Cicluri biogeochimice

LECTIA 3

GREEN HORIZONGREEN HORIZONCHEMISTRY vs ECOLOGY

Gheorghe DUCA, academicianPresident of Academy of

Sciences of Moldova

Chimie si ecologie

Chimie

Ştiinţă despre structura

substanţelor şi

transformările lor

EcologieŞtiinţa care studiază legităţile

de interacţiune dintre organismele vii şi mediu

• Ecological chemistry;• Ecological physics;• Ecological engineering;• ecological economics;• Ecological anthropology;

• Social ecology;• Ecological health;• Industrial ecology;• Media ecology;• Software ecology

and information ecology.

Several ecological interdisciplinary areas

Several ecological interdisciplinary areas

Ciclul materiei de pe Pamânt se desfășoară prin reacțiile chimice,

care se afla într-o stare de ECHILIBRUECHILIBRU

Acestea se studiaza deCHIMIA MEDIULUICHIMIA MEDIULUI

Chimia mediului este o ramură a ştiinţei, care se ocupa cu studiul atmosferei, hidrosferei, litosferei şi a relatiilor dintre ele.

Relație ATMOSFERĂ-APĂATMOSFERĂ-APĂ

Diferite acțiuni antropice distrug acest echilibru efemer.

De exemplu, dezvoltarea tehnologiei chimice

(CHIMIE INDUSTRIALĂCHIMIE INDUSTRIALĂ).

Uzinele, precum și stațiile de energie atomică elimină substanțe toxice, ce au

tendința spre acumulareacumulare. În scurt timp mediul ambiant nu se va

mai potrivi valorii biologice de valorii biologice de habitarehabitare.

Problema dată trebuie rezolvată. Cu căutarea soluțiilor se ocupă

CHIMIA ECOLOGICĂ.CHIMIA ECOLOGICĂ.

Chimia ecologicaStudiaza procesele chimice, fizico-chimice si biochimice, care aduc la formarea compozitiei chimice a mediului ambiant adecvat valorii biologice de abitare

CHIMIA ECOLOGICĂ CHIMIA ECOLOGICĂ este o ştiinţă foarte largă.

CHIMIA VERDECHIMIA VERDE, ca o parte a CHIMIEI ECOLOGICE, are ca scop de a rezolva problema “priorităţilor false” – preferinţa economiei faţa

de starea mediului ambiant

Ca o parte a CHIMIEI ECOLOGICE,

CHIMIA VERDE CHIMIA VERDE se ocupă cu:Prevenirea deseurilorProiectarea produselor sauAnaliza în timp real pentru prevenirea poluării, monitorizare şi controlProiectarea sintezei chimice mai puţin periculoase şi a substanţelor chimice mai sigureUtilizarea materiei prime regenerabileProiectarea produselor si substanţelor chimice care să se degradeze dupa utilizareCreşterea eficienţei energetice a proceselor tehnologice

CICLURI BIOGEOCHIMICE

Apariţia vieţii pe Pămînt. Biosfera.Ciclurile de oxigen, carbon, azot, fosfor, sulf, de apă şi energie.

BIOGEOCHIMÍE

Ramură a geochimiei care studiază compoziţia chimică a biosferei

Geneza Universului Astronomii cred ca totul (Universul) a aparut în urma cu 15 miliarde de ani cu formarea particulelor, care se agitau cu viteze apropiate luminii ,intr-o mare masă de materie concentrata intr-un spațiu relativ redus. În urma presiunii si temperaturii uriașe a aparut fenomenul de fuziune nucleara. Particulele (protoni si neutroni) au fost „obligate” sa se uneasca , formand nuclee. Apoi s-au format atomii. Dupa sute de milioane de ani s-au format galaxiile.

Geneza UniversuluiTeoria Big Bang-ului a fost elaborata in baza analizei spectrale a luminii emisa de galaxii. Efectul spre rosu al galaxiilor care se departeaza de noi este numit efect Dopler Cristian (matematic austriac). Cu ajutorul acestuia putem afla distantele între acestea precum si daca se apropie sau se departează de noi. Daca expansiunea va continua, Universul, va devenii din ce în ce mai gol, iar spatiul din ce în ce mai rece. Însa daca Universul va începe sa se contracte, galaxiile se vor apropia pâna când vor intra în coliziune si vor fuziona. Totul va fi distrus. Acesta va fi Big Crunch.

