ما هي أنسب الإشعاعات المتوفرة للتمثيل الضوئي (PAR) والإشعاع القابل للاستخدام للتمثيل الضوئي (PUR) للنباتات/الطحالب المختلفة في الزراعة المائية أو الطحالب؟

一, الاختلافات في احتياجات الضوء لمجموعات مختلفة من محطات المياه وكيفية جعل PUR يعمل بشكل أفضل
1. تحتاج النباتات المائية الإيجابية إلى الكثير من الضوء وتعمل بشكل جيد مع كل من الضوء الأحمر والأزرق.
للحفاظ على شكلها ولون جسمها النابض بالحياة، تحتاج النباتات المائية الإيجابية مثل الفراشات الحمراء وعشب القصر إلى الكثير من الضوء. أفضل نطاق PAR له هو 150-300 ميكرومول/م²/ث، على الرغم من أن كفاءة PUR ترتفع بنسبة 40% عند استخدام الضوء الأحمر بطول 660 نانومتر والضوء الأزرق بطول 450 نانومتر معًا. على سبيل المثال، يستخدم مختبر ADA للنباتات المائية في ألمانيا نظام LED للحصول على ضوء أحمر: نسبة ضوء أزرق تبلغ 3:1. وهذا يجعل النباتات المائية الإيجابية تنمو بنسبة 28% أكثر من مصابيح الفلورسنت العادية. في نفس الوقت، يتم استخدام الضوء الأبيض 6500K لملء الفجوات في نطاق الضوء الأخضر 550 نانومتر. وهذا يسهل وصول الضوء إلى المياه العميقة ويحل مشكلة فقدان الضوء في مناطق المياه العميقة.
2. ضعف التكيف مع الضوء وتوازن الطيف الكامل للنباتات المائية السلبية
يمكن للنباتات المائية السلبية، مثل التاج الحديدي والطحلب، أن تزدهر في نطاق PAR يتراوح بين 20-70 ميكرومول/م²/ث. ومع ذلك، تعتمد كفاءة PUR على التغطية الطيفية الكاملة. استخدمت شركة Takagi Aqua، وهي شركة يابانية، تقنية طلاء النانو لتحسين أطياف LED. لقد تمكنوا من الحصول على نسبة طاقة تبلغ 1:2 بين نطاق الضوء الأزرق (400-500 نانومتر) ونطاق الضوء الأحمر (600-700 نانومتر). باستخدام الضوء الأخضر بطول 550 نانومتر، تم تغيير درجة حرارة لون الماء أيضًا إلى 6500 كلفن، مما جعله يبدو وكأنه إعداد إضاءة تيار طبيعي. أدى هذا إلى زيادة غنى النباتات المائية السلبية بالكلوروفيل-بنسبة 35% وأبطأ نمو الطحالب بنسبة 60%.
3. التعويض الخفيف في المنطقة الانتقالية للنباتات المائية
تتطلب النباتات المائية، مثل البصل المائي والقصب، تغيير إعدادات PAR/PUR طوال الوقت لأنها تنمو في منطقة يلتقي فيها الماء بالأرض. وفقًا لبحث أجرته جامعة شنغهاي للمحيطات، ينمو الجزء تحت الماء من النبات بشكل أفضل بمعدل PAR يبلغ 100-150 ميكرومول/م ²/ث، في حين أن الجزء المائي أعلاه- يحتاج إلى إضاءة عالية تبلغ 200-300 ميكرومول/م ²/ث. يتم استخدام مصفوفات LED ذات زاوية قابلة للتعديل في الهندسة، ويقوم نظام إنترنت الأشياء تلقائيًا بتغيير وضع الإضاءة بناءً على مرحلة نمو المصنع. على سبيل المثال، يتم استخدام الضوء الأزرق بطول 450 نانومتر في الغالب خلال مرحلة الشتلات (يمثل PUR 60%) لتشجيع نمو الجذور، ويستخدم الضوء الأحمر بطول 660 نانومتر في الغالب خلال مرحلة النضج (يمثل PUR 75%) لتشجيع الإزهار.
