Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1 Воздействие параметров режима светодиодного освещения на рост, морфологические характеристики и развитие растений 17
1.1.1 Воздействие на растения интенсивности и спектральных характеристик светодиодного освещения 18
1.1.2 Воздействие на растения чередования световых и темновых периодов (фотопериода и импульсного освещения) 27
1.2 Современные светодиодные светильники в космических оранжереях и наземных моделях искусственных экосистем 32
Глава 2. Разработка метода оптимизации светодиодного освещения листовых овощных культур применительно к витаминной космической оранжерее 37
2.1 Выбор критерия оптимальности режима освещения растений применительно к космической оранжерее 39
2.2 Обоснование выбора параметров оптимизации режима освещения растений применительно к космической оранжерее 44
2.3 Определение модельной зависимости критерия оптимальности от параметров оптимизации в заданном диапазоне значений 46
Глава 3 53
Создание методической и аппаратурной базы для проведения многофакторного эксперимента по исследованию связи фотосинтеза и продуктивности растений (на примере китайской капусты brassica сhinensis l.) с параметрами режима освещения для витаминной космической оранжереи 53
3.1 Методика проведения вегетационных опытов 53
3.2 Описание экспериментальных стендов и светодиодного светильника с регулируемыми параметрами
3.2.1 Описание лабораторного стенда 57
3.2.2 Описание испытательного стенда 58
3.2.3 Конструкция и характеристики светодиодного облучателя 59
3.3 Методики оценки продукционного процесса и состояния растений 63
3.3.1 Определение морфометрических параметров и транспирационного потока растений 63
3.3.2 Анализ пигментного состава 64
3.3.3 Определение содержания сахаров в растениях 64
3.3.4 Определение содержания аскорбиновой кислоты в растениях 65
3.3.5 Определение содержания нитратов в растениях 65
3.3.6 Измерение видимого фотосинтеза и дыхания посева 66
3.4 Методики измерения светового потока 67
3.4.1 Измерение распределения света в посеве 67
3.4.2 Измерение спектра света в вертикальном разрезе посеве 68
3.4.3 Расчёт энергии светового потока 68
3.5 Математические и вычислительные методы 69
Глава 4 Результаты оптимизации светодиодного освещения листовых овощных культур и разработка рекомендаций для светильника витаминной космической оранжереи 70
4.1 Определение оптимального режима освещения растений на основании компромиссного критерия оптимальности 70
4.1.1 Анализ регрессионной зависимости массы сухого вещества в посеве от параметров режима освещения 70
4.1.2 Анализ регрессионной зависимости содержания аскорбиновой
кислоты в биомассе посева от параметров режима освещения 81
4.1.3 Анализ зависимости компромиссного критерия Qв от параметров режима освещения 86
4.2. Анализ зависимости показателей физиологического статуса растений в посеве от параметров режима освещения 93
4.3.Влияние режима освещения на водный обмен и накопление нитратов в побегах китайской капусты 101
4.3.1 Рекомендации по коррекции условий азотного питания растений 103
Заключение 106
Выводы 109
Список сокращений
- Воздействие на растения интенсивности и спектральных характеристик светодиодного освещения
- Обоснование выбора параметров оптимизации режима освещения растений применительно к космической оранжерее
- Конструкция и характеристики светодиодного облучателя
- Анализ регрессионной зависимости массы сухого вещества в посеве от параметров режима освещения
Введение к работе
Актуальность проблемы
Увеличение длительности и сложности космических экспедиций
повышает требования к качеству среды обитания в пилотируемых космических
аппаратах (ПКА) как к фактору, в значительной мере определяющему
сохранения здоровья, работоспособности и надежности операторской
деятельности экипажей (Романов и др., 2007; Gitelson et al., 2003). По мнению
ряда специалистов, перспективными системами жизнеобеспечения (СЖО)
экипажей для проведения дальних межпланетных экспедиций являются
биолого-технические СЖО (БТСЖО), имеющие в составе одно или
несколько биологических звеньев (Гительзон и др., 1975; Мелешко, Шепелев,
1994; Сычёв и др., 2002; Беркович и др., 2005; Erokhin et al., 2006; Lobascio et
al., 2006). Анализ технических возможностей проектируемых в настоящее
время ПКА для дальних космических полетов показал, что в ближайшие
десятилетия единственным биологическим звеном в БТСЖО могут быть
относительно небольшие овощные, или витаминные, космические
оранжереи (КО), предназначенные для обеспечения экипажа свежей
зеленью, богатой естественными витаминами, а также для создания
психологического комфорта (Беркович и др., 2005; Романов и др., 2007; Zabel et al., 2014). В ГНЦ РФ – ИМБП РАН в настоящее время ведётся разработка опытного образца конвейерной витаминной оранжереи «Витацикл-Т» для российского сегмента МКС.
Витаминная космическая оранжерея, наряду с заданной
производительностью, должна соответствовать жестким габаритно-весовым и энергетическим ограничениям, а также использовать в процессе эксплуатации минимум расходных материалов. Среди ряда проблем, стоящих перед разработчиками КО, особое место занимает обеспечение адекватных условий освещения. Параметры светового режима оказывают не только прямое влияние на фотосинтез и рост растений, но и в значительной мере определяют их
морфогенез и онтогенез, что, в свою очередь, может существенно повлиять на
продуктивность и качество получаемой биомассы (Avercheva et al., 2014;
Аверчева и др., 2009; Baroli et al., 2008; Tamulaitis et al., 2005; Юрина,
Одинцова, 2007; Lillo, Appenroth, 2001; Liu et al., 2011(a); Castillon, 2009;
Szechyn’ska-Hebda, Karpin’ski, 2013, Yoneda, Mori, 2004; Dong et al, 2015(a, b)).
Результаты испытаний прототипов конвейерных витаминных КО «Фитоцикл» и
Фитоцикл-СД» показали, что блок освещения может потреблять до 80%
оранжереи полного энергопотребления оранжереи (Беркович и др., 2007;
Беркович и др., 2005). Таким образом, оптимизация режима освещения в КО
может обеспечить существенную экономию такого дефицитного на настоящий
момент ресурса, как потребление электроэнергии на борту ПКА. Однако,
несмотря на значительное количество опубликованных экспериментальных
результатов, широкая вариабельность экспериментальных условий и
выявленных реакций различных видов растений не позволяют корректно
сопоставить описанные варианты светодиодного освещения и обосновать
выбор оптимального режима освещения овощных культур для витаминной КО
без дополнительных вегетационных экспериментов. Кроме того, не
сформулирована единая методика оптимизации режимов освещения посевов в
разнообразных вегетационных устройствах, описанных в научной литературе.
Вследствие этого актуальной является задача определения оптимальных
параметров светодиодного освещения листовых овощных культур
применительно к витаминной космической оранжерее.
Целью диссертационной работы является определение параметров светодиодного освещения листовых овощных культур, обеспечивающих максимальный выход витаминной зеленной продукции при фиксированных затратах бортовых ресурсов в витаминной космической оранжерее.
Для достижения цели исследования в работе были поставлены следующие задачи:
1. обосновать методику оптимизации режима освещения растений
применительно к витаминной космической оранжерее.
-
разработать методическую базу, экспериментальный стенд и агротехнологию для проведения многофакторного эксперимента с посевами растений.
-
провести многофакторный эксперимент с посевами растений и построить математические модели воздействия на продуктивность и состав биомассы листовых овощей (на примере листовой капусты Brassica chinensis L.) основных параметров режима светодиодного освещения:
суммарной плотности потока фотонов от светодиодов;
соотношения плотности потоков фотонов от светодиодов с излучением в красной области спектра и с излучением белого света;
периода следования импульсов света от светодиодного светильника;
4. определить оптимальные параметры светодиодного освещения
посевов листовой капусты по рассчитанным регрессионным моделям и
разработать рекомендации по режиму культивирования растений
применительно к витаминной космической оранжерее с ограниченным
энергопотреблением.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые:
-
сформулирована и решена задача комплексной трёхмерной оптимизации параметров режима освещения растений в космической оранжерее;
-
предложен критерий оптимальности режима освещения растений для витаминной космической оранжереи в виде произведения сбора аскорбиновой кислоты с единицы площади посева на коэффициент использования света посевом;
-
получены трёхмерные поверхности отклика основных показателей
продуктивности и состава биомассы листовых овощей на изменение
параметров режима освещения растений (на примере листовой капусты
Brassica chinensis L.);
4. разработаны рекомендации по режиму светодиодного освещения растений и характеристикам светильника применительно к витаминной космической оранжерее с ограниченным энергопотреблением.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в том, что разработан новый подход к обоснованию и выбору оптимального режима светодиодного освещения в светокультуре растений и получены новые экспериментальные данные о влиянии параметров светодиодного освещения на показатели продуктивности и пищевого качества листовых овощей.
