Для дополнительного освещения чаще всего используют люминесцентные, металлогалогенные, натриевые лампы высокого давления (к примеру, ДНаТ). И конечно же, светодиодные. Самый первый светодиод появился в 1962 году. И он был настолько крохотный, что создателю и в голову не приходило использовать его для освещения. Разве только как индикаторную лампочку. Сегодня же светодиодные лампы обещают в корне изменить растениеводство. Работают в этом направлении и белорусские ученые. И уже доказали, что обладатель «правильного света» первым вне сезона получит урожай.
Светодиодная эра, как считает заведующая лабораторией водного обмена и фотосинтеза растений Института экспериментальной ботаники НАН Беларуси, кандидат биологических наук, доцент Ольга Молчан, только начинается:
— Около пяти лет назад мы совместно с Центром светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси начали исследования по применению светодиодного освещения в теплице и разработку регламентов освещения культур закрытого грунта с использованием инновационных LED-технологий. LED (light-emitting diode — светоизлучающий диод) напрямую преобразует электрический ток в световое излучение. В рамках программы был создан специализированный «Биотехнологический LED-комплекс»: модельная теплица с семью изолированными модулями-боксами, оснащенными автоматизированными системами регуляции микроклимата и питания. В них можно варьировать освещенность в пределах каждой части спектра, чтобы определить самый благоприятный режим для той или иной культуры на определенной фазе роста.
Например, для лучшего цветения нужны красные лучи, а для синтеза полезных антиоксидантов — синие. Используя светодиоды, можно стимулировать прорастание семян, влиять на цветение, выращивать рассаду, ускорять плодоношение, увеличивать сроки хранения. И даже усиливать сопротивляемость бактериальным и грибковым заболеваниям. Светодиоды — благодатный для воплощения интересных идей инструмент.
— Ольга Викторовна, что же такое привычный нам белый дневной свет?
— Это электромагнитные волны различной длины, в совокупности и составляющие спектр. В окружающей нас среде есть как видимые (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые), так и невидимые (ультрафиолетовые и инфракрасные) лучи.
Каждая растительная клетка — сложная регуляторная система, оперативно реагирующая на количество (интенсивность) и качество (длину волны) света. Во время фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются углеводы, а затем синтезируются белки, липиды и биологически активные вещества. Чем активнее фотосинтез, тем выше и урожайность, хотя и не всегда. У растений за усвоение света отвечают специальные молекулы-пигменты — хлорофиллы, которые поглощают свет синего и красного диапазонов, и каротиноиды — им в основном нужен синий свет. Также растительная клетка содержит белки-фоторецепторы — фитохромы, которые поглощают красный и дальний красный свет, а также криптохромы и фототропины — им предпочтительнее синие, зеленые и УФ-лучи. Все эти молекулы и нужны растению, чтобы правильно реагировать на количество и качество света.
Растение будет расти абсолютно под любым светом. Но только вот как? Товарной спелости плоды вы вряд ли получите. Поэтому ученые и ищут спектр, способный существенно повысить урожайность.
— Какой же все-таки свет нужен растениям?
Вопрос этот все еще открыт, хотя ответ на него ученые ищут уже не одно десятилетие. У каждого цвета свой характер действия, влияющий на определенные процессы роста.
Синие лучи стимулируют биосинтез белка и деление клетки, контролируют закрытие и открытие устьиц и, соответственно, поглощение воды и минеральных элементов из грунта и, таким образом, питание самих растений. Кстати, из-за обилия сине-фиолетового света на высокогорных лугах много низкорослых и розеточных форм с укороченными междоузлиями. Благодаря же красным лучам в тканях растений накапливаются углеводы, клетки удлиняются, побеги вытягиваются, стебли и листья быстрее растут. Зеленая и желтая части спектра практически не поглощаются. Но это не значит, что они растению совсем не нужны. Желто-оранжевые лампы ДНаТ в тепличных комбинатах доказали свою эффективность, и реальной замены им пока нет. Да и фоторецепторные системы способны дублировать и заменять друг друга. Если нет синего, растение будет использовать красный свет. Недостает красного, выручит оранжевый…
— А зеленый зачем? Ведь зеленые лучи практически отражаются от листовых пластинок.
