CC BY
21
УДК 63
Лазарев В.М., Корнеев Д.А.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАРБОНОВЫХ ФЕРМ ДЛЯ ФИКСАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Корнеев Даниил Александрович, бакалавр 1 -го года обучения, к кафедре не прикреплён; korneev06102002@gmaiLcom.
Лазарев Валерий Михайлович, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва,125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье описывается карбоновая ферма, её возможности в использовании для фиксации атмосферного углерода. Так же авторы рассматривают механизм фотосинтеза, как базисный механизм функционирования карбоновой фермы. На основе калориметрического анализа поверхности листа делается вывод об интенсивности процесса фотосинтеза различных растений в отличающихся температурных условиях.
Ключевые слова: фиксация углерода; глобальное потепление; фотосинтез; карбоновая ферма; парниковый эффект
THE USE OF CARBON FARMS FOR CARBON DIOXIDE FIXATION
Korneev D.A., Lazarev V.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article describes a carbon farm and its usage to fixate the atmosphere carbon. Also the authors consider to mechanism ofphotosynthesis as a base mechanism in carbon farms work. Based on calorimetric analysis of leaf authors make a conclusion about intensity of photosynthesis in different temperature environment. Key words: carbon fixation; global warming; photosynthesis; carbon farm; greenhouse effect
Введение
В настоящее время человечество столкнулось с проблемой глобального потепления связанного с увеличением парникового эффекта [1,2], вызванного нарушением природного круговорота углерода (рис. 1). Большой вклад в увеличение парникового эффекта вносит диоксид углерода (CO2), который за последние несколько сотен лет стал активно выделятся в атмосферу ввиду увеличения объёмов сжигаемого человеком топлива (уголь, продукты переработки нефти, природный газ) [1,2].
Рис. 1. Круговорот углерода.
Углерод, миллионами лет копившийся в литосфере, начал выделятся в атмосферу, а леса, численность которых редеет с каждым годом, не могут возвращать углерод в литосферу и поддерживать прежний состав воздух. Во многом данная проблема обусловлена условиями, в которых происходило запасание углерода в литосфере, а точнее их отсутствием. Таким образом перед нами стоит задача увеличение продуктивности фиксации углекислого газа
растениями и разработка наиболее рациональных и эффективных методов хранения или же использования полученного в результате фотосинтеза углерода [2].
Механизм фотосинтеза и его эффективность в различных условиях.
Всем нам хорошо известно общее уравнение реакции фотосинтеза: 6 молекул диоксида углерода,6 молекул воды образуют одну молекулу глюкозы и 6 молекул кислорода [3]. Однако, рассматривая механизм фотосинтеза мы обнаружим множество факторов, способных повлиять на его эффективность, тогда приведённое выше уравнение покажется больше уравнением в идеальных условиях. В реальности у фотосинтеза имеется большое количество лимитирующих факторов, которые включают в себя:
1)Тепло окружающей среды во многом определяет скорость фотосинтеза как в конкретный период времени (разница температур поверхности листа и окружающей среды ввиду того, что фотосинтез является эндотермической реакцией и не возможен при пониженных температурах) так и своим влиянием на жизнедеятельность растения в целом (повреждения растений под действием сильно повышенной или пониженной температуры ведут к уменьшению эффективности фотосинтеза или полной утраты этой функции) [4].
2) Свет является не менее лимитирующим фактором чем тепло. Он переводит хлорофилл в возбуждённое состояние, инициирует процессы фотосинтеза и фотолиза воды. Отсутствие света делает процесс фотосинтеза невозможным [4].
3) Вода, как важнейшая молекула всех биологических систем сильно ограничивает эффективность фотосинтеза при её недостатке как из-за ограничения всех жизненных функций в целом, так и из-за прямой зависимости эффективности фотосинтеза от тургорного давления в фотосинтезирующих тканях, при сильном уменьшении тургора фотосинтез прекращается совсем [4].
Проект карбоновой фермы и методы его реализации.
Карбоновыми фермами называют различные сельскохозяйственные методы, направленные на поглощение углекислого газа из атмосферы и его дальнейшей фиксации на длительные периоды времени. Реализуются карбоновые фермы многими путями: озеленение огромных вырубленных пространств деревьями, максимально эффективно фиксирующими углерод из атмосферы, выращивание больших объёмов морских водорослей[6] и их захоронение в глубинах океана, восстановлением болот[5].
