УФ-светодиоды в сельском хозяйстве

Вследствие бурного роста, происходящего в тепличном и городском растениеводстве, светодиоды становятся привлекательными источниками света, прежде всего из-за их энергоэкономичности, однако достижения в области УФ-светодиодов позволяют получить дополнительные преимущества от УФ-А- и УФ-В-излучения. Доказано, что воздействие ультрафиолета приводит к увеличению активных веществ в лекарственных растениях, включая антиоксидантные свойства многочисленных растений и содержание ТГК (тетрагидроканнабинола) в конопле. Ультрафиолетовый свет также помогает поддерживать здоровую среду, подавляя плесень, ложную мучнистую росу и некоторых вредителей растений во всех случаях, когда необходима альтернатива химическим веществам из-за повышения устойчивости к фунгицидам. В то время как многие из распространенных светильников, используемых в тепличном сельском хозяйстве, имеют в спектре определенный (хотя и небольшой) уровень ультрафиолетового излучения, материалы линз блокируют большую, если не всю часть этого УФ-света. Поскольку цена УФ-светодиодов продолжает снижаться, улучшается возможность экономически эффективно включать в процесс выращивания растений целенаправленное облучение ультрафиолетом с требуемой длиной волны, правильной дозой и в соответствующий период жизненного цикла конкретных видов растений. Однако УФ-светодиоды по-прежнему необходимо применять в сочетании с подходящими линзами, которые могут пропускать УФ-излучение без риска деградации или разрушения линзы и/или самого светодиода.

История и длины волн Ультрафиолетовый (УФ) свет является основной частью электромагнитного спектра с длиной волны 10-400 нм (рис. 1), невидимой для человеческого глаза, хотя некоторые области УФ-излучения воспринимаются насекомыми и птицами. Большая часть ультрафиолетового спектра, включая весь экстремальный ультрафиолетовый (10-100 нм) и большую часть спектра с длиной волны менее 280 нм, поглощается атмосферой.

ем не менее по-прежнему важно понимать преимущества каждой области УФ-спектра, учитывая нашу способность искусственно воспроизводить эти длины волн.

Классификация УФ-спектра, использование и преимущества

•УФ-С (200-280 нм) - почти полностью поглощается земной атмосферой, обычно применяется для обеззараживания;
•УФ-В (280-320 нм) - приблизительно 95% УФ-В поглощается земной атмосферой. Широко известен в связи с повышенным риском развития рака кожи, однако также было обнаружено, что он имеет противомикробное действие, включая борьбу с сельскохозяйственными инфекциями и вредителями, такими как мучнистая роса и паутинные клещи; кроме того, он инициирует ответную реакцию растений, которые увеличивают производство флавоноидов и каннабиноидов;
•УФ-А (320-400 нм) - часто называемый черным светом, УФ-А имеет самую большую длину волны в УФ-спектре и считается наименее вредным. Он наиболее известен своим применением в УФ-отверждении, обнаружении подделок и судебной экспертизе, но также применяется в сельском хозяйстве из-за его способности запускать желаемые реакции у растений.

В индустрии ультрафиолетового освещения в основном преобладают источники, отличные от светодиодов, обычно это ртутные лампы. Однако в последние годы наблюдается значительный прогресс УФ-светодиодов не только благодаря достижениям в производстве твердотельных УФ-устройств, но и в результате повышенного внимания к поиску более экологически чистых и энергосберегающих способов получения УФ-излучения.

Однако только недавно светодиоды смогли покрыть все диапазоны ультрафиолетового излучения. Светодиоды, излучающие ультрафиолет в верхней части диапазона УФ-А (390-420 нм), доступны с конца 1990-х годов, они, как правило, используются для обнаружения фальшивых купюр, проверки водительских прав и документов, а также в судебной экспертизе. Фактически на большой части рынка УФ-светодиодов преобладают такие применения, как отверждение красок, покрытий или адгезивов с помощью УФ-А-излучения в диапазоне 350-390 нм.

При переходе на более короткие длины волн - UV-В и UV-C - область применения меняется на дезинфекцию продуктов питания, воздуха, воды и поверхностей. Хотя УФ-излучение имеет долгую, хорошо известную историю обеззараживающего воздействия, светодиоды в этом диапазоне стали использоваться совсем недавно (первая коммерческая система обеззараживания воды на основе УФ-С-светодиодов введена в эксплуатацию в 2012 году). Для многих отраслей промышленности, таких как очистка воды, привлекательна не только экономия энергии, которую дают светодиоды; чрезвычайно маленькие размеры светодиодов делают их очень гибкими в использовании, включая возможность создания переносных систем дезинфекции. Благодаря этим достижениям за последнее десятилетие рынок УФ-светодиодов увеличился в пять раз, и прогнозируется, что к 2025 году вырастет до $1,3 млрд. Ключевая тенденция, которая, как ожидается, будет влиять на рынок, - это способность находить новые применения, включая изделия для солнечной энергетики, пищевую промышленность и производство напитков, а также сельское хозяйство. Однако по-прежнему необходимы дополнительные улучшения (особенно в том, что касается линз для этих изделий), позволяющие гарантировать, что технология может достичь желаемых результатов в каждой отрасли экономически эффективным образом.

