광합성 효율

Photosynthetic efficiency

광합성 효율은 녹색 식물과 조류에서 광합성을 하는 동안 빛 에너지가 화학 에너지로 변환되는 비율입니다.광합성은 간단한 화학 반응으로 설명할 수 있다.

62 HO + 6 CO2 + 에너지 → CHO6126 + 6 O2

여기서6126 CHO는 포도당이다(이후 다른 당, 녹말, 셀룰로오스, 리그닌 등으로 변환된다).광합성 효율의 값은 광에너지가 어떻게 정의되는지에 따라 달라집니다.광합성은 흡수되는 빛만을 세느냐와 사용되는 빛의 종류에 따라 달라집니다(광합성이론적으로 활성화된 방사선 참조).한 분자의 CO를2 사용하려면 8개의 (또는 10개 이상의[1]) 광자가 필요합니다.CO 몰을2 포도당으로 변환하기 위한 Gibbs 자유 에너지는 114 kcal이며, 파장 600 nm의 광자 8 몰은 381 kcal를 포함하고 있어 명목 효율은 30%[2]이다.그러나 광합성은 680 nm 미만의 파장에서 빛이 계속 작동한다면 720 nm 파장의 빛으로 발생할 수 있습니다(클로로필 참조).더 긴 파장을 사용하는 것은 같은 수의 광자에 더 적은 양의 광합성에 더 적은 빛 에너지가 필요하다는 것을 의미한다.빛의 45%만이 광합성 활성 파장 범위에 있는 실제 햇빛의 경우, 태양 에너지 변환의 이론적인 최대 효율은 약 11%이다.그러나 실제로 식물은 들어오는 모든 햇빛을 흡수하지 않으며(반사, 광합성의 호흡 요건 및 최적의 태양 복사 수준의 필요성 때문에) 수확된 모든 에너지를 바이오매스로 변환하지 않는다. 따라서 전체 광합성 효율은 전체 태양 방사선의 3~[1]6%에 이른다.광합성이 비효율적일 경우 광합성기구를 손상시키지 않기 위해 여분의 빛 에너지를 방출해야 합니다.에너지는 열(비광화학 담금질)로 소멸되거나 클로로필 형광으로 방출될 수 있습니다.

표준 효율

식물

견적된 값: 태양광 대 바이오매스 효율

식물. 효율성.
식물, 표준 0.[3]1% 이상

0.2~[4]2 %
1%[5] 미만

전형적인 작물 식물 1~2%[3]
C3 플랜트, 피크 3.5 [5]%
C4 플랜트, 피크 4.3%[5]

다음은 Hall과 [6]Rao에 의한 광합성 과정의 에너지학 분석입니다.

태양 스펙트럼이 나뭇잎 위에 떨어지는 것부터 시작해서

  • 400~700nm의 활성 범위를 벗어난 광자로 인해 47%가 손실된다(클로로필은 400~700nm의 광자를 사용하며, 각각에서 700nm의 광자 에너지를 추출한다).
  • 인밴드 광자의 30%는 흡수가 불완전하거나 엽록체 이외의 성분에 부딪혀 손실된다.
  • 흡수된 광자 에너지의 24%가 700 nm 에너지 수준으로 단파장 광자를 분해하여 손실된다.
  • 사용 에너지의 68%가 d-matrix로 변환될 때 손실됩니다.
  • 포도당의 35-45%는 잎에 의해 암호흡 및 광호흡 과정에서 소비된다.

다른 방법으로 설명:

  • 100% 햇빛 → 바이오 비사용 광자 폐기물은 47%이며, 남은 광자는
  • 53%(400~700nm 범위) → 광자의 30%가 불완전한 흡수로 인해 손실되어 남는다.
  • 37%(광자 에너지) → 24%가 700nm 에너지로 파장-파장 저하로 손실되어 남는다.
  • 28.2%(클로로필에 의해 수집된 에너지) → 68%는 ATP와 NADPH를 d-아세틸로 변환하는 과정에서 손실되어 남는다.
  • 9%(설탕으로 표시됨) → 설탕의 35-40%는 잎에 의해 어둡고 광호흡으로 재활용/환원되어 남는다.
  • 순리프 효율 5.4%

많은 식물들은 뿌리가 자라면서 남아 있는 에너지의 많은 부분을 잃는다.대부분의 작물 식물은 제품(옥수수 알맹이, 감자 녹말 등)의 0.25%에서 0.5%까지 햇빛을 저장합니다.

광합성은 낮은 강도에서는 빛의 강도에 따라 선형적으로 증가하지만, 더 높은 강도에서는 더 이상 그렇지 않습니다(광합성-방사율 곡선 참조).약 10,000룩스 또는 ~100와트/제곱미터 이상에서는 속도가 더 이상 증가하지 않습니다.따라서 대부분의 식물은 한낮의 햇빛 강도의 10%[6]까지만 사용할 수 있습니다.이는 최고 실험실 결과와 비교하여 필드에서 달성된 평균 광합성 효율을 극적으로 감소시킵니다.그러나 실제 발전소(실험실 테스트 샘플과 달리)에는 무작위 방향으로 중복된 잎이 많이 있다.이를 통해 각 잎의 평균 조도를 정오 피크보다 훨씬 낮게 유지함으로써 발전소는 제한된 조도를 사용하여 예상되는 실험실 테스트 결과에 더 가까운 결과를 얻을 수 있다.

