Результаты фотобиологических исследований по выращиванию салата под разноспектральными источниками излучения

Павел Павлович Долгих; Сергей Валерьевич Трепуз; Вера Александровна Ханипова; Олеся Владимировна Сенкевич

Павел Павлович Долгих Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный аграрный университет" https://orcid.org/0000-0003-3443-5726
Сергей Валерьевич Трепуз Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный аграрный университет» https://orcid.org/0000-0003-0699-6788
Вера Александровна Ханипова Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный аграрный университет» https://orcid.org/0000-0002-3088-2628
Олеся Владимировна Сенкевич Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации https://orcid.org/0000-0002-2295-4329

Ключевые слова: управляемое растениеводство, вегетационная установка, гидропонные технологии, светокультура, светодиодные облучатели, спектральный состав излучения, интенсивность излучения, качество растениеводческой продукции

Аннотация

Введение. При выращивании растений по технологиям вертикального земледелия важным фактором, регулирующим энергетические процессы, является электромагнитное излучение облучателей с определенными длинами волн в оптическом диапазоне.
Цель статьи. Обоснование технологии светодиодного облучения при выращивании зеленных культур в вегетационных установках в условиях излучения разноспектрального состава, путем определения закономерностей изменения качественных показателей салата сортов Кук, Хризолит и Афицион, и создание на их основе концепции светодиодного облучателя для управляемого растениеводства.
Материалы и методы. Эксперимент проводился в вегетационной установке, в которой в трех камерах с помощью облучателей различного спектра излучения было создано индивидуальное для каждой камеры воздействие (по спектру) на биологические объекты (зеленые растения) при прочих равных условиях.
Результаты исследования. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить ряд разнообразных реакций на воздействие излучения определенного спектрального состава. Было обнаружено стабильное увеличение содержания треонина, фенилаланина, валина, серина, аланина и сахара у салата сорта Кук при выращивании под облучателем с регулируемым спектром. В то же время у салата сорта Хризолит выявлено стабильное снижение содержания данных веществ в тех же условиях. На содержание витамина С реакция обратная – снижение у салата сорта Кук, увеличение у салата сорта Хризолит под облучателем с регулируемым спектром. Для салата сорта Афицион реакция на содержание исследуемых веществ в обоих опытах дифференцирована несходная.
Обсуждение и заключение. Разработка и применение светодиодных облучателей с тонкой настройкой для управляемого растениеводства должны производиться на основе фотобиологических исследований с учетом специфических реакций отдельных сортов растений. Для этих целей предложено техническое решение с набором светодиодов, управляемых по отдельным каналам, с применением цифровых технологий.

Биографии авторов

Павел Павлович Долгих, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный аграрный университет"

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры системоэнергетики Красноярского государственного аграрного университета (660049, Российская Федерация, г. Красноярск, пр. Мира, д. 90), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3443-5726, dpp10@yandex.ru

Сергей Валерьевич Трепуз, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный аграрный университет»

аспирант кафедры системоэнергетики Красноярского государственного аграрного университета (660049, Российская Федерация, г. Красноярск, пр. Мира, д. 90), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0699-6788, mail@growshop24.ru

Вера Александровна Ханипова, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный аграрный университет»

кандидат биологических наук, доцент кафедры эпизоотологии, микробиологии, паразитологии и ветеринарно-санитарной экспертизы Института прикладной биотехнологии и ветеринарной медицины, директор научно-исследовательского испытательного центра Красноярского государственного аграрного университета (660049, Российская Федерация, г. Красноярск, пр. Мира, д. 90), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3088-2628, gasi.vera@yandex.ru

Олеся Владимировна Сенкевич, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации

кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры биологической химии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого Министерства здравоохранения Российской Федерации (660022, Российская Федерация, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, зд. 1), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2295-4329, senk-olesya@mail.ru

Литература

1. Current Trends in Protected Cultivation in Mediterranean Climates / J. A. Fernandez [et al.] // European Journal of Horticultural Science. 2018. Vol. 83, Issue 5. P. 294–305. https://doi.org/10.17660/eJHS.2018/83.5.3

