吸收光的转换效率
一旦被叶绿体色素吸收光能的浮游植物或水生植物,通过photo-synthetic固定二氧化碳,生成有用的化学能量形式的碳水化合物。我们现在考虑的效率这激发能转化成化学能。
效率的一个上限是由物理和化学过程的性质,在光合作用。我们在第八章看到,每个氢原子从水的转移的电子传递链辅酶ii需要两个光子,每个驾驶不同的光化学的一步。一个分子的减少二氧化碳的碳水化合物使用四个氢原子(2 x NADPH2)所以需要八个光子。另一种方法,将一摩尔二氧化碳的碳水化合物等效(六分之一摩尔葡萄糖单元纳入淀粉)要求不少于8摩尔当量,即8摩尔光子。一个光子的能量随波长(e = hc / X)所以我们应当取得平均价值利用观测的龙葵和史密斯(1974),大量的水类型2.5 X 1018广达的水下
票面价值= 1 J,精度优于10%。我们可能因此作为典型的水下光包含0.24 MJ(焦)的能量每摩尔光子,所以8摩尔光子相当于1.92 MJ。与光合作用相关的化学能量的增加1摩尔二氧化碳转换成淀粉相当于0.472 MJ。因此,光能量的吸收和传递到反应中心,约25%转化为化学能,碳水化合物,这是最大可能的效率。
把植物生物量碳水化合物,则是将事情过于简单化了,因为水生植物也含有蛋白质、脂类和核酸,其中没有一个符合CH2O密切的整体构成。这些物质的生物合成需要额外的光合成生成的还原能力和化学能的形式NADPH2 ATP,因此需要额外的光量子/二氧化碳。真正的最小量子要求每二氧化碳增长细胞可能是大约10到12而不是8,1099年带来最大效率下降到16 - 20%。因此我们能期待的最好的效率在吸收光能转换成化学能的形式新水生植物生物量约为18%。
转换效率或量子收益率实际上通过给定的浮游植物种群或大型植物可以确定从光合速率和辐照度的测量,提供信息光吸收植物材料的属性。使用的吸收光谱,400到700纳米,光吸收的一系列波段可以计算和总结。例如,吸收的速度不相上下的浮游植物单位体积的介质在任何深度,z, f700 dQJz)
据美联社(l, z =) E0 (lz) d1 (10.15)
美联社(z)的吸收系数在波长1 phyto-plankton人口现有深度zm评选和E0 (z)是标量辐照度单位波长带宽(nm-1) l z和深度。
一个有用的概念就是有效的浮游植物吸收系数对整个波段相媲美。这是定义为
美联社(z) E0 (z) dl 400 - (10.16)
因此作为替代eqn 10.15我们可以写
票面价值的特定的浮游植物吸收系数,df * (z),被定义为用^ * (l, z)代替美联社(z) eqn 10.16:据美联社(z) =(背影)房颤也* (z)
d -() =[合作]d * f (z)光电(PAR, z) (10.18)
在任何试图通过浮游植物来计算能量吸收的速率(暗示,量子产率(见下文)与eqn 10.18,使用估计的值$ * (z)的事实,正如我们前面看到的,有效的标准可以特定的浮游植物吸收系数与深度必须考虑变化明显。
通常更方便工作向下,而非标量,辐照度,但E0总是大于Ed(见图6.10,§6.5)的一个因素,取决于光场角结构的特定的深度。莫雷尔后(1991年)我们将表明这个校正因子的“几何”g。这种调整不是微不足道的:光合成重要的400到570纳米波长的区域,和浮游植物浓度在0.1到1.0 mgchl 3范围内,莫雷尔(1991)计算的g值1.1和1.5之间的不同。使用几何校正因子我们现在可以编写另一个表达式浮游植物吸收的速度不相上下的单位体积中等深度z米,即f700 d-Jz)
- - - - - - ?r1 =美联社(l;z z) Ed (1) g (z) d1 (10.19)
Ed (z)是向下的辐照度每单位带宽(nm-1)波长1和深度z m。
另一种方法是从这一事实的辐射能的吸收深度zm评选是由单位体积
dv E (z)的净向下的辐照度深度z m和柯净向下的辐照度的垂直衰减系数。从这可以表明,d - (z)
其中骨是垂直向上的辐照度衰减系数和(通常情况下)Ku«Kd,和R (z)辐照度反射(欧盟[z] / Ed [z])。如果我们选择忽略上升流通量的贡献——在大多数海洋水域合理的近似,用反射率值只有百分之几,但不是在浑浊的水,那么我们能写
dv总速率的单位体积吸收能量,向下的辐照度的函数。计算的速度吸收的能量通过浮游植物,我们利用这一事实在任何给定的波段吸收能量的比例被浮游植物是美联社(z) / (z),由于phyto-plankton吸收系数的比值总吸收系数,波长。浮游植物吸收的速度不相上下的单位体积的介质,因此向下的辐照度的函数是由f700 dQJz)
pK ~——(美联社(z) / (z)] Kd (z) Ed (z) d1 (10.23)
J 400
dv, Kd (z)是垂直向下的发光波长1衰减系数和深度zm评选。方程式10.15、10.16和10.19,当然,美联社(z)替换为[合作](z)房颤* (z),浮游植物浓度的乘积(mgchl m ~ 3)和特定的吸收系数(m2mgchl a - 1)波长1,浮游植物种群出席深度的z m。
到达的准确测定光合效率、光谱变化的光场和吸收的生物应该考虑,按照上面所述,和许多工人试图这样做。雷竞技csgo111244376727728778940、1190有用的信息,然而,仍然是来自光合作用测量结合宽带辐照度数据。因为,正如我们前面看到的,总数的比例被浮游植物吸收PAR是大约[合作]kc / Kd (PAR),然后从eqn 10.22我们可以写
