CC BY
329
УДК 581.132:621.383.51
АКУМУЛЯЦІЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ: ФОТОСИНТЕЗ ЧИ ШТУЧНІ СИСТЕМИ
О. О. СИВАШ Інститут ботаніки ім. М. Г. Холодного НАН України, Київ
E-mail: [email protected]
Отримано 19.01.2012
Єдиним невичерпним джерелом енергії на Землі є сонячне випромінення. Для визначення можливої ролі та місця фотосинтезу в структурі майбутньої енергетики першочерговим завданням є теоретична оцінка максимальної ефективності фотосинтетичної акумуляції сонячної енергії. У роботі наведено порівняльний аналіз ефективності фотосинтетичної трансформації сонячного світла в енергію біомаси і фотовольтаїчного перетворення електромагнітного випромінення на електричний струм. Максимальна теоретично досяжна ефективність фотосинтетичного перетворення сонячного світла на енергію біомаси становить для вищих рослин близько 4%. Ефективність перетворення електромагнітного випромінення сонця на електричну енергію в сучасних комерційних сонячних панелях досягає 18%. Зроблено висновок про безперспективність використання фотосинтезу для широкомасштабного отримання біопалива.
Ключові слова: сонячна енергія, фотосинтез, ефективність фотосинтезу, фотовольтаїка.
Провідна роль енергії в сучасній економіці може бути не тільки теоретично обґрунтована, але й наочно продемонстрована прямим зв’язком між рівнем енергоспоживання та економічним зростанням країни [1]. Економічне зростання і розвиток людства потребує вилучення дедалі більшої кількості енергії та ресурсів з природи для виробництва товарів, послуг і розвитку інфраструктури. Збільшення народонаселення та зростання економіки вже зараз справляє значний вплив на клімат, процеси в екосистемах, біо-різноманіття. У світі існує велика диференціація країн за енергетичними витратами на виробництво валового внутрішнього продукту на душу населення. Економічно розвинені, індустріальні країни демонструють як високе енергоспоживання, так і високий валовий внутрішній продукт, причому тенденція кількох останніх десятиліть свідчить про зростання обох показників [2]. Хоча слід зазначити, що енергоспоживання на душу населення в країнах з розвиненою економікою збільшується з меншою швидкістю, ніж валовий внутрішній продукт [2]. Неухильне зростання населення планети і енергоспоживання ставить під сумнів можливість збереження такої тенденції на тривалий час у світі з обмеженими ресурсами [3].
Глобальні потреби в енергії, як прогнозують, зростуть на 49% до 2035 року [4]. Такі
потреби, поряд із вичерпанням багатьох нафтових родовищ, можуть призвести до різкого зростання ціни на нафту і серйозного виклику світовій індустріальній та економічній безпеці [5].
Єдиним невичерпним, принаймні в історичному масштабі нашої планети, джерелом енергії, доступним на Землі, є сонячне випромінення. За годину поверхні Землі досягає більше сонячної енергії (4,3-1020 Дж), ніж споживають нині на планеті за рік (4,1-1020 Дж). Фотосинтез, як ланка, що пов’язує нашу планету з енергетичними ресурсами Всесвіту, суттєво необхідний для підтримання всіх форм життя на Землі, в чому, власне, і полягає його «космічна роль». Людство тепер використовує від 20% до 40% чистої первинної продукції суші, що суттєво впливає на довкілля, трансформую-чи атмосферу, землю, воду, біоту [6]. Постає питання про здатність фотосинтезу як акумулятора сонячної енергії та продуцента біопалива стати альтернативою викопним джерелам енергії, які рано чи пізно вичерпаються.
У роботі подано розгорнутий аналіз ефективності фотосинтетичної трансформації енергії сонячного випромінення у придатну для біохімічного використання енергію та порівняння з прямим перетворенням сонячної енергії на електричну.
Фототрофія і фотосинтез
Живі організми на Землі забезпечують свої потреби в енергії одним із двох способів: поглинаючи сонячне світло або використовуючи хімічну енергію. Залежно від форми енергії, споживаної організмом, виділяють два типи метаболізму — хемотрофний і фототрофний. Організми, що отримують енергію в результаті окисно-відновних реакцій за участю субстратів, які слугують для них джерелами енергії, називають хемо-трофними. Організми, здатні трансформувати енергію електромагнітного випромінення в хімічну енергію для росту і розмноження, мають назву фототрофних. До фототроф-них організмів належать представники трьох груп організмів: аноксигенні фото-трофні бактерії (прокаріоти), які не продукують кисень на світлі; оксигенні фототрофні ціанобактерії (прокаріоти); водорості (евка-ріоти) та зелені рослини (евкаріоти), які продукують кисень на світлі. Конверсія вільної енергії сонячного випромінення в хімічну енергію, як в оксигенних, так і в неок-сигенних фототрофів, відбувається в структурних одиницях, які дістали назву реакційних центрів (РЦ). Аноксигенні фото-трофні організми мають реакційні центри типу І (РЦІ) або типу ІІ (РЦІІ), що містять бактеріохлорофіли, а оксигенні фототрофи мають РЦ обох типів і містять хлорофіли. Окрему групу фототрофів становлять бактерії, що містять родопсин — протеїн, до якого приєднано хромофор ретиналь, здатний відповідати на дію світла [7]. Класичним представником цих фототрофів є галобактерія (Halobacterium salinarum), яка належить до найбільш примітивного домену архебактерій (Archaea). Бактеріородопсин безпосередньо використовує енергію світла для транслокації протонів через клітинну мембрану, створюючи протонрушійну силу для синтезу АТФ.
Історично фотосинтез визначали як процес синтезу первинної органічної речовини з вуглекислого газу і води за допомогою світла. Пізніше почали усувати посилання на джерело вуглецю для синтезу біомаси. Зокрема М. Кемен (M. Kamen) запропонував визначати фотосинтез як серію процесів, у яких електромагнітна енергія перетворюється на хімічну, що може бути використана для біосинтезу [8]. Вочевидь це визначення збігається з визначенням фототрофії загалом.
Специфікацію метаболізму стосовно походження вуглецю позначають термінами автотрофний, коли клітинний вуглець походить цілком або в переважній кількості з СО2, або гетеротрофний, коли клітинний
вуглець походить з більш відновлених, порівняно з СО2, органічних сполук. Зелені рослини, ціанобактерії та, наприклад, пурпурні сіркобактерії є, таким чином, фотоав-тотрофами, нітрофікуючі бактерії — хемо-автотрофами, тварини і основна маса мікроорганізмів — хемогетеротрофами. Слід, однак, зазначити, що даючи характеристику типу трофності, окрім походження вуглецю та способу отримання енергії, як правило, зазначають ще й природу донора електронів (водню). Коли електрони (водень) походять з неорганічного джерела, то це позначають терміноелементом літо-, у протилежному разі — органо-. Тоді зелені рослини, ціанобактерії та пурпурні сіркобактерії є фотолітотрофними організмами, нітрофі-куючі бактерії — хемолітотрофними, а тварини і основна маса мікроорганізмів — хемо-органотрофами. Для фотолітотрофії ціанобактерій, водоростей і зелених рослин
Э. Брода запропонував вживати термін фітотрофія [9]. У зв’язку зі значенням фото-автотрофії загалом як постачальника первинної органічної речовини на планеті доцільно відокремити фотосинтез від фототрофії.
