Informatie

Recent onderzoek naar bioluminescentie die fotosynthese aandrijft?


In 2013 is er een Chinese studie gepubliceerd over "Bioluminescentie als lichtbron voor fotosynthese", die in dit kort wordt samengevat. Chemie Wereld artikel. Ongeveer een jaar eerder was er een vraag op Biology.SE over de haalbaarheid hiervan (en een enigszins verwante vraag voor fotovoltaïsche energie ook in 2013).

Mijn vraag is of er nieuwer onderzoek is op het gebied van bioluminescentie die fotosynthese aandrijft? Bonus als het nog specifieker gerelateerd is aan enige vorm van gewasproductie (dus op grotere schaal).

Houd er rekening mee dat:

  • Ik ben geen bioloog (laatste biologie die ik volgde was AP Biologie op de middelbare school een aantal jaren geleden).
  • Uit de andere antwoorden hier op Biology.SE begrijp ik dat er inefficiëntie is met het gebruik van bioluminescent licht voor het "aandrijven" van dingen, maar ik ben nog steeds geïnteresseerd in meer theorie erachter met betrekking tot fotosynthese (vandaar de vraag over nieuwer onderzoek ) voor doeleinden van een fictief werk dat ik nastreef waar zonlicht geen optie is. Stel je als bijvraag een "hemel" van bioluminescentie voor; zou dat genoeg zijn om een ​​bepaald niveau van gewassen of bomen te laten groeien?

Recent onderzoek naar bioluminescentie die fotosynthese aandrijft? - Biologie

Microalgen, ook bekend als fytoplankton, zijn overvloedige micro-organismen die worden aangetroffen in zoetwater- en mariene omgevingen. Fytoplankton is van cruciaal belang voor de wereldwijde biogeochemie, omdat ze het grootste deel van de zuurstof op aarde produceren door middel van fotosynthese. Ze vormen de basis van het mariene voedselweb en zijn primaire producenten van organische koolstof. Microalgensoorten kunnen hoogwaardige chemische producten synthetiseren, zoals carotenoïden, antioxidanten, vetzuren en sterolen. Recentelijk zijn microalgen een aantrekkelijke grondstof geworden voor biobrandstof, in de vorm van biodiesel.

In dit beknopte boek beschrijven deskundige auteurs het laatste onderzoek en de nieuwste benaderingen voor de studie van deze belangrijke organismen, evenals de meer traditionele methoden zoals morfotaxonomie. De lezer krijgt eerst praktische informatie over de teelt van fytoplankton, groeimedia en delingssnelheden voor verschillende algensoorten, optische technieken en geautomatiseerde instrumentatie, zoals flowcytometrie. Verder worden methoden en benaderingen besproken om genexpressie en -regulatie in fytoplankton te bestuderen. Een apart hoofdstuk is gewijd aan de bespreking van algenbloei en hun effecten op het lokale milieu. Coccolithofoor Emiliania huxleyi en bioluminescente microalgen worden grondig beoordeeld door experts op die gebieden. Ten slotte bespreekt dit boek de state-of-the-art van microfluïdische en ter plaatse sensoren voor identificatie van fytoplankton.

Dit volume is een gezaghebbend en hedendaags overzicht van het huidige onderzoek naar microalgen. Het kan een onmisbaar hulpmiddel zijn voor iedereen die op dit gebied werkt of meer wil weten over deze micro-organismen.

(EAN: 9781910190272 9781910190289 Onderwerpen: [microbiologie] [bacteriologie] [moleculaire microbiologie] [omgevingsmicrobiologie])


Het mechanisme verlichten achter hoe planten de zetmeelsynthese reguleren

Figuur 1: CRCT vormt een complex met 14-3-3 eiwit in de kern. Krediet: Universiteit van Kobe

In een wereldprimeur heeft een onderzoeksgroep van Kobe University onder leiding van universitair hoofddocent FUKAYAMA Hiroshi van de Graduate School of Agricultural Science rijst gebruikt om het mechanisme te verlichten waarmee planten de hoeveelheid zetmeel die via fotosynthese wordt geproduceerd, reguleren. Deze kennis kan bijdragen aan het verbeteren van de kwaliteit en opbrengst van landbouwgewassen.

Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het internationale wetenschappelijke tijdschrift Plant, cel en omgeving op 14 mei 2021.

De verhoogde concentratie van CO2 in de atmosfeer is de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde, een wereldwijd probleem. Er is echter gezegd dat dit gunstig kan zijn voor planten omdat ze CO . omzetten2 via fotosynthese omgezet in zetmeel. Als een gewas wordt geteeld onder omstandigheden met een verhoogde CO .-concentratie2zetmeelsynthese wordt versneld, wat resulteert in krachtige groei en verhoogde opbrengst. CO2- Responsief CCT-eiwit (CRCT) wordt geactiveerd in omstandigheden waarbij CO2 concentratie is hoog, maar de functie bleef onbekend. Deze onderzoeksgroep deed onderzoek naar deze eiwitten met behulp van rijstplanten en ontdekte eerder dat CRCT een belangrijk eiwit is dat de zetmeelsynthese reguleert. In hun laatste bevindingen heeft de groep onthuld hoe CRCT dit proces reguleert, wat tot nu toe niet werd begrepen.

Onderzoeksmethodologie en bevindingen

Voor de zetmeelsynthese in planten zijn verschillende eiwitten nodig, waaronder glucose-6-fosfaat/fosfaat-translocator, ADP-glucosepyrofosforylase, zetmeelsynthase en zetmeelvertakkingsenzym. De onderzoekers veronderstelden dat CRCT de expressie reguleert van meerdere genen die overeenkomen met deze zetmeelsynthese-gerelateerde eiwitten. Eiwitten die genexpressie reguleren, worden transcriptiefactoren genoemd. In veel gevallen vormen deze transcriptiefactoren een complex met een ander eiwit. Toen de onderzoekers het volume CRCT in een plant analyseerden, ontdekten ze dat het een complex kan vormen met sommige soorten eiwitten. Om dit verder te onderzoeken, voerden ze een analyse uit met een antilichaam dat specifiek bindt aan CRCT, waaruit bleek dat CRCT bindt aan 14-3-3-eiwitten. Uit een andere analyse, dit keer met behulp van groene fluorescerende eiwitten, belichtte de onderzoeksgroep dat CRCT en 14-3-3-eiwit een complex vormen in de kern (Figuur 1). Ze wezen ook op de mogelijkheid dat CRCT zich verplaatst naar en geactiveerd wordt in de zetmeel-opslaande parenchymcellen nadat het is gesynthetiseerd in de vaatbundels van het floëem. Verder onthulden de onderzoekers dat CRCT transcriptie bevordert door te binden aan regio's die de expressie van meerdere zetmeelsynthese-gerelateerde genen reguleren.

Het is bekend dat er een negatieve correlatie bestaat tussen de expressie van 14-3-3 eiwitten en de hoeveelheid zetmeel. Onze resultaten toonden echter aan dat er een positieve correlatie is tussen de hoeveelheid zetmeel en de expressie van CRCT. De onderzoeksgroep gaat er daarom van uit dat 14-3-3 eiwit en CRCT een inactief complex vormen (Figuur 2).