Основным практически значимым результатом являются разработанные рекомендации по выбору параметров режима светодиодного освещения для витаминной космической оранжереи, внедрённые в практику НИР и ОКР.
Положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Режим освещения растений в витаминной космической оранжерее
предложено выбирать методом нахождения максимума критерия
оптимальности в виде произведения сбора аскорбиновой кислоты с единицы
площади посева на коэффициент использования посевом световой энергии.
-
Методом построения трёхмерных регрессионных зависимостей физиологических показателей растений от параметров режима освещения возможно выявить основные тенденции в изменении продукционных и биохимических показателей посевов листовых овощей (на примере листовой капусты Brassica chinensis L.) при варьировании условиями искусственной световой среды
-
В исследованном диапазоне значений параметров светодиодного освещения оптимальным является режим освещения со следующими параметрами: плотность потока фотонов 500 мкмоль/(м2-с), доля красного света - 73%, период следования импульсов 501 мкс.
4. С учётом предельного энергопотребления витаминной КО «Витацикл-
Т» рекомендован режим освещения с параметрами: плотность потока фотонов
430 мкмоль/(м2-с), доля красного света - 73%, характер излучения -непрерывный.
Личный вклад автора заключается в проведении описанных экспериментальных и теоретических исследований и получении основных результатов, представленных в диссертационной работе.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и получили положительную оценку на 12 конференциях и семинарах: на Москва, 2013, 2014, 2015), на ), на Международной научной конференция, посвященной 150-летию академика В.Р. Вильямса (Москва, 2013), на Международной научной конференции «Научное и кадровое обеспечение продовольственной безопасности России» (Москва, 2014), на 40-ой научной ассамблее COSPAR (Москва, 2014), на XXXIX академических чтениях по космонавтике (Москва, 2015), на совместном болгарско-российском учебно-методическом и научном семинаре (Пловдив, Болгария, 2015), на Всероссийской научной конференции с международным участием «Растения в условиях глобальных и локальных природно-климатических и антропогенных воздействий» (Петрозаводск, 2015), на Международной научной конференции «Аграрное образование и наука в 21 веке: вызовы и проблемы развития» (Москва, 2015), на международной конференции "Пилотируемое освоение космоса" (Королёв, 2016).
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, 1 статья в сборнике трудов конференции и 10 тезисов докладов.
Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая физиология и биология» Учёного совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН (протокол №4 от 22 июня 2015 г.).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы, заключения и 5 приложений. Текст диссертации изложен на 132 страницах машинописного текста, сопровождается 12 таблицами и 25 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 202 наименования, из них 41 на русском языке и 161 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Берковичу Ю. А., коллективу лаборатории водообеспечения и мониторинга качества воды в экстремальных условиях ГНЦ РФ – ИМБП РАН, коллективу кафедры физиологии растений Российского государственного аграрного университета – МСХА им. К.А. Тимирязева, коллективу кафедры физиологии и биохимии растений МГУ им. М.В. Ломоносова, а также профессору С.Г. Радченко и доценту С.Н. Лапачу из Киевского государственного политехнического университета за помощь в работе.
Воздействие на растения интенсивности и спектральных характеристик светодиодного освещения
Спектральный состав света влияет на множество физиологических процессов в растении. Красный свет важен для развития фотосинтетического аппарата и ассимиляции крахмала (Saebo et al., 1995), именно в этой области находятся пики поглощения хлорофиллов а и b (Gross, 1991) и фитохоромов. Синий свет оказывает влияние на синтез хлорофилла, развитие хлоропластов, открывание устьиц, фотоморфогенез (Senger, 1982; Heo et al., 2002) и фототропизм (Blaau, Blaau-Jansen, 1970).
Выбор красных (600-700 нм) и синих (420-450 нм) источников основан на том, что свет в данном диапазоне наиболее эффективно поглощается первичными пигментами фотосинтеза (хлорофиллами) (McCree, 1972).Кроме того, согласно закону Гротгуса, каждый квант из поглощённой листом части светового потока способен инициировать только одну фотохимическую реакцию, т.е. потенциально количество фотореакций зависит от количества падающих квантов света. Как известно, энергия кванта света в различных участках спектра различна и зависит от длины волны: E=ch/, где c – скорость света в вакууме, h – постоянная Планка, – длина волны (Тихомиров и др., 2000). Следовательно, энергия кванта в синей области примерно в 1,5 раза больше, чем в красной (т.е. в области максимума поглощения хлорофилла а). Отсюда следует, что использование красного света для выращивания растений является энергетически наиболее выгодным по сравнению с квантами в других областях ФАР (Massa et al., 2008).