Таким чином, фототрофія — це метаболічний шлях, у якому організми перетворюють світлову енергію на хімічну для росту, а фотосинтез — відновлення СО2 у біомасу з використанням енергії світла. Фотосинтетики (фотоавтотрофи) генерують біомасу, яку використовують усі інші організми включаючи людей.
Біологічне відновлення СО2 потребує як АТФ, так і електронів (водню), які можуть забезпечити НАФН або відновлений фере-доксин. Однак вихідне джерело електронів є організмозалежним і ним можуть бути Н20, Н28, Н2 або інші відновлені неорганічні сполуки. Більшість бактерій, що мають реакційні центри одного типу, є аноксигенними фотоавтотрофними організмами і, отже, фотосинтетиками. Однак передусім геліо-бактерії та деякі пурпурні бактерії не здатні до фотоавтотрофного росту, тобто росту за наявності тільки С02 і донора електронів, найімовірніше через те, що вони можуть здійснювати тільки циклічний транспорт електронів для продукування АТФ, і таким чином, подібно до організмів, що мають родопсин, є фототрофними, фотогетеротроф-ними (фотоорганотрофними) організмами, але не фотосинтетиками [10].
Слід відзначити здатність, особливо мікроорганізмів, змінювати тип трофності — фотолітотрофи і фотоорганотрофи, зокрема, можуть перейти до хемолітотрофії і хемоор-
ганотрофії, відповідно. Враховуючи це, мова має йти, очевидно, не про тип організму, а про тип метаболізму [11].
Практично вся конверсія сонячної енергії в сучасній біосфері відбувається за допомогою пігментних систем на основі хлоринів і бакте-ріохлоринів, похідних порфіринів — циклічних тетрапірольних сполук. Організми, що здатні продукувати кисень, тобто фотоліто-трофи або фітотрофи за Бродою, а саме ціанобактерії, водорості й вищі рослини, використовують хлорофіл а у фотохімічних РЦ і тільки Acaryochloris marina, єдиний відомий на сьогодні вид ціанобактерій — хлорофіл d. Ці організми синтезують понад 99,9% первинної продукції на Землі [12]. Значення аноксиген-ного фотосинтезу в сучасній біосфері неістотне. У наш час аноксигенні фотосинтетики відповідальні за 0,1% первинної продукції водних екосистем і 0,05% загальної первинної продукції на Землі [12].
Перебіг фотосинтезу
Обмежимо наш короткий огляд перебігу фотосинтезу евкаріотами, зокрема вищими рослинами. У вищих рослин фотосинтез має місце в субклітинних органелах — хлоропластах. Характерною рисою цих утворень є надзвичайно розвинена система внутрішніх мембран — тилакоїдів. Тилакоїди формують фізично неперервну тривимірну сітку, яка обмежує внутрішній водний простір — люмен. Простір хлоропласту, не зайнятий мережею тилакоїдних мембран, називається стромою. Перебіг фотосинтезу прийнято умовно розділяти на світлову і темнову стадії, які відрізняються, зокрема, за швидкостями, характером процесів і місцем дії. Світлові реакції фотосинтезу проходять у тилакоїдних мембранах, а темнові — у стромі хлоропласту [13].
Світло поглинається низкою пігментних світлозбиральних комплексів, які передають енергію електронного збудження до фотохімічних РЦ, фотосистеми ІІ (ФСІІ) і фотосистеми І (ФСІ). Світлозбиральні комплекси вищих рослин містять пігменти (хлорофіли а, b та каротиноїди), що поглинають світло. Організми, які використовують воду як донора електронів, мають два фотохімічні реакційні центри РЦ, що функціонують зчеплено:
ФСП(Р680): 2H2O + 4hv ^ O2 + 4H+ + 4e; (1)
ФСІ(Р700): 2NADP+ + 2H+ + 4e +4hv ^
^ 2NADPH. (2)
Реакційні центри фотосистем прийнято позначати максимумом поглинання редокс-активних пігментів: ФСІІ — (P680), ФСІ —
(P700).
У результаті світлової стадії фотосинтезу утворюються АТФ і НАДФН, а в темновій фазі за допомогою цих сполук відбувається відновлення СО2 з утворенням глюкози. У зв’язку з тим, що вуглеводи є первинними сполуками, які синтезуються у процесі фотосинтетичної діяльності рослин, хімічне рівняння фотосинтезу зазвичай записують у такому вигляді:
СО2 + Н2О + 8hv ^ (СН2О) + О2; (3)
AG0 = 479 кДж/моль (114,6 ккал/моль)
6(СН2О) ^ СбН^Об; (4)
AG0 = 2874 кДж/моль (687,6 ккал/моль).
Рівняння 3 є зручною формою запису процесу фотосинтезу, яке не слід сприймати буквально. Ідентифіковано більш ніж 50 проміжних реакцій. Зміна вільної енергії цієї реакції (AG0 = 2874 кДж) позитивна, тобто для її перебігу в прямому напрямі потрібно вводити енергію ззовні. Такою енергією є сонячне випромінення.
Для визначення можливої ролі та місця фотосинтезу в структурі майбутньої енергетики першочерговим завданням є оцінка максимальної ефективності акумуляції сонячної енергії, якої, принаймні теоретично, можна досягнути в агро- чи аквасистемах.
Ефективність фотосинтезу
Ефективність фотосинтезу вказує на те, яка частка енергії сонячного випромінення переходить в енергію біомаси. Повна енергетична ефективність фотосинтезу npht визначається вільною енергією AG створеної біомаси, віднесеної до енергії сумарного опромінення сонячною радіацією за цей період [14] :
npht = AG/S, (5)
де S — опроміненість сонячним світлом за відповідний період.
Найкращі показники ефективності трансформації сонячної енергії для С3- і С4-рослин становлять, відповідно, 2,4% і 3,4% в перерахунку на сезон вегетації, а звичайні значення ефективності для зернових і лісів помірних широт лежать у межах 0,2-0,4% [15-18]. Цікаво, що навіть такі незначні показники здатні підтримувати біосферу Землі в стабільному стані.
Шлях від електромагнітної енергії сонячного світла до потенційної енергії стабільних
хімічних сполук, що утворюють біомасу, проходить зі втратами. Чим більші втрати, тим, природно, з меншою ефективністю відбувається перетворення енергії на даній стадії. Всі втрати можна розділити на кілька груп:
1) пов’язані з трансформацією енергії у фотохімічних і біохімічних перетвореннях безпосередньо в процесі фотосинтезу, включаючи й фотодихання;
2) пов’язані з диханням, ростом і розвитком, з фізичними факторами оточення, типом рослин, фізіологічними факторами;
3) спричинені біотичними чинниками (хвороби, комахи, тварини тощо).
