Повышение качества растений с помощью светодиодов

Влияние светодиодов разного спектра на проростки огурца.   Краткий обзор вышедшего в апреле 2021г. исследования калифорнийских ученых на тему влияния монохроматических светодиодов разного спектра свечения на саженцы огурцов.Ссылка на оригинальную статью: https:/...
18.04.2024
Большую часть года, света для растений очень мало. И те, кто выращивают их круглогодично в закрытых помещениях, а не по сезонно на улице, сталкиваются из-за этого с большими проблемами.Единственный выход их решить — это использовать искусственные источники света. Какие из них луч...
18.04.2024
Повышение качества растений с помощью светодиодов

Краткий обзор недавнего исследования, проведенного группой немецких ученых, целью которого было изучение влияния широкополосных белых светодиодов на рост и развитие растений в тепличных условиях на примере тимьяна. Ссылка на оригинальную статью: https://www.mdpi.com/2223-7747/10/5/960/htm.

Система светоизлучающих диодов (LED), охватывающая диапазоны волн, воспринимаемые растениями, от ультрафиолетового до дальнего красного излучения (от 360 до 760 нм, «белый» световой спектр) была исследована для тепличного производства Thymus vulgaris L. Урожайность биомассы и количество терпеноидов были были исследованы и определены производительность и электрический КПД светильников. Все результаты сравнивались с двумя традиционно используемыми типами осветительных приборов (натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) и люминесцентные лампы (FL)) в условиях естественной низкой освещенности осенью и зимой в Берлине, Германия. Под светодиодом - развитие тимуса обыкновенного.L. был сильно ускорен, что привело к отчетливому увеличению урожайности свежей биомассы с квадратного метра на 43% и 82,4% по сравнению с ДНаТ и FL соответственно. Урожайность сухих материалов с квадратного метра также увеличилась на 43,1% и 88,6% при использовании светодиодов по сравнению с системами освещения ДНаТ и FL. Хотя состав терпеноидов оставался неизменным, их количество на грамм сухого вещества листа значительно увеличивалось под LED и ДНаТ по сравнению с FL. Кроме того, расчеты энергопотребления показали экономию энергии на 31,3% и 20,1% для светодиодов и FL, соответственно, по сравнению с ДНаТ. Внедрение светодиодной системы широкого спектра имеет огромный потенциал для увеличения количества и качества Thymus vulgaris L. в условиях естественного недостаточного освещения при значительном снижении энергопотребления.

1. Введение

Недостаточная интенсивность естественного освещения и короткий световой период резко ограничивают развитие растений в зимние месяцы в северных регионах. Поэтому тепличные хозяйства и исследовательские учреждения сезонно применяют дополнительные источники света, чтобы продлить периоды выращивания и оптимизировать рост растений. Однако возможности для (круглогодичного) садоводства используются недостаточно, поскольку традиционные источники света потребляют недопустимое количество энергии и не адаптированы к фоторецепторам растений. Следовательно, новая технология, которая значительно снижает потребление электроэнергии при одновременном повышении ценности урожая, представляет большой интерес для тепличной промышленности и исследовательских центров .

Сегодня светодиоды (LED) могут заменить традиционные источники света, такие как натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) и люминесцентные лампы (FL). Они обладают важными техническими преимуществами, такими как высокая энергоэффективность, малый размер, долговечность, длительный срок службы, низкое тепловое излучение и регулируемый спектральный диапазон длин волн. Следовательно, использование светодиодной технологии в качестве освещения для садоводства увеличивается.

Однако большинство исследований светодиодного излучения по развитию растений включало только узкие полосы волн красного (R) и синего (B) света, поскольку эти длины волн максимально поглощаются светозахватывающими хлорофиллами растений. Первоначальные исследования светодиодного освещения растений доказали, что растения могут завершить свой жизненный цикл только с помощью R-света, но морфогенез растений, включая компактный рост и расширение листьев, а также цветение растений, значительно улучшился при добавлении синего света. Кроме того, определенные пропорции света B положительно влияют на физиологические реакции растений, такие как открытие устьиц, содержание хлорофилла и вторичный метаболизм.

Недавно в исследованиях были предложены дальнейшие идеи улучшения фотосинтеза путем добавления длинных волн дальнего красного (FR) к спектрам R. Например, увеличение излучения FR способствовало росту проростков за счет увеличения разрастания листьев и ассимиляции сетки всего растения, снижения количества антоцианов и каротиноидов и снижения уровня антиоксидантов.

