme shkretëtirat dhe stepat, ne zvogëlojmë dendësinë e mbulesës së gjelbër. Por është pikërisht niveli i teknologjisë dhe industrisë moderne që teorikisht na lejon të bëjmë punën e kundërt - të rrisim në çdo mënyrë të mundshme dendësinë e mbulesës së gjelbër në të gjitha zonat e përshtatshme të sipërfaqes së tokës dhe në rezervuarë, veçanërisht ato të ujërave të ëmbla.

Për më tepër, siç tregojnë llogaritjet, mund të rritet me të paktën një e gjysmë, ndoshta edhe dy herë, dhe në këtë mënyrë të rritet produktiviteti biologjik i Tokës.

U tha më lart se efikasiteti - koeficientët e efikasitetit - të llojeve të ndryshme të bimëve mund të jenë shumë të ndryshme, duke variuar nga dy në tetë, dhe për një numër bimësh formon edhe më shumë përqind. Dhe këtu hapet një mundësi tjetër për njerëzimin: është e arsyeshme, natyrisht, bazuar në një studim paraprak të saktë të efikasitetit të llojeve të ndryshme bimore nga fiziologë specialistë, të përpiqemi të rrisim përqindjen e pjesëmarrjes në komunitetet bimore që mbulojnë tokën e bimëve. me efikasitetin më të lartë dhe jo më të ulët. Kjo, përsëri, mund të rritet me një shifër, një herë e gjysmë, ose më pak, ose më shumë, përqindja e energjisë diellore që absorbohet nga bimët dhe, nëpërmjet fotosintezës së bimëve, çon në prodhimin e lëndës organike në Tokë.

Kjo do të thotë që tashmë në hyrje të biosferës, në hyrjen e energjisë, ju mund të fitoni, të rrisni produktivitetin biologjik të Tokës, të themi, dy herë. Më lejoni t'ju kujtoj se kjo është diçka që do të na duhet absolutisht në njëqind vjet."

Timofeev-Resovsky N.V., Kujtime, M., "Vagrius", 2008, f. 344-345.

n1.doc

Bimët

Problemi i produktivitetit fotosintetik zë një vend të rëndësishëm në studimet moderne të fotosintezës, pasi në fund të fundit qëllimi i të gjitha studimeve të mekanizmit të fotosintezës në çdo nivel është të kuptojnë mekanizmat e rregullimit të drejtuar të aktivitetit fotosintetik të bimëve dhe rritjen e nivelit të fotosintezës së përgjithshme. produktivitetit. Aspekte të ndryshme të këtij problemi, si rregullimi fiziologjik i fotosintezës, optimizimi i aktivitetit fotosintetik të bimëve, marrëdhënia midis intensitetit të fotosintezës dhe produktivitetit të përgjithshëm të organizmave bimorë dhe të tjera, janë bërë objekt i hulumtimit të detajuar. Kërkimet kryhen në nivel të kulturave, të gjithë bimës, organeve të saj individuale, qelizave dhe strukturave qelizore.
6.1. Treguesit e fotosintezës
Funksioni fotosintetik mund të vlerësohet me tregues të ndryshëm, ndër të cilët kur krahasohet efikasiteti i fotosintezës përdoren gjerësisht: konsumi kuantik, rendimenti kuantik, intensiteti fotosintetik, produktiviteti neto, koeficienti i efikasitetit fotosintetik, numri i asimilimit, etj.

Konsumi kuantik është numri i kuanteve të lehta të nevojshme për të reduktuar 1 mol CO 2 në nivelin e përbërjeve organike. Energjia e një kuantike individuale (fotoni) është shumë e vogël, zakonisht shprehet në energjinë e një mol fotonesh - Ajnshtajni (1 Ajnshtajni është i barabartë me 1 mol kuante,
1 mol kuantë është e barabartë me 6.02 10 23). Ajnshtajni është i barabartë me N A h, ku N A është konstanta e Avogadro-s (6.02·10 23; numri i molekulave për mol substancë). Energjia e fotonit mund të shprehet në erg, kcal/mol (1 kcal=
4.2·10 10 erg) ose në elektronvolt (1 eV=23 kcal/mol). CO 2 i asimiluar shprehet në mol.

Matjet e para të konsumit kuantik të lëshimit të molekulës O 2 gjatë fotosintezës u kryen në vitin 1922 nga Warburg. Në eksperimentet me klorellën, ai mori vlera kuantike të konsumit të barabarta me 4. Deri në vitin 1937, disa studiues morën vlera të konsumit kuantik të barabartë me 8. Bazuar në teorinë dy kuantike të proceseve parësore të fotosintezës (Skema Z), rrjedh se në kushtet më optimale, konsumi kuantik për nxjerrjen e një molekule të O 2 ose fiksimi i një molekule të CO 2 duhet të jetë i barabartë me 8. Vlera e konsumit kuantik prej 8 nuk bie ndesh me pjesën më të madhe të materialit eksperimental. Por çështja e shpejtësisë optimale të rrjedhës kuantike nuk është zgjidhur eksperimentalisht, gjë që kërkon kërkime të mëtejshme. Në praktikë, mund të jetë më i lartë se 8 kuanta. Në kushte të pafavorshme (temperatura, drita, lagështia, etj.), konsumi kuantik i fotosintezës mund të rritet dhjetëra ose qindra herë. Kjo është për shkak të humbjeve të pashmangshme të energjisë gjatë fazave fotofizike (shpërndarja e energjisë në nxehtësi) ose fotokimike dhe biokimike.

Për të karakterizuar konsumin e energjisë në procesin e fotosintezës, përdoret gjithashtu një sasi e tillë si rendimenti kuantik - raporti i numrit të molekulave të CO 2 të absorbuara me numrin e kuanteve të dritës të shpenzuara për këtë.

Rendimenti kuantik më i lartë dhe teorikisht i mundshëm është 0.25. Në praktikë, kjo vlerë është dukshëm më e vogël se ajo teorike.

Efikasiteti me të cilin një bimë ruan energjinë e dritës karakterizohet nga prodhimi i saj i energjisë (E). Përkufizohet si raporti i energjisë së ruajtur ndaj energjisë së absorbuar:
8
Një pyetje e rëndësishme është se cila është në të vërtetë prodhimi maksimal i mundshëm i energjisë i fotosintezës, pasi rendimentet maksimale varen nga kjo vlerë. Kur llogaritet teorikisht rendimentet maksimale të mundshme, njeriu del nga vlera teorikisht maksimale e prodhimit të energjisë. Nëse dihet prodhimi i energjisë (E), atëherë, duke ditur sasinë e dritës që bima thith, mund të llogaritet sasia e energjisë së ruajtur. Sipas ekuacionit (CO 2 + H 2 O  CH 2 O + O 2 + 112 kcal/mol) për çdo
112 kcal energji e ruajtur nga bima prodhon 30 g lëndë organike (30 g është pesha molekulare e CH 2 O). Kjo bën të mundur llogaritjen e rritjes së masës së thatë. Nëse supozojmë se konsumi kuantik i fotosintezës është i barabartë me 8, atëherë rendimenti maksimal i mundshëm energjetik i fotosintezës do të jetë i barabartë me 112 kcal: 8·40=0,35. Pothuajse prodhimi maksimal i energjisë është më i ulët në dritën natyrale (vlera 0,35 e marrë për dritën e kuqe
( = 680). Llogaritjet tregojnë se për rrezatimin diellor rendimenti maksimal i energjisë, bazuar në konsumin kuantik të 8-të, është 14%. Kjo vlerë është marrë duke marrë parasysh faktin se gjethja e bimës thith të gjithë dritën që bie mbi të (opsioni optimal).

Prodhimi i energjisë karakterizon efikasitetin e ruajtjes së energjisë, i cili mund të vlerësohet duke llogaritur koeficientin e performancës (efikasitetit) të shndërrimit të energjisë së dritës në energji kimike. Vlera maksimale e saj është 35%. Efikasiteti i reaksioneve të fotosintezës së errët është 81%.

