Eficiências energéticas da fotossíntese anoxigênica

A partir dos rendimentos dos produtos de armazenamento da fotossíntese anoxigênica (Figuras 77 e 78) se determinam as eficiências na conversão de energia solar em energia química atingidas pelas bactérias usando a Equação 92.

𝜂 = (𝑛𝐺𝐿𝑈 8𝑛_𝐹𝑂𝑇 ⁄ × ∆𝐶𝐻𝐺𝐿𝑈° ) (8𝐸𝑓(𝜆) +𝑛𝑖 _8𝑛 𝐹𝑂𝑇 ⁄ × ∆𝐶𝐻𝑖°) × 100 [92]

Na qual η é a eficiência da fotossíntese anoxigênica, ni é o número de mols do componente i e ΔCHi° é a entalpia padrão de combustão do componente i (-2801,4 kJ molGLU-1 para glicose, -874,3 kJ molACE-1 _{para acetato e -1380,0 kJ molLAC}-1 _{para lactato). No} denominador, ni é o número de mols de acetato ou lactato (unicamente para bactérias púrpuras não sulfurosas). Cabe salientar que nestas estimativas não se considera a fração da energia solar que se converte em energia química representada pelas células dos microorganismos.

Figura 83. Rendimento dos produtos da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na ausência de nitrogênio gasoso, com bactérias a) verdes sulfurosas, b) púrpuras sulfurosas, c) púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e d) púrpuras não sulfurosas com

crescimento sobre lactato, em mols produzidas por 8 mols de fótons em função do pH (T = 25 °C, pH2 = 1,00x10-3 _atm).

a b

Figura 84. Rendimento dos produtos da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na ausência de nitrogênio gasoso, com bactérias a) verdes sulfurosas, b) púrpuras sulfurosas, c) púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e d) púrpuras não sulfurosas com

crescimento sobre lactato, em mols produzidas por 8 mols de fótons em função da temperatura (pH = 7,00, pH2 = 1,00x10-3 _atm).

a b

Figura 85. Fração de elétrons transferidos do doador a cada produto reduzido na biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na ausência de nitrogênio gasoso, com bactérias a) verdes sulfurosas, b) púrpuras sulfurosas, c) púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e d)

púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre lactato, em função do pH (T = 25 °C, pH2 = 1,00x10-3 _atm).

a b

Os resultados da eficiência da fotossíntese anoxigênica para produção de glicose com bactérias verdes sulfurosas (Reação 70), púrpuras sulfurosas (Reação 73) e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato (Reação 76) e lactato (Reação 79) são apresentados na Figura 86, em função do pH e da temperatura.

Figura 86. Eficiência da fotossíntese anoxigênica para produção de glicose com bactérias verdes sulfurosas, púrpuras sulfurosas e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e lactato, em função a) do pH (T = 25 °C, pH2 = 1,00x10-3 _{atm) e b) da temperatura}

(pH = 7,00, pH2 = 1,00x10-3 _atm).

Os resultados mostram que as eficiências da fotossíntese anoxigênica na conversão de energia solar em energia química em bactérias com metabolismo fotolitotrófico (verdes e púrpuras sulfurosas) praticamente não são influídos pelo pH enquanto o aumento da temperatura aumenta levemente as eficiências. A eficiência fotossintética das bactérias

a

púrpuras sulfurosas e superior à eficiência das bactérias verdes sulfurosas em todo o intervalo de pH porquanto a maior energia dos fótons (λ = 840 nm) nas últimas favorece a síntese celular e não de produtos de armazenamento. Para as bactérias com metabolismo fotoorganotrófico (púrpuras não sulfurosas), a eficiência fotossintética diminui com o aumento do pH por acima do valor de pKA (4,8 para acetato e 3,9 para lactato) porquanto esse aumento favorece o rendimento das células, enquanto a temperatura não influi significativamente nos resultados. Em todo o intervalo de pH, a eficiência é superior quando o crescimento se realiza sobre acetato que quando se realiza sobre lactato.

Comparando os resultados das eficiências, os valores mais altos se obtêm para bactérias com metabolismo fotolitotrófico (verdes e púrpuras sulfurosas) devido a que nos cálculos da eficiência para bactérias fotoorganotróficas (púrpuras não sulfurosas) se leva em conta a entalpia de combustão do substrato orgânico (acetato ou lactato). Porém, em casos nos quais essa entalpia do substrato pode-se desconsiderar (e.g. quando são obtidos de águas residuárias), as eficiências desses processos aumentam aproximadamente 40%, atingindo valores comparativamente muito parecidos aos das bactérias fotolitotróficas e até superiores para pH menores do pKA.

Aqui, como na fotossíntese oxigênica, a energia solar contida nos fótons que efetivamente participam nas reações fotossintéticas e que não é usada para a síntese celular e de produtos de armazenamento se transfere como calor (entalpia) aos redores (universo).