Figuur 2: Hypothetisch CRCT-gemedieerd mechanisme voor regulering van zetmeelsynthese CRCT bindt zich met 14-3-3-eiwit in de kern om een ​​inactief complex te vormen. CRCT wordt vervolgens opgereguleerd door suikers die via fotosynthese zijn geproduceerd. Er wordt gedacht dat de CRCT-eiwitten die niet binden met 14-3-3-eiwitten, in plaats daarvan binden aan de regulatieplaatsen op genen die verband houden met zetmeelsynthese (zoals AGPL1) en transcriptie bevorderen. Krediet: Universiteit van Kobe

Zetmeelsynthese is onmisbaar voor planten en CRCT, dat dit proces reguleert, is een belangrijk doelwit voor inspanningen om de kwaliteit en productiviteit van gewassen te verbeteren. Daarnaast is CRCT een gen dat wordt geactiveerd onder omstandigheden waarbij sprake is van een verhoogde concentratie CO2, en deze kennis zal in de toekomst nuttig zijn voor het selecteren van geschikte rijstcultivars voor dergelijke omgevingen. Bovendien zijn in elke tot nu toe onderzochte plant vergelijkbare genen als CRCT gevonden. De onderzoeksgroep onderzoekt momenteel ook de CRCT-functie in aardappel, een stapelzetmeelgewas.

Vanuit wetenschappelijk oogpunt zijn er nog vragen die beantwoord moeten worden. Kijkend naar de huidige onderzoeksresultaten, kan worden aangenomen dat CRCT-eiwitten tussen cellen bewegen, maar het onderliggende mechanisme is niet bekend. Bovendien is het niet duidelijk hoe CRCT zijn eigen expressieniveau verandert als reactie op CO2 concentraties en suikerniveaus. Als het mechanisme achter CRCT-gemedieerde regulatie van zetmeelsynthese volledig kan worden belicht, zal het mogelijk zijn om nog grotere verbeteringen aan landbouwgewassen aan te brengen.


BIOLUMINESCENTIE

Invoering

Bioluminescentie ('levend licht') is de naam die wordt gegeven aan de emissie van zichtbaar licht door levende organismen. Het is wijdverbreid in de natuur (∼666 geslachten van 13 phyla) en enkele representatieve voorbeelden van bioluminescente organismen worden getoond in Tabel 1. In het mariene milieu is geschat dat in het slecht verlichte midden van de oceaan tussen 200 en 1200 m ∼95% van de vissen en 86% van de garnalen en inktvissen bioluminescent zijn. In oppervlaktewater is <. 10%, en in de afgronden <. 25% van de organismen bioluminescent. Het fenomeen bioluminescentie is al sinds de oudheid bekend. Aristoteles (384-322 v. Chr.) beschreef de luminescentie van schimmels en dode vissen in De Anima, en in 1668 stelde Robert Boyle de behoefte aan zuurstof vast in bioluminescente reacties. Dubois voerde eind jaren 1880 experimenten uit met extracten van heet en koud water van vuurkever en extracten van tweekleppig schelpdier, en toonde aan dat lichtemissie ontstond wanneer de extracten van warm en koud water met elkaar werden gemengd in aanwezigheid van zuurstof. Hij noemde het hitte-labiele (koud water) extract luciferase, en het hittestabiele (heet water) extract luciferine. Deze generieke namen zijn gebruikt voor de enzymen (luciferase) en substraten (luciferine) in bioluminescente reacties. Er moet echter worden opgemerkt dat luciferasen en luciferines van verschillende organismen sterk verschillen in chemische structuur en samenstelling (tabel 2). luciferines omvatten bijvoorbeeld aldehyden, imidazolopyrazinen, benzothiazolen, tetrapyrrolen en flavines (figuur 1). De functie van bioluminescentie is divers en omvat het lokken van prooien (adelborstvissen, Porichthys), camouflage (bijlvis), scholing (euphausiid-garnalen), zicht (zaklampvis), paring (vuurvlieg) en symbiose (zeebacteriën).

Tafel 1 . Voorbeelden van bioluminescente organismen

OrganismeGemeenschappelijke naamGolflengte van lichtemissie (bereik of max) (nm)
Aequorea aequoreakwallen500–523
Agyropelecus affinisBijl vis∼480
Arachnocampa luminosaNieuw-Zeelandse glimworm
Diplocardia longaRegenworm500
Gonyaulax polyedraDinoflagellaten479
Lampyris noctilucaGloeiworm
Malacosteus nigerStomiatoïde vissen469–702
Mneniopsis leidyiZeekam485
Obelia geniculataZeespar475
Phrixothrix tiemaniSpoorwegworm∼560 (A) een
625 (H) a
Pholas dactylusPiddock490
Photinus pyralisGlimworm530–590
Fotobleferon palpebratusZaklamp vis490
Pleurotus japonicusMaan nacht paddestoel524
Plutonaster sppZeester
Quantula striataLandslak
Renilla reniformisZee viooltje480
Vargula hilgendorfiiZee vuurvliegje460
Vibrio fischeriMariene bacterie489
Watasenia scintillansVuurvlieginktvis

Zichtbaar spectrum: blauw 400–500 nm, groen–geel 500–575 nm, oranje–rood 575–700 nm.

a A = buikorgaan H = hoofdorgaan.

Tafel 2 . Kenmerken en moleculaire biologie van luciferasen en fotoproteïnen

OrganismeEiwitmR (subeenheden, MR) (kDa)Gen
Aequorea victoriaApoaequorine∼20aeq
Gonyaulax polyedraLuciferase420 a luc
Obelia geniculataApobelin∼20ApoObl
Photinus pyralisLuciferase100 (2, 62) b Luc
Pyrophorus plagioftalamusLuciferase62Luc
Renilla reniformisLuciferase35Ruc
Vargula hilgendorfiiLuciferase∼60 (6, 10)Vuc
Vibrio FisheriLuciferase77 (2, 40 + 37)luxA, luxB

Figuur 1 . Structuren van luciferines: (A) limpet luciferine (bijv. Latia) (B) vuurvlieg luciferine (bijv. Photinus): (C) dinoflagellaat luciferine (bijv. Gonyaulax) (D) coelenteraat luciferine (bijv. Renilla, Aequorea) (E) bacteriële luciferine (bijv. Vibrio, Fotobacterie).


Onderzoek toont aan dat wereldwijde fotosynthese in opkomst is

De opvatting van een kunstenaar die dit werk vertegenwoordigt. De concentratie van het atmosferische sporengas carbonylsulfide wordt beïnvloed door de fotosynthetische activiteit van de terrestrische biosfeer en de variatie ervan door de eeuwen heen wordt behouden in Antarctische sneeuw en ijs, wat inzicht geeft in de reactie van het belangrijkste proces op klimaat- en milieuveranderingen. Krediet: NASA en UC Merced.

De fotosynthese van planten was honderden jaren stabiel vóór de industriële revolutie, maar groeide snel in de 20e eeuw, volgens nieuw onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur.

"Vrijwel al het leven op onze planeet is afhankelijk van fotosynthese", zegt UC Merced-professor Elliott Campbell, die het onderzoek leidde. "Het bijhouden van de wereldwijde plantengroei zou een centraal doel moeten zijn voor de mensheid."

Fotosynthese is het proces waarbij planten zonlicht gebruiken om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in koolhydraten om hun groei en andere activiteiten te voeden.

Toch ontbreekt het onderzoekers aan een duidelijk beeld van de wereldwijde trends in fotosynthese in de afgelopen eeuwen. Sommige menselijke activiteiten hebben de plantengroei mogelijk gestimuleerd, terwijl andere de fotosynthese mogelijk hebben belemmerd. Tegenstrijdige resultaten van verschillende experimenten hebben jarenlang het wetenschappelijk debat aangewakkerd.

