Kan C4-fotosynthese de wereldvoedselproductie verdubbelen?

Share Button

De plantenwereld kent twee belangrijke fotosynthesetechnieken: C3, de standaardmethode, en C4, waarbij de CO2 wordt geconcentreerd in de plant. C4 vaagt meer energie, maar de plant raakt veel minder snel in ‘ademnood’, waardoor de gewasopbrengsten in zonnige gebieden bijna twee keer zo hoog liggen. Kunnen we hiermee het wereldvoedselprobleem oplossen?

Het membraan (omhulsel) van de thylacoïden (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis

Het membraan (omhulsel) van de thylacoïden (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis

Hoe werkt  fotosynthese?
We hebben allemaal op school geleerd dat bladgroenkorrels licht opvangen, waar de plant voedsel mee maakt. Deze bladgroenkorrels vormen in feite alleen maar het begin van de keten. In de korrels wordt in de “lichtreactie” water gesplitst (waarbij als afvalproduct zuurstof vrijkomt) en waterstofionen (H+). Deze  waterstofionen worden direct gebruikt om zes kooldioxidemoleculen (CO2) om te zetten in glucose (C6H12O6), de basisbouwstof voor plantencellen. Terwijl ze uit de bladgroenkorrel naar buiten worden gepompt, leveren deze ionen ook energie om ADP in de energiedrager ATP om te zetten.

C4-planten kunnen door de ringen van cellen CO2 concentreren, waardoor ze in een droog, heet klimaat veel sneller groeien.

C4-planten kunnen door de ringen van cellen CO2 concentreren, waardoor ze in een droog, heet klimaat veel sneller groeien.

Wat is het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese?
Om het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese uit te leggen, moeten we kijken naar de methode die de plant gebruikt om CO2 vast te leggen. Je zou het op grond van alle alarmverhalen niet zeggen, maar in feite verhongeren planten door te weinig CO2. Daarom bestaat de helft van alle eiwitten bij planten uit maar één enzym: rubisco, het enzym dat CO2 vangt en inbouwt in de zogeheten Calvin-cyclus. Dit enzym is miljarden jaren geleden ontstaan, toen er nog geen zuurstof in de atmosfeer zat. Daarom is het niet berekend op de aanwezigheid van zuurstof, waardoor er veel CO2 verloren gaat. In plaats van rubisco te veranderen, wat voor een plant zelfmoord zou betekenen, ontstonden naast de standaard (C3) vorm van fotosynthese, twee extra methoden om te voorkomen dat er teveel zuurstof bij het rubisco in de buurt komt: C4-metabolisme en CAM.
CAM-planten, zoals cactussen, zetten hun huidmondjes ’s nachts open en vangen dan CO2 (die ze opslaan in appelzuur), die ze overdag weer afsplitsen en verder verwerken. Deze strategie kost veel energie, maar spaart water en komt daarom vooral voor bij woestijnplanten, waarvoor water veel belangrijker is dan energiebesparing.
We hebben het hier verder over C4-planten. Deze planten gebruiken een andere techniek: het huisvesten van Rubisco in een CO2-rijke omgeving. Dit krijgen deze planten voor elkaar, door CO2 in twee stappen vast te leggen. In de eerste stap, in een krans om de cellen waar de donkerreactie plaatsvindt, wordt CO2 vastgelegd in een verbinding met 4 koolstofatomen (vandaar de naam C4), die wordt getransporteerd naar de plek waar Rubisco het verwerkt. Daardoor gaat er minder energie verloren. Wel kost dit proces 30 ATP, waar de ‘normale’ C3-fotosynthese maar 18 ATP kost. Bekende C4-gewassen zijn maïs, suikerriet en sorghum (hier minder bekend, maar in Afrika een van de belangrijkste voedingsgewassen). C4-planten evolueerden rond de 30 miljoen  jaren geleden, toen de CO2-hongersnood nijpend werd en het klimaat droger werd.