Доцільно розділити ефективність трансформації енергії сонячного випромінення в біомасу на ефективність власне фотосинтезу як процесу, тобто ефективність переходу енергії сонячного випромінення у валову первинну продукцію фотосинтезу та ефективність переходу валової первинної продукції фотосинтезу в біомасу.
Енергетична ефективність фотосинтезу ПрМ може бути факторизована, тобто подана як добуток ефективності пі, низки складових стадій процесу перетворення сонячної енергії на біомасу [19]:
ПрМ = ^/8 =
Пв- ПаЬ • Пр- Пш • Пс^1 - вPhRsX1 (6)
де пв — спектральна ефективність, паЬ — ефективність поглинання світла, пр — фотохімічна ефективність, Пш — термодинамічна ефективність, — хімічна ефективність, є№кз — втрати на фотодихання, в^ — втрати на дихання.
Спектральна ефективність. Сонячний спектр близький до спектра теплового випромінювача з температурою ~5 900 К (рис. 1). Опроміненість одиниці площі на поверхні атмосфери, тобто поза атмосферою, перпендикулярно до падіння сонячних променів, за середньої відстані від Землі до Сонця, називають сонячною сталою, яка становить
1,37 ± 0,02 кВт/м2. Атмосфера суттєво впливає на спектральний розподіл сонячної радіації на поверхні Землі. Ультрафіолетова складова сонячного спектра з довжинами хвиль, коротшими за 290 нм, поглинається озоном. Молекулярний кисень і водяна пара спричиняють появу смуг поглинання в червоній та інфрачервоній ділянках сонячного спектра. Релеївське розсіяння відповідає за дифузний, насичений блакитний колір неба (рис. 1). Після проходження земної атмосфери максимальне полуденне значення енергії сонячного випромінення, що досягає поверхні Землі, становить близько 1 кВт/м2.
s.»
’s
ь
:с
їм
S
г
І HÍ
о,»
Рис. 1. ^нячний спектр на рівні моря — АМ 1,5 [20]
Фототрофи загалом і фотосинтетики зокрема здатні використовувати тільки частину спектра сонячного випромінення. Спектральний діапазон дії фотосинтезу вищих рослин, втім як і переважної більшості оксиген-них фотосинтетиків, становить 400-700 нм, що приблизно відповідає спектру поглинання хлорофілів. Цей спектральний діапазон отримав назву фотосинтетично активної радіації (ФАР), яку застосовують до організмів, здатних проводити оксигенний фотосинтез, де H2O окиснюється до O2, а CO2 відновлюється до цукрів. Для фотосинте-зуючих бактерій він значно ширший. Відзначимо, що більш ніж 95% енергії сонячного випромінення зосереджено в зоні 290-2 500 нм. На діапазон ФАР припадає близько 45% енергії сонячного спектра.
Таким чином, частка енергії сонячного спектра, що може бути використана у фотосинтезі, становить приблизно 45%, тобто спектральна ефективність фотосинтезу
nS = 0,45
Ефективність поглинання. Кванти світла діапазону ФАР, захоплені пігментами (хлорофіли, каротиноїди, фікобіліпротеї-ни), здатні активувати перебіг фотосинтезу. Однак не всі фотони цього діапазону однаково ефективно поглинаються пігментами тила-коїдних мембран. Особливо ефективно поглинається світло голубої і червоної ділянок спектра, в зоні піків поглинання хлорофілу ai b. Дуже слабо поглинається зелений спектральний діапазон (~550 нм), через що, власне, листки і мають зелене, а не чорне забарвлення. Величина відбитої і профільтрованої сонячної радіації становить близько 10%, тобто приблизно 90% енергії сонячного випромінення, зосередженого в діапазоні ФАР, поглинається і відповідно ефективність поглинання паЬ = 0,9.
ДфіП^ІПІіЗ! НІМІЛІ і И'І І
Фотохімімчна ефективність. Основна маса пігментів (~99%) виконують антенну функцію. Вони поглинають кванти світла і передають енергію електронного збудження до фотохімічних реакційних центрів ФСІІ (Р680) і ФСІ (Р700). Процес взаємодії електромагнітного випромінення з речовиною, як і фотохімічний процес, є квантовим за своєю природою. Для багатоатомних молекул, за невеликим винятком, виконується правило Вавилова-Каші [21]. Згідно із цим правилом люмінесценція багатоатомних молекул, як і фотохімічні перетворення, відбувається з найнижчого збудженого рівня даної мультиплетності. Тобто в разі поглинання фотона сонячного світла голубої ділянки ФАР (430 нм, 2,88 еВ) молекула хлорофілу а переходить у збуджений стан (82), який швидко релаксує в найнижчий збуджений стан (Б^, що відповідає енергії фотона червоної ділянки ФАР (660 нм, 1,88 еВ). Процес релаксації енергії електронного збудження з вищих енергетичних рівнів на найнижчий однієї мультиплетності називається внутрішньою конверсією. У випадку хлорофілу а в результаті внутрішньої конверсії збудженого стану 82 (2,88 еВ) до стану (1,88 еВ) відбувається втрата в тепло ~35% енергії поглинутого фотона. Окрім релаксації енергії, характерної для багатоатомних молекул з вищих збуджених рівнів (8П > 1), подальші втрати енергії поглинутого кванта відбуваються в процесі міграції енергії за зміщеними в довгохвильовий бік спектральними формами пігментів на фотохімічний рівень РЦ. В операційних термінах спектральні форми являють собою гаусові або лоренцеві субсмуги розкладу спектрів поглинання чи флуоресценції хлоропластів, фотосистем чи пігментпротеїно-вих комплексів. Кожен гаусіан — це клас (субпопуляція) хлорофілів з певним типом протеїнового оточення і/або зв’язку з апо-протеїном. Спектральні форми пігментів забезпечують розширення діапазону захоплення сонячної енергії та середовище для спрямованої міграції енергії до РЦ фотосистем.
Таким чином, оскільки фотохімічний процес ініціюється з рівнів, що відповідають енергії 1,82 еВ РЦ ФСІІ (680 нм) і 1,8 еВ РЦ ФСІ (700 нм), то з поглинанням фотонів, енергія яких перевищує ці величини, вона буде розсіяна в тепло. Неважко оцінити, яка частка енергії поглинутих фотонів ФАР буде розсіяна в тепло в результаті релаксації та міграції енергії електронного збудження до рівня РЦ фотосистем. Використовуючи вираз для енергії фотона залежно від довжи-
ни хвилі випромінення E(^) = h-c/^, запишемо спектральний розподіл густини потоку фотонів Q(^) сонячного випромінення через спектральний розподіл густини енергії:
Q(r> = S<A,)/(h-cA), (7)
де S(^) — спектральний розподіл густини енергії сонячного випромінення. Повна енергія сонячного випромінення в зоні ФАР:
j S(A)db ] 0ІЛ)Е(Я)йЛ, (8)
Енергія фотонів спектрального діапазону ФАР (!pcl), що може бути акумульована в реакційному центрі, фотохімічний рівень якого досягається за довжини хвилі 690 нм [(680+700)/2], буде
Ïicl = J QU)L<640)cU=E{040) J 0(Л)<и,(9) звідки фотохімічна ефективність
nPCL = ^R^ !pAR = 0,8.
