Quais são a radiação fotossinteticamente disponível (PAR) e a radiação fotossinteticamente utilizável (PUR) mais adequadas para diferentes plantas/algas em cultivo aquático ou de algas?

一, Diferenças nas necessidades de luz de diferentes grupos de plantas aquáticas e como fazer o PUR funcionar melhor
1. As plantas aquáticas positivas precisam de muita luz e funcionam bem com luz vermelha e azul.
Para manter a forma e a cor vibrante do corpo, as plantas aquáticas positivas, como as borboletas vermelhas e a grama do palácio, precisam de muita luz. A melhor faixa de PAR para isso é 150–300 μ mol/m²/s, embora a eficiência do PUR aumente 40% quando a luz vermelha de 660 nm e a luz azul de 450 nm são usadas juntas. Por exemplo, o Laboratório de Plantas Aquáticas da ADA na Alemanha emprega um sistema LED para obter uma relação luz vermelha: luz azul de 3:1. Isso faz com que as plantas aquáticas positivas cresçam 28% mais do que as lâmpadas fluorescentes normais. Ao mesmo tempo, a luz branca de 6500K é utilizada para preencher as lacunas na faixa de luz verde de 550nm. Isto torna mais fácil para a luz chegar a águas mais profundas e resolve o problema da perda de luz em áreas de águas profundas.
2. Adaptação à luz fraca e equilíbrio de espectro total de plantas aquáticas negativas
Plantas aquáticas negativas, como Iron Crown e Moss, podem prosperar na faixa PAR de 20–70 μ mol/m²/s. No entanto, a eficiência do PUR depende da cobertura espectral total. A Takagi Aqua, uma empresa japonesa, usou tecnologia de nanorrevestimento para melhorar os espectros de LED. Eles conseguiram obter uma proporção de energia de 1:2 entre a banda de luz azul (400–500nm) e a banda de luz vermelha (600–700nm). Usando luz verde de 550 nm, a temperatura da cor da água também foi alterada para 6.500 K, o que fez com que parecesse uma configuração de iluminação natural. Isso tornou as plantas aquáticas negativas 35% mais ricas em clorofila-e retardou o crescimento de algas em 60%.
3. Compensação luminosa na zona de transição das plantas aquáticas
As plantas aquáticas, como as cebolas aquáticas e os juncos, precisam mudar as configurações de PAR/PUR o tempo todo porque crescem em uma área onde a água encontra a terra. De acordo com uma pesquisa da Shanghai Ocean University, a seção subaquática da planta cresce melhor em um PAR de 100–150 μ mol/m²/s, enquanto a parte acima-da água precisa de luz intensa de 200–300 μ mol/m²/s. Matrizes de LED de ângulo ajustável são usadas em engenharia, e o sistema Internet das Coisas altera automaticamente o modo de iluminação com base no estágio de crescimento da planta. Por exemplo, a luz azul de 450 nm é usada principalmente durante a fase de muda (PUR é responsável por 60%) para estimular o crescimento das raízes, e a luz vermelha de 660 nm é usada principalmente durante a fase madura (PUR é responsável por 75%) para estimular a floração.
2, Limiar fotoecológico e triagem de PUR para cultivo de algas
1. As necessidades de luz das microalgas são diferentes para cada espécie.
Diferentes tipos de algas reagem de maneira bastante diferente ao PAR/PUR:
O melhor PAR para Chlorella vulgaris é 50–150 μ mol/m²/s, enquanto a melhor eficiência de PUR é quando a luz azul a 450 nm e a luz vermelha a 660 nm são usadas juntas. Um experimento de fotobiorreator na Qingdao Ocean University mostrou que a utilização de uma proporção de 1:1 de luz azul e vermelha aumentou a biomassa de Chlorella em 2,3 vezes em comparação ao cultivo sob luz branca, e a concentração de astaxantina em 40%.
A espirulina é uma alga que suporta muita luz. Seu PAR saturado é superior a 500 μ mol/m²/s, mas sua eficiência PUR é melhor na faixa de luz vermelha de 660 nm. A base industrial Yunnan Spirulina usa LED de banda estreita de 680nm, o que permite que o rendimento da área da unidade ultrapasse 120g/m²/ano e torna a cultura solar tradicional 300% mais eficiente.
