Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergie

1. 34. Medzinárodný český a slovenský kalorimetrický seminár, 28.5.-1.6.2012, hotel Svornost, Harrachov v Krkonošiach Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergie Ján Kukla Ústav ekológie lesa SAV, Ľ. Štúra 2, 96053 Zvolen

2. Bioenergia je slnečná energia transformovaná do energie chemických väzieb: Energia je schopnosť fyzikálneho systému konať prácu.

3. Slnko - primárny zdroj Slnko je žltá hviezda (spektrálny typ G2), hmotnosť ktorej (2×1030 kg) predstavuje 99,87% hmotnosti celej slnečnej sústavy. Celkový žiarivý výkon Slnka je 3,826.1026 W. Energia je vyžarovaná vo forme fotónov gama. Patrí medzi hviezdy hlavnej postupnosti, v ktorých sa termonukleárnou fúziou mení ľahký vodík (procium) na hélium. Tento zdroj slnečnej energie predpokladal nemecký fyzik Hans Bethe už v roku 1938, ale jeho teória bola potvrdená až v roku 2002. Slnko‒ hviezda našej planetárnej sústavy v oblasti spektra ‒ ultrafialového ‒ infračerveného ‒ röntgenového ‒ viditeľného

4. Protón-protónový cyklus Jadrové reakcie prebiehajúce vo vnútri Slnka možno zjednodušene zapísať takto: 1H + 1H = 2H + elektrónové neutríno 2H + 1H = 3He + fotón gama žiarenia 3He + 3He = 4He + 1H + 1H

5. Parametre Slnka Zložené je hlavne z voľných jadier vodíka 92,1 %, hélia 7,8 % a elektrónov. Vodík reprezentuje 75 % hm. a hélium 25 % hm. V jadre Slnka je asi 50 % hmotnosti a vodík sa mení na hélium, ktoré už prevažuje nad vodíkom (64 : 34 %). V strede Slnka dosahuje teplota 14 000 000 ‒ 20 000 000 °K, na jeho okraji asi 7 000 000 °K. Tlak sa odhaduje na 150×109 atm. Hustota vo vonkajšej časti jadra je asi 20 g.cm-3, kým v jeho vnútri až 150 g.cm-3. Pri žiarivom výkone 3,826.1026 W by Slnko malo svietiť ešte asi 5 mld. rokov. Slnko obsahuje všetky chemické prvky známe aj na Zemi, avšak väčšinou len v stopových množstvách.

6. Význam Slnka Energia Slnka podmieňuje takmer všetky procesy prebiehajúce na Zemi: • charakter podnebia a počasia • kolobeh vody • zvetrávanie hornín • erózno-akumulačné procesy • ale aj existenciu života - bolo preto uctievané ako božstvo • (v starovekom Egypteako boh Slnka Ré, Ra alebo Amon, • , v Grécku ‒ Helios, v Ríme ‒ Sol) „Krásne žiariš v horizonte neba, ó Slnko, žijúce od prapočiatku. Keď vychádzaš na východe, naplňuješ Zem krásou. Si veľké, krásne, žiariace a vznášajúce sa nad všetkými zemami. Keď sa rozodnieva, vychádzaš na obzore a zaháňaš temnotu. Rozdávaš lúče a zem je v slávnostnom lesku. Ľudí staviaš na nohy, ich ruky vzdávajú chválu tvojmu zjaveniu. Celý svet vykonáva svoju prácu. Tvoje lúče vyživujú polia, pokiaľ budeš svietiť, budú žiť a rásť pre teba. Ty tvoríš ročné počasie, aby si životom obdarovalo, čo si stvorilo.“ Úyvok z oslavnej piesne Slnku 1351-1334 p.n.l. Amenofis IV v poradí 10. egyptský faraón 18. dynastie

7. Planéta Zem Energia na zemskom povrchu pochádza: • zo Slnka (99,9 %) • z geotermálnej energie • z energie prílivu a odlivu • z jadrovej energie Energia dopadajúca zo Slnka na prierezovú plochu Zeme (127 400 000 km²) činí 1.740×1017 W (± 3,5 %). Na hornej hranici zemskej atmosféry dosahuje množstvo elektro-magnetického žiarenia dopadajúceho kolmo na jednotku plochy ‒ solárna konštanta N, hodnotu 1,37 kJ.m-2.s-2 (1,37 kW.m-2). V lete na poludnie sa z tohto množstva dostáva k povrchu Zeme max. 67 %, v prípade oblačnosti oveľa menej. K vegetácii sa v miernej pásme dostáva za deň 250-1900 kJ.m2, priemerne 720-950 kJ.m-2.