빛의 강도가 보상 지점이라고 불리는 식물 고유의 값보다 클 경우에만 식물은 자신의 현재 에너지 수요를 위해 세포 호흡에 의해 소비되는 것보다 더 많은 탄소를 흡수하고 광합성에 의해 더 많은 산소를 방출합니다.
광합성 측정 시스템은 잎에 흡수되는 빛의 양을 직접 측정하도록 설계되지 않았습니다.그럼에도 불구하고, 클래스가 생성하는 광반응 곡선은 식물들 간의 광합성 효율성을 비교할 수 있게 한다.

조류 및 기타 단세포 생물

2010년 메릴랜드 대학의 연구에 따르면 광합성 시아노박테리아는 지구 광합성 생산성의 20-30%를 차지하며 약 450TW의 [7]속도로 태양 에너지를 바이오매스 저장 화학 에너지로 변환하는 지구 탄소 순환에서 중요한 종으로 나타났다.홍조류나 시아노박테리아에서 주로 볼 수 있는 B-피코에리스린 같은 색소는 다른 식물에 비해 광수집 효율이 훨씬 높다.이러한 유기체는 잠재적으로 태양 전지판 설계를 [8]개선하기 위한 생체모방 기술의 후보이다.

다양한 바이오 연료 작물의 효율성

식물 바이오 연료의 인기 있는 선택은 다음과 같습니다: 오일 팜, 콩, 피마자유, 해바라기 오일, 홍화 오일, 옥수수 에탄올, 사탕수수 에탄올.

2008년 하와이 기름 야자수 재배 전망에 따르면 "조류는 연간 에이커당 5000~1만 갤런의 기름을 생산할 수 있다"며 "자트로파는 250~350갤런, 팜유는 600~800갤런의 기름을 생산할 수 있다"고 밝혔다.에이커당 26kW 또는 7W/[9]m입니다2.하와이의 전형적인 일사량은 약 230 W/[10]m이므로2, 입사 태양 에너지의 3%를 화학 연료로 전환한다.총 광합성 효율은 바이오디젤 오일 이상을 포함하므로 이 수치는 하한치입니다.

이를 연간 평균 약 22 [11]W/m2(평균 일사의 약 10%)를 생성하는 일반적인 태양광 발전 시설과 대조해 보십시오.게다가, 태양광 발전 패널은 고품질의 에너지 형태인 전기를 생산하지만, 바이오디젤을 기계적 에너지로 변환하는 것은 에너지의 많은 부분을 잃게 된다.반면에 액체 연료는 무겁고 비싼 배터리에 저장되어야 하는 전기보다 자동차에 훨씬 더 편리하다.

대부분의 작물 식물은 제품(옥수수 알맹이, 감자 녹말 등)의 0.25%~0.5%를 저장합니다.브라질의 에탄올 연료는 다음과 같이 계산됩니다. "1헥타르당 연간 생산되는 바이오매스는 0.27TJ에 해당합니다.이는 0.86 W/m에2 해당합니다.수크로스는2 성숙한 식물에 저장된 화학에너지의 30%를 조금 넘고 수확 시 밭에 남는 잎과 줄기 끝에 35%, [12][13]압착 후 남은 섬유질 물질(봉투)에 35%를 차지한다.

C3 플랜트와 C4 플랜트 및 CAM 플랜트 비교

C3 식물은 탄소를 고정하기 위해 캘빈 회로를 사용한다.C4 식물은 리불로스-1,5-이인산카르복실화효소산소화효소(RuBis)를 분리하는 변형된 캘빈 회로를 사용한다.CO) 대기 산소로부터 중엽 세포에 탄소를 고정하고 옥살아세트산 및 말산을 사용하여 고정 탄소를 RuBis로 운반한다.CO와 나머지 캘빈 회로 효소들은 묶음-초막 세포에서 분리되었다.중간 화합물들은 모두 4개의 탄소 원자를 포함하고 있으며, 이것은 C4를 생성한다.크라스라세안산대사(CAM)에서 시간은 기능하는 RuBisCO(및 다른 캘빈회로효소)를 광합성에 의해 생성된 고농도 산소농도에서 분리하며, 낮에는 O가 진화하고, 밤에는 대기 중2 CO가 흡수되어 말리산 또는 다른 산으로 저장된다2.낮 동안 CAM 공장은 기공을 닫고 저장된 산을 설탕 등의 생산을 위한 탄소원으로 사용합니다.