Как подтверждают недавние исследования, зеленый (G) свет также может способствовать развитию и росту растений. Сообщалось об усилении роста салата при освещении RB, дополненном G-светом, и улучшенном росте огурцов при ДНаТ-освещении, дополненном G-светом. Однако G-свет стимулирует раннее удлинение стебля и закрытие устьиц, противодействуя типичному подавлению роста и открытию устьиц, опосредованному синим светом.

Благодаря многочисленным проведенным фотобиологическим исследованиям в настоящее время точно установлено, что длины волн от ~ 360 до 760 нм влияют на фотосинтез, физиологию, морфогенез и фитохимический состав растений и что определенные спектральные области могут использоваться для индукции определенных свойств растений, что представляет особый интерес.

Тем не менее, негативные побочные эффекты, возникающие в результате применения светодиодов в узком диапазоне длин волн, такие как нежелательные фотоморфогенные и физиологические нарушения, воздействие вредителей и болезней, а также сложная визуальная оценка состояния растений, отсутствующая при (естественном) широком спектре света, должны быть дополнительно сведены к минимуму.

Как следствие, светодиодные светильники с более широким спектральным качеством, охватывающим диапазон фотосинтетически активного излучения (ФАР) от 400 до 700 нм (воспринимается как белый свет), иногда включая боковые области УФ (~ 360–400 нм) и дальний красный FR (~ 600 нм). –760 нм) излучения появляются в последнее время и становятся популярными в качестве единственного источника освещения для садоводства.

Например, Spalholz et al. (2020) сравнили реакцию двух сортов салата на спектр, имитируемый солнцем, и другие обычно применяемые спектры B/R, обеспечивая биологически активное излучение 200 мкмоль м −2 с −1 между 300–800 нм . Исследование выявило уникальные реакции, включая наибольшее соотношение массы свежей и сухой массы, большую площадь листьев, чрезмерное удлинение стебля и начало цветения под имитируемым солнцем спектром, несмотря на увеличение плотности потока фотосинтетических фотонов (PPFD) на 36% при обработке B/R. Совпадающие результаты были опубликованы Гао и соавторами (2020), которые протестировали влияние белого и различных монохроматических (B, G, Y, R) светодиодов на валлийский лук. Помимо увеличения урожайности растений, чистая скорость фотосинтеза и эффективность фотосинтеза были значительно выше при белом свете, чем при обработке монохроматическим светом. Matysiak и Kowalski (2019) наблюдали наибольшую свежую массу при обработке светом W и R для салата ягненка и садовой ракеты, тогда как для двух сортов базилика сладкого не было обнаружено различий в сырой массе при всех испытанных световых обработках. Однако добавление витамина B привело к более компактному росту зеленолистного базилика. Для красного пак-чой белый свет, включая УФ и FR, был оценен как идеальный для наилучшего общего урожая, и была продемонстрирована важность белого света для свежей массы побегов и корней салата.

Таким образом, было обнаружено, что широкие спектры светодиодов, охватывающие более широкий спектральный диапазон восприятия растений, а не отдельные узкие полосы, и в лучшем случае включающие фланкирующие области в FR и УФ, могут привести к более интенсивному развитию растений. Однако до сих пор такой широкий спектр светодиодов не тестировался при недостаточном освещении в теплицах. Поэтому  целью было оценить преимущества и недостатки широкополосного светодиодного освещения в зимний период в северной части центральной Европы (Берлин, Германия, 52,5 ° с.ш., 1,33 ° в.д.) на практическом примере и сравнить результаты с обычными ДНаТ и люминисцентными  установками, которые сегодня используются в тепличной промышленности и исследовательских центрах.

В качестве модельного растения выбрали умеренно светозависимый Thymus vulgaris L., который принадлежит к семейству Lamiaceae, богатому другими родами, такими как Salvia и Organum , и который широко используется в европейской кухне и народной медицине. Основным биоактивным метаболитом, ответственным за терапевтические свойства ароматического Thymus vulgaris L., является монотерпен тимол.

Целью этого исследования было проведение зимнего эксперимента в теплице для оценки развития, биомассы и урожайности полезных для здоровья терпеноидов тимуса с помощью прототипа светодиода широкого спектра действия, а также для определения энергопотребления и эффективности прототипов. . Чтобы дополнительно оценить практическую применимость и потенциал тепличных предприятий и исследовательских центров, стремились сравнить результаты светодиодов широкого спектра с результатами, полученными для светильников ДНаТ и FL в их обычных условиях установки.

 

2. Результаты исследования

2.1. Выход биомассы, разделение и морфология

Светодиодная система привела к заметному увеличению урожайности, разделению биомассы и дифференцированному морфологическому виду Thymus vulgaris L. по сравнению с системами HPS и FL . В то время как светодиоды производили свежую биомассу в среднем 28,1 ± 2,0 г растения -1 , системы HPS составили 15,9 ± 2,3 г растения -1 за тот же период культивирования. Самая низкая свежая биомасса 4,9 ± 0,4 г растения -1 была произведена в условиях FL. Соответственно, выход сухого вещества Thymus vulgaris L. был значительно увеличен за счет светодиодной системы (5,6 ± 0,8 г растения -1) по сравнению с HPS (3,2 ± 0,5 г растения -1 ) и FL (0,6 ± 0,1 г растения -1 ), что составляет увеличение в 1,75 и восемь раз, соответственно.

 


Рис. 1. Урожайность биомассы и распределение Thymus vulgaris L., выращиваемого при различных системах дополнительного освещения осенью и зимой в Берлине, Германия. LED = светодиод, HPS = натриевая лампа высокого давления, FL = люминесцентный свет. ( A ) Выход свежего вещества в граммах на растение , ( B ) Выход сухого вещества в граммах на растение , ( C ) Распределение сухого вещества листьев и побегов в граммах на растение.


 


Рис. 2. Внешний вид Thymus vulgaris L. при сборе урожая при различных системах дополнительного освещения осенью и зимой в Берлине, Германия. LED = светодиод, HPS = натриевая лампа высокого давления, FL = люминесцентный свет.

Как показано на рисунке 2 , биомасса стебля Thymus vulgaris L. была значительно увеличена под светодиодной системой в конце экспериментального периода и привела к совершенно другому внешнему виду по сравнению с растениями тимьяна, выращенными при двух других дополнительных осветительных приборах, сухое вещество листа (L DM ) тимьяна было значительно увеличено и достигло максимума при использовании светодиодов .

 

2.2. Содержание и состав летучих органических соединений (ЛОС)

В экстрактах листьев Thymus vulgaris L. было идентифицировано 12 монотерпенов и один сесквитерпен. Различные системы освещения не повлияли на химический состав. Общее содержание ЛОС на грамм L DMзначительно улучшается за счет светодиодов (2,7%) и ДНаТ (2,3%) по сравнению с FL (1,1%). Разница в количестве ЛОС на грамм L СВ между растениями тимьяна, культивируемыми в условиях LED и HPS, незначительна ( p = 0,088). Светодиод значительно увеличивал количество всех 13 оцениваемых терпеноидов в листьях Thymus vulgaris L. по сравнению с системой FL. 

Многочисленные исследования также предполагают, что в синтезе терпена участвуют фитохромы, фоторецепторы, чувствительные к красному и дальнему красному свету, в результате чего производство терпенов также зависит от качества света, в частности от отношения красного и инфракрасного (R / FR) . Например, в проростках тимьяна красный свет сильно стимулировал производство моно- и сесквитерпенов (тимол, γ -терпинен, п- цимен и карвакрол, β- кариофиллен) и количество трихом, содержащих эфирное масло, на семядоль - два стимулирующих эффекта. Это оказалось полностью обратимым при последующем облучении дальним красным светом . Позже было обнаружено частичное сокращение выбросов летучих у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh, подвергшихся воздействию низкого соотношения R / FR = 0,2 по сравнению с растениями, подвергавшимися воздействию высокого отношения R / FR  = 2,2 при контроле интенсивности света.

Поскольку светодиодные лампы были способны значительно увеличить производство летучих веществ в листьях тимьяна по сравнению с лампами HPS, летучая производительность светодиодов на квадратный метр в абсолютном выражении удвоилась (2,5 против 1,3 г / м 2 ).

 

2.3. Продуктивность

Светодиодная система широкого спектра действия позволила значительно увеличить производство листьев и стеблей свежего тимьяна на квадратный метр, выше на 43,3% и 82,4% по сравнению с системами ДНаТ и FL, соответственно.  Кроме того, светодиодная система позволила увеличить производство летучих органических соединений на квадратный метр в данных тепличных условиях по сравнению с традиционно используемой системой ДНаТ. Несмотря на более низкое соотношение светового потока для светодиодного освещения, составляющее 0,9, по сравнению с ДНаТ (1,3) и FL (5), общее количество ЛОС были самыми высокими для светодиодов. Таким образом, светодиодное освещение представляет собой привлекательную альтернативу выращиванию тимьяна как для производства эфирного масла, так и для доставки на рынок в свежем виде.

2.4. Энергопотребление и эффективность биомассы

Светодиоды потребляли наименьшее количество электроэнергии с 257,7 Вт м -2 , за ними следовали люминисцентные светильники с использованием 299,4 Вт м -2 , тогда как лампа ДНаТ потребляла наибольшее количество электроэнергии с 374,9 Вт м -2 . В конце периода выращивания потребление энергии на м 2системы освещения LED и FL привели к значительной экономии энергии - 31,3% и 20,1%, соответственно, по сравнению с потреблением системы ДНаТ. В то время как каждая светодиодная система обеспечивала + 1,92 г свежего тимьяна на кВтч и квадратный метр, ДНаТ и FL обеспечивали только  40% и  16% от этой урожайности на кВтч и квадратный метр,. Соответственно, производство сухого тимьяна на кВтч и квадратный метр под светодиодами (+ 396,3 мг) было значительно выше, чем производство сухого тимьяна под ДНаТ (+ 155,2 мг) и FL (+ 39,1 мг). Кроме того, производство ЛОС на кВтч и квадратный метр было значительно выше под светодиодами (+ 5,4 мг) по сравнению с HPS (+ 1,9 мг) и FL (+ 0,4 мг).

 


Рис. 3. Спектры света трех искусственных источников света (светоизлучающий диод (LED) = сплошная линия, натриевая лампа высокого давления (ДНаТ) = пунктирная линия, флуоресцентный свет (FL) = пунктирная линия), использованных во время эксперимента в теплице.

 

 

3. Выводы

Обладая преимуществом в биомассе, а также эффективностью терпеноидов, светодиодная система широкого спектра действия представляет собой серьезного конкурента традиционно используемым системам освещения ДНаТ и FL в теплицах при естественных условиях недостаточного освещения, как это было показано в этом исследовании. Товарный вид Thymus vulgaris L. может быть получен быстрее и, следовательно, чаще при замене источников света ДНаТ и FL на протестированную светодиодную систему, что в конечном итоге приведет к увеличению доходов при одновременном значительном снижении производственных затрат для тепличных производителей. Сравнительно высокие первоначальные капитальные затраты на светодиоды, которые раньше откладывали создание светодиодов, снижаются. Основываясь на этих результатах, в сочетании с обычно низкими эксплуатационными расходами и длительным сроком службы, первоначальные инвестиции в светодиоды должны быстро стать источником прибыли для производителей теплиц. Кроме того, различные подходы к адаптивному управлению с использованием диммирования светодиодов могут еще больше снизить энергопотребление и помочь достичь постоянных темпов роста на дневном и сезонном уровне. Результаты показывают, что внедрение светодиодной системы с широким спектром в теплицах может дать возможность выращивать большее разнообразие культур с более высокими требованиями к DLI при естественно недостаточном уровне освещенности, на что способны обычные системы освещения сегодня. Кроме того, светодиодная система с широким спектром может продлить сезоны тепличного производства, которые в настоящее время ограничены низкими дополнительными DLI, и позволит круглогодично выращивать более широкий спектр выбранных тепличных культур, чем системы ДНаТ и FL могут в настоящее время. Тем не менее, необходимо изучить дальнейшие вариации с различными тепличными культурами, чтобы подтвердить предлагаемую применимость для ряда культур. Поэтому в будущих исследованиях светодиодов широкого спектра необходимо учитывать индивидуальные требования DLI для сельскохозяйственных культур и сравнивать их с обычно применяемыми спектрами моно- и дихроматического светодиодного света при одинаковой интенсивности света, чтобы расширить знания о влиянии спектров светодиодного света на морфологические, физиологические и метаболические реакции растений. Также  необходимы дополнительные исследования, изучающие влияние качества света на биосинтез, содержание и состав терпеноидов, чтобы в будущем оптимизировать качество ароматических видов растений.

Обратный звонок