Quines són la radiació fotosintèticament disponible (PAR) i la radiació fotosintèticament utilitzable (PUR) més adequades per a diferents plantes/algues en cultiu aquàtic o algal?

一, Diferències en les necessitats de llum de diferents grups de plantes aquàtiques i com fer que PUR funcioni millor
1. Les plantes aquàtiques positives necessiten molta llum i funcionen bé tant amb llum vermella com blava.
Per mantenir la seva forma i el color del cos vibrant, les plantes aquàtiques positives com les papallones vermelles i l'herba de palau necessiten molta llum. El millor rang de PAR és de 150 a 300 μ mol/m²/s, tot i que l'eficiència PUR augmenta un 40% quan s'utilitzen llum vermella de 660 nm i llum blava de 450 nm. Per exemple, el Laboratori de plantes aquàtiques de l'ADA a Alemanya utilitza un sistema LED per obtenir una relació llum vermella: llum blava de 3:1. Això fa que les plantes aquàtiques positives creixin un 28% més que les bombetes fluorescents normals. Al mateix temps, s'utilitza llum blanca de 6500K per omplir els buits de la banda de llum verda de 550 nm. Això facilita que la llum arribi a aigües més profundes i soluciona el problema de la pèrdua de llum a les zones d'aigües profundes.
2. Adaptació feble a la llum i equilibri d'espectre complet de les plantes aquàtiques negatives
Les plantes aquàtiques negatives, com la corona de ferro i la molsa, poden prosperar en el rang de PAR de 20 a 70 μ mol/m²/s. Tanmateix, l'eficiència del PUR depèn de la cobertura espectral completa. Takagi Aqua, una empresa japonesa, va utilitzar la tecnologia de recobriment nano per millorar l'espectre LED. Van poder obtenir una relació d'energia d'1:2 entre la banda de llum blava (400–500 nm) i la banda de llum vermella (600–700 nm). Utilitzant una llum verda de 550 nm, la temperatura de color de l'aigua també es va canviar a 6500K, cosa que la feia semblar un entorn d'il·luminació natural. Això va fer que les plantes aquàtiques negatives fossin un 35% més riques en clorofil·la-i va frenar el creixement de les algues en un 60%.
3. Compensació lumínica a la zona de transició de les plantes aquàtiques
Les plantes d'aigua, com les cebes d'aigua i les canyes, requereixen canviar la configuració PAR/PUR tot el temps perquè creixen en una zona on l'aigua es troba amb la terra. Segons la investigació de la Universitat de l'Oceà de Xangai, la secció submarina de la planta creix millor a un PAR de 100 a 150 μ mol/m²/s, mentre que la part d'aigua anterior -necessita una llum elevada de 200 a 300 μ mol/m²/s. En enginyeria s'utilitzen matrius LED d'angle ajustable i el sistema d'Internet de les coses canvia automàticament el mode d'il·luminació en funció de l'etapa de creixement de la planta. Per exemple, la llum blava de 450 nm s'utilitza principalment durant l'etapa de plàntules (PUR representa el 60%) per fomentar el creixement de les arrels, i la llum vermella de 660 nm s'utilitza principalment durant l'etapa madura (PUR representa el 75%) per fomentar la floració.
2, Llindar fotoecològic i cribratge PUR per al creixement d'algues
1. Les necessitats de llum de les microalgues són diferents per a cada espècie.
Els diferents tipus d'algues reaccionen de manera molt diferent a PAR/PUR:
El millor PAR per a Chlorella vulgaris és de 50 a 150 μ mol/m²/s, mentre que la millor eficiència PUR és quan s'utilitzen llum blava a 450 nm i llum vermella a 660 nm. Un experiment de fotobioreactor a la Universitat de l'Oceà de Qingdao va demostrar que l'ús d'una proporció 1:1 de llum blava i vermella va augmentar la biomassa de Chlorella en 2,3 vegades en comparació amb el creixement sota llum blanca i la concentració d'astaxantina en un 40%.
L'espirulina és una alga que pot suportar molta llum. El seu PAR saturat supera els 500 μ mol/m²/s, però la seva eficiència PUR és millor a la banda de llum vermella de 660 nm. La base de la indústria de l'espirulina de Yunnan utilitza LED de banda estreta de 680 nm, que permet que el rendiment de la superfície de la unitat superi els 120 g/m²/any i fa que la cultura solar tradicional sigui un 300% més eficient.