C3 경로는 포도당 1분자의 합성에 18 ATP와 12 NADPH를 필요로 하는 반면, C4 경로는 30 ATP와 12 NADPH(고정 CO당 1222 ATP)를 필요로 한다.또한 각 NADPH가 3 ATP에 해당한다는 것을 고려할 수 있습니다. 즉, 두 경로 모두 36개의 추가 ATP(더 나은 인용 필요)가[14] 필요합니다.이러한 감소된 ATP 효율에도 불구하고, C4는 증가된 빛을 사용함으로써 감소된 ATP 효율이 상쇄되는 높은 수준의 빛 영역에 적응된 진화적인 발전이다.물의 가용성이 제한됨에도 불구하고 번영할 수 있는 능력은 사용 가능한 빛을 사용하는 능력을 극대화한다.대부분의 식물에서 작동하는 더 단순한 C3 사이클은 많은 북반구 [citation needed]위도와 같이 더 습한 환경에 적응된다.옥수수, 사탕수수, 수수 등은 C4 식물이다.이 식물들은 다른 많은 작물에 비해 상대적으로 광합성 효율이 높기 때문에 부분적으로 경제적으로 중요하다.파인애플은 CAM 식물입니다.

조사.

광호흡

효율에 초점을 맞춘 연구 주제 중 하나는 광호흡의 효율성을 향상시키는 것입니다.RuBis의 약 25%CO는 CO 대신
2 산소 분자를 잘못 수집하여 광합성 과정을 방해하는 CO와 암모니아를 생성한다
2.식물은 광호흡을 통해 이러한 부산물을 제거하는데, 그렇지 않으면 광합성 생산량을 증가시킬 수 있는 에너지와 영양분을 필요로 합니다.C3 식물에서 광호흡은 광합성 [15]에너지의 20-50%를 소비할 수 있다.

인공담배

그 연구는 담배의 광합성 경로를 단축시켰다.인공 작물들은 더 크고 더 빠르게 자라나 바이오매스를 40퍼센트 더 생산했다.이 연구는 합성 생물학을 이용하여 새로운 대사 경로를 구축하고 운반체 RNAi의 유무에 관계없이 그 효율성을 평가했다.가장 효율적인 경로를 통해 광사용 효율이 17%[15] 증가했습니다.

엽록체생성

엽록체 [16]전사를 활성화하는 두 가지 비촉매 티오레독신 유사 단백질인 RCB와 NCP에 대한 연구가 이루어지고 있다.정확한 메커니즘을 아는 것은 (즉, 유전자 변형을 통해)[17] 광합성을 증가시키는 데 유용할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b 지속 불가능한 에너지 생산을 위한 재생 가능한 생물학적 시스템.FAO 농업 서비스 회보(1997).
  2. ^ Stryer, Lubert (1981). Biochemistry (2nd ed.). p. 448. ISBN 978-0-7167-1226-8.
  3. ^ a b Govindjee, 광합성이란 무엇인가?
  4. ^ 녹색 태양 집열기; 햇빛을 조류 바이오매스 바게닝겐 대학 프로젝트(2005-2008)
  5. ^ a b c Blankenship, Robert E.; Tiede, David M.; Barber, James; Brudvig, Gary W.; Fleming, Graham; Ghirardi, Maria; Gunner, M. R.; Junge, Wolfgang; Kramer, David M. (2011-05-13). "Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement". Science. 332 (6031): 805–809. doi:10.1126/science.1200165. ISSN 0036-8075. PMID 21566184. S2CID 22798697.
  6. ^ a b David Oakley Hall; K. K. Rao; Institute of Biology (1999). Photosynthesis. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64497-6. Retrieved 3 November 2011.
  7. ^ Pisciotta JM, Zou Y, Baskakov IV (2010). "Light-Dependent Electrogenic Activity of Cyanobacteria". PLOS ONE. 5 (5): e10821. doi:10.1371/journal.pone.0010821. PMC 2876029. PMID 20520829.
  8. ^ 조류의 기발한 '컨트롤 패널'은 미래 태양전지의 초효율화를 위한 청사진을 제공한다.
  9. ^ Rob Parsons (September 11, 2008). "Slime for change". MauiTime.
  10. ^ 하와이.Rredc.nrel.gov 를 참조해 주세요.2011-11-03에 취득.
  11. ^ 내 뒷마당(IMBY) 홈페이지Nrel.gov (2010-12-23)2011-11-03에 취득.
  12. ^ Hassan AB, kutigi GI and Tanko OO (2018). "Production of BioEthanol and Bio-Based Materials From Sugar Cane Bagasse". Zaria Journal of Educational Studies. (ZAJES). 19.
  13. ^ da Rosa, A (2005). Fundamentals of Renewable Energy Processes. Elsevier. pp. 501–502. ISBN 978-0-12-088510-7.
  14. ^ "Biology –C4 Cycle - askIITians". www.askiitians.com.
  15. ^ a b South, Paul F.; Cavanagh, Amanda P.; Liu, Helen W.; Ort, Donald R. (2019-01-04). "Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field". Science. 363 (6422): eaat9077. doi:10.1126/science.aat9077. ISSN 0036-8075. PMC 7745124. PMID 30606819.
  16. ^ NCP는 피토크롬 의존적인 이중 핵 및 플라스티디얼 스위치를 제어함으로써 엽록체 전사를 활성화한다.
  17. ^ 뉴사이언티스트, 2019년 9월