CC BY
28Определение ключевых параметров технологического освещения для растений
УДК 581.143:621.3
Юницкий А.Э.1Л
доктор философии транспорта
Павлюченко A.M.2 Зыль Н.С.2 Налетов И.В.2 Пятакова Т.И.2 Заяц B.C.2
1 ООО «Астроинженерные технологии»,
г. Минск, Беларусь
2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
Выполнен анализ используемых в настоящее время осветительных установок сточки зрения их эффективности при культивировании растений в условиях закрытого грунта, в частности в ЭкоКосмоДоме (ЭКД). Определены основные параметры освещения, которые напрямую влияют на рост и развитие культур.
Ключевые слова: антоцианы, дуговые натриевые трубчатые лампы [ДНаТ-лампы], каротиноиды, люминесцентные лампы, металлогалогенные лампы (МГ/1), ртутные лампы, светодиодные лампы, фотосинтетически активная радиация [ФАР], хлорофилл, ЭкоКосмоДом (ЭКД).
Введение
Фактор освещения оказывает существенное влияние на жизнедеятельность растений. Свет - основной источник энергии не только для флоры, но и косвенно для всех остальных компонентов экосистемы, нуждающихся в продуцентах. Выращивание культур в условиях закрытого грунта является одним из самых актуальных направлений научно-практической деятельности, связанной с обеспечением населения продуктами питания, решением вопроса сезонной доступности свежих овощей, фруктов и ягод, а также с искоренением голода.
Для успешного выращивания культур необходимо учитывать характеристики их основных фоторецепторов и фото пигмента в, а также процессов взаимодействия света и растений. Каждое из них представляет собой сложную систему фотопигментов, которые, реагируя на излучение, определяют все многочисленные фотобиологические процессы, зачастую не зависящие друг от друга.
Пигментами называются вещества, избирательно поглощающие излучение в диапазоне потока фотосинте-тически активной радиации (ФАР). Часть световых волн при этом отражается, и в зависимости от спектрального состава отражённого света пигменты приобретают окраску: зелёную, жёлтую, красную и др.
Различают три основных типа фотосинтетических веществ: хлорофиллы, каротиноиды и антоцианы [1]. Кроме фотопигментов у растений обнаружены и фоторецепторы, которые активизируются при очень низких уровнях облучённости и непосредственно влияют на развитие культур [2].
Практически у всех фототрофов присутствует хлорофилл. При попадании на него кванта света (фотона) происходит временное выбивание электрона молекулы хлорофилла на более высокий энергетический уровень. Поскольку место перешедшего электрона какой-то период не занято, вся молекула хлорофилла становится возбуждённой. Со временем ушедший электрон возвращается на свой уровень с выделением энергии, которая и затрачивается на образование углеводов из С0г и воды.
Каротиноиды являются важной частью обязательных фотосинтетических пигментов и подразделяются на каротин (оранжевый), ксантофилл (жёлтый), ликопин, люте-ин и др. Они локализованы во всех окрашенных пластидах, участвуют в фотосинтезе в качестве дополнительных антенных комплексов и, поглощая недоступный другим пигментам свет (наиболее эффективно на длинах волн 425, 445,450,475 и 480 нм), передают его энергию хлорофиллу.
Дополнительно каротиноиды сдерживают световое окисление хлорофилла, причём он обычно маскирует каротиноиды, делая их малозаметными до наступления холодов.
Антоцианы обеспечивают красную, фиолетовую и синюю окраску плодов и листьев. Данные пигменты улавливают оптическое излучение красной части спектра, а затем преобразуют принятую энергию в тепловую, тем самым защищая растения в холодные весенне-осенние периоды. Увеличение количества антоцианов происходит не только при понижении температур, но и при остановках синтеза хлорофилла и улавливании ближнего ультрафиолета.