— Да, они зеленые потому, что эту часть спектра отталкивают. Под действием же только одних зеленых лучей листья вытягиваются и становятся очень тонкими, а само растение вырастет хилым и болезненным. Но, с другой стороны, зеленая часть спектра полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не доходят. И нижний ярус очень часто адаптирован именно к зеленому свету, который отражается от верхней листвы. Да и в самом листе несколько слоев клеток. Те, что расположены внизу и поглубже, хорошо себя чувствуют только тогда, когда поглощают зеленый свет.
В последнее время появились уникальные работы, подтверждающие важность зеленого света не только для фотосинтеза, но и для большей устойчивости к внешним воздействиям, в том числе к болезням и вредителям.
За миллионы лет растения эволюционно приспособились к тому свету, который нас окружает. И именно из него поглощают нужные им лучи всех цветов радуги. Я сторонник полноспектрального освещения. И, как показывают наши исследования, именно такой свет для растений наиболее предпочтителен. Если использовать одни лишь цветные (красно-синие) лампы, то урожай вряд ли будет богатым, особенно если речь идет о цветении и плодоношении. При обычных интенсивно горящих белых лампах растения получат намного больше света. В том числе нужного им в данный момент спектра.
Интенсивность же сине-красных светодиодных светильников, как правило, не очень высока: около 50 мкмоль квантов на 1 кв. м в секунду. Белый светильник, в спектре которого все цвета, может выдавать на те же площадь и время 300 мкмоль. Значит, растение получит в 6 раз больше света, в том числе синего и красного, чем только из одного цветного светодиода.
— А как быть с культурами длинного и короткого дня?
— Для развития растений действительно очень важна продолжительность дня и ночи. Одни культуры завезены к нам из жарких экваториальных стран, где длина дня и ночи одинакова, другие — из высоких широт с длинными летними днями и зимними ночами. На самом деле растение реагирует не на длину дня, а на длину ночи.
Утром солнце встает, и в спектре дальний красный свет сменяется просто красным. Вечером солнце садится — и все уже наоборот: на смену красным лучам приходят дальние красные, и растение засыпает. Но если длинную ночь прервать, переключив дальний красный свет на красный, то культуры воспримут это как рассвет. У них сразу же изменятся морфология и динамика роста. Если такое практиковать часто, то в итоге растения зацветут намного быстрее. В науке это называется фотопериодом.
— Зависит ли цвет спектра от фазы развития растения?
— Конечно. При прорастании семян, первоначальном активном росте и наборе зеленой массы полезнее синяя составляющая спектра, а в фазе цветения и плодоношения — красная. Для рассады важно, чтобы она была крепкой, с толстым стеблем и хорошим корнем. Поэтому предпочтение и отдается лампам с более высоким содержанием синих и фиолетовых лучей, которые задерживают растяжение клеток, и растения не вытягиваются. И если при выращивании рассады соотношение доминирующих в светодиодах цветов (синего и красного) должно быть 1 к 1, то для взрослых цветущих и плодоносящих растений пропорция меняется — 1 к 4.
— Микроклональное размножение сегодня очень востребовано. Но сеянцы, выращенные в пробирках, очень часто погибают. Могут ли им помочь светодиоды?
— В культуре in vitro растения живут на готовых сахарах. Соответственно, находясь в замкнутой среде, они сами не могут и не умеют их производить. У них не развит устьичный аппарат, очень слабая и проводящая система, в том числе корешки. Большая проблема при работе с такими растениями — их адаптация, выход в открытый грунт. Им очень трудно сразу перестроиться, поэтому и такие большие выпады. Но светодиоды способны помочь. Как оказалось, при соотношении синего и красного света 1 к 2 или 1 к 1 сеянцы из пробирок быстрее укореняются, раскрывают устьица и наращивают листовой аппарат.
