Was ist Photosynthese?
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Photosynthese Allgemeine Einführung und Grundlagen Maik Hintze Studienstiftung des deutschen Volkes Sommerakademie Salem 2008 Was ist Photosynthese? Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie durch Organismen Aufbau energiereicher organischer Materie aus energieärmerer anorganischer Materie mit Hilfe von Lichtenergie http://photoscience.la.asu.edu/photo syn/education/learn.html Zentraler Prozess im globalen Ökosystem Generelle Chemische Formel: 2 H2A + CO2 → <CH2O> + 2A +H2O + Eukaryoten 5,7 x 1024 J 3x1021 J → Jährliche globale Biomasseproduktion durch Photosynthese: ~ 1011 t Trockenmasse http://www.akg.softpoint.de/projekte/comenius/zonen/Ecosystem/Foliageforest/Level3Nahrungsbeziehungen%20und%20Stoffkrei sl%E4ufe-Energiefluss.htm Chemischer Prozess Zweistufiger Prozess: 1. Die Lichtreaktion (Primär-/ Photoreaktion) 2. Die Dunkelreaktion (Sekundär-/ Synthesereaktion) Produziert biochemische Energie und Reduktionskraft Assimiliert CO2 in organische Moleküle Diese zwei Prozesse sind für Zellen unzertrennbar Die Lichtreaktion Benötigt ein Membransystem: Photonenenergie wird absorbiert und zur Erzeugung eines elektrochemischen H+Gradient benutzt Ausnutzung des H+Gradienten zur ATPSynthese Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert. New York: W. H. Freeman and Co. ; c2002 Die Photosynthese benötigt Membransysteme Purpurbakterien Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. New York: W. H. Freeman & Co. ; c1999 Chloroplasten der Grünpflanzen Absorption der Photonen Zeit und Effizienz?? Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c2002 Antennenkomplexe fangen Photonen ein Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c2002 Unterschiede Solarzelle – Photosystem Solarzelle trennt Ladung in gleichem Material, in dem auch Anregung erfolgt LHC hat Photonenabsorption und Ladungstrennung stofflich getrennt (Kohlenstoffbasierte Photovoltaik-Zellen) → Höhere Effizienz der Ladungstrennung → Höhere Maximalspannung pro Element Oxidation von Wasser liefert Elektronen nach P680 wird durch die Ladungstrennung zu P680+ oxidiert P680+ ist ein starkes Oxidationsmittel Elektronen werden einem Manganzentrum entzogen, das seinerseits Wasser oxidiert Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. New York: W. H. Freeman & Co. ; c1999 Elektronenfluss um pumpen + H zu Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c2002 o Local creation of an ~1V electrochemical potential difference across a 40-Å low dielectric membrane region o No more than six chlorophyll-type pigments are necessary for this process Der Protonengradient dient der ATP-Synthese Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c2002 ATP-Synthase konvertiert den Protonengradienten in nutzbare Energie ATP-Synthase ist ein Motorprotein Protonengradient treibt ATP-Synthase an Transmembranärer Protonenfluss durch das Protein wird zur ATPSynthese ausgenutzt 2. Die Dunkelreaktion Die in der Lichtreaktion bereitgestellte chemische Energie wird zur Synthese energiereicher Substanzen genutzt Durch Fixierung von CO2 und unter Verbrauch von H2O entstehen zunächst Zucker Zucker dienen als Ausgangsstoffe aller anderer organischer Verbindungen Der CALVIN-Zyklus RuBisCO Ineffizientes Enzym Wechselzahl ca. 3-7s-1 Unerwünschte Nebenreaktion: Photorespiration Scheinbare Ineffizienz evtl. Anpassungsprozess an suboptimale Reaktionsbedingungen Membrangebundene Multiproteineinheit http://www.steve.gb.com/images/molecules/p roteins/rubisco.jpg http://www.palaeos.com/Eukarya/Lists/EuG lossary/Images/Rubisco.gif Photosynthese Die Zukunft der Energie Dorothea Paulssen Studienstiftung des deutschen Volkes Sommerakademie Salem 2008 Heutige Situation Unsere derzeitige Energieversorgung basiert größtenteils auf durch Photosynthese nutzbar gemachter Sonnenenergie Nicht erneuerbar