С бурным развитием, происходящим в тепличном и городском сельском хозяйстве, растет стремление продолжать совершенствовать процесс выращивания растений экономически эффективным способом, который по-прежнему будет давать положительные результаты. Значительная часть существующих исследований по использованию светодиодов в сельском хозяйстве сосредоточена на длинах волн видимого света и спектра, который необходим растениям для различных процессов. В ходе масштабных исследований «NASA определило, что светодиодные светильники являются лучшими источниками света для выращивания растений как на Земле, так и в космосе». Фактически выполнена большая работа по изучению того, как различные длины волн влияют на рост растений. Эта информация позволит обеспечить дальнейшее развитие освещения со специализированным спектром, которое дает более высокие результаты в выращивании растений при меньших затратах энергии. Например, было определено, что красный свет (630-660 нм) необходим для роста стебля и увеличения размера листьев. Эта же длина волны регулирует периоды цветения и покоя.

В то время как первые светодиоды были далеки от того, чтобы удовлетворять потребности и растений, и самих растениеводов, самые современные светодиоды стали основой практичных решений для выращивания в помещениях, обеспечивая значительную экономию средств (при условии использования линз из правильного материала), особенно по сравнению с традиционными системами освещения, такими как натриевые газоразрядные лампы высокого давления (НЛВД).

Одновременно непрерывное улучшение УФ-светодиодов позволяет получать преимущества, которые дает ультрафиолетовый свет, особенно УФ-А и УФ-В, в процессе выращивания растений в помещении (рис. 2). Исследователи обнаружили, что в отсутствие ультрафиолетового света у некоторых видов растений могут «развиваться наросты на листьях и наблюдаться деформация тканей». Например, обычное стекло блокирует более 90% УФ-В излучения, поэтому выращивание растений в теплицах или других подобных средах без дополнительного освещения может иметь неблагоприятные последствия.

Рис. 2 УФ-излучение может увеличить количество активных веществ в лекарственных растениях, например повысить антиоксидантные свойства розмарина или уровень ТГК в конопле

Было также показано, что воздействие ультрафиолетового света приводит к увеличению производства активных веществ в лекарственных растениях, в частности к повышению антиоксидантных свойств многих растений или уровня ТГК в конопле. В растениях протекают химические процессы, при этом разные длины волн света вызывают определенные реакции, включая реакции на УФ-излучение, которые могут приводить к изменению формы растения и его химического состава. Однако, чтобы действительно понять все последствия, включая лучшие методы внедрения, эта область фотоники по-прежнему нуждается в проведении огромного объема исследований.

Одной из наиболее распространенных реакций растений на УФ-излучение является синтез и накопление УФ- поглощающих соединений. Эти соединения, в том числе фенольные вещества, действуют как солнцезащитный крем для растений, предотвращая повреждение из-за чрезмерного воздействия УФ- излучения. Однако фенольные соединения не только защищают растения, они полезны для здоровья человека, включая антиоксидантные свойства и профилактику различных хронических заболеваний,таких как некоторые виды рака и сердечно-сосудистые заболевания. Изучается воздействие ресвератрола, найденного в винограде и красном вине, на здоровье сердца, иммунную систему и даже функции мозга. Исследование розмарина показало, что общее содержание в нем фенольных соединений приблизительно удваивается при выращивании с использованием УФ-В-излучения. Аналогично увеличилось содержание эфирных масел при таком выращивании Mentha spicata (мяты).

Другой вид растений, известный увеличением лекарственных соединений под УФ-излучением, это конопля посевная. Исследования показали, что более высокие уровни каннабиноидов обнаружены у растений на самых низких экваториальных широтах и на больших высотах (на 32% больше на высоте 3350 м, чем на 1500 м). Было установлено, что эти регионы имеют более высокие уровни УФ-В. Последующие исследования показали, что облучение растений УФ-В повышает на 48% в тканях листьев и 32% в цветах уровень Д9-тетрагидроканнабинола (А9-ТГК), который имеет широкое лекарственное применение.

