Twee Italiaanse wetenschappers hebben onderzocht hoe verschillende delen van het lichtspectrum invloed hebben op de groei van planten. Aan de hand van een opstelling met drie soorten licht en drie verschillende slarassen hebben de bioloog Mattia Accorsi en de aan het CNR IBIMET in Florence verbonden onderzoeker Federico Catorenuto een experiment uitgevoerd.
Manipulatie met lichtspectrum
Het onderzoek spitste zich toe op het verbeteren van voedingscomponenten voor de glastuinbouw door middel van manipulatie van het lichtspectrum. In het kader van het onderzoek is in samenwerking met de afdeling voor landbouwkunde van de universiteit van Bologna een geïntegreerd en geautomatiseerd prototype voor een teeltkas opgezet. Dit prototype is gerealiseerd door het bedrijf C-LED (www.c-led.it), dat tevens de eigenaar is van de locatie waar het onderzoek is uitgevoerd.
Het prototype gaf de mogelijkheid om met verschillende LED-lichtsystemen tegelijkertijd te werken en zo het resultaat te vergelijken. Op deze manier konden de beste spectrale kenmerken voor teelt in kassen worden achterhaald. Ook kon hiermee de meest efficiënte oplossing qua energieverbruik worden bepaald.
Materiaal en methodes
De kas werd verdeeld in drie zones, die elk van elkaar waren gescheiden door middel van een niet doorschijnende, ondoorzichtige wand. Elke zone bestond uit drie trays met elk drie lagen. Elke laag bevatte twee lekbakken met per lekbak acht potten. De grond in de potten bestond uit een combinatie van 50% perliet en 50% vermiculiet.
Het geautomatiseerde irrigatiesysteem ging om de drie uur in werking. in een vast dagelijks patroon van 6 uur 's morgens tot tien uur 's avonds. Na tienen werd om twee uur 's nachts nog een laatste keer gesproeid. Een tank van 200 liter werd als waterreservoir gebruikt en als zodanig wekelijks bijgevuld. Aan het irrigatiewater werden voedingsstoffen toegevoegd. In de kas werd overdag van 8 uur 's ochtends tot 8 uur 's avonds een temperatuur aangehouden van rond de 18 °C. Van 8 uur 's avonds tot 8 uur 's morgens stond de temperatuur op rond de 16 °C. De temperatuur werd gecontroleerd door middel van het HVAC-systeem dat in de faciliteit is verwerkt.
Per zone werd door middel van ledlampen een specifieke lichtsoort gebruikt. Elke laag in de opstelling bevatte een van drie verschillende slarassen van de soort Lactuca sativa. Deze rassen waren de Maravilla de Verano, de Lollo Rosso en de Crispa. Door deze verdeling werd zodoende elk ras beschenen met licht dat tot drie verschillende kleuren in het spectrum behoorde. Qua rassen en belichting kwam dit neer op negen verschillende combinaties.
Foto: De opstelling van het experiment op het hoofdkwartier van C-LED. Van links naar rechts de drie verschillende lichtkleuren. Van boven naar onder de slarassen Lollo Rosso, Meravilla de Verano en Crispa
Teeltkundige en morfologische determinering
Wekelijks werden de planten gecontroleerd op het aantal bladeren, het groeitempo en de bladoppervlakte. Deze controles vonden plaats vanaf het punt dat de planten volgens plan waren opgesteld. Bij de oogst van de sla werd de biomassa aan de hand van zowel het versgewicht als het drooggewicht gecontroleerd.
Drie keer per week werd de elektroconductiviteit en de pH-waarde van het water bij zowel de tank als bij de drainage gecontroleerd met behulp van een conductometer. Het stikstofgehalte in de bladeren werd wekelijks gemeten door middel van een Yara N-Tester. Per plant werden zo dertig metingen verricht. De omvang van de groente in verhouding tot het energieverbruik van de lampen werd gebruikt als graadmeter voor de efficiëntie van het energieverbruik. Dit energieverbruik werd uitgedrukt in g kW-1.
Foto: Morfologie van de drie slarassen (Meravilla de Verano, Crispa and Lollo Rosso), behandeld met de drie verschillende lichtbronnen. Foto´s zijn genomen op het moment van de oogst.