Оцінювання фотохімічної ефективності проведено чисельно для стандартного сонячного спектра AM 1.5 [20].
Термодинамічна ефективність. Трансформація енергії, тобто будь-яка зміна якості енергії відбувається зі втратами. Потік електромагнітного випромінення «несе» не тільки енергію, але й ентропію, що обмежує трансформацію енергії випромінення тільки вільною енергією. Уперше це обмеження на процес трансформації енергії світла було розглянуто Дюйзенсом, частково на інтуїтивному рівні [22]. Згодом деякі автори [23, 24,
26, 27] більш детально розглядали це питання, виходячи з первинних принципів. Чисельні значення термодинамічної ефективності nth, отримані різними авторами, лежать у межах 0,63-0,77. Для певності приймемо для термодинамічної ефективності nth = 0,77.
Ефективність С3-шляху асиміляції СО2. Відновлення СО2 є завершальним етапом власне фотосинтезу, темновою стадією процесу. У циклі Кальвіна за участю АТФ і НАДФН, продуктів світлової стадії фотосинтезу, відбувається відновлення СО2. Первинним стабільним продуктом фіксації СО2 в процесі фотосинтезу є D-глюкоза. Згідно з рівнянням (3) необхідно мінімум
8 молів фотонів світла спектрального діапазону ФАР для синтезу 1/6 моля D-глюкози. Енергія 8 молів фотонів електромагнітного випромінення з довжиною хвилі 690 нм
дорівнює 1 390 кДж, і ефективність синтезу D-глюкози, первинного стабільного продукту фіксації СО2, становить:
П^ = 479/1390 = 0,345.
Ефективність С4-шляху асиміляції СО2. Особливістю рослин із С4-типом фотосинтезу є наявність фотосинтезуючих клітин двох типів: клітини обкладки та клітини мезофілу. Клітини обкладки — це клітини, що оточують судини флоеми, які транспортують продукти фотосинтезу з листків до атрагуючих органів. Із С4-типом фотосинтезу майже завжди пов’язана так звана Кранц-анатомія листків, у яких клітини обкладки та клітини мезофілу формують концентричні шари навколо судин [13]. Хлоропласти клітин обкладки не мають гра-нальної структури і виявляють дуже низьку активність ФСІІ, тоді як хлоропласти клітин мезофілу — високу активність ФСІ
і ФСІІ. Ензими, характерні для циклу Кальвіна, містяться тільки в хлоропластах клітин обкладки. У клітинах мезофілу цих рослин відбувається процес карбоксилюван-ня з утворенням сполук, що мають 4 вуглецеві атоми, які переносяться потім у клітини обкладки (рис. 2). Оскільки першим інтермедіатом, який утворюється з приєднанням екзогенного СО2, є чотиривуглецева сполука, звідси й назва «С4-фотосинтез». У клітинах мезофілу цих рослин СО2 гідра-тується за допомогою карбоангідрази до бікарбонату і згодом приєднується до фос-фоенолпірувату (ФЕП) за участю фосфоенол-піруваткарбоксилази з утворенням оксало-ацетату, С4-сполуки. Оксалоацетат швидко перетворюється на більш стабільні С4-кисло-ти — малат або аспартат, які дифундують до клітин обкладки. Там відбувається вивільнення діоксиду вуглецю одним з трьох декарбоксилюючих ензимів, що визначає три основних біохімічних підтипи С4-фотосин-
со,
КА, .„.А кислота
\лі2 ■ ■ 4 ' КИСЛОЇ -Я > 4
- > кислота кш і піп їйЯОфіла КИСЛОТА. - Цикл Ки.ій.гііііи і 1 (укр-н Юіігшга общщ
Рис. 2. С4-шлях фотосинтезу (КА — карбоангідраза)
тезу — НАДФ-залежна малатдегідрогеназа (НАДФ-МДГ), НАД-залежна малатдегідрогеназа (НАД-МДГ) і фосфоенолпіруваткар-боксикіназа (ФЕП-КК). Вивільнений СО2 фіксується з допомогою ензиму Рубіско (рибульозобісфосфаткарбоксилаза/оксиге-наза), який у С4-рослин міститься виключно в клітинах обкладки. У такий спосіб відбувається концентрування діоксиду вуглецю в клітинах обкладки. До С4-рослин, зокрема підтипу (НАДФ-МДГ), належать такі важливі з господарського погляду агрокультури, як сорго, цукрова тростина, кукурудза.
На додаток до енергії, необхідної для функціонування циклу Кальвіна (С3-шлях), потрібні ще дві молекули АТФ для фосфорилювання пірувату до фосфоенолпірувату в клітинах мезофілу, тобто не 3, як у випадку С3-рослин, а 5 молекул АТФ. За циклічного транспорту навколо ФСІ на кожен електрон, який повертається до Ь6Д-цитохромного комплексу, додатково транслокуються два протони в люмен [28]. Для синтезу додатково двох молекул АТФ необхідні 8 протонів і поглинання чотирьох квантів світла у ФСІ. Загалом, для асиміляції СО2 за С4-фотосинтезу потрібно мінімум 12 квантів. Таким чином, ефективність асиміляції діоксиду вуглецю в темно-вій фазі у С4-фотосинтетиків, зокрема для підтипу (НАДФ-МДГ), нижча, ніж для рослин із С3-типом фотосинтезу. Енергія
12 молів квантів (А, = 690 нм) становить
2 084,64 кДж, а ефективність синтезу глюкози: П* = 479/2084,64 = 0,23.
Енергетичні втрати на фотодихання.
У рослин із С3-типом фотосинтезу спостерігається процес, який отримав назву фотоди-хання (рис. 3). Асиміляція СО2 у всіх евка-ріотів відбувається з допомогою ензиму Рубіско, що виявляє як карбоксилазну, так і оксигеназну активність. Власне, здатність до оксигенації рибулозобісфосфату (РБФ)
і відображено в самій назві ензиму — рибу-льозобісфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (РБФК/О, акронім Рубіско). Відносна швидкість карбоксилювання і оксигенації рибу-льозобісфосфату визначається концентрацією обох газів в оточенні активного центру ензиму. Чисельно специфічність Рубіско характеризують відношенням карбоксилазної активності до оксигеназної, коли концентрація С02 і 02 в околі активного центру ензиму однакова. Вважають, що специфічність Рубіско варіює в межах 88-131 у С3-рослинах, а в середньому становить 100 [29].
