מהן הקרינה הזמינה הפוטוסינתטית (PAR) והקרינה השימושית הפוטוסינתטית (PUR) המתאימה ביותר לצמחים/אצות שונים בגידול מימי או אצות?

一, הבדלים בצרכי האור של קבוצות שונות של צמחי מים וכיצד לגרום ל-PUR לעבוד טוב יותר
1. צמחי המים החיוביים זקוקים להרבה אור ועובדים היטב עם אור אדום וכחול כאחד.
כדי לשמור על צורתם וצבע גופם התוסס, צמחי מים חיוביים כמו פרפרים אדומים ועשב ארמון זקוקים להרבה אור. טווח ה-PAR הטוב ביותר עבורו הוא 150-300 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, אם כי יעילות ה-PUR עולה ב-40% כאשר נעשה שימוש באור אדום של 660 ננומטר ואור כחול של 450 ננומטר. לדוגמה, מעבדת צמחי המים של ADA בגרמניה משתמשת במערכת LED כדי לקבל יחס אור אדום: כחול של 3:1. זה גורם לצמחי מים חיוביים לגדול ב-28% יותר מנורות פלורסנט רגילות. במקביל, 6500K אור לבן מנוצל כדי למלא את הפערים ברצועת האור הירוק של 550nm. זה מקל על האור להגיע למים עמוקים יותר ומתקן את בעיית אובדן האור באזורי מים עמוקים.
2. הסתגלות חלשה לאור ואיזון ספקטרום מלא של צמחי מים שליליים
צמחי מים שליליים, כגון כתר ברזל וטחב, יכולים לשגשג בטווח PAR של 20-70 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה. עם זאת, יעילות ה-PUR תלויה בכיסוי ספקטרלי מלא. Takagi Aqua, עסק יפני, השתמש בטכנולוגיית ציפוי ננו כדי לשפר את ספקטרום ה-LED. הם הצליחו לקבל יחס אנרגיה של 1:2 בין פס האור הכחול (400–500 ננומטר) לפס האור האדום (600–700 ננומטר). באמצעות אור ירוק 550nm, גם טמפרטורת הצבע של המים שונתה ל-6500K, מה שגרם להם להיראות כמו תאורת זרם טבעית. זה הפך את צמחי המים השליליים לעשירים ב-35% יותר בכלורופיל- והאט את צמיחת האצות ב-60%.
3. פיצוי אור באזור המעבר של צמחי מים
צמחי מים, כמו בצל מים וקנים, דורשים לשנות את הגדרות ה-PAR/PUR כל הזמן מכיוון שהם גדלים באזור שבו מים נפגשים עם קרקע. על פי מחקר מאוניברסיטת שנגחאי אוקיינוס, החלק התת-ימי של הצמח גדל בצורה הטובה ביותר ב-PAR של 100-150 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, בעוד שחלק המים שלעיל זקוק לאור גבוה של 200-300 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה. מערכי LED מתכווננים משמשים בהנדסה, ומערכת האינטרנט של הדברים משנה אוטומטית את מצב התאורה בהתאם לשלב הצמיחה של הצמח. לדוגמה, אור כחול של 450 ננומטר משמש בעיקר בשלב השתיל (PUR מהווה 60%) לעידוד צמיחת שורשים, ואור אדום של 660 ננומטר משמש בעיקר בשלב הבשל (PUR מהווה 75%) כדי לעודד פריחה.
2, סף פוטו-אקולוגי והקרנת PUR לגידול אצות
1. צרכי האור של מיקרו אצות שונים עבור כל מין.
סוגים שונים של אצות מגיבים בצורה שונה למדי ל-PAR/PUR:
ה-PAR הטוב ביותר עבור Chlorella vulgaris הוא 50-150 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, בעוד שיעילות ה-PUR הטובה ביותר היא כאשר נעשה שימוש באור כחול ב-450 ננומטר ובאור אדום ב-660 ננומטר. ניסוי photobioreactor באוניברסיטת צ'ינגדאו אוקיינוס ​​הראה ששימוש ביחס של 1:1 של אור כחול ואדום העלה את הביומסה של כלורלה פי 2.3 בהשוואה לגידולה באור לבן, ואת ריכוז האסטקסנטין ב-40%.
ספירולינה היא אצה שיכולה להתמודד עם הרבה אור. ה-PAR הרווי שלו הוא מעל 500 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, אבל יעילות ה-PUR שלו היא הטובה ביותר ברצועת האור האדום של 660 ננומטר. בסיס התעשייה של Yunnan Spirulina משתמש ב-LED בפס צר של 680 ננומטר, המאפשר לתפוקת שטח היחידה לעבור מעל 120 גרם/מ"ר לשנה והופכת את התרבות הסולארית המסורתית ליעילה יותר ב-300%.
