ANÁLISIS DE ARTÍCULOS CIENTÍFICOS / ABSTRACT

Autor (es) Carolina Dominguez CastroTítulo/Subtitulo ¿Cuál es la máxima eficiencia con la que la

fotosíntesis puede convertir la energía solar en biomasa?

Tema Como generar energía por medio de la biomasa

Contenidos generales de la investigación Que la biomasa también se puede generar por la energía solar

Contenido especifico de la investigación Que la fotosíntesis puede hacer que la energía solar se convierta en biomasa, y la energía solar puede producirse en biomasa hasta un 4,6%

Tipo de proyecto de investigación energíaInformación previa/antecedentes Que la fotosintes aprovecha diferentes longitudes de

onda de energía radiante con diferentes eficienciasImportancia de la investigación. La importancia en el artículo es la

fotosintesisVariablesIndependientesDependientesConexión entre ambasProcedimiento / Protocolos Primero el articulo mostraba lo que la fotosíntesis

podía hacer con la energía solar, después cuanta energía solar se puede convertir en biomasa, y después empezó a explicarse todo

AnálisisTipo de Estadísticas usadas/Mencionadas

Que la fotosíntesis no es solo la fuente de nuestro alimento y fibra, además yo ni siquiera sabia que la fotosíntesis también podía hacer biomasa

Resultado principal Buenísimo el articuloRecomendaciones En realidad todo me gusto así que no se que

recomendarObservaciones. Me gusto mucho el articulo porque estaba

muy bien explicado parte por parte y todo eso

Fuente de consulta y referencia acorde a normas APA

NOMBRE DEL EQUIPO: Power Energy LIDER: Santiago Cano Molina

GRADO:6°2 FECHA DE LA CONSULTA: 26 de julio de 2014

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE ZACATECAS

MATERIA

SEMINARIO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA DE LA BIOMASA

NOMBRE DEL ARTÍCULO 

¿CUÁL ES LA  MÁXIMA EFICIENCIA CON QUE LA  FOTOSÍNTESIS PUEDE CONVERTIR LA

ENERGÍA SOLAR EN BIOMASA?

NOMBRE DE LA ALUMNA

CAROLINA DOMINGUEZ CASTRO

 18/01/2013

"El presente   escrito es una traducción y/o interpretación   del artículo cuya referencia se

muestra al final del documento, se realizó   el   blog con fines de divulgación "

Resumen

La fotosíntesis es la fuente de nuestro alimento y fibra. El aumento de la población mundial, el desarrollo

económico, y la disminución de los recursos de tierras pronostica que la duplicación de la productividad

es fundamental para satisfacer la demanda antes de finales de este siglo. Para cumplir con este objetivo

se establece la máxima eficiencia de conversión de energía solar fotosintética, un punto de partida para

evaluar el potencial global es examinar la eficacia potencial de cada paso del proceso fotosintético

de captura de la luz a síntesis de carbohidratos. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión máxima

de energía solar en biomasa, de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y  380 ppm atmosférico [CO2], y 6%

para la  fotosíntesis C4. Esta ventaja sobre C3 desaparecerá  cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.

INTRODUCCIÓN

Se prevé que la población mundial crezca a 10 mil millones, y con ello también el aumento de la

prosperidad  económica de los países en desarrollo además del crecimiento de la demanda aún mayores en

la producción agrícola. Con muy pocas perspectivas de expansión sostenible 1,5 mil millones ha de tierras

de cultivo se necesita la duplicación de la productividad para satisfacer la creciente demanda antes del final

de este siglo. Como consecuencia  surge actualmente la biomasa que  a través de la  fotosíntesis se

utiliza  para la producción de todos nuestros alimentos, fibras y biocombustibles que es cada vez más visto

como una fuente de energía renovable. Es más  la energía solar que llega a la superficie de la Tierra cada

hora (4.3 x1020 J) que la que se consume en el planeta en un año (4.1 x1020 J). 

  Un importante objetivo de investigación en  energía solar para las próximas décadas fue la aplicación de

los avances revolucionarios en la biología y la biotecnología para el diseño de plantas y organismos. Un

punto clave de partida para la identificación y evaluación de los objetivos de la biotecnología para mejorar

la eficiencia fotosintética de conversión de energía solar es una revisión crítica de la máxima eficiencia

de conversión fotosintética de energía solar que, teóricamente, se podría lograr en los

ecosistemas gestionados. El propósito del análisis realizado aquí es aprovechar el estado del arte

de la comprensión del mecanismo de la fotosíntesis de las plantas para establecer el límite teórico de la

eficiencia de la fotosíntesis por medio del aprovechamiento de la energía solar  para beneficio de la

agronomía y la biotecnología. 