Соответственно, основным фактором для начала фотобиологических реакций является наличие в растении веществ, поглощающих излучение определённой длины волны. Активация фотопигментов под действием излучения переводит молекулу вещества в активное состояние, запуская последовательность фотохимических реакций, в конце которых молекула фотопигмента возвращается в исходное состояние и может снова поглощать квант излучения. Фотосинтетические пигменты (хлорофилл а, хлорофилл Ь, каротиноиды и антоцианы), придающие окраску различным частям растений, и фоторецепторы (криптохром, фото-тропин, фитохром) имеют разные максимумы поглощения спектра света (рисунок 1).
Следовательно, растение можно условно представить как адаптирующийся и саморегулирующийся фотоприёмник, который избирательно поглощает энергию оптического излучения определёнными фотопигментами, тем самым запуская множественные процессы.
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Длина волны А, нм
Рисунок 1 - Диапазон поглощения оптического излучения фотобиологически активными веществами растений
Сравнение актуальных осветительных систем
Культивирование растений всё чаще происходит в теплицах. Таким образом удаётся получить большее количество продукции с меньшей площади, минимизируя водо-потребление, делая доступным свежее продовольствие невзирая на сезонность выращивания традиционными методами. Для того чтобы растительным культурам создать благоприятные условия, при недостатке естественного солнечного освещения чаще всего используют люминесцентные, ртутные, светодиодные и дуговые натриевые трубчатые (ДНаТ) лампы.
Предпосылкой широкого применения люминесцентных приборов для освещения теплиц стали исследования А.Ф. Клешнина (1954 г.) в сфере фотопродуктивности растений. В результате экспериментов с цветными (селективными) люминесцентными лампами выявлен различный характер воздействия диапазонов красной, зелёной и синей частей спектра на продуктивность изучаемых культур; определён приоритет красного и синего диапазонов над зелёным, причём для разных растений он отличался [3]. В последующих опытах высказана гипотеза о максимальной эффективности оптического излучения в диапазоне пиков 450-650 нм для нескольких овощных культур и предложен вариант оптимального спектра с соотношением к: Э: В, равным 2,5:1:1,5 [4]. Такие фотобиологические исследования зависимости продуктивности от освещения впервые позволили получить экспериментально подтверждённые данные о спектральных предпочтениях растений и «световые кривые» продуктивности.
Практика показала существенные недостатки люминесцентных ламп: снижение светопотока в процессе эксплуатации, небольшой срок службы, значительное энергопотребление, трудности при утилизации, шум. Кроме того, на базе современных исследований опровергнуто предложенное оптимальное соотношение I?: Э : В (2,5:1:1,5), и расширен необходимый для жизнедеятельности растений диапазон спектра [5]. Однако технологии культивирования растений с помощью таких ламп широко используются в настоящее время, что объясняется высокой стоимостью переоборудования теплиц и обязательной утилизацией функционирующих систем освещения.
Современные тепличные хозяйства оснащены ме-таллогалогенными лампами (МГЛ), которые представляют собой ртутные лампы высокого давления с добавкой различных галогенидов металлов для улучшения селективных свойств. Благодаря высокой цветовой дифференциации такой тип осветительных приборов создавался
для фотобиологических исследований. Наиболее часто применяемые лампы охватывали сине-фиолетовую (ДРТИ 1000), зелёную (ДРТИ 1000-2) или красную (ДРТИ 1000-3) части спектра (рисунок 2).
100 75 50 25 0
na
Gah- g
Hg He 1 Hg
350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 Длина волны А, нм
ä? 100
75
50
25
0
Tl
Hg 1 Hg 1 Hc 1 1 Hg
375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 Длина волны А, нм
ä? 100
75
50
25
0
L
Hg-1 H g H 3 N a Li
Li 1 H
375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 Длина волны А, нм
Рисунок 2 - Спектры МГЛ: а - ДРТИ 1000; б - ДРТИ 1000-2; в - ДРТИ 1000-3
МГЛ отличаются низким энергопотреблением, длительным сроком работы и достаточно высокой интенсивностью светового потока (при комбинировании нескольких таких ламп можно получить эффективное освещение в диапазоне 400-675 нм). К их недостаткам следует отнести высокое тепловыделение, недостаточную надёжность при эксплуатации и специальные требования к утилизации.
