Eficiența fotosintezei este proporția de energie luminoasă transformată de organisme în energie chimică în timpul fotosintezei . Fotosinteza poate fi simplificată în termenii unei reacții chimice.
6H 2 O + 6CO 2 + energie → C 6 H 12 O 6 + 6O 2unde C6H12O6 este glucoză ( care se va transforma ulterior în alte zaharuri , celuloză , lignină și așa mai departe). Valoarea productivității fotosintetice depinde de ceea ce se înțelege prin energie luminoasă, adică dacă toată lumina absorbită este luată în considerare și ce fel de lumină este aceasta (vezi radiația activă fotosintetic ). Este nevoie de opt (poate 10 sau mai mulți [1] ) fotoni pentru a captura o moleculă de CO 2 . Energia Gibbs de conversie a unui mol de CO 2 în glucoză este de 114 kcal , în timp ce opt moli de fotoni cu o lungime de undă de 600 nm conțin 381 kcal, dând o eficiență nominală de 30% [2] . Cu toate acestea, numai lumina în intervalul de la 400 la 720 nm poate fi utilizată eficient în fotosinteză. În lumina reală a soarelui, 45% din radiație cade în această regiune, astfel încât eficiența maximă teoretică de conversie a energiei solare este de aproximativ 11%. Cu toate acestea, în realitate, plantele nu absorb toată lumina solară incidentă (datorită reflexiei, respirației și necesității unui nivel optim de radiație solară) și nu convertesc toată energia pe care o colectează în biomasă , ceea ce duce la 3 până la 6% din radiația solară totală în productivitatea fotosintetică totală [1 ] . Dacă fotosinteza este ineficientă, atunci este necesar să scapi de excesul de energie pentru a evita deteriorarea aparatului fotosintetic. De obicei, o astfel de energie este disipată sub formă de căldură ( stingere non-fotochimică ) sau emisă ca fluorescență a clorofilei .
Mai jos este eficiența conversiei energiei luminii solare în biomasă:
| Plantă | Eficienţă |
|---|---|
| Plante, tipice | 0,1% [3] 0,2-2% [4] |
| Cultură tipică de plante | 1-2% [3] |
| Trestie de zahar | 7-8% (maximum) [3] [5] |
Mai jos este o analiză a energiei fotosintezei [6] :
Începând cu lumina soarelui care cade pe o frunză:
Cu alte cuvinte: 100% din lumina solară → radiația biodisponibilă (400-700 nm) este de 53%, iar 47% din radiația rămasă nu este folosită → 30% din fotoni se pierd din cauza absorbției incomplete a 37% (energie fotonică absorbită) → 24% se pierde în timpul transferului prin complexe de antene până la un nivel de energie de 700 nm, lăsând 28,2% din energia luminoasă colectată de clorofilă → 32% este transformată în ATP și NADPH și apoi în D-glucoză, lăsând 9% (zahăr) → 35-40% din zahăr se consumă frunze în procesul de respirație și fotorespirație, 5,4% din energie merge către creșterea netă a biomasei.
Multe plante folosesc cea mai mare parte a energiei rămase pentru a crește rădăcini. Majoritatea plantelor cultivate stochează de la ~0,25% până la 0,5% din energia luminii solare sub formă de biomasă (sâmburi de porumb, amidon de cartofi etc.). Singura excepție este trestia de zahăr, care poate stoca până la 8% din energia solară.
Intensitatea fotosintezei crește liniar odată cu creșterea intensității luminii, dar ajunge treptat la saturație. În funcție de cultură, când iluminarea este peste 10.000-40.000 de lux (este implicată lumina soarelui), creșterea fotosintezei se oprește. Astfel, majoritatea plantelor pot folosi doar ~10-20% din energia totală a razelor solare de la amiază [6] . Cu toate acestea, plantele sălbatice (spre deosebire de specimenele de laborator) au multe frunze redundante, orientate aleator. Acest lucru face posibilă menținerea expunerii medii la lumină a fiecărei frunze cu mult sub nivelul maxim de lumină la amiază, permițând plantei să atingă niveluri mai apropiate de rezultatele așteptate ale testelor de laborator în condiții de lumină relativ limitată.
Numai dacă intensitatea luminii este peste o anumită valoare, numită punct de compensare a luminii , planta absoarbe mai mult dioxid de carbon decât eliberează ca urmare a respirației celulare .