Biochemische determinering
30 dagen na aanvang van het experiment werden de slabladeren gedeeltelijk geoogst. De bladeren werden vervolgens in plastic zakken bewaard bij een temperatuur van -20 °C. Van de bladeren werd het flavonoïde- en fenolgehalte bepaald en werden ook de antioxidante capaciteiten gemeten. Dit gebeurde aan de hand van de DPPH-methode zoals deze omschreven wordt door Floegel (2011), omdat op deze manier de effecten van alle antioxidanten samen konden worden bepaald in plaats van per afzonderlijk bestanddeel.
Bij alle slarassen bleek dat het versgewicht van de bladeren door de lichtbehandelingen significant waren toegenomen. In de bijgesloten figuur is te zien hoe bij lichtbron A een resultaat was bereikt van 110 gram per plant en bij lichtbron C van 112 gram per plant. Het resultaat van lichtbron B liep met 90 gram hier iets op achter.
De meeste biomassa werd met 135 gram per plant aangetroffen bij het ras Meravilla de Verano. Bij de rassen Crispa en Lollo Rosso kwam dit neer op respectievelijk 104 gram en 72 gram per plant. De verhouding tussen het droog- en versgewicht liet een omgekeerd evenredig verband zien met betrekking tot de totale productie. Bij lichtbron B kwam dit neer op een waarde van ongeveer 1,34, terwijl dit bij lichtbronnen A en C waardes betrof van respectievelijk 1,25 en 1,10.
Lichtkenmerken en invloed op de fysiologie
Doordat de interesse in bedekte teelt in stedelijke gebieden steeds meer toeneemt, is er sprake van een opmars aan commerciële oplossingen voor moderne teeltmethodes zoals precisielandbouw of het gebruik van substraat. Belichting speelt hierbij mogelijk een belangrijke rol. In tegenstelling tot kunstmatige lichttechnologieën zoals HPS en fluorescerende lampen zorgt LED-belichting voor een significante besparing op energie. Ook kan met LED-belichting worden gekozen voor een specifiek deel van het lichtspectrum.
Voortdurende innovaties op het gebied van LED-technologie maken diepgaand onderzoek naar de fysiologie en biochemie van planten mogelijk. Fysiologie en biochemie zijn twee kenmerken van een plant die direct verband houden met de kwaliteit en de hoeveelheid van het licht, dat door een plant wordt opgenomen.
Rood licht wordt over het algemeen gezien als het deel van het zichtbare spectrum dat het sterkste effect heeft op de fotosynthese. Binnen de golflengte van rood licht (tussen 600 en 700 nm) wordt de meeste chlorofyl opgenomen rond de 660 nm. Het gehalte aan blauw licht dat plantenorganismen nodig hebben is echter nog een groot vraagstuk. Wel is duidelijk dat golflengtes van blauw licht (tussen de 400 en 500 nm) een aantal belangrijke morfologische en fysiologische effecten laten zien.
Bij het experiment hadden alle drie de lichtbronnen een klein gehalte aan groen licht, van tussen de 8% en 19%. Deze golflengtes werden aan de lichtbronnen toegevoegd vanuit het uitgangspunt van eerder onderzoek, dat stelt dat een specifieke combinatie van groen licht de productie van biomassa stimuleert. Ander onderzoek toont aan dat groene golflengtes een positief effect hebben op de fysiologische reactie van fotosynthetisch licht.
De invloed van verschillende lichtspectra
Het onderzoek van Accorsi en Carotenuto heeft echter geen verband aangetoond tussen het percentage aan groen licht en de productie van biomassa. Dit is in tegenstelling tot onderzoek uit 2005, waar een positieve invloed op de biomassa werd aangetoond door een gehalte van 24% aan groen licht. Desalniettemin helpt groen licht als aanvulling op het zichtbare spectrum. Dit geldt in het bijzonder als alleen gebruik werd gemaakt van rood of blauw LED-licht. Door groen licht komen de planten natuurlijker en minder paars-grijs over. Naast dat dit een aangenamere esthetiek aan de plant verleent, zorgt dit er ook voor dat ziektes bij de plant sneller kunnen worden opgemerkt.
Foto: de testopstelling.