Одной из новейших технологий освещения является выращивание кристаллов с последующим покрытием их люминофором, что даёт возможность создания светодиодного источника белого света на основе галлия. Эта инновация позволяет производить светодиоды с узкими спектральными областями излучения для максимально точных фотобиологических исследований, при этом гарантируется исключение влияния других диапазонов спектра. Выделяют семь основных типов цветных (селективных) светодиодов, которые полностью охватывают область ФАР и имеют диапазон излучения ДА (по уровню 0,5 от максимальной интенсивности) порядка 10-20 нм: royal blue, blue, cyan, green, amber, red orange, red (рисунок 3).
Применение светодиодов при культивировании растений в условиях недостатка естественного освещения обусловлено высокой интенсивностью светового потока при низких энергозатратах и длительных сроках службы. Из недостатков таких ламп следует отметить повышенные требования к стабильности работы систем подачи электроэнергии.
В современных тепличных хозяйствах широко используют ДНаТ-лампы. Они дают жёлто-оранжевый свет, который считается наиболее похожим на солнечный.
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Far red Deep red Red
Red orange
Длина волны А, нм
PC amber Amber ■ Green
Cyan Blue
Royal blue
Мощные ДНаТ-лампы сопоставимы со светодиодами по интенсивности светового потока [6], работают в большом диапазоне температур (-60... +45 °С) и сравнительно недороги. Существенным недостатком таких приборов является низкий индекс цветопередачи (рисунок 4) и его сильная зависимость от состава внешнего стекла, при этом стоимость ламп значительно увеличивается при применении качественного стекла для лучшей цветопередачи.
Рисунок 3 - Характерные спектры цветных светодиодных ламп
360 410 460 510
Длина волны А, нм
Рисунок 4 - Сравнение спектрального состава излучения типовой лампы ДНаТ 1000 и типового светодиода (зелёная линия)
Таким образом, если определяющими факторами освещения для культивирования растений в закрытом грунте считать срок службы, энергоэффективность, насыщенность светового потока и простоту утилизации ламп, то явными преимуществами обладают светодиодные источники (таблица 1).
Помимо таких важных характеристик, как срок службы и энергоэффективность ламп, при выборе осветительных приборов необходимо учитывать ключевой для растений фактор - качество света. Параметры осветительной способности обычно указывают в люксах или люменах. Однако люкс - это единица измерения освещённости поверхности 1 мг при световом потоке 1 лм [7]. Люмен равен световому потоку с силой света в 1 кд [7]. Кандела, являясь одной из семи основных единиц СИ, определена как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение с частотой 540 * 10|г Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Монохроматическое излучение обладает очень малым диапазоном частот (в идеальных условиях - одной) и на частоте 540 х Ю|г Гц соответствует длине волны 555,016 нм в воздухе при стандартных условиях [8], что практически равно
Таблица 1 - Ключевые параметры разных типов осветительных приборов
Тип лампы Срок службы, тыс. ч Энергопотребление, Вт Световой поток, мкмоль/с/мг Специальные требования кутилизации
Люминесцентная 8-25 6-120 100-330 Есть
мгл 1-20 30-2000 250-850 Есть
ДНаТ 5-30 20-600 90-2200 и более Есть
Светодиодная 50 и более 1-15 1100-2200 и более Нет
максимуму чувствительности человеческого глаза. Таким образом, величины люкс, люмен и кандела количественно определяют монохроматическое излучение, наиболее заметное нашему зрению, и не учитывают потребности растения в синем и красном диапазонах спектра.
