Umístěte pod světlo. Jak ozařovat rostliny s přínosem

Jak víte, rostliny jsou přitahovány ke světlu. Ale je pro ně každé světlo stejně dobré? Vědci už dávno vědí, že tomu tak není: některé fotony urychlují fotosyntézu, jiné mohou způsobit popálení listů a dokonce poškození DNA. Společně se Sibiřskou federální univerzitou zjišťujeme, které materiály vyzařují nejpřínosnější paprsky pro rostliny a jak může strojové učení pomoci při jejich hledání.

S tímto textem N+1 společně se Sibiřskou federální univerzitou (SFU) otevírá sérii materiálů „Zelené projekty“, věnovaných environmentální gramotnosti a vývoji navrženým ke snížení antropogenního dopadu na životní prostředí.

Chuť, barva

Sluneční záření dopadající na Zemi se skládá z elektromagnetických vln různých délek: od 100 nanometrů do asi 1 milimetru. Pro fotosyntézu rostliny využívají převážně viditelnou část spektra (záření o vlnové délce 400–700 nm). Chlorofyl, zelený pigment chloroplastů, absorbuje téměř pouze červené a modré světlo. Znamená to, že pro rostliny je užitečné pouze červené a modré světlo a zbytek lze odříznout jako zbytečný?

Ve skutečnosti je vše složitější. Světlo pro fotosyntézu zachycuje nejen chlorofyl, ale také žlutočervené pigmenty, karotenoidy, které pohlcují modré a modrozelené světlo. Někteří vědci se také domnívají, že na procesu absorpce světla se v různé míře podílejí nejen části chloroplastů, ale i další blízké organely.

Tím však potíže nekončí, protože rostliny potřebují světlo nejen pro fotosyntézu. Světelný režim určuje denní rytmy pohybu listů a otevírání květů a průduchů, ovlivňuje procesy kvetení a tvorbu plodových vaječníků. K tomu mají rostliny fotoreceptory – látky, které po absorpci světla o určité vlnové délce mohou ovlivnit metabolismus v buňce a dokonce i expresi genů.

Pochopit, které světlo je pro rostlinu výhodnější, je tedy možné pouze experimentálně. První takové experimenty ve druhé polovině XNUMX. století provedli nezávisle na sobě botanici Kliment Timiryazev a Theodor Engelman (více se o tom dočtete v materiálu „Beams of Support“). Stále však není úplně jasno a vědci pokračují v experimentech srovnávajících různé druhy záření. Fotoreceptory v rostlinách jsou navrženy jinak, takže reakce na záření se mohou lišit i mezi blízce příbuznými druhy. Přesto se vědcům podařilo najít nějaké obecné vzorce.

Téměř všechny studie se například shodují, že pro fotosyntézu je velmi důležitá přítomnost červeného záření (630–740 nm). Asi 80 procent energie použité při fotosyntéze pochází z fotonů s vlnovou délkou asi 650 nm. Červené světlo navíc urychluje proces kvetení.

V některých studiích je odděleně izolováno daleko červené záření (700–750 nm). Energie těchto fotonů není dostatečná k excitaci chlorofylu, ale přesto hrají důležitou roli ve fotosyntéze. V této oblasti se nachází zejména jeden z absorpčních vrcholů fytochromu, mimořádně důležitého regulačního pigmentu biosyntetického procesu. V roce 2017 američtí vědci zjistili, že takové světlo pomáhá efektivněji přenášet elektrony v chloroplastech a také snižuje rozptyl světla ve formě tepla. Také daleko červené světlo pomáhá rostlině orientovat se v denním cyklu a připravit se na chlad noci. Příliš mnoho daleko červeného světla však rostlinám škodí: způsobuje zmenšování listů a snižuje se v nich množství chlorofylu.

