Introdução

A luz desempenha um papel fundamental no processo de crescimento das plantas. É o melhor fertilizante para promover a absorção de clorofila e de diversos outros nutrientes essenciais para o crescimento vegetal, como o caroteno. No entanto, o fator decisivo para o crescimento das plantas é complexo e envolve não apenas a luz, mas também a composição do solo, da água e dos fertilizantes, as condições ambientais de crescimento e o controle técnico abrangente.

Nos últimos dois ou três anos, surgiram inúmeros relatos sobre a aplicação da tecnologia de iluminação semicondutora em fábricas de plantas tridimensionais ou no cultivo de plantas. Mas, após uma leitura atenta, sempre persiste uma certa insegurança. De modo geral, não há uma compreensão clara do papel que a luz deve desempenhar no crescimento das plantas.

Primeiramente, vamos entender o espectro solar, conforme ilustrado na Figura 1. Podemos observar que o espectro solar é contínuo, com predominância das cores azul e verde em relação à vermelha, e que a luz visível se estende de 380 a 780 nm. O crescimento dos organismos na natureza está relacionado à intensidade desse espectro. Por exemplo, a maioria das plantas em áreas próximas ao equador cresce rapidamente e, ao mesmo tempo, atinge um tamanho relativamente grande. Contudo, alta intensidade de radiação solar nem sempre é benéfica, havendo um certo grau de seletividade no crescimento de animais e plantas.

Figura 1. Características do espectro solar e seu espectro de luz visível.

Em segundo lugar, o segundo diagrama espectral de vários elementos-chave de absorção do crescimento vegetal é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Espectros de absorção de várias auxinas no crescimento vegetal.

Como pode ser observado na Figura 2, os espectros de absorção de luz de várias auxinas essenciais para o crescimento das plantas são significativamente diferentes. Portanto, a aplicação de luzes LED para o crescimento de plantas não é uma tarefa simples, mas sim altamente direcionada. Para tanto, é necessário apresentar os conceitos dos dois elementos mais importantes para o crescimento fotossintético das plantas.

• Clorofila

A clorofila é um dos pigmentos mais importantes relacionados à fotossíntese. Ela está presente em todos os organismos capazes de realizar fotossíntese, incluindo plantas verdes, algas verde-azuladas procarióticas (cianobactérias) e algas eucarióticas. A clorofila absorve a energia da luz, que é então utilizada para converter dióxido de carbono em carboidratos.

A clorofila a absorve principalmente a luz vermelha, enquanto a clorofila b absorve principalmente a luz azul-violeta, características que distinguem as plantas de sombra das plantas de sol. A proporção de clorofila b para clorofila a nas plantas de sombra é pequena, permitindo que elas utilizem a luz azul com mais intensidade e se adaptem ao crescimento em ambientes sombreados. A clorofila a tem coloração azul-esverdeada, enquanto a clorofila b tem coloração amarelo-esverdeada. Ambas apresentam fortes absorções em duas regiões do espectro: uma na região vermelha, com comprimento de onda entre 630 e 680 nm, e outra na região azul-violeta, com comprimento de onda entre 400 e 460 nm.

• Carotenoides

Carotenoides é o termo geral para uma classe de importantes pigmentos naturais, comumente encontrados em pigmentos amarelos, vermelho-alaranjados ou vermelhos em animais, plantas superiores, fungos e algas. Até o momento, mais de 600 carotenoides naturais foram descobertos.

A absorção de luz pelos carotenoides abrange a faixa de DO303~505 nm, conferindo cor aos alimentos e influenciando a absorção nutricional pelo organismo. Em algas, plantas e microrganismos, sua cor é mascarada pela clorofila, não sendo visível. Nas células vegetais, os carotenoides produzidos não apenas absorvem e transferem energia para auxiliar na fotossíntese, como também protegem as células da destruição causada por moléculas de oxigênio com ligações de um único elétron excitadas.

Alguns mal-entendidos conceituais

Independentemente do efeito de economia de energia, da seletividade e da coordenação da luz, a iluminação semicondutora tem demonstrado grandes vantagens. No entanto, com o rápido desenvolvimento dos últimos dois anos, também observamos muitos equívocos no projeto e na aplicação da luz, que se refletem principalmente nos seguintes aspectos.

①Desde que os chips vermelhos e azuis de um determinado comprimento de onda sejam combinados em uma determinada proporção, eles podem ser usados ​​no cultivo de plantas; por exemplo, a proporção de vermelho para azul é 4:1, 6:1, 9:1 e assim por diante.