Maar misschien niet voor lang. Campbell en een interdisciplinair, internationaal team van wetenschappers ontdekten een chemisch record van wereldwijde fotosynthese van honderden jaren.

"Eerdere studies hadden betrekking op kleine fysieke gebieden of korte perioden", zei Campbell. "We gingen op zoek naar een langetermijnrecord voor de hele planeet."

De onderzoekers schatten dat de som van alle fotosynthese van planten op aarde met 30 procent is gegroeid ten opzichte van het 200-jarige record dat ze hebben vastgelegd.

"Studies hebben al ongekende veranderingen in klimaat en broeikasgassen tijdens het industriële tijdperk aangetoond", zei Campbell. "Nu hebben we bewijs dat er ook een fundamentele verschuiving is in de planten op aarde."

Het onderzoek identificeerde de oorzaak van de verhoogde fotosynthese niet, maar computermodellen hebben verschillende processen laten zien die samen zo'n grote verandering in de wereldwijde plantengroei kunnen veroorzaken.

De belangrijkste kandidaten zijn stijgende atmosferische CO2-niveaus, een gevolg van emissies door menselijke activiteiten gedurende langere groeiseizoenen, een gevolg van klimaatverandering veroorzaakt door CO2-emissies en stikstofvervuiling, een ander resultaat van de verbranding van fossiele brandstoffen en landbouw.

De menselijke activiteiten die ten grondslag liggen aan de groei in fotosynthese hebben zowel positieve als negatieve gevolgen.

"Het stijgende CO2-niveau stimuleert de oogstopbrengst", zegt Campbell, verbonden aan de School of Engineering en het Sierra Nevada Research Institute. "Maar het komt ook onkruid en invasieve soorten ten goede. Het belangrijkste is dat de CO2-uitstoot klimaatverandering veroorzaakt, waardoor de overstromingen van kuststeden, extreem weer en verzuring van de oceaan zullen toenemen."

Een ander effect van de toename van fotosynthese is dat het planten ertoe kan brengen CO2 uit de lucht te halen en op te slaan in ecosystemen. Helaas overstijgen de CO2-emissies van de verbranding van fossiele brandstoffen de opname door planten.

"De toename van de fotosynthese is niet groot genoeg geweest om de verbranding van fossiele brandstoffen te compenseren", zegt co-auteur Joe Berry van het Carnegie Institution for Science. "De remmen van de natuur zijn al overweldigd. Dus nu is het aan ons om erachter te komen hoe we de CO2-concentratie in de atmosfeer kunnen verminderen."

De onderzoekers ontdekten het record van wereldwijde fotosynthese door Antarctische sneeuwgegevens te analyseren die zijn vastgelegd door de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Gassen die vastzitten in verschillende lagen Antarctische sneeuw stellen wetenschappers in staat om globale atmosferen uit het verleden te bestuderen. De sleutel was het vinden van een gas opgeslagen in het ijs dat een record geeft van de plantengroei op aarde.

Eerdere studies hebben aangetoond dat carbonylsulfide (COS) deze functie vervult. COS is een neef van CO2 en planten halen COS uit de lucht via een proces dat gerelateerd is aan de manier waarop ze CO2 opnemen.

Hoewel fotosynthese nauw verwant is aan het atmosferische COS-niveau, kunnen ook andere processen in oceanen, ecosystemen en de industrie het COS-niveau veranderen.

Om rekening te houden met al deze processen, coördineerde Campbell de analyse tussen leden van het onderzoeksteam, waaronder Ulli Seibt van UCLA Steve Smith van het Pacific Northwest National Laboratory Steve Montzka van NOAA Thomas Launois van Institut National de la Recherche Agronomique Sauveur Belviso van Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement Laurent Bopp van Laboratoire de Météorologie Dynamique en Marko Laine van het Finse Meteorologisch Instituut. Hun werk werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, NOAA, de Academie van Finland, H2020 en de Europese Onderzoeksraad.

Toekomstig onderzoek, aldus de onderzoekers, zal het bestuderen van huidige veranderingen in fotosynthese omvatten met behulp van de lopende COS-metingen die door NOAA zijn uitgevoerd.

"Een deel van het voorspellen van de toekomstige toestand van onze atmosfeer hangt af van het begrijpen van natuurlijke mechanismen en hoe ze in de loop van de tijd veranderen", zegt Montzka, een onderzoekschemicus bij NOAA. "We doen metingen en observaties, en als we dat niet blijven doen, hebben we niet de fundamentele informatie die nodig is om belangrijke vragen met betrekking tot toekomstige atmosferische veranderingen te beantwoorden."

Chris Field, een klimaatwetenschapper aan de Stanford University die niet betrokken was bij het onderzoek, zei dat de nieuwe resultaten "een nieuwe lijn van bewijs leveren die de dynamische aard van de ecosystemen van de aarde en de grote omvang van de veranderingen veroorzaakt door menselijk handelen bevestigt."


Download en print dit artikel voor uw persoonlijke wetenschappelijke, onderzoeks- en educatieve doeleinden.

Koop een los nummer van Wetenschap voor slechts $ 15 USD.

Wetenschap

Vol 370, uitgave 6522
11 december 2020

Artikel Gereedschap

Log in om een ​​waarschuwing voor dit artikel toe te voegen.

Door Songhan Wang , Yongguang Zhang , Weimin Ju , Jing M. Chen , Philippe Ciais , Alessandro Cescatti , Jordi Sardans , Ivan A. Janssens , Mousong Wu , Joseph A. Berry , Elliott Campbell , Marcos Fernández-Martínez , Ramdane Alkama , Pierre Friedlingstein , William K. Smith , Wenping Yuan , Wei He , Danica Lombardozzi , Markus Kautz , Dan Zhu , Sebastian Lienert , Etsushi Kato , Benjamin Poulter , Tanja GM Sanders , Inken Krüger , Rong Wang , Ning Zeng , Hanqin Tian , Vuichard, Atul K. Jain, Andy Wiltshire, Vanessa Haverd, Daniel S. Goll, Josep Peñuelas

Wetenschap 11 december 2020 : 1295-1300

Uit satelliet- en grondobservaties blijkt dat plantengroei reageert op verhoogde atmosferische CO2 niveaus zijn gedaald.


Recent onderzoek naar bioluminescentie die fotosynthese aandrijft? - Biologie

Afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie
Universiteit van Georgia, Athene, GA 30602
[email protected]

Bij het noemen van het onderwerp Bioluminescentie denken de meeste mensen aan de kleine vliegende lichtjes die op warme zomeravonden tussen de struiken en bomen verschijnen. Vuurvliegjes komen in alle delen van de wereld voor en zijn zo vertrouwd omdat ze in dezelfde terrestrische omgeving leven als wij, maar in feite is bioluminescentie relatief zeldzaam op het land in vergelijking met de talloze vormen die in de oceaan worden gevonden. Voor de vuurvlieg, die geen vlieg maar een kever is, is er echter een opmerkelijk fenomeen dat een toeristische attractie is geworden, voornamelijk in S.E. Azië. In de regio van de Sengalor-rivier in Maleisië zullen kijkers de "Firefly-kerstboom" tegenkomen (Figuur 1). Honderden vuurvliegjes kunnen zich in een boom nestelen en synchroon flitsen, allemaal knipperend met hun ogen en vervolgens donker worden gedurende een periode van enkele seconden. Het is alsof hun knipperen wordt bestuurd door een enkele controller. Een meer toegankelijke toeristische site om hetzelfde scherm te zien, is in het Great Smoky Mountains National Park in het oosten van de VS. Dit fenomeen is een van de vele indrukwekkende voorbeelden van "Levend licht", d.w.z. van organismen die licht produceren. (zie ook het Historisch vignet over bioluminescentie)

In deze module gaan we kort in op de processen die dit veroorzaken Bioluminescentie, en de functie die dit licht vervult voor de wezens die het produceren, evenals de vele toepassingen van bioluminescentie in wetenschappelijk onderzoek en handel.