DESARROLLO

Radiación fotosintéticamente activa en el espectro solar

La fotosíntesis aprovecha  diferentes longitudes de onda de energía radiante con diferentes eficiencias, el

primer paso es definir el espectro de energía media de la superficie de la Tierra. La densidad relativa de

energía radiante del espectro solar en la superficie de la atmósfera terrestre está dada por la fórmula

de Planck de radiación de distribución: la densidad relativa del flujo de energía por unidad de intervalo

de longitud de onda:

Donde;

  : es la longitud de onda (nm)

Ts: es la temperatura en la superficie del sol, que es de aproximadamente 5800 K, c es la velocidad de la luz

(3 x1017 nm s -1) k :es la constante de Boltzmann de (1,38 10 23 kg m 2 s 2 K 1 o JK 1)

h :es la constante de Planck (6,626 10 34 J s).

Fig.1

Moléculas Heteroatómicos de gas en la atmósfera de la Tierra (por ejemplo CO2, H2O, metano,

óxido nitroso, etc) absorben energía radiante en determinadas longitudes de onda infrarrojas.

Estos gases absorben la mayor fuerza en los rangos de longitud de onda de 900- 950, 1100-1150,1350-1450,

1800-1950 nm, mientras que el ozono y oxígeno eliminan gran parte de la energía por debajo de 400 nm

(Figura 1). Los fotones por encima de 740 nm de longitud de onda contiene la energía suficiente para

impulsar una mayor fotosíntesis de las plantas. Sobre la base de la medida promedio del espectro solar en la

superficie de la Tierra, la proporción de energía solar total dentro de la banda fotosintéticamente activa

(400-740) es 48,7%, es decir 51,3% de la energía solar incidente no está disponible para fotosíntesis de la

planta superior (Figuras 1 y 2). 

        Fig.2.

Pérdida de energía por reflectancia de la luz fotosintéticamente activa

Debido principalmente a la absorbancia relativamente débil de la clorofila en la banda verde, la vegetación

no es un absorbente perfecto de radiación fotosintéticamente activa (400 -740 nm). Esto, por supuesto, es la

razón por la cual la mayoría de las plantas son verdes y no negras y por lo tanto limita la

interceptación máximo de luz (400-740 nm)  es de  90%, es decir, 10% de la radiación

fotosintéticamente activa se refleja. Esto representa una pérdida mínima del 4,9% de la radiación solar total

incidente por reflexión (Figura 2). Algunas plantas contienen cantidades variables

de pigmentos fotosintéticos que absorben la luz de estas longitudes de onda (por ejemplo, las antocianinas

en la epidermis), pero la energía no se transfiere a la fotosíntesis. 

La rápida pérdida de energía en la relajación de los  mayores estados excitados de la clorofila.

La energía de un fotón es determinada por    ,con el resultado de que la energía de un fotón

azul (400 nm) es 75% mayor que el de un fotón rojo (700 nm). Sin embargo, el aumento de los estados

excitados de clorofila  se relajan muy rápidamente y foto químicamente  es accionado en el centro de

reacción fotosintética con la energía de un fotón rojo, independientemente de la longitud de

onda que se absorbe originalmente. Por lo tanto, la fotosíntesis no es capaz de almacenar la

energía adicional de los fotones azules. Para el espectro de superficie solar en el rango fotosintéticamente

activa (400-740 nm) la energía media por mol de fotones es 205 kJ. La energía necesaria para conducir un

evento separación de carga en el  fotosistema II (PSII)  es de aproximadamente 176 kJ mol -1 (Igual a la

energía de un fotón de longitud de onda 680 nm) o 171 kJ mol -1   

para el fotosistema I (PSI).

Por lo tanto la pérdida de energía media entre la absorción y la carga de separación-en los fotosistemas será

aproximadamente (205 (176 + 171) / 2) KJ mol -1: Es decir, un mínimo de 6,6% de la energía solar

incidente se pierden irremediablemente como calor debido a la relajación de mayores estados

excitados de clorofila (Figura 2).

El tamaño de la pérdida de energía entre el centro de reacción y síntesis de

carbohidratos difiere entre C4 y C3 debido a los diferentes requisitos de ATP de las dos vías fotosintéticas.

