ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез — чрезвычайно сложный процесс, изучением которого занимаются такие области биологии, как физиология и биохимия. В этом параграфе мы сделаем неко­торую попытку взглянуть на зеленый лист растения как на систему с точки зрения инженера. Это, как нам кажется, несмотря на большую степень упрощения, позволит получить некоторую картину внутренних механизмов поведения растений.

Формально фотосинтез — это процесс, в котором углекислый газ и вода трансформируются в углеводы и кислород согласно уравнению

пС02 + пН20 -> (СН20)я + п02 . (6)

Это сложное явление нельзя свести к простой диссоциации углекислого газа d последующим присоединением высвободившегося углерода к молекуле воды, как это может показаться при анализе приведенного выше химического уравнения. С помощью радиоактивных изотопов было показано, что выделяющийся кисло­род образуется не из молекул С02, а из молекул воды. На рис. 11.8 схематически представлены элементы процесса фотосинтеза в зеленом листе. Фотохимические реакции протекают в органах, называемых хлоропластами. Они имеют проницае­мую стенку — верхний эпидермис, позволяющий свету проходить через нее. Вода и углекислый газ также должны быть доставлены в хлоропласты.

Как видно из рисунка, вода проходит к хлоропласту через поры, в то вре ля как углекислый газ проникает из атмосферы по канальцам, отверстия которых располагаются в нижнем эпидермисе. Такое отверстие называется устьицем (во множественном числе устьица — стомы или стоматы от греческого слова, оз­начающего «рот»). Оба слоя эпидермиса — верхний и нижний — покрыты вос­ковидным слоем, непроницаемым для воды. Поэтому потери, например, води могут происходить только через устьица.

Молекулы углекислого газа из атмосферы движутся к хлоропластам посред­ством диффузии. Этот диффузионный поток ф пропорционален разности кон­центраций в атмосфере ([С020 и в хлоропласте ([С02]с). Кроме того, он про­порционален так называемой устьичной проводимости V, которая имеет раз­мерность скорости:

ф = К([С02]в-[С0^]с). (7)

Стоком С02 являются, таким образом, реакции фотосинтеза в хлоропластах В устойчивом состоянии скорость поглощения углекислого газа в пересчете на

единицу площади зеленого листа равна входящему потоку этого газа. Она про­порциональна плотности светового потока Р (Вт/м2), концентрации диоксида углерода ([С02]с) (кмоль/м3) и скорости реакции г (м3/Дж). Таким образом,

ф = г[С02]сР. (8)

Тогда из формул (7) и (8) получаем

г [С021 Р

Ф = 1 , (9)

v 1+{r! V)P v ’

Здесь ф показывает количество С02 (кмоль), поглощаемых за секунду квадратным метром зеленых листьев. При низкой плотности светового потока, т. е. когла Р« V/r, поглощение углекислого газа пропорционально концентрации этого газа в атмосфере и плотности потока солнечной энергии:

ф = г[С02]о Р. (10)

Когда этот поток велик, т. е. при Р »V/r, поглощение углекислого газа оп­ределяется величиной

ф = Г[С02]о. (11)

Как видно, в этом случае величина ф не зависит от Р и пропорциональна [С02]0

Верхний

эпидермис

Хлоропласт

Рис. 11.8. Схема фотосинтезирующей единицы зеленого листа

Скорость реакции г — основополагающая характеристика процесса фотосин­теза и должна быть по идее одинаковой для всех известных современных рас­тений. Исследования, проведенные физиологами растений, подтверждают это предположение для обычной концентрации кислорода в атмосфере.

Значение г может быть определено путем измерения скорости поглощения С02 в зависимости от плотности потока солнечной энергии в области значении, для которой верно уравнение (10). В этом случае имеем

(12)

Из экспериментальных данных видно, что угол наклона кривой зависимости в от Р в диапазоне линейной зависимости (рис. 11.11) дает значение 178 • 1012 кмоль/Дж. Измерения проводились при нормальных условиях и концентрації'! диоксида углерода 330 ppm, т. е. парциальном давлении 330 мкатм. При нор­мальных условиях объем, занимаемый 1 кмолем идеального газа, равен:

RT 8314 298 Р Ї

поэтому 330 ррш соответствует

ЗЗГ) 10"®

[С02] = 24 45 = 13,5 К)6 км оль/м3. (14)

Таким образом,

г = ifi=13,2 10 м3/Дж (15)

и

13,2. .О^СРД,^ 178-l<ri;f 1 + 13,2-10 Р V 1 + 13,2-10 Д V

Последнее уравнение позволяет рассчитать скорость поглощения С02 в за­висимости от плотности потока солнечной радиации для любого растения при известном значении устьичной проводимости V. Предположив произвольно, что V = 0,004 м/с и не зависит от плотности потока солнечной энергии, получим результат, представленный на рис. 11.9.

