Способы получения энергии растениями

Способы питания и получения энергии растениями

Тема 4. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ

Способы питания и получения энергии растениями

Организмы как открытые системы для поддержания своей жизнедеятельности, получают энергию извне. Эта энергия накапливается в виде энергии химических связей органических соединений. Универсальный источник энергии для всего живого на Земле – энергия солнечной ра­диации. Но способы использования ее живыми организмами различны (табл. 1).

Фотоавтотрофные организмы зависят от световой энергии (зеленые растения и фототрофные прокариоты). Они запасают энергию, образуя первичные органические соединения из неорганических в процессе фотосинтеза.

Гетеротрофные организмы (животные, грибы, большинство прока­риот) не могут создавать органические соединения из неоргани­ческих. В качестве источника углерода они используют органические формы этого элемента. В качестве источника энергии они также используют органические веще­ства, созданные в процессе жизнедеятель­ности фотоавтотрофами.

Хемоавтотрофные организмы (некоторые прокариоты) получают энергию, выделяемую при перестройке молекул минеральных или органических соединений в процессе химических реакций. Источником углерода служат минеральные формы углерода.

В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии, различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Способ питания организмов по источнику углерода и источнику получения энергии

Источник

Электричество из живых растений: зеленые электростанции

Компания под названием Plant-e из Нидерландов трансформирует энергию живых зеленых растений в электрическую, которая будет использоваться в практике. Например, уже сейчас этой энергии может хватить, чтобы обеспечить работу светодиодных осветительных приборов, точек Wi-Fi и зарядки батарей мобильных электронных устройств.

Ученые не перестают заниматься самыми смелыми экспериментами в области биоэнергетики. Получение электрической энергии из живых растений – перспективное направление в этой сфере, которое позволит хотя бы отчасти решить проблему энергообеспечения отдельных регионов планеты с низким уровнем экономического развития. Компания Plant-e из Нидерландов трансформирует энергию растений в электрическую энергию, которую можно использовать в различных целях.

Зеленые электостанции

Электричество можно получать из растений

На сегодняшний день очень актуальна тема новых, дополнительных источников электрической энергии.

Один из альтернативных методов в этой области открыли сотрудники компании Plant-e, которые досконально изучили определенные процессы, имеющие место в биосфере. Для получения электроэнергии голландцы использовали один из побочных продуктов реакции фотосинтеза (это учат на уроках биологии в школе).

Электричество, получаемое из живых растений

Исследователи высаживают растения особого вида в специально подготовленные для этого контейнеры, изготовленные из пластика, площадью до 1/4 метра кв. Растения активно растут и в результате фотосинтеза вырабатывают определенные сахаристые соединения. Объем сахара, который вырабатывают растения, значительно превосходит необходимость в нем этих растений и излишки сахара «сбрасываются» посредством корневой системы обратно в грунт. Сахар, полученный в растениях и попавший в грунт, начинает вступать в реакцию с кислородом в атмосфере и в ходе этой реакции выделяются свободные электроны. Электроды при погружении в грунт собирают свободные электроны, трансформируя их в электрический ток, а объем электричества, которое вырабатывается в данном процессе, вполне достаточен для обеспечения энергией светодиодных осветительных приборов, точек Wi-Fi и даже зарядки батарей мобильных электронных устройств.

Основатели компании Plant-e уверены, что разработанная ими биотехнология выработки электроэнергии найдет применение в слабо развитых и удаленных регионах планеты, там, где естественные условия подходят для роста растений и где, по ряду причин, нет возможности подключать к эксплуатации другие технологии получения энергии.

Прямая трансформация световой энергии в электрическую заложена в принципе работы генераторов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл под действием солнечного света может отдавать и присоединять электроны. М. Кальвин еще в далеком 1972 году предложил концепцию создания фотоэлемента, в котором источником электротока был бы хлорофилл, способный при условии освещения отнимать электроны от заданных веществ и передавать их каким-то другим. Кальвин взял в качестве проводника, вступающего в контакт с хлорофиллом, соединение оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на один квадратный см. Данный фотоэлемент работал непродолжительное время, так как хлорофилл быстро утрачивал свойство отдавать электроны. Чтоб продлить время действия фотоэлемента использовался еще один источник электронов — гидрохинон. В такой системе зеленый пигмент отдавал уже не только свои, но и электроны гидрохинона. Простые математические расчеты гласят, что подобный фотоэлемент площадью 10 квадратных м имеет потенциальную мощность до одного киловатта.

