Какое фотосинтетически доступное излучение (PAR) и фотосинтетически полезное излучение (PUR) наиболее подходит для различных растений/водорослей при выращивании водных растений или водорослей?

一, Различия в световых потребностях разных групп водных растений и как заставить ПУР работать лучше
1. Позитивным водным растениям нужно много света, и они хорошо работают как с красным, так и с синим светом.
Чтобы сохранить свою форму и яркий цвет тела, позитивным водным растениям, таким как красные бабочки и дворцовая трава, нужно много света. Лучший диапазон PAR для него составляет 150–300 мкмоль/м²/с, хотя эффективность PUR возрастает на 40% при совместном использовании красного света с длиной волны 660 нм и синего света с длиной волны 450 нм. Например, Лаборатория водных растений ADA в Германии использует светодиодную систему, чтобы получить соотношение красного и синего света 3:1. Благодаря этому положительные водные растения растут на 28% больше, чем обычные люминесцентные лампы. В то же время белый свет 6500 К используется для заполнения пробелов в полосе зеленого света 550 нм. Это облегчает проникновение света на большую глубину и решает проблему потери света в глубоководных районах.
2. Слабая адаптация к свету и балансировка полного спектра негативных водных растений.
Отрицательные водные растения, такие как Iron Crown и Moss, могут процветать в диапазоне PAR 20–70 мкмоль/м²/с. Однако эффективность PUR зависит от полного спектрального покрытия. Японская компания Takagi Aqua использовала технологию нанопокрытий для улучшения спектра светодиодов. Им удалось получить соотношение энергий 1:2 между полосой синего света (400–500 нм) и полосой красного света (600–700 нм). Используя зеленый свет с длиной волны 550 нм, цветовая температура воды также была изменена до 6500K, что сделало ее похожей на освещение естественного потока. Это сделало водные растения с отрицательным эффектом на 35 % более богатыми хлорофиллом-и замедлило рост водорослей на 60 %.
3. Светкомпенсация в переходной зоне водных растений.
Водные растения, такие как водяной лук и тростник, требуют постоянного изменения настроек PAR/PUR, поскольку они растут в зоне, где вода встречается с землей. Согласно исследованиям Шанхайского университета океана, подводная часть растения лучше всего растет при PAR 100–150 мкмоль/м²/с, тогда как надводная часть нуждается в ярком освещении 200–300 мкмоль/м²/с. В технике используются светодиодные матрицы с регулируемым углом наклона, а система Интернета вещей автоматически меняет режим освещения в зависимости от стадии роста растения. Например, синий свет с длиной волны 450 нм используется в основном на стадии рассады (на долю полиуретана приходится 60%), чтобы стимулировать рост корней, а красный свет с длиной волны 660 нм используется в основном на стадии зрелости (на долю полиуретана приходится 75%), чтобы стимулировать цветение.
2. Фотоэкологический порог и PUR-скрининг растущих водорослей.
1. Световые потребности микроводорослей у каждого вида различны.
Различные виды водорослей по-разному реагируют на PAR/PUR:
Лучший PAR для Chlorella vulgaris составляет 50–150 мкмоль/м²/с, тогда как лучшая эффективность PUR достигается при совместном использовании синего света с длиной волны 450 нм и красного света с длиной волны 660 нм. Эксперимент с фотобиореактором в Университете океана в Циндао показал, что использование синего и красного света в соотношении 1:1 увеличивает биомассу хлореллы в 2,3 раза по сравнению с выращиванием ее под белым светом, а концентрацию астаксантина - на 40%.
Спирулина — это водоросль, способная выдерживать большое количество света. Его насыщенный PAR составляет более 500 мкмоль/м²/с, но его эффективность PUR является лучшей в диапазоне красного света 660 нм. Промышленная база спирулины в Юньнани использует узкополосный светодиод с длиной волны 680 нм, что позволяет получать урожайность с единицы площади более 120 г/м²/год и делает традиционную солнечную культуру на 300% более эффективной.