2، العتبة البيئية الضوئية وفحص PUR لنمو الطحالب
1. تختلف احتياجات الضوء للطحالب الدقيقة من نوع لآخر.
تتفاعل أنواع مختلفة من الطحالب بشكل مختلف تمامًا مع PAR/PUR:
أفضل PAR لـ Chlorella vulgaris هو 50-150 ميكرومول/م²/ث، في حين أن أفضل كفاءة PUR هي عندما يتم استخدام الضوء الأزرق عند 450 نانومتر والضوء الأحمر عند 660 نانومتر معًا. أظهرت تجربة المفاعل الحيوي الضوئي في جامعة تشينغداو للمحيطات أن استخدام نسبة 1:1 من الضوء الأزرق والأحمر أدى إلى زيادة الكتلة الحيوية للكلوريلا بنسبة 2.3 مرة مقارنة بتنميتها تحت الضوء الأبيض، وتركيز الأستازانتين بنسبة 40%.
سبيرولينا هي طحالب يمكنها تحمل الكثير من الضوء. يزيد PAR المشبع عن 500 ميكرومول/م²/ث، ولكن كفاءة PUR الخاصة به هي الأفضل في نطاق الضوء الأحمر 660 نانومتر. تستخدم قاعدة صناعة Yunnan Spirulina مصابيح LED ذات نطاق ضيق 680 نانومتر، مما يسمح بإنتاجية مساحة الوحدة بأكثر من 120 جم/م²/السنة ويجعل ثقافة الطاقة الشمسية التقليدية أكثر كفاءة بنسبة 300%.
البكتيريا الزرقاء: هناك قدر معين من الضوء الأحمر الذي يمكنها امتصاصه عند 620 نانومتر، ولكن الكثير من الضوء الأحمر يمكن أن يؤدي بسهولة إلى تكاثر الطحالب. في مشروع معالجة حوض بحيرة تايهو، يثبط الضوء الأزرق بطول 450 نانومتر نشاط نظام التمثيل الضوئي II في البكتيريا الزرقاء، ويجمع الضوء الأحمر بطول 660 نانومتر معه فيكوبيليبروتين. وهذا يقلل من الكتلة الحيوية للبكتيريا الزرقاء بنسبة 75% ويزيد من نسبة الطحالب المفيدة مثل الطحالب الخضراء والدياتومات إلى 80%.
2. العملية التي يتم بها إيقاف المنافسة الخفيفة بين مجموعات الطحالب
في زراعة الطحالب المختلطة، أصبح تنظيم جودة الضوء وسيلة مهمة لتحسين التركيبة السكانية. على سبيل المثال، أثناء زراعة الطحالب الدقيقة كطعم، يتم إجراء "تدجين الضوء" عن طريق تغيير طيف LED في الوقت الفعلي:
خلال مرحلة الشتلات، يتم استخدام الضوء الأزرق بطول 450 نانومتر في الغالب (يمثل PUR 70٪) لوقف نمو الطحالب الخيطية وتشجيع الطحالب أحادية الخلية على التكاثر.
أثناء مرحلة النمو اللوغاريتمي، استخدم الضوء الأحمر بطول 660 نانومتر كمصدر مهيمن (يمثل PUR 80%) لتشجيع انقسام الخلايا الطحالب.
فترة مستقرة: إضافة ضوء أخضر بطول 550 نانومتر (يمثل PUR 10%) لتقليل تأثير التثبيط الضوئي وتمديد دورة إنتاج الطحالب.
تعمل هذه الخطة على زيادة نسبة الطحالب-عالية الجودة مثل Chlorella وScendesmus من 60% إلى 92% وخفض تكلفة التصفية بنسبة 30%.