История развития

Профессор Фудзио Такахаси из Японии для выработки электроэнергии брал хлорофилл, полученный из зеленых листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому присоединили солнечную батарейку, благополучно работал. Помимо этого, на Японских островах осуществляются исследования по трансформации солнечной энергии в электрическую при помощи цианобактерий, выращенных в специальной питательной среде. Цианобактерии наносятся тонким слоем на прозрачный электрод из оксида цинка и с противоэлектродом погружают в так называемый буферный раствор. И когда на бактерии попадет свет, в цепи рождается электрический ток. В 1973 году американские ученые У. Стокениус и Д. Остерхельт сделали описание своеобразного белка мембран фиолетовых бактерий из соленых озер Калифорнийской пустыни. Белок этот назвали бактериородопсином. Интересно, что бактериородопсин возникает в мембранах галобактерий при нехватке кислорода. А дефицит кислорода в водоемах наблюдается при активном развитии галобактерий. Посредством бактериородопсина бактерии усваивают солнечную энергию, возмещая имеющийся в результате прекращения дыхания недостаток энергии.

Что такое бактериородопсин

Бактериородопсин выделяют из солелюбивых галобактерий, отправив их в воду (эти бактерии замечательно себя чувствуют в растворе кухонной соли). Галобактерии переполняются водой и лопаются, естественно, их содержимое перемешивается с водной средой. Но мембраны, содержащие бактериородопсин, не поддаются разрушению, так как имеют стойкую “упаковку” своих пигментарных молекул. Эти молекулы образуют белковые кристаллы — фиолетовые бляшки. В них молекулы бактериородопсина сгруппированы в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Бляшки по размеру крупнее остальных компонентов галобактерий, и поэтому их можно выделить методом центрифугирования. В результате промывки центрифугата остается фиолетовая масса пастообразной консистенции. На 75% она состоит из бактериородопсина и на 25% — из фосфолипидов, которые заполняют пространства между белковыми молекулами.

Фосфолипидами называются молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Еще каких-то веществ в центрифугате нет, поэтому создаются удобные условия для экспериментов с бактериородопсином. Данное сложное соединение необычайно устойчиво к воздействию среды. Оно не теряет своей активности при нагреве до 100 °С и спокойно хранится в холодильнике на протяжении лет. Бактериородопсин имеет устойчивость к кислотам и окислителям. Причина этой устойчивости кроется в том, что галобактерии обитают в необыкновенно суровой среде — в насыщенных солевых растворах, например, в водах озер в природной зоне пустынь. В подобной сильно соленой и перегретой среде организмы, с тонкими мембранами не выживают. Этот факт необычайно интересен как возможности бактериородопсина как трансформатора световой энергии в электрическую. Когда мы выпавший в осадок под влиянием ионов кальция бактериородопсин освещаем, то прибор вольтметр продемонстрирует присутствие электрического потенциала на поверхности мембран. Если убрать свет, потенциал пропадает. В итоге было доказано, что бактериородопсин способен выступать в качестве генератора электрического тока.

Белковые генераторы

В лаборатории специалиста в сфере биоэнергетики В. П. Скулачева досконально изучался процесс встраивания бактериородопсина в мембрану и условия работы его как светозависимого генератора электрического тока. Со временем в данной лаборатории были изготовлены электрические элементы с использованием белковых генераторов электрического тока. В таких элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом. Специалисты утверждают, что подобные фильтры с белками-генераторами, если их соединить последовательно, могут выступать в качестве электробатареи.

В университете Калифорнии создали идентичную батарею, которая входе одноразового использования в продолжение 1,5 часов давала светиться электрической лампе. Выводы биоэнергентиков позволяют надеяться, что фотоэлементы на базе бактериородопсина и хлорофилла смогут применяться как генераторы электроэнергии.

Описанные выше опыты — начальный этап в разработке новых типов фотоэлектрических и топливных элементов, трансформирующих световую энергию с высокой результативностью. Видимо, недалек тот день, когда жители Земли станут извлекать «электричество из растений».