Cianobactérias: Há uma certa quantidade de luz vermelha que podem absorver em 620 nm, mas muita luz vermelha pode facilmente desencadear a proliferação de algas. No projeto de tratamento da bacia do Lago Taihu, a luz azul de 450 nm inibe a atividade do sistema fotossintético II em cianobactérias e, combinando a luz vermelha de 660 nm com ela, decompõe a ficobiliproteína. Isto reduz a biomassa de cianobactérias em 75% e aumenta a proporção de algas benéficas, como algas verdes e diatomáceas, para 80%.
2. O processo pelo qual a competição leve é ​​interrompida em grupos de algas
No cultivo misto de algas, regular a qualidade da luz tornou-se uma forma importante de melhorar a estrutura da população. Por exemplo, durante o cultivo de microalgas como isca, a "domesticação da luz" é realizada alterando o espectro do LED em tempo real:
Durante a fase de muda, a luz azul de 450 nm é empregada principalmente (PUR é responsável por 70%) para impedir o crescimento de algas filamentosas e estimular a reprodução de algas unicelulares.
Durante a fase de crescimento logarítmico, use luz vermelha de 660 nm como fonte dominante (PUR é responsável por 80%) para estimular a divisão celular das algas.
Período estável: Adicionar luz verde de 550nm (PUR representa 10%) para diminuir o efeito de fotoinibição e estender o ciclo de produção de algas.
Esse plano aumenta a porcentagem de algas-de alta qualidade, como Chlorella e Scenedesmus, de 60% para 92% e reduz o custo de filtragem em 30%.
3, O caminho para a implementação de engenharia e inovação tecnológica
1. Sistema de controle de ambiente de luz inteligente
Ao utilizar a tecnologia IoT para conectar sensores PAR, módulos de ajuste espectral e dispositivos de monitoramento de comportamento biológico, é possível otimizar as condições de iluminação em tempo real. Por exemplo, um oceanário em Sanya emprega um sistema de ambiente de luz de IA para alterar os componentes espectrais e a distribuição da intensidade da luz em tempo real com base em dados como o brilho do coral e a velocidade com que os peixes nadam.
Modo diurno: luz branca 6500K com 10% de luz vermelha adicionada, PAR permanece entre 200 e 250 μ mol/m²/s; Modo noturno: luz quente de 2700K com 5% de luz azul, PAR diminui para 50 μ mol/m²/s;
Modo de emergência: Quando falta energia, as luzes vermelhas de segurança acenderão automaticamente com pouca luz (menor ou igual a 20 μ mol/m²/s) para minimizar o estresse nos seres vivos.
Esta técnica aumenta a taxa de sobrevivência dos seres vivos para 98% e reduz o consumo de energia em 40%.
2. Uso de materiais ópticos que imitam a biologia
A nova técnica de nanorrevestimento pode imitar como corpos de água naturais afetam o espectro da luz. Um shopping em Shenzhen revestiu o vidro de um aquário com uma película de cristal fotônico. Isso reduz a taxa de atenuação da banda de luz vermelha (620–750 nm) em 60%, tornando a iluminação em seções de águas profundas muito melhor. Trabalhe com um conjunto de LEDs de foco ajustável para obter uma distribuição de gradiente PAR subaquática:
A camada superior (0–30 cm) tem um PAR de 300 μ mol/m²/s, com a luz vermelha representando 70% do total. A camada intermediária (30–60 cm) tem um PAR de 150 μ mol/m²/s, com a luz vermelha representando 50% do total. A camada inferior (60–90 cm) tem um PAR de 75 μ mol/m²/s, com a luz vermelha representando 30% do total.
Este design permite que as plantas aquáticas positivas permaneçam pequenas em locais de águas profundas, o que significa que não precisam de tanta luz extra.
3. Trabalhar juntos no design em todas as áreas
Os engenheiros de iluminação precisam estabelecer uma forma padrão de trabalhar com biólogos marinhos e psicólogos das cores. Um hotel-cinco estrelas em Hangzhou foi descoberto por meio de um estudo colaborativo de equipe que:
Quando os peixes-palhaço receberam uma mistura de luz azul de 470 nm e luz amarela de 590 nm em vez de luz branca normal, eles botaram 2,3 vezes mais ovos. Quando as algas amarelas coralinas receberam luz branca de 6500K e 10% de luz roxa (400-420nm), a eficiência de expressão da proteína fluorescente nelas aumentou 40%.
Ao alterar o espectro primário a cada duas horas, o índice de diversidade comportamental dos peixes aumentou 31%.