Sistemului SolarSistemul Solar face parte din Galaxia numitã Calea Lactee, o galaxie în formã de spiralã cu un diametru de 100 000 ani de luminã fațã de o grosime de 1000-2000 ani luminã.

Formarea sistemului solar

Formarea sistemului solar a avut loc cu aproximativ 6 miliarde de ani în urmă unei explozii iniţiale, urmată de condensarea substanţei interstelare În procesul comprimării gravitaţionale, substanţa stratificată pe orbite s-a concentrat determinând formarea planetelor la distanţe diferite de soare În funcţie de distanţa de soare, compoziţia chimică a planetelor diferă Apariţia vieţii pe Pămînt este strîns legată de evoluţia planetelor

Ilustratie in care se vede discul de gaz din care s-au format planetele (discul protoplanetar), Soarele si cîteva planete deja formate.

Aspecte istoriceOrganizarea Sistemului Solar propusa in anul 1543 de astronomul polonez Nicolas Copernic (sistem care se numeste si heliocentric, adica cu Soarele in centru) a fost o idee revolutionara pentru timpul sau. Dar sistemul heliocentric propus de Copernic a fost aspru criticat de Biserica Catolica, institutie care, din considerente religioase adoptase sistemul geocentric, adica cel care avea in centrul sau Pamantul. Pentru ca au sustinut si dezvoltat ideea heliocentrica, nu putini invatati au avut de suferit din ordinul Bisericii.

Sistemul solar

Sistemul solarNume Orbitează Distanţa(mlnkm) Raza(km) Masa(kg) Soarele 697000 1.99e30Mercur Soarele 58 2439 3.30e23 Venus Soarele 108 6052 4.87e24Pământul Soarele 149 6378 5.98e24Marte Soarele 227 3398 6.42e23Jupiter Soarele 778 71492 1.90e27Saturn Soarele 429 60268 5.69e26Uranus Soarele 2870 25559 8.69e25Neptun Soarele 4504 24764 1.02e26 Pluton Soarele 5913 1160 1.32e22

Structura sistemului solarSaturn, Uranus, Neptun, Pluton- cele mai îndepărtate planete

Compoziţia chimică: hidrogen, heliu, amoniac, apă, metan, diferiţi oxizi şi hidroxizi Temperatura pe suprafaţa: 40-55 K Atmosfera (în afară de Pluton, căruia îi lipseşte atmosfera): heliu şi hidrogen

Jupiter – 790 milioane km de la soare (liquida) Compozitia chimică: hidrogen(90%), heliu(10%)

Temperatura medie pe suprafaţa planetei: 400 K Atmosfera: hidrogen, heliu, presiunea 110 atm.

Marte - 230 milioane km depărtare de Soare Compozitia chimică: fier, titan, aluminiu, siliciu, sulf. clorTemperatura medie pe suprafaţa planetei: 200 K Atmosfera: foarte rarefiată

Venus - “planeta furtunilor”, 110 milioane Km de SoareAtmosfera: 90% de bioxid de carbonNorii atmosferici - acid sulfuric sub formă de cristaleTemperatura: 700K (efect de seră)

Mercur - planeta cea mai apropiată de soare - 58 de milioane de km Compoziţia chimică: fier, siliciu, potasiu, sodiu, oxigen Temperatura medie: 400 KAtmosfera lipseşte (cratere)

Planeta Pământ(Albastră,Terra)văzută de pe Lună

Planeta PământCuvîntul „Pământ” provine din latinescul „pavimentum”, care înseamnă „pavaj”, „drum pietruit”. Simbolul astrologic şi astronomic al Pământului este reprezentat de o cruce încadrată de un cerc ce reprezintă un

meridian şi Ecuatorul (+). O altă varianta aşează crucea deasupra

cercului (♁).