Исчерпаемые источники энергии рано или поздно подойдут к концу. На планете иссякнут запасы нефти, газа, угля. И выработка электрической энергии на гидроэлектростанциях, тепловых (работающих на угле), атомных электростанциях станет вчерашним днем. Все эти технологии, активно работающие в ХХ веке, нанесли и продолжают наносить колоссальный вред окружающей среде. А человечество нуждается в электрической энергии как никогда. Представьте, что на ваших гаджетах сели батареи, а монитор домашнего или рабочего компьютера не светится привычным светом. Без электрической энергии жизнь цивилизации будет парализована. Возможно, такие «зеленые» электростанции и подобные им разработки станут панацеей в будущем и спасут людей от энергетического кризиса? Ведь уже сегодня значительную долю электроэнергии получают на альтернативных — ветровых, приливных, волновых станциях. Подобные экологичные пути выработки электроэнергии не наносят вред окружающей среде и со временем помогут отказаться от опасных для человека и природы производств.опубликовано econet.ru.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

Электричество из живых растений, зеленые электростанции.

Голландская компания Plant-e превращает энергию живых растений в электричество, которое может использоваться людьми в своих нуждах.

Электричество из растений

В настоящее время множество исследовательских групп занимаются поисками методов получения энергии буквально «из чистого воздуха». Один из таких методов уже удалось обнаружить специалистам голландской компании Plant-e, которые очень пристально и тщательно изучили некоторые процессы, протекающие в живой природе. Для получения электрической энергии они используют один из побочных продуктов фотосинтеза, процесса, протекающего в растущих растениях, и этот метод может принести электричество тем людям, которые живут на значительном удалении от всех благ цивилизации.

Технология, разработанная специалистами компании Plant-e, работает на тех же самых принципах, что и старый школьный опыт, в котором в качестве источника энергии выступает клубень обыкновенного картофеля. Однако, разработанный голландцами метод не требует нанесения повреждений самому растению.

Электричество из живых растений

Голландцы высаживают растения особого вида в специальные пластиковые контейнеры, площадь которых равна приблизительно четверти квадратного метра. Эти растения интенсивно растут и за счет процессов фотосинтеза вырабатывают некоторые виды сахаристых соединений. Количество сахара, вырабатываемого растениями, существенно превышает потребности самого растения и его излишки «сбрасываются» через корневую систему обратно в почву. Сахар, выработанный растениями и попавший в почву, начинает достаточно активно реагировать с атмосферным кислородом и в ходе протекающей химической реакции получается множество свободных электронов. Электроды, погруженные в почву, собирают эти свободные электроны, превращая их в электрический ток, а количество получаемого при этом электричества достаточно для того, чтобы обеспечить потребности светодиодных осветительных приборов, точек доступа Wi-Fi или зарядки аккумуляторных батарей мобильных электронных устройств.

Используя свою технологию, компания Plant-e в ноябре 2014 года начала реализацию программы «Starry Sky». В рамках этой программы при помощи энергии, получаемой от растений, было запитано около 300 уличных осветительных приборов, несколько точек доступа Wi-Fi и точек зарядки мобильных телефонов, располагающихся возле офиса компании в Вагенингене и на территории военного музея, бывшего военного завода, склада и базы HAMbrug возле Амстердама.

Основатели компании Plant-e надеются, что разработанная ими биологическая технология получения электрической энергии сможет найти свое применение в некоторых бедных регионах земного шара удаленных от центров цивилизации, там, где природные условия максимально благоприятны для роста растений и где, в силу различных причин не получается использовать другие технологии получения экологически чистой энергии.

Зеленые электростанции, получаем электричество

Непосредственная трансформация световой энергии в электрическую лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл под действием света может отдавать и присоединять электроны. М. Кальвин в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр.

Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны. Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов — гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона. Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

История развития

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин, что это?

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти солелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной “упаковки” молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75 процентов она состоит из бактериородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами.

Фосфолипиды — это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 °С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям. Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти галобактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях — в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь.

В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

Белковые-генераторы

В лаборатории известного ученого, специалиста в области биоэнергетики В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в качестве светозависимого генератора электрического тока. Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в качестве электрической батареи. Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории В. П. Скулачева, привлекли к себе пристальное внимание ученых. В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку.

Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыты — первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью. Уже совсем скоро наступит день, когда человечество научится получать «электричество из растений».

Источник