A fotoszintézis hatékonysága az élőlények által a fotoszintézis során kémiai energiává alakított fényenergia aránya . A fotoszintézis leegyszerűsíthető egy kémiai reakció szempontjából.
6H 2 O + 6CO 2 + energia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2ahol C 6 H 12 O 6 glükóz (amely később más cukrokká , cellulózzá , ligninné stb. alakul ). A fotoszintetikus termelékenység értéke attól függ, hogy mit értünk fényenergián, vagyis hogy figyelembe vesszük-e az összes elnyelt fényt, és milyen fényről van szó (lásd fotoszintetikusan aktív sugárzás ). Nyolc (talán 10 vagy több [1] ) foton szükséges egy CO 2 molekula befogásához . Egy mol CO 2 glükózzá alakításának Gibbs-energiája 114 kcal , míg nyolc mol 600 nm hullámhosszú foton 381 kcal-t tartalmaz, ami 30%-os névleges hatásfokkal [2] . A fotoszintézisben azonban csak a 400-720 nm tartományban lévő fény használható hatékonyan. Valódi napfényben a sugárzás 45%-a ebbe a tartományba esik, így a napenergia elméleti maximális átalakítási hatásfoka hozzávetőlegesen 11%. A valóságban azonban a növények nem nyelnek el minden beeső napfényt (a visszaverődés, a légzés és az optimális szintű napsugárzás szükségessége miatt), és nem alakítják át az összes összegyűjtött energiát biomasszává , ami a napsugárzás 3-6%-át eredményezi. teljes napsugárzás a teljes fotoszintetikus termelékenységben [1] . Ha a fotoszintézis nem hatékony, akkor meg kell szabadulni a felesleges energiától, hogy elkerüljük a fotoszintetikus berendezés károsodását. Az ilyen energia jellemzően hőként disszipálódik ( nem fotokémiai kioltás ), vagy klorofill-fluoreszcenciaként bocsátódik ki .
Az alábbiakban bemutatjuk a napfény energia biomasszává alakításának hatékonyságát:
| Növény | Hatékonyság |
|---|---|
| Tipikus növények | 0,1% [3] 0,2-2% [4] |
| Tipikus növénytermesztés _ | 1-2% [3] |
| Cukornád | 7-8% (maximum) [3] [5] |
Az alábbiakban a fotoszintézis energiájának elemzése található [6] :
A levélre eső napfénytől kezdve:
Más szóval: a napfény 100%-a → biológiailag hasznosítható sugárzás (400-700 nm) 53%, és a fennmaradó sugárzás 47%-a nem kerül felhasználásra → a fotonok 30%-a elvész a 37%-os hiányos abszorpció miatt (elnyelt fotonenergia) → 24%-a elvész az antennakomplexeken keresztül történő átvitel során 700 nm-es energiaszintig, így a klorofill által összegyűjtött fényenergia 28,2%-a marad → 32%-a ATP-vé és NADPH-vá, majd D-glükózzá alakul, így 9% marad (cukor) → A cukor 35-40%-át elfogyasztják a levelek a légzés és a fotolégzés folyamatában, az energia 5,4%-a a biomassza nettó növekedésére megy el.
Sok növény a maradék energiájának nagy részét a gyökerek növesztésére használja fel. A legtöbb kultúrnövény a napfény energiájának ~0,25-0,5%-át tárolja biomassza (kukoricaszem, burgonyakeményítő stb .) formájában. Az egyetlen kivétel a cukornád, amely a napenergia akár 8%-át is képes tárolni.
A fotoszintézis intenzitása a fényintenzitás növekedésével lineárisan növekszik, de fokozatosan eléri a telítettséget. A terméstől függően, ha a megvilágítás 10 000-40 000 lux felett van (napfényről van szó), a fotoszintézis növekedése leáll. Így a legtöbb növény a déli napfény teljes energiájának csak ~10-20%-át tudja felhasználni [6] . A vadon élő növényeknek azonban (a laboratóriumi példányokkal ellentétben) sok redundáns, véletlenszerűen orientált levele van. Ez lehetővé teszi, hogy az egyes levelek átlagos fényterhelése jóval a déli csúcsfényszint alatt maradjon, ami lehetővé teszi a növény számára, hogy viszonylag korlátozott fény mellett a várt laboratóriumi vizsgálati eredményekhez közelebb eső szinteket érjen el.
Csak ha a fény intenzitása egy bizonyos érték felett van, amit fénykompenzációs pontnak nevezünk , akkor a növény több szén-dioxidot nyel el, mint amennyit a sejtlégzés következtében felszabadít .