На основе описанных представлений мы можем определить зависимость эф­фективности фотосинтеза от плотности солнечного потока. При этом продук­том фотосинтеза является энергия, запасенная в образуемой биомассе, — около 440 МДж на 1 кмоль углерода. Это значение превышает значение энтальпии образования углекислого газа (393,5 МДж/кмоль). Дополнительная энергия пос­тупает от водорода, который также присутствует в тканях растений.

Поглощение 1 кмоля С02 соответствует, таким образом, накоплению 440 МДл энергии, поэтому скорость этого накопления равна 440ф МВт/м2 и тогда эффек­тивность фотосинтеза равна

В таком случае максимально возможная эффективность фотосинтеза со­ставит:

4,4 ■ 108 • 178 ■ 10-12 = 0,078 . (18)

Для проверки правильности представленной упрощенной модели необходи­мо экспериментально измерить скорость поглощения углекислого газа в зави­симости от плотности потока солнечной энергии. В экспериментах, полученных для Atriplex rosea (обычная лебеда вида rosea) было показано, что хотя общий вид зависимости ф от Р совпадает с теоретическим, численные значения силь­но отличаются. Это можно объяснить тем, что нами весьма произвольно было выбрано значение V - 0,004 м/с и, кроме того, предполагалось, что величина V не зависит от Р. Численная обработка результатов экспериментов показывает, что Vможно аппроксимировать функцией вида V= 0,0395 expf-0,00664Р]. В этом случае соответствие между теоретическими и экспериментальными данными, по крайней мере в области низких значений плотности потока падающей солнечной радиации, становится более-менее приемлемым (рис. ] 1.10).

Механизм регулирования устьичной проводимости можно описать следую­щим образом. Края устьиц образованы специальными клетками, которые, будучи наполненными водой, приобретают тургор (раздуваются). При высыхании эти клетки становятся плоскими и закрывают входы. Возможно, что на размеры ус - тьичных щелей опосредованно влияет интенсивность падающего света, посколь-

ку в этом случае ускоряется высушивание поверхности листа. Поэтому вполне оправданным может быть предположение, согласно которому значение Vуменьша­ется с ростом светового потока Р. Тогда увеличение освещенности может вызвать падение устьичной проводимости и уменьшение эффективности фотосинтеза.

Вернемся к работам, относящимся к Atriplex rosea. Было установлено, что полученные результаты качественно могут быть отнесены также и к растениям другого вида — Atriplex triangularis.

Рис. 11.11 показывает, что фотосинтез при одинаковых условиях эксперимен­та {Т = 25 °С, [C02]Q = 300 ppm) в Atriplex rosea существенно более эффективен, чем в Atriplex triangularis. Заметим, что скорость поглощения углекислого газа для обоих растений достигала максимальных значений при плотности потока ради­ации значительно ниже 1000 Вт/м2, характерной для безоблачного полуденного неба. Ясно, что зеленые растения приспособились к некоторой средней величине радиации, падаюшей на поверхность листа, а не к максимальному ее значению, которое часто недостижимо, поскольку листья затеняют друг друга.

Для объяснения отличий, которые наблюдались в фотосинтезе двух видов Atriplex, необходимо привлечь дополнительную информацию о механизмах фо­тосинтеза. В большинстве растений фотосинтез протекает при участии двух пиг­ментов — хлорофилла а и хлорофилла Ь. Они обладают зеленой окраской, т. е. отражают зеленую часть солнечного спектра, которая поэтому не может исполь­зоваться растениями и, следовательно, теряется. В живых растениях процесс не является столь однозначным, однако ясно, что, поскольку листья имеют зеленый цвет, они также не способны эффективно использовать часть спектра и преоб­
разовывать значительную долю энергии солнечного излучения, относящуюся к зеленой части спектра. На рис. 11.12 представлены спектры поглощения для двух видов хлорофилла.

Во всех фотосинтезирующих растениях преобразование углекислого газа в углеводы происходит в соответствии с реакцией, названной циклом Кальви­на-Бенсона (Calvin-Benson). Механизм этой реакции включает в себя взаимодей­ствие С02 с пятиуглеродной молекулой сахара рибулозо-1,5-бифосфатом (RuDP) с образованием двух молекул трехуглеродного соединения — фосфоглицерино - вой кислоты (PGA). Последняя затем частично конвертируется до углеводов, частично - в RuDP, замыкая тем самым цикл.

