Эффективность фотосинтеза

редактировать

Эффективность фотосинтеза - это доля световой энергии, преобразованная в химическую энергию во время фотосинтез зеленых растений и водорослей. Фотосинтез можно описать упрощенной химической реакцией

6 H 2 O + 6 CO 2 + энергия → C 6H12O6+ 6 O 2

, где C 6H12O6представляет собой глюкозу (которая впоследствии превращается в другие сахара, целлюлозу, лигнин и т. д.). Значение фотосинтетической эффективности зависит от того, как определяется энергия света - это зависит от того, учитываем ли мы только поглощенный свет, и от того, какой свет используется (см. Фотосинтетически активное излучение ). Для утилизации одной молекулы CO 2 требуется восемь (а возможно, десять или более) фотонов. свободная энергия Гиббса для преобразования одного моля CO 2 в глюкозу составляет 114 ккал, тогда как восемь молей фотонов с длиной волны 600 нм содержит 381 ккал, что дает номинальную эффективность 30%. Однако фотосинтез может происходить с использованием света с длиной волны до 720 нм, если также есть свет с длиной волны ниже 680 нм, чтобы поддерживать работу Фотосистемы II (см. Хлорофилл ). Использование более длинных волн означает, что меньше световой энергии требуется для того же количества фотонов и, следовательно, для того же количества фотосинтеза. Для реального солнечного света, когда только 45% света находится в фотосинтетически активном диапазоне длин волн, теоретическая максимальная эффективность преобразования солнечной энергии составляет примерно 11%. В действительности, однако, растения не поглощают весь поступающий солнечный свет (из-за отражения, требований к дыханию для фотосинтеза и необходимости оптимального уровня солнечной радиации) и не преобразуют всю собранную энергию в биомассу, что приводит к максимальная общая фотосинтетическая эффективность от 3 до 6% от общей солнечной радиации. Если фотосинтез неэффективен, необходимо рассеять избыточную световую энергию, чтобы не повредить фотосинтетический аппарат. Энергия может рассеиваться в виде тепла (нефотохимическое тушение ) или выделяться в виде флуоресценции хлорофилла.

Содержание

  • 1 Типичная эффективность
    • 1.1 Растения
    • 1.2 Водоросли и другие одноклеточные организмов
  • 2 Эффективность различных биотопливных культур
  • 3 C3 в сравнении с C4 и CAM-растениями
  • 4 Исследования
    • 4.1 Фотодыхание
    • 4.2 Биогенез хлоропластов
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки

Типичная эффективность

Растения

Расчетные значения эффективности солнечного света по отношению к биомассе

ЗаводЭффективность
Растения, типичные>0,1%.

0,2–2%. <1%.

Типичные культуры растения1–2%
растения C3, пик3,5%
Растения C4, пик4,3%

Ниже приводится разбивка энергетики процесса фотосинтеза из фотосинтеза Холла и Рао:

Начиная с солнечного спектра, падающего на лист,.

  • 47% потерь из-за фотонов за пределами активного диапазона 400–700 нм (хлорофилл использует фотоны размером от 400 до 700 нм, извлекая энергию одной (700 нм фотонов от каждого из них).
  • 30% внутриполосных фотонов теряются из-за неполного поглощения или фотонов, поражающих компоненты, отличные от хлоропластов.
  • 24% поглощенной энергии фотонов теряется из-за разрушения коротковолновых фотонов до уровень энергии 700 нм.
  • 68% использованной энергии теряется при преобразовании в d- глюкозу.
  • 35–45% глюкозы потребляется листом в процессах темноты и фотодыхания

Другими словами:.

  • 100% солнечный свет → небиодоступные фотоны отходы составляют 47%, оставляя.
  • 53% (в диапазоне 400–700 нм) → 30% фотонов теряются из-за неполного поглощения, оставляя.
  • 37% (поглощенная энергия фотонов) → 24% теряется из-за деградации несоответствия длины волны до энергии 700 нм, оставляя.
  • 28,2% (энергия солнечного света, собираемая хлорофиллом) → 68% теряется при преобразовании АТФ и НАДФН в d-глюкоза, оставляя.
  • 9% (собранных в виде сахара) → 35–40% сахара рециркулируется / потребляется листьями в темноте и при фото-дыхании, оставляя.
  • 5,4% чистой эффективности листьев энси.

