Impulsy światła, po których następują dłuższe okresy ciemności, mogą przyczynić się do bardziej zrównoważonej produkcji rolnej w pomieszczeniach. DutchScenery/Shutterstock.com

Nocny przylot na amsterdamskie lotnisko Schiphol leci nad jasnoróżową poświatą szklarni produkujących warzywa. Uprawa roślin pod sztucznym światłem jest nabiera tempa, zwłaszcza w regionach, w których ceny produktów mogą być wysokie w okresach, gdy światło słoneczne jest ograniczone.

to tylko jeden kraj, który szybko się przyjął rolnictwo w kontrolowanym środowisku, gdzie w całorocznych, oświetlonych szklarniach produkowane są wysokiej jakości uprawy specjalistyczne, takie jak zioła, fantazyjne sałaty i pomidory. Adwokaci sugerują te całkowicie zamknięte budynki – lub fabryki roślin – może być sposobem na zmianę przeznaczenia przestrzeni miejskiej, zmniejszenie mil żywnościowych i zapewnienie mieszkańcom miast lokalnych produktów.

Jednym z głównych problemów tego procesu jest wysoki koszt pieniężny zapewnienia sztucznego światła, zwykle za pomocą kombinacji czerwonej i niebieskiej diody elektroluminescencyjnej. Koszty energii czasami przekracza 25% nakładów operacyjnych. W jaki sposób hodowcy, szczególnie w krajach rozwijających się, rywalizuj, gdy słońce jest wolne? Wyższe zużycie energii przekłada się również na większą emisję dwutlenku węgla, a nie mniejszy ślad węglowy, jaki mogą zapewnić rośliny uprawiane w zrównoważony sposób.

Ja badali, jak światło wpływa na wzrost i rozwój roślin od ponad 30 lat. Ostatnio zastanawiałem się: zamiast hodować rośliny w powtarzającym się cyklu jednego dnia światła i jednej nocy ciemności, co by było, gdyby to samo światło dzienne zostało podzielone na impulsy trwające tylko godziny, minuty lub sekundy?

Rośliny domowe potrzebują dużo sztucznego światła. josefkubes/Shutterstock.com

Krótkie wybuchy światła i ciemności

Więc moi koledzy i ja zaprojektował eksperyment. Stosujemy w sumie normalną ilość światła, po prostu rozkładamy je na różne fragmenty czasu.

Oczywiście rośliny są uzależnione od światła do fotosyntezy, procesu, który w naturze wykorzystuje energię słoneczną do łączenia dwutlenku węgla i wody w cukry, które napędzają metabolizm roślin. Światło kieruje również wzrostem i rozwojem poprzez swoje sygnały dotyczące dnia i nocy, a małpowanie z tym strumieniem informacji może mieć katastrofalne skutki.

Dzieje się tak dlatego, że rozbicie czegoś dobrego na mniejsze części czasami stwarza nowe problemy. Wyobraź sobie, jak bardzo byłbyś szczęśliwy, gdybyś otrzymał rachunek o wartości 100 USD – ale nie tak zachwycony równowartością 10,000 XNUMX pensów. Podejrzewaliśmy, że wewnętrzny zegar zakładu nie zaakceptuje tej samej świetlistej waluty po rozbiciu na mniejsze nominały.

I to jest dokładnie to, co my wykazane w naszych eksperymentach. Sadzonki jarmużu, rzepy lub buraka wystawione na cykle 12 godzin światła, 12 godzin ciemności przez cztery dni rosły normalnie, akumulowały pigmenty i rosły. Kiedy zmniejszyliśmy częstotliwość cykli światło-ciemność do 6 godzin, 3 godzin, 1 godziny lub 30 minut, rośliny zbuntowały się. Dostarczyliśmy taką samą ilość światła, po prostu zaaplikowaliśmy różnej wielkości kawałki, a sadzonki nie doceniły zabiegu.

Ta sama ilość światła zastosowana w krótszych odstępach czasu w ciągu dnia spowodowała, że ​​rośliny rosły bardziej, jakby były w ciemności. Podejrzewamy, że impulsy świetlne kolidowały z wewnętrzny zegar zakładu, a sadzonki nie miały pojęcia, która jest pora dnia. Pędy rozciągnęły się wyżej, próbując znaleźć więcej światła, a procesy takie jak produkcja pigmentu zostały wstrzymane.