Ультрафиолетовый свет также помогает поддерживать здоровую среду, подавляя плесень, ложную мучнистую росу и некоторых вредителей растений во всех случаях, когда необходима альтернатива химическим веществам из-за повышения устойчивости к фунгицидам. УФ-поглощающие соединения, производимые растениями для их защиты от слишком большого количества УФ- излучения, также могут помочь в защите растений от инфекций, травм и некоторых вредителей. Эти соединения как будто изменяют «привлекательность» растений для вредителей.

Одной из основных угроз для производителей, выращивающих растения в помещениях, является мучнистая роса. Было доказано, что УФ-излучение значительно уменьшает поражение растений мучнистой росой, начиная от винограда, роз, огурцов, розмарина и заканчивая клубникой. Исследователи успешно уменьшили тяжесть поражения мучнистой росой на 90-99%, используя подходящие дозы УФ-В- излучения.

УФ-В-излучение доказало свою эффективность и для сокращения выживаемости и количества яиц паутинных клещей - вредителей, которые, как известно, разрушают целые посевы. В исследовании Ohtsuka и Osakabe менее 6% подвергшихся воздействию доз УФ-В личинок выжили на второй день, а на третий день эксперимента погибли все личинки.

Третьей серьезной угрозой является Botrytis cinerea, тип серой плесени, часто называемой серой гнилью, которая может поражать 200 различных видов, как правило, это фрукты или цветы, включая клубнику, виноград и коноплю. Этот вредитель заносится, как правило, с улицы, в помещение для выращивания растений он попадает по воздуху или на обуви и одежде. Борьба с этим вредителем может включать использование системы дезинфекции воздуха и/или дезинфекции пола. Исследования показали, что очищение от спор Botrytis cinerea наиболее эффективно происходит с помощью облучения УФ-С. Mercier и соавторы (2001) с дозами УФ-С 440-2200 Дж/м2 достигли уровня дезинфекции более 90 %.

За последние несколько десятилетий значительно увеличился объем данных, подтверждающих пользу УФ-излучения для защиты сельскохозяйственных культур от плесени, ложной мучнистой росы и других вредителей растений, а также способность повышать лекарственные свойства растений (рис. 3). Однако по-прежнему существуют серьезные проблемы с тем, как успешно внедрить УФ-излучение в помещения для выращивания растений.

Рис. 3 Мучнистая роса и клещи представляют серьезную угрозу для многих культур но их количество может быть существенно уменьшено с помощью УФ-излучения

Ультрафиолетовая светодиодная система должна учитывать специфические требования к дозе ультрафиолетового излучения, необходимой длине волны и размещению источника излучения относительно растений. Также следует помнить об отведении тепла, конструкции оптики, источнике питания и драйвере и, самое главное, о материале линзы.

При выращивании растений в помещениях важно определить спектр, который наилучшим образом отвечает потребностям растений, поскольку потребность в разных длинах волн зависит от того, на какой стадии роста находятся растения и какого они вида. Например, в видимом спектре небольшой процент зеленого света (до 24% для некоторых видов) может быть полезен для стимуляции роста растений, но исследования показали, что он видоспецифичен и доле свыше 50% может вызывать пагубные последствия. То же самое верно и при включении УФ-излучения в сельскохозяйственное освещение - надо четко понимать, в чем именно нуждаются растения.

В некоторых случаях может потребоваться интеграция источника УФ-излучения в первичный источник освещения. Например, ресвератрол, лекарственное вещество, производимое растениями в ответ на стресс, получается в ходе химической реакции, которая требует УФ-А- излучения с длиной волны ниже 360 нм. Производители, заинтересованные в повышении уровня специфических флавоноидов или каннабиноидов, скорее всего, захотят использовать УФ-А, УФ-В или их комбинацию для достижения необходимого эффекта.

Если производитель заинтересован в предотвращении заражения конкретными вредителями растений, таких как мучнистая роса и паутинные клещи, в борьбе с ними решающее значение может иметь дополнительное облучение конкретными дозами УФ-В-излучения. Для лечения Botrytis cinerea ультрафиолетовое излучение можно интегрировать в системы, предназначенные для дезинфекции воздуха помещений, или использовать в качестве отдельного дополнительного облучения, применяемого в рамках регулярных циклов лечения растений дозами УФ-С. Принимая во внимание различные потребности и применения УФ-излучения в сельском хозяйстве, важно сотрудничать с компаниями - изготовителями облучающих устройств, которые понимают тонкости применения УФ-излучения как для увеличения роста растений, так и для дезинфекции и борьбы с вредителями.

Независимо от того, оцениваете ли вы светильник или отдельные светодиодные компоненты, общая методология включает сравнение значений потока излучения, указываемых различными производителями. Однако следует проявлять особую осторожность и убедиться, что вы действительно сравниваете одно и то же измерение по различным параметрам, и имейте в виду, что многие компании недостаточно раскрывают параметры испытаний, включая наиболее важный фактор, называемый расстоянием. Не контролируя различия в этих параметрах, сравнивать числа бессмысленно.