8. Zem ‒ kolíska života. Živé organizmy schopné akumulovať slnečnú energiu slnka sa podľa súčasných poznatkov nachádzajú len na Zemi. V roku 2011 síce astrobiológ NASA R. B. Hoover oznámil, že pri skúmaní meteoritu CI1 objavil fosílnu baktériu. Avšak podobné správy v médiách o existencii mimozemského života nie sú zatiaľ všeobecne akceptované. • Predstavy o vzniku života: • kreacionizmus ‒ po zásahu nadprirodzenej bytosti • abiogenéza ‒ z neživej hmoty samoplodením (až do 19. stor.) • eternizmus, panspermická teória ‒ vesmírny pôvod (meteority) • Oparin, Miller a i. ‒ postupný vývoj z neživej hmoty (20. stor.) • podľa najnovších vedeckých teórií by miestom zrodu života • mohli byť hydrotermálne aktívne podmorské sopky

9. Spôsoby získavania uhlíka a bioenergie Autotrofné organizmy vytvárajú organické látky z anorganických: • fotoautotrofné organizmy (fotosyntetizujúce baktérie a zelené rastliny) transformujú svetelnú energiu do chemických väzieb • chemoautotrofné organizmy (baktérie) získavajú chemickú energiu kvasením alebo oxidáciou organických alebo anorg. zlúčenín, (sírne baktérie žijúcich v okolí hydrotermálne aktívnych podmorských vulkánov, alebo na dnách morí) 2. Heterotrofne-autotrofné organizmy: • poloparazitické (Viscum album, Melampyrum, Rhinanthus, Pedicularis) • myxotrofné (hmyzožravé rastliny ‒Drosera, Utricularia, Pinquicula) • symbiotické (mykorízne huby) 3. Heterotrofné organizmy vytvorené org. látky spotrebovávajú: • biofágy • nekrofágy

10. Syntéza organických látok Zelené rastliny a fotosyntetizujúce baktérie prijímajú svetelnú energiu pomocou asimilačných farbív (chlorofylov, beta karoténu, fykocyanínu, fykoerytrínu) a transformujú ju za vzniku organických látok na energiu chemických väzieb. Z chemického hľadiska možno proces fotosyntézy vyjadriť všeobecnou rovnicou: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O energia svetla oxid uhličitý  +  voda    glukóza  + kyslíkchloroplast Pri vyšších rastlinách prebieha fotosyntéza v chloroplastoch, kde sa nachádza chlorofyl a a chlorofyl b. ‒ pri svetelnej fáze sa počas primárnych fotosyntetických procesov absorbuje svetelná energia a mení sa na energiu chemickej väzby ‒ pri tmavej fáze sa sekundárnymi fotosyntetickými procesmi fixuje C a anorganický CO2 sa mení na organický C sacharidov

11. Svetelná (fotochemická) fáza Energia svetelného žiarenia sa absorbuje chlorofylom a premieňa sa na energiu chemickej väzby feredoxínu (Fd), adenozíntrifosfátu (ATP) a redukovaného nikotínamidadeníndinukleotidfosfátu (NADPH). Uplatňujú sa pritom 2 fotosystémy: Fotosystém I. ( P700)‒ obsahuje chlorofyl, ktorý absorbuje svetlo vlnovej dĺžky do 700 nm, pričom sa uvoľňuje excitovaný (energetický) elektrón. Fotosystém II  (P680) obsahuje krátkovlnnejšie chlorofyly. Pri cyklickej fotofosforylácii vzniká ATP, pri necyklickej NADPH + H+ a O2