Отличие в фотосинтезе Atriplex rosea и Atriplex triangularis кроется не в ос­новном цикле, а в том, каким образом С02 поступает в цикл. В случае Atriplex triangularis атмосферный углекислый газ поступает непосредственно в RuDP, в то время как в Atriplex rosea работает промежуточный вспомогательный «нака­чивающий» механизм, который доставляет углекислый газ к RuDP способом, напоминающим доставку молекул кислорода к животным клеткам посредством циркуляции крови (рис. 11.13).

«Гемоглобином» растений является РЕР (фосфоэнолпируват), который имеет большое сродство к С02. Конечные продукты реакции РЕР-С02 — это яблочная и аспарагиновая кислоты, каждая молекула которых содержит четыре атома уг­лерода. В присутствии ферментов обе кислоты высвобождают С02, поставляя его RuDP, а сами трансформируются вновь в РЕР, замыкая таким образом цикл.

Растения, которые используют РЕР и соответственно синтезируют 4-угле - родную кислоту в качестве первого продукта цепочки фотосинтеза, называются

С4-растениями; растения, у которых первый продукт фотосинтеза — 3-углерод - ная кислота, называются С3-растениями. В первом приближении практически все деревья и кустарники можно считать С3-растениями, а травы тропических саванн и осока являются С4-растениями.

Рис. 11.13. Различия между С3-и С4-растениями заключаются в том, что у послед них существует дополнительный механизм улавливания С02 из воздуха и доставки его в цикл Кальвина-Бенсона. Символами С' ,, С4 и т. д. обозна­чается число атомов углерода в молекуле

Углекислый газ гораздо более активно реагирует с РЕР, чем с RuDP. Кроме того, когда отношение С02/02 становится малым, совместное воздействие кис­лорода с RuDP ингибирует процесс фотосинтеза. Таким образом, при низких концентрациях С02 С3-растения прекращают фотосинтез, в то время как в С4- растениях этот процесс продолжается. Низкие концентрации С02 в хлоропластах возникают в том случае, когда в результате обезвоживания устьичная проводи­мость становится недостаточной. Это, с одной стороны, приводит к сохранению воды в клетках, поскольку испарение идет именно через устьица, но, с другой стороны, снижает поток углекислого газа. Тем не менее обменные процессы в растениях продолжаются даже при подавленном фотосинтезе. Так продолжается дыхание, расходование углеводов, выделение С02 — процесс, противоположным фотосинтезу, происходящий в любом растении в темноте. Он называется фото­дыханием и не происходит в С4-растениях. В результате С3-растения прекраща­ют фотосинтез при высоких интенсивностях солнечной радиации и становятся в этих условиях производителями С02.

На примере интересного эксперимента можно продемонстрировать разли­чия между С3- и С4-растениями: живые растения, относящиеся к обоим ви­дам, помещались под стеклянными колпаками и освещались. Оба растения процветали до тех пор, пока получали необходимое количество С02. Вскоре однако, углекислый газ под колпаками заканчивался и С3-растения перехо­

дили на фотодыхание, усыхая и выделяя С02, который С4-растения благопо­лучно использовали для собственного роста.

Когда обеспечение углекислым газом достаточно, С4-растения теряют свое преимущество, поскольку более не требуется механизм «накачки» при фотосин­тезе, когда потребляется дополнительная энергия. Рис. 11.14 показывает, что при высоких концентрациях С02 фотосинтез A. triangularis более эффективен, чем A. rosea.

Преимущество С4-растений над С3 максимально при высоких значениях солнечной радиации, высоких температурах и лимитированном обеспечении водой. Такие условия имеются в полузасушливых тропических регионах. На­пример, такое тропическое растение, как сахарный тростник, является именно С4-растением. Подобные организмы превосходят С3 также при малых кон­центрациях С02. Так, предполагается, что во время последнего ледникового максимума (примерно 20 ООО лет назад) парциальное давление С02 в атмос­фере снизилось до 190-200 мкатм и это вызвало замещение лесов травами во многих регионах.

Для водных растений проблема сохранения водного запаса, конечно, не стоит, и можно предположить, что их устьииа не имеют регулирующих кла­панов; оторванные листья водных растений быстро вянут. В таких растениях устьичная проводимость не зависит от освещенности и скорость поглощения ими С02 не уменьшается при росте потока солнечной радиации.

Таким образом, сосудистые водные растения потенциально более эффектив­но производят биомассу, чем наземные растения. Это подтверждается высокой продуктивностью водяного гиацинта Eichhomia crassipes.

