Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.4.2.Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ đèn led trong nông nghiệp
2.4. Đèn led và tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ đèn LED trong
2.4.2.Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ đèn led trong nông nghiệp
trên thế giới
Trên thế giới, các ứng dụng của đèn LED cho nghiên cứu trong trồng trọt đã được tiến hành mạnh mẽ từ những năm 1990 (Massa and Norrie, 2015). Đèn huỳnh quang trong hệ thống trồng cây với ánh sáng nhân tạo (PFAL) đã dần dần được thay thế bằng đèn LED sau lần đầu tiên đèn LED PFAL được tạo ra vào năm 2005 để sản xuất thương mại rau ăn lá. Tính đến năm 2015, hơn 10 trong khoảng 200 hệ thống trồng cây với ánh sáng nhân tạo ở Nhật Bản hoạt động dựa vào đèn LED. Trong khi ánh sáng bổ sung cho cây trồng nhà kính với đèn cao áp (HPS) vẫn phổ biến chủ yếu ở Hà Lan và Bắc Mỹ từ những năm 1990 (Lopez and Runkle, 2016), các phiên bản đèn HPS được cũng đang được thay thế bằng đèn LED.
Theo T Kozai et al. (2016) hình thái học thực vật (sự ra hoa, chiều dài lóng, phân nhánh, rễ…) và sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp (sắc tố, vitamin…) đều bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng ánh sáng và quang chu kỳ. Do đó, chất lượng ánh sáng đèn LED khác nhau có thể được sử dụng để kiểm sốt hình thái và sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp hiệu quả hơn, tăng giá trị của cây trồng.
Rất nhiều báo cáo nghiên cứu cho rằng ánh sáng hàng ngày cần thiết cho quang hợp (DLI) có bước sóng hoạt động (400 – 700nm) nhận được trong khoảng thời gian 24 giờ ảnh hưởng đến tăng trưởng và hình thái cây trồng về tích lũy sinh khối, diện tích lá, chiều cao cây và số hoa. Ví dụ, Currey and Lopez (2015) báo cáo rằng lá, thân, và sinh khối rễ tích lũy tăng tương ứng là 122% và 211% của cây
phong lữ thảo và cây dạ yên thảo khi DLI tăng từ 2 – 13 mol/m2/d. Trong một
nghiên cứu khác, cây dạ yên thảo ngắn hơn 6 cm khi DLI tăng 6,5 - 13,0 mol/m2/d
(Kaczperski et al., 1991). Faust et al. (2005) quan sát thấy rằng số lượng chồi bên trong cây hoa ngũ sắc và cây dạ yên thảo tăng 7,1 và 7,0 khi DLI tăng từ 5 – 43 mol/m2/d.
2.4.2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng của đèn LED đến sinh trưởng phát triển và năng suất của cây trồng trên thế giới
Hoenecke et al. (1992) cho biết đèn LED màu đỏ có thể được sử dụng để cho hoạt động quang hợp một cách hiệu quả, dẫn đến tăng sinh khối và năng suất cây trồng. Tuy nhiên, chỉ sử dụng ánh sáng màu đỏ thì khơng đủ để sản xuất tối ưu và chất lượng của hầu hết các loại cây trồng. Khi chỉ tiếp xúc với ánh sáng đỏ,
nhiều thực vật hai lá mầm kéo dài gốc thân. Cây Arabidopsis (thuộc họ Cải) khi trồng trong ánh sáng đỏ phát triển đặc điểm hình thái bất thường (Goins et al., 1998). Những phát sinh quang hình thái được biết là khác nhau giữa các loài thực vật về độ tuổi, nhiệt độ, số lượng và chất lượng ánh sáng. Cây thường nhỏ gọn hơn khi chỉ tiếp xúc với ánh sáng đỏ. Thêm vào đó, Kigel and Cosgrove (1991) khẳng định khi kết hợp cả ánh sáng màu đỏ và xanh dương (400-500 nm) kiểm soát được sự kéo dàiphần thân. Cụ thể, ánh sáng màu xanh dương, khi kết hợp với một bức xạ thấp với ánh sáng đỏ, có thể ngăn ngừa sự kéo dài quá mức trên thân và cuống lá đồng thời ngăn chặn bất thường khác về hình thái do chỉ sử dụng bước sóng đỏ gây ra (Goins et al., 1998; Hoenecke et al., 1992 ).
Ánh sáng màu xanh dương (400 đến 500 nm) làm trung gian điều chỉnh sự co giãn của thân cây, vì vậy chúng có thể ức chế sự gia tăng kéo dài thân cây trồng (Cosgrove, 1981; Kigel and Cosgrove, 1991; Runkle and Heins, 2001). Tuy nhiên, việc đưa cây trồng vào các bước sóng màu xanh dương duy nhất có thể
dẫn đến phản ứng kéo dài tương tự như dưới ánh sáng đỏ (van Ieperen et al.,
2012). Do đó, sự kết hợp của cả hai bước sóng đỏ và xanh dương thường là cần thiết để tạo ra những cây khơng bị kéo dài q mức. Ví dụ, ánh sáng đỏ và xanh dương từ đèn LED tạo ra các cây trồng nhỏ gọn hơn (Randall and Lopez, 2014; Wollaeger and Runkle, 2014).
