Puslaidininkinė lempa augalų fotofiziologiniams procesams tirti ir valdyti

Autoriai

Z. Bliznikas, K. Breivė, G. Tamulaitis, G. Kurilčik, A. Novičkovas, A. Žukauskas
Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institutas, Vilniaus universitetas

P. Duchovskis, R. Ulinskaitė, A. Brazaitytė, J. Šikšnianienė
Lietuvos sodininkystės ir daržininkystės institutas

Įvadas

Šviesa yra vienas svarbiausių veiksnių, lemiančių augalų augimą. Šviesos veikiamuose augaluose vyksta trejopo pobūdžio fotofiziologiniai procesai: fotosintezė, fotomorfogenezė ir fototropija. Šie procesai turi įtakos augalų dygimo, augimo ir brendimo spartai, jų produktyvumui, maistinei kokybei, išvaizdai ir pan.

Fotosintezės procesus, kuriems vykstant surišama optinės spinduliuotės energija, gaminama biomasė ir išskiriamas deguonis, lemia augaluose esantys fotosintetezės pigmentai – chlorofilai a ir b bei karotinoidai. Svarbiausią vaidmenį fotosintezės procese vaidina chlorofilas a, kiti pigmentai atlieka pagalbines funkcijas.

Fotomorfogenezės procesus lemia augaluose esantys fotomorfogenezės pigmentai – fitochromai ir kriptochromai, kurie valdo biocheminius ir genetinius augalų vystymosi mechanizmus. Esminį vaidmenį šiame procese vaidina fitochromas A, kurio poveikis susijęs su dviem būsenomis: veikiamas 666 nm bangos ilgio spinduliuotės jis tampa aktyvus (forma P_fr), o veikiamas 730 nm bangos ilgio spinduliuotės, – pasyvus (forma P_r).

Būdingi fotosintezės ir fotomorfogenezės pigmentų sugerties spektrai pateikti 1 pav. [1]. Kriptochromų sugerties spektrai beveik sutampa su karotinoidų spektrais, tačiau jų įtaka morfogenezės procesams dar kaip reikiant neištirta.

Fototropijos procesai siejami su chloroplastų judėjimu citoplazmoje, žiotelių varstymo reguliavimu, taip pat su lapų ir kitų augalo organų judėjimo valdymu. Fototropijos procesus lemia atitinkami pigmentai, sugeriantys nuo 400 nm iki 500 nm bangų ilgių spinduliuotę.

Jau keletą dešimtmečių ieškoma būdų, kaip šviesa kryptingai valdyti augalų fotofiziologinius procesus ir nukreipti juos ūkiui naudinga linkme. Dauguma šios krypties darbų yra atlikta tiriant šviesos spektrinės sudėties įtaką minėtiems procesams. Vyrauja nuomonė, kad fotofiziologiniai procesai vyksta normaliai, kai apšvietoje mėlynoji spektro dalis (nuo 440 nm iki 460 nm) sudaro 10 % energijos, o raudonoji dalis (nuo 600 nm iki 800 nm) – 90 % energijos. Pastarojoje dalyje apie 75 % energijos turi tekti spinduliuotei, kurios bangų ilgiai yra nuo 600 nm iki 700 nm, ir apie 25 % energijos turi tekti spinduliuotei, kurios bangų ilgiai yra nuo 700 nm iki 800 nm [1]. Taip pat žinoma, kad trumpesnių už 400 nm bangų ilgių spinduliuotė nepalankiai veikia augalų morfogenezės procesus, o ilgesnių už 800 nm bangų ilgių spinduliuotė kelia augalų temperatūrą ir kenkia jų produktyvumui.

Nors esama bendrų žinių apie šviesos poveikį augalų fotofiozologiniams procesams, individualūs įvairių augalų poreikiai šviesos spektrinei sudėčiai įvairiuose jų augimo ir vystymosi tarpsniuose nėra žinomi. Spręsti šią problemą iki šiol sunkino augalininkystei tinkamų valdomo spektro šviestuvų stoka.