Fotosíntesis C3

El ciclo de Calvin o C3 demuestra que tres de ATP y dos de  NADPH se requieren para asimilar una

molécula de CO2 en carbohidratos y para regenerar una ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) para completar el

ciclo.

En el transporte de toda la cadena lineal de electrones de la absorción de cuatro fotones reducirá una

molécula de NADPH mientras trasloca un máximo de seis protones en el tilacoide lumen; dos de oxidación

del agua y cuatro de oxidación plastoquinol por el citocromo complejo. Dado que dos NADPH, y por lo

tanto la absorción de ocho fotones, son necesarios para la asimilación de uno CO2 en carbohidratos, un

máximo de 12 protones son transportados

en el lumen para cada CO2 asimilados. Con 4 protones requeridos para la síntesis de ATP, los 12 protones

transportados, sería simplemente suficiente para soportar la síntesis del ATP 3 requerida para equilibrar

2 NADPH en la asimilación de uno de CO2. Los ocho moles de fotones rojos, el mínimo requerido para

convertir 1 mol de CO2 a carbohidratos, representa 1.388 kJ de energía. Una sexta parte de un mol de

glucosa, es decir, una unidad de carbohidrato 1C, contiene 477 kJ de energía. La pérdida de energía de

electrones mínimo en transporte y la síntesis de hidratos de carbono en el ciclo de Calvin - entre atrapar la

energía en los centros de reacción y la producción de hidratos de carbono es 1- (477/1388), lo que

equivale a una pérdida de 24,6% de la energía contenida en la radiación solar incidente original (Figura 2).

Por lo tanto, la energía máxima eficiencia de conversión  de fotosíntesis C3, antes de la foto respiración y la

respiración es 12,6% (Figura 2).

Fotosíntesis C4

Por simplicidad entre los tres subtipos principales de C4, vamos a considerar sólo la enzima NADP-málico

(ME), C4 incluye todos los principales cultivos, tales como el maíz, el sorgo y caña de azúcar, y se considera

que es el más eficiente. Aquí, se requieren cinco ATP y dos NADPH para asimilar un CO2, ya que, además de

la necesidad de energía del ciclo de Calvin, dos ATP adicional son necesarios para la fosforilación del

piruvato para fosfoenol piruvato. En efecto, estos dos extra ATP representan una bomba accionada

por energía de luz, que transporta el CO2 del mesófilo exterior y la concentra en el sitio de Rubisco en la

vaina fotosintética . C4 elimina o minimiza la foto respiración. En la fotosíntesis C3, hemos demostrado que

la translocación de protones en la reducción de los  NADPH se requieren dos para fijar uno CO2 es

justamente suficiente para generar el ATP tres también requerido. En C4, requiere dos ATP adicionales,

entonces, incluso con la máxima eficiencia,el protón de translocación resultante de la reducción

de NADPH  no cíclico de transporte de electrones será inadecuado. El Cíclico de transporte de

electrones devuelve electrones PSI de vuelta al complejo citocromo b6 / f que resulta en la translocación de

dos protones por fotones dentro del lumen tilacoidal .Para que el flujo cíclico proporcione los otros

ocho protones necesarios para sintetizar los dos ATP , se necesita  la absorción de cuatro

fotones adicionales en PSI para un total mínimo de 12 se requerirá por CO2 asimilados en fotosíntesis

C4. Siguiendo nuestro razonamiento anterior para la fotosíntesis C3, la pérdida de energía mínima en el

transporte de electrones y la síntesis de carbohidratos en fotosíntesis C4, entre el centro

de reacción fotoquímica y la producción primaria de hidratos de carbono es 1- (477/2052), lo que equivale a

una pérdida del 28,7% de la energía contenida en la radiación solar incidente original (Figura 2). Por lo

tanto, la conversión de energía máxima eficacia   de la fotosíntesis C4, antes de

la respiración, es 8,5% (Figura 2).

Pérdida de energía debido a la fotorrespiración

Cataliza junto con la RuBP la oxigenación en la formación de una molécula de glicolato. Dos moléculas

de glicolato se metabolizan a través de la vía C2 libera una molecula de  CO2 y la formación de una molécula

de fosfoglicerato, que vuelve a entrar en el ciclo de Calvin. Este proceso conocido

como fotorrespiración reduce la eficiencia de la fotosíntesis en tanto que requiere energía ATP .La

oxigenación es inhibida competitivamente por el CO2, de modo que en las plantas C4 la concentración

de CO2 en la Rubisco en las células de la vaina del haz elimina en gran medida la fotorrespiración. Sin

embargo, algunos podrían producirse pérdidas de liberación de CO2 de vuelta a la mesófilo donde será re-

fijada en el coste de energía adicional. Aquí consideramos la máxima eficiencia potencial, es decir, la

fotorrespiración cero en las especies C4.