Kohlenstoff war dem globalen Kohlenstoffkreislauf lange entzogen Erneuerbare Photosynthetische Produkte Biomasse Totes biologisches Material, dessen Kohlenstoffdioxid vor relativ kurzer Zeit der Atmosphäre entzogen wurde Photosynthetische Pflanzen (Holz) Abfall Biotreibstoff Feste, flüssige oder gasförmiger Treibstoff, der aus Biomasse gewonnen wurde und eine höhere Energiedichte als Biomasse hat oder eine effizientere Nutzung der gespeicherten Energie erlaubt Biodiesel Nicht auf Erdöl basierende Dieselart, die aus kurz kettigen Alkylestern besteht, durch Transesterifikation von biol. Ölen hergestellt wurder und die ohne technische Umstellungen in heutigen Dieselmotoren verwendet werden kann Treibstoffart Spezifische Energiedichte (MJ/kg) Hydrogen (H2) 120 – 142 Erdgas 38 – 50 Erdöl 41.868 Diesel 48.1 Kohle 29.3 – 33.5 Sonnenblumenöl (C18H32O2) 39.49 Olivenöl (C18H34O2) 39.25 - 39.82 Biodiesel 37.8 Ethanol (CH3-CH2-OH) 23.4 – 26.8 Holz (C6H10O5)n 16 – 21 Nachteile heutiger Biotreibstoffe und Biomasse Begrenzte Menge an Energie, die durch Fermentierung oder Verbrennung von Abfällen gewonnen werden kann Sektor muss aber noch ausgebaut werden Maximum bei ca. 100 bis 130 TWh/a Anbaufläche für photosynthetische Pflanzen ist nicht ausreichend Konkurrenz mit Nahrungsmittelindustrie Negative Energiebilanz Nachhaltigkeit nicht gegeben Lösungen 1: Biotreibstoffe der „zweiten Generation“ EU Energy Commission Optimierung der Nutzung landwirtschaftlicher Produkte Nicht essbare Anteile von Nahrungspflanzen, nicht essbare Pflanzen oder industrieller Abfall (Holzchips, Obstschalen etc.) Reduzieren der Treibhausgasemissionen um 90% verglichen mit Erdöl Nachhaltig, bezahlbar und umweltverträglich Lösung 2: Photobioreaktoren Ein Apparat oder System, das eine biologisch aktive Umwelt unterstützt. Abgeschlossen Lichtquelle Photosynthetische Algen oder Bakterien http://claytonbodiecornell.greenoptions.com/ 2007/11/13/algae-biodiesel-first-industrialalgae-plants-go-online/ Lösung 2: Schema eines Photobioreaktors Lösung 2: Vorteile I Geringere Inanspruchnahme von Land 4.6 to 18.4 l/m2 pro Jahr → 7 bis 30-mal so viel wie Pflanzen Geringerer Wasserverbrauch (99% weniger), auch Meerwasser und Schmutzwasser Schnelles Wachstum Ölproduktion nahe am theoretischem Limit Wachstum unter verschiedensten Rahmenbedingungen (auch kalten Temperaturen) Lösung 2: Vorteile II Synthese unterschiedlichster Produkte Produktion bei verschiedensten Größenordnungen möglich Polyethylene, Wasserstoff, diverse Öle, Isoprenoids, verschiedene Alkohole Ideal geeignet für die industrielle Produktion Flexible Technologie Kopplung mit anderen Kraftwerken möglich Carbon Sequestration: 82.3% - 50.1% Nitrogen oxides: 85.9% (+/-2.1%) Zahlen vom Freitag: Energiebilanz von First-generation biofuels Abfall Maximum bei ca. 100 bis 130 TWh/a Kopplung mit anderen Kraftwerken möglich Carbon Sequestration: 82.3% - 50.1% Nitrogen oxides: 85.9% (+/-2.1%) Lösung 2: Geschätzte Kosten Wikipedia: $5–10/kg NREL's research: Um alle Treibstoffe in den USA zu ersetzen: 140.8 billion gallons of biodiesel Benötigte Fläche: 3,85 Millionen Hektar (9.5 million acres compared with 450 million acres used for crop farming, and the over 500 million acres used as grazing land for farm animals). Landosten insgesamt: $308 Milliarden Operating costs insgesamt pro Jahr: $46.2 Milliarden per year for all the algae farms Derzeitige Kosten der Ölimporte pro Jahr: $100-150 Milliarden Dr. Krassen Dimitrov $853/bbl, $20.31/gal 8-30 kg C/m² yr Lösung 2: Was gibt es bereits GreenFuel Technologies Corporation AlgaeLink Dr. Isaac Berzin , MIT, 2001 $60 pro sequestrierter Tonne CO2, CO2: 40%; Nitrogen Oxides: 85% Institut für Getreideverarbeitung (IGV) Niederlande, seit 5 Jahren Hoher Gewinn, hohe Photoeffizienz 50 cents pro gallon Algae Start ups: Bio Fuel Systems, Aquaflow Bionomic Corporation, AlgaeFuel, Solix, SarTec, Eco