Planeta Pământ, Structura

LitosferaHidrosferaAtmosfera

Suprafața Planetei Pământ

APĂ – 70,8%USCAT - 29,2%

Compoziţia Chimică a Pămîntului

49,13% oxigen 26,00% siliciu7,45% aluminiu 4,20% fier 3,25% calciu 2,40% sodiu2,35% potasiu 2,35% magneziu1,00% hidrogen 0,61% titan0,35% carbon 0,20% clor

Evoluţia Pământului

în Evoluţia Pămîntului se pot distinge două mari etape:

1. cosmicăEtapa cosmică, cu durata de circa 2 miliarde

ani, este etapa în care Pămîntul era constituit dintr-o materie fluidă incandescentă, cu temperatura foarte mare, circa 4000-50000°C, şi care prin răcire treptată a trecut de la faza gazoasă la cea lichidă, apoi la faza lichido-viscoasă şi viscoasă. Din aceasta din urmă a luat naştere scoarţa terestră.

2. geologicăEtapa geologică sau terestră propriu-zisă

începe cu formarea primei scoarţe solide (cu cristalizarea mineralelor şi a rocilor) şi a cărei vîrstă este stabilită în perioada actuală circa 4,6 miliarde ani.

Planeta PământVârsta Terrei numără în prezent 4,6 miliarde de ani (sau 46 de ani după scara geologică Kaldar) Condensarea vaporilor de apă, ce a dus la formarea oceanului mondial - 4 miliarde de ani în urmăParticularităţile atmosferei timpurii: lipsa oxigenului liber, radiaţii ionizante şi temperaturi până la 1370 K Procese abiotice de sinteză, din gaze simple, diverse substanţe chimice au dus la formarea substanţelor organice cu structuri tot mai complicate

Planeta PământNasterea pe cale chimică a macromoleculelor (coacervate)ce se reproduceau şi transmiteau informaţia “ereditară” a avut loc cu 3,8 miliarde de ani în urmăAtmosfera era reducătoare şi conţinea CO, CO2, N2, HCl, HF, H2 şi alte gaze. Oceanul, iniţial avea aciditate sporita datorată dizolvării HCl, HF şi altor gaze vulcanice acide. Centrul pămîntului ar fi un nucleu metalic, format din fier, în proporţie de 90% şi din nichel, în proporţie de 10%.

Planeta PământEvoluţia vieţii biologice a dus la apariţia a unor bacterii care s-au “învăţat” să folosească apa în calitate de donor cu eliminarea oxigenului molecular în mediul externFormarea atmosferei aerobe a Pământului a început atunci când toate rezervele de substanţe reducătoare conţinute în apă au fost oxidate, principalul consumator de oxigen fiind ionii Fe2+ Apariţia stratului de ozon care protejează suprafaţa Pământului de radiaţia solară a determinat ieşirea vieţii pe uscatApariţia vegetaţiei a intensificat procesul de fotosinteză şi compoziţia atmosferei a atins un nivel staţionar

Biosfera

Biosfera a fost definită de englezul Hutchinson G.E. (1970) ca fiind

”spaţiul planetar ocupat de către

mediul viu”

BiosferaBiosfera este un înveliş termodinamic cu temperatura de la +50°C până la -50°C presiunea în jurul unei atmosfere; Aceste condiţii constituie limita vieţii pentru

majoritatea organismelor; limita superioară a biosferei este la 22 km deasupra nivelului mării;În oceane, limita inferioară a vieţii o constituie la adâncimea de 10 km; în scoarţa terestră dură (litosferă) limita vieţii este determinată de temperatura înaltă şi organismele pătrund pînă la 4-5 km.

Ecosfera Ecosfera - sistemul unde se desfăşoară

toate fenomenele biologice. Este alcătuit din:1. Mediu chimic (litosferă, hidrosferă,

atmosferă);2. Mediu biologic (organismele vii);3. Mediu cosmic (soarele - sursa de

energie necesară vieţii) – fotosfera;

Cicluri biogeochimice Circuitul elementelor biogene (carbon,

oxigen, azot, sulf) în biosferă – reprezintă trecerea lor din forma minerală în materia vie şi invers, ca urmare a unor transformări chimice şi biologice

Se pot distinge două mari categorii de circuite biogeochimice globale: circuite gazoase, în care rezervorul

principal al elementelor este atmosfera (ex. C, N, O)

circuite sedimentare, în care rezervorul principal al elementelor îl reprezintă litosfera

Timpul caracteristic pentru circuitul biologic al rezervelor de substanţe nutritive din mediul ambiant este de circa 10 ani

Ciclul de oxigenAtmosfera conţine aproximativ 1,21011 t O2 - 21%.