2. Hydroponic Technology as Decentralised System for Domestic Wastewater Treatment and Vegetable Production in Urban Agriculture: A Review / S. T. Magwaza [et al.] // Science of The Total Environment. 2020. Vol. 698. Article no. 134154. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134154

3. Review of Optimum Temperature, Humidity, and Vapour Pressure Deficit for Microclimate Evaluation and Control in Greenhouse Cultivation of Tomato: A Review / R. R. Shamshiri [et al.] // International Agrophysics. 2018. Vol. 32. P. 287–302. https://doi.org/10.1515/intag-2017-0005

4. Al-Kodmany K. The Vertical Farm: A Review of Developments and Implications for the Vertical City // Buildings. 2018. Vol. 8, Issue 2. P. 24. https://doi.org/10.3390/buildings8020024

5. Концептуальные подходы к выбору спектра излучения ламп для выращивания растений в искусственных условиях / А. А. Тихомиров [и др.] // Светотехника. 2019. № 5. С. 19–23. EDN: NJIQCE

6. Prikupets L. B., Terekhov V. G. The Effect of the Irradiation Dose and Time Factors on Producing Capacity of Lettuce and Leaf Vegetables in Photo-Culture Conditions // Light & Engineering. 2022. Vol. 30, Issue 5. P. 4–11. EDN: ZZAVRG

7. Amoozgar A., Mohammadi A., Sabzalian M. R. Impact of Light-Emitting Diode Irradiation on Photosynthesis, Phytochemical Composition and Mineral Element Content of Lettuce cv. Grizzly // Photosynthetica. 2017. Vol. 55, Issue 1. P. 85–95. https://doi.org/10.1007/s11099-016-0216-8

8. ПНCТ 4 1 0-2020. Светокультура растений. Нормы искусственного освещения для зеленных культур. М. : ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. 11 с. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293720/4293720005.pdf (дата обращения: 03.03.2023).

9. Исследование влияния излучения в различных диапазонах области ФАР на продуктивность и биохимический состав биомассы салатно-зеленных культур / Л. Б. Прикупец [и др.] // Светотехника. 2018. № 5. С. 6–12. EDN: YOGLPV

10. Оптимизация светотехнических параметров при светокультуре салатно-зеленных растений с использованием светодиодных излучателей / Л. Б. Прикупец [и др.] // Светотехника. 2019. № 4. С. 6–13. EDN: DXETPS

11. Долгих П. П., Хусенов Г. Н. Влияние параметров облучения на урожайность и качественные характеристики салата сортов Крилда и Аувона // Вестник КрасГАУ. 2018. № 6 (141). С. 154–161. URL: http://www.kgau.ru/vestnik/2018_6/content/31.pdf (дата обращения: 01.02.2023).

12. Nicole C. C. S., Krijn M. P. C. M., van Slooten U. Chapter 1.4 – Postharvest Quality of Leafy Greens Growing in a Plant Factory // Plant Factory Using Artificial Light / M. Anpo [et al.]. Elsevier, 2019. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813973-8.00005-1

13. Князева И. В. Искусственное освещение для получения функциональных продуктов питания // Вестник КрасГАУ. 2020. № 12 (165). С. 25–31. EDN: OEPPII

14. Effects of LED Lighting Recipes on Postharvest Quality of Leafy Vegetables Grown in a Vertical Farm / C. C. S. Nicole [et al.] // ISHS Acta Horticulturae 1256: VI International Conference Postharvest Unlimited. 2019. Vol. 1256. P. 481–488. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2019.1256.68

15. Kelly N., Runkle E. S. Spectral Manipulations to Elicit Desired Quality Attributes of Herbaceous Specialty Crops // European Journal of Horticultural Science. 2020. Vol. 85, Issue 5. P. 339–343. https://doi.org/10.17660/eJHS.2020/85.5.5

16. Особенности влияния спектра излучения на продуктивность и биохимический состав тестовых плодовых и листовых овощных культур / Т. Э. Кулешова [и др.] // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, № 7. С. 1060–1068. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.07.52663.343-21