Apšvietimo problemos analizė

Įprasti fitotronų ir šiltnamių šviestuvai gaminami su kaitinamosiomis ir išlydžio lempomis. Esminiai tokių įtaisų trūkumai yra ribotas spindulinis našumas, trumpa eksploatacijos trukmė, nereguliuojama spinduliuotės spektrinė sudėtis bei nepageidaujama infraraudonoji spinduliuotė, kuri pažeidžia mikroklimatą ir neigiamai veikia fiziologinius procesus. Aukšta darbo įtampa apsunkina kompiuterizuotą valdymą ir kelia pavojų aptarnaujančiajam personalui. Be to, visos išlydžio lempos turi gyvsidabrio, taigi jų utilizavimas yra didelė aplinkosaugos problema.

Kaip alternatyva, pastaraisiais metais sparčiai plėtojasi augalų apšvietimo technologija, besiremianti kietakūniais šaltiniais – šviesos diodais. Šiems prietaisams yra būdingas didelis spindulinis našumas (atskirose spektro srityse jau pasiekiama nuo 30 % iki 60 %, esant 100 % fizinei ribai), ilgaamžiškumas (po 50 000–200 000 darbo val. šviesos srautas sumažėja nuo 50 % iki 70 %), greitaveika (spinduliuotės junginėjimo trukmė neviršija dešimtųjų µs dalių), maži matmenys, patikimumas, žema maitinimo įtampa. Šviesos diodai spinduliuoja palyginti siauruose (nuo 15 nm iki 50 nm) bangų ilgių ruožuose, kurie užkloja spektro sritį nuo ultravioletinės iki artimosios infraraudonosios [2,3]. Jų konstrukcijoje nėra kenksmingų medžiagų.

Pirmieji bandymai panaudoti šviesos diodus augalams kultivuoti siekia 1991 m. ir yra susiję su energijos taupymu kosminiuose laivuose. Tuomet buvo nustatyta, kad atskiroms augalų rūšims apšvietimo energijos sąnaudos žymiai sumažėja, kai kartu su fluorescencinėmis lempomis naudojama papildoma 660 nm bangos ilgio šviesos diodų spinduliuotė. Vėlesni tyrimai ėmė plėtotis daržo augalų morfogenezės valdymo linkme.

Pagrindiniai šviesos diodų taikymo augalams kultivuoti centrai yra šalyse, kurios sparčiausiai įsisavina kietakūnio apšvietimo technologiją (JAV, Japonijoje, Korėjoje). Europoje, nepaisant to, kad jos šiaurinės valstybės yra potencialios tokių technologijų vartotojos, šie tyrimai atliekami tik epizodiškai [3].

Darbo tikslas

Kietakūnio apšvietimo technologija leidžia sukurti universalius biotechnologinius kompleksus, kuriuose augalų apšvietos spektras ir laikinis profilis yra valdomi. Tokie kompleksai yra našesni, ekologiškai saugesni ir gali būti lengvai kompiuterizuojami.

Šio darbo tikslas – sukurti ekonomišką ir funkciniu požiūriu lankstų augalų apšvietos įtaisą – valdomo spiduliuotės spektro puslaidininkinę lempą (PL) augalų fotosintetezės ir fotomorfogenezės procesams tirti ir valdyti in vivo sąlygomis. Galimybė valdyti spinduliuotės spektrą leistų tirti jos poveikį įvairių augalų fotofiziologinių procesų eigai atskiruose jų vegetacijos tarpsniuose ir nukreipti šiuos procesus ūkiui naudinga linkme.

Šviesos diodų parinkimas

Atsižvelgus į vyraujančią augalų fotofiziologinių procesų tyrėjų nuomonę apie būtiną augalų apšvietos spektrinę sudėtį ir įvertinus pagrindinių fotofiziologinių pigmentų sugerties spektrus, buvo atlikta didelio skaisčio šviesos diodų rinkos apžvalga. Pažymėtina, kad dabar ši rinka daugiausia plėtojasi vizualinių prietaikų (visaspalviai vaizduokliai, signalai, bendrasis apšvietimas ir pan.) linkme, kas riboja šviesos diodų pasiūlą augalininkystės poreikiams.