12. Tmavá biochemická (syntetická)fáza V tejto fáze sa produkty vzniknuté počas primárnych fotosyntetických procesov využívajú na redukciu CO2. Fotosyntéza C3-rastlín Väčšina rastlín mierneho pásma využíva na výrobu glukózy Calvinov cyklus prebiehajúci cez trojuhlíkaté (C3) medziprodukty. Špecifickým akceptorom (karboxylácie)CO2 je Ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP). V C3 rastlinách prebieha fotosyntéza pri otvorených prieduchoch súčasne s dýchaním (fotorespiráciou).Pritom sa až 50 % vytvorenej glukózy rozkladá a uvoľnená energia sa využíva na metabolické deje.

13. Fotosyntéza C4-rastlín Niektoré rastliny tropického pôvodu majú počas tmavej fázy zatvorené prieduchy, preto si zdroj uhlíka zabezpečujú pomocou Hatch-Slackovho cyklu, ktorý prebieha pri otvorených prieduchoch. Vzniknutá organická zlúčenina C4(štvoruhlíkatá dikarboxylová kyselina) slúži ako zásoba uhlíka. Po skončení cyklu sa prieduchy zatvárajú, vzniknutá glukóza sa dýchaním nespotrebúva a jej energetický efekt vyšší ako pri C3 rastlinách. Primárnym akceptorom CO2 je fosfoenolpyruvát (PEP). Fotosyntéza CAM-rastlín (Crassulean Acid Metabolism) Sukulentné rastliny (z čeľadí kaktusovité, tučnolisté, broméliovité neotvárajú prieduchy cez deň, ale v noci. Tým si regulujú vodný režim bez obmedzenia príjmu CO2. Zdroj uhlíka si zabezpečujú pomocouHatch-Slackovho cyklu, podobne ako C4-rastliny.

14. Chloroplast‒ továreň na glukózu Svetlo sa mení na chemickú energiu ATP a NADPH; → O2 CO2 sa mení na glukózu Chlorofyl absorbuje svetelnú energiu 1. Vonkajšia membrána 7. Granum (zhluk tylakoidov) 2. Periplazmatický priestor 8. Lamela – stromálny tylakoid 3. Vnútorná membrána 9. Škrob 4. Stróma (hustá tekutina) 10. Ribozóm 5. Lumen (dutina) tylakoidu 11. Plastidová DNA 6. Membrána tylakoidu 12. Tukové kvapôčky

15. Vplyv organizmov na prostredie Prvými fotosyntetizujúcimi organizmami boli cyanobaktérie. Činnosť týchto morských organizmov mala výrazný vplyv na chemické zloženie zemskej atmosféry, najmä na: • výrazný vzrastobsahu kyslíka a vznik ionosféry (zmiernila intenzitu dopadajúceho ultrafialového žiarenia) • pokles obsahu plynov vyvolávajúcich skleníkový efekt, najmä CO2 (uskladnenie v biomase, v nekromase, v pôde a v geologických vrstvách ‒ uhlie, ropa, karbonáty) Spaľovaním fosílnych palív sa CO2 dostáva späť do ovzdušia. Na emitovaných skleníkových plynoch sa podieľa >60 %. Menej zastúpený, ale účinnejší je metán ‒ CH4 (23-krát), oxid dusný ‒N2O ( 310-krát účinnejší), fluórované skleníkové plyny (HFC, SF6, PFC) a najmä chlorofluórkarbóny (CFC), ktoré spôsobujú stenčovanie ozónovej vrstvy.