Toen na 30 dagen de bladsla werd geoogst, waren er significante verschillen te zien tussen de werking van de verschillende lichtbronnen en het effect op de rassen. De Meravilla de Verano had de beste opbrengst in verhouding tot de andere twee rassen. De verschillende lichtbronnen bevestigden de stelling dat de optimale verhouding tussen rood en blauw licht een zeer relevante invloed heeft op de opbrengst van de oogst. Een zekere mate van blauw licht is noodzakelijk voor een goede fysiologische balans. Een verhouding waarbij minder blauw licht en meer rood licht aanwezig is blijkt volgens dit onderzoek een positieve invloed te hebben op de productiviteit van de verschillende slarassen.
Over het algemeen zijn er per ras lichte verschillen te zien in de ideale verhouding van rood en blauw licht. Deze bevinding komt overeen met eerder onderzoek uit 2016. Er is toen aangetoond dat bladgroenten met een sterker aroma meer biomassa genereren bij een hoger percentage aan blauwe golflengtes. Bij aardbeien lijkt juist een groter percentage aan rood licht voor meer groei te zorgen.
Eerder onderzoek laat ook zien hoe planten een complex spectrum aan licht nodig hebben, dat mogelijk ook groen licht vereist. Dit maakt het moeilijk om het ideale "lichtrecept" vast te stellen, ook aangezien hier een groot aantal factoren bij komt kijken, zoals de plantensoort of het specifieke ras.
Invloed op voedingswaardes
De verhouding tussen rood en blauw licht beïnvloedt ook de voedingswaardes van groente die bij overdekte omstandigheden wordt geteeld. Onderzoek uit 2007 en 2009 heeft een verband aangetoond tussen polyfenolen en flavonoïden met antioxidante eigenschappen. De werking van polyfenolen als belangrijk antioxidant is te zien in hoe dit bestanddeel werkt als een soort aasgier voor radicalen. In de natuur bouwen polyfenolen zich in plantenweefsel op onder invloed van externe factoren. Bij teelt in een kas komen deze externe factoren neer op water, voeding en de klimaatcontrole. Mogelijk zorgt een optimaal lichtspectrum ervoor dat de voedingswaardes door middel van fotochemische inductie worden gestimuleerd.
De drie verschillende lichtbronnen die in dit experiment werden getest lieten een significant effect zien op de vorming van fenolen en flavonoïden, als ook op de activiteit van antioxidanten. Deze uitkomst bevestigt eerder onderzoek naar manipulatie door middel van LED-belichting. In figuur 8 is te zien hoe blauw licht de antioxidante eigenschappen van bladsla aanzienlijk verbetert, met een sterk correlatie-coëfficient (R2=0.776). Ook dit ligt in lijn met eerder onderzoek, waarbij aangetoond werd dat de hoeveelheid aan flavonoïden en de activiteit van antioxidanten positief wordt beïnvloed door blauw licht. Verder bleek blauw licht ook effectief in het verhogen van het gehalte aan chlorogeenzuur, dat een sterkere antioxidante werking heeft dan carotenoïden en tocoferolen.
Verse groente en fruit bevatten grote hoeveelheden antioxidanten. Wegens de regelmatige consumptie hiervan zorgt dit ervoor dat een gezond voedingspatroon anti-radicale bescherming geeft. Vers fruit heeft doorgaans een hoger gehalte aan polyfenolen en flavonoïden en daarmee een hogere antioxidante werking dan groente. Doordat er meer groente dan fruit wordt geconsumeerd, worden er gemiddeld relatief minder antioxidanten opgenomen. Epidemiologisch onderzoek laat zien dat het menselijk lichaam dagelijks gemiddeld 129 mg aan fenolen en 17 mg aan flavonoïden opneemt.
Het experiment van Accorsi en Carotenuto zorgde voor een gegarandeerd gehalte aan fenolen en flavonoïden. Gezien de gemiddelde dagelijkse consumptie van 270 gram aan groente per persoon, is een mogelijke conclusie dat een overdekt teeltsysteem op substraat door middel van de juiste LED-belichting ervoor kan zorgen dat de gemiddelde opname van fenolen en flavonoïden kan worden verbeterd met respectievelijk 6% en 6,2%.
Figuur: Het verband tussen het versgewicht (g plant-1) en de verhouding tussen rood en blauw licht, aangegeven met lege cirkels(○). De activiteit van antioxidanten (DPPH) in relatie tot de verhouding van blauw en rood licht is weergegeven met zwarte cirkels (●).