Cianobacteris: hi ha una certa quantitat de llum vermella que poden absorbir a 620 nm, però massa llum vermella pot desencadenar fàcilment les floracions d'algues. Al projecte de tractament de la conca del llac Taihu, la llum blava de 450 nm inhibeix l'activitat del sistema fotosintètic II en cianobacteris i, combinant la llum vermella de 660 nm amb ella, descompon la ficobiliproteïna. Això redueix la biomassa de cianobacteris en un 75% i augmenta la proporció d'algues beneficioses com les algues verdes i les diatomees fins al 80%.
2. El procés pel qual s'atura la competència lleugera en grups d'algues
En el cultiu mixt d'algues, la regulació de la qualitat de la llum s'ha convertit en una forma important de millorar l'estructura de la població. Per exemple, mentre creixen microalgues com a esquer, la "domesticació de la llum" es realitza canviant l'espectre LED en temps real:
Durant l'etapa de plàntules, la llum blava de 450 nm s'utilitza principalment (PUR representa el 70%) per aturar el creixement de les algues filamentoses i fomentar la reproducció de les algues unicel·lulars.
Durant la fase de creixement logarítmic, utilitzeu llum vermella de 660 nm com a font dominant (PUR representa el 80%) per fomentar la divisió cel·lular d'algues.
Període estable: afegir llum verda de 550 nm (PUR representa un 10%) per reduir l'efecte de fotoinhibició i allargar el cicle de producció d'algues.
Aquest pla augmenta el percentatge d'algues-d'alta qualitat com Chlorella i Scenedesmus del 60% al 92% i redueix el cost del filtrat en un 30%.
3, El camí cap a la implementació de l'enginyeria i la innovació tecnològica
1. Sistema de control de l'entorn de llum intel·ligent
Mitjançant l'ús de la tecnologia IoT per connectar sensors PAR, mòduls d'ajust espectral i dispositius de control del comportament biològic, és possible optimitzar les condicions d'il·luminació en temps real. Per exemple, un oceanari de Sanya empra un sistema d'entorn de llum AI per canviar els components espectrals i la distribució de la intensitat de la llum en temps real basant-se en dades com la brillantor del corall i la rapidesa amb què neden els peixos.
Mode diürn: llum blanca de 6500K amb un 10% de llum vermella afegit, PAR es manté entre 200 i 250 μ mol/m²/s; Mode nocturn: 2700K llum càlida amb un 5% de llum blava, PAR disminueix a 50 μ mol/m²/s;
Mode d'emergència: quan s'apaga l'energia, els llums vermells de seguretat s'encendran automàticament amb poca llum (menys o igual a 20 μ mol/m²/s) per minimitzar l'estrès als éssers vius.
Aquesta tècnica augmenta la taxa de supervivència dels éssers vius al 98% i redueix el consum d'energia en un 40%.
2. Ús de materials òptics que imiten la biologia
La nova tècnica de recobriment nano pot imitar com els cossos d'aigua naturals afecten l'espectre de la llum. Un centre comercial de Shenzhen ha recobert una pel·lícula de cristall fotònic al vidre d'un aquari. Això redueix la taxa d'atenuació de la banda de llum vermella (620-750 nm) en un 60%, fent que la il·luminació a les seccions d'aigües profundes sigui molt millor. Treballeu amb una matriu de LED d'enfocament ajustable per obtenir una distribució de gradient PAR submarina:
La capa superior (0-30 cm) té un PAR de 300 μ mol/m²/s, amb la llum vermella que representa el 70% del total. La capa mitjana (30–60 cm) té un PAR de 150 μ mol/m²/s, amb la llum vermella que representa el 50% del total. La capa inferior (60–90 cm) té un PAR de 75 μ mol/m²/s, amb la llum vermella que representa el 30% del total.
Aquest disseny permet que les plantes aquàtiques positives es mantinguin petites en llocs d'aigües profundes, la qual cosa significa que no necessiten tanta llum addicional.
3. Treballar conjuntament en el disseny en diferents camps
Els enginyers d'il·luminació han d'establir una manera estàndard de treballar amb biòlegs marins i psicòlegs del color. Un hotel de cinc-estrelles a Hangzhou es va descobrir mitjançant un estudi en equip col·laboratiu que:
Quan els peixos pallasso van rebre una barreja de llum blava de 470 nm i llum groga de 590 nm en lloc de llum blanca normal, van posar 2,3 vegades més ous. Quan es va donar a les algues grogues coralls 6500K de llum blanca i un 10% de llum porpra (400-420 nm), l'eficiència d'expressió de proteïnes fluorescents en elles va augmentar un 40%.
En canviar l'espectre primari cada dues hores, l'índex de diversitat de comportament dels peixos va augmentar un 31%.