Wat is bioluminescentie?
Bioluminescentie wordt gedefinieerd als de emissie van licht van een levend organisme dat functioneert om te overleven of zich voort te planten. Het is een "koud" licht, het resultaat van een specifiek biochemisch mechanisme waarbij chemische processen betrokken zijn, vaak specifiek voor dat organisme. Bioluminescente organismen komen vooral voor in het mariene milieu en bioluminescentie is een van de belangrijkste communicatiemechanismen in de diepzee (1). Hoewel ze op het land minder vaak voorkomen, komen waarnemingen daar natuurlijk vaker voor.

Bioluminescentie kan worden gezien als een chemiluminescentie die wordt gekatalyseerd door een enzym. Deze lichtemissie van een organisme moet worden onderscheiden van andere vormen van luminescentie, waarvan vele ook een biologische functie hebben, fluorescentie, irisatie, diffractie, enz. (2).

De brede verspreiding van bioluminescentie
Bioluminescente organismen worden overal in de biosfeer aangetroffen, maar alleen op niveaus onder de zoogdieren en planten. Het voorkomen lijkt willekeurig verdeeld over geslachten en wordt soms zonder duidelijke reden bij sommige soorten binnen een geslacht gevonden, maar niet bij andere. Ongeveer 17 phyla en ten minste 700 geslachten bevatten lichtgevende soorten. Bioluminescentie is aangetoond bij koppotigen, roeipootkreeftjes, ostracoden, amfipoden, euphausiden en veel vissen, ringwormen en gelei, om maar een paar mariene soorten te noemen. Op het land zijn er veel soorten lichtgevende insecten, vuurvliegjes, glimwormen, klikkevers en sommige diptera, en er zijn veel soorten lichtgevende schimmels die verantwoordelijk zijn voor gloeiend hout. De bioluminescente bacteriën komen zowel op het land als in de zee voor. In slechts enkele gevallen zijn de bioluminescentiecomponenten van de verschillende systemen gekarakteriseerd en is de algehele chemie vastgesteld. Veel, zo niet de meest lichtgevende organismen in de diepzee, moeten nog worden onderzocht.

De afgelopen honderden jaren zijn veel wetenschappers bezig geweest met het verzamelen en classificeren van bioluminescente organismen. Sterker nog, Aristoteles (350 vGT) was waarschijnlijk de eerste die systematische waarnemingen deed van lichtgevende soorten en later werden volledige en uitgebreide beschrijvingen van lichtgevende organismen gepubliceerd door Plinius de Oudere (23-79 CE) (3). Een voorbeeld dat hij beschreef was het lichtgevende weekdier, (Figuur 2) een Romeinse delicatesse, waarvan het bioluminescentiemechanisme nog steeds niet volledig is opgelost.

De ontdekking van bioluminescente organismen is het doel geweest van vele expedities van zeegaande onderzoeksschepen. Mariene duikboten worden ook ingezet voor de studie van bioluminescentie in de diepe oceaan. Lichtgevende kustorganismen zijn toegankelijker en kunnen meestal met goedkope methoden worden verzameld.

Anatomische distributie
De weefselverdeling van de componenten van het bioluminescente systeem binnen organismen is behoorlijk gevarieerd. De anatomische locatie van bioluminescentie geeft aanwijzingen over de bron van componentsynthese, opslag, transport en de functionele rol van de luminescentie. Een belangrijk orgaan is de "fotofoor" of het lichtproducerende orgaan, dat duidelijk wordt gezien bij veel lichtgevende vissen en zeer levendig bij koppotigen. Fotoforen bestaan ​​normaal gesproken uit complexe fotogenieke (lichtgevende) cellen.

Bioluminescente reactiecomponenten zijn ook aangetroffen in de maag, secretoire organen en lever van sommige organismen (waarvan meestal wordt aangenomen dat ze aanwezig zijn als gevolg van synthese of opslag).

Geografische distributie
Bioluminescente organismen komen over de hele wereld voor, de zogenaamde "fosforescentie" in zeewater wordt bijvoorbeeld waargenomen in alle oceanen, vooral dicht in baaien en koraalriffen, waar hoge concentraties voedingsstoffen de bloei van de verantwoordelijke organismen bevorderen. Een locatie in Puerto Rico, de Bioluminescent Bay genaamd, staat bekend om de spectaculaire vertoningen van deze dinoflagellaatluminescentie. "Red Tides" zijn vaak bloemen van lichtgevend fytoplankton.

Een grote verscheidenheid aan soorten vuurvliegjes wordt aangetroffen in de gematigde tot tropische streken van Amerika, in China en in het zuidoosten van Amerika. Azië. Er zijn verschillende soorten glimwormen geïdentificeerd in Noord-Amerika, Europa en Australazië. Interessant is dat sommige soorten bioluminescente organismen op de ene locatie lichtgevend zijn en niet op een andere, bijvoorbeeld de "Midshipman Fish", Porichthys notatus. Er wordt verondersteld dat de luminescentie van één populatie van deze soort verband houdt met de beschikbaarheid in dat specifieke gebied van een voedingsbron die nodig is voor de lichtreactie. Rond Japan, de vuurvlieginktvis (Watasenia) vertoont spectaculaire luminescentie en wordt in grote aantallen aangetroffen op beperkte plaatsen. Kleine kreeftachtigen, zoals ostracoden, komen ook in overvloed voor in de Japanse kustwateren.

Hoe werkt bioluminescentie? Alle bioluminescentiereacties omvatten een zuurstofoxidatie van een organisch molecuul (de luciferine genaamd). De reactie wordt gekatalyseerd door een enzym dat luciferase wordt genoemd en in veel gevallen wordt aangenomen dat de bioluminescentie-intensiteit de snelheid van de enzym-substraatreactie weerspiegelt, en deze intensiteit wordt gebruikt om de kinetiek op het Michaelis-Menten-model te analyseren (Figuur 5A) . Het was eerst een raadsel dat de bioluminescentie van aequorine en vervolgens van verschillende andere soortgelijke organismen, kinetisch geen zuurstof bleek te betrekken, en deze eiwitten werden "fotoproteïnen" genoemd (Figuur 5B). Uiteindelijk werd vastgesteld dat de zuurstof al aan het luciferine was gebonden, en het fotoproteïne kon daarom nauwkeuriger worden beschouwd als een luciferase dat een gestabiliseerd reactietussenproduct, een peroxy-luciferine, bindt.