K nastartování procesu fotosyntézy samotné světlo nestačí – jsou potřeba i chloroplasty. Modré (441–500 nm) a fialové světlo (401–440 nm) hrají důležitou roli ve vývoji chloroplastů a produkci chlorofylu. Kromě toho fotoreceptory, které reagují na modré světlo, pomáhají rostlině chránit se před přehřátím.

Zelené světlo (501–565 nm) je méně absorbováno listy. Důležitou roli však má také zelené světlo a úzce související žluté světlo (566–600 nm). Toto světlo proniká hlouběji do koruny i do hlubších vrstev samotného listu a pomáhá aktivovat více chloroplastů. Toto záření je užitečné zejména pro vodní rostliny a rostliny, které jsou často ve stínu.

Ultrafialové (UV) záření s nejvyšší energií představuje pouze 5 procent slunečního spektra. Záření v této oblasti spektra se přímo nepodílí na fotosyntéze, ale má regulační funkci a nelze opomenout jeho vliv na rostliny.

Energeticky méně „bohatá“ část UV záření (UVA, 320–400 nm) vytváří pro rostliny malý stres a přispívá tak k akumulaci prospěšných antioxidantů v listech a plodech: flavonoidů, fenolů a kyseliny askorbové. Údaje o vlivu této části UV spektra na fotosyntézu jsou rozporuplné. Některé rostliny, jako je květ australské pimelie (Pimelea ligustrina), S takto dlouhovlnným ultrafialovým zářením lépe fotosyntetizují díky rychlejší excitaci chlorofylu. Při přebytku takového záření se však rychlost fotosyntézy může zpomalit.

Ale kratší vlnové délky UV záření (UV-B, 295–320 nm) jsou škodlivé pro všechny rostliny. Četné studie ukazují, že nadbytek takových paprsků nejen negativně ovlivňuje fotosyntézu a zpomaluje růst rostlin, ale také způsobuje poškození DNA.

Elektrony a fotony

Vědci dlouhou dobu zkoumali vliv různého světla na rostliny čistě teoreticky. Světlo o specifické vlnové délce bylo vyříznuto z bílé pomocí čoček a filtrů. Taková zařízení byla složitá, drahá a extrémně vzdálená od polí se skutečnými bramborami a rajčaty. Vše se změnilo v druhé polovině XNUMX. století, kdy se objevily zářivky a LED diody, díky kterým bylo docela snadné získat světlo o určité vlnové délce.

Provoz obou zařízení je založen na jevu elektroluminiscence, ale generování barevného světla v každém z nich probíhá jinak. Ve zářivce prochází elektrický výboj rtuťovými parami a vyřazuje fotony ultrafialového záření, které jsou pak pomocí fosforu znovu emitovány ve viditelné oblasti. V tomto případě fosfor absorbuje foton, excituje se a po nějaké době excitaci resetuje a emituje foton s delší vlnovou délkou. Který přesně závisí na struktuře konkrétního fosforu.

Co jsou fosfory?

Fosfory jsou látky, které mohou luminiscovat, tedy přeměňovat absorbovanou energii (elektrickou, světelnou) na světelnou energii. Změnou struktury fosforu můžete získat světlo s požadovanou vlnovou délkou: červené, modré nebo jakékoli jiné. Pro každou rostlinu můžete najít vhodné fosfory nebo jejich kombinace, které vám umožní dosáhnout maximální rychlosti růstu a produktivity. Je však důležité, aby tyto látky byly dostupné a netoxické, aby našly skutečné využití v zemědělství.

V tomto okamžiku se elektrony a díry pohybují k sobě a rekombinují se a přebytečná energie se uvolňuje ve formě fotonů. Vlnová délka výstupního světla závisí na vlastnostech polovodičového materiálu.