Energy, Oilgae Etablierte Unternehmen: Shell, BP, E.ON Hanse, Royal Dutch Shell and U.S. aircraft maker Boeing Etablierte Unternehmen der chemischen Synthese Craig Venter http://oakhavenpc.org/cultivatin g_algae.htm Lösung 2: Interessante Forschungsergebnisse Biowasserstoff Wirtschaftlichkeitsgrenze liegt bei einer Energieeffizienz von 710% Winter 2007: Professor Anastasios Melis erreichte eine Energieeffizienz von 15% Eine Algenfarm von der Größe Texas um den globalen Energieverbrauch zu decken Sommer 2008: Botryococcus braunii – “die Ölproduzierende Alge” Prof. Makoto Watanabe von der Tsukuba Universität Comprising chains of 23 to 40 carbon atoms, algae deposit these hydrocarbons on the outside of their cell walls Algenfarm der Größe Yorkshire benötigt um Energiebedarf zu decken Lösung 2: Nachteile Die meiste Forschung findet im privaten Sektor statt “There is a hype-driven rush into renewable energy and biofuels. Some companies offer compelling new technologies, while others are dubious ideas, often contradicting the laws of thermodynamics. Sorting the real technologies with promise from the snake-oil vendors will require a firm grasp of reality and solid grounding in the laws of physics.” Dr. Dimitrov Krassen Der Teufel liegt im Detail Neuartige Technologie Lösung 3: Künstliche Photosynthese Imitation des natürlichen Apparates der Photosynthese, um diese nutzbar zu machen oder für menschliche Zwecke zu optimieren Entwicklung von anorganischen oder teilweise anorganischen Systemen, die den photosynthetischen Apparat nachempfinden In vivo oder in vitro Veränderung des natürlichen Apparates der Photosynthese Ziel: Optimierung der Energiegewinnung und technische Diversifikation der Energiegewinnungsmöglichkeiten Lösung 3: Verbesserungsansätze für die Photovoltaik Verbesserung herkömlicher Solarzellen Bsp: GRÄTZEL Zellen Höhere Effizienz Billigeres Material (organische Verbindungen) dye-sensitized solar cell (DSSc or DSC) http://www.waldorfschuledarmstadt.de/cpo4/_data/Waldorfschule_Da_FarbstoffSolarzelle.pdf Bsp: Wassersplittung mit Licht durch einen Katalysator Versuche seit 30 Jahren Titanium Dioxide, Ruthenium trisbipyridines, Iridium dioxide, organische Verbindung Lösung 3: RuBisCo Transgenetische Pflanzen oder Grünalgen mit RuBisCo Genen von anderen Algenarten (Galdieria partita) RuBisCo Variante mit höherer Spezifität Tabak Pflanzen mit RuBisCo Variante von Rhodospirillum rubrum In vitro Modifizierung RuBisCOs um Effizienz zu steigern Protein Engineering Molecular Ecolution Directed Evolution Lösung 3: Integrierter Ansatz 1. Stromerzeugung 2. H2-Erzeugung electricity Catalytic electrolysis – H2 generator H2 electricity bio.-mimetic polymer photovoltaic generators National grid CO2 4. Outputs Zucker, Stärke Etc. 3. CO2-Fixierung Bio-energetic converters NADP+ ADP Calvin cycle reactors NADPH, ATP Biotreibstoffe Wer fördert EU USA Israel Arabische Länder Australien und Neuseeland China, Japan, Korea Aquatic Species Program Food, Conservation, and Energy Act of 2008 ($288 billion -> $118 million total for biomass research and development) Sunshine Project Chinese Academy of Engineering Aber auch andere… Ausblick Aller Voraussicht nach wird die Photosynthese für die Energiegewinnung der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen Vielen Dank! Referenzen http://www.faz.net/s/Rub80665A3C1FA14FB9967DBF46652868E9/Doc~E4E0FED18D1D14969A12DBEB846362998 ~ATpl~Ecommon~Scontent.html http://greentechnolog.com/2007/02/biodiesel_algae_production_process.html http://www.cavitationtechnolgies.com/?gclid=COPm7fnNnpUCFQQHuwodW0ZzkQ http://www.chinapost.com.tw/life/science%20&%20technology/2008/07/17/165911/Algae-is.htm http://wobblingworld.wordpress.com/2008/06/20/japanese-scientist-believes-algae-producing-diesel-is-enormous-energychange-catalyst/ http://www.nni.nikkei.co.jp/FR/TNKS/Nni20080520D20HH027.htm