Bazuar në analizën e energjisë së fotosintezës, kuptimi biologjik i kësaj të fundit është nxjerrja e energjisë së lirë nga mjedisi dhe ruajtja e kësaj energjie për përdorim në të ardhmen në formën e përbërjeve organike të qëndrueshme. Energjia e kuanteve të dritës shpenzohet në zëvendësimin e lidhjeve kovalente përgjithësisht më të forta (në CO 2 dhe H 2 O) me lidhje përgjithësisht më të dobëta (në CH 2 O dhe O 2) dhe në renditjen e sistemit.

Fotosinteza është një proces endotermik, është e mundur vetëm nëse sistemi furnizohet me energji nga jashtë. Intensiteti i fotosintezës është sasia e CO 2 që absorbohet për njësi të sipërfaqes së gjethes (ose masës) për njësi të kohës (mg/dm 2 orë, g/m 2 ditë). Ai varion nga 5-25 mg dioksid karboni për
1 dm 2 në 1 orë.

Produktiviteti ditor neto është raporti i rritjes së masës së të gjithë bimës (g) me sipërfaqen e gjetheve. Zakonisht është 5–12 g masë e thatë e të korrave për 1 m 2 gjethe në ditë. Raporti ndërmjet sasisë së CO 2 të asimiluar gjatë fotosintezës dhe masës organike të thatë të grumbulluar quhet koeficienti i efikasitetit fotosintetik.

Produktiviteti neto i fotosintezës (PF. pr.) karakterizon intensitetin e formimit dhe akumulimit të masës bimore (g/m2), përcaktohet nga formula:

, 9
ku B 1 dhe B 2 janë masa e lëndës së thatë të kulturës në fillim dhe në fund të periudhës kontabël, B 2 -B 1 është rritja e masës së thatë gjatë periudhës së kontabilitetit, L 1 dhe L 2 janë sipërfaqja e kampioni largohet në fillim dhe në fund të periudhës, (L 1 +L 2)·1/2n - sipërfaqja mesatare e gjetheve për periudhën e caktuar kohore, n - numri i ditëve në periudhën kontabël.

Fotosinteza e të korrave mund të vlerësohet duke përdorur çdo ditë

Rritja e fitomasës së thatë:

, 10
ku M është masa e lëndës së thatë (rritja ditore), S është faktori i shndërrimit të fitomasës së thatë të grumbulluar në sasinë e CO 2 të asimiluar, k është korrigjimi për frymëmarrje, t është gjatësia e ditës.

Nga treguesit e listuar, shkalla e fotosintezës (fotosinteza e vërtetë ose e dukshme) përdoret më shpesh për krahasim.

Sasia e asimilateve të prodhuara nga bima në tërësi (si për të ndërtuar trupin e saj ashtu edhe për të mbuluar kostot e frymëmarrjes) quhet fotosintezë e vërtetë ose bruto. Fotosinteza neto, ose fotosinteza e dukshme, e vëzhgueshme, është ndryshimi midis sasisë së dioksidit të karbonit të asimiluar nga gjethja dhe lëshuar njëkohësisht në atmosferë gjatë frymëmarrjes.

Rritja e biomasës dhe rendimentit varet nga raporti i sipërfaqes së gjetheve me sipërfaqen e zënë nga vetë kultura (indeksi i gjetheve). Vlerat optimale të indeksit të gjetheve janë 4-5. Gjetja e sipërfaqes optimale të asimilimit për çdo kulturë dhe çdo rajon është një nga detyrat e rëndësishme (për drithërat është 20-
30 mijë m2/ha). Për të karakterizuar zhvillimin e aparatit fotosintetik në kultura, rekomandohet të përcaktohet “indeksi i klorofilit” (g klorofil/m2; kg klorofil/ha kulture), për të cilin merret sasia e klorofilit në të gjitha organet mbitokësore. llogari dhe përmblidhen. Performanca e 1 mg klorofil (PPX) mund të jetë gjithashtu një karakteristikë e funksionimit të aparatit fotosintetik:

mg/ditë, 11

ku M është pesha e thatë, X është sasia totale e klorofilit në bimë,
D - numri i ditëve.

Efekti i përdorimit të klorofilit në fotosintezë karakterizohet nga numri i asimilimit - raporti midis intensitetit të fotosintezës dhe përmbajtjes së klorofilit në gjethe:
12
Në shumicën e bimëve është 4-8, në bimët tolerante ndaj hijeve - 20-70, në bimët e etiluara - 100.

6.2. Fotosinteza dhe bioproduktiviteti
Gjatë miliarda viteve, bimët kanë krijuar në Tokë atmosferën dhe kushtet moderne për zhvillimin e jetës, duke përfshirë jetën e njeriut, duke i siguruar atij ushqim, energji dhe burime të tjera. Detyra është vendosur jo vetëm mbrojtja e botës bimore dhe funksioni fotosintetik, por edhe forcimi i saj, veçanërisht në bimët bujqësore. Vitet e fundit, teoria e produktivitetit fotosintetik është zhvilluar intensivisht. Studiuesit i kushtojnë vëmendje të veçantë marrëdhënies midis parametrave të fotosintezës dhe produktivitetit të bimëve dhe identifikimit të tipareve fotosintetike që janë të rëndësishme për mbarështimin. Të gjitha praktikat bujqësore kanë për qëllim rritjen e rendimenteve të larta të bimëve. Vjelja formohet gjatë gjithë sezonit të rritjes dhe varet nga qëndrueshmëria e proceseve fiziologjike dhe drejtimi i metabolizmit. Gjatë periudhës së rritjes intensive të bimëve, formohet mesatarisht 80-150 kg masë e thatë për 1 hektar kulture në ditë, dhe ndonjëherë 300-500 kg.

Akumulimi i të korrave varet nga kompleksi i të gjitha proceseve të brendshme dhe lidhja e faktorëve të jashtëm, por gjithsesi vendi qendror i përket proceseve të fotosintezës. Fotosinteza është kryesisht procesi i ruajtjes së energjisë së dritës diellore nga bimët në formën e produkteve të reduktuara të karbonit.

Funksioni fotosintetik i botës bimore në shkallën e Tokës mund të karakterizohet nga treguesit e mëposhtëm.

Vetëm 1/10 9 e energjisë së emetuar nga Dielli arrin në sipërfaqen e Tokës. 30% e energjisë reflektohet në hapësirën e jashtme, 47% shpërndahet dhe shndërrohet në nxehtësi, 23% përdoret për avullimin e ujit dhe ruhet në formën e energjisë së ujit dhe akullit, dhe mesatarisht 0,02% (40·10 12 W ) shpenzohet për fotosintezë. Bimësia e Tokës prodhon çdo vit 80 miliardë ton biomasë të thatë (3,2·10 17 kcal/vit); duke përfshirë sintezën: fitoplakton i deteve dhe oqeaneve 27 miliardë ton/vit (1,1·10 17 kcal/vit); bimët tokësore – 53 miliardë ton/vit (2,1 10 17 kcal/vit), nga të cilat bimët e kultivuara – 7,5 miliardë ton/vit (0,3 10 17 kcal/vit), pyjet –
38 miliardë ton/vit (1,5 10 17 kcal/vit), bimë të stepave, livadheve dhe shkretëtirave –
7 miliardë ton/vit (0,3·10 17 kcal/vit). Fotosinteza e bimëve të kultivuara në fotosintezën totale të planetit është 8%, dhe në fotosintezën e bimëve tokësore 12-15% (7.5 miliardë ton masë organike të thatë në vit, që është e barabartë me 3 10 16 kcal energji të ruajtur ose 35 mijë miliardë kWh).

Sasia e ushqimit për person është mesatarisht 1.87 ton biomasë në vit (5.1 kg në ditë). Por një pjesë e konsiderueshme e biomasës nuk mund të përdoret drejtpërdrejt nga njerëzit dhe ka edhe humbje. Prandaj, rritja e produktivitetit të bimëve të kultivuara është një problem i rëndësishëm. 12% e tokës është e zënë nga bimë të kultivuara. Sipërfaqja mund të rritet, por kjo do të kërkojë investime të mëdha kapitale. Rendimenti mund të rritet duke rritur efikasitetin e përdorimit të energjisë diellore nga impiantet bujqësore. Kjo është për shkak të rritjes së nivelit të bujqësisë, vendosjes racionale të kulturave bujqësore dhe krijimit të varieteteve prodhuese. Kur vlerësohet efikasiteti i përdorimit të një gjetheje bimore të energjisë totale diellore që bie mbi të, duhet të theksohet se nëse rrezatimi total diellor merret si 100%, atëherë rrezatimi i reflektuar është 10%, rrezatimi i absorbuar është 70% dhe rrezatimi i transmetuar përmes gjethes është 20%. Nga 70% e rrezatimit të përthithur nga një gjethe, 1% e energjisë ruhet në produktet e fotosintezës, 49% shpenzohet në transpirim, 20% në rrezatim dytësor. Prandaj, faktori i efikasitetit (efikasiteti) i rrezatimit total është 1%. Mund të ndryshojë në varësi të kushteve të rritjes, karakteristikave biologjike të bimëve dhe gjendjes së proceseve fiziologjike të saj.