A fotoszintézis mérőrendszerei nem képesek közvetlenül mérni a levél által elnyelt fény mennyiségét. A mérhető és ábrázolható fényválasz görbék azonban lehetővé teszik a különböző növények fotoszintetikus hatékonyságának összehasonlítását.
2010-ben a Maryland Egyetemen végzett tanulmány kimutatta, hogy a fotoszintetikus cianobaktériumok jelentős mértékben hozzájárulnak a globális szénciklushoz , és a fényenergia teljes tárolásának körülbelül 20-30%-át kémiai kötésenergiává alakítják ki, körülbelül 450 intenzitással. terawatt [7] .
VilágfigurákA fent említett tanulmány szerint a Föld teljes fotoszintetikus termelékenysége ~1500-2250 terawatt vagy 47,3-71 zetta joule évente. Tekintettel arra, hogy a Föld felszínét elérő napsugárzás ereje 178 000 terawatt [7] , a bolygó fotoszintézisének általános hatásfoka 0,84% és 1,26% között van (lásd még a Föld hőmérlegét ).
A növényi bioüzemanyagok előállításának jellemző alapanyagai a pálmaolaj , a szójabab , a ricinusolaj , a napraforgóolaj , a pórsáfrányolaj , a kukorica-etanol és a cukornád-etanol.
A hawaii olajpálma ültetvények elemzése azt állította, hogy évente 600 gallon biodízelt termelhet hektáronként, ami 2835 watt hektáronként vagy 0,7 W/m 2 [8].. A szokásos megvilágítási szint Hawaiin 5,5 kWh / (m 2 nap) vagy 230 watt [9] . Egy adott olajpálma ültetvény esetében, ha ténylegesen 600 gallon biodízelt termel hektáronként évente, az azt jelenti, hogy a beeső napenergia 0,3%-át fogja üzemanyaggá alakítani.
Hasonlítsa össze ezt egy tipikus fotovoltaikus berendezéssel [10] , amely körülbelül 22 W/m2 -t ( az átlagos besugárzás körülbelül 10%-a) termel egy év alatt. Ezenkívül a fotovoltaikus panelek villamos energiát termelnek, amely az energia rendkívül rendezett formája , és a biodízel mechanikai energiává való átalakítása az energia jelentős részének elvesztésével jár. Másrészt a folyékony üzemanyag sokkal kényelmesebb egy jármű számára, mint az elektromosság, amelyet nehéz, drága akkumulátorokban kell tárolni.
A C3 -as üzemek a Calvin - ciklust használják a szén rögzítésére . A C 4 növényekben ez a ciklus úgy módosul, hogy a Rubisco izolálódik a légköri oxigéntől, és a szénkötés a mezofil sejtekben oxál -acetáton és maláton keresztül megy végbe , amelyek aztán a Rubisco és a Calvin-ciklus más enzimei lokalizációs helyére kerülnek. , a vezetőköteg hüvelyének sejtjeiben izolált, ahol a CO 2 felszabadulása . A C 4 -től eltérően a CAM növényekben a Rubisco (és más Calvin-ciklus enzimek) nem térben, hanem időben izolálódik a fotoszintézis során felszabaduló nagy oxigénkoncentrációtól, mivel nappal O 2 szabadul fel, a légköri CO 2 pedig éjszaka rögzítődik és almasavként tárolják. Napközben a CAM növények sztómáikat zárva tartják, és az éjszaka tárolt almasavat szénforrásként használják fel a cukorszintézishez.
A C 3 -fotoszintézis 18 ATP -t igényel egy glükózmolekula szintéziséhez, míg a C 4 -út ehhez 20 ATP-t. A magas ATP - fogyasztás ellenére a C 4 fotoszintézis nagy evolúciós előnyt jelent, mivel lehetővé teszi az alkalmazkodást a nagy fényű területekhez, ahol a megnövekedett ATP-fogyasztást bőven ellensúlyozza a nagy fényintenzitás. Az a képesség, hogy a korlátozott víz rendelkezésre állása ellenére is boldoguljon, növeli a rendelkezésre álló fény felhasználásának képességét. Az egyszerűbb C3 fotoszintézis útvonal, amely a legtöbb növényben működik, alkalmazkodik a nedves, gyenge fényviszonyokhoz, például az északi szélességi körökhöz. A kukorica , a cukornád és a cirok C4 -es növények. Ezek a növények részben azért is fontosak gazdaságilag, mert sok más növényhez képest viszonylag magas fotoszintetikus hatékonyságuk.