Искусственное освещение для промышленных теплиц и сити‑ферм

Спектры действия

Свет, как физический фактор внешней среды, играет ключевую роль в контроле и регуляции внутриклеточных процессов растительного организма на протяжении всей его жизни, выполняя в клетке две основные функции – энергетическую и информационную. Первая реализуется в процессе фотосинтеза, в ходе которого энергия света трансформируется в химическую энергию связей органических соединений. Вторая функция света заключается в запуске разнообразных регуляторных реакций, при этом кванты света выступают в качестве носителя информации. В случае регуляторных реакций свет поглощается специализированными фоторецепторами, поглощение света которыми инициирует в клетке сигнальные каскады, модулирующие активность ферментов, экспрессию генов, а также различные физиологические параметры клетки.

В высших растениях функционирует несколько сложных фоторецепторных белковых систем для восприятия света различного спектрального состава: красного/дальнего красного (фитохромы), синего / УФ-А (криптохромы, фототропины, ZTL/FKF1/LKP2) и УФ-В света (UVR8). Изменения светового режима роста растений вызывают обширное перепрограммирование характера экспрессии генов в растениях за счет передачи сигналов от фоторецептора через сложные сети вторичных мессенджеров к различным эффективным системам. За счет этого фоторецепторные системы оказывают огромное влияние на процессы, ассоциированные с ростом и развитием растений, а также на формирование их биологически полезных свойств. С помощью изменений спектрального состава искусственного освещения теплиц можно оказывать влияние на полезные характеристики растительных тканей, важные как для обеспечения интенсивного роста и развития растений в теплице, так и улучшающих качество будущей растительной продукции (за счет увеличения содержания питательных веществ или соединений с органолептическими и фармакологическими свойствами).

В настоящее время разработаны модели спектров действия: фотосинтеза листа, синтеза хлорофилла, фотоморфогенеза, фототропизма. В Европейском Союзе с 01.03.2018 введён немецкий стандарт DIN5031-10-2018 «Физика оптических излучений и светотехника. Фотобиологически активное излучение. Размеры, условные обозначения и спектры действия».

Экспериментальные зависимости указывают на особую роль «фиолетово-синей» и «красной» областей спектра в обеспечении фотосинтеза и, следовательно, жизнедеятельности растения в целом. Однако этот вывод носит лишь фундаментальный качественный характер. Попытки построить на полученной экспериментальным или расчётным путём функции спектральной фотосинтетической эффективности оптического излучения для растений оказались неудачными.

Сегодня можно утверждать, что прямая корреляционная связь между интенсивностью, точнее, количественной мерой фотосинтеза, и накоплением общей и тем более полезной биомассы (урожаем) в большинстве случаев у растений отсутствует. Исследования показывают, что «двугорбая» функция фотосинтетической эффективности при переходе от листа к растению и, затем, к сообществу растений (фитоценозу) всё более приближается к П-образной, т.е. равно энергетической («солнечной»).

Кроме того, рост и развитие растения, как сложного организма определяется не только фотоэнергетическими процессами (фотосинтез), но и фоторегуляторными (важнейший – фотоморфогенез), регулирующими обмен веществ (метаболизм) растений. Существующие различия в реакции на спектральный состав воздействующего оптического излучения накладывают видовые особенности растений, а также прочие важнейшие параметры окружающей среды (температура, влажность, содержание углекислого газа и т.д.). С учётом изложенного, единственно правильным методом определения спектральных характеристик оптического излучения, обеспечивающего наилучший полезный эффект для конкретных видов культур, является специальный фотобиологический эксперимент в контролируемой среде.

Интенсивность и спектральный состав света влияют на химический состав продуктов фотосинтеза. При высокой освещенности больше образуется углеводов, при низкой – органических кислот. Красный свет стимулирует образование углеводов и растяжение клеток, тормозит образование боковых корней. Синий свет стимулирует дыхание, образование аминокислот и белков, стимулирует деление клеток, но тормозит их растяжение. У растений, выращенных на синем свету, хлоропласты имеют хорошо развитые граны, а у растений, выращенных при красном свете, граны недоразвиты.