17. Kozai T., Niu G., Takagaki M. Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production. Second Edition. Academic Press, 2020. https://doi.org/10.1016/C2018-0-00969-X

18. Fujiwara K., Yano A., Eijima K. Design and Development of a Plant-response Experimental Light-source System with LEDs of Five Peak Wavelengths. // Journal of Light & Visual Environment. 2011. Vol. 35, Issue 2. P. 117–122. https://doi.org/10.2150/jlve.35.117

19. Fujiwara K., Yano A. Prototype Development of a Plant-response Experimental Light-source System with LEDs of Six Peak Wavelengths. ISHS Acta Horticulturae 970: International Conference on Quality Management in Supply Chains of Ornamentals QMSCO2012. 2013. Vol. 970. P. 341–346. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2013.970.41

20. Fujiwara K., Sawada T. Design and Development of an LED-artificial Sunlight Source System Prototype Capable of Controlling Relative Spectral Power Distribution // Journal of Light & Visual Environment. 2006. Vol. 30, Issue 3. P. 170–176. https://doi.org/10.2150/jlve.30.170

21. Fujiwara K., Yano A. Controllable Spectrum Artificial Sunlight Source System Using LEDs with 32 Different Peak Wavelengths of 385–910 nm // Bioelectromagnetics. 2011. Vol. 32, Issue 3. P. 243–252. https://doi.org/10.1002/bem.20637

22. Fujiwara K., Eijima K., Yano A. Second-generation LED-artificial Sunlight Source System Available for Light Effects Research in Biological and Agricultural Sciences Proceedings of 7th LuxPacifica, 2013. P. 140–145. https://doi.org/10.1002/bem.20637

23. Долгих П. П. Способы облучения растений в теплицах и их техническая реализация // Материалы VIII междунар. науч.-практ. конф. «Климат, экология, сельское хозяйство Евразии (23‒24 мая 2019 г.)». п. Молодежный : Иркутский государственный аграрный университет им. А. А. Ежевского. 2019. С. 23–31. EDN: OIQJQF

24. Jishi T., Matsuda R., Fujiwara K. Effects of Photosynthetic Photon Flux Density, Frequency, Duty Ratio, and their Interactions on Net Photosynthetic Rate of cos Lettuce Leaves under Pulsed Light: Explanation Based on Photosynthetic-intermediate Pool Dynamics // Photosynthesis Research. 2018. Vol. 136. P. 371–378. https://doi.org/10.1007/s11120-017-0470-z

25. Рентюк В. Светодиод – такой знакомый и неизвестный. Ч. 3. Управление яркостью // Полупроводниковая светотехника. 2017. Т. 3, № 47. С. 54–61. EDN: ZBIDNJ

26. Yurtseven M., Mete S., Onaygil S. The Effects of Temperature and Driving Current on the Key Parameters of Commercially Available, High-power, white LEDs // Lighting Research & Technology. 2016. Vol. 48, Issue 8. P. 943–965. https://doi.org/10.1177/14771535155767

27. Шуничев С. И., Савинова Н. И., Попов Г. Ф. Технология промышленного производства овощей в зимних теплицах. М. : Агропромиздат, 1987. 109 с.

28. Государственный̆ реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т. 1. «Сорта растений» (официальное издание). М. : ФГБНУ «Росинформагротех». 2021. 719 с. URL: https://ogorodum.ru/docs/gosreestr-rus.pdf (дата обращения: 03.03.2023).

29. Лысиков Ю. А. Аминокислоты в питании человека // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2012. № 2. С. 88–105. EDN: TBJPRX

30. Нечаев А. П., Траубенберг С. Е., Кочеткова А. А. Пищевая химия. 2-е изд. СПб. : ГИОРД, 2003. 640 с. https://najar.files.wordpress.com/2012/10/studmed-ru_nechaev-ap-i-dr-pischevaya-himiya_dfd0f24503d.pdf (дата обращения: 03.03.2023).