Многие растения теряют большую часть оставшейся энергии на растущих корнях. Большинство сельскохозяйственных культур хранят в продукте от ~ 0,25% до 0,5% солнечного света (кукурузные зерна, картофельный крахмал и т. Д.).

Фотосинтез увеличивается линейно с интенсивностью света при низкой интенсивности, но при более высокой интенсивности это уже не так (см. Кривая фотосинтеза-освещенности ). Выше примерно 10 000 люкс или ~ 100 Вт / квадратный метр скорость больше не увеличивается. Таким образом, большинство растений могут использовать только ~ 10% полной дневной интенсивности солнечного света. Это резко снижает среднюю достигнутую эффективность фотосинтеза на полях по сравнению с пиковыми лабораторными результатами. Однако настоящие растения (в отличие от лабораторных образцов) имеют множество повторяющихся случайно ориентированных листьев. Это помогает поддерживать среднее освещение каждого листа значительно ниже дневного пика, позволяя растению достигать результата, близкого к ожидаемым результатам лабораторных испытаний, используя ограниченное освещение.

Только если интенсивность света выше определенного для растения значения, называемого точкой компенсации, растение ассимилирует больше углерода и выделяет больше кислорода в процессе фотосинтеза, чем потребляет клеточное дыхание для собственного текущего потребления энергии.. Системы измерения фотосинтеза не предназначены для прямого измерения количества света, поглощаемого листом. Тем не менее, кривые светового отклика, которые производит этот класс, действительно позволяют сравнивать фотосинтетическую эффективность между растениями.

Водоросли и другие одноклеточные организмы

Из исследования Мэрилендского университета, проведенного в 2010 году, фотосинтезирующие цианобактерии оказались важным видом в глобальный углеродный цикл, на который приходится 20–30% фотосинтетической продуктивности Земли, и преобразование солнечной энергии в запасенную биомассой химическую энергию со скоростью ~ 450 ТВт. Некоторые пигменты, такие как B-фикоэритрин, которые в основном содержатся в красных водорослях и цианобактериях, имеют гораздо более высокую светособирающую способность по сравнению с другими растениями (эффективность 98% для пигментов из красных водорослей по сравнению с 12% в растения). Это делает их привлекательными кандидатами для применения биомимикрии технологии для улучшения конструкции солнечных панелей.

Эффективность различных культур для биотоплива

Популярный выбор растений биотоплива включают: пальмовое масло, соевые бобы, касторовое масло, подсолнечное масло, сафлоровое масло, этанол из кукурузы и этанол из сахарного тростника.

Анализ предложенной гавайской плантации масличных пальм показал, что она дает 600 галлонов биодизеля с акра в год. Это составляет 2835 Вт на акр или 0,7 Вт / м. Типичная инсоляция на Гавайях составляет около 5,5 кВт · ч / (м день) или 230 Вт / м. Для этой конкретной плантации масличных пальм, если бы она доставляла заявленные 600 галлонов биодизеля на акр в год, это было бы преобразованием 0,3% падающей солнечной энергии в химическое топливо. Полная фотосинтетическая эффективность будет включать не только биодизельное масло, поэтому это значение в 0,3% является чем-то вроде нижней границы.

Сравните это с типичной фотоэлектрической установкой, которая в течение года производит в среднем примерно 22 Вт / м (примерно 10% средней инсоляции). Кроме того, фотоэлектрические панели будут производить электричество, которое является высококачественной формой энергии, тогда как преобразование биодизельного топлива в механическую энергию влечет за собой потерю большой части энергии. С другой стороны, жидкое топливо гораздо удобнее для автомобиля, чем электричество, которое приходится хранить в тяжелых, дорогих аккумуляторах.

Большинство сельскохозяйственных культур накапливают от ~ 0,25% до 0,5% солнечного света в продукте (кукурузные зерна, картофель крахмал и т. Д.), Сахарный тростник является исключительным по нескольким причинам, обеспечивая максимальное хранение КПД составляет ~ 8%.