Lengviausiai augalų apšvietimo problema sprendžiama mėlynajai šviesos spektro sričiai, kuri yra svarbi fototropizmui ir iš dalies fotosintezei. Vienas iš standartinių bangos ilgių mėlyniesiems InGaN šviesos diodams yra apie 450 nm. Tokių diodų gamyba sparčiai plečiasi dėl baltų puslaidininkinių šviesos šaltinių poreikio, nuolat auga jų galia, o kaina krinta. Šio darbo tikslams buvo pasirinkti kompanijos „Lumileds Lighting“ šviesos diodai LUXEON™ LXHL-LR5C (λ_p=453 nm, Φ_e =320 mW, I_F=0,7 A). Čia λp yra spindulinio srauto galios spektro smailės bangos ilgis; Φ_e – spinduliuotės srauto galia tekant vardinei srovei I_F.

Didžiausias šviesos srautas reikalingas raudonojoje spektro srityje. Dažniausiai šioje srityje naudojami AlGaAs šviesos diodai, kurie generuoja nuo 660 nm iki 680 nm bangos ilgio šviesą. Tačiau AlGaAs technologiją pastaruoju metu išstumia AlGaInP šviesos diodai, kurie generuoja raudoną apie 640 nm bangos ilgio šviesą. Nors pastarieji diodai yra našesni ir pigesni, tačiau ir jų gamyba dėl siauresnės taikymo srities dar nėra pakankamai išplėtota. Be to, rinkoje nėra galingų AlGaInP diodų, generuojančių ilgesnių nei 640 nm bangų spinduliuotę. Todėl optimizuojant šviestuvo kainą ir našumą, buvo pasirinktas derinys, kuriame šioje spektro srityje fotosintezei valdyti panaudoti dviejų bangos ilgių prietaisai. Chlorofilui a žadinti pasirinkti kompanijos „Epitex“ AlGaAs daugialusčiai diodiniai šviestuvai L660- 66-60 (λ_p=660 nm, Φ_e =95 mW, I_F=0,24 A), o chlorofilui b žadinti pasirinkti kompanijos „Lumileds Lighting“ didelės galios vienkristaliai diodai LXHL-MD1D (λ_p=640 nm, Φ_e =100 mW I_F=0,35 A).

Artimajai infraraudonajai sričiai, kuri svarbi fotomorfogenezės procesams, reikalingi palyginti nedideli šviesos srautai, todėl kainos problema yra tokia opi. Šiai sričiai buvo pasirinkti „Epitex“ L735-05AU šviesos diodai (λ_p=731 nm, Φ_e =95 mW, I_F=0,05 A).

Panašios paskirties įtaisas pateikiamas patento [4] aprašyme. Čia augalams kultivuoti siūloma naudoti trijų bangos ilgių šviesos diodus, kurių spektrinių charakteristikų smailių bangos ilgiai yra parinkti iš srities nuo 620 nm iki 680 nm (fotosintezei valdyti), iš srities nuo 700 nm iki 760 nm (fotomorfogenezei valdyti) ir iš srities nuo 400 nm iki 500 nm (fotomorfogenezei ir fototropijai valdyti). Tačiau palyginus šių sričių bangos ilgius su 1 pav. pateiktomis charakteristikomis matyti, kad siūlomas trijų šaltinių spektrinis derinys negali pasirinktinai žadinti 640 nm arba 660 nm bangų ilgių srityje. Tuo tarpu pasiūlytoji keturspalvė sistema leidžia optimizuoti fotosintetinės sistemos veikimą selektyviai žadinant chlorofilus a ir b.

Lempos konstrukcija

Lempą sudaro puslaidininkinis šviestuvas ir jo valdymo blokas. Šviestuvo paskirtis – sukurti reikiamos spektrinės sudėties ir reikiamo srauto šviesą. Valdymo bloko paskirtis – tiekti valdomo stiprio sroves atskiroms šviesos diodų grupėms ir paros būvyje sukurti apšvietimo „dienos–nakties“ režimą.

PL sandaros schema pateikta 2 pav. Šviestuvas yra statomas virš augalų lysvės. Prie augalų aukščio šviestuvas derinamas keičiant reflektoriaus atstumą iki lysvės paviršiaus. Jis reguliuojamas nuo keleto iki 50 cm.

Šviesos diodų išdėstymo reflektoriaus paviršiuje brėžinys pateiktas 3 pav.