Первые работы по исследованию воздействию светодиодного освещения на рост и развитие растений салата проводили в 80-е годы прошлого века при освещении узкополосным красным светом с пиком излучения 660 нм с добавлением 30 мкмоль/(м2с) синего света от флуоресцентных ламп (общая ППФ составила 325 мкмоль/(м2с)) (Bula et al., 1991). Поскольку в те годы синие СД не были широко доступны, в качестве альтернативы использовали другие источники освещения (Massa et al., 2008). Сообщалось, что опытные растения не уступали контрольным, выращенным в искусственной световой среде на основе холодных флуоресцентных ламп или ламп накаливания (Bula et al., 1991). Далее последовали многочисленные исследовательские работы по выращиванию растений под красными СД с добавлением синего света в разных пропорциях: на салате (Hoenecke et al., 1992; Yanagi et al., 1996 (b)), пшенице (Goins et al., 1997), шпинате и редисе (Yorio et al., 1998), арабидопсисе (Goins et al., 1998), землянике (Yanagi et al., 1996a). Во многих из перечисленных работ была продемонстрирована возможность выращивания растений на чистом красном свету, однако для прохождения адекватного морфогенеза потребовалось добавление синего света с ППФ около 10% от общей ППФ.
В работе Wheeler et al., 1991 впервые было обнаружено, что решающее значение имеет не относительное содержание синего света в спектре, а абсолютное количество квантов света в синей области. Для ингибирования аномального удлинения стебля и междоузлий проростков сои достаточно 30 мкмоль/(м2с) синего света в спектре (при общей ППФ от 300 до 500 мкмоль/(м2с)). В исследовании Cope and Bugbee (2013) было показано, что на одни показатели роста и развития растений (уменьшение площади листьев редиса, увеличение содержания хлорофилла на единицу площади листа) более существенно влияет относительное содержание синего света в спектре, а на другие (ингибирование вытягивания стебля сои и др.) – его абсолютное количество. Хотя требования разных видов растений к количеству синего света разнятся, авторы рекомендуют источники освещения с содержанием синего света в общем спектре 25%, как способные удовлетворить потребность растений в синем свете даже при низких уровнях освещённости.
В работе Son and Oh (2013) по исследованию воздействия узкополосного красно-синего освещения на краснолистный и зеленолистный сорта салата было выявлено, что наибольший урожай сырой и сухой биомассы и наибольшая площадь листьев достигается при освещении только красным светом. Однако, при этом листья растений вытягивались и приобретали атипичную форму, неестественную окраску, а содержание полифенолов и антиоксидантов резко снижались. В целом, была показана эффективность узкополосного красно-синего СД освещения при выращивании ряда культур (Son, Oh, 2013; Yorio et al., 2001; Yanagi et al., 1996 (a,b); Goins et al., 1997). В работе Yorio et al., 2001 урожай сухой массы салата, выращенного в искусственной световой среде на основе красных СД с пиком излучения 660 нм с добавлением 10% по ППФ синего света от флуоресцентных ламп достоверно не отличался от контроля, выращенного под холодными флуоресцентными лампами. Однако, сухая биомасса редиса и шпината в опыте была значительно ниже, чем в контроле, хотя измерения фотосинтеза листа и не выявили достоверных различий. Таким образом, было показано, что хотя выращивание данных культур при узкополосном красно-синем освещении и возможно, получение адекватного урожая в таких условиях не всегда обеспечивается.
Кроме того, было обнаружено, что красный и синий свет поглощаются хлоропластами, локализованными в поверхностных слоях листа (Nishio, 2000). Однако при высоких уровнях ППФ достигалось световое насыщение хлоропластов и свет в данных участках спектра начинал рассеиваться в виде тепла (Sun et al., 1998; Nishio, 2000), в то время как зелёный свет проникал в более глубокие слои листа и инициировал фотосинтез в находящихся там хлоропластах (Brodersen, Vogelmann, 2010; Sun et al., 1998). Таким образом, хотя спектр поглощения пигментов фотосинтеза и имеет два пика с выраженным минимумом в зелёной области, в спектре поглощения листа эти различия не столь значительны (Ouzounis et al., 2015). Проникая в более глубокие слои листа, зелёный свет в некоторых случаях способен усиливать фотосинтез в большей степени, чем красный или синий, например, при интенсивном освещении растений белым светом (Terashima, 2009). Кроме того, зелёный свет способен глубже, чем красный или синий, проникать в плотный посев растений, интенсифицируя фотосинтез нижних листьев (Клешнин, 1952; Klein, 1992).