První experimenty s LED a fosforovými lampami byly provedeny v roce 1991 na ISS. Dnes jsou taková zařízení dostupnější a používají se jako doplňkové zdroje světla nejen v průmyslovém zemědělství, ale i v soukromých sklenících. V oknech mnoha domů je navíc večer vidět světlo fialových fytolamp. Ve skutečnosti takové lampy nejčastěji nevyzařují fialové světlo, ale kombinaci červené a modré. Dodatečný zdroj světla je pro rostliny prospěšný zejména v zimě. Vědci zároveň pokračují v hledání nových, účinnějších a dostupnějších elektroluminiscenčních materiálů a pro již známé vybírají jednodušší způsoby, jak je získat.

Kromě toho se vědci zabývají výběrem optimálních poměrů světla pro různé zemědělské úkoly. Například v roce 2020 čínští vědci ozářili sladkou bazalku (Ocimum basilicum) červené, modré a zelené LED. Ukázalo se, že rychlost fotosyntézy je maximální při poměru červená/modrá/zelená 4/1/1. Aby se ale v listech hromadily cennější antioxidanty, je lepší množství červeného světla mírně omezit.

Nejprospěšnější bazalka byla získána při ozáření světlem s poměrem červená/modrá/zelená 2/1/1.

Sluneční světlo 2.0

Původcem luminiscence může být i běžné sluneční záření. K tomu si můžete vzít fosfor – stejný, jaký se používá v elektroluminiscenční lampě, ale místo umělého UV záření použijte přirozené sluneční světlo. Intenzita výsledného barevného světla bude samozřejmě nižší, ale nebudete muset utrácet další elektřinu.

Zapuštěním takového materiálu například do průhledné stěny skleníku je možné upravit spektrální složení světla ještě před dopadem na povrch plechu. Škodlivé části záření lze odříznout a užitečné naopak posílit.

Nejoblíbenější v agrofotonice jsou tzv konverze dolů konvertory, které přeměňují krátkovlnné záření na dlouhovlnné záření. Používají se k odříznutí přebytečného UV záření a místo toho přijímají červené světlo, které je užitečné pro fotosyntézu. Například japonští vědci v oblasti materiálů vyvinuli průhledné filmy na bázi komplexů europia (Eu 3+ ) s fotosenzibilizátorem a testovali jejich účinek na sazenicích modřínu Kaempfer. Rychlost růstu biomasy se zvýšila 1,4krát ve srovnání se vzorky, které byly ozářeny standardním slunečním zářením.

Jsou up-conversion konvertory, které přeměňují záření s nižší energií na záření s vysokou energií. V agrofotonice se takové materiály používají k přeměně daleko červených a infračervených paprsků na jednoduše červené paprsky, které jsou nejužitečnější pro fotosyntézu. Například ruští vědci získali nanočástice fluoridu strontnatého dopované erbiem a ytterbiem (Sr_0.955Yb_0.02Er_0.025F_2.045), které vyzařují červené světlo o vlnové délce 660 nm a zelené paprsky o vlnových délkách 545 nm a 525 nm.

Rajčata ozářená tímto světlem (Solanum lycopersicum) rostly rychleji a jejich listy byly větší a obsahovaly více chlorofylu.

Lampa pro růst

Aby barevné světlo skutečně pomohlo rostlinám vyvíjet se rychleji, nestačí pouze získat správné fosfory. Důležitou roli hraje také konstrukce zařízení: musí být pohodlné, levné a bezpečné jak pro zařízení, tak pro lidskou obsluhu. Sibiřská federální univerzita (SFU) si nechala patentovat fytolampu s nastavitelným spektrem, která kombinuje více druhů osvětlení v jednom zařízení.

K vybuzení luminiscence používá modrou diodu (450–460 nm) – to šetří energii a snižuje zahřívání lampy – a k produkci červeného a zeleného světla se používají různé fosfory. Díky konstrukci lze složení spektra upravit přímo během experimentu.