Vieno bangos ilgio šviesos diodai yra sujungti į šakas, o šakos sujungtos į grupes taip, kad skirtingo bangos ilgio šviesos diodų grupių suminės įtampos būtų artimiausios. Taip periodine tvarka ir simetriškai reflektoriaus centro atžvilgiu išdėstyti diodai sukuria tolygaus tankio srautą nuo 25 cm iki 30 cm atstumu nuo reflektoriaus, o diodų išskiriamą šilumą visiškai išsklaido metalinis reflektorius.

Valdymo blokas pagamintas kaip atskiras prietaisas. Jo struktūrinė elektrinė schema pateikta 4 pav. Jame sumontuoti valdomi srovės stabilizatoriai, kurie tiekia nustatyto stiprio sroves šviestuvo šviesos diodų grupėms, jų srovės matavimo prietaisai, elektroniniai srovės jungikliai, įtampos stabilizatoriai bei kitos valdymo funkcijas užtikrinančios elektronikos grandinės.

Kiekvienos diodų grupės srovė matuojama procentais nuo didžiausios grupės srovės, atitinkančios ir didžiausiąjį grupės šviesos srautą. Bendrojo srauto spektrinė sudėtis yra formuojama nustatant atskirų grupių sroves. Valdymo bloko grandynai yra suprojektuoti taip, kad „dienos– nakties“ režimas ir kai kurie srauto parametrai gali būti nustatomi nuotolinio valdymo priemonėmis, kurios jungiamos prie kontaktų X1… X6. Prijungus nesudėtingą sąsają, lempa gali būti valdoma kompiuteriu.

Pagrindiniai pagamintos PL parametrai pateikti 5 ir 6 pav. diagramose bei 1 lentelėje.

Atskirų bangų ilgių šviesos diodų grupių fotonų srautų tankių priklausomybės nuo srovės stiprio charakteristika pateikta 5 pav.

PL didžiausiojo bendrojo fotonų srauto tankio spektrinė charakteristika augalų viršūnių plokštumoje, tekant per diodus vardinėms srovėms, pateikta 6 pav. Čia pavaizduotos ir atskirų bangų ilgių šviesos diodų santykinio srauto spektrinės charakteristikos bei dabar plačiai naudojamos didelio slėgio natrio SON-T Agro lempos srauto galios spektrinė charakteristika.

Pagrindiniai puslaidininkinės lempos parametrai pateikti 1 lentelėje.

Atskirų bangų ilgių srautų tankio netolygumas 90 % paviršiaus, kurio bendras plotas yra (30􀂯70) cm², neviršija 15 %.

Iš pateiktų charakteristikų matyti, kad sukurta PL generuoja spinduliuotės srautą bangų ilgių diapazone, kuris lemia fiziologinių procesų vyksmus augaluose, o srauto parametrai gali būti keičiami plačiame verčių diapazone.

Eksperimentų rezultatai

Šiame skyrelyje pateikti rezultatai rodo, kad, parenkant aprašytos PL spinduliuotės spektrinės sudėties derinį, galima skatinti arba stabdyti fotosintezės bei fotomorfogenezės procesus. Šie rezultatai bandymais in vivo yra gauti LSDI Augalų fiziologijos laboratorijoje. Bandymai atlikti su daržo augalais (salotomis Grand Rapids, ridikėliais Saxa) fitotrono kamerose apšvietimui atskirai naudojant sukurtas PL ir SON-T Agro lempas. Abiem atvejais visos kitos bandymų sąlygos buvo buvo vienodos.

Tyrimuose naudoti spinduliuotės spektrinės sudėties deriniai pateikti 3 lentelėje, o gauti rezultatai – 7–10 pav.

Vienas svarbiausių fotosintezės rodiklių yra grynasis fotosintezės produktyvumas. Jis išreiškiamas sausųjų medžiagų kiekiu, kurį per parą lapų asimiliacinio paviršiaus ploto vienetui pagamina augalas.

Iš 7 ir 8 pav. matyti, kad salotų ir ridikėlių grynasis fotosintezės produktyvumas esti didžiausias, kai apšvietimui naudojamas PL1 spinduliuotės derinys. Naudojant derinį PL2 fotosintezė nevyksta, o augimo procesas praktiškai sustoja. Esminis šių derinių skirtumas– tai kitoks 735 nm bangos ilgio spinduliuotės naudojimo laikas paros metu.