Fotosinteza përdor rrezatim aktiv fotosintetik (PAR, 380-780 nm). Ai përbën 26-55% të rrezatimit total diellor. Kur rendimenti i kokrrës së grurit është mbi 70 c/ha, bimët përdorin PAR që vjen gjatë sezonit të rritjes me një rendiment prej 4,0–4,3%. Me kulturë të mirë bujqësore dhe një aparat fotosintetik aktiv, efikasiteti i përdorimit të PAR mund të jetë 8–5% dhe të arrijë 10%. Vlerat maksimale të produktivitetit mund të arrijnë 50 g biomasë të thatë për 1 m 2 të korrave në ditë. Kjo korrespondon me 5 c/ha. Nëse vlerësohet nga intensiteti i fotosintezës, atëherë një rritje e tillë mund të sigurohet nga një intensitet fotosinteze i barabartë me 20-25 kg CO 2 në ditë për 1 m 2 sipërfaqe gjetheje.

Bilanci i CO 2 (%) duke marrë parasysh fluksin dhe konsumin është vlerat e mëposhtme (nëse përmbajtja në ajër merret si 100%): të mitur - 0.09%, djegia e qymyrit, nafta - 3.08, djegia industriale e gurit gëlqeror - 0,04, zjarreve në pyje - 0,38, frymëmarrjes, fermentimit, kalbjes (bimët tokësore, detare) - 56,09, çlirimi i CO 2 nga sipërfaqja e tokës - 38,09, frymëmarrja e njeriut - 0,32, frymëmarrja e kafshëve - 1,28%, konsumi: gjatë motit i silikateve - 0,09%, asimilimi nga bimët tokësore - 40,60, asimilimi nga bimët detare, algat - 59,31%.

Gjatë një viti, bimët tokësore dhe oqeanike thithin 1,5 10 11 ton dioksid karboni, duke dekompozuar 1,2 10 11 ton ujë, çlirojnë 10 11 ton oksigjen dhe ruajnë 6 10 20 kalori energji diellore në formën e energjisë kimike. të produkteve të fotosintezës.

Falë fotosintezës, energjia e dritës shndërrohet në energji kimike, e cila ruhet në biomasë. Biomasa bimore është masa e thatë në një kohë të caktuar të jetesës së pjesëve mbitokësore dhe nëntokësore të bimëve për njësi të sipërfaqes së tokës. Prodhimi përkufizohet si biomasa ose masa e lëndës organike e asimiluar nga një grup ose specie e veçantë bimore për njësi sipërfaqe për njësi kohe. Prodhimi primar, nga ana tjetër, ndahet në prodhim primar të vërtetë dhe prodhim primar të pastër. Prodhimi i vërtetë primar është sasia totale e lëndës organike të asimiluar, duke përfshirë kostot e frymëmarrjes, dhe prodhimi primar neto është ajo pjesë e lëndës organike (përfshirë kostot e frymëmarrjes) që është e disponueshme për përdorim njerëzor ose mbetet në formën e energjisë kimike të ruajtur. Sipas llogaritjeve, produktiviteti neto global i fotosintezës është 78·10 9 ton karbon në vit, nga të cilat 7% përdoret drejtpërdrejt dhe nëpërmjet organizmave shtazorë nga njerëzit për ushqim, lëndë djegëse dhe lëndë të para. Akumulimi i biomasës së gjallë gjatë gjithë vitit përbën produktivitetin neto të një ekosistemi. Pyjet tropikale japin kontributin më të madh në produktivitetin e vërtetë midis fototrofëve tokësorë (deri në 29%). Në përgjithësi, kontributi i pyjeve të të gjitha llojeve është 68%.

Sipërfaqja e oqeaneve është 2.5 herë më e madhe se sipërfaqja e tokës, por prodhimi i tyre primar është vetëm 1/2–1/3 e prodhimit të tokës. Prodhimi total neto primar llogaritet të jetë i barabartë me 10-
Përmbajtja e karbonit 13% në atmosferë. Përtëritja e karbonit atmosferik nga biosfera zgjat 7-10 vjet. Nëse marrim parasysh frymëmarrjen dhe fotorespirimin, atëherë kjo periudhë kohore mund të reduktohet në 3-
5 vite. Shkëmbimi i karbonit midis atmosferës dhe sipërfaqes së oqeaneve kërkon gjithashtu 7-8 vjet. Asimilimi i CO 2 nga bimët e kultivuara përcakton varësinë e njeriut nga fotosinteza. Biomasa mund të përdoret jo vetëm si produkt ushqimor, por edhe si lëndë e parë për zhvillimin e karburantit. Prodhimi vjetor i fotosintezës përmban pothuajse 10 herë më shumë energji sesa nevojitet aktualisht për të kënaqur nevojat e të gjithë popullsisë së planetit. Por për përdorimin racional të biomasës si burim energjie nevojiten zhvillime shkencore dhe teknologjike.

Duke marrë parasysh që efikasiteti maksimal energjetik i fotosintezës vërehet me kosto tetë kuantike për molekulë CO 2 dhe se 40-60% e CO 2 dhe energjisë së asimiluar humbet në proceset e frymëmarrjes në fitocenoza, nivelet e mundshme të produktivitetit të fitocenozave me një koeficient efikasiteti për përdorimi i tyre i energjisë u krijua rrezatimi fotosintetik aktiv (PAR) prej 4-6%.
6.3. Procesi i prodhimit dhe fotosinteza. Formimi i korrjes
Modelet bazë të aktivitetit fotosintetik të bimëve dhe formimit të rendimenteve biologjike dhe ekonomike u krijuan si rezultat i një kërkimi shumë vjeçar në një numër laboratorësh. Në përputhje me parimet themelore të teorisë së produktivitetit fotosintetik, i cili mori zhvillim të detajuar dhe vërtetim eksperimental në veprat e A.A. Nichiporovich dhe kolegët e tij, faktorët kryesorë që përcaktojnë nivelin e produktivitetit të bimëve janë madhësia e aparatit fotosintetik (zona e gjetheve), intensiteti dhe produktiviteti i punës së tij, marrëdhënia midis procesit të formimit të ri dhe konsumit të substancave organike. Përcaktimi i bazës ekologjike dhe i mundësive për rritjen e produktivitetit të organizmave duke rritur efikasitetin e rrezatimit diellor është një nga problemet më të rëndësishme të prodhimit bimor. Parimet fiziologjike të programimit të procesit të prodhimit përfshijnë formimin e cenozave me tregues optimal të sipërfaqes së gjethes, produktivitetit neto të fotosintezës, potencialit fotosintetik dhe produktivitetit të sipërfaqes së asimilimit. Duhet të kihet parasysh se produktiviteti përfundimtar fotosintetik është rezultat i punës së koordinuar të sistemeve fotosintetike në nivele të ndryshme të organizimit të tyre. A. A. Nichiporovich (1982), duke karakterizuar sistemin "ideal" fotosintetik, beson se fotosinteza me efikasitetin më të lartë të energjisë ndodh në kushtet kur reduktimi i 1 g mol CO 2 (44 g, ose 6.2 10 23 molekula) 8 kuanta ose 8 einstein. (e) e PAR-it të përthithur nga klorofili konsumohen (8·6,02·10 23 h).