„Design lampy je velmi jednoduchý,“ říká Maxim Molokeev, docent na Institutu inženýrské fyziky a radioelektroniky na Sibiřské federální univerzitě, „Máme substrát, na kterém jsou naneseny dva typy fosforů. Při ozáření modrým světlem začne jeden fosfor svítit bíle (směs modré, červené a zelené) a druhý začne svítit červeně. Změnou polohy skla je možné upravit ozařovací zónu každého fosforu, v důsledku čehož se mění i spektrum přijímaného světla.“

Lampa umožňuje získat poměr modré, zelené a červené části spektra, který konkrétní rostlina potřebuje. Kromě toho lze složení spektra měnit již během vegetačního období: například během aktivního vegetativního růstu a získávání biomasy použijte jeden poměr modré, červené a zelené, během kvetení – jiný, během plodování – třetí.

Nová lampa zatím funguje na komerčních luminoforech, ale vědci plánují přejít na luminofory vlastní konstrukce. Na tomto úkolu spolupracuje několik skupin vědců.

Tvůrce lampy Maxim Molokeev se také zabývá strojovým učením a vyvíjí modely, které předpovídají vlastnosti fosforu na základě jeho elementárního složení a struktury. Jsou vyškoleni na databázi známých luminiscenčních materiálů a dokážou předpovídat nejen kvantový výtěžek luminiscence, ale také vlnovou délku s přesností 15 nanometrů.

Maxim Molokeev a jeho kolegové upřednostňují červené a infračervené fosfory, které by při ozařování modrým světlem poskytovaly vysoké kvantové výtěžky.

„Již existují bílé fosfory s kvantovým výtěžkem téměř 100 procent,“ říká Maxim Molokeev. — Jedná se o yttrium-hlinitý granát dopovaný cerem. Z nich vezmeme zelenou část spektra. Modrou část spektra vytváří polovodičová dioda. Červená a infračervená ale vážně chybí. Existuje například komerční červený fosfor s vlnovou délkou 620 nm, ale pro rostliny by byl lepší delší – asi 650 nm. A pro daleko červené a infračervené světlo – 750 nm a více – neexistují vůbec žádné dobré komerčně dostupné fosfory. Proto jsem se pokusil náš model „vybrousit“ speciálně pro červené a infračervené světlo. Může vám říci, jak změnit strukturu již známého fosforu tak, aby vyzařoval v požadovaném rozsahu. Vezmeme například ten, který vyzařuje na 720 nm, trochu ho upravíme – a dostaneme 750 nm.“

Chemici pod vedením vedoucího katedry fyzikální a anorganické chemie Ústavu neželezných kovů Ljubov Denisové vyvíjejí optimální způsoby syntézy nových fosforů. Vědci testují metody vysokoteplotního slinování v pevné fázi, sol-gel syntézy a samo se šířící vysokoteplotní syntézy. Jejich cílem je dosáhnout dobré čistoty konečného produktu a vysokých hodnot kvantového výtěžku za použití co nejmírnějších podmínek. To je nezbytné, aby byl materiál levný a dostupný.

Hotové fytolampy s fosfory jsou testovány světelnými fyziology pod vedením Alexandra Tikhomirova, profesora Ústavu biofyziky SB RAS. Vědci vybírají optimální složení spektra a světelného režimu pro každé vegetační období: zjišťují, jaké procento daleko červeného světla je potřeba přidat pro rychlý nárůst biomasy a jaké procento pro dobré kvetení. K tomu má fytolampa režim záznamu, který vám umožňuje uložit historii práce s konkrétní skupinou rostlin, abyste mohli analyzovat informace v budoucnu. Pro první testy lampy jsme zvolili ředkvičky, které mají krátkou vegetační dobu (25–28 dní). Další na řadě jsou rostliny s delší vegetační dobou, především rajčata.

Maxim Molokeev poznamenává, že nové fytolampy se snadno vyrábějí, sestávají z dostupných materiálů a jsou vhodné pro hromadnou výrobu. Je pravděpodobné, že na pultech obchodů brzy uvidíme zeleninu pěstovanou pod fytolampami.