— Очень многие огородники снимают томаты слегка недозрелыми. Да, срок их хранения увеличивается, но качество, увы, ухудшается. Буро-зеленые помидоры в 2 — 3 раза беднее витаминами, сахарами и аминокислотами. И при дозаривании в хранилище не накапливают полезных веществ в тех же количествах, как на грядке.
— Наши исследования, проведенные в тепличных хозяйствах, доказали, что под правильно подобранными светодиодами не только увеличивается количество, но и улучшается качество плодов. В томатах заметно больше становится антиоксидантов (особенно ликопина, расщепляющего жиры и снижающего риск заболевания раком), а также сухих веществ и сахаров. А это значит, что такие помидоры слаще и вкуснее, чем выращенные при традиционном освещении.
Базилик, росший под лампами с разными спектрами.Красный свет индуцирует синтез растворимых углеводов, а со временем и крахмала. На синем же свету преимущественно образуются органические кислоты и аминокислоты, а затем и белки. При созревании плодов ставку надо делать на красный свет. И его соотношение с синим спектром — от 1 к 2 до 1 к 4 или даже 1 к 6. Все будет зависеть от других условий выращивания (есть или нет естественное освещение, какая температура и обеспеченность минеральными элементами и т.д.). Используя светодиоды, можно уменьшить и содержание нитратов.
— А от чего зависит конечный результат?
— От того, как на уровне клетки сыграет взаимодействие цветов, их соотношение. Только каким оно будет? Если вы дадите много синего, скорее всего, растение не зацветет и останется низкорослым. Доминирующий красный вытянет стебель и, вполне возможно, также не допустит цветения.
Да и свет в одной красно-синей гамме растения долго не выдержат. Разве только салаты, которым для роста надо совсем немного времени.
— Выходит, каждой культуре для нормального роста и развития нужен свой набор лучей?
— Абсолютно верно. Помидоры и огурцы, как оказалось, несмотря на то что лианы, — приверженцы разного спектра. Томату больше нравится синий-красный 1 к 4, а огурцу — 1 к 2. Но это не значит, что, взяв только два этих цвета, вы получите достойный урожай. Растению еще нужны и зеленый, и УФ-свет. И опять же, в своей пропорции, своей цветовой комбинации.
Салату же, по большому счету, все равно, под каким светом расти. Четыре варианта, в которых синие и красные лучи соотносились 1 к 1, 1 к 2, 1 к 3, 1 к 4, дали практически одинаковый результат. А вот базилику и руколе красного надо побольше — 1 к 4. У земляники и базилика под светодиодами увеличивается количество антиоксидантов и снижается содержание нитратов.
В экспериментах, которые мы проводили на Минской овощной фабрике, зеленные культуры, досвечиваемые LED-облучателями, достигали товарной спелости на 6 суток раньше, чем при досветке ДнаТ. Это более чем на 20% сократило время выращивания. Сейчас довольно успешно в тепличных хозяйствах проходят испытания энергосберегающие LED-светильники отечественного производства. Мы смогли получить свет с хорошим спектром и довольно высокой интенсивности.
— Тестировались ли светодиоды на цветах?
— Качество роз специалисты оценивают по нескольким параметрам — длина цветка, диаметр бутона, окраска, стойкость. Но главный критерий — количество цветов на 1 кв. м. На экспериментальном участке нам удалось эту цифру увеличить вдвое. Отлично среагировали на разноцветный спектр и декоративные однолетники. Здесь соотношение сине-красной гаммы было 1 к 1. Эксперименты продолжаются.
— Если светодиоды увеличивают количество полезных веществ в овощах и фруктах, так, может, и с лекарственными растениями они могут поработать?