Tarwe, rijst en andere gewassen ombouwen tot C4-plant
Maïs en sorghum zijn minder populair als voedselgewas dan tarwe en rijst. Hoewel in de tropen de opbrengsten van maïs veel groter zijn dan die van rijst, kiezen boeren daarom toch massaal voor rijstteelt. Zouden we er in slagen om C4-eigenschappen in deze populaire voedingsgewasssen in te bouwen, dan zouden we de oogsten per  hectare met 50% kunnen vergroten. Terwijl er minder kunstmest en water nodig is, waardoor per liter water de oogst verdrievoudigt. Voor woestijnlanden als Egypte en dichtbevolkte landen als India, Nigeria en Bangladesh zou dit uiteraard een uitkomst zijn. Toch vrees ik dat de smaak iets achteruit zal gaan. Voor C4 moeten er kransen om de plekken waar de Calvin-reactie plaatsvindt worden aangemaakt. De reden dat typische C4-granen als sorghum en maïs een vrij harde smaak hebben, is vermoedelijk die laag.Aan de andere kant: we hebben weinig keus meer. De watertekorten over de gehele wereld worden steeds nijpender en in gebieden als Californië stijgt de rijstoogst al niet meer sinds 1990. Op dit moment is het implanteren van het C4-mechanisme in voedselgewassen onze beste hoop om wereldwijd voedselgebrek te voorkomen.

Het C4-rijstproject
Het internationale rijst-onderzoeksinstituut IRRI in de Filippijnen is daarom begonnen met het ontwikkelen van een C4-variant van rijst. Dit project, met 5 miljoen dollar gefinancierd door de eBill and Melinda Gates Foundation, moet in een jaar of zes tot tien een bruikbare cultivar opleveren. Deze variant zal veel minder water gebruiken en een wat grotere oogst per hectare opleveren. Gezien het enorme belang van de voedselvoorziening is het onbegrijpelijk dat er zo weinig hulpbronnen in dit project worden gestopt. De taak die de onderzoekers te wachten staat is wanhopig moeilijk. Ze moeten de bestaande genen van rijst zo wijzigen, dat zich concentrische ringen van cellen gaan vormen. Als je bedenkt, dat in genen alleen eiwitten staan beschreven, niet direct de anatomie van planten, kan je je voorstellen dat dit een enorm veeleisende taak is. Toch slaagden planten hier in meer dan dertig plantensoorten in, weten we. Toch is het ze nu gelukt het rudimentaire C4-proces in rijst in te bouwen. Uiteraard moet deze rijst nog doorontwikkeld worden in een levensvatbaar C4-ras, maar er is nu voor het eerst zicht op een structurele oplossing.

Bronnen
Supercharged photosynthesis, MIT Review,2015

 

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

You may also like...

14 Responses

  1. bemoeier zegt:

    Ach anders kunnen we misschien zeesla gaan eten, en vertikale landbouw gaan doen.
    Of de woestijn vergroenen zodat het een regenwoud klimaat krijgt.

  2. antares zegt:

    Probleem hier is dat dit GMO planten zijn. Monsanto, Bayer, en Syngenta zijn nou niet bepaald populair meer dankzij wetenschappelijk onderzoek naar wat deze GMOs in het menselijk lichaam aanrichten. In combinatie met pesticiden. waaronder Roundup, maar ook de andere gifsoorten die gebruikt worden, wordt veel schade aangericht aan de natuur, maar zeker ook in het menselijk lichaam. Hier maar één voorbeeld van de zeer velen waar ik over beschik:

    http://preventdisease.com/news/13/050613_Former-Pro-GMO-Scientist-Speaks-Out-On-The-Real-Dangers-of-Genetically-Engineered-Food.shtml

  3. Razorr zegt:

    Als die windmolens van laatst, die water uit de lucht halen nou door-ontwikkeld worden kun je per rijstveldje zo’n molen plaatsen, et voilá…

  4. antares zegt:

    Hier zit toekomst in, er worden geen pesticiden gebruikt, en het waterverbruik is minimaal:

    https://www.facebook.com/earthweareone/videos/1416089908407326/

  5. Razorr zegt:

    Beetje off topic misschien maar ik las vandaag op BigThink dat er nu een effectieve methode is om CO2 op te slaan. Namelijk in de vorm van gesteente. (Oude methode is nu verbeterd blijkbaar.)
    http://bigthink.com/stefani-cox/we-can-now-turn-carbon-dioxide-into-rock

    • antares zegt:

      Meerdere bladen hebben het hierover gehad de afgelopen weken. Vond e.e.a. zeker interessant, maar deze methode weegt echt niet op tegen de CO2 aanmaak die we werkelijk produceren. Maar goed, de volgende link die ik ga plaatsen heeft alles te maken met de productie van waterstofgas en zuurstof. Het bijzondere er aan is, dat hier pure zuurstof wordt verbonden met waterstofgas in het verbrandings proces. De persoon die dit realiseerde nam weliswaar enorme risico’s bij zijn experimenten, maar ik wil duidelijk maken dat dit verbrandings proces extreme hitte met zich meeneemt. In een volgende reactie zal ik toelichten waarom dit zo interessant is. En nee, niet zelf thuis zo’n droge cell maken om je woning te verwarmen, want geen enkele verzekeringsmaatschappij zal de schade vergoeden als dit mis gaat. Hier de link naar het artikel:

      https://youtu.be/b7UPMSleuek

  6. antares zegt:

    Bovenstaande link werkt uitstekend, maar zoals je wel begrepen zult hebben probeert deze uitvinder je Alleen duidelijk te maken hoe hij zijn huis efficiënter kon verwarmen. Prima kerel, dat zeker, en hij legt in de volgende link uit hoe op een redelijk veilige manier een zogenaamd droge cel te fabriceren. Ook laat hij je zie hoe extreem heet het zuivere verbrandings proces in de praktijk verloopt, en vrijwel alles kan laten smelten, zelfs staal en steen:

    https://www.youtube.com/watch?v=b7UPMSleuek

  7. antares zegt:

    Hierna zal ik een stukje tekst kopiëren van iemand die nog weet van het gebruik van de waterinjectie systemen die eerder in gebruik waren bij brandstof motoren, maar eerst het artikel waar alles mee begon:

    http://www.ewao.com/a/500-kilometers-1-litre-brazilian-man-shows-us-dont-need-gas-stations/

    Nu de tekst waarover ik in de aanvang van het bovenstaand schreef, maar let goed op het verband in dit relaas, in het vervolg dat ik zal tonen:

    This is true. also, 40 some years ago my brother installed a water injection kit [he bought] on his car. he got 10 to 15 miles more to the gallon. these things are ALWAYS buried by the government. in the 60s there was an inventor that made a car that got 100 plus miles to the gal. of gas. again the gov. bought him out. Tot zover dit relaas, nu mijn eigen ervaring:

    Ik weet dat mijn helaas reeds lang overleden vriend en gepensioneerde binnenvaartschipper over een dieselmotor beschikte waar waterinjectie bij plaatsvond. Hij vertelde mij destijds dat de ééncilinder dieselmotor langdurig met een handbrander voorgegloeid werd voordat deze überhaupt opstartte. Met de stroom mee had hij de beschikking over 40 PK, en werkte het waterinjectie systeem niet. De motor werd niet warm genoeg, het toegevoegde water veranderde niet in genoeg efficiënte stoomdruk, (voldoende dampdruk) omdat de motor niet warm genoeg werd. Tegen de stroom in veranderde dat en kon hij waterinjectie toepassen. Waterinjectie werd toegepast als de motor zwaar werd belast en de temperatuur tengevolge daarvan hoog opliep. Water werd geïnjecteerd direct nadat het brandstofmengsel ontbrandde. Als de warmte inhoud van brandstofmengsel en de omgeving voldoende was, (meede de onderdelen in de cilinder) dan ontwikkelde er zich een mengsel van stoom en gecombineerde ontbranding om de capaciteit op te voeren tot meer dan 100 PK.