②Desde que seja luz branca, pode substituir a luz solar, como os tubos de luz branca de três cores amplamente utilizados no Japão, etc. O uso desses espectros tem um certo efeito no crescimento das plantas, mas o efeito não é tão bom quanto o da fonte de luz LED.

③Desde que a PPFD (densidade de fluxo quântico de luz), um parâmetro importante da iluminação, atinja um determinado índice, por exemplo, PPFD superior a 200 μmol·m-2·s-1. No entanto, ao usar esse indicador, é preciso atentar para se tratar de uma planta de sombra ou de sol pleno. É necessário consultar ou encontrar o ponto de saturação de compensação de luz dessas plantas, também chamado de ponto de compensação de luz. Na prática, as mudas frequentemente sofrem queimaduras ou murcham. Portanto, o ajuste desse parâmetro deve ser projetado de acordo com a espécie da planta, o ambiente de crescimento e as condições.

Com relação ao primeiro aspecto, conforme apresentado na introdução, o espectro necessário para o crescimento das plantas deve ser um espectro contínuo com uma determinada largura de distribuição. É obviamente inadequado usar uma fonte de luz composta por dois chips de comprimento de onda específicos, vermelho e azul, com um espectro muito estreito (como mostrado na Figura 3(a)). Em experimentos, constatou-se que as plantas tendem a apresentar coloração amarelada, pecíolos muito claros e finos.

Nos tubos fluorescentes com três cores primárias, comumente usados ​​em anos anteriores, embora o branco seja sintetizado, os espectros do vermelho, verde e azul são separados (como mostrado na Figura 3(b)), e a largura do espectro é muito estreita. A intensidade espectral da parte contínua subsequente é relativamente fraca, e a potência ainda é relativamente alta em comparação com os LEDs, consumindo de 1,5 a 3 vezes mais energia. Portanto, o efeito de uso não é tão bom quanto o das lâmpadas de LED.

Figura 3: Luz LED para plantas com chips vermelhos e azuis e espectro de luz fluorescente de três cores primárias.

A PPFD (densidade de fluxo quântico de luz) refere-se à densidade de fluxo de luz efetiva da radiação na fotossíntese, representando o número total de quanta de luz incidentes nos caules das folhas das plantas na faixa de comprimento de onda de 400 a 700 nm por unidade de tempo e unidade de área. Sua unidade é μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). A radiação fotossinteticamente ativa (PAR) refere-se à radiação solar total com comprimento de onda na faixa de 400 a 700 nm. Ela pode ser expressa tanto em quanta de luz quanto em energia radiante.

No passado, a intensidade luminosa refletida pelo iluminômetro era considerada o brilho, mas o espectro de crescimento das plantas varia devido à altura da luminária em relação à planta, à cobertura luminosa e à capacidade da luz de atravessar as folhas. Portanto, não é preciso usar o PAR como indicador de intensidade luminosa no estudo da fotossíntese.

Geralmente, o mecanismo de fotossíntese pode ser iniciado quando a densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (PPFD) de plantas que precisam de sol é superior a 50 μmol·m-2·s-1, enquanto a PPFD de plantas que preferem sombra precisa de apenas 20 μmol·m-2·s-1. Portanto, ao comprar lâmpadas de LED para cultivo, você pode escolher a quantidade necessária com base nesse valor de referência e no tipo de planta que deseja cultivar. Por exemplo, se a PPFD de uma única lâmpada de LED for de 20 μmol·m-2·s-1, serão necessárias mais de 3 lâmpadas de LED para o cultivo de plantas que precisam de sol.

Diversas soluções de design para iluminação semicondutora.

A iluminação semicondutora é utilizada para o crescimento ou plantio de plantas, e existem dois métodos básicos de referência.

• Atualmente, o modelo de cultivo em ambientes internos está em alta na China. Esse modelo possui diversas características:

①A função das luzes LED é fornecer todo o espectro de iluminação para as plantas, e o sistema de iluminação precisa fornecer toda a energia necessária, o que resulta em um custo de produção relativamente alto;
②O projeto de luzes de cultivo LED precisa levar em consideração a continuidade e a integridade do espectro;
③ É necessário controlar eficazmente o tempo e a intensidade da iluminação, por exemplo, deixando as plantas descansarem por algumas horas, evitando que a intensidade da irradiação seja insuficiente ou excessiva, etc.;
④Todo o processo precisa imitar as condições exigidas pelo ambiente ideal de crescimento das plantas ao ar livre, como umidade, temperatura e concentração de CO2.