ציאנובקטריה: יש כמות מסוימת של אור אדום שהם יכולים לספוג ב-620 ננומטר, אבל יותר מדי אור אדום יכול בקלות לעורר פריחת אצות. בפרויקט הטיפול באגן אגם Taihu, אור כחול של 450 ננומטר מעכב את הפעילות של מערכת הפוטוסינתזה II בציאנובקטריה, ושילוב של אור אדום של 660 ננומטר איתו מפרק phycobiliprotein. זה מפחית את הביומסה של ציאנובקטריה ב-75% ומגדיל את שיעור האצות המועילות כמו אצות ירוקות ודיאטומים ל-80%.
2. התהליך בו נפסקת תחרות קלה בקבוצות אצות
בחקלאות מעורבת של אצות, וויסות איכות האור הפך לדרך חשובה לשיפור מבנה האוכלוסייה. לדוגמה, בזמן גידול מיקרו אצות כפיתיון, "ביות קל" מתבצע על ידי שינוי ספקטרום LED בזמן אמת:
במהלך שלב השתיל, אור כחול של 450 ננומטר משמש בעיקר (PUR מהווה 70%) כדי לעצור אצות חוטיות מלגדול ולעודד אצות חד-תאיות להתרבות.
במהלך שלב הצמיחה הלוגריתמי, השתמש באור אדום של 660 ננומטר כמקור הדומיננטי (PUR מהווה 80%) כדי לעודד חלוקת תאי אצות.
תקופה יציבה: הוספת אור ירוק של 550 ננומטר (PUR מהווה 10%) כדי להפחית את אפקט העיכוב הפוטו ולהאריך את מחזור ייצור האצות.
תוכנית זו מעלה את אחוז האצות האיכותיות-כמו Chlorella ו- Scenedesmus מ-60% ל-92% ומפחיתה את עלות הסינון ב-30%.
3, הדרך ליישום הנדסי וחדשנות טכנולוגית
1. מערכת בקרת סביבת אור חכמה
על ידי שימוש בטכנולוגיית IoT לחיבור חיישני PAR, מודולי התאמה ספקטרלית והתקני ניטור התנהגות ביולוגית, ניתן לייעל את תנאי התאורה בזמן אמת. לדוגמה, אוקיינריום בסניה משתמש במערכת סביבת אור בינה מלאכותית כדי לשנות את הרכיבים הספקטרליים ואת חלוקת עוצמת האור בזמן אמת על סמך נתונים כמו כמה בהיר האלמוגים וכמה מהר הדגים שוחים.
מצב יום: 6500K אור לבן עם תוספת של 10% אור אדום, PAR נשאר בין 200 ל-250 μ מול/מ"ר לשנייה; מצב לילה: 2700K אור חם עם 5% אור כחול, PAR יורד ל-50 μ mol/m ²/s;
מצב חירום: כשהחשמל כבה, נורות הבטיחות האדומות ידלקו אוטומטית אור חלש (פחות או שווה ל-20 μ מול/מ"ר ²/s) כדי למזער את הלחץ על יצורים חיים.
טכניקה זו מעלה את שיעור ההישרדות של יצורים חיים ל-98% ומפחיתה את צריכת האנרגיה ב-40%.
2. שימוש בחומרים אופטיים המחקים ביולוגיה
טכניקת ציפוי הננו החדשה יכולה לחקות כיצד גופי מים טבעיים משפיעים על ספקטרום האור. קניון בשנג'ן ציפה סרט קריסטל פוטוני על זכוכית של אקווריום. זה מקצץ את קצב ההנחתה של פס האור האדום (620-750 ננומטר) ב-60%, מה שהופך את התאורה במקטעי מים עמוקים להרבה יותר טובה. עבוד עם מערך LED מתכוונן כדי לקבל חלוקה של שיפוע PAR מתחת למים:
לשכבה העליונה (0-30 ס"מ) יש PAR של 300 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, כאשר אור אדום מהווה 70% מהכלל. לשכבה האמצעית (30-60 ס"מ) יש PAR של 150 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, כאשר אור אדום מהווה 50% מהסך הכל. לשכבה התחתונה (60-90 ס"מ) יש PAR של 75 מיקרומטר מול/מ"ר לשנייה, כאשר אור אדום מהווה 30% מהסך הכל.
עיצוב זה מאפשר לצמחי מים חיוביים להישאר קטנים במיקומי מים עמוקים, מה שאומר שהם אינם זקוקים לכמות אור נוספת.
3. עבודה משותפת על עיצוב על פני תחומים
מהנדסי תאורה צריכים להקים דרך סטנדרטית לעבודה עם ביולוגים ימיים ופסיכולוגים צבעוניים. מלון חמישה-כוכבים בהאנגג'ואו התגלה באמצעות מחקר צוות שיתופי ש:
כאשר דגי הליצנים קיבלו תערובת של אור כחול 470 ננומטר ואור צהוב של 590 ננומטר במקום אור לבן רגיל, הם הטילו פי 2.3 יותר ביצים. כאשר אצות צהובות אלמוגים קיבלו 6500K אור לבן ו-10% אור סגול (400-420nm), יעילות הביטוי של חלבון פלורסנטי בהן עלתה ב-40%.
על ידי שינוי הספקטרום הראשוני כל שעתיים, מדד הגיוון ההתנהגותי של הדגים עלה ב-31%.