MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

Transkript

1 MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu a trvale udržitelný rozvoj 2. Biologické principy fotosyntetické produkce rostlin Lubomír Nátr Lubomír Nátr

2 2. Biologické principy fotosyntetické produkce rostlin Sluneční záření zajišťuje energii a potravu pro vše živé na Zemi. Co zajišťují rostliny pro lidstvo? Jak se tvoří biomasa v rostlinách: Fixace CO2 s využitím energie záření. Sluneční záření: spektrum, vlastnosti, význam pro rostliny, živočichy, člověka. Lubomír Nátr 2009

3 Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Lubomír Nátr 2009

4 Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA The portion of Sun radiation energy fixed in photosynthesis Theoretical maximum: about 11 (22) % Global annual mean: 0,12 % Lubomír Nátr 2009 Why not more?

5 FOTOSYNTÉZA Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa Voda N, P. K, Ca, Mg, Kvalita půdy Lubomír Nátr 2009

6 Všežravci (i lidé) Masožravci Býložravci 0,1 % 1 % 10 % Producenti rostliny = 100 % Lubomír Nátr 2009

7 CO 2 H 2 O Fotoautotrophy Heterotrophy O 2 Assimilates Lubomír Nátr 2009

8 Záření (1) Sluneční (300 až 3000 nm) (2) Ultrafialové (<400 nm): A, B, C (3) Fotosynteticky aktivní radiace (FAR, PAR, 400 až 700 nm) (4) Infračervené (>700 nm) Jiné členění: Lubomír Nátr nm = 10-9 m (A) Krátkovlnné (300 až 3000 nm) (B) Dlouhovlnné (> 3000 nm) Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

9 Sluneční záření ovlivňuje rostliny: 1.Přímo: (a) Umožňuje fotosyntézu PAR: 400 až 700 nm (b) Modifikuje velikost a složení struktur UV (<400 nm), PAR, IR (>700 nm) (c) Spoluurčuje rychlost vývoje rostlin Fotoperiodismus (krátký a dlouhý den) (d) Určuje směr růstu (fototropismus) (e) Poškozuje struktury a procesy UV nebo nadměrné celkové záření 1.Nepřímo: Ovlivňuje počasí a klima Země i Lubomír Nátr 2009 mikroklima dané lokality Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

10 SOLAR CONSTANT SOLÁRNÍ KONSTANTA 1373 W.m -2 ATMOSPHERE/ ATMOSFÉRA Temperate Region / Mírné pásmo: max W.m kwh. m -2.yr kwh.m -2.day -1 EARTH SURFACE / ZEMSKÝ POVRCH

11 Lubomír Nátr 2009

12 In our conditions annually Only less than 1% of sun energy is fixed in biomass about Kg/m2 Used for albedo, heating and evaporation 1kg of biomass contains only 0,5%of energy radiating on canopy

13 ENERGY IN BIOMASS Annual biomass production 0.5 % Out of total annual sun radiation Production: 1 kg dry mass / 1 m 2 1 kg contains/obsahuje 5 6 kwh

14

15 Albedo Albedo is the fraction of solar energy (shortwave radiation) reflected from the Earth back into space

16 E = h. c / λ E: energie 1 fotonu h: Planckova konstanta (6, J s) c: rychlost světla ve vakuu ( km s -1 ) Λ: vlnová délka (m, 1 m = 1O 9 nm) E A = E N E A : energie 1 kvanta fotonů N: Avogadrovo číslo (6, mol -1 ) E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1 Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

17 Stefanův-Boltzmannův zákon energie záření J = σ. T 4 σ: : Stefanova-Boltzmannova konstanta (5, W m -2 K -4 ) T: teplota v kelvinech (273,15 o C ) Roste-li teplota tělesa, intenzita záření velmi rychle vzrůstá a jeho spektrum se posouvá k vyšším frekvencím. Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

18 Wienův zákon posuvu Λ = 3, (nm K) / T(K) maxt T: teplota v kelvinech (pro maximum energie, konstanta = 2, nm K) Λ max5800 = 620 nm Λ max290 = nm Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní 0 (T = 0 K = -273,15 o C), vydává záření, jehož složení závisí na teplotě tělesa. Největší počet emitovaných kvant (oblast s maximální hustotou toku fotonů) má vlnovou délku (λ max, ), pro kterou platí vztah daný Wienovým zákonem posunu pro maximální hustotu toku fotonů: Slunce má na povrchu teplotu 5800 K a maximální hustota toku fotonů leží v oblasti kolem 620 nm. Slunce vydává maximum energie v oblasti kolem 500 nm. Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakulty Nátr 2009 Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

19 Slunce má na povrchu teplotu 5800 K a maximální hustota toku fotonů leží v oblasti kolem 620 nm. Tok fotonů 160x x x x x x K 2000 K 3000 K 4000 K 5000 K 6000 K 40x x ,0 200,0x ,0x ,0x ,0x10-9 1,0x10-6 1,2x10-6 Vlnová délka 1,4x10-6 1,6x10-6 1,8x10-6 Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

20 Kelvin Wm -2 nm 0,0000 0, ,0000 0, , ,0000 0, , ,0000 5, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,3333 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakulty Nátr 2009 Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

21 Lubomír Nátr 2009

22 Dopadající sluneční záření (100%) Odražené sluneční záření (15%) Záření pohlcené listem (75%) Procházející sluneční záření (15%) Lubomír Nátr 2009

23 List, chloroplast, tylakoidní membrána Fotosyntéza Lubomír Nátr 2009

24 Energetická bilance listu (rostliny, porostu) Infračervené záření Lubomír Nátr 2009

25 Záření (světlo) Fotosyntéza: obecný přehled Zdroj e - a H + H 2 O, H 2 S aj. Substráty CO 2, NO 3- aj. Lawlor, 1993, uprav. Růst Absorpce pigmenty Přenos energie e - H + Odpad O 2, S Biochemie e - H + Přeměna energie zářivá chemická ADP+P i Přenos e - H + ATP Lubomír Nátr 2009 Donor e - Redukovaný akceptor (NADPH) Oxidovaný akceptor (NADPH)

26

27 Lubomír Nátr 2009

28 O 2 3C rubisco RuBP 5C 2C CO 2 Fotorespirace: pohlcování O 2 a výdej CO 2 Lubomír Nátr 2009

29 CO 2 3C PEPc 4C 4C rubisco 1C (CO 2 ) Buňky mezofylu 5C Lubomír Nátr 2009 Buňky parenchymatických pochev svazků cévních

30 CO 2 3C PEPc4C Buňky mezofylu 5 C 4C rubi sco 1C (CO 2 ) Buňky parenchymatických pochev svazků cévních Lubomír Nátr 2009

31 Lubomír Nátr 2009

32 Lubomír Nátr 2009

33 Lubomír Nátr 2009

34 Lubomír Nátr 2008

35 Rice Potato Sugar beet Cassava Barley Batate Soybean Oil plame Tomato Sorghum Orange Cabbage Coconut Bananas Bean Carrot Capsicum Lettuce Peas Lentil P Wheat Maize 0 Production in 1996 (10 6 t)

36 Lubomír Nátr 2008