Kitas svarbus fotosintezės rodiklis yra augalo per tam tikrą laikotarpį sukaupta žalioji masė. Ji nustatoma sveriant augalus.

Iš 9 ir 10 pav. pateiktų diagramų matyti, kad silpnesnis 640 nm bangos ilgio srautas (PL3) bei 731 nm bangos ilgio srautas įjungtas tik vienai valandai naktį (PL4) skatina žaliosios masės prieaugį ir neturi įtakos augalų aukščiui. Spinduliuotės derinys PL2, kai 731 nm bangos ilgio srautas yra įjungtas tik naktį, smarkiai stabdo vegetacijos procesus.

Morfogenezės procesus augaluose lemia fitohormonų kiekis ir jų tarpusavio santykis. Vieni svarbiausių fitohormonų yra giberelino ir abscizo rūgštys. Šių fitohormonų koncentracijos augalų lapuose diagrama pateikta 11 pav.

SON-T Agro lempų spinduliuotė skatina giberelino rūgšties sintezę ir sukuria fitohormonų disbalansą. Dėl to skatinamas augalų tįsimas (10 pav.), o žaliosios masės jie sukaupia mažiau (9 pav.).

Taigi pateikti eksperimentinių tyrimų rezultatai rodo, kad spinduliuotės spektrinė sudėtis turi įtakos fotosintezės ir fotomorfogenezės procesams. Matyti aiškus dėsningumas, kad paros metu parinkus atitinkamą spinduliuotės spektrinės sudėties derinį, galima skatinti arba stabdyti fotosintezės bei fotomorfogenezės pigmentų veiklą ir valdyti augaluose vykstančius fotofiziologinius procesus.

Išvados

Darbe pateikti rezultatai rodo, kad naudojant šiuo metu rinkoje esančius šviesos diodus galima sukurti daugelio funkcijų, ekologiškus bei energiniu požiūriu našius puslaidininkinius apšvietimo įtaisus – puslaidininkines lempas augalams kultivuoti dirbtinio klimato sąlygomis.

Atlikti tyrimai parodė, kad keičiant spinduliuotės spektrinę sudėtį galima įvairiuose augimo tarpsniuose patikimai valdyti kultūriniuose augaluose vykstančius fotofiziologinius procesus ir nukreipti juos ūkiui naudinga linkme:

Parenkant augalų rūšiai individualų spinduliuotės spektro derinį, stabdyti arba skatinti augalų tįsimą, skatinti didesnio lapų asimiliacinio paviršiaus formavimąsi, valdyti fotosintezės procesus ir didinti augalų ūkinį produktyvumą;
Didinant fotofiziologinių procesų našumą ir valdant morfogenezę, tobulinti augalų biotechnologijos metodus ir spartinti augalų selekcijos procesą.

Siekiant taupyti energiją tikslinga sukurti keičiamos spektrinės sudėties nenuostovaus apšvietimo įtaisus ir nustatyti galimybes impulsinį apšvietimą panaudoti augalams kultivuoti dirbtinio klimato sąlygomis.

Darbas atliktas Lietuvos valstybiniam mokslo ir studijų fondui parėmus.

Literatūra

Kopcewicz J., Lewak S. Podstawy fizjologii roślin.- Warszawa: PWN, 1998. – ISBN 83-01-12566-7. – 725 p.
Žukauskas A., Shur M. S., Gaska R. Intruduction to Solid State Lichting. -New York: Willey, 2002. – IBSN 0471215740. – 220 p.
Aukštųjų technologijų plėtros projektas „Kietakūnio apšvietimo technologija augalų fotofiziologinių procesų valdymui“ (HORTILED). http://www.hortiled.ff.vu.lt. (2004 03 05).
Ignatius R. W., Martin T. S., Bula R. J., Morrow R. C., Tibbitts T. W. Method and apparatus for irradiation of plants using optoelectronic devices. US Patent 5012609. 1991.

A. Žukauskas, Z. Bliznikas, K. Breivė, G. Tamulaitis, G. Kurilčik, A. Novičkovas, P. Duchovskis, R. Ulinskaitė, A. Brazaitytė, J. Šikšnianienė. Puslaidininkinė lempa augalų fotofiziologiniams procesams tirti ir valdyti // Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija. 2004. – Nr. 7(56). – P. 74–79.