Многочисленные исследования подтверждают различную реакцию культур на излучение отдельных диапазонов спектра ФАР Максимальная продуктивность капусты и свёклы достигнута при облучении оранжево-красным диапазоном, гороха - фиолетовым [9]. В экспериментах зелёно-жёл-тое излучение оказалось минимально эффективным. Однако важность данного диапазона ФАР обусловлена тем, что зелёный свет, достигая нижних затенённых листьев, может обеспечивать сравнительно больший фотосинтез, чем синий свет, и примерно равен красному [10,11]. В исследовании продуктивности салата подтверждён эффект увеличения
массы зелёных листьев при добавлении к красно-синему до 24 % зелёного излучения [12]. Фотобиологическими экспериментами с использованием селективных ламп также продемонстрирован способ управления концентрацией нитратов и её снижения в продукции при дополнительном облучении красным диапазоном спектра при завершении вегетации зеленных культур (салат, майоран, зелёный лук] [13].
Так как свет нужен растениям для фотосинтеза, то и эффективность освещения можно определять через количество света, затраченного для осуществления данного процесса. Для образования 1 моля глюкозы расходуется 8-10 квантов света [14], для удобства поток квантов обозначают в микромолях в секунду на квадратный метр (1 мкмоль равен 6,02 х х 1017 квантов].
Входе исследования авторами 23 июня 2022 г. в г. Минске был измерен уровень естественного освещения (рисунок 5]
Время
Рисунок 5 - Уровень естественного освещения, г. Минск, 23 июня 2022 г.
квантометром Бкуе (диапазон 400-700 нм, погрешность -максимум 1 %). Место для эксперимента выбрано с учётом того, чтобы от начала до окончания измерений исключить затенение от зданий, сооружений и деревьев. Практически с рассвета наблюдалось чистое небо; уровень ФАР равномерно возрастал на 100 мкмоль/с/мг за 30 мин. С 10:00 наступила переменная облачность, что значительно уменьшило уровень освещённости.
Стоит отметить, что большинство фотобиологических исследований проводится в диапазоне 100-200 мкмоль/с/мг, а значения в 400-700 мкмоль/с/мг считаются аномально высокими [15], несмотря на то что уровень естественного освещения в 700 мкмоль/с/мг наблюдается уже в 8:00.
Для ориентировочного сравнения различных типов ламп между собой и с естественным освещением (таблица 2] использовались установки одинаковой мощности (100 Вт], поток ФАР измерялся на расстоянии 20 см от источника освещения.
Таблица 2 - Уровень светового потока
разных типов осветительных приборов одинаковой мощности
Тип лампы Срок службы, тыс. ч Мощность, Вт Световой поток, мкмоль/с/мг
Люминесцентная 8 100 330
мгл 15 100 380
ДНаТ 28 100 400
Светодиодная 50 и более 100 900-2200 и более
Выводы
и дальнейшие направления исследования
При культивировании растений в защищённом грунте необходимо обосновать выбор источников света. С одной стороны, световой поток должен обладать максимальным фотосинтетическим воздействием на выращиваемую культуру, учитывая её особенности, во всём диапазоне фотосинтетического спектра, а также способствовать её ускоренному росту, цветению или плодоношению. С другой стороны, источники оптического излучения должны рационально потреблять электрическую энергию и не наносить вреда людям и экологии, что особенно важно в условиях ЭкоКосмоДома (ЭКД) [16]. Следовательно, для растений предпочтительны светодиодные светильники с широкополосным светом. Высокая светоотдача и длительный рабочий ресурс позволят в разы снизить затраты на электроэнергию
и эксплуатационные расходы на осветительную аппаратуру. Кроме того, светодиодным излучателям присущи такие преимущества, как конструктивная гибкость, механическая прочность и простота утилизации.