Para determinar el costo energético de la fotorrespiración se define la relación de RuBP la oxigenación de

carboxilación como  

, y calcular la cantidad de ATP asociada con una carboxilación  y la oxigenación  como 3 + 3,5 , donde

3,5 representa la red ATP en la vía C2 y el ciclo de Calvin asociado con un evento oxigenación. Por lo

tanto, el número de ATP por la fijación de CO2 es (3 + 3,5 ) / (1- 0,5 ) donde 0,5 representa el hecho

de que se libera uno CO2 por cada dos oxigenaciones. La disminución de la ec causada

por fotorrespiración (dpr)  es por lo tanto:

La relación de oxigenaciones a carboxilaciones ( ) es:

Los símbolos O y C representan los O2 intercelulares y las concentraciones de CO2. t es el factor

de especificidad de la Rubisco para el CO2 donde la especificidad es la proporción de las probabilidades

de carboxilación a la oxigenación. Como resultado, la pérdida en la eficiencia causada por la

fotorrespiración aumenta con la temperatura. El efecto de la temperatura en t se calcula a partir de las

ecuaciones derivadas empíricamente de Bernacchi que producen un t de 71 a 30 °C. Dado este valor de t,

a 380 ppm de [CO2] y un equivalente [O2] del 21%, la máxima ec de las plantas C3 se redujo en 49%

a 30 °C, a una pérdida de 6,1% de la radiación solar interceptada originalmente (Figura 2).

Debido a que esta pérdida es dependiente tanto la temperatura atmosférica y [CO2], (la Figura 3 muestra

cómo varía la eficiencia de conversión de 15 a 45 °C y en diferente [CO2], que representan el promedio

de las condiciones del Pleistoceno (220 ppm), corriente (380 ppm) y los pronósticos para 2100

(700 ppm) .Estas simulaciones muestran una ventaja muy fuerte para la fotosíntesis C4 en la [CO2]

atmosférico que prevaleció durante la mayor parte de los últimos 25 M años (Figura 3). Esta ventaja ha

disminuido debido a la reciente subida de [CO2] y pueden ser eliminados, excepto en el temperaturas más

altas, para el final de este siglo (Figura 3).

                                          Fig.3.

        Energía debido a la respiración pérdida

Las pérdidas de energía hasta ahora computado se han derivado de los mecanismos conocidos, bien

entendidos y conservados de la fotosíntesis. Por el contrario no existe ningún mecanismo  cuantitativa

mente definida de vinculación entre la tasa de fotosíntesis y la respiración mitocondrial. Esta pérdida final

(figura 2) por lo tanto, sólo puede ser una estimación basada en mediciones empíricas. Coeficientes medidos

de pérdida respiratoria CO2 como una fracción de la absorción de CO2 fotosintético de los principales

cultivos varían de 30% a 60%. Se ha demostrado que hay variaciones hereditarias en esta relación dentro

de las especies de cultivo, y la selección de una relación más baja en el caso de ballico (Lolium perenne)

resultó aparentemente en líneas más altas produciendo. Suponemos 30% aquí como la pérdida respiratorio

mínimo que podría lograrse de otra manera sin afectar adversa mente el crecimiento de plantas. Esto

representa una pérdida de la energía solar incidente original de 1,9% (C3) y 2,5% (C4), con el resultado de

que las eficiencias de conversión máximos de radiación solar en biomasa  son 4,6% (C3) y% 6,0

(C4) en 30 8C.

CONCLUSIÓN

La fotosíntesis juega un papel muy importe en nuestra vida cotidiana ya que  es la fuente de

nuestro alimento. En la vida actual la población  mundial  se ha ido incrementando y con ello la necesidad

de  la duplicación de la productividad de tierras. Por esta razón el objetivo de indicar la máxima eficiencia

de la conversión de la energía solar fotosíntetica, un punto clave es  la evaluación del proceso

de fotosíntesis para la captación de luz que va de  (400-740 nm).a lo largo del proceso de evolucionista se

toman en cuenta las diferentes perdidas y como ya lo mencionamos el proceso entre

ellos fotosíntesis c3, fotosíntesis c4. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión máxima de energía

solar en biomasa, de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y  380 ppm atmosférico [CO2], y 6% para

la  fotosíntesis C4. Esta ventaja sobre C3 desaparecerá  cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.