Ánh sáng màu xanh dương có hoặc khơng có ánh sáng đỏ cũng có thể ảnh
hưởng đến mật độ và khẩu độ khí khổng (Kinoshita et al., 2001; van Ieperen et
al., 2012; Zeiger et al., 2002). Cụ thể, khi ánh sáng màu xanh dương được thêm
vào với ánh sáng đỏ, việc mở lỗ khí khổng tăng đáng kể so với khi chỉ có ánh
sáng đỏ (Kinoshita et al., 2001; van Ieperen et al., 2012). Việc mở khí khổng
bằng ánh sáng màu xanh dương được cho là trung gian thông qua các thụ thể ánh sáng màu xanh phot1 và phot2. Sự gia tăng mở khí khổng này cuối cùng dẫn đến sự gia tăng lượng khí carbon dioxide (CO2), điều này tiếp tục kích thích q trình quang hợp (Kinoshita et al., 2001).
Các cây non được trồng dưới ánh sáng bổ sung của đèn LED thường có chất lượng tương đương hoặc cao hơn đối với những cây được trồng dưới bóng đèn HPS. Cụ thể, Randall và Lopez (2014) đã đặt cây mào gà, hoa phong lữ, hoa phượng tiên, hoa cúc, pansy, dạ yên thảo, cây chia, cây hoa rồng, và dừa cạn dưới thời gian quang phổ 16 giờ của bức xạ mặt trời cùng với ánh sáng bổ sung
dương100:0, 85:15 hoặc 70:30. Cây con của một số loài được trồng dưới đèn LED màu đỏ kết hợp xanh dươngcó đường kính thân cây lớn hơn, hàm lượng diệp lục tương đối và chỉ số chất lượng cao hơn đèn HPS hoặc đèn LED 100%
ánh sáng đỏ (Currey et al., 2013). Ví dụ, sự kéo dài thân của cây mào gà, hoa
phong lữ, hoa cúc, pansy, dạ yên thảo, cây chia và dừa cạn đã được hạn chế 29%, 31%, 20%, 35%, 55%, 9% và 31% trong 28 ngày dưới đèn LED tỉ lệ đỏ/xanh dương 85:15 so với đèn HPS. Ngồi ra, đường kính thân cây hoa phong lữ, hoa cúc vạn thọ và cây hoa rồng tăng lần lượt là 8%, 13% và 18% khi trồng dưới đèn LED tỉ lệ đỏ/xanh dương 85:15 so với đèn HPS. Tuy nhiên, khối lượng khô rễ và củ giữa các cây của ba loài và dừa cạn được trồng dưới ánh sáng bổ sung LED và HPS là giống nhau. Nhìn chung, chỉ số chất lượng là tương tự của cây hoa phong lữ, hoa phượng tiên, hoa cúc vạn thọ, hoa rồng và dừa cạn được phát triển dưới đèn LED và đèn HPS. Ngược lại, Randall and Lopez (2014) đã báo cáo rằng chỉ số chất lượng cao hơn đối với cây pansi, dạ yên thảo và cây chia dưới đèn led đỏ/ xanh dương 100: 0, 85:15 và 70:30 so với đèn HPS.
2.4.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng của đèn LED đến phẩm chất của cây trồng trên thế giới
Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng sự kích thích ánh sáng tăng cường đáng kể việc sản xuất các phân tử sinh học trong thực vật. Các sản phẩm sinh tổng hợp đề cập ở đây là chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm các chất chống oxy hóa, vitamin, đường và tinh bột. Một số nghiên cứu chất chống oxy hóa trong nhiều loại cây như rau xà lách, cà chua cherry..., và họ đã thơng báo rằng các q trình sinh tổng hợp acid chlorogenic, axit caffeic, flavonoid, acid rosmarinic, acid ascorbic (vitamin C), và caroten được thúc đẩy bằng cách kích thích với ánh sáng của một bước sóng cụ thể (Kozai et al., 2016).
Đèn LED cũng có thể được sử dụng trong vài ngày hoặc vài tuần trước khi thu hoạch để tạo ra những ảnh hưởng hình thái hoặc sinh lý cụ thể, chẳng hạn như tăng màu cho các giống xà lách để tăng khả năng thị trường và chất lượng của cây trồng. Trồng các giống xà lách 'Cherokee', 'Magenta', 'Ruby Sky' và 'Vulcan' dưới đèn LED tỷ lệ ánh sáng đỏ/xanh dương là 100:0, 50:50, hoặc 0:100
ở 100 μmol/m2/s với thời gian quang hợp 16 giờ cho lá màu đỏ đậm hơn so với
trồng dưới đèn HPS, cường độ thấp hơn ở cùng tỷ lệ, hoặc không bổ sung ánh sáng (Owen và Lopez, 2015; Hình 2.6). Nghiên cứu trước đây của Li và Kubota (2009) cho biết ánh sáng xanh dương hoặc tia UV-A bổ sung có thể được sử
dụng để tăng sự tích tụ sắc tố thực vật trong xà lách'Red Cross'. Do đó, việc sử dụng đèn LED để chiếu bổ sung cho cây xà lách có tiềm năng nâng cao chất lượng thẩm mỹ và giá trị dinh dưỡng.