Кроме того, многие из датчиков, представленных на рынке, предназначены только для измерения конкретных частей электромагнитного спектра и могут не правильно измерять отдельные части спектра, нередко включающие дальнюю красную часть видимого спектра и дальнюю УФ-часть невидимого спектра. Так, при оценке параметров освещения с помощью плотности фотосинтетического фотонного потока (PPFD) важно понимать, что датчик будет давать результат, пропорциональный числу фотонов, без учета того, что фотоны разных длин волн несут разную энергию. Разные длины волн имеют неодинаковую ценность и привлекательность для выращивания растений, при этом часть спектра может оказаться за границами диапазона чувствительности фотометра.

Энергия каждого фотона обратно пропорциональна длине его волны. Чем короче длина волны, тем более энергетичным является фотон, чем длиннее длина волны, тем менее энергетичен фотон. Поэтому красный свет несет меньше энергии, чем желтый или зеленый, хотя и является более желательным для растений с точки зрения фотосинтеза и других химических процессов, происходящих в растении. Другими словами, светильники, излучающие много желтого и зеленого света, могут давать более высокие значения PPFD, но при этом они не могут производить свет, необходимый растениям.

Если оценивать только параметры УФ-освещения, следует отметить, что, хотя существует широкий спектр УФ- радиометров, предназначенных для измерения УФ-излучения, создаваемого традиционными широкополосными ртутными газоразрядными лампами, которые в первую очередь генерируют УФ-С, эти радиометры не смогут должным образом измерить УФ-излучение, создаваемое УФ-светодиодами, особенно если конструкция светильника предполагает несколько полос ультрафиолетового излучения, не совпадающих с целевым спектром используемого датчика. Многие производители УФ-светодиодных чипов будут измерять поток УФ-излучения светодиодов в интегрирующей сфере, также известной как сфера Ульбрихта, однако это измерение не даст ответа на вопрос, что на самом деле будут испытывать растения.

Влияние линз

При выборе светодиодного освещения для растений очень важно помнить, что, хотя растения не могут получить слишком много света, они, безусловно, могут получить слишком много тепла. В то время как светодиоды более эффективны, чем ртутные лампы, исследования показывают, что УФ-светодиоды преобразуют только 15-25 % входной мощности в излучение. Оставшаяся часть мощности превращается в тепло, поэтому отведение тепла должно стать существенным элементом системы.

Кроме того, когда светильники испускают излучение с длинами волн в областях спектра, не требуемых растениями, фотоны, не поглощенные растением, в конечном итоге преобразуются в тепло, нагревая окружающую среду, в результате требуются более высокие затраты на охлаждение - это и постоянное потребление электроэнергии, и расходы на инфраструктуру.

Подобно покрытиям теплиц, некоторые типы линз, такие как внешний стеклянный колпак натриевого газоразрядного светильника, фактически блокируют большую часть ультрафиолетового излучения, переводя его в тепло.

Другим важным фактором при использовании ультрафиолетовых или даже синих светодиодов является то, что с течением времени большинство материалов линз подвержено значительной деградации, а это приведет к снижению эффективности и даже может стать причиной поглощения существенного количества тепла и в конечном итоге способно уничтожить сам светодиод (рис. 4).Однако новые достижения, в частности запатентованная технология компании Violet Gro, позволяют сочетать источник ультрафиолетового излучения с особым классом прозрачного для ультрафиолета материала линз, не подверженного указанным негативным эффектам. Эта уникальная линза, имеющая непосредственный контакт с УФ-светодиодами, позволяет выводить больше ультрафиолетового излучения и направлять его на освещаемые объекты, увеличивая эффективность и уменьшая тепловую мощность. Это выгодно как для срока службы светодиодов, так и для значительного снижения требований к охлаждению в помещении для выращивания растений.

Поскольку стоимость УФ-светодиодов продолжает снижаться, резко возрастает возможность эффективно включать УФ-излучение в процесс выращивания растений с учетом выбора правильных длин волн, дозировки и нужного времени жизненного цикла конкретных видов растений. Это позволит провести дальнейшие исследования и разработку УФ-решений, в том числе определение оптимальных комбинаций ультрафиолетовых длин волн и доз для достижения желаемых эффектов для конкретных видов растений.

Независимо от желаемых результатов - роста растений или борьбы с вредителями - для эффективности и долговечности светильников УФ- светодиоды по-прежнему необходимо сочетать с соответствующей пропускающей ультрафиолет линзой, которая позволяет передавать УФ-излучение без риска деградации или разрушения линзы и самого светодиода.