率的吸收光的单位体积能量通过浮游植物,在深度z m。估计能量吸收的浮游植物(因此量子产量-见下文)由eqn 10.24
然而,可以是非常不准确的kc的变化与浮游植物的类型存在,水的背景颜色和深度(kc不同深度以类似方式af)不考虑。
是有用的在处理当前的主题有一个特定的浮游植物吸收的速度不相上下的象征单位体积的介质在给定深度。定义的符号w,我们这里介绍x (.) = ^ (10.25)
dz, w (z)单位Wm-3, h - MJm-3或者广达电脑(或更易与光子)m3 s - 1。我们可以,此外,w * (z)定义为特定的浮游植物单位体积吸收PAR的深度z m,单位浮游植物浓度,即利率表示的mgchl 3。因此w (z) =(背影)w * (z)和w * (z)的单位Wmgchl a - 1,或广达电脑(或更易与光子)s - 1 mgchl a - 1。对于任何给定的水生系统w (z)是由使用一个或其他的方程式10.15,10.17,10.23和10.24,或等价的程序。
获得的能量转换效率在给定深度我们把化学能量的堆积速率单位体积的深度的浮游植物吸收光能的单位体积。给定一个特定的光合速率P * (CO2)摩尔二氧化碳固定mgchl h - a - 1,和化学能量的增加0.472 MJ与每摩尔的固定二氧化碳,那么化学能量的堆积速率单位体积是0.472[合作]P * (CO2) MJ的h - m3。除以w (z)我们获得转换效率
w (z)在MJm表示“3 h”(量子测量可以使用2.5 x 1024转换量子= 1 MJ,见上图)。或者,如果P *表示的背影一毫克碳固定毫克^ h”1, P * (C),然后,由于化学能量的增加3.93 x 10 5乔丹1毫克C与固定相关联,给出的转换效率
(Ch /) 3.93 x 10“5 P * (C) 3.93 x 10“5 P * (C), ec = tt - = - P - (10.27)
的另一种方式表达的效率吸收光能转换成化学能的水生植物量子产率,f。这是定义为二氧化碳分子固定在生物量的数量/ c量子光被植物吸收。考虑到量子要求每二氧化碳固定,由光合作用的机制(见上图),由此可见,量子产率永远不可能大于0.125,和细胞增长,即使在理想条件下,不太可能超过0.1。量子产量和每分转换效率,当然,线性相关的。允许0.472 MJ化学能/二氧化碳的固定和0.24焦每摩尔光子水下相提并论,我们到达ec f = 1.97 (10.28)
方程10.26和10.27可以编写相应的计算量子产率从w (z)或w * (z)和特定的光合速率f P = mMCQj = ^ (10.29)
[合作]P P * * (C) = f (C) 12000. w (z) 12000. w * (z) (°
w (z)在这些方程单位m ~ 3 h_l摩尔光子。
量子产量获得的水生植物是一个函数的光强度是暴露。这是如此明显的从特定的光合速率的变化与辐照度(图10.3)。忽视目前的任何变化叶绿体形状与光强度或位置,我们可以假设的速度吸收广达电脑事件辐照度成正比。因此,在任何时候在光合作用与辐照度曲线的值P / Ed(见图10.3)量子产率成正比。
为一种植物能够有效利用以给定的速度吸收光量子,电子转移的活动组件的类囊体膜和二氧化碳的酶固定在基质都必须足够高,以确保收集的激发能聚光色素是利用以最快的速度到达反应中心。如果出现这种情况,那么一个温和的光强度增加,导致量子吸收速率成比例的增加,导致光合作用的具体率相应增加。在最初,P与Ed曲线的线性、地区这是发生了什么。在这个范围内的强度、P / Ed是恒定的,最高价值,表明该植物是实现最高转换效率和量子产率。如果植物的吸收特性是已知的,那么这个最大值的P / Ed可以用来计算调频,最大的量子产率。
随着入射光强度进一步增加,吸收的速度量达到激发能的点开始到达反应中心的速度比它可以利用通过电子转移组件和/或二氧化碳固定酶。在这个阶段的一些额外的吸收广达电脑(除了以上系统可以很容易地处理)是用于光合作用,和一些不,后者最终消散的能量,主要是热量。由于这个原因,在这个范围内的光强度,增加在Ed伴随着P小于相应增加,即曲线的斜率逐渐减少,直到最后的临界点阿皮亚变成零。在这个light-saturated状态,电子转移和/或二氧化碳固定酶(最有可能的是,后者)正在他们有能力快,所以任何额外吸收广达不用于光合作用。从线性区域到light-saturated区域,由于光合速率不辐照度比例增加(斑驳的稳步下降(图10.3)的量子产量和转换效率必然经历一个渐进贬值。这是进一步强调,如果在更高的光强度,光抑制集。如果细胞包含光保护类胡萝卜素,吸收光能量转化成热量而不是被转移到反应中心,然后在某种程度上,这些捕获入射光,量子产率必须在任何光强度成比例地减少。
P随Ed的特征的方式,正如我们前面看到的,表示数学在很多不同的方式(方程式10.8,10.9,10.10,10.11)。自从量子产量和P IEd是线性相关的,那么对于每个函数的特殊形式,P = f (Ed),会有一个相应的表达量子产率的函数,即f = v - 1. f (Ed)。使用双曲正切形式(eqn 10.9) Bidigare et al。(1992)抵达
f = fm-r r - r双曲正切Ym E (PAR, z)
和使用我们获得的指数形式(eqn 10.11)
继续阅读:光合作用和入射光的波长
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