Унаслідок оксигеназної активності Рубіско утворюються одна молекула 3-фос-
Рис. 3. Спрощена схема фотодихання
фогліцеролової кислоти (3-ФГК) і одна молекула фосфофогліколату (2-ФГ):
РБФ +02 ^ 3-ФГК + 2-ФГ. (10)
Молекула 3-ФГК може включатись у цикл Кальвіна, а 2-ФГ перетворюється на гліко-лат за допомогою ензиму фосфогліколатфос-фатази. Подальше перетворення гліколату відбувається в пероксисомах. У них гліко-лат необоротно окиснюється, з поглинанням кисню, до гліоксилату, при цьому утворюється також пероксид водню, який за участю каталази перетворюється на воду і кисень. Гліоксилат за допомогою гліцин-амінотрансферази перетворюється на гліцин, при цьому донором аміногрупи виступає глутамат. Наступні перетворення гліцину відбуваються в мітохондріях. Дві молекули гліцину утворюють серин з вивільненням однієї молекули СО2 і однієї молекули №Н3:
2 Гліцин + НАД ^ Серин + С02 +
НАДН + ЫН3. (11)
У пероксисомах, під час взаємодії з глі-оксилатом, серин утворює гідроксипіруват. Останній за допомогою гідроксипіруватре-дуктази за участю НАДН відновлюється до гліцерату. Гліцерат уже в хлоропластах за допомогою гліцераткінази трансформується до 3-ФГК, яка включається в цикл Кальвіна. Перетворення гліколату називають С2-циклом, або гліколатним шляхом. Головна роль С2-циклу (гліколатного шляху) пов’язана з поверненням вуглецю внаслідок перетворення 2-ФГ на 3-ФГК і включення її в цикл відновлення. Дві молекули гліколату, проходячи С2-шляхом, сприяють вивільненню молекули СО2 і утворенню молекули фосфогліцерату. Цей процес отримав назву фотодихання; він знижує ефективність фотосинтезу через залучення АТФ,
відновлювальних еквівалентів і вивільнення щойно асимільованого СО2. Зниження ефективності фотосинтезу відбувається, за оцінками, на 40-50%, і залежить від температури [З0]. Зростання фотодихання з підвищенням температури, приблизно на третину, пов’язують з падінням відношення розчинностей CO2/O2, а решта спричинена зменшенням відносної специфічності Рубіс-ко до субстратів. З підвищенням температури для Рубіско спостерігається більше зростання Кт до СО2 ніж до О2 [31].
Таким чином, у рослин з С3-типом фотосинтезу в результаті перебігу фотодихання ефективність трансформації енергії становить nPRS = (1 - £PhRC) = 0,6. У рослин з С4-типом фотосинтезу фотодихання не спостерігається або, точніше, перебіг цього процесу відбувається на дуже низькому рівні. Пригніченість фотодихання у С4-рос-лин пов’язано з процесом концентрування СО2 в клітинах обкладки. Приблизно на порядок зростає концентрація СО2 в околі активного центру Рубіско, і, як наслідок, оксигеназна активність ензиму проявляється незначною мірою [З2].
Таким чином, загальна ефективність трансформації енергії в результаті власне процесу фотосинтезу становить:
С3-тип п = 0,051 (5,1%),
С4-тип п = 0,057 (5,7%).
Енергетичні втрати на дихання. Дуже суттєвими, стосовно акумульованого в процесі фотосинтезу СО2, є втрати діоксиду вуглецю під час дихання, однак кількісно оцінити енергетичні втрати в процесі дихання важко. Втрати фотосинтетично акумульованого СО2 в процесі дихання для зернових знаходяться в межах З0-60% [ЗЗ]. Втрати СО2 в процесі мітохондріального дихання пов’язані з ростом і процесами підтримання. Життя вимагає постійної протидії локальному зростанню ентропії та пристосування до змін зовнішнього середовища, що отримало загальне означення як процеси підтримання. До цих процесів, які ще називають основним обміном, відносять процеси, пов’язані з підтриманням структурної і функціональної цілісності організму. Підтримання структурної цілісності організму відбувається не статично, а динамічно, з регулярною заміною ензимів і ліпідів, підтриманням, за рахунок активного транспорту, градієнтів концентрації між клітиною і оточенням та між різними компартментами клітини, репарацією пошкоджень, зумовлених як внутрішніми, так і зовнішніми оксидантами,
тощо. Перебіг усіх цих процесів відбувається з витрачанням енергії.
Таким чином, енергія, яка вивільняється в процесі дихання, використовується організмом і втрачається тільки частково. У результаті втрат на дихання (eRS = 30%) ефективність акумуляції енергії на стадії між продукуванням карбогідратів у процесі фотосинтезу і трансформуванням їх у компоненти клітинної біомаси становить nRs = (1 - eRS) = 0,7. З урахуванням усіх втрат загальна ефективність трансформації сонячної енергії в біомасу:
С3-рослини npht = 0,036 (3,6%), С4-рослини npht = 0,04 (4%).
Отже, не вся первинна продукція фотосинтезу переходить у біомасу, і потік сонячної енергії, проходячи через рослину і депонуючись у фітомасі, суттєво послаблюється (таблиця). При цьому можна відзначити високу ефективність захоплення світла і перенесення електрона у світловій стадії фотосинтезу та значні втрати у темновій стадії і в подальших метаболічних процесах.
Загалом, більшість оцінок ефективності фотосинтезу, отриманих різними авторами, лежить у межах 4-6%, залежно від типу рослин [16, 34, 35]. Максимальну теоретичну ефективність продукування глюкози, зокрема для С3-типу фотосинтезу за квантових витрат 9,4, оцінено в 11,9% [36]. Тобто визначається ефективність перебігу власне фотосинтезу і не враховуються втрати на розсіювання та пропускання під час поглинання падаючого світла, а також на релаксацію високозбуджених станів пігментів і термодинамічне обмеження, без урахування втрат на фотодихання і дихання. Теоретична оцінка максимальної ефективності
продукування глюкози може бути підвищена до 14%, якщо прийняти мінімальні квантові витрати у 8 квантів. Головною користю від такої чи подібної оцінки є те, що задається певна індикативна межа ефективності фотосинтезу як процесу. Іншими словами, в рамках існуючого механізму фотосинтезу за жодних обставин ефективність процесу не може перевершити 14%.
Оцінювання ефективності процесу проводили для оптимальних умов перебігу фотосинтезу, зокрема за низької інтенсивності діючого світла, коли квантові витрати не перевищують 8 квантів світла. Слід додати також, що проведене нами оцінювання ефективності фотосинтезу базується на розгляді перебігу процесу протягом дня. Цілком зрозуміло, що оцінки за сезон і, тим паче, річні істотно відрізнятимуться (залежно від географічної широти) від одноденних оцінок. Головні відмінності полягають у тому, що на початку сезону вегетації перехоплюється тільки невелика частина світлової енергії, що падає на поле, через мале проективне покриття фотосинтезуючими тканинами, а після закінчення вегетації, в міру заповнення «атрагуючих об’ємів», спостерігається гальмування процесу фотосинтезу.
