Fotosinteza - factorii care afecteaza procesul de fotosinteza

Dupa cum se cunoaste deja, fotosinteza (inclusiv la alge, evident), parcurge trei faze esentiale, si anume:

Absorbtia energiei luminoase de catre pigmentii fotosintetici localizati in cromatofori;

Transferarea acestei energii, in parte catre ATP/pirofosfat, in procesul de "fosforilare fotosintetica", si in parte spre procesul de oxidare/reducere, in care se reduce trifosfopiridin-nucleotida si se elibereaza oxigen;

Asimilarea carbonului intr-o serie de reactii ce au loc la intuneric, implicand riboza-5-fosfat, ribuloza-difosfat si utilizand energia de reducere a trifosfopiridin-nucleotidei si actiunea de fosforilare a ATP.

Insumand reactiile chimice de baza ale fotosintezei rezulta cunoscuta ecuatie:

CO₂ + 2 H₂O (CH₂O) + O₂ + H₂O

[procesul implica consumul a 675 calorii]

Dintre factorii care afecteaza procesul de fotosinteza, pe primul loc se situeaza, evident, lumina.

Intereseaza, in raport cu acest factor:

Intensitatea luminii;

Regimul de iluminare;

Compozitia spectrala a luminii.

Intensitatea luminii , in cazul cresterii dirijate a algelor, reprezinta un factor de mediu extrem de important, nu numai prin semnificatia sa, in sine, de element determinant al fotosintezei, ci si prin faptul ca, pe parcursul derularii procesului de crestere a algelor, odata cu marirea densitatii suspensiei in mediul nutritiv, apare un efect de "auto-umbrire" in cadrul populatiei algale, ceea ce reprezinta in fapt scaderea intensitatii radiatiei luminoase la nivelul culturii in ansamblul sau.

Pentru a se evita efectele negative ale acestei situatii asupra productivitatii culturilor, au fost testate trei tipuri de solutii tehnologice:

introducerea unor sisteme eficiente de agitare continua a suspensiei, astfel ca, virtual, toate celulele sa primeasca cantitatea de lumina necesara pentru realizarea fotosintezei;

cresterea treptata a intensitatii luminii, direct proportional cu cresterea populationala, respectiv marirea "densitatii optice" a suspensiei algale;

Analiza: Pancreasul endocrin - capilare si acini serosi Referat: Generalitati despre nucleul celulei

indepartarea (recoltarea) periodica a unei parti din cantitatea de alge din cultura, pentru a mentine densitatea optica a suspensiei in limite convenabile pentru derularea normala a fotosintezei.

Prima metoda este actualmente larg folosita, atat in culturile intensive de laborator, cat si in cele de tip industrial, la scara mare.

In esenta, sunt doua procedee mai raspandite, si anume:

barbotarea cu un aer sau un amestec gazos;

agitarea/omogenizarea suspensiei prin folosirea unor dispozitive mecanice.

Barbotarea implica introducerea in mediul de crestere a unor cantitati de aer sau de aer imbogatit cu CO₂ in suspensie; in cazul culturilor de laborator, omogenizarea suspensiei se realizeaza ca urmare a turbulentei continue a suspensiei produse de bulele de aer care se ridica la suprafata mediului. In cazul unor instalatii industriale de crestere a algelor, se foloseste fie acelasi efect, fie procedeul de injectare sub presiune ridicata, a unor jeturi de aer in masa

suspensiei algale, ceea ce determina o turbulenta in mediul de crestere si asigura o buna fotosinteza.

Pentru agitarea mecanica a suspensiei algale in mediul nutritiv se folosesc, in conditii de laborator, agitatoare magnetice sau de alte tipuri, iar in cazul culturilor la scara indstriala - dispozitive de agitare cu zbaturi, actionate de motoare electrice, care asigura o buna agitare a suspensiei.

Cea de a doua metoda a fost experimentata, printre altii, si de cercetatorul Francisc Nagy-Tóth, de la Universitatea "Babes-Bolyai" din Cluj-Napoca (1972).

Folosind culturi paralele de Scenedesmus acutiformis si de Scenedesmus acutus, crescute pe un mediu nutritiv Tamyia, modificat de autor, s-a procedat la compararea cresterii culturilor in conditiile mentinerii intensitatii luminii la nivelul de 5000 + 5000 luxi (iluminare bilaterala a vaselor de cultivare), cu cresterea realizata in variantele la care intensitatea luminii a fost sporita la fiecare 2 zile cu cate 500, 1000, 2000 sau 5000 luxi.

In esenta, s-a constatat ca sporirea intensitatii luminii, peste valoarea initiala de 5000 luxi a determinat o crestere mai viguroasa a culturilor. In anumite variante, sporul de substanta uscata (in raport cu martorul) a fost de 33 %; importanta este si aparitia unor modificari in compozitia biochimica a biomasei, constand in cresterea cantitatii de proteine si a celei de glucide.