• Modo de plantio ao ar livre com boa base para plantio em estufa externa. As características deste modelo são:

① A função das luzes LED é complementar a iluminação. Uma delas é aumentar a intensidade luminosa nas áreas azul e vermelha sob a irradiação da luz solar durante o dia para promover a fotossíntese das plantas, e a outra é compensar a falta de luz solar à noite para promover o crescimento das plantas.
②A iluminação suplementar deve levar em consideração o estágio de crescimento da planta, como o período de plântula ou o período de floração e frutificação.

Portanto, o design de luzes LED para cultivo de plantas deve ter dois modos básicos: iluminação contínua (24 horas) para ambientes internos e iluminação suplementar para o crescimento das plantas (para ambientes externos). Para o cultivo de plantas em ambientes internos, o design das luzes LED precisa considerar três aspectos, conforme ilustrado na Figura 4. Não é possível encapsular os chips com as três cores primárias em uma proporção específica.

Figura 4: Ideia de design para utilização de luzes LED de cultivo em ambientes internos, com iluminação 24 horas.

Por exemplo, para um espectro na fase de viveiro, considerando que é necessário fortalecer o crescimento das raízes e caules, fortalecer a ramificação das folhas e que a fonte de luz é usada em ambiente interno, o espectro pode ser projetado conforme mostrado na Figura 5.

Figura 5, Estruturas espectrais adequadas para iluminação LED em berçário interno.

Para o projeto do segundo tipo de luz LED para cultivo, o objetivo principal é fornecer uma solução de iluminação complementar para promover o plantio na base de estufas externas. A ideia do projeto é mostrada na Figura 6.

Figura 6, Ideias de design para luzes de cultivo externas 

O autor sugere que mais empresas de jardinagem adotem a segunda opção, utilizando luzes LED para promover o crescimento das plantas.

Em primeiro lugar, a China possui décadas de vasta experiência em cultivo em estufas ao ar livre, tanto no sul quanto no norte do país. Possui uma sólida base tecnológica em cultivo em estufas e fornece um grande número de frutas e verduras frescas para o mercado das cidades vizinhas. Em especial, na área de solo, água e fertilizantes, já foram realizados diversos estudos e pesquisas sobre o tema.

Em segundo lugar, esse tipo de solução de iluminação suplementar pode reduzir significativamente o consumo desnecessário de energia e, ao mesmo tempo, aumentar efetivamente a produção de frutas e vegetais. Além disso, a vasta extensão geográfica da China facilita muito a sua implementação.

Como pesquisa científica sobre iluminação LED para plantas, também fornece uma base experimental mais ampla para o tema. A Figura 7 mostra um tipo de lâmpada LED para cultivo desenvolvida por esta equipe de pesquisa, adequada para cultivo em estufas, e seu espectro é apresentado na Figura 8.

Figura 7, Um tipo de lâmpada LED para cultivo.

Figura 8, espectro de um tipo de lâmpada LED para cultivo.

De acordo com as ideias de design acima, a equipe de pesquisa conduziu uma série de experimentos, cujos resultados foram bastante significativos. Por exemplo, para o cultivo de mudas em viveiro, a lâmpada original utilizada era uma fluorescente de 32 W, com um ciclo de 40 dias. Com a utilização de uma lâmpada LED de 12 W, o ciclo de cultivo foi reduzido para 30 dias, diminuindo efetivamente a influência da temperatura das lâmpadas no viveiro e economizando energia do ar-condicionado. As mudas apresentaram melhor espessura, comprimento e coloração do que aquelas cultivadas com a solução original. Para mudas de hortaliças comuns, também foram obtidas conclusões satisfatórias, resumidas na tabela a seguir.

Entre eles, o grupo com iluminação suplementar apresentou PPFD de 70-80 μmol·m-2·s-1 e a proporção vermelho-azul de 0,6-0,7. O grupo em condições naturais apresentou valores de PPFD diurno entre 40 e 800 μmol·m-2·s-1, com uma proporção vermelho-azul de 0,6 a 1,2. Observa-se que esses indicadores são superiores aos das mudas cultivadas em condições naturais.

Conclusão

Este artigo apresenta os desenvolvimentos mais recentes na aplicação de luzes LED para cultivo de plantas e aponta alguns equívocos comuns sobre sua aplicação. Por fim, são apresentadas as ideias e esquemas técnicos para o desenvolvimento de luzes LED para cultivo de plantas. É importante ressaltar que também existem fatores a serem considerados na instalação e no uso da luz, como a distância entre a luz e a planta, o alcance da irradiação da lâmpada e a forma de aplicação da luz em conjunto com água, fertilizantes e solo.

Autor: Yi Wang et al. Fonte: CNKI