În urma fotosintezei se formează anual 2,31011 t O2

Aproape toată această cantitate de oxigen este folosită în procesele de respiraţie şi fermentaţie

Cantitatea de oxigen nefolosită se apreciază după masa substanţei organice care se depune în roci

Ciclul de oxigen

O altă sursă de oxigen atmosferic o constituie procesul de fotodisocie-re a moleculelor de apă:

hν

H2O H2 + O2

În urma fotodisocierii se formează circa 2106 t oxigen pe an

Ciclul oxigenului în biosferă

Astfel, formarea şi consumarea oxigenului reprezintă practic un ciclu închis între fotosinteză şi distrucţia microbiologică a substanţei organice în biosferă:

   fotosinteza   H2O respiraţie O2

  H2O2

cataliza

 

Schema de reducere a oxigenului în apă prin intermediul particulelor

reactive

Ciclul oxigenului în biosferă

Circuitul carbonului

Carbonul (C) reprezintă elementul de bază al materiei vii, ocupând 49% din greutatea substanţei uscate

La fel, carbonul, deţine 24,9% din compoziţia globală a biosferei

Principalul rezervor de carbon implicat în funcţionarea biosferei îl constituie bioxidul de carbon (CO2) dizolvat sub formă de ioni carbonici în mările şi oceanele planetei (35 000 milioane tone)

Formele de dioxid de carbon

Colonizarea uscatului cu plante

Diversificarea plantelor vasculare

Milioane de ani în urmă

RCO2 = raportul concentraţiei de CO2 de atunci, către concentraţia CO2 de acum.

Extincţia din Ordovician

Ext. din Devonian

Ext. din Permian

Ext. din Triasic

Ext. din Cretacic

EVOLUŢIA CONCENTRAŢIEI DE CO2 DIN ATMOSFERĂ ÎN ULTIMII 500 MILIOANE DE ANI (DE LA APARIŢIA

PLANTELOR ÎNCOACE).

Ciclul carbonului implicat în materia vie

Felul schimbului în tone/anOxigen eliberat de plante 230 din care: de păduri 130 de suprafeţe cultivate 45Bioxid de carbon consumat de biosferă 300

din care: de păduri 170 circa 30 t/ha

de suprafeţe cultivate 60circa 5 t/haBioxid de carbon eliminat prin arderi 25Producţia de deşeuri organice 40Producţia de biomasă 117 (58.109 t carbon)Prelevări de lemn (1982) 2,5

din care pentru combustibil 1,4Producţia de combustibili fosili 7,5

din care:cărbune 3,9 petrol 2,6 gaze combustibile 1,0

Rate de schimb a carbonului in biosfera

Circuitul global al carbonului

Deoarece ieşirile din „sistem" realizate numai prin fotosinteză nu cresc în aceeaşi proporţie cu intrările industriale, se înregistrează în atmosferă, în ultimul secol al mileniului II, o creştere progresivă de CO2 în aer (de la 280 ppm, la începutul secolului, la 375 ppm astăzi)

Acest lucru a condus la încălzirea atmosferei şi crearea unor dezechilibre globale în circuitul apei în natură, îndeosebi, topiri ale calotelor glaciare

Circuitul azotului

Circuitul azotului este mult mai complex decât al celorlalte elemente biogene analizate până acum; acest ciclu este influenţat de rezerva uriaşă de azot liber din atmosferă.

Circuitul azotului

Spre deosebire de carbon, atmosfera este foarte bogată în azot (79%)

Azotul se prezintă sub formă moleculară (N2)

Deasupra fiecărui hectar de pământ sau apă se află 80.000 t azot molecular (considerat practic un gaz inert); există însă foarte puţine organisme capabile să-l utilizeze şi sub această formă (N2)

Din punct de vedere biologic, principalul rezervor de azot este alcătuit din azotul mineral, amoniac, nitriţi, nitraţi etc.

Circuitul azotului implicat în materia vie

Circuitul azotului implicat în materia vie

În evoluţia mediului viu, câteva fenomene biologice şi biochimice, în care este implicat azotul, sunt determinante pentru funcţionarea „sistemului biologic“:

Fixarea azotului (se efectuează de către bacterii, alge albastre şi anumite ciuperci)Amonificarea (proces de mineralizare a substanţelor organice cu formare de amoniac) Nitrificarea (procesul de transformare a amoniacului în nitraţi) Denitrificarea

Ciclul apei in naturaHidrologia este stiinta care se ocupa cu studierea distribuirii apei pe pamant.

Ciclu hidrologic este miscarea continua a apei intre pamant si atmosfera. Datorita diferitor influente , apa se evapora atat de pe suprafata pamantului cat si a apei si transpira din celulele vii.

• Acesti vapori circula prin atmosfera si se precipita sub forma de ploaie si zapada.

• Atingand suprafata pamantului , apa urmeaza doua cai : o parte determinata de intensitatea ploii , de porozitatea , permeabilitatea , si umiditatea anterioara a solului , se scurge pe suprafata solluli direct in rauri , lacuri si oceane. Cealalta parte se ifiltreaza in sol..

Circuitul apei în biosferă

• Cantităţile de apă reprezintă milioane km3/an

Ciclul de apă

• Biosfera conţine circa 1 350 milioane km3 de apă, din care cea mai mare parte (97%) se află în oceane

• Apele continentale (fluvii, lacuri, pânze freatice etc.) reprezintă 8,3 milioane km3, adică numai 0,6% din cantitatea totală

• Restul de apă din biosferă se distribuie astfel:– 12 700 km3 este prezentă în atmosferă sub formă

de vapori– 400 km3 este conţinută în biomasa animală şi

vegetală

Ciclul de apă• Dinamica ciclului este variabilă în

funcţie de sectoarele sale: Statistic, o moleculă de apă staţionează în medie 9 zile în rezervorul atmosferic şi mai multe milenii în rezervorul oceanic şi în calotele glaciare. Totalul evaporaţiei este evaluat la 70 x 1012 m3 / an deasupra continentelor şi 350 x 1012 m3 / an deasupra oceanelor, iar cantitatea totală de precipitaţii 100 x 1012 m3 / an deasupra continentelor şi 320 x 1012 m3 / an deasupra oceanelor.

Ciclul de apă• Norii sunt mase de apă uneori enorme,

chiar dacă nouă ne par "uşori". Ei sunt cel mai mare mijloc de transport de pe Terra, deoarece un singur nor de furtună poate conţine sute de mii de tone de apă! 633 mm de precipitaţii (cât e media anuală pe la noi) pe o suprafaţă de 1 km pătrat înseamnă 633.000.000 litri de apă, adică zeci de mii de vagoane pentru un singur km pătrat. Moldova are 37 000 km pătraţi, deci.23,4mlrd tone apa.

Ciclul de apă• Formarea norilor necesită,

paradoxal, existenţa unei cantităţi de particule solide fine cu rol de nuclee de condensare, adică dacă "poluarea" ar lipsi complet şi aerul ar fi "pur" nu am avea nori!

Modificări ale ciclului hidrologic

• · Defrişări: scade capacitatea de retenţie a apei, creşte eroziunea şi sedimentarea

• ·  Lacuri aritificiale: cresc evaporarea, sedimentarea şi timpul de rezidenţă a apei, astfel că în aval scad nutrienţii şi suspensiile şi adesea creşte salinitatea; Prizarea de ape de la fund la lacuri adânci dau aval ape reci, anoxice, cu compuşi toxici etc.; uzinarea neregulată produce debite cu mari oscilaţii;

• · Irigaţiile: Produc sărăturarea solurilor şi apelor subterane în regiuni semiaride şi aride;

• ·  Dragarea(a sapa fundul apei pentru a extrage material) pentru navigaţie produce mobilizarea sedimentelor şi creşterea concentraţiei unor toxici;

