Повышение эффективности использования солнечного света растениями

С. Н. Пакулов,
кандидат физико-математических наук

Повышение эффективности использования солнечного света растениямиСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ производство начинается с процесса фотосинтеза в зеленых растениях, для чего требуется солнечная энергия, наличие достаточного количества воды и углекислого газа. В результате образуется биомасса растений. Но процесс фотосинтеза имеет чрезвычайно низкую эффективность, в основном из-за слабого использования солнечной энергии зелеными растениями.

Во всех фотосинтезирующих организмах, за исключением бактерий, органические вещества вырабатываются из углекислого газа и воды с выделением кислорода. Фотосинтезирующие процессы в высших растениях и некоторых водорослях осуществляются в их клеточных структурах - хлоропластах, внутренняя мембрана которых особым образом упакована. Именно в этой мембране локализуются все пигменты, а также ферменты, необходимые для первичных фотореакций. Хлоропласты содержат пигменты: хлорофилл (зеленого цвета) - в растениях и сине-зеленых водорослях, каратиноиды - каротины (оранжевого цвета), ксантофиллу (желтого цвета), а также фика-билипротеиды - в красных и сине-зеленых водорослях. Свет поглощают все пигменты, но только активные фотосинтезирующие пигменты выполняют при этом фотохимическую работу, необходимую для построения биомассы растений. Хлорофиллы поглощают свет в ультрафиолетовой, синей и красной областях спектра, каратиноиды - в ультрафиолетовой, синей и сине-зеленой областях. В зеленой и желтой областях свет не поглощается и фотосинтез не происходит. Хотя коэффициент полезного действия (КПД) использования солнечной энергии растениями теоретически был оценен в пределах 10-20 %, фактически используется меньше 1 % солнечной энергии. Отметим, что в тропическом климате этот процесс реализуется растениями с более высоким КПД. Но даже у растений типа сахарного тростника, в котором эффективность фотосинтеза очень высока, средний КПД не превышает 3 % в течение всего периода роста.

Повышение эффективности использования солнечного света растениямиМногочисленные исследования показали, что эффективность хлоропластов, которые поглощают в основном в ультрафиолетовом диапазоне света и немного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (солнечный свет состоит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений), не может быть существенно увеличена. Это означает, что производство биомассы сельскохозяйственных продуктов достигло максимального уровня. При этом, если учитывать области спектра падающего солнечного света, которые не участвуют в процессе фотосинтеза, то можно сделать вывод что используется не более 20 % всей энергии падающего солнечного света. Следовательно, для увеличения производства биомассы необходимо, в первую очередь, сделать возможным использование видимого света и инфракрасного излучения. В совокупности неиспользованный видимый свет и инфракрасное излучение составляют приблизительно 80 % общей солнечной энергии. Таким образом, если задействовать весь диапазон солнечного света, то можно существенно увеличить биомассу, следовательно, и объемы производства сельскохозяйственных растений.

Эффективные микроорганизмы (ЭМ), в отличие от хлорофилла растений, могут поглощать весь видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. ЭМ, поглощая свет и синтезируя биологически активные вещества в процессе своей жизнедеятельности, в дальнейшем служат питательной средой для растений. Поэтому симбиоз (сосуществование) растений и микроорганизмов в принципе может решить проблему усвоения всего спектра солнечного излучения. При вышеупомянутых КПД усвоения солнечного света в отдельности у растений и микроорганизмов система (растение + микроорганизмы) окажется в этом вопросе в пять раз более эффективной. Следует отметить, что в семействе фотосинтезирующих микроорганизмов встречаются виды со значительно более высоким КПД усвоения энергии солнечного света.

Повышение эффективности использования солнечного света растениямиТаким образом, дальнейшее совершенствование сельскохозяйственного производства связано с заменой отдельного растения системой (растение + микроорганизмы), что теоретически может в пять раз увеличить объем сельскохозяйственного производства за счет поглощения всего спектра солнечного излучения (вместо 20%, характерных для фотосинтеза растений).

Естественно, в природе всегда существует такой симбиоз растений и микроорганизмов, который в значительной степени определяет урожайность, в зависимости от эффективности этого механизма урожайность может изменяться в несколько раз. Основной задачей использования ЭМ является осознанное целенаправленное воздействие на симбиоз, что является значительным резервом для обеспечения максимальной эффективности системы (растение + микроорганизмы), а в конечном итоге -повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Написать комментарий [отменить ответ]

Внимание: HTML разметка не поддерживается!!