ЗАДАЧИ

11.1. Лист зеленого растения в атмосфере, содержащей 330 ppm С02при плот­ности падающей солнечной радиации 50 Вт/м2, поглощает 0,05 мкмоля С02 за минуту в расчете на 1 см2 поверхности листа. Когда плотность потока солнечной радиации повышается до 600 Вт/м2, поглощение увеличивается до 0,36 мкмоль С02 за минуту на 1 см2. Предполагается, что в данном диапазоне размеры от­верстий устьиц не изменяются.

Каково ожидаемое поглощение С02при плотности потока солнечной энергии 100 Вт/м2 в той же атмосфере и при той же температуре? При потоке 1000 Вт/м2? Измерения показывают, что поглощение углекислого газа при 1000 Вт/м2 со­ставляет только 0,40 мкмоль/мин ■ см2. Это может быть результатом частичного закрытия устьиц. Каково отношение плошали отверстий устьиц при 1000 Вт/м: и при 100 Вт/м2?

Каково ожидаемое поглощение С02 при плотности радиации 100 Вт/м2 и сред­нем содержании углекислого газа в атмосфере 400 ppm?

11.2. Автомобиль может быть заправлен диссоциируемым спиртом. Энергия, не­обходимая для проведения диссоциации, может быть получена за счет теплової энергии выхлопа автомобиля. В присутствии катализатора процесс протекает успешно и быстро при температуре около 350 °С.

Рассмотрим жидкий метанол, который каталитически конвертирован в водород и монооксид углерода. Сравните наименьшую теплоту сгорания метанола с наименьшей теплотой сгорания этих продуктов. Будет ли получен какой-либо выигрыш от диссоциации?

Сравните энтропию газообразного метанола с энтропией водорода и монооксида углерода.

Предположим, что двигатель, работающий на бензине с коэффициентом сжатия 9:1, заправляется:

1) бензином;

2) метанолом;

3) диссоциируемым метанолом.

Предположим, что все три вида топлива обеспечивают одинаковые характери­стики работы двигателя (энергия, выделяемая при сжигании 1 л топлива сравнима с таковой у бензина).

Пусть коэффициент сжатия изменился до максимально возможного для каждого вида топлива:

для бензина — 9:1;

для метанола — 12:1;

для диссоциируемого метанола — 16:1.

Следует помнить, что эффективность искрового зажигания топлива т) =1 - г1 Y, где г — коэффициент сжатия; у — отношение внутреннего теплосодержания к получаемой энергии в пересчете на литр.

Молекулы бензина и метанола сложные, и это приводит к низкому значению у. Для водорода и монооксида углерода у значительно выше.

Как изменятся приведенные выше расчеты, если использовать значения у =

I, 2 для бензина и метанола и у= 1,7 для диссоциируемого метанола.

II. 3. При благоприятных условиях водяной гиацинт Eichhomia crassipes — пла­вающее растение — имеет скорость роста, при которой его сухая масса увели­чивается на 5 % в сутки, при этом в составе его биомассы 94 % воды. Суточная урожайность гиацинта достигает 400 кг сухого вещества с 1 га. Рассмотрим плантацию водяного гиацинта площадью 1 га, состоящую из длинных каналов (обустроенных в виде спирали). Ширина канала в начальной точке (место засева плантации) равнг. 0,5 м, и он постепенно расширяется, чтобы вмещать растущие растения, которые медленно перемещаются течением. Предположим, что течение имеет постоянную скорость такую, чтобы за 60 дней растения переместились от исходного конца канала до места сбора урожая.

1. Какой должна быть ширина канала в месте сбора урожая?

2. Какой должна быть длина канала?

3. Какое количество энергии запасается в биомассе в течение дня (выразите эту величину в гигаджоулях и баррелях нефти)?

4. Сколько килограммов влажного растения нужно использовать ежедневно для засева?

5. Предположим, что 50 % энергии биомассы конвертируется в метан через про­цесс брожения. Оцените количество получаемого метана в кубических метрах в день.

6 Если метан сжигается в газовых турбинах или в дизель-генераторе с 20 %-ной эффективностью, какое количество электрической энергии можно при этом получить?

7. Предположим, что средняя глубина канала 1 м, какое количество воды не­обходимо в него добавлять ежедневно, чтобы компенсировать испарение и инфильтрацию?

8. Каким образом можно убедиться, что скорость движения воды остается по­стоянной с учетом расширения канала?

11.4. Сахарный тростник растет при потоке энергии солнечной радиации 500 Вт/м2. Полагая, что устьичная проводимость равна 6 мм/с, определите фотосинтетиче - скую эффективность (определяется как отношение теплоты сгорания биомассы к общему количеству поглощенной солнечной энергии).