Veel bioluminescente reacties in vitro hebben naast zuurstof ook cofactoren nodig, bijvoorbeeld ATP en Mg 2+ voor de vuurvlieg, Ca 2+ voor fotoproteïnen (1, 2, 4). In het dier zelf (in vivo), zijn er extra eiwitten betrokken voor productie en regulatie, sommige worden "accessoire-eiwitten" genoemd, voorbeelden zijn de vetzuurreductasegroep van enzymen die het bacteriële luciferine produceren, een aldehyde met lange keten, en er zijn luciferine-bindende eiwitten in het dinoflagellaat en Sea Pansy bioluminescentiesystemen. Er zijn ook "antenne-eiwitten" die de kleur van bioluminescentie moduleren, het beroemde groen-fluorescerende eiwit (GFP) in de kwal en de Lumazine-eiwitfamilie in sommige soorten bacteriën (4). Deze worden "antenne-eiwitten" genoemd naar analogie met eiwitten met een vergelijkbare functie bij fotosynthese, behalve dat ze in omgekeerde zin werken.

Tot op heden zijn er vijf bekende verschillende chemische klassen van luciferines, namelijk aldehyden, benzothiazolen, imidazolopyrazinen, tetrapyrrolen en flavines. Een imidazolopyrazinederivaat, toepasselijk "coelenterazine" genoemd, is de luciferine die wordt aangetroffen in coelenteraten en vele andere mariene bioluminescentiesystemen (5, 6).

Natuurkunde: kenmerken van de lichtemissie
Bioluminescentie is het resultaat van een chemische reactie waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt die, in plaats van te worden afgevoerd als warmte zoals bij een normale chemische reactie, wordt gekanaliseerd om het productmolecuul te bevolken in zijn geëxciteerde elektronische toestand. Deze aangeslagen toestand is dezelfde die in dat molecuul wordt geproduceerd door de absorptie van straling, zodat de spectrale verdeling van de bioluminescentie vaak dezelfde is als die van de productfluorescentie. De kleur van de bioluminescentie wordt echter soms "afgestemd" door de eiwitomgeving van de aangeslagen toestand van het product, een eigenschap die is geëvolueerd om te passen bij de functie van de lichtemissie, dat wil zeggen voor communicatie, verdediging tegen predatie, enz.

Zichtbare straling komt overeen met licht in het golflengtebereik van 400-700 nm (Figuur 6). Bioluminescentiespectra zijn brede banden met breedtes op halve hoogte rond 60-100 nm. Het bioluminescentiemaximum van de meeste mariene soorten valt binnen het bereik van 450-510 nm (7), terwijl terrestrische organismen overwegend een geelgroene bioluminescentiekleur hebben. In oceaanwater bereikt blauwe tot groene (400-500 nm) luminescentie maximale transmissie, terwijl terrestrische soorten hun maximale visuele gevoeligheid voor geel licht hebben. Visuele pigmenten van de meeste mariene organismen zijn dienovereenkomstig het meest gevoelig in het blauwgroene gebied.

Wat zijn enkele van de functies van bioluminescentie?
Als gevolg van de prevalentie speelt bioluminescentie een belangrijke rol in de ecologie van de oceaan. De functie van bioluminescentie in de oceanen wordt beter begrepen in de context van de in wezen donkere omgeving onder ongeveer 200 m. De functies van bioluminescentie zijn voor:
Verdediging
Scholing van vissen
Lichtgevend kunstaas
Voeden
Communicatie (in het donker)
paren
Camouflage

Impact van moleculaire biologie en bioluminescentie
Het klonen van verschillende componenten van bioluminescente systemen heeft grote vooruitgang in biologisch onderzoek aangekondigd. Het calciumafhankelijke fotoproteïne aequorine uit de kwal Aequorea victoria werd in 1985 gekloond (8, 9). Omdat de intensiteit van zijn luminescentie varieert met de calciumconcentratie, is aequorine met voordeel gebruikt bij het bewaken van celcalcium. In 1985 werd vuurvliegluciferase gekloond (10). Als uiterst gevoelige methode voor de bepaling van ATP, heeft dit bioluminescentiesysteem een ​​brede toepassing gevonden, bv. voor het detecteren van microbiële besmetting in voedingsmiddelen, watersystemen, enz. Levende organismen bevatten ATP, zodat de test de aanwezigheid van organismen detecteert die kunnen leiden tot bederf of toxiciteit. Er zijn veel andere luciferasen gekloond, waaronder bacteriële luciferase van Vibrio harveyi, de luciferase van het zeeviooltje Renilla reniformis (11), en de Zuid-Amerikaanse klikkever luciferase (12).


Huidige toepassingen van bioluminescentie
Het "Green-Fluorescent Protein" of GFP, is waarschijnlijk het meest bekende eiwit in de biologie (Nobelprijs in de chemie, 2008). GFP werd in 1992 gekloond (13) en in 1994 tot expressie gebracht in verschillende organismen (14). Sindsdien is het aantal literatuurvermeldingen gestegen tot vele duizenden, doordat de toepassingen van GFP zijn toegenomen. In het bijzonder is GFP nu goed ingeburgerd als een uitstekende gentag of eiwittag. GFP kan worden gefuseerd met een eiwit van belang en fluorescentie (en dus het eiwit van belang) kan binnen een cel worden gevolgd om de lokalisatie en het gedrag ervan te bestuderen. GFP heeft een uitstekende structurele stabiliteit en de eigenschap dat het de fluorescentie kan vormen ter plaatse zonder de externe toevoeging van substraat wordt GFP een uitstekend hulpmiddel voor het bestuderen van cel- en subcellulaire processen (15).

Snelle en effectieve diagnostische tests op basis van bioluminescentie evolueren voortdurend op de markt. Bijvoorbeeld, "Microtox" voor het testen van waterkwaliteit/toxiciteit maakt gebruik van de bioluminescente mariene bacteriën Vibrio fischeri. Wanneer dit organisme wordt uitgedaagd door een toxine, wordt de ademhalingsroute verstoord, wat resulteert in een afname van de intensiteit van de bioluminescentie.

Er bestaan ​​enkele "leuke" toepassingen en ideeën, zoals het vooruitzicht van lichtgevende kerstbomen en looppaden naast lichtgevend bier en champagne. Het gebruik van lichtstokken voor nachtconcerten en het begeleiden van vliegtuigen naar gate-posities op luchthavens zijn slechts enkele dagelijkse toepassingen van dit wijdverbreide fenomeen: luminescentie.


Vragen die blijven
Hoewel bioluminescentie een spectaculair fenomeen is in de biologie met een lange geschiedenis van onderzoek, zijn er veel vragen, variërend van het biologische voordeel van lichtemissie voor het dier tot het moleculaire mechanisme van efficiënte populatie in aangeslagen toestand. Sommige vissen hebben een fotofoor met daarin een kweek van lichtgevende bacteriën en gebruiken deze om prooien te lokken. De vuurvliegflits is voor seksuele communicatie, maar waarom de synchronisatie van de vuurvlieg "kerstboom", en wat is het voordeel van helderheid voor regenwormen? Hoe is de efficiënte generatie van biologisch licht ontstaan ​​in verschillende organismen, en wat is de evolutionaire geschiedenis? Wat is de metabolische of voedingsbron van de luciferines, en wat zijn de controlemechanismen voor lichtflitsen? Op moleculair niveau is de chemisch-fysische route die het reactieproduct in zijn aangeslagen toestand genereert, een opmerkelijk actueel probleem. Samen met dit blijven de verschuiving van bioluminescentiekleur via de luciferase-bindingsplaatsomgeving die het energieniveau van de aangeslagen toestand verstoort, of door op een of ander proces te koppelen aan de aangeslagen toestand van antenne-eiwitten, uitdagende gebieden van huidig ​​onderzoek (16).