http://www.carboncatalog.org/blog/2008/07/17/algae-biofuel-isaac-berzin/ http://www.thebioenergysite.com/news/1407/brazil-fuels-algae-research-with-us28-million http://www.thebioenergysite.com/news/1398/biogas-nord-looking-at-38-million http://www.algaebiofuelsummit.com/?gclid=CKPozJLTnpUCFQS-ugod2Eykkg http://lib.bioinfo.pl/pmid:17379512 http://www.bioenergyinternational.com/ http://www.algaebiofuelsummit.com/?gclid=CKXEhZ_KnpUCFRmMugodJgOZj w http://lib.bioinfo.pl/pmid:17379512 http://www.euractiv.com/en/energy/biofuels-generation/article-165951 http://claytonbodiecornell.greenoptions.com/2007/11/13/algae-biodiesel-firstindustrial-algae-plants-go-online/ http://library.wur.nl/wda/dissertations/dis3423.pdf http://www.bmbf.de/de/12360.php http://www.berlinews.de/artikel.php?14891 http://www.mstonline.de/news/events/bundes-algen-stammtisch http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/725875/ http://greenoptions.com/tag/technology http://www.primaryinfo.org/algae-diesel.htm http://www.solarnavigator.net/biofuels.htm http://biofuel.exclusivetips.net/ http://econ.worldbank.org/WBSITE/EXTERNAL/EXTDEC/EXTRESEARC H/EXTWDRS/EXTWDR2008/0,,contentMDK:21501336~pagePK:64167689~ piPK:64167673~theSitePK:2795143,00.html http://www.fao.org/DOCREP/003/W3732E/w3732e06.htm#b102.3.10.%20Algal%20production%20cost http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e06.htm http://www.bioreactor.org/ http://www.youtube.com/watch?v=EnOSnJJSP5c http://www.algaefuels.org/photobioreactor.htm http://en.phyco.org/wiki/Photobioreactor http://www.igv-gmbh.de/ http://news.cnet.com/Photos-Betting-big-on-biodiesel---page-3/2009-1043_3-57143363.html?hhTest=1&tag=st.next http://www.solixbiofuels.com/html/why_algae.html http://www.solixbiofuels.com/html/why_algae.html [email protected] http://goldbook.iupac.org/B00662.html http://www.bioprodukte-steinberg.de/index.php?op=kontakt http://www.fao.org/DOCREP/003/W3732E/w3732e06.htm#b102.3.10.%20Algal%20production%20cost http://www.igv-gmbh.de/ http://www.solarbiofuels.org/biofuels/Templates/biohydrogen.html http://www.citeulike.org/user/bcl/article/2667516 http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6WXV-4M4CN5S1&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_version=1&_urlVersio n=0&_userid=10&md5=267784bac61878cc7cd2193f812f805b http://www.oilgae.com/algae/oil/yield/yield.html http://www1.eere.energy.gov/biomass/abcs_biofuels.html http://www.environmentalgraffiti.com/business/will-algae-beat-its-competitors-to-becomethe-king-source-of-biofuels/237 http://www.unh.edu/p2/biodiesel/article_alge.html http://www.environblog.com/2008/06/algae-oil-production-disadvatages-benefits.html http://www.pnas.org/content/103/19/7203.full http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e04.htm#TopOfPage http://biotechnologyresearch.blogspot.com/2007/09/genetically-modified-algae-couldbe.html http://www.scienceagogo.com/news/20050605231841data_trunc_sys.shtml http://www.spiegel.de/auto/aktuell/0,1518,452010,00.html http://www.economist.com/science/displaystory.cfm?story_id=9861379 http://www.heise.de/tr/result.xhtml?url=/tr/artikel/94306&words=Benzin&T=Benzin http://umweltinstitut.org/faq/agro-kraftstoffe/grundlagen524.html http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TCW-3VB3BG06&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000 050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=c9ec53c886c8c8fee1 730ccd0d9140a3 http://www.life.uiuc.edu/govindjee/whatisit.htm http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080603102752.htm http://www.uniseo.org/biomass.html http://www.uni-bielefeld.de/biologie/Algenbiotechnologie/kruse/Energyconversion.html http://www.rsbs.anu.edu.au/biofuels/Solutions.html Collings, Anthony and Christa Critchley (ed.): „Artificial Photosynthesis – from basic biology to industrial application“. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2005.