— Влияние светодиодов различного спектра на синтез вторичных метаболитов (то есть биологически активных соединений) — наш новый проект. Мы научились выращивать в искусственных условиях одно из самых дорогих лекарственных растений в мире — тропический катарантус розовый, используемый в лечении рака. В нем образуются очень ценные противоопухолевые алкалоиды, которые нельзя получить химическим синтезом. Разработанная нами светодиодная комбинация существенно увеличила в катарантусе содержание целебных веществ, даже в большей степени, чем если бы он рос в естественной среде.
|
|
— Можно ли включать светодиоды на сутки?
— Подсвечивать — не значит светить все 24 часа. Непрерывное освещение растениям не нужно. Для фотосинтеза необходима и темнота, во время которой «переваривается» накопленная за день энергия. Непрерывный же свет может вызывать у растений, особенно у томата, многочисленные физиологические расстройства. И в первую очередь хлороз. Для сеянцев томатов достаточно 16-часового светового дня, для рассады огурца — 13 — 15 часов, томата — 14 — 16, перца — 9 — 10, белокочанной капусты — 16 часов.
— Ольга Викторовна, что в ближайших планах?
— Хочется лучше понять физиологию растений и научится ею управлять с помощью света. Повысив их иммунитет, мы можем снизить пестицидную нагрузку и уменьшить гормональную составляющую. Также, используя оптимальный спектр освещения, можно будет регулировать поглощение воды и минеральных элементов, т.е. более эффективно распоряжаться ресурсами, стимулировать формирование корней, побегов и листьев, ускорять прорастание семян, цветение и плодоношение, управлять биосинтезом сахаров, витаминов и антиоксидантов, повышать устойчивость к болезням и вредителям. Все это открывает широчайшие перспективы. У светодиодов действительно большое будущее.
КСТАТИ
Преимущества светодиодов по сравнению с традиционными источниками освещения
• Экономичны — используют в 8 раз меньше электроэнергии, чем стандартные лампы.
• Долговечны — могут работать до 50.000 часов.
• Ремонтируются — неисправный светодиод легко заменить, не меняя сам светильник.
• Позволяют получить освещение той мощности и спектра, которые нужны растению в данный момент.
• Включаются мгновенно и дают ровное свечение без мерцания.
• Нагреваются очень мало, что позволяет размещать их низко над растениями, не боясь обжечь листву.
• Безопасны — работают на слабом напряжении.
• Экологичны — не содержат вредных химических веществ.
• Обладают ударной и виброустойчивостью, низкой пожароопасностью, влагоустойчивостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред.
• Универсальны — стимулируют укоренение и прорастание, ускоряют цветение и созревание плодов, увеличивают урожайность.
СОВЕТ «СБ»
При выборе подсветки для растений отдавайте предпочтение той, у которой равномерное световое поле. Лампа не должна излучать много тепла: оно лишь вызовет преждевременное цветение, старение, ускорит плодоношение и снизит урожайность.
СПРАВКА «СБ»
КРАСНЫЙ цвет спектра важен для фотосинтеза: он активизирует прорастание семян, образование корневой системы, цветение и плодоношение.
ДАЛЬНИЙ КРАСНЫЙ, наоборот, тормозит прорастание семян.
ОРАНЖЕВЫЙ увеличивает количество завязей и ускоряет созревание.
ЖЕЛТО-ЗЕЛЕНЫЙ хорошо проникает к нижним листьям.
СИНИЙ тормозит растяжение клеток, но в то же время активирует их деление. Это позволяет стебелькам рассады утолщаться и не крениться в сторону источника света.
ФАКТ
К.А.Тимирязев еще в XIX веке доказал благотворное влияние синего и особенно красного цветов на растения. В таких условиях быстрее развивается рассада, в плодах увеличивается содержание витаминов и аминокислот, сокращаются сроки вегетации и повышается урожайность: у томатов — на 25 — 50%, огурцов — на 15 — 50, салата — на 20, кабачков — на 10, арбузов — на 60%. Розы под такими пленками растут в 2 раза быстрее и дают в 1,5 раза больше цветков.
nvt-09@rambler.ru