Обоснование выбора параметров оптимизации режима освещения растений применительно к космической оранжерее
В числителе выражения (2) стоят показатели, при увеличении которых повышается эффективность выращивания растений в космической оранжерее: прирост съедобной биомассы и коэффициент хозяйственного использования полученной биомассы, характеризующий степень безотходности производства. Наоборот, увеличение показателей в знаменателе (периода между получаемыми урожаями, объёма, занимаемого вегетационной камерой, и энергопотребления) характеризует снижение эффективности работы оранжереи в смысле её удельной производительности на затраченные ресурсы. Учитывая, что энерговесовые характеристики системы охлаждения для оранжереи, как правило, пропорциональны потребляемой мощности, а трудозатраты экипажа при длительном непрерывном режиме работы приблизительно пропорциональны времени функционирования, можно считать, что Q2-критерий отражает удельную производительность КО, нормированную на основные потребляемые бортовые ресурсы (Беркович и др., 2005).
Использование Q2-критерия делает возможным сравнение эффективности режимов освещения в КО без сложных и неточных вычислений коэффициентов цены ресурсов для каждой конкретной космической экспедиции. Важно отметить, что для конвейерного посева растений в КО интегральный экстремум максимума Q2 может оказаться выше при оптимизации плотности светового потока для каждого шага посева по отдельности, чем при оптимизации его для всего посева в целом (Berkovich et al., 1997, 2001). Например, в прототипе 10-шаговой конвейерной космической оранжереи "Витацикл" были реализованы различные световые режимы на первых трех и на остальных семи шагах конвейерного посева. Для корректного сравнения различных режимов освещения растений по максимуму предложенных критериев оптимальности (Q1 или Q2) необходимо быть уверенным, что эти режимы обеспечивают надлежащее качество получаемой продукции – необходимое содержание в съедобной биомассе витаминов, антиоксидантов, нитратов, высокие вкусовые качества и т.д. (Беркович и др., 2005). В частности, допустимое содержание нитратов в съедобной биомассе является непременным дополнительным ограничением при выборе оптимального режима освещения растений в витаминной КО по тому или иному критерию оптимальности. Известно, что содержание этого аниона в растениях в значительной мере зависит от условий освещения (Bian et.al., 2014; . Lillo, Appenroth, 2001), поэтому процесс оптимизации светового режима должен сопровождаться мониторингом данного показателя и, при необходимости, должна быть проведена коррекция минерального питания для условий конкретного, выбранного по принятому критерию оптимальности, светового режима.
В наших экспериментах параметры V и Т в формуле (2) были фиксированными при всех исследуемых режимов освещения, а параметр К для выбранной культуры достаточно стабилен в широком диапазоне условий освещения и составлет (80±2)% от сухой массы посева, поэтому в упрощённом виде компромиссный критерий может быть представлен в виде: maxQ3 = max (М2/Е), (3) где М – прирост сухой биомассы в посеве за время опыта, М/Е – коэффициент использования света посевом (величина, пропорциональная кпд фотосинтеза посева для листовых овощей).
Следует отметить, что в витаминной КО целевым продуктом является не просто съедобная биомасса листовых овощей, но главным образом, выход витаминов в урожае. Видовая структура посева в витаминной оранжерее должна удовлетворять потребности экипажа в первую очередь в витаминах А и С, необходимых человеку в наибольших дозах, и частично в витаминах группы В, макро- и микроэлементах (Berkovich et al., 2009). Витамин С (аскорбиновая кислота) и провитамин А (каротин) содержатся в биомассе овощных листовых культур в различных долях от рекомендуемых доз потребления. Например, в 100 г свежесрезанных листьев китайской капусты содержится около 100% от требуемой суточной дозы потребления витамина С на одного члена экипажа и около 150% нормы провитамина А. Многочисленные опыты показали, что при изменении параметров режима освещения соотношение между содержанием витаминов А и С в биомассе китайской капусты изменяется незначительно. Таким образом, выход витамина С в урожае является ключевым показателем качества работы витаминной КО, и удовлетворение потребности экипажа в этом витамине за счёт употребления в пищу определённой порции свежей листовой биомассы будет обеспечивать также удовлетворение потребности в провитамине А.