Intensiteti maksimal i PAR që bie në 1 dm 2 të sipërfaqes së gjethes është 15,07 kJ dm 2 h Nëse marrim parasysh se 1 e PAR është e barabartë me 209,35 kJ, mund të përcaktojmë se intensiteti PAR është 12,56 kJ dm 2 h. densiteti i mëposhtëm i fluksit kuantik PAR:

Me një proces tetë kuantik, sistemi fotosintetik do të duhej të asimilonte:

Molekula CO 2 për 1 dm 2 orë,

Ose kryeni fotosintezën me intensitet:

Gjethet e bimëve, ndryshe nga sistemi "ideal", përmbajnë vetëm 3-7 mg klorofil, përkatësisht, 4,0-5,5 10 9 kloroplaste dhe 0,8-1,2 10 16 qendra reagimi për 1 dm 2. Kjo lejon fotosintezën e vërtetë me një kosto tetë kuantike prej 20-40 mg CO 2 për 1 dm 2 orë. Prodhimi modern bimor përdor fotosintezën me një faktor efikasiteti të ruajtjes së PAR në kulturë në nivelin 0,1-0,5% (rrallë 1-2%). Qëllimi është të rritet ky nivel në 3–5% PAR.

Në kushte të ndryshme, përbërësit individualë të produktivitetit të bimëve mund të ndryshojnë ndjeshëm: ritme të ndryshme të rritjes së sipërfaqes së gjetheve, gjatësi të ndryshme të sezonit të rritjes, niveli i intensitetit të fotosintezës (5-50 mg/dm 2 orë).

Një tregues karakteristik i produktivitetit biologjik të kulturave është "potenciali fotosintetik i kulturave", që është shuma e sipërfaqes së gjetheve (m 2 /ha) për çdo ditë gjatë gjithë sezonit të rritjes. Ky tregues varion midis bimëve të ndryshme nga 0,5 në 5 milion është një nga faktorët vendimtarë që përcaktojnë madhësinë e të korrave.

Një faktor po aq i rëndësishëm në rendimentin është produktiviteti i punës fotosintetike të çdo metër katror të sipërfaqes së gjetheve. Produktiviteti i fotosintezës së 1 m 2 gjethe varion nga fraksionet e një gram në 4-6 g CO 2 për 1 orë. ditë. Produktiviteti neto i fotosintezës varion nga 0 në 15-18 g/m2 në ditë. Në kushte normale, rritja ditore e peshës së thatë të kulturës është 150 kg për 1 ha në ditë, në kushte më të favorshme - 300-400 kg për 1 ha, në kushte optimale - 500-600 kg për 1 ha. Ky grumbullim i biomasës korrespondon me rendimentet e grurit prej 45-50 c/ha për grurin, 70-80 c/ha kokërr dhe 450-1000 c/ha masë e gjelbër për misrin. Produktiviteti neto i fotosintezës varet gjithashtu nga tejkalimi i intensitetit të fotosintezës mbi intensitetin e frymëmarrjes. Sa më i madh ndryshimi, aq më i lartë është produktiviteti neto fotosintetik. Ky tregues është i ndryshëm në bimët që ndryshojnë në llojin e metabolizmit të karbonit: në bimët C 3 është 2 g/dm 2 ditë, në bimët C 4 është
4–5, për bimët CAM – 0,015–0,018 g/dm 2 ditë. Produktiviteti neto i bimëve përcaktohet duke ndarë fitimin e biomasës së një kulture për një periudhë të caktuar kohore me sipërfaqen mesatare të gjetheve.

Rritja e biomasës dhe rendimentit varet nga raporti i sipërfaqes së gjetheve me sipërfaqen e zënë nga vetë kultura (indeksi i gjetheve).

Për të karakterizuar zhvillimin e aparatit fotosintetik në
në të lashtat rekomandohet të përcaktohet "indeksi i klorofilit"
(g klorofil/m2; kg klorofil/ha kultura). Një tregues i rëndësishëm është sasia e fotosintezës ditore - sasia e CO 2 e asimiluar nga 1 m 2 gjethe në ditë (g CO 2 / m 2 d). Treguesit thelbësorë që karakterizojnë punën e bimëve në kulturat bujqësore janë koeficienti i efikasitetit energjetik të procesit, fotosinteza (Eco 2) dhe efikasiteti energjetik i formimit të të korrave (Eur.). Eso 2 është raporti i sasisë së CO 2 të përthithur nga një njësi e sipërfaqes së kulturës me sasinë e rrezatimit diellor që bie mbi të (PAR total). euro. – raporti i sasisë së energjisë kimike të akumuluar në të korrat totale biologjike (ose ekonomike) me sasinë e rrezatimit diellor që bie mbi të korrat.

Ka korrje biologjike (Ubiol.) dhe ekonomike (Ukhoz.). Rendimenti biologjik përfshin peshën e masës totale të thatë të formuar për hektar kulture gjatë sezonit të rritjes:
Ubiol. =  (С 1 , С 2 , …, n), 14
ku C është rritja ditore e rendimentit për 1 hektar, e llogaritur duke marrë parasysh një sërë treguesish:

kg/ha në ditë. 15
Fso 2 - sasia e CO 2 e përthithur gjatë ditës (g/m 2); Cef. – koeficienti i efikasitetit të fotosintezës. Tregon sasinë e biomasës së thatë të formuar nga një bimë gjatë ditës kur thith 1 kg CO 2 (vlera e saj është mesatarisht 0,3–0,5). L - zona e gjetheve. Duke marrë parasysh këta tregues, rendimenti biologjik mund të shprehet me ekuacionin e mëposhtëm:

c/ha 16
Madhësia e të korrave biologjike përcakton edhe nivelin e të korrave ekonomike (për shembull, të korrat e grurit), pasi të korrat ekonomike janë pjesë e të korrave biologjike, në varësi të vlerës së koeficientit ekonomik (Kkhoz.): Ubiol.·· Kkhoz.

Khoz. paraqet raportin e masës së substancave të përdorura për të formuar pjesën ekonomike të kulturës me masën totale të kulturës biologjike (Ukhoz./Ubiol.). Në këtë drejtim, të korrat ekonomike mund të karakterizohen duke marrë parasysh treguesit e mëposhtëm:

c/ha 17
Për rrjedhojë, rendimenti përcaktohet nga zhvillimi i sipërfaqes së gjetheve, kohëzgjatja e punës së tyre gjatë sezonit të rritjes, intensiteti i fotosintezës dhe rritja e masës së thatë gjatë ditës. Duhet të ketë një raport optimal të këtyre treguesve, i cili mund të arrihet me një strukturë të caktuar kulture. Këshillohet një rritje e gjetheve (sipërfaqja e tyre) deri në një kufi të caktuar - 30–40 mijë m 2 /ha). Një rritje e mëtejshme e sipërfaqes asimiluese shkakton hijezim të ndërsjellë të gjetheve. Kjo përkeqëson kushtet e dritës, gjë që çon në një ulje të produktivitetit të fotosintezës për njësi sipërfaqe. Në këtë drejtim, detyra e mbarështimit modern është krijimi i llojeve të bimëve me vlerë ekonomike që do të kishin një sipërfaqe të konsiderueshme asimilimi dhe do të ishin në gjendje të përdorin në mënyrë efektive energjinë e dritës me aktivitet të lartë të aparatit fotosintetik. Vitet e fundit janë krijuar varietete drithërash me rendiment të lartë të të ashtuquajturit tip intensiv. Kjo ngriti çështjen e bazës fiziologjike të produktivitetit të lartë të bimëve. Varietetet e tipit intensiv dallohen nga vlerat e larta të Khoz., duke siguruar rendimentin deri në 40% të masës totale organike në kokërr (për ato me rendiment të ulët: - 25%). Faktorët që ndikojnë në rendimentin biologjik ndikojnë gjithashtu në rendimentin ekonomik, duke përfshirë intensitetin e fotosintezës.

Për të rritur produktivitetin e bimëve është e rëndësishme njohja e mekanizmave të vetë procesit të fotosintezës, e cila është baza për zhvillimin e teorisë së procesit të prodhimit dhe zhvillimin e sistemeve për optimizimin e tij. Kërkimi fiziologjik duhet të integrojë këtë njohuri dhe të përcaktojë modelet e formimit dhe funksionimit të sistemeve fotosintetike, duke marrë parasysh vetërregullimin, përshtatjen dhe vetë-akordimin për të arritur produktivitetin më të lartë të bimëve. Bimët mund të ofrojnë produkte dukshëm më të dobishme sesa ofrojnë aktualisht, si në natyrë ashtu edhe në bujqësinë e fushave të kultivuara dhe në sisteme të veçanta bioinxhinierike.