Ale kiedy zastosowaliśmy światło w znacznie, znacznie krótszych seriach, wydarzyło się coś niezwykłego. Rośliny hodowane w pięciosekundowych cyklach włączania/wyłączania wydawały się być prawie identyczne z roślinami hodowanymi w normalnym okresie światła/ciemności. To prawie tak, jakby wewnętrzny zegar nie mógł się prawidłowo uruchomić, gdy wschód słońca nadchodzi co pięć sekund, więc roślinom nie przeszkadza kilkusekundowy dzień.

Gdy przygotowywaliśmy się do publikacji, współpracownik studiów licencjackich Paul Kusuma stwierdził, że nasze odkrycie nie było takie nowatorskie. Wkrótce zdaliśmy sobie sprawę, że na nowo odkryliśmy coś, co było już znane od 88 lat. Naukowcy z Departamentu Rolnictwa USA widziałem to samo zjawisko w 1931 r. kiedy rosły rośliny pod wpływem impulsów świetlnych o różnym czasie trwania. Ich praca w dojrzałych roślinach jest zdumiewająco podobna do tego, co zaobserwowaliśmy w sadzonkach.

Badanie przeprowadzone przez Garnera i Allarda z 1931 r. prześledziło wzrost kwiatów żółtego kosmosu pod wpływem impulsów świetlnych o różnym czasie trwania. J. Agri. Res. 42: Narodowa Biblioteka Rolnicza, Dział Badań Rolniczych, Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych., CC BY-ND

Wszystko to było nie tylko bieżnikowaniem starego pomysłu, ale impulsy światła nie oszczędzają energii. Pięć sekund włączania i wyłączania zużywa taką samą ilość energii, jak światła włączone przez 12 godzin; światła są nadal włączone przez pół dnia.

Ale co by się stało, gdybyśmy przedłużyli okres ciemności? Pięć sekund dalej. Sześć sekund przerwy. Lub 10 sekund przerwy. Lub 20 sekund przerwy. Może 80 sekund przerwy? Nie próbowali tego w 1931 roku.

Budowanie w dodatkowym czasie przestoju

Okazuje się, że zakłady nie mają nic przeciwko małym przestojom. Po zastosowaniu światła na pięć sekund, aby aktywować fotosyntezę i procesy biologiczne, takie jak gromadzenie się pigmentu, wyłączyliśmy światło na 10, a czasem 20 sekund. W tych wydłużonych okresach ciemności sadzonki rosły tak samo dobrze, jak wtedy, gdy okresy światła i ciemności były równe. Jeśli można to zrobić na skalę farmy w pomieszczeniach, może to przełożyć się na znaczną oszczędność energii, co najmniej 30%, a może i więcej.

Ostatnie, jeszcze nieopublikowane prace w naszym laboratorium wykazały, że ta sama koncepcja działa w przypadku sałaty liściastej; nie przeszkadza im również wydłużony czas ciemności między impulsami. W niektórych przypadkach sałaty są zielone, a nie fioletowe i mają większe liście. Oznacza to, że hodowca może wytwarzać różnorodne produkty o wyższej wadze rynkowej, wyłączając światła.

Jedna odmiana sałaty stała się fioletowa po 10-sekundowym okresie ciemności. Wyglądają podobnie do tych, które rosną z pięciosekundowym okresem ciemności, ale zużywają o 33% mniej energii. Wydłużenie okresu ciemności do 20 sekund dało zielone rośliny z większą ilością biomasy. J. Feng, K. Folta

Dowiedzenie się, że rośliny mogą być uprawiane w wybuchach światła, a nie w ciągłym oświetleniu, stanowi sposób na potencjalne zmniejszenie kosztownego budżetu energetycznego rolnictwa w pomieszczeniach. Można by uprawiać więcej świeżych warzyw przy mniejszym zużyciu energii, czyniąc proces bardziej zrównoważonym. Moi koledzy i ja uważamy, że ta innowacja może ostatecznie przyczynić się do rozwoju nowych firm i wykarmienia większej liczby ludzi – i to przy mniejszym wpływie na środowisko.

Artykuł został zaktualizowany o poprawioną legendę dotyczącą fotografii roślin wyhodowanych w 1931 roku.

O autorze

Kevin M. Folta, profesor nauk ogrodniczych oraz biologii molekularnej i komórkowej roślin, University of Florida

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

ING