Micro-sonnellini per le piante: accendere e spegnere le luci può risparmiare energia senza danneggiare i raccolti agricoli interni

Micro-sonnellini per le piante: accendere e spegnere le luci può risparmiare energia senza danneggiare i raccolti agricoli interni
Gli impulsi di luce seguiti da lunghi periodi bui potrebbero contribuire a rendere più sostenibile la produzione agricola interna. DutchScenery / Shutterstock.com

Un arrivo notturno all'aeroporto Schiphol di Amsterdam sorvola il bagliore rosa intenso delle serre di produzione vegetale. Coltivare colture sotto la luce artificiale è guadagnando slancio, in particolare nelle regioni in cui i prezzi dei prodotti possono essere elevati durante le stagioni in cui la luce solare è scarsa.

Paesi Bassi è solo un paese che ha rapidamente adottato agricoltura ad ambiente controllato, dove colture speciali di alto valore come erbe, lattughe e pomodori sono prodotte in serre illuminate tutto l'anno. I sostenitori suggeriscono questi edifici completamente chiusi - o fabbriche di piante - potrebbe essere un modo per riutilizzare lo spazio urbano, ridurre le miglia alimentari e fornire prodotti locali agli abitanti delle città.

Uno dei problemi centrali di questo processo è il alto costo monetario per fornire luce artificiale, di solito tramite una combinazione di diodi luminosi rossi e blu. Costi energetici a volte supera l'25% dell'esborso operativo. Come possono i coltivatori, in particolare nei paesi in via di sviluppo, competere quando il sole è libero? Un maggiore consumo di energia si traduce anche in maggiori emissioni di carbonio, piuttosto che la riduzione dell'impronta di carbonio può fornire piante coltivate in modo sostenibile.

Ho studiato come la luce influenza la crescita e lo sviluppo delle piante per oltre 30 anni. Di recente mi sono ritrovato a chiedermi: invece di far crescere le piante in un ciclo ripetuto di un giorno di luce e una notte di oscurità, cosa accadrebbe se la stessa luce del giorno fosse divisa in impulsi che durano solo ore, minuti o secondi?

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Le piante d'appartamento hanno bisogno di molta luce artificiale. Josefkubes / Shutterstock.com

Brevi lampi di luce e buio

Quindi io e i miei colleghi progettato un esperimento. Appliceremmo la normale quantità di luce in totale, semplicemente la suddividemmo in diversi blocchi di tempo.

Naturalmente le piante dipendono dalla luce per la fotosintesi, il processo che in natura utilizza l'energia del sole per unire l'anidride carbonica e l'acqua in zuccheri che alimentano il metabolismo delle piante. La luce dirige anche la crescita e lo sviluppo attraverso i suoi segnali di giorno e di notte, e il monkeying con quel flusso di informazioni potrebbe avere risultati disastrosi.

Questo perché spezzare qualcosa di buono in pezzi più piccoli a volte crea nuovi problemi. Immagina quanto saresti felice di ricevere una banconota da $ 100, ma non così elettrizzata con i penny 10,000 equivalenti. Sospettavamo che l'orologio interno di una pianta non avrebbe accettato la stessa valuta luminosa se spezzato in tagli più piccoli.

Ed è esattamente quello che facciamo noi dimostrato nei nostri esperimenti. Piantine di cavolo, rapa o barbabietola esposte a cicli di 12 ore di luce, 12 ore di buio per quattro giorni sono cresciute normalmente, accumulando pigmenti e crescendo. Quando abbiamo ridotto la frequenza dei cicli luce-buio a 6 ore, 3 ore, 1 ora o 30 minuti, le piante si sono ribellate. Abbiamo fornito la stessa quantità di luce, appena applicata in pezzi di dimensioni diverse, e le piantine non hanno apprezzato il trattamento.

La stessa quantità di luce applicata a intervalli più brevi durante il giorno ha fatto crescere le piante più come se fossero nell'oscurità. Sospettiamo che gli impulsi luminosi siano in conflitto con a orologio interno della piantae le piantine non avevano idea di che ora fosse. Gli steli si allungavano nel tentativo di trovare più luce e processi come la produzione di pigmenti venivano sospesi.