Nëse gjethet e sipërme janë të vendosura kryesisht vertikalisht, atëherë rrezet e diellit direkte do të rrëshqasin mbi to, prandaj, ndriçimi i tyre do të reduktohet disi dhe do të korrespondojë me ato vlera për të cilat efikasiteti i fotosintezës është mjaft i lartë. Në të njëjtën kohë, gjethe të tilla do ta transmetojnë dritën mjaft mirë në kulture, duke e "lënë" atë për gjethet e niveleve të mesme dhe të poshtme, por në një formë disi të dobësuar. Është e dobishme që gjethet e niveleve të mesme dhe të poshtme të kenë gradualisht një kënd prirjeje gjithnjë e më të madhe derisa gjethet e poshtme të jenë horizontale. Në raste të tilla, energjia e rrezatimit diellor për njësi të sipërfaqes së mbjelljes, nga njëra anë, do të absorbohet plotësisht nga kultura në tërësi dhe në të njëjtën kohë do të shpërndahet në një sipërfaqe të madhe gjethesh, d.m.th. ndriçojini ato me një intensitet pak të reduktuar.

Në këtë rast, çdo metër katror i sipërfaqes së gjethes do të funksionojë me një intensitet pak të reduktuar të fotosintezës, por me efikasitet të rritur, dhe një kulturë ideale me një sipërfaqe mjaftueshëm të madhe gjethesh do të jetë në gjendje të kryejë punën më të madhe totale fotosintetike, d.m.th. më së miri për të përdorur energjinë diellore që i atribuohet rrezatimit.

Për të theksuar rëndësinë e të korrave dhe cenozave si një sistem integral fotosintetik, me ndihmën e të cilit energjia hyrëse e rrezatimit diellor mund të përdoret me efikasitet të lartë, le të japim shembullin e mëposhtëm: imagjinoni që bimët kulture formojnë një shtresë të vazhdueshme horizontale. gjethet ngjitur me njëra-tjetrën (moneslayer). Sipërfaqja totale e tyre do të jetë 10,000 m2/ha (, 13).

Le të vlerësojmë vetitë e mbjelljes me një “njështrese” të tillë imagjinare dhe vetitë e një mbjelljeje të vërtetë, të pajisur mirë me lagështi dhe ushqim mineral, me një sipërfaqe gjethesh prej 50 mijë m2/ha.

Të dy kulturat do të thithin rreth 85% të energjisë së rrezatimit aktiv fotosintetik në hyrje. Në këtë aspekt ata do të jenë pothuajse të barabartë. Por në një mbjellje të vërtetë, kjo energji do të përthithet nga një sipërfaqe gjethesh 5 herë më e madhe se në një mbjellje imagjinare me një "një shtresë" gjethesh. Në rastin e fundit, varësia e fotosintezës së të korrave nga intensiteti i dritës praktikisht do të korrespondojë me kurbën e dritës së fotosintezës së një gjetheje individuale. Prandaj, për mbjelljen me një "njështrese" gjethesh, drita do të jetë e tepërt për pjesën më të madhe të ditës. Intensiteti i fotosintezës së këtyre kulturave gjatë orëve të ditës do të mbetet dukshëm pas rrjedhës së intensitetit të dritës. Në total, një mbjellje e tillë do të përdorë energjinë e absorbuar të dritës me një efikasitet relativisht të ulët

Sa i përket mbjelljes reale, e njëjta sasi e energjisë së absorbuar do të shpërndahet në një sipërfaqe më të madhe gjethesh. Në këtë rast, çdo metër katror i gjetheve do të ndriçohet mesatarisht me më pak intensitet se gjethet e "njështresës". Prandaj, për mbjelljen aktuale, edhe rrezet e diellit direkte në mesditë nuk do të jenë aq të tepërta sa për mbjelljen me një "njështrese", dhe mbjellja reale do t'i përgjigjet pozitivisht edhe dritës me intensitet më të lartë. Në këtë rast, kurba e dritës së të korrave aktuale në tërësi do të jetë shumë më e favorshme sesa kurba e dritës e një gjetheje ose "njështreseje" individuale. Kjo konfirmon që gjatë ditës, fotosinteza e një kulture të vërtetë në praktikë (sigurisht, nëse është e furnizuar dhe e strukturuar mirë) mund të ndjekë mjaft mirë rrjedhën e intensiteteve të rrezatimit, duke e përdorur atë gjatë gjithë kohës me një efikasitet më të lartë se një kulture model imagjinar. me "njështrese" gjethesh.

Në përpjekje për të rritur shkallën e përdorimit të energjisë së rrezatimit diellor në procesin e fotosintezës së të korrave, duhet të përpiqemi të zgjidhim dy probleme kryesore:

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).

2. Krijoni kultura që do të përdornin dritë me intensitet të ulët dhe të lartë me efikasitet të lartë, domethënë do të kishin, në përgjithësi, kthesa të fotosintezës së lehtë që ngrihen më shumë dhe kanë një nivel të lartë pllaja.

Një kulture e mbyllur e plotë me kthesa të mira të dritës mund të përdorë energjinë e rrezatimit të përthithur në ditë për fotosintezë me një efikasitet deri në 15%, dhe energjia hyrëse (që do të thotë thithja e saj në masën 85%) është rreth 12-13%. . Ky është një efikasitet i mirë në përdorimin e energjisë së rrezatimit diellor.

Këtu përshkruajmë efikasitetin e mundshëm të punës fotosintetike të kulturave në gjendjen më të mirë, pra në ato kur kanë sipërfaqe të madhe gjethesh dhe strukturë të mirë. Në fakt, në këtë gjendje, edhe kulturat më të mira janë vetëm një pjesë e Barrës së periudhës totale të rritjes. Një pjesë e konsiderueshme e kohës shpenzohet për daljen e fidanëve, në fazat e para të zhvillimit të tyre. Në këtë kohë, tribunat e barit nuk janë mbyllur ende dhe një pjesë e konsiderueshme e energjisë së rrezatimit diellor bie në tokë, duke u humbur në mënyrë të pakthyeshme për fotosintezën.

Pas një periudhe të gjendjes optimale, fillon periudha e maturimit të bimës. Gjethet humbasin aktivitetin fotosintetik. Formimi i pjesës ekonomike të kulturës ndodh jo aq shumë përmes fotosintezës, por përmes lëvizjes së substancave plastike të grumbulluara më parë nga gjethet dhe kërcelli në organet riprodhuese dhe depozituese: drithërat, zhardhokët, kulturat rrënjësore, etj.

Në fund, gjatë zhvillimit të saj, kultura përdor energjinë e rrezatimit diellor për fotosintezë me një efikasitet më të ulët se sa tregohet më sipër. Për më tepër, në raste të ndryshme dhe në kultura të ndryshme, treguesit total të efikasitetit përfundimtar mund të ndryshojnë shumë. E gjithë kjo duhet të merret parasysh. Por edhe me të gjitha vështirësitë, ka shumë mënyra për të drejtuar përparimin e formimit të të korrave në rrugët më të mira dhe për të arritur efikasitet të lartë në përdorimin e tyre të energjisë për fotosintezë.

Për të arritur me sukses rezultatet e dëshiruara, duhet të keni një kuptim të plotë të marrëdhënieve dhe parakushteve që qëndrojnë në themel të formimit të sistemeve fotosintetike të afta për të kryer fotosintezën me efikasitetin më të lartë.

Këto parakushte dhe parime mund të përshkruhen më qartë duke përdorur shembullin e veprimit të sistemeve fotosintetike në formën e pezullimeve të algave njëqelizore.