Від фотосинтезу до організму
Організм є втіленням життя як феномену, одиниця живого, базовий елемент біосфери. Загальна життєва стратегія організмів спрямована на продукування нових особин, забезпечуючи тим самим неперервність життя в часовому вимірі. У процесі еволюції життя предметом селекції була саме здатність до відтворення — репродук-
Шлях енергії сонячного випромінення в процесі фотосинтетичної трансформації в біомасу в С3- і С4-рослинах
Ефективність та втрати енергії в процесі трансформації сонячної енергії в біомасу Депонована енергія (% від падаючої) Втрачена енергія (% від падаючої)
Спектральна ефективність (частка сонячної енергії у ФАР) ns = 0,45 45% 55%
Ефективність поглинання nab = 0,9 40,5% 4,5%
Фотохімічна ефективність np = 0,8 32,4% 8,1%
Термодинамічна ефективність nth = 0,77 25% 7,4%
Ефективність С3-шляху асиміляції СО2 nch = 0,34 8,5% 16,5%
Ефективність С4-шляху асиміляції СО2 nch = 0,23 5,7% 19,2%
Втрати на фотодихання С3-рослини ePhKS = 40% 5,1% 3,4%
Втрати на дихання С3-рослини eKS = 30% 3,6% 1,4%
Втрати на дихання С4-рослини eRS = 30% 4% 1,6%
тивна активність і, як наслідок, пластичність, регуляторна мобільність фізіолого-біо-хімічних процесів як основа стійкості та мінімізації ризиків загибелі, а не максимальна акумуляція сонячної енергії в біомасі.
Фотосинтез — процес, що забезпечує енергією організм і відповідно біосферу, зокрема гетеротрофну її частину. Це — високо-інтегрований і регульований процес, дуже чутливий до всіляких змін умов оточення через необхідність балансування поглинутої світлової енергії з енергетичними потребами організму. Саме висока інтегрованість процесу фотосинтезу і підпорядкованість його потребам організму в кінцевому підсумку визначає ефективність запасання сонячної енергії фотосинтезуючою клітиною або фотосинтезуючим одноклітинним організмом. За наявності значної кількості нефото-синтезуючих клітин чи тканин зростають витрати енергії на забезпечення їхньої життєдіяльності. Ефективність акумуляції сонячної енергії в ряду процес ^ клітина ^ орган ^ організм зменшується. Тобто муль-тистадійність процесу, як випливає з попереднього розгляду, і перехід від фотосинте-зуючої клітини до систем більш високого рівня організації, зі збільшенням кількості нефотосинтезуючих клітин зменшує загальну його ефективність, а суто біологічні риси, які виявляються на рівні організму, ще більше знижують ефективність акумуляції сонячної енергії в депонованій біомасі.
У цьому зв’язку можна зауважити, що вже достатньо давно — відлік починають з лекції Дж. Чіаміціана ^. Сіатісіап) на Міжнародному конгресі з прикладної хімії, що проходив у Нью Йорку в 1912 р., — розвивається так звана «сонячна фотохімія» [37]. Головні концептуальні засади її полягають у використанні сонячного світла для хімічного синтезу. Завдяки прямій активації фотохімічних субстратів, часто без використання допоміжних реагентів і каталізаторів, мінімізується формування побічних продуктів [38]. Завдяки саме цим характеристикам сонячну фотохімію відносять до зеленої хімії загалом [39].
Із контексту нашого розгляду можна зробити висновок, що обмеживши процес трансформації сонячної енергії отриманням певної сполуки чи сполук, тобто однією-двома стадіями, можна істотно підвищити енергетичну ефективність. Для оптимізації такого процесу потрібно контролювати значно менше параметрів, зокрема замість лабільних ензимів, обтяжених регуляторними функціями, можна використовувати про-
стіші й стійкіші каталізатори або ж не використовувати їх зовсім.
Таким чином, слід особливо наголосити, що фотосинтез — основа продуктивності, однак продуктивність врешті-решт визначається на рівні організму, а точніше — на рівні певних угруповань організмів, наприклад агроценозів. Дійсно, як випливає з попереднього викладу, ефективність трансформації сонячної енергії власне в процесі фотосинтезу суттєво вища, ніж відповідні показники для агрокультур. Найбільш ефективними фотосинтезуючими організмами на сьогодні є наземні рослини, рекордсменами серед яких є цукрова тростина та слонова трава [6]. Водорості й ціанобактерії мають значні перспективи в цьому сенсі, однак на цей час низка проблем, пов’язаних з уведенням світла в біореактори, низькою швидкістю дифузії СО2 у водному середовищі і складнощами із сепарацією біооб’єктів від середовища, суттєво впливають на показники ефективності [40]. Загалом, живі організми з максимальною ефективністю трансформації сонячної енергії 1-3%, а пересічно 0,2-0,4% істотно програють, наприклад, фотовольта-їчним перетворювачам сонячної енергії на електричну. Окрім уже відзначених (сонячна фотохімія і фотовольтаїка) підходів до акумуляції сонячної енергії існує низка інших напрямів, на яких концентруються зусилля зі створення як суто штучних систем трансформації сонячної енергії, біоімі-туючих систем, так і вдосконалення природного процесу фотосинтезу. З початком ХХІ ст. значну увагу дослідників привернув напрям, який отримав назву «сонячне паливо» (solar fuel) — продукування водню з води і низьковуглецевого палива за допомогою відновлення СО2 [41, 42]. Подібні дослідження називають також штучним фотосинтезом для продукування палива, сонячно-водневими дослідженнями [42, 43]. Незважаючи на перспективність зазначених досліджень і наявність певних досягнень, на цей час вони не витримують порівняння з фотоволь-таїкою, яка являє собою розвинену галузь досліджень та індустрії. У зв’язку із цим доцільно більш детально зупинитись на фото-вольтаїці у контексті природного фотосинтезу чи штучних систем трансформації сонячної енергії як основи енергетики суспільства сталого розвитку. Слід наголосити, що отримання низьковуглецевого палива («штучний листок») не лише консервує світлову енергію у формі тривалого зберігання, на відміну від електричного струму, але і є додатковим каналом зменшення СО2 в атмосфері.
Фотовольтаїка
Фотовольтаїка — це пряме перетворення сонячного світла чи електромагнітного випромінення загалом на електричний струм. Вважають, що датою народження фотовольтаїки є 1839 рік, а її «батьком» був Олександр Беккерель (A. Becquerel). Він, власне, продемонстрував, що опромінення Pt-електродів, покритих AgCl чи AgBr, які містяться в розчині кислоти, призводить до генерації електричного струму в такій електрохімічній комірці [44]. Прогрес фото-вольтаїки з часів Беккереля ознаменувався в 70-х рр. ХХ ст. початком нового, стрімкого етапу її розвитку [44]. Фотовольтаїку, фотовольтаїчний принцип почали застосовувати на практиці, зокрема для задоволення побутових потреб в електроенергії. Фотовольтаїчні перетворювачі (ФВП) сонячної енергії дістали назву «сонячні панелі», «сонячні комірки» або «сонячні батареї». Переважна більшість сучасних ФВП формується на основі напівпровідникових р-n переходів. Гранична ефективність фотоволь-таїчного перетворювача на основі однощі-линного ФВП, встановлена у відомій роботі В. Шоклі і Г. Квіссера, становить 33,7% [45].
