Effektiviteten af fotosyntese er andelen af lysenergi , der omdannes af organismer til kemisk energi under fotosyntesen . Fotosyntese kan forenkles i form af en kemisk reaktion.
6H 2 O + 6CO 2 + energi → C 6 H 12 O 6 + 6O 2hvor C 6 H 12 O 6 er glucose (som efterfølgende vil blive til andre sukkerarter , cellulose , lignin og så videre). Værdien af fotosyntetisk produktivitet afhænger af, hvad der menes med lysenergi, altså om der tages højde for alt absorberet lys, og hvilken slags lys det er (se fotosyntetisk aktiv stråling ). Det kræver otte (måske 10 eller flere [1] ) fotoner at fange et CO 2 -molekyle . Gibbs-energien ved at omdanne et mol CO 2 til glukose er 114 kcal , mens otte mol fotoner med en bølgelængde på 600 nm indeholder 381 kcal, hvilket giver en nominel effektivitet på 30 % [2] . Imidlertid kan kun lys i området fra 400 til 720 nm effektivt bruges i fotosyntese. I virkeligt sollys falder 45 % af strålingen ind i dette område, så den teoretiske maksimale konverteringseffektivitet for solenergi er cirka 11 %. Men i virkeligheden absorberer planter ikke alt det indfaldende sollys (på grund af refleksion, respiration og behovet for et optimalt niveau af solstråling) og omdanner ikke al den energi, de opsamler til biomasse , hvilket resulterer i 3 til 6 % af total solstråling i total fotosyntetisk produktivitet [1] . Hvis fotosyntesen er ineffektiv, så er det nødvendigt at slippe af med overskydende energi for at undgå beskadigelse af fotosynteseapparatet. Typisk spredes sådan energi som varme ( ikke-fotokemisk quenching ) eller udsendes som klorofylfluorescens .
Nedenfor er effektiviteten af at konvertere sollys energi til biomasse:
| Plante | Effektivitet |
|---|---|
| Planter, typiske | 0,1 % [3] 0,2-2 % [4] |
| Typisk afgrøde af planter | 1-2 % [3] |
| Sukkerrør | 7-8 % (maksimum) [3] [5] |
Nedenfor er en analyse af fotosyntesens energi [6] :
Starter med sollys, der falder på et blad:
Med andre ord: 100 % af sollys → biotilgængelig stråling (400-700 nm) er 53 %, og 47 % af den resterende stråling bruges ikke → 30 % af fotoner går tabt på grund af ufuldstændig absorption på 37 % (absorberet fotonenergi) → 24 % går tabt under overførsel gennem antennekomplekser op til et energiniveau på 700 nm, hvilket efterlader 28,2 % af lysenergien opsamlet af klorofyl → 32 % omdannes til ATP og NADPH og derefter til D-glukose, hvilket efterlader 9 % (sukker) → 35-40% af sukker forbruges blade i processen med respiration og fotorespiration, 5,4% af energien går til nettostigningen i biomasse.
Mange planter bruger det meste af deres resterende energi til at dyrke rødder. De fleste dyrkede planter lagrer fra ~0,25% til 0,5% af sollysets energi i form af biomasse (majskerner, kartoffelstivelse osv .). Den eneste undtagelse er sukkerrør, som kan lagre op til 8 % af solenergien.
Intensiteten af fotosyntesen stiger lineært med stigende lysintensitet, men når gradvist mætning. Afhængigt af afgrøden, når belysningen er over 10.000-40.000 lux (sollys er underforstået), stopper væksten af fotosyntese. De fleste planter kan således kun bruge ~10-20% af den samlede energi fra middagssollys [6] . Men vilde planter (i modsætning til laboratorieprøver) har mange overflødige, tilfældigt orienterede blade. Dette gør det muligt at holde den gennemsnitlige lyseksponering for hvert blad et godt stykke under middagsspidslysniveauet, hvilket gør det muligt for planten at opnå niveauer tættere på de forventede laboratorietestresultater under relativt begrænset lys.
Kun hvis lysintensiteten er over en vis værdi, kaldet lyskompensationspunktet , optager planten mere kuldioxid, end den frigiver som følge af cellulær respiration .