EFIÇENCA E FOTOSINTEZËS

EFIKATËSIA E FOTOSINTEZËS 1) përqindja e energjisë së dritës të asimiluar nga bimët; llogaritja bazohet ose në prodhimin neto (efikasiteti neto fotosintetik) ose në prodhimin total (efikasiteti total fotosintetik); 2) shkalla e formimit të prodhimit primar në formacionet bimore në kushte natyrore. Shprehur si përqindje e rrezatimit të dukshëm të rënë që shndërrohet në dalje neto gjatë fotosintezës aktive. Nëse ka ujë dhe lëndë ushqyese të mjaftueshme dhe asgjë nuk e kufizon prodhimin e bimëve, atëherë efikasiteti maksimal i fotosintezës është 1-2% e energjisë së disponueshme të dritës (në varietetet shumë produktive të drithërave, kallam sheqeri, etj.). Shiko gjithashtu Efikasiteti i asimilimit.

Fjalor enciklopedik ekologjik. - Kishinau: Redaksia kryesore e Enciklopedisë Sovjetike Moldaviane. I.I. Dedu. 1989.

• EFIÇENCA E TRANSPIRIMIT
• EFEKTIVITETI I PREDATTORËVE

Shihni se çfarë është "EFIKASITË E FOTOSINTEZËS" në fjalorë të tjerë:

EFIKATËSIA E ASIMILIMIT- përqindja e energjisë së konsumuar nga trupi në krahasim me energjinë e përthithur (shprehur në përqindje); raporti i sasisë së ushqimit të asimiluar me sasinë e ushqimit të gëlltitur. Efikasiteti i asimilimit të energjisë diellore nga bimët e gjelbra... ... Fjalor ekologjik

RAPORTI I EFIÇENCËS SË FOTOSINTEZËS- efikasitetin e përdorimit të dioksidit të karbonit të përthithur gjatë fotosintezës për të ndërtuar biomasë bimore. Ndryshon gjatë sezonit të rritjes së bimëve: në bimët e reja është 0,36 0,39, dhe deri në fund të sezonit të rritjes rritet në 1,01 1,02 ... Fjalor i termave botanikë

DIOKSID KARBONI- dioksidi i karbonit, anhidridi karbonik, CO2, një komponent i domosdoshëm për ndërtimin e organike. në procesin e fotosintezës. Formuar gjatë frymëmarrjes së njerëzve dhe grave, oksidimi i lëndës organike. në organizma, djegie, kalbje, gjeologjike të caktuara... ...

- (nga greqishtja chlorós green dhe plastós formed, formed) organele ndërqelizore të një qelize bimore Plastide në të cilat ndodh fotosinteza. Ato kanë ngjyrë të gjelbër për shkak të pranisë së pigmentit kryesor të fotosintezës... Enciklopedia e Madhe Sovjetike

Këtij artikulli i mungon një hyrje. Ju lutemi shtoni një pjesë hyrëse që prezanton shkurtimisht temën... Wikipedia

Përmbajtja 1 Prodhimi mikrobiologjik i hidrogjenit 2 Biofotoliza e ujit 2.1 Os ... Wikipedia

dioksid karboni- dioksidi i karbonit, dioksidi i karbonit, anhidridi karbonik, CO2, një komponent i domosdoshëm për ndërtimin e lëndës organike në bimë gjatë procesit të fotosintezës. Formohet gjatë frymëmarrjes së njerëzve dhe kafshëve, oksidimit të lëndës organike në organizma,... ... Bujqësia. Fjalor i madh enciklopedik

- (Chlorella), një gjini e algave klorokokale. Qelizat janë të vetme, sferike, dia. deri në 15 mikron, me një guaskë të lëmuar dhe kloroplast të murit. Gjatë riprodhimit, në qeliza formohen 4 8 (16) autospore. NE RREGULL. 20 lloje, në BRSS përafërsisht. 10 lloje. Rritet në ujë të freskët... Fjalor enciklopedik biologjik

Likenet përmbajnë shumë elementë dhe substanca. Të gjithë ata mund të ndahen në dy grupe të mëdha: parësore dhe dytësore. Substancat primare përfshijnë ato substanca që marrin pjesë drejtpërdrejt në metabolizmin qelizor; prej tyre… … Enciklopedi biologjike

INXHINIERI BUJQËSORE- teknologjia e rritjes së bimëve, sistemi i teknikave të falsifikimit f. X. kulturat Detyra e A. është të sigurojë produktivitet të lartë të kulturave të kultivuara me një minimum. kostot e punës dhe të parave për njësi të cilësisë së lartë. produkteve. Moderne A. synon gjithashtu ruajtjen... ... Fjalor Enciklopedik Bujqësor

libra

• Koleksioni i artë i këshillave Kopsht i zgjuar perimesh me Nikolai Kurdyumov grup prej 8 librash, Kurdyumov N.. E dini, unë jam pothuajse i bindur: GJITHÇKA është e hapur në shkencën tonë. Problemi është se jo gjithçka njihet dhe bëhet publike. Edhe para "perestrojkës", shkencëtari ukrainas Oleg Anatolyevich Voynov zbuloi dhe vërtetoi: nëse...
• Etiketimi molekular në mbarështimin e bimëve duke përdorur shembullin e orizit, Yu K. Goncharova. Libri paraqet rezultatet e hulumtimit mbi studimin e trashëgimisë dhe polimorfizmit të një numri tiparesh në mostrat e orizit, zhvillimin e metodave për fiksimin e komplekseve të gjeneve që përcaktojnë heterotikë...

Konsumimi i pakontrolluar i burimeve fosile e ka sjellë botën në pragun e një krize mjedisore dhe energjetike. Në një situatë të tillë, nevojitet një burim thelbësisht i ndryshëm energjie, i cili nga njëra anë do të përshtatej në botën tonë të naftës dhe nga ana tjetër do të ishte i rinovueshëm, miqësor ndaj mjedisit dhe ekonomikisht fitimprurës. Një zgjidhje e mundshme është fotosinteza artificiale (AP), falë së cilës tashmë janë shfaqur instalimet e bëra nga njeriu për sintezën e lëndës organike nga energjia elektrike dhe drita, si dhe bakteret fotosintetike të blinduara gjysmëpërçuese të mahnitshme.

Kriza globale e energjisë, ose pse nevojitet fotosinteza artificiale

Sot, popullsia tashmë e madhe e planetit po rritet me 1% në vit. Njerëzimi plotëson nevojat e tij për energji, të cilat po rriten çdo vit, kryesisht përmes burimeve fosile. Por nuk është më sekret që rezervat e naftës dhe qymyrit janë të kufizuara dhe në shumicën e rasteve të pa rinovueshme. Kur vëllimet e tyre të mos korrespondojnë më me ritmin global të zhvillimit (apo edhe të konsumohen), bota do të përballet me një krizë energjetike me përmasa të paprecedentë.

Tashmë ne mund të shohim luftën e ashpër që ka shpërthyer në skenën botërore për burimet e mëdha të lëndëve djegëse fosile. Në të ardhmen do të ketë gjithnjë e më pak karburant dhe konfliktet e interesit do të ndodhin gjithnjë e më shpesh.

Gjatë dy shekujve të fundit, njerëzimi është verbuar nga disponueshmëria e burimeve të energjisë fosile dhe ka zhvilluar shumë teknologji të bazuara në to, pa të cilat jeta sot është thjesht e paimagjinueshme. Fillimisht ishin lokomotivat e qymyrit dhe avullit, më pas njerëzit mësuan të merrnin energji elektrike duke djegur të njëjtin qymyr, të prodhonin soba me gaz, transport privat dhe publik - e gjithë kjo kërkon konsumimin e substancave organike të ruajtura miliona vjet më parë. Duke përdorur energjinë e këtyre substancave, njerëzimi ka bërë një hap në shumë fusha të jetës shoqërore: popullsia botërore ka kaluar 7 miliardë, qytete dhe shtete të lulëzuara janë shfaqur në shkretëtira, kapaciteti i prodhimit dhe nivelet e konsumit po rriten vit pas viti. Pa dyshim, bota moderne është e paimagjinueshme pa qymyrin, produktet e naftës dhe gazin.

Këtu hyn në lojë dilema e energjisë moderne: nga njëra anë, nevoja për të kaluar në burimet e rinovueshme të energjisë është absolutisht e dukshme, nga ana tjetër, bota nuk është e pajisur për të konsumuar një energji të tillë. Megjithatë, në dekadën e fundit, ka pasur zhvillim në rritje të një burimi energjie që mund të zgjidhte këtë dilemë. po flasim për fotosinteza artificiale (IF)- një mënyrë për të kthyer energjinë diellore në një formë të përshtatshme të karburantit organik.

