Mikro-Nickerchen für Pflanzen: Wenn Sie das Licht ein- und ausschalten, können Sie Energie sparen, ohne die landwirtschaftlichen Ernten in Innenräumen zu beeinträchtigen

Mikro-Nickerchen für Pflanzen: Wenn Sie das Licht ein- und ausschalten, können Sie Energie sparen, ohne die landwirtschaftlichen Ernten in Innenräumen zu beeinträchtigen
Lichtimpulse, gefolgt von längeren Dunkelperioden, könnten dazu beitragen, die landwirtschaftliche Produktion in Innenräumen nachhaltiger zu gestalten. DutchScenery / Shutterstock.com

Eine nächtliche Ankunft am Amsterdamer Flughafen Schiphol führt Sie über das strahlend rosa Leuchten der Gewächshäuser für die Gemüseproduktion. Anbau von Kulturpflanzen unter künstlichem Licht ist SchwungInsbesondere in Regionen, in denen die Erzeugerpreise während der Jahreszeiten mit wenig Sonnenlicht hoch sein können.

Niederlande ist nur ein Land, das sich schnell verabschiedet hat Landwirtschaft mit kontrollierter UmweltHier werden in ganzjährig beleuchteten Gewächshäusern hochwertige Spezialkulturen wie Kräuter, Fantasiesalate und Tomaten angebaut. Anwälte schlagen vor diese komplett geschlossenen Gebäude - oder Pflanzenfabriken - könnte ein Weg sein, den städtischen Raum neu zu nutzen, Lebensmittelmeilen zu reduzieren und den Bewohnern der Stadt lokale Produkte zur Verfügung zu stellen.

Eines der zentralen Probleme dieses Prozesses ist das hohe monetäre Kosten für die Bereitstellung von künstlichem Lichtin der Regel über eine Kombination aus roten und blauen Leuchtdioden. Energiekosten Überschreiten Sie manchmal 25% des Betriebsaufwands. Wie können Erzeuger, insbesondere in Entwicklungsländern, konkurrieren, wenn die Sonne frei ist? Ein höherer Energieverbrauch führt auch zu mehr Kohlendioxidemissionen, als der geringere CO 2 -Fußabdruck, den nachhaltig bewirtschaftete Pflanzen verursachen können.

Ich habe haben untersucht, wie Licht das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen beeinflusst seit über 30 Jahren. Kürzlich fragte ich mich: Anstatt Pflanzen in einem sich wiederholenden Zyklus von einem Tag Licht und einer Nacht Dunkelheit zu züchten, was wäre, wenn dasselbe Tageslicht in Impulse aufgeteilt würde, die nur Stunden, Minuten oder Sekunden dauerten?

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Zimmerpflanzen brauchen viel künstliches Licht. josefkubes / Shutterstock.com

Kurze helle und dunkle Ausbrüche

Also meine Kollegen und ich entwarf ein Experiment. Wir würden die normale Lichtmenge insgesamt anwenden, sie einfach über verschiedene Zeitabschnitte aufteilen.

Natürlich sind Pflanzen für die Photosynthese auf Licht angewiesen. Dieser Prozess nutzt in der Natur die Sonnenenergie, um Kohlendioxid und Wasser in Zucker umzuwandeln, die den Stoffwechsel der Pflanzen befeuern. Licht lenkt auch Wachstum und Entwicklung durch seine Signale über Tag und Nacht, und das Affen mit diesem Informationsstrom kann katastrophale Folgen haben.


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Das liegt daran, dass das Zerlegen von Gutem in kleinere Teile manchmal neue Probleme verursacht. Stellen Sie sich vor, wie glücklich Sie wären, eine 100-Rechnung in US-Dollar zu erhalten - aber nicht so begeistert von den entsprechenden 10,000-Pennies. Wir hatten den Verdacht, dass die interne Uhr einer Anlage nicht dieselbe Leuchtwährung akzeptiert, wenn sie in kleinere Stückelungen unterteilt wird.

Und genau das haben wir in unseren Experimenten demonstriert. Grünkohl-, Rüben- oder Rübensämlinge, die Zyklen von 12 Stunden Licht und 12 Stunden Dunkel für vier Tage ausgesetzt waren, wuchsen normal, sammelten Pigmente an und wurden größer. Wenn wir die Häufigkeit von Hell-Dunkel-Zyklen auf 6 Stunden, 3 Stunden, 1 Stunden oder 30 Minuten verringerten, empörten sich die Pflanzen. Wir haben die gleiche Menge Licht abgegeben, nur in unterschiedlich großen Stücken aufgetragen, und die Sämlinge haben die Behandlung nicht geschätzt.

Die gleiche Menge an Licht, die über den Tag in kürzeren Intervallen angewendet wurde, ließ die Pflanzen mehr wachsen, als ob sie in der Dunkelheit wären. Wir vermuten, dass die Lichtimpulse mit a in Konflikt stehen interne Uhr der Anlageund die Sämlinge hatten keine Ahnung, wie spät es war. Die Stiele wurden in dem Versuch, mehr Licht zu finden, höher gestreckt, und Prozesse wie die Pigmentproduktion wurden unterbrochen.

Aber wenn wir Licht in viel, viel kürzeren Schüben anlegten, passierte etwas Merkwürdiges. Pflanzen, die unter fünf Sekunden Ein / Aus-Zyklen gezüchtet wurden, schienen fast identisch zu denen zu sein, die unter der normalen Hell / Dunkel-Periode gezüchtet wurden. Es ist fast so, als ob die interne Uhr nicht richtig gestartet werden kann, wenn der Sonnenaufgang alle fünf Sekunden kommt. Die Pflanzen scheinen also nichts dagegen zu haben, dass ein Tag einige Sekunden lang ist.

Gerade als wir uns auf die Veröffentlichung vorbereiteten, stellte der studentische Mitarbeiter Paul Kusuma fest, dass unsere Entdeckung nicht so neu war. Wir stellten schnell fest, dass wir tatsächlich etwas wiederentdeckt hatten, das bereits seit 88-Jahren bekannt ist. Wissenschaftler am US-Landwirtschaftsministerium sah das gleiche Phänomen in 1931 wenn sie Pflanzen unter Lichtimpulsen unterschiedlicher Dauer züchteten. Ihre Arbeit in reifen Pflanzen entspricht mit bemerkenswerter Ähnlichkeit dem, was wir bei Sämlingen beobachtet haben.

Mikro-Nickerchen für Pflanzen: Wenn Sie das Licht ein- und ausschalten, können Sie Energie sparen, ohne die landwirtschaftlichen Ernten in Innenräumen zu beeinträchtigen
Eine 1931-Studie von Garner und Allard verfolgte das Wachstum von Yellow Cosmos-Blüten unter Lichtimpulsen unterschiedlicher Dauer.
J. Agri. Res. 42: National Agricultural Library, Agrarforschungsdienst, US-Landwirtschaftsministerium., CC BY-ND

Dies alles war nicht nur eine Überarbeitung einer alten Idee, Lichtimpulse sparen auch keine Energie. Das Ein- und Ausschalten von fünf Sekunden verbraucht dieselbe Energiemenge wie das Einschalten der Lichter für 12 Stunden. die Lichter sind noch den halben Tag an.

Aber was würde passieren, wenn wir die Dunkelperiode verlängern würden? Fünf Sekunden später. Sechs Sekunden aus. Oder 10 Sekunden aus. Oder 20 Sekunden aus. Vielleicht 80 Sekunden aus? Das haben sie in 1931 nicht versucht.

Bauen in zusätzlichen Ausfallzeiten

Es stellt sich heraus, dass es den Pflanzen nichts ausmacht, wenn sie mal ausfallen. Nachdem wir fünf Sekunden lang Licht angewendet hatten, um die Photosynthese und biologische Prozesse wie die Pigmentakkumulation zu aktivieren, haben wir das Licht für 10 oder manchmal für 20 Sekunden ausgeschaltet. Unter diesen ausgedehnten dunklen Perioden wuchsen die Sämlinge genauso gut, wie sie es getan hatten, als die hellen und dunklen Perioden gleich waren. Wenn dies in der Größenordnung einer Indoor-Farm möglich wäre, könnte dies zu erheblichen Energieeinsparungen führen, mindestens 30% und möglicherweise mehr.

Neuere, noch zu veröffentlichende Arbeiten in unserem Labor haben gezeigt, dass das gleiche Konzept auch bei Blattsalaten funktioniert. Es macht ihnen auch nichts aus, wenn zwischen den Impulsen eine längere Dunkelzeit liegt. In einigen Fällen sind die Salate grün statt lila und haben größere Blätter. Dies bedeutet, dass ein Erzeuger durch Ausschalten der Lichter eine Vielzahl von Produkten und ein höheres marktfähiges Produktgewicht produzieren kann.

Mikro-Nickerchen für Pflanzen: Wenn Sie das Licht ein- und ausschalten, können Sie Energie sparen, ohne die landwirtschaftlichen Ernten in Innenräumen zu beeinträchtigen
Eine Salatsorte wurde lila, wenn eine 10-zweite Dunkelperiode gegeben wurde. Sie ähneln denen, die mit einer Dunkelperiode von fünf Sekunden gezüchtet wurden, verbrauchen jedoch 33% weniger Energie. Die Verlängerung der Dunkelperiode auf 20 Sekunden ergab grüne Pflanzen mit mehr Biomasse. J. Feng, K. Folta

Wenn Sie lernen, dass Pflanzen nicht unter kontinuierlicher Beleuchtung, sondern unter Lichteinwirkung gezüchtet werden können, können Sie möglicherweise das teure Energiebudget der Indoor-Landwirtschaft senken. Mit weniger Energie könnte mehr frisches Gemüse angebaut werden, was den Prozess nachhaltiger macht. Meine Kollegen und ich sind der Meinung, dass diese Innovation letztendlich dazu beitragen kann, neue Geschäftsfelder zu erschließen und mehr Menschen zu ernähren - und dies bei geringeren Umweltbelastungen.

Dieser Artikel wurde mit einer korrigierten Legende auf dem Foto der in 1931 gezüchteten Pflanzen aktualisiert.Das Gespräch

Über den Autor

Kevin M. Folta, Professor für Gartenbauwissenschaften und Pflanzenmolekular- und Zellbiologie, University of Florida

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Ing.

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