Referenties
1. Haddock, SHD, Moline, MA, en Case, JF (2010), Bioluminescentie in de zee. Ann. Rev. maart Sci. 2:443-493.

2. Campbell, A.K. (1988). Chemiluminescentie: principes en toepassingen in biologie en geneeskunde. (VCH/Horwood, Chichester).

3. Harvey, EN (1957). History of Luminescence. (American Philosophical Society, Philadelphia).

4. Shimomura, O. (2006). Bioluminescence: Chemical Principles and Methods. (World Scientific, Singapore).

5. Campbell, A. K., and Herring, P. J. (1990). Imidazolopyrazine bioluminescence in copepods and other marine organisms. maart Biol. 104: 219-225.

6. Thomson, C.M., Herring P.J., and Campbell, A. K. (1997). The widespread occurrence and tissue distribution of the imidazolopyrazine luciferins. J. Biolumin. Chemilumin. 12(2): 87-91.

7. Herring, P.J. (1983). The spectral characteristics of luminous marine organisms. Proc. Roy. Soc. Londen. B. 220: 183-217.

8. Inouye, S., Noguchi, M., Sakaki, Y., Takagi, Y., Miyata, T., Iwanaga, S., Miyata, T., and Tsuji, F.I. (1985). Cloning and sequence analysis of cDNA for the luminescent protein aequorin. Proc. nat. Acad. Wetenschap. VS. 82: 3154-3158.

9. Prasher, D., McCann, R.O., and Cormier, M.J. (1985). Cloning and expression of the cDNA coding for aequorin, a bioluminescent calcium-binding protein. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk 126:1259-1268.

10. De Wet, J. R., Wood, K. V., Helsinki, D. R., and DeLuca, M. (1985). Cloning of firefly luciferase cDNA and the expression of active luciferase in Escherichia coli. Proc. nat. Acad. Wetenschap. VS. 82:7870-7873.


Glow-in-the-dark corals light up the deep sea

Ever since their first dives in Monterey Canyon 30 years ago, MBARI researchers have marveled at the beauty and diversity of deep-sea corals. A new research paper shows that some of the most common and iconic deep-sea corals can create their own light. Some can even release glowing slime.

Most deep-sea corals are part of a group of animals called octocorals, which includes sea pens and bamboo corals. The familiar stony corals found on shallow tropical reefs are in a separate group (hexacorals), and do not generally make their own light.

Prior to this study, marine biologists already knew that some octocorals exhibited bioluminescence (the ability to make their own light). But this study suggests that octocorals evolved the ability to glow very early in their evolutionary history.

When disturbed, colonies of the bamboo coral Isidella tentaculum glow in the dark. Image: © 2020 MBARI

The poster child for glowing octocorals is the sea pansy, a shallow-water sea pen in the genus Renilla. Genes from this animal are commonly used to create a compound called “green fluorescent protein” (GFP) that has many uses in biomedical research. Scientists have spent a lot of time analyzing the genes and proteins that Renilla uses to create light, including a key enzyme known as luciferase. But they know relatively little about the biochemistry of other glowing octocorals, especially those that live in the deep sea.

As part of an ongoing effort to understand the evolution of bioluminescence, MBARI Senior Scientist Steve Haddock and postdoctoral fellow Manabu Bessho-Uehara (now at Nagoya University in Japan) videotaped and collected specimens of nine different deep-sea corals and sea pens and found that all were able to make their own light.

Haddock and Bessho-Uehara wanted to find out if different groups of deep-sea corals used similar biochemical processes as Renilla to make light, or if they had evolved different processes. Their first step was to figure out which deep-sea corals were bioluminescent.


This video summarizes MBARI’s research on glowing deep-sea corals

The researchers worked with ROV Pilot Ben Erwin and Engineer Dave French to outfit MBARI’s remotely operated vehicle (ROV) Doc Ricketts with an extremely light-sensitive video camera that the scientists typically only use in the lab. Then the team sent the ROV down to the seafloor to look for glowing animals. Since many animals only glow when disturbed, the researchers videotaped corals while gently touching or shaking them using the manipulator arm on the ROV.

Using the ROV, the scientists carefully collected pieces of each type of coral and brought them back to the surface alive. Then they videotaped the animals in a darkened cold room on board the research vessel Western Flyer. The scientists tested each animal’s ability to glow by physically touching it, and measured the wavelengths (colors) of the light produced. Working with Warren Francis (now a postdoctoral fellow at the University of Southern Denmark), the researchers also analyzed the animals’ DNA to look for genes that might be used to create these glowing chemicals.

Glowing corals everywhere

The researchers were surprised to discover that all of the corals they collected were able to make their own light. They also discovered several groups of corals not previously known to glow.

The researchers collected and studied five different types of sea pens, all of which produced bioluminescence. One sea pen in the genus Funiculina emitted blue light when the stalk or polyps were disturbed. The four other sea pens produced green light at wavelengths that suggested they were using green fluorescent protein. The sea pen Distichoptilum gracile not only produced waves of bright green light, but also released a glowing green slime.

Sea pens in the genus Halipteris often grow in groups on the muddy seafloor. Image: © 2003 MBARI

Using an extremely light-sentive video camera, MBARI researchers were able to capture sea pens emitting waves of bioluminescent light. Image: © 2020 MBARI

Another sea pen in the genus Kophobelemnon had distinct glowing green spots between its tentacles. This is the first species in this genus known to glow. Living at a depth of almost 4,000 meters, it may be the deepest animal known to use green fluorescent protein to change the color of its bioluminescence.

The researchers also discovered that one of the largest and most iconic deep-sea corals, the bubblegum coral Paragorgia arborea, produces blue light when disturbed. This is the first time any coral in the large group known as Scleraxonia has been shown to glow.

Several bamboo corals also glowed blue when disturbed. A bamboo coral in the genus Lepidisis exhibited brilliant waves of blue light that moved along the stem of the colony. The bamboo coral Isidella tentaculum also glowed blue, and released a glowing slime when strongly disturbed.

In addition to the deep-sea corals, the researchers also examined a flytrap anemone—a bright orange deep-sea anemone that grows to nearly a foot across. They discovered that this animal can emit a cloud of brightly glowing blue slime from its mouth (located in the center of its circular body).

How corals make light

Most glowing animals produce light by combining two different types of proteins, luciferin and luciferase. Many of the deep-sea corals examined in this study contained a type of luciferin called coelenterazine, and they all contained a form of luciferase that reacts with coelenterazine (and oxygen) to produce blue light.

Illuminated by the lights of the ROV, bamboo corals in the genus Lepidisis typically appear pale in color. Image: © 2014 MBARI

Like many deep-sea corals, this bamboo coral in the genus Lepidisis emits waves of blue light when disturbed. Image: © 2020 MBARI.

Although coelenterazine produces blue light, many of the sea pens described in this study give off a greenish glow. This is because the bodies of sea pens also contain green fluorescent protein (GFP) similar to that found in Renilla sea pansies. GFP absorbs the blue light produced by the luciferin-luciferase reaction and re-emits it as green light (analogous to how the ink on a black-light poster absorbs ultraviolet light and re-emits it as visible light). GFP is found in a number of corals and jellies of various kinds, which suggests the compound evolved a very long time ago.

Because all the octocorals studied use similar chemistry (coelenterazine and Renilla-type luciferase) to produce light, the researchers suggest that this large group may have evolved from a common glowing ancestor, 400 to 500 million years ago. As Bessho-Uehara put it, “This finding makes me imagine a deep-sea area in an ancestral ocean where any octocoral you touched would emit light.”