В космосе спектр солнечного излучения существенно отличается от спектра на поверхности Земли, поэтому в будущем планируется провести исследования по использованию естественного света в космических условиях (с применением определённых световых фильтров в ЭКД] в сочетании со светильниками.
Литература
1. Чуб, В.В. Поглощение света растениями и биологически активные молекулы / В.В. Чуб, О.Ю. Миронова // Светотехника. - 2019. -№ 7. -С. 15-18.
2. Жизнь растений: в 6 т. / гл. ред. А.Л. Фёдоров. - М.: Просвещение, 1974-1982. -Т.5,ч. I: Цветковые растения / под ред. АЛ Тахтаджяна. - 1980. - 430 с.
3. Клешнин, А.Ф. Растение и свет: Теория и практика светокультуры растений/А.Ф. Клешнин. - М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1954. - 457 с.
4. Corth, Р. New Fluorescent Lamp for Plant Growth Applications / P. Corth, G.M. Jividen, R.J. Downs // Journal of the Illuminating Engineering Society. - 1973. - Vol. 2, iss. 2.-P. 139-142.
5. Meng, Q. Spectral Manipulation Improves Growth and Quality Attributes of Leafy Greens Grown Indoors: A Dissertation/ Q. Meng. - Michigan State University, 2018. - 149 p.
6. Рохлин, Г.Н. Разрядные источники света /Г.Н. Рохлин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 720 с.
1. Деньгуб, В.М. Единицы величин: словарь-справочник/ В.М. Деньгуб, В.Г. Смирнов. - М.: Изд-во стандартов, 1990. -240 е.: ил.
8. Photometry - The CIE System of Physical Photometry-ISO 23539:2005(E)/CIE S 0Ю/ЕЖ4 [Electronic resource]. -Mode of access: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/ 41641/7ff64d9b5e4e4a478dae39965b92a7cd/ISO-23539-2005.pdf. - Date of access: 15.07.2022.
9. Прикупец, Л. Б. Оптимизация характеристик фитооблу-чателей на основе фотобиологических экспериментов / Л. Б. Прикупец, ГС. Сарычев, Д. В. Федюнькин // Светотехника. - 1978. - №5. - С. 19-21.
10. Green-Light Supplementation for Enhanced Lettuce Growth Under Red- and Blue-Light-Emitting Diodes / H.-H. Kim [etai]//HortScience. -2004. - Vol.39,No. 7.-P. 1617-1622.
11. Smith, H.L. Don't Ignore the Green Light: Exploring Diverse Roles in Plant Processes / H.L. Smith, L. McAusland, ЕЯ Murchie //Journal of Experimental Botany. - 2017. -Vol. 68, No. 9. - P 2099-2110.
12. Green Light Drives Leaf Photosynthesis More Efficiently Than Red Light in Strong White Light: Revisiting the Enigmatic Question of Why Leaves Are Green /1. Terashima let at.]//Plant and Cell Physiology. -2009. - Vol. 50, No. 4. -P. 684-697.
13. Solid-State Lamp for the Improvement of Nutritional Quality of Leafy Vegetables/I. Bliznikas [etai]//Elektronika irElektrotechnika. -2009. - Vol. 96, No. 8.-P. 85-88.
14. Renewable Biological Systems for Alternative Sustainable Energy Production / ed. K. Miyamoto // FAO Agricultural Services Bulletin. - 1997. - Vol. 128. - 108.
15. Аверчева, O.B. Физиологические эффекты узкополосного красно-синего освещения растений (на примере китайской капусты Brassica chinensis Lj: автореф. дис.... канд. биол. наук: 03.01.05/ О.В. Аверчева; МЕУ им. М.В. Ломоносова. - М., 2010. - 24 с.
16. Юницкий,А.Э. Особенности проектирования жилого космического кластера «ЭкоКосмоДом» - миссия, цели, назначение /А.Э. Юницкий // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II между нар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019г./ООО «Астроинженерные технологии»;под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 51-57.