11.5. Оператор большой спиртовой перегонной установки хочет узнать, на­сколько экономически эффективно использовать отходы багассы как сырья для производства спирта. Действительно, обычно количество багассы, получаемой из 1 т подготовленного к переработке тростника (burned and cropped), больше количества, необходимого для снабжения энергией самого процесса дистилля­ции. Избыток либо продается, либо используется для производства электроэнер­гии. Сколько дополнительного спирта можно получить путем гидролиза все полисахаридов (целлюлозы и гемицеллюлозы) багассы? Принимаем при этом следующие упрощения:

1. Гидролиз дает 600 г сахаров (глюкозы и пентозы) на каждый килограмм по­лисахаридов.

2. Гидролиз не требует затрат энергии (что на самом деле неверно).

3. Выход процессов преобразования глюкозы и пентозы в этанол такой же, каї и сахарозы в рбычном случае.

4. Используйте в качестве исходных данных для расчетов п. 11.3.2 учебника.

Рассчитайте дополнительное количество спирта, которое можно получить из 1 т сахарного тростника. Сделайте вывод.

11.6. Метантенк состоит из цилиндрической коррозионно-стойкой стальной емкости диаметром d и высотой 2d. Толщина стального листа 3 мм. Содер­жимое метантенка перемешивается так, что вся масса имеет одинаковую тем­пературу 37 °С. Для упрощения предположите, что поступающая в метантенк биомасса заранее нагрета до этой температуры. Сталь имеет теплопроводность X = 60 Вт/(м • К).

Предположите, что чистая продуктивность процесса составляет 1 кВт метана. Метантенк должен, кроме того, производить дополнительное количество метан: необходимое для поддержания температуры процесса (некоторое незначительное количество энергии вырабатывается собственно в самом процессе метаногенеза) Эффективность нагревателя составляет 70 %. Скорость загрузки L = 4 кг летучей части твердой фазы в расчете на 1 м3 метантенка в сутки. Предположим, что 1 кг летучей части образует 25 МДж метана, и что 40 % всего вещества перебражива - ется. На внешней стороне метантенка поддерживается температура 20 °С. Рассчитайте диаметр метантенка.

11.7. Гипотетическое растение имеет идеально горизонтальные листья. Скоросгт поглощения углекислого газа ф линейно зависит от плотности потока падающей солнечной радиации Р при Р < 150 Вт/м2. При более высоких значениях Р ско­рость ф постоянна вне зависимости от Р.

Предположите, что плотность потока солнечной радиации на нормальную к луч1» поверхность равна 1000 Вт/м2. Широта места 45° с. ш.

1. Какое количество углерода будет поглощено поверхностью листьев (в пере­счете на 1 м2) в течение дня зимнего солнцестояния?

2. Оцените количество сухой биомассы (кг), образуемой растениями в течение дня зимнего солнцестояния в пересчете на 1 га поверхности листьев.

11.8. Полусферический идеально прозрачный контейнер имеет диаметр 5 м, нижняя часть его покрыта влажной почвой, на которой растет кустарник с идеально горизонтальным расположением листьев. Листья расположены так, что они не затеняют друг друга. Объем, занятый растением, составляет 0,75 м3, а площадь поверхности листьев — 4 м2. «Воздух» внутри контейнера имеет следующий состав: 52 кг 02, 208 кг N2, 2,6 кг Аг, 26 кг Н20, 0,78 кг С02. Тем­пература внутри контейнера однородна и составляет 298 К. Влажность почвы достаточна для растения, при этом не происходит влагообмена между почвой и воздухом. Растения имеют типичное значение г= 13,2 • 10'6 • м3/Дж и устьичную проводимость 10 мм/с. Аргон имеет молекулярную массу 40 дальтон. Скорость поглощения растениями углекислого газа пропорциональна плотности потока падающей солнечной радиации Р для Р < 200 Вт/м2 и не зависит от Р при его дальнейшем увеличении. Освещение имеет солнечный спектр.

1. Каково давление воздуха внутри контейнера?

2. Какова суммарная скорость поглощения С02 растениями (кмоль/с и мг/с) при описанных условиях, если плотность потока радиации составляет 150 Вт/м2?

3. За какое приблизительно время концентрация С02 уменьшится до нормаль­ного уровня (соответствующего современной атмосфере).

4. Предположим, что площадь листьев растений не изменяется. Рассчитайте более точно, за какое время концентрация С02 уменьшится до нормального уровня.

5. Каков будет состав воздуха, когда концентрация углекислого газа в контей­нере достигнет нормального уровня?