Топливо этанол в Бразилии имеет расчет, который приводит к следующему: «На гектар в год произведенная биомасса соответствует 0,27 ТДж. Это эквивалентно 0,86 Вт / м. При условии средней инсоляции. 225 Вт / м3, фотосинтетическая эффективность сахарного тростника составляет 0,38% ». Сахароза составляет немногим более 30% химической энергии, хранящейся в зрелом растении; 35% находится в листьях и кончиках стебля, которые остаются на полях во время сбора урожая, а 35% - в волокнистом материале (жмых ), оставшемся от прессования.

C3 в сравнении с C4 и CAM-растениями

C3-растения используют цикл Кальвина для фиксации углерода. C4-растения используют модифицированный цикл Кальвина, в котором они отделяют рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазу оксигеназу (RuBisCO) от атмосферного кислорода, фиксируя углерод в своем мезофилле клетки и использование оксалоацетата и малата для переноса фиксированного углерода на RuBisCO и остальные ферменты цикла Кальвина, выделенные в клетках связки-оболочки. Оба промежуточных соединения содержат четыре атома углерода, что дает C4. В метаболизме крассулоидной кислоты (CAM) время изолирует функционирование RuBisCO (и других ферментов цикла Кальвина) от высоких концентраций кислорода, производимых фотосинтезом, в этом O 2 в течение дня выделяется и затем растворяется, в то время как ночью атмосферный CO 2 поглощается и хранится в виде яблочной или других кислот. В течение дня растения CAM закрывают устьица и используют накопленные кислоты в качестве источников углерода для производства сахара и т. Д.

Путь C3 требует 18 АТФ и 12 НАДФН для синтеза одной молекулы глюкозы (3 АТФ + 2 НАДФН на фиксированный СО2), в то время как путь С4 требует 30 АТФ и 12 НАДФН (С3 + 12 АТФ на СО2. фиксированный). Кроме того, мы можем принять во внимание, что каждый НАДФН эквивалентен 3 АТФ, это означает, что оба пути требуют 36 дополнительных (эквивалентов) АТФ [требуется более точная ссылка]. Несмотря на эту пониженную эффективность АТФ, C4 - это эволюционное усовершенствование, адаптированное для областей с высоким уровнем света, где снижение эффективности АТФ более чем компенсируется использованием увеличенного света. Способность процветать, несмотря на ограниченную доступность воды, максимизирует возможность использования доступного света. Более простой цикл C3, который работает на большинстве растений, адаптирован к более влажным и темным условиям, например, во многих северных широтах. Кукуруза, сахарный тростник и сорго относятся к растениям C4. Эти растения экономически важны отчасти из-за их относительно высокой фотосинтетической эффективности по сравнению со многими другими культурами. Ананас - растение САМ.

Исследования

Фотодыхание

Одной из тем исследований, ориентированных на эффективность, является повышение эффективности фотодыхания. Примерно в 25% случаев RuBisCO неправильно собирает молекулы кислорода вместо CO. 2, создавая CO. 2и аммиак, которые нарушают процесс фотосинтеза. Растения удаляют эти побочные продукты посредством фотодыхания, требуя энергии и питательных веществ, которые в противном случае увеличили бы фотосинтез. У растений С3 на фотодыхание может потребляться 20-50% фотосинтетической энергии. Исследования сократили фотосинтетические пути в табаке. Искусственные культуры росли выше и быстрее, давая до 40 процентов больше биомассы. В исследовании использовалась синтетическая биология для построения новых метаболических путей и оценивалась их эффективность с транспортером РНКи и без него. Наиболее эффективный путь увеличил эффективность использования света на 17%.

Биогенез хлоропластов

Проводятся исследования RCB и NCP, двух некаталитических тиоредоксиноподобных белков, которые активируют транскрипцию хлоропластов. Знание точного механизма может быть полезно для увеличения фотосинтеза (например, посредством генетической модификации).

См. Также

Источники

Последняя правка сделана 2021-06-02 04:15:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте