Светодиодная эффективность, УФ-излучение и реакция растений в презентациях в области тепличного освещения

Как сообщает МАУРИ РАЙТ, вторая конференция США, посвященная освещению в садоводстве, была наполнена информативными презентациями, с преобладанием тем, включавших сопоставление SSL с показателями освещения, которое применялось прежде, использование ультрафиолетового спектра для увеличения вторичных метаболитов и будущее садоводческого освещения.

В Денвере, штат Колорадо, 17 октября 2017 года, многие из ведущих экспертов в области садоводческого освещения собрались на второй ежегодной американской конференции, посвящённой по этой теме. День был наполнен информативными беседами и общением перед настольными экспонатами, а вечерний приём стал быстрым и бурным. Здесь мы остановимся на нескольких презентациях, в которых рассматривается светодиодное освещение по сравнению с альтернативными источниками света для растений, ультрафиолетовое (УФ) освещение в качестве способа моделирования вкуса или потенциала сортов и будущие усилия, применение которых поможет получить отклик непосредственно от растений, что поможет контролировать применяемое для них освещение.


РИС. 1. Петунии демонстрируют различия при выращивании в теплице без дополнительного освещения (слева), с дополнительным освещением HPS (посередине) и светодиодным освещением (справа).

РИС. 1. Петунии демонстрируют различия при выращивании в теплице без дополнительного освещения (слева), с дополнительным освещением HPS (посередине) и светодиодным освещением (справа).


ОСНОВНОЙ ДОКЛАД СТИВЕНА НЬЮМАНА



Основная презентация на открытии конференции была проведена Стивеном Ньюманом, специалистом по развитию тепличных культур и профессором цветоводства в Университете штата Колорадо (CSU). Ньюману была предоставлена ​​уникальная возможность наблюдать за строительством нового центра садоводства CSU несколько лет назад, когда университет построил новый футбольный стадион на месте старого объекта. Проект включал более 21 000 кв. футов оранжерей, более 6000 кв. футов пространства для занятий и 6-акровую площадку для садоводства.

По мере того, как планировалось новое сооружение, Ньюман описал, как случайная встреча с Philips Lighting привела к тому, что тепличное оборудование стало оснащаться светильниками Philips GreenPower Toplight, работающими на светодиодах, несмотря на то, что до этого у Ньюмана не было опыта с SSL.

Несмотря на возражения университетского инженерного отдела, который также не имел опыта работы со светодиодным освещением, Ньюман настоял на установке оборудования SSL, приведя в свою пользу аргументы об экономии. Ньюман предложил данные на конференции, согласно которым прогнозы показали, что светодиодное освещение будет стоить полцента в день на квадратный фут для работы, а альтернатива, которая заключалась в использовании натриевых ламп высокого давления (HPS), стоила бы более чем полтора цента. Ньюмен сказал: «Это говорит о том, что возврат инвестиций происходит быстрее, чем вы думаете».


СВЕТОДИОДЫ И ЦВЕТОВОДСТВО



Ньюмен рассказал, что он приветствовал следующий этап своей карьеры как возможность узнать больше о работе со светодиодными светильниками и приступил к изучению темы «Что мы можем оптимизировать в цветоводстве, чтобы ускорить его производство?» Ньюмен подчеркнул, что он уже изучил ряд установок тепличных культур, и описал один комплект тестов, в частности, который напрямую сравнивал светодиодное освещение мощностью 600 Вт с освещением HPS мощностью 1000 Вт. Он уточнил, что освещение HPS обеспечивает PAR (фотосинтетически активное излучение) -полосное PPFD (плотность фотосинтетического фотона) 65 мкмоль / м2 / сек по сравнению с 84 мкмоль / м2 / сек для светодиодного освещения - с такими переменными, как высота скамьи, температура, и включение / выключения постоянного освещения. Ньюмен проводил измерения ночью, чтобы гарантировать, что уровни PPFD были бы точными, только с защитным светом, обеспечивающим диапазон 0,47 мкмоль / м2 / сек при рассеянном свете.

Изученный сорт растения был разновидностью бегонии Bada Bing Scarlet. Ньюмен выставил рядом фотографии растений, выращенных без дополнительного освещения, с дополнительным освещением HPS и со светодиодным дополнительным освещением. Растение, которое выращивалось при свете HPS, было значительно меньше, чем два других. Ньюмен классифицировал это как страдание от «задержки роста». Он сказал, что не может точно объяснить негативное влияние осветителя, но предположил, что оно могло быть связано с спектральным распределением мощности (SPD) освещения HPS.

Растения, выращенные без дополнительного освещения и под светодиодами, оказались примерно одинаковыми по высоте. Но растения, выращенные под светодиодным освещением, оказались более плотными.



Питер Барбер из SETi объяснил, как УФ-освещение может влиять на производство вторичных метаболитов в растениях, изменяя вкус и другие качества.


РИС. 2. Питер Барбер из SETi объяснил, как УФ-освещение может влиять на производство вторичных метаболитов в растениях, изменяя вкус и другие качества.


Затем Ньюмен показал похожие фотографии петунии TriTunia Pink Veined petunias (рис.1). В этом случае растение, выращенное без дополнительного освещения, было явно выше, чем у росшего под светодиодным освещением, но Ньюмен предостерег, что требуется более пристальный взгляд на данные растения. Ньюмен показал, что компактность растения, выращенного под светодиодным освещением, по сравнению с недостаточной жесткостью растения, выращенного без дополнительного освещения, означает, что более компактное растение с большей вероятностью переживет перемещение через все перипетии крупной розничной торговли, чтобы быть успешно пересаженным в сад потребителя. Между тем, растение, выращенное под HPS, не имело явного цветения, тогда как у двух других было хорошее цветение.


ДОЛИНА НАПА ДЛЯ ПИВА



Затем Ньюмен описал еще один удивительный урожай, выращенный на объекте. В начале своего разговора он рекламировал район Форт-Коллинз (дом CSU) как прекрасное место для посещения, и одной из названных причин стало преобладание 23 пивоваренных заводов. Он назвал регион «Долиной Напа для пива». Мы позволим другим обсудить правильность данной характеристики, но коллега Ньюмана Хью Билл Бауэрл выращивает хмель методом гидропоники для местного пивоваренного сообщества.

Ньюмен риторически спросил: «Зачем выращивать хмель в контролируемой среде?» Он сразу же признал, что это не может быть столь же экономичным, как и выращивание на открытом воздухе в Орегоне и Вашингтоне, при котором используют решетчатые системы высотой 25 футов с механизированной уборкой и автоматическим процессом сушки.

Но Ньюмен также подсказал, что каждый раз, когда хмель чувствует прикосновения человека или оборудования, его свойства и качества эфирных масел ухудшаются. Он также сообщил, что пивовары отдают предпочтение профилю вкуса свежего или мокрого хмеля минимальной обработки и выплачивают премии за такую продукцию, чтобы сделать своё пиво отличным от других. Более того, Ньюмен рассказал, что экономика работает лучше, чем вы могли бы подумать, со светодиодным освещением, обеспечивающим непрерывное производство и до пяти циклов урожая в год.


УФ-СВЕТОДИОДЫ В САДОВОДЧЕСКОМ ОСВЕЩЕНИИ



Среди наиболее убедительных выступлений на конференции был разговор, посвященный использованию УФ-спектра в садоводстве. Питер Барбер (рис.2), директор по маркетингу продуктов и развитию бизнеса в SETi, представил тему «Многочисленные способы, которыми УФ-светодиоды будут влиять на общество через садоводческое освещение». SETi - специалист в области ультрафиолетовых технологий, который был приобретен компанией Seoul Viosys в начале 2016 года. Seoul Viosys ориентирован на УФ-светодиоды и является дочерним бизнесом производителя светодиодов Seoul Semiconductor.

Барбер кратко обсудил освещение в области PAR, прежде чем перейти к теме УФ с прокламацией о том, что УФ-излучение применяется в течение всего цикла роста и потребления овощей, или того, что он назвал «проращиванием семян» конечно, с участием фермера в середине цикла. По словам Барбера, саженцы могут получать выгоду от УФ-излучения двумя способами -  УФ может укрепить корневые системы и предотвратить или подавить возникновение плесени.


Питер Барбер из SETi объяснил, как УФ-освещение может влиять на производство вторичных метаболитов в растениях, изменяя вкус и другие качества.

РИС. 3. Тесса Покок из LESA прогнозирует будущее, в котором датчики позволят использовать замкнутую систему для садоводческого освещения, где растения будут сообщать системе, что им нужно.


Для фермера задача подавления плесени остается преимуществом УФ, но у технологии имеется множество дополнительных преимуществ. Как мы уже говорили ранее, УФ-излучение может влиять на внешний вид, запах и вкус растений. По словам Барбера, энергия ультрафиолета может повысить питательную ценность или, возможно, специфическую активность, например, такого сорта как каннабис.

На ферме существуют и вторичные применения для УФ-освещения. Например, его можно использовать для дезинфекции гидропонных линий, которые поставляют воду и питательные вещества для корней растений. Мы рассматривали такое использование на вертикальной ферме, построенной на основе грузовых контейнеров. УФ-излучение также может увеличить срок годности продуктов после сбора урожая, принося пользу фермеру и потребителю. Барбер утверждает, что ультрафиолетовый свет можно даже использовать для обработки пятен плесени на продукте.


ВТОРИЧНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ



В любом случае, влияние на внешний вид, аромат и эффективность растения может быть самым интересным результатом применения УФ-излучения в садоводстве, и Барбер объяснил некоторые детали физиологии растений относительно воздействия на них ультрафиолета. В ответ на спектральную энергию УФ-В (УФ-В - средняя УФ-полоса, охватывающая 280-315 нм), растение реагирует через механизм стресса, чтобы защитить себя. Активация митоген-активированной белковой киназы - MKP1 / MPK3 / MPK6 - инициирует ответ.

Затем молекулярный сигнальный путь под названием UVR8 отвечает за увеличение вторичных метаболитов растений, таких как флавоноиды в овощах или ТГК в каннабисах. Но растения очень селективны по спектрам, к которым они реагируют. Барбер использовал аналогию аркадной игры с мячом, где внутренние цели доставляют игроку больше очков, чем внешние цели.

Барбер указал, что УФ-излучение в диапазоне 280-300 нм требует скорости флюенса только 0,1 мкмоль / м2 / сек для достижения желаемого повышения для производства вторичного метаболита. Растению потребуется в десять раз больше энергии от излучения в диапазоне 301-310 нм. Барбер уточнил: «Вот почему светодиоды настолько предпочтительны, что вы можете использовать эту область спектра». Это утверждение может относиться к светодиодам в PAR и других диапазонах, а также к энергии УФ, которую обсуждал Барбер.

По словам Барбера, механизм, с помощью которого происходит реакция растения, обусловлен эпигенетической памятью растения. В качестве примера, он сказал, что каннабис, выращенный на большой высоте в Колорадо, имеет более высокие концентрации ТГК и терпенов, чем растения, выращенные на уровне моря. Растения, выращенные на более высокой высоте, получают больше УФ. Барбер сравнил реакцию растения с естественным солнцезащитным кремом. И он отметил, что спорадическое воздействие может вызвать реакцию. И наоборот, слишком высокое воздействие может привести к гибели клеток. Барбер пояснил, что чем ближе вы достигаете 280 нм, тем больше риск для постоянного повреждения, отмечая, что “UV-C безразличен, особенно, когда дело доходит до ДНК», и способен уничтожить клетки.


ЗАКРЫТИЕ ПЛЕНАРНОГО ЗАСЕДАНИЯ



Заключительной речью на конференции стала заключительная пленарная сессия, которая включала некоторые данные исследований эффективных спектров, но, что более важно, она заглянула в будущее садоводства. Докладчик Тесса Покок, безусловно, обладает знаниями и опытом, чтобы составить соответствующее прогнозирование. Покок - старший научный сотрудник Центра систем и приложений, оснащенных системами освещения (LESA) в Политехническом институте Ренсселера. LESA - это лаборатория Национального научного фонда (NSF) с финансированием правительства США, и в ней рассматривается вопрос о технологиях, которые могут быть реализованы в течение десятилетия в будущем.

Покок начала, говоря: «Я физиолог растений, и моя главная забота - это растение». По ее словам, в природе насчитывается около 400 000 видов растений, но только около 30 видов выращиваются для еды. Напротив, она уточнила, что около 21 000 таксонов используются в фармацевтических целях, поэтому для них применение садоводческого освещения значит намного больше, чем для выращивания продовольствия.

Для растений освещение имеет решающее значение в гораздо больших отношениях, чем вы думаете. Покок утверждала, что: «Освещение является основным источником информации для растения. Оно сообщает растению, что делать и когда». Более того, она говорила, что свет указывает на то, чего растению ожидать и что делать дальше.

Покок рассказала, что существует более 100 растительных генов и 26 биохимических путей, которые регулируются светом. Она объяснила, что в растениях довольно часто обсуждаются фоторецепторы, в то время как хлоропласты являющиеся элементами физиологии растений и детали, связанные с ними, часто игнорируются.


СЕТЬ СЕНСОРОВ РАСТЕНИЙ



Контроль фоторецепторов в основном влияет на развитие растений, включая такие вещи, как цветение, фотопериодизм, расширение листьев и открытие устьица. Хлоропласты имеют решающее значение для управления фотосинтезом и операционных элементов роста растений, включая захват света, эффективность фотосинтеза, ассимиляцию CO2, механизмы защиты и память.

Существуют также элементы роста растений, которые разделяются с точки зрения воздействия отдельными сетями фоторецепторов и хлоропластов. Примеры включают циркадный ритм, рост, пигменты, иммунитет и защиту. И Покок уточнила, что отдельные сети могут в некоторых случаях выгодно сочетаться с точки зрения такого воздействия, или в других случаях противостоять друг другу с точки зрения воздействия на установку.

Покок быстро вернулась к подробному рассмотрению некоторых растений, которые превращают сложность освещения более очевидной. Во-первых, она показала красный салат-латук под названием Rouxai, выращенный под четырьмя различными типами освещения, - коммерческий светодиодный светильник с красными, синими и белыми светодиодами (R / B / W), белый светодиод LED (светодиод ПК), лабораторная базовая эталонная холодно-белая люминесцентная лампа (CWF) и светильник с красными и синими светодиодами (светодиод R / B).

Салат, выращенный под светодиодным спектром ПК, был по существу зеленым. Покок сообщила, что ее ученики назвали это растение «зеленым красным салатом». Он имел самый низкий уровень концентрации антоцианинового пигмента, который обладает антиоксидантными свойствами и обеспечивает привлекательный красный цвет растения. Салат-латук, выращенный под CWF-светом, имел самую высокую концентрацию антоцианина, хотя другое светодиодное освещение также было достаточно хорошим. В то время мы этого не знали, но в 2017 году мы узнаем больше о исследованиях Покок относительно растения Rouxai, и мы также опубликовали новостную статью об этой работе.

К сожалению, нет никакого спектрального рецепта, который был бы выгоден для всех растений, и Покок ясно дала это понять на следующем слайде. Красный салат Покок не очень хорошо реагировал на CWF и чувствовал себя намного лучше под освещением светодиодов ПК, с этим сортом отсутствовала красная окраска, так же как и у растения, называемого Салановой, которое принадлежит к семейству красных дуболистов, к которой также принадлежит Rouxai. Говоря о светодиодном освещении ПК, Покок сказала: «При этом не происходит фотохимии в отношении вторичных метаболитов».


ЗАКРЫТИЕ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ОСВЕЩЕНИЮ В САДОВОДСТВЕ



«Будущее - это ориентированное на знания управление окружающей средой, с пониманием этих метаболических путей», - говорит Покок. Покок утверждает, что вместо того, чтобы просто экспериментировать с различными рецептами света, нам нужно «попасть внутрь клетки растения и отправиться оттуда с помощью освещения». По её словам, в течение последних семи лет она работала над удаленным выявлением здоровья растений благодаря отражению света от листьев растений и флуоресценции хлорофилла, испускаемой листвой.

В своей лаборатории LESA Покок работает над разработкой недорогостоящего надежного датчика, который может использоваться в теплицах. Она поясняет, что «молекула хлорофилла внутренне флуоресцирует». Она добавила, что это известное свойство использовалось с 1950-х годов физиологами растений, чтобы определить, подвергается ли растение стрессу. У Покок есть то, что она описала как очень дорогой флуориметр пульсовой амплитудной флуоресценции Хайнца Уолца (PAM) в её лаборатории, что позволяет ей и ее ученикам видеть, как каждый фотон используется на исследовательской основе. Она показала изображения из стресс-теста, проведенного на базилике, когда была понижена температура. Результаты могут быть выражены как эффективный квантовый выход или вероятность того, что фотон будет использован растением.

Конечно, такой PAM-флюорометр нельзя использовать на масштабируемой основе в теплицах. Поэтому Покок и студенты изучают датчики, пусть даже использование происходит на проекте, который в настоящее время не финансируется. В прототипе второго поколения использовался светодиод, излучающий на 470 нм, и соседний фотоприемник, расположенный на расстоянии 40 см от растения с полем зрения диаметром около 5 дюймов. Прототип оказался довольно точным при обнаружении стресса в базилике.

Проект с тех пор перешел на прототип третьего поколения, который собран в более надежном корпусе с большим полем обзора, который непрерывно передает данные на компьютер. Система может точно определять день и ночь, когда растение подвергается фотосинтезу, а также условия, такие как засуха, просто путем мониторинга реакции растений.

«Наше будущее - саморегулирующийся контроль света», - говорит Покок. Она признаёт, что предстоит провести много исследований. Но она также спрашивает: «Почему я должна накладывать спектр на растение по собственному усмотрению, когда оно может само подсказать мне, как это сделать?» Она считает, что мы в конечном счете «будем использовать физиологическое состояние растения для контроля освещения».

Конечно, такое будущее было бы благоприятным для мира светодиодов и SSL. Светодиоды с настраиваемым спектром по-прежнему будут идеально соответствовать такой замкнутой системе. Участники конференции, возможно, не ожидали, что узнают такую информацию о будущем, но их позитивная реакция на заключительную пленарную сессию дала понять, что они высоко ценят понимание, а также остальную часть знаний, переданных звездным составом спикеров.