3، الطريق إلى التنفيذ الهندسي والابتكار التكنولوجي
1. نظام التحكم الذكي ببيئة الإضاءة
وباستخدام تقنية إنترنت الأشياء لتوصيل أجهزة استشعار PAR، ووحدات التعديل الطيفي، وأجهزة مراقبة السلوك البيولوجي، من الممكن تحسين ظروف الإضاءة في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، يستخدم حوض السمك في سانيا نظام بيئة ضوئية يعمل بالذكاء الاصطناعي لتغيير المكونات الطيفية وتوزيع شدة الضوء في الوقت الفعلي بناءً على بيانات مثل مدى سطوع المرجان ومدى سرعة سباحة الأسماك.
الوضع النهاري: ضوء أبيض 6500 كلفن مع إضافة ضوء أحمر بنسبة 10%، يبقى PAR بين 200 و250 ميكرومول/م²/ثانية؛ الوضع الليلي: 2700K ضوء دافئ مع 5% ضوء أزرق، ينخفض ​​PAR إلى 50 ميكرومول/م²/ثانية؛
وضع الطوارئ: عند انقطاع التيار الكهربائي، ستضيء مصابيح الأمان الحمراء تلقائيًا الإضاءة المنخفضة (أقل من أو تساوي 20 ميكرومول/م²/ثانية) لتقليل الضغط على الكائنات الحية.
وترفع هذه التقنية معدل بقاء الكائنات الحية على قيد الحياة إلى 98% وتخفض استخدام الطاقة بنسبة 40%.
2. استخدام المواد البصرية التي تحاكي علم الأحياء
يمكن لتقنية طلاء النانو الجديدة أن تحاكي كيفية تأثير المسطحات المائية الطبيعية على طيف الضوء. قام أحد مراكز التسوق في مدينة شنتشن بتغطية زجاج حوض السمك بطبقة من الكريستال الضوئي. يؤدي هذا إلى خفض معدل التوهين لنطاق الضوء الأحمر (620-750 نانومتر) بنسبة 60%، مما يجعل الإضاءة في أقسام المياه العميقة أفضل بكثير. اعمل باستخدام مجموعة LED ذات تركيز قابل للتعديل للحصول على توزيع متدرج PAR تحت الماء:
الطبقة العليا (0-30 سم) لديها PAR يبلغ 300 ميكرومول/م²/ث، مع الضوء الأحمر الذي يشكل 70% من الإجمالي. الطبقة الوسطى (30-60 سم) لديها PAR يبلغ 150 ميكرومول/م²/ث، مع الضوء الأحمر الذي يشكل 50% من الإجمالي. الطبقة السفلية (60-90 سم) لديها PAR يبلغ 75 ميكرومول/م²/ث، مع الضوء الأحمر الذي يشكل 30% من الإجمالي.
يتيح هذا التصميم للنباتات المائية الإيجابية البقاء صغيرة في مواقع المياه العميقة، مما يعني أنها لا تحتاج إلى الكثير من الضوء الإضافي.
3. العمل معًا على التصميم عبر المجالات
يحتاج مهندسو الإضاءة إلى إنشاء طريقة قياسية للعمل مع علماء الأحياء البحرية وعلماء نفس الألوان. تم اكتشاف فندق خمس-نجوم في مدينة هانغتشو من خلال دراسة جماعية تعاونية:
عندما أعطيت سمكة المهرج مزيجًا من الضوء الأزرق بطول 470 نانومتر والضوء الأصفر بطول 590 نانومتر بدلاً من الضوء الأبيض العادي، وضعت بيضًا أكثر بمقدار 2.3 مرة. عندما أعطيت الطحالب الصفراء المرجانية 6500 كلفن من الضوء الأبيض و10% من الضوء الأرجواني (400-420 نانومتر)، ارتفعت كفاءة التعبير عن بروتين الفلورسنت فيها بنسبة 40%.
ومن خلال تغيير الطيف الأساسي كل ساعتين، ارتفع مؤشر التنوع السلوكي للأسماك بنسبة 31%.