Частично все эти проекты смогут увеличить объёмы углекислого газа, вовлекаемого в круговорот углерода, однако, как было упомянуто выше, углерод в современных реалиях больше не может быть погребён в виде угля или природных углеводородов, из-за чего-то количество диоксида углерода, которое человечество высвободило за сотни лет так и
останется несвязанным и влияющим на парниковый эффект. Предполагается несколько путей реализации проекта. Восстановление лесов, строительство карбоновых полигонов с участием самых эффективных растений-фиксаторов углерода. Довольно существенным увеличением
продуктивности таких растений на полигонах является их генетическая модификация, с помощью которой можно добиться увеличения эффективности фотосинтеза. Дополнительной мерой для увеличения продуктивности высаженных деревьев может послужить отбор пород или гибридов деревьев на основе скорости их роста и интенсивности фотосинтеза.
Исследовательская работа.
В данной работе проводится изучение эффективности фотосинтеза различных растений в период активной вегетации. Производится термохимическая оценка эффективности фотосинтеза различных растений, на основе термической оценки поверхности листа и сравнения полученной температуры с энтальпией образования одной молекулы глюкозы в ходе эндотермической реакции. На основе полученных данных делается вывод об возможностях использования различных растений в проектах карбоновых ферм, рациональности использованного метода анализа эффективности, необходимости его доработки.
Таблица 1. Оценка термическое сравнение температур фотосинтезирующих частей растения
'Исследуемый образец Температуры, С° Изменение температуры, Л^ С° Среднее изменение температуры, Л^ С°
19.07 09.08 24.08 19.07 09.08 24.08
Сосна 23,8 20,1 20,3 4,2 8,9 10,7 7,933333
Дуб 23,3 18,7 23,3 4,7 10,3 7,7 7,566667
Ель 23,9 18,9 26,2 4,1 10,1 4,8 6,333333
Орех 26,8 19,1 22,6 1,2 9,9 8,4 6,5
Крапива 23,6 21,4 20,5 4,4 7,6 10,5 7,5
Малина 23,3 19,6 22,1 4,7 9,4 8,9 7,666667
Овёс 24,2 20,4 25,4 3,8 8,6 5,6 6
Смородина 22,1 19,1 23,3 5,9 9,9 7,7 7,833333
Трава 23,7 25,4 18,8 2,7 1,4 1,9 2
Температура почвы* 26,4 26,8 20,7 - - - -
Температура воздуха 28 29 31 - - - -
*для оценки эффективности травы рациональнее использовать температуру на поверхности почвы, как температуру среды, в которой находятся фотосинтезирующие части.
Для каждого растения производится измерение температуры поверхности фотосинтезирующей части, после чего, высчитывается разница температуры окружающей среды и фотосинтезирующей части в соответствующее время замера температуры. Полученную разность температуры вносят в таблицу, высчитывают среднее значение изменения температуры, по этому значению производится сравнение эффективности фотосинтеза на основе знания о том, что фотосинтез является реакцией протекающей с поглощением тепла. Таким образом растение с наибольшей средней разницей температур будет самым эффективным на карбоновых полигонах.
Лt=tсреды-tобразца - изменение температуры в процессе фотосинтеза; Л1=(£ЛЪ)Л - среднее изменение температуры
Заключение
На основе представленной в статье информации, а также проделанной работы делается вывод о действительной роли карбоновых ферм в фиксации углерода, их влиянии на снижение парникового эффекта, и предлагаются методы использования углерода, полученного на карбоновых фермах. Главным образом оспаривается возможность полностью устранить действие парникового эффекта на землю посредством использования карбоновых ферм. В первую очередь карбоновые фермы служат лишь временной мерой, позволяющей человечеству увеличить время на разработку соответствующих технологий, способных полностью побороть парниковый эффект или же его под контроль. Необходимо также провести дополнительное исследование по поводу подбору кандидатов на использование на карбоновых полигонах в средней полосе Российской Федерации.
Список литературы
1. EPA. Greenhouse Gas Emissions [Электронный ресурс] // U.S. Environmental Protection Agency: сайт. — URL: https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases (дата обращения 10.04.2021)
2. Устойчивое развитие [Электронный ресурс] сайт. — URL:
https://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/climate-change/ (дата обращения 10.04.2021)
3. Эффективность фотосинтеза [Электронный ресурс] // Википедия, свободная энциклопедия сайт.
4. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффективность_фотосин теза (дата обращения 10.04.2021)
5. Крамер, П. Д. Физиология древесных растений [Текст] / Пол Д. Крамер, Теодор Т. Козловский ; пер. с англ. И. Г. Завадской и др. -Москва : Лесн. пром-сть, 1983. - 462 с..
6. Zedler, Joy B.; Kercher. "WETLAND RESOURCES: Status, Trends, Ecosystem Services, and Restorability"
7. Duarte, Carlos M.; Wu, Jiaping; Xiao, Xi; Bruhn, Annette; Krause-Jensen. "Can Seaweed Farming Play a Role in Climate Change Mitigation and Adaptation?" [Электронный ресурс] // Frontiers in Marine Science сайт. — URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2017. 00100/full (дата обращения 10.04.2021)