The flytrap anemone appears to produce light using a different type of luciferase, and probably evolved its blue glowing slime independently of the octocorals. However, this anemone does use coelenterazine to react with its luciferase, as do all the other glowing corals and jellies known.

The authors of the recent paper can’t say exactly why corals evolved the ability to glow, but they have some hypotheses.

Several sea pens and corals emit waves of glowing light that travel across their bodies, as do some brittle stars, sea cucumbers, and even comb jellies. The researchers suggest that these waves of glowing light could confuse potential predators or attract larger animals that might eat the animal trying to eat the coral. Marine biologists call this the “burglar alarm effect.”

Several corals and the flytrap anemone documented in this study released glowing slime, a trait shared by many other deep-sea animals, including comb jellies, medusae (jellyfish), midwater worms, and the vampire squid. The researchers suspect that such slime might stick to the body of a potential predator, once again making it vulnerable to attack from larger animals.

Under normal ROV lighting, flytrap anemones look ferocious. Image: © 2002 MBARI/NOAA

Flytrap anemones may discourage predators by releasing glowing slime when disturbed. Image: © 2020 MBARI

The scientists are still trying to understand why some corals evolved to glow blue while others use GFP to make green light instead. Of the animals examined in this study, the ones that glowed blue lived in shallower water (1,200 meters), while those that glowed green (using GFP) lived in relatively deep water (3,200 meters).

Implications for science and industry

This paper shows that many deep-sea corals can produce their own light, and suggests that they inherited this ability from a common ancestor. However scientists are still working out the complex evolutionary history and relationships among corals, as well as the genes involved in making light. As Bessho-Uehara put it, “One of the next questions we would like to answer is why so many octocorals are niet luminous, if their ancestor was luminous.”

Bessho-Uehara continued, “There could be a lot of bioluminescent corals in the deep-sea that we haven’t discovered yet. This study shows how important bioluminescence is to many deep-sea animals. It also suggests that activities such as deep-sea mining, which reduce visibility near the seafloor, could affect deep-sea ecosystems in ways we might not expect.”

The research could also have commercial applications. It sets the stage for genomic and biochemical studies that could reveal the details how the different coral bioluminescent systems work. This, in turn, could help scientists isolate new glowing compounds—like GFP—for use in the life sciences.

As Bessho-Uehara noted, “Renilla luciferase is the only type of luciferase from corals and their relatives that is well-characterized. But we described other types of luciferase from a variety of species, some of which showed unique behaviors. For example, the luciferase of one sea pen we studied is sensitive to calcium ions, which are involved in nearly every aspect of cellular biology.”

Reflecting on the work, Haddock said, “No matter what branch of the tree of life we explore, we find fascinating patterns in the evolution of bioluminescence, and surprising variations in the genes and chemicals that animals use to make light. We also find more evidence that bioluminescence is truly a key means of communication for many marine animals.”


Industrial application of light-driven nanomaterial

Ahmad Nawaz , . Pichiah Saravanan , in Industrial Applications of Nanomaterials , 2019

2.3 Artificial photosynthesis

Artificial photosynthesis is referred as “a mimic of photosynthesis process” that harvest natural sunlight and in turn convert the CO 2 into fuels like hydrogen and carbon based. The hydrogen is produced from water splitting while carbon-based fuels like methanol, methane, or CO are usually produced from the reduction of CO2 in the presence of water. Since hydrogen production will be discussed as separate section, this section will focus on the reduction of CO2 to solar fuels and their application in other industries.

Photocatalyst, a light-driven material is widely used to realize the photocatalytic conversion of CO2 under sunlight irradiation. de CO2 conversion using photocatalyst was achieved through many means and some includes: CO2-saturated aqueous solution containing suspended TiO2 [38,39] , high-pressure CO2 system with TiO2 powders suspended in isopropyl alcohol [40] , and humidified gas-phase CO2 [41] . Among these, the gas-phase conversion overwhelms the rest owing to its strong commercial ability, that is, zero recovery of catalyst from aqueous phase and overcome the low solubility of CO2. As like artificial photosynthesis, this process reduces CO2 through the photoexcited electrons (e − ) in the presence of water (H2O) to yield energy-bearing products such as methane (CH4), methanol (CH3OH), formaldehyde (HCHO), formic acid (HCOOH), etc. [39] . Fig. 7 shows the overview on the potential industrial applications of these obtained solar fuels [42] .

Afb. 7 . Schematic representation of a carbon zero route to solar fuels and renewable olefins through the photocatalytic reduction of CO2.

Adapted from D. Chen, X. Zhang, A.F. Lee, Synthetic strategies to nanostructured photocatalysts for CO2 reduction to solar fuels and chemicals, J. Mater. Chem. A, 3(28) (2015), 14487–14516.

However, the primary and foremost challenge is the lack of active and stable multifunctional catalysts that can efficiently harvest abundant solar energy. On the other hand, interfacial charge separation and CO2 activation to facilitate proton-coupled electron transfer for the generation of fuels is also a part of this challenge. Further the conversion is uphill reaction processes (ΔG > 0) which require high energy input due to its ultrahigh stability [43, 44] . Although the existing technology of CO2 conversion is far from practicability, numerous researches have been conducted to address the challenges in realizing this process for industrial application. Most of the reports focused on the development of novel photocatalyst are efficient in capturing and channeling sunlight. Numerous approaches like low dimension, porous structured, layered structured, hierarchical ordered, or hybrid-structured photocatalysts have been developed to improve the performance of CO2 reduction [47–52] . In addition, the concept of employing cocatalysts and plasmonic photocatalysts has been reported in the recent years [42] . Fig. 8 shows a typical experimental arrangement for CO2 reduction.

Fig. 8 . Typical experimental arrangement of CO2 reduction.

Adapted and reproduced with permission from Y.Y. Lee, H.S. Jung, J.M. Kim, Y.T. Kang, Photocatalytic CO2 conversion on highly ordered mesoporous materials: comparisons of metal oxides and compound semiconductors, Appl. Catal. B Environ. 224 (2018), 594–601.

The catalytic system employed includes highly ordered mesoporous materials (SnO2 and TiO2) with 3D pore system embedded with either of this CdS, CdSe, ZnS, or ZnSe [45] . Among them, ZnS embodiment showed the highest yield rate for CH4 (3.620 μmol gcat − 1 h − 1 ) while the CdSe showed for CO (5.884 μmol gcat − 1 h − 1 ).

Li and coworkers in 2016 proposed a dual-chamber reactor configuration separated by two-side Cu2O/graphene/TNA photocatalyst along with proton exchange membrane [46] . The graphical illustration of the reactor assembly carrying the photocatalyst and membrane is shown in Fig. 9 .

Afb. 9 . Illustration of distinct CO2 photoreduction reaction system proposed by Li and coworkers.

Adapted and reproduced with permission from F. Li, L. Zhang, J. Tong, Y. Liu, S. Xu, Y. Cao, S. Cao, Photocatalytic CO2 conversion to methanol by Cu2O/graphene/TNA heterostructure catalyst in a visible-light-driven dual-chamber reactor, Nano Energy, 27 (2016), 320–329.

The main attribute of such distinct reactor design is to facilitate the simultaneous occurrence of water oxidation (photocatalyst side exposed to light) and CO2 reduction (unexposed side of photocatalyst). Such reaction system successfully suppressed charge recombination and backward reactions, thus leading to high selectivity toward CO2 reduction. Key reports describing the performance of photoactive nanomaterials on CO2 reduction is summarized in Table 1 .