    Waar het mij in hoofdzaak om gaat is dit:

    Het verbranden van waterstof of überhaupt welke brandstof dan ook, gaat bij menging met pure zuurstof sowieso gepaard met extreem hoge temperaturen. De (overigens relatief) droge cel, maakt zo te zien een perfect mengsel van waterstof/zuurstof aan. Verbrand je dit mengsel in een standaard zuigermotor dan worden de onderdelen met zekerheid veel te warm. Water injectie kan dit perfect compenseren. Dat is wat er denk ik gebeurt in het verhaaltje waar deze uitvinder 500 kilometer rijdt op slechts één liter water.

    Het water dat vrijkomt uit het uitlaatsysteem wordt hier in gecondenseerde vorm weer hergebruikt. Condensatie vindt plaats door rijwindkoeling.

    De uitvinder vandit concept ben ik niet, dat spreekt voor zichzelf. Zou alleen willen weten waarom de uitvinder van dit ogenschijnlijk werkende systeem dit zelf niet in een duidelijke blauwdruk aan de hele mensheid wilde publiceren. Wat heb je aan rijkdom ???????

    • bemoeier zegt:

      Misschien werd hij bereigd door een oliemaatschappij om dat niet te doen.
      Dat heb ik weleens gehoord van een ex collega die z’n auto modificeerde met elektrolyse in water om ook waterstof in z’n motor te krijgen naast/bij benzine.
      Maar hij had het dan over iemand anders met een ander idee denk ik.

      • antares zegt:

        Velen zijn in de loop der tijd al bedreigd, het leven onmogelijk gemaakt, in discrediet gebracht, of gedood in het belang van o.a. de fossiele brandstof winsten. Niets nieuws onder de zon wat dat betreft, meer common sense eigenlijk. Ik zie en lees het constant. Wie nu echt op grote schaal begint in te boeten aan invloed is bijvoorbeeld Monsanto. Bayer en Syngenta gaan gegarandeerd dezelfde weg, en anderen zullen volgen. Er is een gigantische desinvestering aan de gang bij brandstof van nu al 2,6 triljoen, en dat loopt steeds verder op. Ik kan het hier vol hangen met voorbeelden maar wat voor zin heeft dat. Alternatieve energie heeft z’n weg gevonden. We kunnen nu die energie al opslaan in batterijen die een leven lang meegaan. Hier de link:

        http://www.computerworld.com/article/3060005/mobile-wireless/scientists-can-now-make-lithium-ion-batteries-last-a-lifetime.html

        Bedenk dan dat Tesla vervoersmiddelen gaat produceren die gemakkelijk 1 miljoen km aan kunnen en dan nog niet naar de sloop hoeven. Dat is 25 keer de aarde rond. Het is afgelopen met de grote inhalige multnationals, en wel dankzij internet. Alles gaat veranderen, maar dit kost tijd.

      • Markus zegt:

        1:160 met een opel P1 (+/- 1900 kg!) door ingenieurs van s(h)ell nav een prijsvraag om een energie zuinige auto te ontwikkelen, nooit iets mee gedaan.
        http://www.376mpg.com/

  8. antares zegt:

    Voor wie er toe in staat zijn dit beginsel toe te passen. Bedenk dat normale zuigermotoren de aanwezigheid van waterdruppels ondergaan als zandkorrels. Als deze tussen zuiger en cilindewand komen heb je direct mechanische schade. Om dit te voorkomen zul je de te injecteren waterdeeltjes moeten voorverwarmen tot bijna het kookpunt. Dit kan door de afgassen door de vloeistof te laten stromen. De machine olie moet ook aaangepast worden. Het beste werkt een rijke combinatie van teflonolie, gemengd met synthetische olie. Voor dat het systeem in gebruik wordt genomen, de machine opwarmen met reguliere brandstof. Veel plezier en genoegen met deze experimenten gewenst. Voor problemen onstaan als gevolg hiervan neem ik geen verantwoordelijkheid op mijzelf als rechts persoon. U neemt zelf het initiatief en draagt zelf de zorg voor een goede afloop, niet ik. Brandstof BV is niet gediend bij dit soort initiatieven, u kunt in de problemen komen.

  9. antares zegt:

    Voor diegenen die dit proberen; dit moet je niet doen met AC generatoren. Neem een DC dynamo basis, een standaard oplaadsysteem en een convertor naar 4 of 5 KW AC vermogen.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger