Účinnost fotosyntézy je podíl světelné energie přeměněné organismy na chemickou energii během fotosyntézy . Fotosyntézu lze zjednodušit z hlediska chemické reakce.
6H20 + 6CO2 + energie → C6H12O6 + 6O2 _ _ _kde C6H12O6 je glukóza ( která se následně změní na jiné cukry , celulózu , lignin a tak dále) . Hodnota fotosyntetické produktivity závisí na tom, co se myslí světelnou energií, tedy zda se bere v úvahu veškeré absorbované světlo a o jaký druh světla se jedná (viz fotosynteticky aktivní záření ). K zachycení jedné molekuly CO 2 je potřeba osm (možná 10 nebo více [1] ) fotonů . Gibbsova energie přeměny jednoho molu CO 2 na glukózu je 114 kcal, zatímco osm molů fotonů o vlnové délce 600 nm obsahuje 381 kcal, což dává nominální účinnost 30 % [2] . Při fotosyntéze však lze efektivně využít pouze světlo v rozsahu od 400 do 720 nm. Ve skutečném slunečním světle dopadá 45 % záření do této oblasti, takže teoretická maximální účinnost přeměny sluneční energie je přibližně 11 %. Ve skutečnosti však rostliny neabsorbují veškeré dopadající sluneční záření (kvůli odrazu, dýchání a potřebě optimální úrovně slunečního záření) a nepřeměňují veškerou energii, kterou nasbírají, na biomasu , což má za následek 3 až 6 % celkové sluneční záření v celkové fotosyntetické produktivitě [1] . Pokud je fotosyntéza neefektivní, pak je nutné zbavit se přebytečné energie, aby nedošlo k poškození fotosyntetického aparátu. Obvykle je taková energie rozptýlena jako teplo ( nefotochemické zhášení ) nebo emitována jako fluorescence chlorofylu .
Níže je uvedena účinnost přeměny sluneční energie na biomasu:
| Rostlina | Účinnost |
|---|---|
| Rostliny, typické | 0,1 % [3] 0,2–2 % [4] |
| Typická plodina rostlin | 1–2 % [3] |
| Cukrová třtina | 7–8 % (maximum) [3] [5] |
Níže je uvedena analýza energie fotosyntézy [6] :
Počínaje slunečním světlem dopadajícím na list:
Jinými slovy: 100 % slunečního záření → biologicky dostupné záření (400-700 nm) je 53 % a 47 % zbývajícího záření není využito → 30 % fotonů se ztrácí kvůli neúplné absorpci 37 % (absorbovaná energie fotonů) → 24 % se ztrácí během přenosu přes anténní komplexy až do energetické hladiny 700 nm, zbývá 28,2 % světelné energie shromážděné chlorofylem → 32 % se přemění na ATP a NADPH a poté na D-glukózu, zbývá 9 % (cukr) → 35-40 % cukru se spotřebuje listy v procesu dýchání a fotorespirace, 5,4 % energie jde na čistý přírůstek biomasy.
Mnoho rostlin spotřebuje většinu své zbývající energie k růstu kořenů. Většina pěstovaných rostlin ukládá od ~0,25 % do 0,5 % energie slunečního záření ve formě biomasy (kukuřičná zrna, bramborový škrob atd.). Jedinou výjimkou je cukrová třtina, která dokáže uchovat až 8 % sluneční energie.
Intenzita fotosyntézy roste lineárně se zvyšující se intenzitou světla, ale postupně dosahuje saturace. V závislosti na plodině, když je osvětlení nad 10 000-40 000 luxů (předpokládá se sluneční světlo), růst fotosyntézy se zastaví. Většina rostlin tedy může využít pouze ~ 10-20 % celkové energie poledního slunečního světla [6] . Plané rostliny (na rozdíl od laboratorních vzorků) však mají mnoho nadbytečných, náhodně orientovaných listů. To umožňuje udržet průměrnou světelnou expozici každého listu hluboko pod nejvyšší úrovní světla v poledne, což umožňuje rostlině dosáhnout úrovně blížící se očekávaným výsledkům laboratorních testů při relativně omezeném osvětlení.
Pouze pokud je intenzita světla nad určitou hodnotou, nazývanou bod kompenzace světla , rostlina absorbuje více oxidu uhličitého, než uvolňuje v důsledku buněčného dýchání .
Systémy měření fotosyntézy nejsou schopny přímo měřit množství světla absorbovaného listem. Křivky odezvy na světlo, které lze měřit a vykreslovat, však umožňují porovnávat fotosyntetickou účinnost různých rostlin.
V roce 2010 studie provedená na University of Maryland prokázala, že fotosyntetické sinice významně přispívají ke globálnímu uhlíkovému cyklu a provádějí asi 20–30 % celkového ukládání světelné energie do energie chemické vazby s intenzitou ~450 terawatty [7] .
Světové postavyPodle výše zmíněné studie je celková fotosyntetická produktivita Země ~1500-2250 terawattů nebo 47,3-71 zetta joulů za rok. Vzhledem k tomu, že výkon slunečního záření dopadajícího na zemský povrch je 178 000 terawattů [7] , je celková účinnost fotosyntézy na planetě mezi 0,84 % až 1,26 % (viz také tepelná bilance Země ).
Typickými surovinami pro výrobu rostlinných biopaliv jsou palmový olej , sójové boby , ricinový olej , slunečnicový olej , světlicový olej , kukuřičný etanol a etanol z cukrové třtiny.
Analýza havajských plantáží palmy olejné tvrdila, že by mohla poskytnout produkci 600 galonů bionafty na hektar za rok, což je 2835 wattů na akr neboli 0,7 W/m 2 [8]. Obvyklá úroveň osvětlení na Havaji je 5,5 kWh / (m 2 den) nebo 230 wattů [9] . Pro konkrétní plantáž palmy olejné, pokud skutečně vyrobí 600 galonů bionafty na akr za rok, znamená to, že přemění 0,3 % dopadající sluneční energie na palivo.
Porovnejte to s typickou fotovoltaickou instalací [10] , která produkuje přibližně 22 W/m2 ( přibližně 10 % průměrného slunečního záření) v průběhu roku. Fotovoltaické panely navíc vyrábějí elektřinu, což je vysoce uspořádaná forma energie , a přeměna bionafty na mechanickou energii znamená ztrátu značné části energie. Na druhou stranu je kapalné palivo pro vozidlo mnohem pohodlnější než elektřina, která se musí skladovat v těžkých, drahých bateriích.
C3 rostliny používají Calvinův cyklus k fixaci uhlíku . U rostlin C 4 je tento cyklus modifikován tak, že Rubisco je izolováno od vzdušného kyslíku a fixace uhlíku v mezofylových buňkách prochází oxaloacetátem a malátem , které jsou následně transportovány do lokalizačního místa Rubisco a dalších enzymů Calvinova cyklu. , izolované v buňkách pláště vodivého svazku, kde dochází k uvolňování CO 2 . Na rozdíl od C4 nejsou v CAM rostlinách Rubisco (a další enzymy Calvinova cyklu) izolovány prostorově, ale dočasně od vysoké koncentrace kyslíku uvolněného během fotosyntézy, protože O 2 se uvolňuje během dne a atmosférický CO 2 je fixován v noci a uloženy jako kyselina jablečná. Během dne udržují CAM rostliny průduchy uzavřené a používají kyselinu jablečnou uloženou v noci jako zdroj uhlíku pro syntézu cukru.
C 3 -fotosyntéza vyžaduje 18 ATP pro syntézu jedné molekuly glukózy, zatímco C 4 -cesta k tomu spotřebuje 20 ATP. I přes vysokou spotřebu ATP je fotosyntéza C 4 velkou evoluční výhodou, protože umožňuje adaptaci na oblasti s vysokým osvětlením, kde je zvýšená spotřeba ATP více než kompenzována vysokou intenzitou světla. Schopnost prospívat navzdory omezené dostupnosti vody zvyšuje schopnost využívat dostupné světlo. Jednodušší cesta fotosyntézy C3, která funguje u většiny rostlin, je přizpůsobena vlhkým podmínkám se slabým osvětlením, jaké se vyskytují v severních zeměpisných šířkách. Kukuřice , cukrová třtina a čirok jsou rostliny C4 . Tyto rostliny jsou ekonomicky důležité částečně kvůli jejich relativně vysoké fotosyntetické účinnosti ve srovnání s mnoha jinými plodinami.