Fotosyntese målesystemer er ikke i stand til direkte at måle mængden af lys absorberet af et blad. Men lysresponskurver, der kan måles og plottes, gør det muligt at sammenligne forskellige planters fotosynteseeffektivitet.
I 2010 viste en undersøgelse udført ved University of Maryland , at fotosyntetiske cyanobakterier yder et væsentligt bidrag til det globale kulstofkredsløb og udfører omkring 20-30% af den samlede lagring af lysenergi til kemisk bindingsenergi med en intensitet på ~450 terawatt [7] .
VerdensfigurerIfølge undersøgelsen nævnt ovenfor er jordens samlede fotosyntetiske produktivitet ~1500-2250 terawatt eller 47,3-71 zetta joule om året. I betragtning af at effekten af solstråling, der når jordens overflade er 178.000 terawatt [7] , er den samlede effektivitet af fotosyntese på planeten mellem 0,84 % og 1,26 % (se også Jordens varmebalance ).
Typiske råvarer til produktion af vegetabilske biobrændstoffer er palmeolie , sojabønner , ricinusolie , solsikkeolie , tidselolie , majsethanol og sukkerrørsethanol.
En analyse af hawaiianske oliepalmeplantager hævdede, at den kunne levere en produktion på 600 gallons biodiesel pr. hektar pr. år, hvilket er 2835 watt pr. acre eller 0,7 W/m 2 [8]. Det sædvanlige belysningsniveau på Hawaii er 5,5 kWh / (m 2 dag) eller 230 watt [9] . For en bestemt oliepalmeplantage, hvis den faktisk producerer 600 liter biodiesel pr. hektar om året, betyder det, at den vil omdanne 0,3% af den indfaldende solenergi til brændstof.
Sammenlign dette med en typisk solcelleinstallation [10] , som producerer ca. 22 W/m2 ( ca. 10 % af den gennemsnitlige solstråling) i løbet af et år. Derudover producerer solcellepaneler elektricitet, som er en højt ordnet energiform , og omdannelsen af biodiesel til mekanisk energi medfører tab af en betydelig del af energien. På den anden side er flydende brændstof meget mere bekvemt for et køretøj end elektricitet, som skal opbevares i tunge, dyre batterier.
C3 - planter bruger Calvin -cyklussen til at fikse kulstof . I C 4 - planter modificeres denne cyklus på en sådan måde, at Rubisco isoleres fra atmosfærisk oxygen, og carbonfiksering i mesofylceller går gennem oxaloacetat og malat , som derefter transporteres til lokaliseringsstedet for Rubisco og andre enzymer i Calvin-cyklussen. , isoleret i cellerne i kappen af det ledende bundt, hvor er frigivelsen af CO 2 . I modsætning til C 4 er Rubisco (og andre Calvin-cyklusenzymer) i CAM-planter ikke rumligt, men tidsmæssigt isoleret fra den høje koncentration af oxygen, der frigives under fotosyntesen, da O 2 frigives i løbet af dagen, og atmosfærisk CO 2 er fikseret om natten og opbevares som æblesyre. I løbet af dagen holder CAM-planter deres stomata lukket og bruger æblesyren, der opbevares om natten, som kulstofkilde til sukkersyntese.
C 3 -fotosyntese kræver 18 ATP til syntesen af et glukosemolekyle, mens C 4 -vejen forbruger 20 ATP til dette. På trods af det høje forbrug af ATP er C 4 fotosyntese en stor evolutionær fordel, da den tillader tilpasning til områder med højt lys, hvor det øgede forbrug af ATP mere end opvejes af høj lysintensitet. Evnen til at trives på trods af begrænset vandtilgængelighed øger evnen til at bruge tilgængeligt lys. Den enklere C3-fotosyntesevej, som fungerer i de fleste planter, er tilpasset fugtige forhold med svagt lys, som dem der findes på nordlige breddegrader. Majs , sukkerrør og sorghum er C4- planter. Disse planter er økonomisk vigtige til dels på grund af deres relativt høje fotosyntetiske effektivitet sammenlignet med mange andre afgrøder.