• · Aducţiuile (canale de transport artificial al apei) interbazinale scad capacitatea de diluţie a râului din care se fac şi îi cresc salinitatea, coboară nivelele freatice şi fac transfer interbazinal de poluanţi;

Circuitul apei în plante

Apa reprezintă solventul pentru substanţele minerale şi unii compuşi organici solubili şi sub această formă este absorbită prin rădăcini şi condusă prin vasele luminoase (xilem) câtre frunze, unde participă la biosinteza organică

O parte din această apă se pierde prin evaporare şi transpiraţie şi reintră în circuitul natural

O altă parte coboară împreună cu „elaboratele biosintetizate" şi se depozitează în organe de rezervă, constituind apa înglobată (tuberculi, bulbi, parenchime speciale). Această coborâre se face prin vasele liberiene (floemul).

Circuitul apei în plante

• Prin circulaţia ei în plante, apa asigură următoarele procese:– a) Transport ca solvent substanţele minerale câtre

frunze;– b) Asigură turgescenţa celulelor şi conferă poziţia erectă

plantelor ierboase:– c) Asigură mediul pentru desfurarea unor reacţii de

biosinteză şi de biodegradare a unor substanţe din plante;

– d) Participă la procesul de creştere a plantelor;– e) Contribuie la reglarea temperaturii plantelor. Pentru

vaporizarea unui gram de apă în procesul de transpiraţie se consumă o energie echivalentă cu 2257 kJ;

– f) Participă la procesul de fotosinteză cu protonii şi electronii din procesul de fotoliză a apei.

Circuitul apei în plante

Ciclul de energie

• La nivelul planetei au loc transformări energetice de tot felul, însă ele se supun legilor şi principiilor termodinamicii

• Fiecare fenomen biologic are, neapărat, o componentă energetică

• Principala sursă energetică a biosferei o constituie soarele

• Cantitatea totală de energie care intră în atmosferă prin fluxul solar însumează 132020 Kcal sau 54,51020 KJ

Fluxul energiei solare în biosferă

Distribuţia fluxului energeticParte de flux Distribuţia

32%, manifestat prin spectrul ultraviolet şi infraroşu scurt

este reflectată, deci, retrimisă în spaţiu, de către ecranele de nori, praf, alte molecule şi de suprafaţa Pământului

circa 5%, în principal razele UV scurte, razele x şi gama

sunt absorbite în stratosferă

circa 13% este interceptat de către nori şi alte particule din atmosferă

24% evaporarea apei

5% se dispersează către atmosferă

21% compensarea pierderilor de radiaţie termică la suprafaţa terestră

Alte tipuri de energie• Energia geotermică

• Energia mareelor • Energia cinetică a nivelului

Aceste tipuri de energie sunt prezente în bilanţul energetic al biosferei, dar într-o măsură cu totul neglijabilă

Ele pot juca un rol important în bilanţul energetic al unor ecosisteme locale , în raport cu fluxul energetic solar

Procese cinetice şi fotochimice de transformare a energiei solare

• Asigurarea cu energie electrică determină nivelul de dezvoltare a societăţii

• Consum de energie creşte în 2 ori fiecare 10-15 ani

• Mai mult de 90% din energetica contemporană se bazează pe utilizarea combustibilului natural: petrol, gaz, cărbune

• Este necesar de a găsi noile surse de energie – ieftine şi ecologic pure

Hidrogen – combustibil secolului XXI

Avantajele:• Înaltă capacitate de energie• Tehnologie ecologic pură – oxidarea hidrogenului

în orice regim duce la formarea H2O

• Sursa practic neepuizabilă a materiei prime – apa conţine 10% de hidrogen

• Energia obţinută se transformă uşor în energia termică

Energetica hidrogen-solară

• Concepţia energiei hidrogen-solare se bazează pe transformarea energiei solare în cea chimică în rezultatul descompunerii H2O

Fotoliza apei

hνhidrogen Transport şi

păstrarea

Mediul ambiant

apă oxigen Combustibil

oxigen apă

Energie

Descompunerea apei

• Metode termochimice– Utilizarea energiei termice, obţinute din energia solară

• Electroliza apei• Metoda fotochimică – cea mai perspectivă

– Descompunerea fotochimică a apei este posibilă numai în baza proceselor fotocatalitice