Sistemele de măsurare a fotosintezei nu sunt capabile să măsoare direct cantitatea de lumină absorbită de o frunză. Cu toate acestea, curbele de răspuns la lumină care pot fi măsurate și reprezentate fac posibilă compararea eficienței fotosintetice a diferitelor plante.
În 2010, un studiu efectuat la Universitatea din Maryland a arătat că cianobacteriile fotosintetice au o contribuție semnificativă la ciclul global al carbonului și efectuează aproximativ 20-30% din stocarea totală a energiei luminoase în energie de legătură chimică cu o intensitate de ~450. terawati [7] .
Cifre mondialeConform studiului menționat mai sus, productivitatea totală fotosintetică a pământului este de ~1500-2250 terawati sau 47,3-71 zetta jouli pe an. Având în vedere că puterea radiației solare care ajunge la suprafața Pământului este de 178.000 terawatt [7] , eficiența totală a fotosintezei pe planetă este între 0,84% și 1,26% (vezi și bilanțul termic al Pământului ).
Materiile prime tipice pentru producția de biocombustibili vegetali sunt uleiul de palmier , soia , uleiul de ricin, uleiul de floarea soarelui , uleiul de șofrănel , etanolul de porumb și etanolul din trestie de zahăr.
O analiză a plantațiilor de palmier de ulei din Hawaii a susținut că ar putea furniza o producție de 600 de galoane de biodiesel pe hectar pe an, adică 2835 wați pe acru sau 0,7 W/m 2 [8]. Nivelul obișnuit de iluminare în Hawaii este de 5,5 kWh / (m 2 zi) sau 230 de wați [9] . Pentru o anumită plantație de palmier de ulei, dacă produce de fapt 600 de galoane de biodiesel pe acru pe an, asta înseamnă că va converti 0,3% din energia solară incidentă în combustibil.
Comparați acest lucru cu o instalație fotovoltaică tipică [10] care produce aproximativ 22 W/m2 ( aproximativ 10% din insolația medie) pe parcursul unui an. În plus, panourile fotovoltaice produc energie electrică, care este o formă de energie foarte ordonată , iar conversia biodieselului în energie mecanică implică pierderea unei părți semnificative a energiei. Pe de altă parte, combustibilul lichid este mult mai convenabil pentru un vehicul decât electricitatea, care trebuie stocată în baterii grele și scumpe.
Plantele C3 folosesc ciclul Calvin pentru a fixa carbonul . La plantele C4 , acest ciclu este modificat în așa fel încât Rubisco este izolat de oxigenul atmosferic, iar fixarea carbonului în celulele mezofile trece prin oxalacetat și malat , care sunt apoi transportate la locul de localizare a Rubisco și a altor enzime ale ciclului Calvin. , izolat în celulele învelișului fasciculului conducător, unde este eliberarea de CO 2 . Spre deosebire de C4 , în plantele CAM , Rubisco ( și alte enzime ale ciclului Calvin) nu sunt izolate spațial, ci temporal de concentrația mare de oxigen eliberată în timpul fotosintezei, deoarece O2 este eliberat în timpul zilei, iar CO2 atmosferic este fixat noaptea și depozitat ca acid malic. În timpul zilei, plantele CAM își păstrează stomatele închise și folosesc acidul malic stocat noaptea ca sursă de carbon pentru sinteza zahărului.
Fotosinteza C3 necesită 18 ATP pentru sinteza unei molecule de glucoză, în timp ce calea C4 consumă 20 ATP pentru aceasta. În ciuda consumului mare de ATP , fotosinteza C4 este un mare avantaj evolutiv, deoarece permite adaptarea la zonele cu lumină ridicată, unde consumul crescut de ATP este mai mult decât compensat de intensitatea ridicată a luminii. Capacitatea de a prospera în ciuda disponibilității limitate a apei crește capacitatea de a folosi lumina disponibilă. Calea mai simplă de fotosinteză C3, care funcționează la majoritatea plantelor, este adaptată la condiții umede, cu lumină scăzută, cum ar fi cele găsite la latitudinile nordice. Porumbul , trestia de zahăr și sorgul sunt plante C4 . Aceste plante sunt importante din punct de vedere economic în parte datorită eficienței fotosintetice relativ ridicate în comparație cu multe alte culturi.