Ma quando abbiamo applicato la luce in raffiche molto, molto più brevi, è successo qualcosa di straordinario. Le piante coltivate con cicli di accensione / spegnimento di cinque secondi sembravano quasi identiche a quelle coltivate durante il normale periodo luce / buio. È quasi come se l'orologio interno non potesse avviarsi correttamente quando arriva l'alba ogni cinque secondi, quindi alle piante non sembra importare un giorno che dura alcuni secondi.

Proprio mentre ci preparavamo a pubblicare, il collaboratore universitario Paul Kusuma scoprì che la nostra scoperta non era così nuova. Presto ci siamo resi conto di aver riscoperto qualcosa di già noto da anni 88. Scienziati presso il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti visto questo stesso fenomeno in 1931 quando coltivavano piante sotto impulsi di luce di varie durate. Il loro lavoro nelle piante mature corrisponde a quello che abbiamo osservato nelle piantine con notevole somiglianza.

Micro-sonnellini per le piante: accendere e spegnere le luci può risparmiare energia senza danneggiare i raccolti agricoli interni
Uno studio 1931 di Garner e Allard ha seguito la crescita dei fiori di Yellow Cosmos sotto impulsi di luce di varie durate.
J. Agri. Res. 42: National Agricultural Library, Agricultural Research Service, US Department of Agriculture., CC BY-ND

Non solo tutto ciò è stato una ricostruzione di una vecchia idea, ma gli impulsi di luce non risparmiano energia. Cinque secondi di accensione e spegnimento utilizzano la stessa quantità di energia delle luci accese per 12 ore; le luci sono ancora accese per mezza giornata.

Ma cosa accadrebbe se prolungassimo il periodo oscuro? Cinque secondi dopo. Sei secondi di pausa. O secondi 10. O secondi 20. Forse 80 secondi di pausa? Non l'hanno provato in 1931.

Costruire in tempi di fermo extra

Si scopre che alle piante non importa un po 'di tempo morto. Dopo aver applicato la luce per cinque secondi per attivare la fotosintesi e i processi biologici come l'accumulo di pigmenti, abbiamo spento la luce per 10, o talvolta 20 secondi. Sotto questi lunghi periodi bui, le piantine crescevano proprio come quando i periodi di luce e buio erano uguali. Se ciò potesse essere fatto sulla scala di un'azienda agricola interna, potrebbe tradursi in un significativo risparmio energetico, almeno 30% e forse di più.

Recenti lavori ancora da pubblicare nel nostro laboratorio hanno dimostrato che lo stesso concetto funziona nelle lattughe a foglia; inoltre non si preoccupano di un tempo oscuro prolungato tra gli impulsi. In alcuni casi, le lattughe sono verdi anziché viola e hanno foglie più grandi. Ciò significa che un coltivatore può produrre una varietà di prodotti e con un peso del prodotto più alto sul mercato, spegnendo le luci.

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Una varietà di lattuga diventava viola quando veniva somministrato un periodo buio di 10-secondo. Sembrano simili a quelli cresciuti con un periodo buio di cinque secondi, ma usano 33% di energia in meno. L'estensione del periodo oscuro a 20 secondi ha prodotto piante verdi con più biomassa. J. Feng, K. Folta

Imparare che le piante possono essere coltivate sotto esplosioni di luce piuttosto che con un'illuminazione continua fornisce un modo per tagliare potenzialmente il costoso budget energetico dell'agricoltura indoor. Più verdure fresche potrebbero essere coltivate con meno energia, rendendo il processo più sostenibile. I miei colleghi e io pensiamo che questa innovazione potrebbe in definitiva aiutare a guidare nuove imprese e nutrire più persone - e farlo con un minore impatto ambientale.

Questo articolo è stato aggiornato con una leggenda corretta sulla fotografia delle piante coltivate in 1931.The Conversation

Circa l'autore

Kevin M. Folta, Professore di Scienze orticole e Biologia molecolare e cellulare vegetale, University of Florida

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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