Nuk duhet të harrojmë se djegia e karburantit çon në emetime masive të CO 2 në atmosferë, duke ndikuar negativisht në gjendjen e të gjithë biosferës. Në qytetet e mëdha, ky ndikim është veçanërisht i dukshëm: mijëra makina dhe ndërmarrje që pinë duhan krijojnë smog, dhe çdo banor i qytetit, duke dalë nga qyteti, para së gjithash admiron ajrin e pastër. Krijimi i një burimi energjie që, si bimët, do të thithë CO 2 dhe do të prodhojë O 2, mund të ndalojë degradimin e mjedisit të ecë me shpejtësi të plotë.

Kështu, IF është një zgjidhje e mundshme si për krizën globale të energjisë ashtu edhe për krizën mjedisore. Por si funksionon IF dhe si ndryshon nga natyralja?

papërsosmëria e gjelbërimit

Figura 2. Fotosinteza jociklike në bimë. Një elektron largohet nga klorofili i ngacmuar nga drita e fotosistemit II (PS-II), dhe "vrima" që rezulton mbushet nga elektronet e lëshuara gjatë ndarjes së ujit. Marrësi përfundimtar i elektroneve nuk është pigmenti i fotosistemit, si në bakteret e purpurta, por NADP +. Një tjetër ndryshim është se në bimë, dy fotosisteme (PS-I dhe PS-II) formojnë një mekanizëm të bashkuar, dhe një cikël i funksionimit të tij kërkon thithjen e dy fotoneve. Kompleksi b 6 f nuk është paraqitur në figurë.

Gradienti H+ që rezulton siguron energji për sintezën e ATP nga enzima ATP sintaza, e ngjashme me mënyrën se si uji në rënie siguron energji për një mulli uji (Figura 3). ATP është një bartës universal i energjisë kimike në qelizë dhe është i përfshirë në shumicën dërrmuese të reaksioneve që konsumojnë energji, duke përfshirë reaksionet e ciklit Calvin, të cilat sigurojnë shndërrimin e CO 2 në lëndë organike të reduktuar. Në këtë cikël, pjesa më e madhe e energjisë harxhohet për të luftuar kundër reaksioneve anësore. Ka mënyra të tjera të asimilimit të karbonit - për shembull, rruga Wood-Ljungdahl, për të cilën do të shkruhet më vonë.

Figura 3. Ruajtja e energjisë së dritës. Gjatë fotosintezës, proteinat e fotosistemit transferojnë protone nëpër membranë duke përdorur energjinë e fotonit. Enzima ATP sintaza rivendos gradientin e përqendrimit të H + dhe prodhon bartësin universal të energjisë në qelizë - ATP. Analogjia me një mulli uji rrotullues është në fakt shumë afër realitetit.

Edhe pse fotosinteza në fund i siguron të gjithë biosferës energji, efikasiteti i këtij procesi lë shumë për të dëshiruar (Tabela 1). Mbajtësi i rekordit për fotosintezën është melekuqe, e rritur për prodhimin e biokarburanteve, efikasiteti i të cilit në shndërrimin e energjisë diellore në energji kimike është 6.6%. Për krahasim: patatet, gruri dhe orizi kanë rreth 4%.

Në të njëjtën kohë, efikasiteti tipik për qelizat diellore moderne është 15-20%, dhe prototipet kanë arritur një vlerë prej 46%. Ky ndryshim në efikasitetin e fotocelave të prodhuara nga njeriu dhe bimëve të gjalla shpjegohet kryesisht nga mungesa e fazave të sintezës. Por ka një ndryshim më delikat: fotosistemet e bimëve nxjerrin energji vetëm nga fotonet e dritës së dukshme me gjatësi vale 400-700 nm, dhe prodhimi nga fotonet me energji të lartë është saktësisht i njëjtë si nga fotonet me energji të ulët. Gjysmëpërçuesit e përdorur në qelizat diellore kapin fotone nga një spektër më i gjerë. Dhe për të maksimizuar prodhimin, një bateri e vetme kombinon materiale të krijuara posaçërisht për pjesë të ndryshme të spektrit të dritës së diellit.

Qëllimi përfundimtar i inxhinierëve IF është të krijojnë një bimë (ose një organizëm artificial) që do të kryente fotosintezën më mirë se bimët. Sot, bioinxhinieria ka arritur një nivel ku është e mundur të përpiqesh ta bësh këtë. Dhe nga viti në vit, përpjekjet e shkencëtarëve po i afrohen gjithnjë e më shumë qëllimit të tyre të dashur, duke na bërë të mahnitemi me zbulime të jashtëzakonshme.

Një IF kaq e ndryshme

Skema më e thjeshtë IF është sintezë plotësisht abiotike e lëndës organike në një katalizator. Në vitin 2014, u zbulua një katalizator rutenium, i cili, kur ndriçohet, sintetizon metanin nga H 2 dhe CO 2. Në kushte optimale, të cilat përfshijnë ngrohjen deri në 150 ° C dhe ndriçim intensiv, një gram i këtij katalizatori krijon një milimol metan në orë, që, natyrisht, është shumë pak. Vetë shkencëtarët që studiojnë katalizatorin pranojnë se një shkallë e tillë reagimi, me një kosto mjaft të lartë të katalizatorit, është shumë e ulët për përdorimin e tij praktik.

Fotosinteza reale është një proces me shumë faza, në secilën fazë të të cilit ndodh humbja e energjisë. Kjo është pjesërisht e mirë, sepse hap shumë hapësirë ​​për optimizim. Në rastin e fotosintezës abiogjenike, gjithçka që mund të bëhet është të krijohet një katalizator thelbësisht i ri.

Një qasje krejtësisht e ndryshme ndaj IF - krijimi i bioreaktorëve të mundësuar nga energjia diellore. Në bioreaktorë të tillë, çuditërisht, ata përdorin Jo mikroorganizmat fotosintetikë që ende mund të rregullojnë CO 2 duke përdorur burime të tjera energjie.

Le të njihemi me disa lloje të modeleve të pajisjeve për IF duke përdorur shembuj specifikë.

Në vitin 2014 u publikuan rezultatet e testimit për një instalim që konverton rrymën në biomasë me një efikasitet rekord prej 13%. Për të marrë një reaktor IF, thjesht duhet të lidhni një panel diellor. Ky instalim është në thelb një qelizë elektrokimike (Fig. 4 A), ku dy elektroda vendosen në një mjedis ushqyes me baktere Ralstonia eutropha(ata janë - Cupriavidus necator). Kur aplikohet një rrymë e jashtme, katalizatori në anodë ndan ujin në oksigjen dhe protone, dhe katalizatori në katodë redukton protonet në gaz hidrogjen. R. eutrofa merr energji për asimilimin e CO 2 në ciklin Calvin për shkak të oksidimit të H 2 nga enzima hidrogjenazë.

Figura 4. Bioreaktorët për IF bazuar në qelizat elektrokimike. Rryma mund të gjenerohet nga fotoliza e ujit në anodë duke përdorur një qelizë diellore (A) ose pa të (b) . Në të dyja rastet, elektronet e marra nga uji u ofrojnë mikrobeve autotrofike ekuivalentët reduktues të nevojshëm për fiksimin e CO 2.

Sipas llogaritjeve të zhvilluesve, kombinimi i instalimit të tyre me një bateri tipike diellore (18% efikasitet) do të çojë në një efikasitet total të fotosintezës prej 2.5% nëse e gjithë energjia e dritës shndërrohet në rritje të biomasës dhe 0.7% nëse bakteret e modifikuara gjenetikisht që sintetizojnë butanol. përdoren. Ky rezultat është i krahasueshëm me efikasitetin e fotosintezës në bimët reale, megjithëse nuk arrin nivelin e bimëve të kultivuara. Aftësia R. eutrofa sintetizimi i organikëve në prani të H 2 është shumë interesant jo vetëm në kontekstin e IF, por edhe si një aplikim i mundshëm i energjisë së hidrogjenit.