Hình 2.6. Ảnh hưởng của các loại đèn đến màu sắc của xà lách
Nguồn: Owen and Lopez (2015) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngồi kích thích bởi các bước sóng xanh dương và đỏ, cũng có báo cáo về
kích thích bởi bước sóng màu vàng (596nm). Urbonaviciute et al. (2009) đã
nghiên cứu chỉ ra rằng trong củ cải, hợp chất phenolic tăng 30% trong điều kiện bổ sung ánh sáng đèn LED vàng nhấp nháy. Các nghiên cứu về sinh tổng hợp các chất chống oxy hoá liên quan đến chất lượng ánh sáng ở thực vật không phải rau ăn lá cũng đã được báo cáo. Ví dụ, cây cà chua cherry được trồng dưới đèn LED đỏ, xanh lá cây, xanh dương, trắng và đèn huỳnh quang, các hợp chất phenolic, chống oxy hố được phân tích (Kim et al., 2014). Tổng hàm lượng phenol, nồng độ flavonoid, và các chất chống oxy hoá trong cây trồng dưới đèn LED xanh dương cao hơn đáng kể so với các cây trồng dưới ánh sáng khác (đỏ, xanh lá cây và đèn huỳnh quang). Ngoài ra, đèn LED đỏ làm tăng các thông số này trong cây so với các cây được trồng dưới đèn LED xanh lá cây và đèn huỳnh quang.
Đối với vitamin, ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng đã được báo cáo đối với vitamin C, carotenoid, α-tocopherol và ergosterol. Các thí nghiệm về xà lách (lá đỏ "Multired 4," lá xanh "Multigreen 3," lá xanh nhạt "Multiblond 2") được thực hiện bởi Samuoliene et al. (2012), sử dụng các đèn LED bổ sung (455, 470,
505 và 530nm, 30 μmol/m2/s) và HPS (170 μmol/m2/s). Nồng độ vitamin C của
xà lách lá đỏ giảm dưới ánh sáng xanh dương và xanh lá cây khoảng 2 và 1,5 lần. Tác động của việc kích thích ánh sáng đối với vitamin cũng được nghiên
trồng dưới 5 cường độ ánh sáng (545, 440, 330, 220 và 110 μmol/m2/s) với hỗn hợp chất lượng ánh sáng sử dụng bốn đèn LED khác nhau (455 nm [xanh dương], 638 nm [đỏ], 660 nm [đỏ], và 735 nm [đỏ xa]). Vitamin C trong đậu đỏ
và cải bẹ có giá trị cao ở mức cường độ thấp 110 μmol/m2/s, tương ứng là 3,8 và
3,5 lần so với cường độ bình thường 220 μmol/m2/s. Điều tra mức cường độ cao
hơn có ảnh hưởng khơng đồng đều lên sự tích tụ vitamin C, họ kết luận cường độ thấp thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp vitamin C trong suốt thí nghiệm này.
Năm 2009, Li và Kubota đã kiểm tra ảnh hưởng của tia UV-A, xanh dương, xanh lá cây, đỏ, và đỏ xa, với chất phytochemicals (tổng số anthocyanin, carotenoid, chlorophyll, các hợp chất phenolic tổng hợp và vitamin C) và sự phát triển (thay đổi sinh khối, chiều dài thân, chiều dài và rộng lá theo lượng ánh sáng hấp phụ) trong xà lách (Lactuca sativa L. "Red Cross"). Nồng độ carotenoid trong lá rau xà lách bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, chất xanthophylls và β carotene tăng lên 6-8% trong ánh sáng màu xanh dương, mặc dù chúng giảm 12-16% dưới ánh sáng đỏ. Xanthophylls có một đỉnh điểm hấp thụ ở 446 nm trong vùng có thể nhìn thấy được và được tạo ra để bảo vệ cây trồng phát triển dưới ánh sáng bước sóng xanh dương. Tuy nhiên, hiện nay, cơ chế tăng β-carotene vẫn chưa được biết. Hàm lượng carotenoid và chlorophyll giảm 12-16% với ánh sáng đỏ xa.
Jang et al. (2013) điều tra ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng (bóng tối,
FLs, xanh dương, xanh lá cây, vàng và đỏ) đối với sự phát triển của nấm (Bunashimeji). Kết quả nồng độ ergosterol tăng lên tối đa dưới đèn LED xanh dương, tối thiểu là dưới đèn LED màu đỏ, cho thấy cả cường độ và chất lượng (quang phổ) ánh sáng đều có ảnh hưởng đến sinh tổng hợp vitamin.