Виділяють чотири типи невідворотних втрат за конверсії сонячної енергії в однощі-линних ФВП: 1) неповне поглинання — фотони з енергію менше Eg (Eg — ширина щілини) не поглинаються; 2) термалізація — надлишок енергії носіїв (електрони, дірки), що генеруються під час поглинання фотонів з енергією, більшою Eg, перетворюється на тепло; 3) термодинамічні втрати — доступна вільна енергія Гіббса термалізованого збудженого стану завжди менша Eg; 4) радіатив-на рекомбінація — невелика частина збуджених станів рекомбінує з основним станом з випроміненням фотонів. Саме ці чотири типи втрат знижують максимальну ефективність перетворення для однощілинних ФВП за неконцентрованого сонячного випромінення приблизно до 30% [45, 46].
З початком нового тисячоліття сформувався концептуальний напрям у розробленні ФВП, здатних подолати межу Шоклі-Квіс-сера, який було названо «третім поколінням» фотовольтаїки [47]. Третє покоління ФВП сонячної енергії на електричну має на меті суттєве зменшення вартості електроенергії від приблизно 1-2 дол. США за 1 кВт-год, як для другого покоління сонячних панелей, до
0,5 дол США і в перспективі — до 0,2 дол. США за 1 кВт-год. Досягнення цієї мети ставить перед ФВП 3-го покоління завдання
збільшити ефективність перетворення сонячної енергії, подолати межу Шоклі-Квіс-сера за зменшення вартості сонячних панелей [47].
Головні напрями збільшення ефективності ФВП пов’язані зі зменшенням втрат енергії сонячного випромінення через неповне поглинання і термалізацію (пункти 1 і 2), оскільки термодинамічні втрати мають принциповий характер, а ті, що пов’язані з радіаційною рекомбінацією, відносно невеликі (близько 10%). Запропоновано, зокрема, створення мультищілинних поглиначів, наприклад тандему комірок, що мають різну ширину енергетичних щілин, які упаковані одна поверх другої, використання надлишку енергії так званих гарячих фотогенерованих носіїв, генерація більш ніж одного носія за поглинання фотона, тобто квантовий вихід фотогенерації >1, зокрема для фотонів з енергією, що вдвічі перевищує енергетичну щілину, та цілу низку підходів з використанням як нових матеріалів, так і цілком нових принципів роботи сонячних панелей [48, 49]. Для прикладу зазначимо, що максимальну ефективність однощілинних ФВП можна підняти
з 33,7% до 44,4% у разі генерації більш ніж одного носія за поглинання одного фотона [48].
Кращі сучасні комерційні сонячні панелі на основі монокристалічного кремнію мають ефективність 18% [50].
Слід, однак, зауважити, що електричну енергію важко зберігати, а в разі використання акумуляторів, інвертування постійного струму на змінний, під час передачі струму на відстані відбуваються втрати енергії, що знижують загальну ефективність трансформації сонячної енергії в електричну. До переваг ФВП можна віднести їх нейтральність стосовно продукування СО2 та можливість використання великих площ дахів, стін будівель та непридатних для сільгосп-виробництва земель.
Таким чином, перспективи використання фотосинтезу, а точніше фотосинтезуючих організмів, для широкомасштабного отримання біопалива, видаються малоймовірними. Більш перспективним може бути використання гібридних систем, де сонячні панелі можуть допомогти суттєво подовжити сезон вегетації, зокрема мікроводорос-тей, для отримання біомаси як законсервованої сонячної енергії, придатної для тривалого зберігання.
ЛІТЕРАТУРА
1. Payne J. Survey of the international evidence on the causal relationship between energy consumption and growth // J. Econ. Stud. — 2010. — V. 37, N 1. — P. 53-95.
2. Brown J. H., Burnside W. R, Davidson A. D. et al. Energetic limits to economic growth // BioScience. — 2011. — V. 61, N 1. — P. 19-26.
3. Arrow K., Dasgupta P., Goulder L. et al. Are we consuming too much? // J. Econ. Persp. — 2004. — V. 18, N 2. — P. 147-172.
4. EIA, International Energy Outlook 2010 (http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/world.html).
5. Leder F., Shapiro J. N. This time it’s different. An inevitable decline in world petroleum production will keep oil product prices high, causing military conflicts and shifting wealth and power from democracies to authoritarian regimes // Energ. Pol. — 2008. — V. 36, N 8. — P. 2850-2852.
6. Haberl H, Erb K.-H., Krausmann F. et al. Quantifying and mapping the human appropriation of net primary production in Earth’s terrestrial ecosystems // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2007. — V. 104. — P. 12942-12947.
7. Oesterhelt D, Stoeckenius W. Functions of a new photoreceptor membrane // Ibid. — 1973. — V. 70. — P. 2853-2857.
8. Kamen M. D. Primary Processes in Photosynthesis. — New York, London: Academic Press, 1963. — 284 p.
9. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов. — М.: Мир, 1978. — 304 с.
10. Bryant D. A, Frigaard N. U. Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated // Trends Microbiol. — 2006. — V. 14, N 11. — P. 488-496.
11. Шлегель Г. Общая микробиология. — М.: Мир, 1972. — 476 с.
12. Raven J. A. Contributions of anoxygenic and oxygenic phototrophy and chemolithotrophy to carbon and oxygen fluxes in aquatic environments // Aquat. Microb. Ecol. — 2009. — V. 56, N 2. — P. 177-192.
13 Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4 растений: механизмы и регуляция. — М.: Мир, 1986. — 601 с.
14. Knox R. S. Primary process of photosynthesis // Topics in Photosynthesis, ed. J. Barber. — Amsterdam.: Elsevier, 1978. — V. II. — P. 55-82.
15. Monteith J. L. Climate and the efficiency of crop production in Britain // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B, Biol Sci. — 1977. — V. 281, N 2. — P. 277-294.
16. Beadle C. L, Long S. P. Photosynthesis-is it limiting to biomass production? // Biomass. — 1985. — V. 8, N 2. — P. 119-168.
17. Field C. B., Behrenfeld M. J., Randerson J. T, Falkowski P. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components // Science. — 1998. — V. 281, N 5374. — P. 237-240.
18 Haberl H, Erb K. H, Krausmann F. et al. Quantifying and mapping the human appropriation of net primary production in earth’s terrestrial ecosystems // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
2007. — V. 104, N 25. — P. 12942-12944.
19. Gebhardt W. Photosynthetic efficiency // Radiat. Environ. Biophys. — 1986. — V. 25, N 2. — P. 275-288.
20. ASTM G-173-3. — http://rredc.nrel.gov/ solar/spectra/am1.5/.
21. Kasha M. Characterization of Electronic Transitions in Complex Molecules // Discus. Faraday Soc. — 1950. — V. 9, N 1. — P. 14-19.
22. Duysens L. N. M. The path of light energy inphotosynthesis. In: The Photochemical Apparatus, its Structure and Function / / Brookh. Symp. Biol. — 1959. — V. 11. — P. 11-25.
22. Ross R. T, Calvin M. Thermodynamics of light emission and free-energy storage in photosynthesis // Biophys. J. — 1967. — V. 7, N 5. — P. 595-614.