Por outro lado, a partir dos rendimentos da biofotólise indireta para a produção de hidrogênio pela atividade da nitrogenase na fixação de nitrogênio gasoso (Figuras 80 e 81) se determinam as eficiências na conversão de energia solar em energia química usando a Equação 92, mas com o número de mols de hidrogênio e a entalpia padrão de combustão de hidrogênio (-285,8 kJ molH2-1_{) no lugar dos dados da glicose. Nestes processos, os elétrons} para a atividade da nitrogenase são obtidos diretamente do doador (sulfeto para os metabolismos fotolitotróficos e acetato ou lactato para os metabolismos fotoorganotróficos) e não a partir da glicose (produto de armazenamento). Cabe salientar também que nestas estimativas da eficiência, parte da energia solar fica contida nas células dos microorganismos e não se considera nos cálculos.

Os resultados da eficiência da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na presença de nitrogênio gasoso, com bactérias verdes sulfurosas (Reação 71), púrpuras sulfurosas (Reação 74) e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato (Reação 77) e lactato (Reação 80) são apresentados na Figura 87, em função do pH e da temperatura.

Figura 87. Eficiência da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na presença de nitrogênio gasoso, com bactérias verdes sulfurosas, púrpuras sulfurosas e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e lactato, em função a) do pH (T = 25 °C, pH2 =

1,00x10-3 _{atm) e b) da temperatura (pH = 7,00, pH2 = 1,00x10}-3 _atm).

Neste caso, os resultados mostram que as eficiências da biofotólise indireta na conversão de energia solar em energia química não são influídos nem pelo pH nem pela temperatura e os resultados para as bactérias púrpuras sulfurosas são praticamente iguais independentemente do substrato de crescimento (acetato ou lactato). Comparando os resultados, as maiores eficiências se obtêm para bactérias com metabolismo fotolitotrófico (verdes e púrpuras sulfurosas) pela incorporação nos cálculos da entalpia de combustão do substrato orgânico para bactérias fotoorganotróficas (púrpuras não sulfurosas). Em caso de desconsiderar essa entalpia, as eficiências desses processos aumentam aproximadamente 40%, atingindo valores comparativamente muito parecidos aos das bactérias fotolitotróficas.

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Por fim, os resultados da eficiência da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na ausência de nitrogênio gasoso, com bactérias verdes sulfurosas (Reação 72), púrpuras sulfurosas (Reação 75) e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato (Reação 78) e lactato (Reação 81) são apresentados na Figura 88, em função do pH e da temperatura.

Figura 88. Eficiência da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase, na ausência de nitrogênio gasoso, com bactérias verdes sulfurosas, púrpuras sulfurosas e púrpuras não sulfurosas com crescimento sobre acetato e lactato, em função a) do pH (T = 25 °C, pH2 =

1,00x10-3 _{atm) e b) da temperatura (pH = 7,00, pH2 = 1,00x10}-3 _atm).

O comportamento das eficiências da biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase na ausência de nitrogênio gasoso é o mesmo que na presença do gás, mas multiplicada por 4 porquanto todos os elétrons produzidos pelo doador se usam para a produção de hidrogênio.

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Nos resultados da eficiência da fotossíntese anoxigênica da Figura 86, incertezas de ± 5% em todas as energias livres e entalpias de reação geram variações entre ± 0,2% para as eficiências menores e ± 1,0% para as eficiências maiores, e nas Figuras 87 e 88, variações entre ± 0,2% para as eficiências menores e ± 0,6% para as eficiências maiores. Assim, como na digestão anaeróbia, é possível concluir que essas incertezas não afetam significativamente a distribuição das espécies no modelo biotermodinâmico.

6.5. Conclusões

Algumas conclusões acerca da fotossíntese oxigênica são iguais que para a fotossíntese anoxigênica:

 Na fotossíntese anoxigênica, a espontaneidade do crescimento celular é garantida pelos altos valores de energia livre gerada pela captação da energia solar dos fótons nos sistemas fotossintéticos.

 O modelo biotermodinâmico para a fotossíntese anoxigênica evidencia que a entropia do sistema diminui pela geração de produtos de menos entropia que os reagentes, e a exportação de entropia para o universo ocorre pela transferência de calor (entalpia).

 Independentemente de considerações cinéticas ou biológicas, o aumento da temperatura desfavorece levemente o rendimento das células na fotossíntese anoxigênica, do ponto de vista termodinâmico.

 Na produção de hidrogênio pela atividade da nitrogenase, os resultados mostram que o rendimento quando o nitrogênio gasoso está ausente é 4 vezes superior que quando está presente, o que concorda com a estequiometria da fixação.

Por outro lado:

 Todas as produções de hidrogênio por biofotólise indireta pela atividade da nitrogenase são processos espontâneos nos intervalos de pH, pressões parciais de hidrogênio e temperaturas avaliados.

 Os rendimentos na produção de hidrogênio pela atividade da nitrogenase são iguais para todas as bactérias anoxigênicas porquanto os elétrons passam à nitrogenase diretamente do doador no sistema fotossintético.

 Desconsiderando a fração da energia solar que se converte em células e a energia do substrato nas bactérias púrpuras sulfurosas, a eficiência da produção de hidrogênio pela atividade da nitrogenase é muito similar em todas as bactérias anoxigênicas.