|
При выполнении длительных (месяцы
и годы) космических полетов перспективной является биологическая система,
основанная на фотосинтезе зеленых растений.
В биоэнергетике, сложившейся в процессе эволюции жизни на
Земле, наблюдается два процесса—фотосинтез и обратный ему процесс
биологического окисления или дыхания. Растения (автотрофы) и живые существа
(гетеротрофы) в процессе дыхания поглощают кислород и выделяют углекислый
газ. В то же время в процессе фотосинтеза растения, поглощая световую
энергию Солнца и углекислый газ, выделяют молекулярный кислород и образуют
органическое вещество.
Основная роль в процессе фотосинтеза принадлежит
хлорофиллу—сложному органическому веществу зеленого цвета, по своей структуре
сходному с красным пигментом крови — гемоглобином. Хлорофилл находится в
цитоплазме растительных клеток в особых молекулярных структурах —
хлоропластах, являющихся специальными аппаратами приема солнечной энергии.
При фотосинтезе квантовая энергия видимого солнечного
излучения переводит молекулы хлорофилла на более высокий энергетический
уровень. При этом в идеализированной схеме фотосинтеза 6 грамм-молекул Н2О и
6 грамм-молекул СО2, проходя через цепь промежуточных реакций, образуют одну
молекулу сахара—глюкозы Сб(Н20)6. Таким образом, поглощенная солнечная
энергия не рассеивается, а преобразуется в потенциальную энергию химических
связей глюкозы, которая для одной грамм-молекулы (180 г) глюкозы составляет величину 2900 кДж (для покрытия в течение суток половины энергозатрат
человека необходимо около 2 грамм-молекул глюкозы) .
Побочным процессом при фотосинтезе является фотолиз—
разложение воды и выделение кислорода в количестве 6 грамм- молекул, т. е.
около 0,2 кг на 180 г глюкозы. К.п.д. фотосинтеза для различных растений
изменяется в пределах 0,01—0,15. К.п.д. фотосинтеза можно определить как
разность между полной энергией Еп во всем спектре падающего излучения на
единицу фотосинтезирующей поверхности и тепловой энергией Ег, непосредственно
выделяемой при фотосинтезе, отнесенную к полной энергии:
Особенностью фотосинтеза является и то, что
кислород отщепляется не от углекислоты, а от молекул воды, хотя еще недавно
считали, что при фотосинтезе растения расщепляют углекислоту. Продуктом
первичных реакций фотосинтеза является водород, который, в отличие от
кислорода, не выделяется в газообразном виде, а идет на синтез биомассы.
Энергетически обратный процесс дыхания начинается с
расщепления молекул и заканчивается инфракрасным излучением. Дыхание, т. е.
окисление пищевых веществ, происходит в специальном энергетическом аппарате
гетеротрофов-мито- хондриях и начинается, в противоположность фотосинтезу, с
расщепления молекул глюкозы и освобождения запасенной в ней энергии. Эта
энергия через цепь окислительных реакций в митохондриях тканей организма
человека (животных) после выполнения в них определенной работы сначала
переходит в энергию возбужденных молекул, а потом излучается в виде квантов
невидимого инфракрасного излучения с длиной волны ~ 10 мк.
Растительные клетки также постоянно дышат, но количество
кислорода, выделяющегося растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20—30
раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания.
Поэтому днем, когда растения и дышат и фотосинтезируют, 0ни обогащают воздух
кислородом, а ночью выделяют углекислоту, образующуюся в процессе дыхания.
Кроме клеток зеленых растений, автотрофами являются также
некоторые виды бактерий, способных использовать химическую энергию окисления
неорганических веществ и водорода. У клеток этих бактерий нет хлорофилла и
способ, с помощью которого они мобилизуют энергию для реакций синтеза,
принципиально иной, нежели у растительных клеток. В этих клетках происходит
так называемый хемосинтез, а сами бактерии являются хемоавтотрофами.
Биоэнергетика хемоавтотрофов является по существу неполным
повторением цикла механизма биоэнергетики в фотоав- тотрофах, так как эти
организмы не могут усваивать солнечную энергию и нуждаются в источниках
химической энергии. Наиболее типичным представителем хемосинтетиков являются
водородные бактерии, которые из газообразного водорода, углекислоты,
кислорода и минеральных солей осуществляют синтез биомассы по реакции
Хемосинтетики можно применять тогда, когда нет
возможности использовать солнечный свет (для полетов за пределами солнечной
системы). В этом случае фотолиз воды в схеме биоэнергетики фотоявтотрофов
можно заменить электролизом воды с выделением избыточного кислорода.
Для систем обеспечения жизнедеятельности при длительных
полетах перспективными являются фотосинтезирующие одноклеточные водоросли
типа хлорелла (Chlorella) и хехмосинтези- рующие водородные бактерии
(Hydrogenomonas).
Давно установлено, что в прудах в естественных условиях 1 м2 суспензии хлореллы толщиной 10 мм при концентрации 108 клеток в 1 см3 равен по эффективности
фотосинтеза аналогичной площади листьев высших растений и содержит около 0,5 г хлорофилла. При достаточном поступлении извне С02 и освещенности порядка 10000 лк хлорелла
может выделять около 60 л 02 в сутки.
При большей плотности суспензии клеток и большей
освещенности в искусственных условиях эффективность фотосинтеза возрастает
настолько, что 1 м2 площади, освещенной Солнцем, может за сутки синтезировать
100—200 г биомассы в сухом виде (или 400—600 г в свежем необезвоженном виде)
и выделить 100—200 л кислорода.
Рассмотрим функциональную схему культиватора для
выращивания хлореллы ( 4.6). В реакторе Р находится суспензия хлореллы.
Реактор может быть выполнен в виде плоскопараллельных кювет из органического
стекла. Необходимый для фотосинтеза световой поток создается ксеноновыми
лампами Л, Главный насос Н непрерывно прокачивает суспензию через
газообменный аппарат ГОА, в котором происходит насыщение суспензии
углекислотой и разделение жидкой (суспензия) и газообразной (кислород) фаз.
Температура суспензии поддерживается на необходимом оптимальном уровне с
помощью системы термостабилизации Т.
Газовая смесь кабины посредством вентилятора В проходит
через холодильно-сушильный агрегат ХСА и поглотитель С02 (Псо3К Углекислота
подается в ГОА, а кислород, выделяющийся в результате фотосинтеза, подается в
кабину.
Насос-дозатор НД осуществляет слив культуры из реактора в
блок минерализации БМ и долив минерального питания МП в реактор. Режим работы
насоса-дозатора задается датчиком плотности ДП суспензии.
Отношение объема поглощенного С02 к объему выделенного 02
при фотосинтезе водорослей называется коэффициентом ассимиляции. Он
изменяется в диапазоне от 0,75 до 1 в зависимости от минерального питания.
Меняя состав минерального питания, можно добиться приближения коэффициента
ассимиляции водорослей к дыхательному коэффициенту человека.
|