Цианобактерии: существует определенное количество красного света, который они могут поглощать при длине волны 620 нм, но слишком много красного света может легко вызвать цветение водорослей. В проекте по очистке бассейна озера Тайху синий свет с длиной волны 450 нм подавляет активность фотосинтетической системы II у цианобактерий, а сочетание красного света с длиной волны 660 нм разрушает фикобилипротеин. Это снижает биомассу цианобактерий на 75% и увеличивает долю полезных водорослей, таких как зеленые водоросли и диатомовые водоросли, до 80%.
2. Процесс прекращения световой конкуренции в группах водорослей.
В смешанном выращивании водорослей регулирование качества света стало важным способом улучшения структуры популяции. Например, при выращивании микроводорослей в качестве приманки «световое приручение» осуществляется путем изменения спектра светодиодов в реальном времени:
На стадии рассады в основном используется синий свет с длиной волны 450 нм (70%), чтобы остановить рост нитчатых водорослей и стимулировать размножение одноклеточных водорослей.
Во время логарифмической фазы роста используйте красный свет с длиной волны 660 нм в качестве доминирующего источника (на долю полиуретана приходится 80%), чтобы стимулировать деление клеток водорослей.
Стабильный период: добавление зеленого света с длиной волны 550 нм (на долю полиуретана приходится 10%), чтобы уменьшить эффект фотоингибирования и продлить цикл производства водорослей.
Этот план повышает долю высококачественных-водорослей, таких как хлорелла и сценадесмус, с 60 % до 92 %, а также снижает затраты на фильтрацию на 30 %.
3. Путь к инженерному внедрению и технологическим инновациям.
1. Интеллектуальная система управления освещением
Используя технологию IoT для подключения датчиков PAR, модулей спектральной регулировки и устройств мониторинга биологического поведения, можно оптимизировать условия освещения в режиме реального времени. Например, океанариум в Санье использует систему искусственного освещения для изменения спектральных компонентов и распределения интенсивности света в режиме реального времени на основе таких данных, как яркость кораллов и скорость плавания рыб.
Дневной режим: белый свет 6500K с добавлением 10% красного света, PAR остается в пределах 200–250 мкмоль/м²/с; Ночной режим: теплый свет 2700К с 5% синего света, ФАР снижается до 50 мкмоль/м²/с;
Аварийный режим: при отключении электроэнергии красные лампы безопасности автоматически включаются при слабом освещении (менее или равном 20 мкмоль/м²/с), чтобы свести к минимуму нагрузку на живые существа.
Этот метод повышает выживаемость живых существ до 98% и сокращает потребление энергии на 40%.
2. Использование оптических материалов, имитирующих биологию.
Новая технология нанопокрытий может имитировать влияние природных водоемов на спектр света. Торговый центр в Шэньчжэне покрыл фотонно-кристаллическую пленку стекло аквариума. Это снижает степень затухания красного светового диапазона (620–750 нм) на 60%, что делает освещение глубоководных участков намного лучше. Используйте светодиодную матрицу с регулируемой фокусировкой, чтобы получить распределение градиента ФАР под водой:
Верхний слой (0–30 см) имеет ФАР 300 мкмоль/м²/с, причем красный свет составляет 70% от общего количества. Средний слой (30–60 см) имеет ФАР 150 мкмоль/м²/с, причем красный свет составляет 50% от общего количества. Нижний слой (60–90 см) имеет ФАР 75 мкмоль/м²/с, причем красный свет составляет 30% от общего количества.
Такая конструкция позволяет позитивным водным растениям оставаться небольшими в глубоководных местах, а это значит, что им не нужно так много дополнительного света.
3. Совместная работа над дизайном в разных областях
Светотехникам необходимо разработать стандартный способ работы с морскими биологами и психологами цвета. Пятизвездочный отель-в Ханчжоу был обнаружен в результате совместного группового исследования, которое:
Когда рыбам-клоунам давали смесь синего света с длиной волны 470 нм и желтого света с длиной волны 590 нм вместо обычного белого света, они откладывали в 2,3 раза больше яиц. Когда кораллово-желтые водоросли освещали белым светом с температурой 6500 К и 10% фиолетовым светом (400-420 нм), эффективность экспрессии флуоресцентного белка в них возрастала на 40%.
За счет смены первичного спектра каждые два часа индекс поведенческого разнообразия рыб увеличился на 31%.