С учётом вышеизложенного мы предложили использовать в качестве критерия оптимизации светового режима растений в витаминной КО компромиссный критерий, Qв, вычисляемый по формуле: Qв= (СА М) М/Е (4), где М – прирост сухой биомассы посева китайской капусты за время эксперимента, СА – содержание аскорбиновой кислоты в сухой массе посева, Е – энергия светового потока, падающего на посев за время эксперимента. Для повышения надежности оценок исследуемых световых режимов по компромиссному критерию, Qв, представлялось целесообразным исследовать влияние параметров режима освещения на ряд биологических показателей, дающих комплексную оценку физиологического статуса растений и позволяющих оценить, в частности, наличие и степень стрессового состояния у растений.
Конструкция и характеристики светодиодного облучателя
Сырую массу побегов определяли с помощью электронных весов системы “Navigator” шведского производства, с диапазоном измерения 0-200 г и погрешностью 0,01 г. Накопленную массу сухого вещества в посеве (М) определяли, суммируя надземную биомассу в посадочном устройстве и пересчитывая ее на 1 м2 светящей поверхности светильника. Содержание сухих веществ в побегах определяли, высушивая в термокамере навески массой по 2 г в течение суток при 80 C. Площадь листовой поверхности определяли на фотопланиметре LI – 3100, фирмы Li-Cor (Небраска, США). Удельную поверхностную плотность листьев (УППЛ) рассчитывали, исходя из площади и сырой массы листа.
Биохимический анализ растительного материала включал определение содержания в побегах запасных и растворимых сахаров, аскорбиновой кислоты, фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) и нитратов. Биохимические показатели определяли в свежем растительном материале в день срезания растений. Срезанные с каждого КМ растения объединяли и измельчали ножницами. Из измельченного растительного материала отбирали: - по 3 навески массой 2,0 г для определения содержания сахаров; - по 4 навески массой 2,0 г для определения содержания аскорбиновой кислоты; - по 3 навески массой 1,0 г для определения содержания нитратов; - по 3 навески массой 0,20 – 0,25 г для определения содержания фотосинтетических пигментов. Объем транспирируемой воды оценивали раз в двое суток, в период с 14-х по 24-е сутки вегетации, по убыли питательного раствора в сосуде Мариотта со шкалой объёмов.
Содержание хлорофиллов а и b (Хл a и b) и суммы каротиноидов (Кар) проводили после их экстракции из листьев 85%-м ацетоном на спектрофотометре ПЭ-5400ВИ («Экохим», Россия). Расчёт содержания пигментов проводили по формулам из работы (Lichtenthaler, 1987):
Ca = 10,3A663 – 0,918A644, Cb = 19,7A644 – 3,87A663, Ccar = 4,75A452,5-(6,4A663+18,8A644) где A663–оптическая плотность экстракта при 663 нм, A644 – оптическая плотность экстракта при 644 нм, A452,5 – оптическая плотность экстракта при 452,5 нм, Ca–концентрация Хл а в экстракте, Cb–концентрация Хл b в экстракте, Ccar–суммарная концентрация каротиноидов в экстракте. Концентрации выражены в мг пигмента на литр. Содержание пигментов в листе рассчитывали как на 1 г сырой массы листа, так и на 1 дм2 площади листа.
Сахара экстрагировали по методике, изложенной в работе (Ермаков и др., 1987). При экстрагировании навески растительного материала гомогенизировали с дистиллированной водой, нагретой до 70 С, в соотношении 1:10. Из гомогенизированных образцов отбирали по две аликвоты объемом 4 мл. Одну аликвоту использовали для определения общих сахаров (крахмал и растворимые сахара), другую – для определения растворимых сахаров (свободные глюкоза, фруктоза и сахароза).
Для определения содержания общих сахаров проводили гидролиз крахмала, добавляя к аликвотам гомогената по 4 мл 1%-й H2SO4 и помещая их на 15 минут на кипящую водяную баню. Затем пробы охлаждали до комнатной температуры. Образцы гомогената, взятые для определения содержания растворимых сахаров, оставляли без изменений.