Fotocataliza şi fotosensibilizarea• La elaborarea sistemelor fotocatalitice artificiale pentru fotoliza

apei se folosesc fenomene de fotosensibilizare şi fotocataliză

• Fotosensibilizarea – modificarea regiunii spectrale de sensibilitate a substanţei date în rezultatul trecerii energiei de la un sensibilizator

• Fotocataliza - iniţierea sub acţiunea luminii a transformărilor chimice într-un sistem ce conţine substanţa dată şi un fotocatalizator

– Fotocatalizator – substanţa care sub acţiunea luminii reacţionează cu alte substanţe, iniţiind transformările lor chimice, şi se regenerează după fiecare ciclu de transformări intermediare

Fotosinteza H2O + CO2 + hν (CH2O) + O2

• În acest proces clorofilă (Clrf) participă ca fotosensibilizator şi fotocatalizator

• Mai mult de 90% întră în componenţa complecşilor care asigură absorbţia efectivă a luminii (fotosensibilizatori)

S S*• Energia acestui complex se transmite dimerului clorofilei P

(fotocatalizator)S* + P P*

P* participă în transferul electronilor de la H2O la

nicotinamiddinucleotid fosfatului, NADP+

2H2O + 4NADP+ + 8hν O2 + 4NADPH

Clrf

hν

Biofotoliza apei (sisteme-model)

CloroplastH2O

hν

O2F II TE

FDDehidrogenaza

H2

+ M

MH2 H2PtF II – faza a II-a a fotosintezeiTE – reţea de transport de electroniFD – ferredoxin (proteină, acceptor de electroni)M – transportor de electroni

Sisteme fotocatalitice artificiale de descompunere a apei

• O direcţia perspectivă – crearea sistemelor fotocatalitice artificiale preconizate pentru descompunerea apei, prin folosirea principiilor de transformare a energiei solare în cea chimică

• În prezenţa fotocatalizatorului (FK):D + A + hν D+ + A-

4D+ + 2H2O 4D + 4H+ + O2

4A- + 4H2O 4A + 4OH- + 2H2

Procesul sumar de fotodescompunere a apei:

2H2O + 4hν 2H2 + O2

ΔG = 113,4 kkal/mol

FKK1

K2

FK, K1, K2

Transport de electroni în sisteme moleculare de fotodescompunere a apei

Eliminarea catalitică

a oxigenului

Împărţirea fotocatalitică a sarcinilor

Eliminarea catalitică

a hidrogenului

Cerinţe către substanţe ce pot fi folosite în calitate de fotocalizatori, donori şi

acceptori de electroni

• Fotocatalizatori:– Absorbţia intensivă a radiaţiei solare– Rezistenţa chimică şi fotochimică– Capacitatea de regenerare a formei iniţiale după interacţiune

cu donori şi acceptori intermediari

• Donori şi acceptori:– Rezistenţa chimică şi fotochimică– Capacitate de a participa în procese catalitice reversibile de

eliminare a oxigenului şi hidrogenului din H2O

Concluziile

• Metode propuse până în prezent pentru descompunerea fotolitică a apei nu au fost acceptate pentru aplicare în industrie

• Este posibilă crearea transformatorilor fotocatalitici pentru modificarea energiei solare în cea chimică prin fotodescompunerea apei cu formarea oxigenului şi hidrogenului

CELULĂ VEGETALĂ TIPICĂ. SE REMARCĂ PERETELE CELULAR REZISTENT MECANIC ŞI CLOROPLASTELE,

ORGANITE CAPABILE DE FOTOSINTEZĂ, COMPONENTE ESENŢIALE ALE CELULEI VEGETALE.

Tonoplast (membrana vacuolei centrale)

Vacuolă

centrală Inveliş

nuclear

Cromatină

Nucleol

Reticul endoplasmic grosier

Reticul endoplasmic fin

Mitocondrie

Microtubuli

Microfilamente

Cloroplast

Plasmodesmate, canale prin peretele celular

Ribozomi

Aparat GolgiMembrană plasmatică

Perete celular

Peroxizom

NUCLEU