Свет влияет на работу устьичных клеток и является главным фактором, регулирующим транспирацию. На фотосинтез, расходуется менее 5% поглощенного света, остальной свет превращается в тепловую энергию, расходующуюся на испарение воды, то есть на транспирацию.

 

Фотосинтез — 5% / траспирация — 95%

Свет влияет также и на поглощение элементов питания: в темноте оно замедляется и, постепенно, прекращается и усиливается на свету, особенно при  возрастании транспирационного потока. Сокращение светлого периода суток тормозит поглощение азота и синтез аминокислот. Также при недостатке света плохо развивается корневая система.

На состав продуктов фотосинтеза влияет и быстрый переход от темноты к свету и обратно. Сначала после включения света высокой интенсивности преимущественно образуются неуглеводные продукты и лишь через некоторое время – углеводы. После выключения света, наоборот, листья не сразу теряют способность к фотосинтезу. Сначала тормозится синтез углеводов и лишь потом органических кислот и аминокислот. Представления о влиянии на жизнедеятельность растений отдельных диапазонов ФАР и прилегающих к ней УФ и ИК областей оптического излучения по мере накопления экспериментальных данных претерпевают некоторые изменения. В частности, развиваются представления о сигнальной или регуляторной роли диапазонов оптического излучения 300 – 400 нм и 700 – 800 нм. Непосредственно не участвуя в фотосинтезе, они существенно на него влияют и оказывают воздействие на рост и развитие растений, формируя, в частности, их адаптивные реакции.

 

Влияние светового спектра
  • УФ-С (200 – 280 нм) Излучение губительно для жизнедеятельности растений. Практически отсутствует в солнечном свете у поверхности Земли. Излучение вызывает фотолиз воды, образуя свободные активные радикалы и перекись водорода, а последние, в свою очередь, окисляют и разрушают органические молекулы – живые клетки начинают отмирать.
  • УФ-В (280-320 нм) Излучение может повышать холодостойкость у растений.
  • УФ-В (320-350 нм) Излучение в малых дозах может усиливать пигментацию растений и приводить к ускорению роста и увеличению продуктивности растений.
  • УФ-А (350-400 нм) Излучение задерживает «вытягивание» растений и стимулирует синтез некоторых витаминов, увеличивает синтез алкалоидов и эфирных масел, что может вызывать покраснение листьев салата.
  • Синий (400-500 нм) Излучение принимает непосредственное участие в фотосинтезе, стимулирует образование белков и регулирует скорость развития растения. Синий свет, образуя в листьях значительное количество ингибиторов роста, тормозит рост побегов и приводит к формированию низкорослых растений, стимулируя цветение растений короткого дня, замедляет развитие растений длинного дня.
  • Зелёный (500-600 нм) Излучение по классическим представлениям не является абсолютно необходимым для обеспечения фотосинтеза растений, но благодаря своей высокой проникающей способности полезно для обеспечения фотосинтеза оптически плотных листьев и густых посевов растений. В последние годы в фотобиологических исследованиях практической направленности появляется всё больше данных о значительной роли этого диапазона спектра при выращивании растений по технологии светокультуры.
  • Красный (600-700 нм) Излучение имеет наибольшее значение в жизнедеятельности растений. Оно, безусловно, должно входить в состав общего излучения для обеспечения эффективного фотосинтеза и достижения  высокой продуктивности. Однако, квазимонохроматический красный свет может приводить к аномальному росту и развитию, а в ряде случаев и к гибели некоторых видов растений.
  • Дальний красный (700-800 нм) Излучение обладает ярко выраженным регуляторным действием. Обязательно должно в ходить в состав излучения в количестве н нескольких процентов.
  • Инфракрасный (> 800 нм) Излучение не может инициировать фотохимические реакции. Инфракрасное излучение некоторых длин волн поглощается молекулами воды, содержащихся в растениях, и, таким образом, может повышать температуру растений

Другие статьи

City Ferma (1)
Читать далее ➔
City Ferma (2)
Читать далее ➔
greenhouses-farming
Читать далее ➔