Tafel 1 . Performance of photoactive nanomaterial on CO2 vermindering

Light-driven materialsReactantsLight sourceHighest yield/materialVerwijzing
5-nm thick carbon-coated (In2O3) nanobeltsCO2, H2OZonlicht126.6 μmol h − 1 (CO)
27.9 μmol h − 1 (CH4)
[47]
Mesoporous SnO2, TiO2, CdS, CdSe, ZnS, and ZnSeCO2, H2O300-W Xe lamp3.62 μmol g cat − 1 h − 1 (CH4)/ZnS
5.884 μmol g cat − 1 h − 1 (CO)/CdSe
[45]
Spongy Ni-organic2.5 mmol of Ru(bpy)3Cl2·6H2O + 2 mL of TEOA + 10 mL of acetonitrile/H2O solvent mixture (CH3CN/H2O = 8:2)300-W Xe lamp1.6 × 10 4 mmol h − 1 g − 1 (CO) [48]
Cu-Pt-TiO2CO2, H2O300 W Hg lamp66 μmol g − 1 h − 1 (H2)/Pt-TiO2
8.3 μmol g − 1 h − 1 (CO)/Cu-Pt-TiO2 (5 h)
33 μmol g − 1 h − 1 (CO)/Cu-Pt-TiO2 (5h)
[49]
BiVO4/RGOCO2, NaOH500-W Xe lamp15.4 μmol g cat − 1 (CH3CH2OH) [50]
Cu-Pt/PMTNTs (periodically modulated double-walled TNTs)CO2, H2OSunlight (AM 1.5)3.55 mL g − 1 h − 1 (CH4) [51]
Cu2O/graphene/TiO2 nanotube arrayCO2 + H2O + 100 mL of 1 M Na2DUS4 and 1 M NaHCO3300-W Xe arc lamp45 μmol cm − 2 h − 1 (CH3OH) [52]
TiO2/rGOCO2, H2O15-W light bulb0.135 μmol g cat − 1 h − 1 (CH4) [53]
Cu2O/rGOCO2, H2O, Sodium Sulfite150-W Xe lamp1000 ppm/g (CO) [54]
g-C3N4/CNTCO2, H2O500-W Xe arc lamp25.1 μmol g − 1 cat (CO)
14.7 μmol g − 1 cat (CH4)
[55]
g-C3N4/TiO2CO2, H2O300-W xe lamp14.73 μmol (CO) [56]
CoP/CNT and CoP/rGORu(bpy)3Cl2, TEOA/CH3CN/H2O, CO2Visible light39510 μmol h − 1 g − 1 (CO, CoP/CNT)
47,330 μmol h − 1 g − 1 (CO, CoP/rGO)
[57]

Despite of the scientific and technological capability, identification of inexpensive catalysts and optimizing artificial photosynthesis process still remain as bottleneck for industrial applications. The most promising Pt and Au-based photocatalysts employs H2PtCl6 and HAuCl4 as precursors that priced at

$10,000 per kg. These photocatalysts require high turnover numbers per metal atom (> 3000) in order to recover the initial cost [42] . Further, most of the photocatalytic reduction of CO2 occurred in the presence of sacrificial reagent solutions, which is less efficient and toxic [52] . Hence, scale-up, operational cost, and eco-friendliness are the additional concerns for industrial applications.


DOE renews funding for photosynthesis research at MSU

The U.S. Department of Energy has awarded the Michigan State University-DOE Plant Research Laboratory (PRL) an $11.25 million DOE Office of Basic Energy Sciences competitive renewal grant to continue its innovative photosynthesis research.

The three-year grant (2020-2023) will allow PRL scientists to continue investigating how photosynthetic organisms work on the molecular level with an eye toward developing new technologies that improve human lives, particularly in the areas of bioenergy, industry and medicine.

"The PRL has a long and distinguished history at MSU,&rdquo said Stephen Hsu, senior vice president for research and innovation at MSU. &ldquoContinued investment in fundamental and applied research related to photosynthesis will yield important benefits in decades to come."

Photosynthesis is a biological process that uses &lsquobasic&rsquo ingredients &mdashcarbon dioxide, water and sunlight &mdash to sustainably make food, fuel and chemicals that power life on Earth.

A team of 11 PRL faculty members will lead a group of exceptional postdocs, students and technicians as they explore the fundamental ways photosynthetic organisms capture sunlight to then convert and store it as usable energy. This talent pool represents a wide range of expertise in molecular, synthetic and cell biology, biophysics, biochemistry, plant and microbial physiology, genomics and genetics.

&ldquoOne of the most gratifying aspects of the newly funded work at the PRL is that it is made possible by bringing together a highly diverse group of scientists with complementary expertise,&rdquo said Christoph Benning, PRL director and principal investigator on the grant. &ldquoThis range of talents gives us a chance to tackle some of the most fundamental biological questions related to photosynthesis.&rdquo

With the support provided in this new phase of funding, PRL scientists will study photosynthetic processes across various scales that range from basic enzymes and reactions, to how photosynthesis integrates into their host organisms, to how these organisms interact with the environment. The group will also apply biological engineering techniques to improve photosynthetic productivity.

More specifically, the grant covers three areas:

  • Understanding how photosynthesis works in the &lsquoreal world&rsquo: Natural environments are unpredictable. Light conditions can change in fractions of a second temperature extremes are common. Photosynthetic productivity (and by extension, crop yield) is limited by these challenges in ways that we do not fully understand.
  • Understanding how organisms integrate the energy harvested from photosynthesis: Photosynthetic organisms must balance energy supply with metabolic needs such as plant leaf growth or algal reproduction. Maintaining balance is crucial to build healthy organisms and to avoid negative reactions.
  • Using synthetic biology to understand cyanobacterial photosynthesis: Cyanobacteria are some of the most successful photosynthetic organisms. The team will use engineering principles to explore the basis of their success and to harvest cyanobacterial parts to build new technologies. These advances could benefit such fields as medicine, bioenergy and industry.

Over the past decade, the PRL &ndash supported by DOE-BES, MSU and MSU AgBioResearch &ndash has developed new technologies to reposition itself as a leading center for photosynthesis research. The next grant cycle will rely on these tools, which include:

  • Growth chambers that recreate external environmental conditions in the lab and quantify measurable signals produced by plant photosynthetic processes
  • Hand-held devices that can measure plant photosynthesis and health parameters in the field
  • Reactors that enable scientists to study algae in the same conditions found in outdoor ponds, but in the confines of the lab
  • New methods to analyze and model plant metabolism and strategies to divert metabolism into useful products
  • New tools to engineer cyanobacteria and plants, including devices for introducing custom biochemical reactions inside subcellular compartments that can be powered by photosynthesis

&ldquoAdvances in basic science will benefit the wider scientific community and align with the long-term mission of DOE-BES,&rdquo said Benning, who is also a University Distinguished Professor and MSU Foundation Professor of biochemistry and molecular biology in the College of Natural Science. &ldquoWe will encounter some difficult scientific problems. However, our synergistic approach and collaborations with MSU's vibrant plant science community will be key to our success. We are bringing together scientists from various backgrounds to enable discoveries that would not be otherwise possible.&rdquo


Bekijk de video: Die Fotosynthese kinderleicht erklärt - Nationalpark Bayerischer Wald (November 2021).