S-a mai constatat ca scaderea intensitatii luminii la nivele de 1500 + 1500 luxi determina o reducere substantiala a cresterii culturilor de Scenedesmus, aceasta intensitate situandu-se sub limita optima pentru alga respectiva.

In anumite conditii, unii autori au experimentat cresterea algelor la intensitati ale luminii care au depasit 10000 - 15000 luxi.

In fine, cea de a treia cale de eliminare a efectelor negative ale "autoumbririi" cauzate de cresterea densitatii optice a suspensiei algale vizeaza indepartarea cauzei scaderii intensitatii luminii, prin prelevarea periodica a unei parti din biomasa algala din cultura. Se recolteaza deci numai o parte din biomasa algala, astfel ca algele ramase in mediul nutritiv vor beneficia de un regim de intensitate a luminii mai bun, putand deci continua procesul de producere a biomasei cu un randament superior.

Regimul de iluminare, la randul sau, influenteaza mersul si intensitarea fotosintezei.

Alternanta nictemerala a diviziunii celulare este de mult cunoscuta la plante (ca si la animale, de altfel). Prin cercetari de laborator s-a dovedit ca perioada de intuneric pe parcursul unei zile este nu numai favorabila, ci si necesara pentru succesiunea normala a ciclurilor vitale.

Experimental asigurat, raportul adecvat intre perioadele de lumina si cele de intuneric poate determina coordonarea ritmica a proceselor vitale la o populatie de celule intr-o masura mult mai mare decat in conditii naturale de crestere, ajungandu-se astfel la sincronizarea culturii.

Pentru cercetarile fiziologice de laborator, utilizarea unor culturi sincronizate prezinta multe avantaje si o importanta deosebita. Nivelul de sincronizare a culturilor se poate evalua (la cloroficee) prin determinarea numarului celular si de celule-mame de autospori, determinarea variabilitatii la un moment dat a dimensiunilor celulare, a densitatii optice a culturilor etc. Din cercetarile efectuate de mai multi specialisti a rezultat ca sincronizarea unei culturi poate persista destul de mult timp, respectiv pe durata a 5 - 6 cicluri succesive de cultivare, dupa care, fara interventii exterioare, cultura se desincronizeaza.

Alternanta perioadei lumina/intuneric pe parcursul unei zile poate fi reglata, evident, numai in cazul cercetarilor experimentale de laborator asupra cultivarii algelor sau, eventual, in instalatiile industriale de cultivare care folosesc lumina artificiala.

Testele de laborator au luat in calcul perioade de

12 ore lumina : 12 ore intuneric,

14 ore lumina : 10 ore intuneric,

16 0re lumina : 8 ore intuneric.

Pot fi, desigur, experimentate si alte tipuri/variante de alternanta.

In cercetarile de laborator efectuate la Cluj-Napoca (Nagy-Tóth, 1972), s-a constatat ca productia de biomasa a fost mai mare in cazul regimului de iluminare de 16 ore lumina : 8 ore intuneric (in cadrul culturilor sincronizate); in culturile nesincronizate, productivitatea maxima s-a obtinut in varianta de 14 ore lumina : 10 ore intuneric.

Compozitia spectrala a luminii este, de asemenea, un factor important in derularea fotosintezei.

In conditiile cultivarii industriale a algelor - si anume, in varianta de crestere in bazine sub cerul liber - acest factor ecologic nu se poate regla in mod eficient; singura posibilitate tehnica ar reprezenta-o eventuala acoperire a bazinelor cu o folie transparenta care sa permita trecerea spre culturi numai a radiatiilor de o anumita culoare. Este insa discutabila eficienta economica a aplicarii unui astfel de procedeu.

Pentru cultivarea algelor in instalatii industriale la care lumina se asigura din surse artificiale, se pot gasi mijloace tehnice de reglare a lungimii de unda optime.

Oricum, investigatiile efectuate in decursul timpului (reamintim prioritatea cercetarilor de profil, efectuate la inceputul secolului XX, de catre fito-fiziologul roman Em. C.Teodorescu) au aratat ca, in general, radiatiile din domeniul luminii rosii (in jurul lungimii de unda de 600 nm) prezinta eficienta fotosintetica cea mai ridicata.

Prin realizarea unei succesiuni (alternante) a luminii albastre (400 - 475 nm, 1400 luxi)  lumina rosie (600 nm, 1700 luxi) lumina galbena (550 nm, 3100 luxi) lumina alba (4000 luxi) s-a obtinut, in conditii de laborator o anumita scadere a biomasei fotosintetizate, odata cu o crestere semnificativa (pana la 42 %) a continutului de proteina in biomasa algala (Nagy-Tóth, 1972).