24. Knox R. S. Thermodynamics and the primary processes of photosynthesis // Ibid. — 1969. — V. 9, N 11. — P. 1351-1362.
25. Archer M. D., Bolton J. R. Requirements for ideal performance of photochemical and photovoltaic solar energy converters // J. Phys. Chem. — 1990. — V. 94, N 21. — P. 8028-8036.
26. Porter G. Transfer and Storage of Chemical and Radiation Potential // J. Chem. Soc. Faraday Trans. — 1983. — V. 79, N 2. — P. 473-482.
27. Bolton J. R, Hall D. O. The maximum efficiency of photosynthesis // Photochem. Photo-biol. — 1991. — V. 53, N 4. — P. 545-548.
28. Shikanai T. Cyclic electron transport around photosystem I: genetic approaches // Ann. Rev. Plant. Biol. — 2007. -V. 58. — P. 199-217.
29. Bainbridge G., Madgwick P., Parmar S. et al. Engineering rubisco to change its catalytic properties // J. Exp. Bot. — 1995. — V. 46, N 10. — P.1269-1276.
30. Zelitch I. Plant productivity and the control of photorespiration // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1973. — V. 70, N 2. — P. 579-584.
31. Von Caemmerer S., Quick W. P. Rubisco: physiology in vivo // Photosynthesis: Physiology and Metabolism. (Eds. Leegood R. C., Sharkey T. D., von Caemmerer S.). — Dordrecht: Kluwer Academic, 2000. — P. 85-113.
32. Furbank R. T., Hatch M. D. Mechanism of C4 photosynthesis — the size and composition of the inorganic carbon pool in bundle sheath cells // Plant Physiol. — 1987. — V. 85, N 3. — P. 958-964.
33. Amthor J. S. The McCree-deWit-Penning de Vries-Thornley respiration paradigm: 30 years later // Ann. Bot. — 2000. — V. 86, N 1. — P. 1-20.
34. Zhu X. G, Long S. P., Ort D. R. What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass? // Cur. Opin. Biotechnol. — 2008. — V. 19, N 2. — P. 153-159.
35. Zhu X. G, Long S. P., Ort D. R. Improving photosynthetic efficiency for greater yield // Annu. Rev. Plant Biol. — 2010. — V. 61. — P. 235-261.
36. Walker D. A. Biofuels, facts, fantasy, and feasibility // J. Appl. Phycol. — 2009. — V. 21, N 3. — P. 509-517.
37. Esser P., Pohlmann B., Scharf H. The Photochemical Synthesis of Fine Chemicals with Sunlight // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. — 1994. — V. 33, N 10. — P. 2009-2023.
38. Hoffmann N. Photochemical reactions as key steps in organic synthesis // Chem. Rev. — 2008. — V. 108, N 3. — P. 1052-1103.
39. Schiel C, Oelgem^ller M,, Ortner J., Mattay J. Green photochemistry: the solar-chemical «Photo-Friedel-Crafts acylation» of quinones // Green Chem. — 2001. -V. 3, N 3. — P. 224-228.
40. Золотарьова О. К., Шнюкова Є. І., Сиваш О. О. та ін. Перспективи використання мікрово-доростей у біотехнології. — К: Альтерпрес,
2008. — 236 с.
41. Kalyanasundaram K,, Graetzel M. Artificial photosynthesis: biomimetic approaches to solar energy conversion and storage // Cur. Opin. Biotechnol. — 2010. — V. 21, N1. — P. 298-310.
42. Styring S. Artificial photosynthesis for solar fuels // Faraday Discuss. — 2012. — V. 155, N1. — P. 357-376.
АККУМУЛЯЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ: ФОТОСИНТЕЗ ИЛИ ИСКУССТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
А. А. Сиваш
Институт ботаники им. Н. Г. Холодного НАН Украины, Киев
E-mail: [email protected]
Единственным неисчерпаемым источником энергии на Земле является солнечное излучение. Для определения возможной роли и места фотосинтеза в структуре будущей энергетики первоочередным заданием является теоретическая оценка максимальной эффективности фотосинте-тической аккумуляции солнечной энергии. В работе приведен сравнительный анализ эффективности фотосинтетической трансформации солнечного света в энергию биомассы и фотоволь-таического преобразования электромагнитного излучения в электрический ток. Максимальная теоретически достижимая эффективность фото-синтетического преобразования солнечного света в энергию биомассы составляет для высших растений около 4%. Эффективность прямого преобразования солнечной энергии в электрическую в современных коммерческих солнечных панелях достигает 18%. Сделано заключение о бесперспективности использования фотосинтеза для масштабного получения биотоплива.
Ключевые слова: солнечная энергия, фотосинтез, эффективность фотосинтеза, фотовольтаика.
43. Amao Y., Shuto N., Furuno K. et al. Artificial leaf device for solar fuel production // Ibid. — 2012. — V. 155, N1. — P. 289-296.
44. Green M. A Photovoltaic principles // Phy-sica E. — 2002. — V. 14, N 1. — P. 115-117.
45. Shockley W, QueisserH. J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells // J. Appl. Phys. — 1961. — V. 32, N 3. — P. 510-519.
46. Archer M. D,, Bolton J. R. Requirements for ideal performance of photochemical and photovoltaic solar energy converters // J. Phys. Chem. — 1990. — V. 94, N 28. — P. 8028-8036.
47. Green M. A Third generation photovoltaics: Ultra-high conversion efficiency at low cost // Prog. Photovoltaics. — 2001. — V. 9, N 2. — P.137-144.
48. Hanna M. C., Nozik A J. Solar conversion efficiency of photovoltaic and photoelectrolysis cells with carrier multiplication absorbers // J. Appl. Phys. — 2006. -V. 100, N 7. -P. 074510-1 074510-8.
49. Мачулін В., Литовченко В., Стріха М. Сонячна енергетика: порядок денний для світу і України // Вісн. НАН України. — 2011. — N 5. — С. 30-39.
50. Cabtree G. W., Lewis N. S. Solar Energy Conversion // Phys. Today. — 2007. — V. 60, N 3. — P. 37-42.
ACCUMULATION OF THE SUN ENERGY: PHOTOSYNTHESIS OR ARTIFICIAL SYSTEMS
O. O. Syvash
Kholodny Institute of Botany of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv
E-mail: [email protected]
Solar energy is the sole inexhaustible source of energy for humans. To determine a possible role of photosynthesis in the energetic system of the future it is necessary to estimate theoretically maximal efficiency of photosynthetic accumulation of sun energy. Comparative analysis of efficiency of photosynthetic transformation of sunlight into biomass energy and photovoltaic conversion of electromagnetic radiation into electrical current is given. Theoretically achievable maximum efficiency of terrestrial plants is approximately 4%. The best commercial solar cells showed effeciency of direct conversion of solar power into electrical energy about 18%. It seems unlikely that photosynthesis could be used as a strategic source of bioenergy.
Key words: solar energy, photosynthesis, efficiency of photosynthesis, photovoltaics.