17. Vzrast koncentrácie CO2 v zemskej atmosfére v rozpätí rokov 1960-1995.

18. Ekosystém (oikos – dom; system – sústava) Tansley (1935) definuje ekosystém ako komplex organizmov a fyzikálnych faktorov prostredia (environmentu) biomu, t.j. faktorov stanovišťa. Lindeman (1942) spresnil, že ide o akýkoľvek systém zložený z fyzikálnych, chemických a biologických procesov pôsobiacich v časovo-priestorovej jednotke akejkoľvek veľkosti. Zlatník (1976) definuje konkrétny terestrický ekosystém‒ lesný typ (vo všeobecnosti typ geobiocénu) nasledovne: • Lesný typ je súbor biocenóz pôvodných, zmenených a ich vývojových štádií, vrátane prostredia, teda geobiocenóz vývojovo k sebe náležiacich. • Lesný typ = typ trvalých ekologických podmienok

19. Štruktúra terestrického ekosystému

20. Suchozemské ekosystémy • Lesné (majú väčší alebo menší nedostatok až nadbytok vlahy) • prírodné ‒ v klimaxovom štádiu sukcesie (pralesy) • kultúrne ‒ antropicky zmenené (smrekové monokultúry a i.) • Nelesné (majú nedostatok vlahy pre les) • prírodné ‒ v klimaxovom štádiu sukcesie • stepné • ‒ chladné stepi (horské stepi - hole, severské stepi ) • ‒ horúce stepi (tzv. skalné stepi; prérie, pampy, savany) • púštne (chýba voda v kvapalnom stave) • kultúrne ‒ človekom podmienené • lúky - (kosenie, hnojenie) • pastviny

23. 600 500 400 300 200 100 0 mld. ton Zásoba C v terestrických ekosystémoch

24. Produkcia uhlíka Fotosyntézou sa ročne viaže 1,5.1014 kg C, čo zhruba odpovedá svetovým zásobám ropy. Zároveň sa uvoľňuje 4.1014 kg O2. Suchozemské zelené rastliny viažu asi 10 % C, zelené riasy svetových morí a oceánov asi 90 %.

25. Vodné ekosystémy • Morské • plytkomorské • hlbokomorské • Brakické (prechodné medzi morskými a sladkovodnými, • napr. v ústiach riek) • Sladkovodné • stojaté vody (jazerné) • tečúce vody (riečne - lotické ekosystémy)

26. Mŕtve morské zóny Počet mŕtvych zón stúpol od roku 1995 o 1/3 a ich celková rozloha (viac ako 245 000 km2) je porovnateľná s veľkosťou Nového Zélandu. Najväčšia mŕtva zóna na svete sa nachádza v Baltskom mori. V Mexickom zálive sa po ropnej havárii zóna smrti rozšírila na nevídaných 23 000 km2. Pre ryby a ostatné vodné organizmy je neokysličená voda smrtiaca.

27. Globálna abundancia fototrofných organizmov (cyanobaktérií, rias a zelených rastlín) v oceáne a na pevnine. Ide o hrubý indikátor potenciálnej primárnej produkcie, nie odhad aktuálnej produkcie.

28. Produktivita ekosystémov Najnižšia produktivita je v oblasti voľného mora a v púšťach, len <2,1.103 kJ.m-2.rok-1, často len 0,42.103 kJ m-2.rok-1. Produktivita trávnych formácií (lúk, stepí) a hlbokých jazier činí 2,1.103 až 16,8.103 kJ.rok-1 (priemerne 4,2.103 kJ.m-2.rok-1). Produktivitalesov, plytkých jazier a intenzívne obrábaných polí je 16,8-50,4.103 kJ.rok-1. Produktivitarovníkových lesov a korálových útesov činí 50,4 až 126.103 kJ.m-2.rok-1. Maximálna produktivita ekosystémov nepresahuje 126 až 168.103 kJ.m-2.rok-1. Priemerná brutto produktivita biosféry je cca 50,4.103 kJ.m-2.rok-1

29. Biomasa ako zdroj energie Premena biomasy na tepelnú energiu môže prebiehať dvomi základnými spôsobmi: • termochemickou premenou • priame spaľovanie • pyrolýza • splyňovanie • biochemickou premenou • fermentácia (alkoholové kvasenie) • anaeróbne vyhnívanie (metánové kvasenie) Spaľovanie biomasy má na zvyšovanie CO2 v atmosféreneutrálny vplyv, na rozdiel od spaľovania fosílnych palív.

30. Obsah energie vo vybraných látkach

31. Potreba energie

40. Ďakujem za pozornosť