К подготовленным таким образом пробам добавляли по 4 мл воды, 0,2 мл 30% ZnSO4 и 0,2 мл 15% K4Fe(CN)6 для осаждения белка, и доводили объемдо 10 мл водой. Полученную прозрачную жидкость отфильтровывали через бумажный фильтр. Из полученных растворов отбирали по 2 пробы объемом1 мл на определение сахаров.
Содержание сахаров определяли антроновым методом по методике, изложенной в работе (Ермаков и др., 1972) с некоторыми модификациями. К исследуемым растворам добавляли по 3 мл антронового реактива (приготовленного из расчета: 200 мг антрона на 100 мл концентрированной H2SO4), тщательно взбалтывали и помещали на кипящую водяную баню на 7 минут. Затем пробы охлаждали и определяли их оптическую плотность при длине волны 620 нм на спектрофотометре ПЭ-5400 ВИ («Экохим», Россия). Содержание сахаров рассчитывали по калибровочной шкале, построенной по результатам измерения оптической плотности стандартных образцов глюкозы. Содержание сахаров выражали в мг на 1 г сухой массы побегов.
Анализ регрессионной зависимости массы сухого вещества в посеве от параметров режима освещения
По-видимому, при спектральном составе непрерывного светового потока, соответствующем отношению ППФкр/ППФбел от 0,5 до 1, увеличение доли красной составляющей в условиях опыта было недостаточным для компенсации понижения видимого фотосинтеза из-за уменьшения суммарной ППФ по глубине посева, что и явилось причиной понижения фотосинтетической продуктивности посева (рисунок 12а).
Импульсный характер излучения мог оказывать как стимулирующее, так и угнетающее действие на накопление сухой массы посева, в зависимости от уровня усредненной по времени ППФ. При значениях усредненной по времени ППФ, не превышающих 400 мкмоль/(м2с), импульсный свет ингибировал рост растений по сравнению с непрерывным излучением, особенно при удлинении периода следования импульсов свыше 350 мкс (рисунок 13(а-в), 14в). Однако при уровне средней ППФ около 500 мкмоль/(м2с) сухая масса урожая была выше при импульсном освещении. При этом значении средней ППФ характер воздействия импульсного освещения на растения существенно зависел от длительности периода следования импульсов. При длительности периода следования импульсов свыше 450 мкс продуктивность посева при импульсном свете была выше, чем при непрерывном, но при значениях менее 400 мкс импульсное освещение негативно влияло на рост растений мкс (рисунок 13(а-в), 14в). Нелинейный характер воздействия импульсного освещения на продуктивность посева отмечали ранее и другие исследователи (Olvera-Gonzalez et.al., 2013).
Этот феномен может быть обусловлен различием эффектов, вызываемых импульсным светом в различных ярусах листового покрова. Известно, что световой поток с плотностью фотонов свыше 1000 мкмоль/(м2с) в момент светового импульса может приводить к образованию активных форм кислорода в хлоропластах и к повреждению фотосинтетического аппарата и угнетению фотосинтеза в верхнем слое листового покрова. Вместе с тем, интенсивные импульсы света способны проникать в более глубокие слои листового покрова, активизируя фотосинтез в средних и нижних ярусах посева. Очевидно, что взаимодействие этих факторов зависит от оптических свойств листьев и распределения листовой массы по глубине растительного покрова. Различное соотношение этих процессов при изменении длительности периода следования импульсов при различных фиксированных значениях продолжительности импульса и средней ППФ, в данном случае обусловило параболический характер зависимости сухой массы посева от характеристик импульсного излучения (рисунок 14 (а, в)).
В целом, анализ регрессионной модели массы сухого вещества посева позволяют заключить, что при значениях ППФ около 500 мкмоль/(м2с) импульсный характер света может дополнительно увеличить эффективность использования световой энергии на синтез биомассы растений. Параметры световых режимов, соответствующих максимальному и минимальному значениям массы сухого вещества в посеве в исследованной области, приведены в таблице 10.
Полученные данные демонстрируют нелинейную зависимость накопления сухой массы растениями китайской капусты в течение вегетации от выбранных параметров светодиодного освещения в заданной области определения модели (12). Кроме того, анализ обнаружил наличие двух различных режимов освещения посевов китайской капусты, обеспечивающих практически одинаковые максимумы продуктивности по сухой биомассе. Спектры излучения при этих режимах отличаются различными долями содержания фотонов в красной области спектра.