Në vitin 2015, shkencëtarët nga Kalifornia krijuan një instalim po aq interesant, ku fazat e thithjes dhe sintezës së dritës janë më të lidhura ngushtë. Fotoanoda e reaktorit të ndërtuar, kur ndriçohet, ndan ujin në oksigjen, protone dhe elektrone, të cilat dërgohen përgjatë një përcjellësi në katodë (Fig. 4 b). Për të rritur shkallën e fotolizës së ujit që ndodh në ndërfaqe, fotoanoda është bërë nga nanotela silikoni, të cilat rrisin shumë sipërfaqen e saj.

Katoda e këtij instalimi përbëhet nga një "pyll" i nanodulave TiO 2 (Fig. 5 A), ndër të cilat rriten bakteret Sporomusa ovata. Elektronet nga fotoanoda shkojnë posaçërisht tek këto baktere, të cilat i përdorin ato si ekuivalente reduktuese për të kthyer CO 2 të tretur në mjedis në acetat.

Figura 5. Fotosinteza artificiale është e paimagjinueshme pa nanomateriale. A - Në reaktorin IF nga artikulli CO 2, regjistrohen bakteret që rriten në një “nanopyll” me shufra silikoni të veshura me TiO 2 (shtresa 30 nm); Ky nanopyll krijon kushtet anaerobe të nevojshme për bakteret dhe rrit densitetin sipërfaqësor të kontaktit midis baktereve dhe përcjellësit. b - Me një qasje thelbësisht të ndryshme, nuk janë bakteret që vendosen në gjysmëpërçues, por gjysmëpërçuesi që vendosen mbi bakteret; Falë guaskës CdS, bakteret që vdesin në dritë bëhen fotosintetike.

Nanopylli TiO 2 kryen disa funksione në të njëjtën kohë: siguron një densitet të lartë bakteresh në kontakt, mbron detyrimisht anaerobe S. ovata nga oksigjeni i tretur në mjedis dhe gjithashtu mund të shndërrojë dritën në energji elektrike, duke ndihmuar bakteret të rregullojnë CO 2.

S. ovata- baktere me një metabolizëm shumë fleksibël, i cili përshtatet lehtësisht me rritjen në të ashtuquajturën mënyrë elektrotrofike. Ata fiksojnë CO 2 përmes rrugës Wood-Ljungdahl, në të cilën vetëm 10% e acetatit përdoret për rritjen e biomasës, dhe 90% e mbetur lëshohet në mjedis.

Por acetati në vetvete nuk është veçanërisht i vlefshëm. Për ta kthyer atë në substanca më komplekse dhe më të shtrenjta, substancat e modifikuara gjenetikisht futen në reaktor. Escherichia coli, duke sintetizuar butanol, izoprenoide ose polihidroksibutirat nga acetati. Substanca e fundit E. coli prodhon me rendimentin më të lartë.

Sa i përket efikasitetit të të gjithë instalimit, ai është shumë i ulët. Vetëm 0.4% e energjisë diellore mund të shndërrohet në acetat, dhe shndërrimi i acetatit në polihidroksibutirat ndodh me një efikasitet prej 50%. Në total, vetëm 0.2% e energjisë së dritës mund të ruhet në formën e lëndës organike, e cila mund të përdoret më tej si lëndë djegëse ose lëndë e parë për prodhimin kimik. Zhvilluesit e konsiderojnë arritjen e tyre kryesore se instalimi që ata krijuan mund të përdoret për sinteza kimike krejtësisht të ndryshme pa ndryshime thelbësore në dizajn. Kjo tregon një analogji me fotosintezën natyrore, ku të gjitha llojet e substancave organike sintetizohen përfundimisht nga CO 2 3-fosfoglicerati i marrë përmes asimilimit.

Në të dyja teknologjitë e përshkruara, zhvilluesit u përpoqën të kombinonin përsosmërinë e gjysmëpërçuesve si absorbues të energjisë së dritës me fuqinë katalitike të sistemeve biologjike. Dhe të dy instalimet që rezultuan ishin qeliza karburanti "të kundërt", ku rryma përdoret për të sintetizuar substancat.

Në një qasje thelbësisht të ndryshme, qelizat individuale kombinohen me gjysmëpërçuesit në një tërësi të vetme. Kështu, në fillim të vitit 2016, u botua një vepër në të cilën bakteri acetogjen Moorella thermoacetica rritur në një mjedis të lartë në cisteinë dhe kadmium. Si rezultat, ai zakonisht vdes në dritë M. thermoacetica u mbulua me një guaskë CdS (gjysmëpërçues) dhe në këtë mënyrë jo vetëm që mori mbrojtje nga dielli, por gjithashtu u bë një fotosintetik: elektronet nga CdS hynë në rrugën Wood-Ljungdahl (Fig. 5 b).

Eksperimentet në një bakter të tillë "të blinduar" treguan se CO 2 fiksohet jo vetëm në dritë, por edhe në errësirë ​​(i nënshtrohet ciklit ditor). Arsyeja për këtë është akumulimi i metabolitëve fotosintetikë në dritë në sasi të tilla që qelizat nuk kanë kohë për t'i përpunuar ato. Avantazhi kryesor i baktereve të tilla në krahasim me qelizat e përshkruara më sipër është vetë-organizimi. Për qelizat, është e nevojshme të përgatiten paraprakisht nanomaterialet dhe katalizatorët, dhe vetë këto pjesë vetëm konsumohen me kalimin e kohës. Kur M. thermoacetica Njësitë fotosintetike ndajnë, prodhojnë dhe riparojnë vetë gjithçka që u nevojitet nëse ka mjaft kadmium dhe cisteinë në mjedis. Këto baktere ende nuk janë studiuar si burim karburanti, por për sa i përket rendimentit kuantik të fotosintezës ato nuk janë inferiore ndaj bimëve.

Jo shumë për të pritur ...

Teknologjitë IF janë ende në fazën e prototipit, por zhvilluesit e tyre shohin hapësirë ​​të madhe për optimizim. Ju mund të optimizoni gjysmëpërçuesit që kapin dritën, mikroorganizmat, organizimin hapësinor të baktereve dhe katalizatorët e tjerë. Por para së gjithash duhet zgjidhur problemi i stabilitetit. Efikasiteti i instalimeve të prodhuara bie ndjeshëm pas vetëm disa ditësh funksionimi. Një pajisje plotësisht e kompletuar për IF, si çdo sistem i gjallë, duhet të rigjenerohet dhe të riprodhohet vetë. Në këtë drejtim, është veçanërisht interesante M. thermoacetica, për të cilat zbatohen plotësisht këto veti.

Dhe megjithëse mostrat ekzistuese nuk janë aspak të përsosura, puna në fushën e FI është e vlefshme kryesisht sepse tregon mundësinë themelore të integrimit të energjisë diellore në një botë të kapur nga motori me djegie të brendshme. Turbinat me erë dhe panelet diellore, natyrisht, kanë efikasitet të lartë dhe tashmë pothuajse plotësisht mbulojnë konsumin e energjisë në Uruguaj dhe Danimarkë, dhe hidrocentralet janë nyje të rëndësishme në rrjetin energjetik të shumë vendeve. Por zëvendësimi i karburantit me energji elektrike në shumicën e rasteve kërkon një ristrukturim rrënjësor të rrjeteve të energjisë dhe nuk është gjithmonë i mundur.

Zhvillimi i mëtejshëm i fondit të investimeve kërkon investime masive. Mund të imagjinohet se kompanitë e prodhimit të qelizave diellore, të cilave futuristët u parashikojnë dominimin botëror në fushën e energjisë deri në vitin 2030, do të jenë të interesuara për zhvillimin e kësaj shkence ende të re dhe pa përvojë në kryqëzimin e bioenergjisë, shkencës së materialeve dhe nanoinxhinierisë. Kush e di, ndoshta IF nuk do të bëhet një dukuri e përditshme në të ardhmen, ose ndoshta puna në të do t'i japë shtysë energjisë së hidrogjenit ose biofotovoltaikëve. Nuk kemi shumë kohë për të pritur, presim dhe shohim.

Letërsia

1. Piramidat e Popullsisë së Botës nga 1950 deri në 2100. (2013). Piramida e Popullsisë.net;
2. Korzinov N. (2007).