Bij het selecteren van de meest vitale chemische reactie op aarde komt fotosynthese ongetwijfeld op de eerste plaats en dient als basis voor de overgrote meerderheid van bekende levensvormen.
Belangrijke doorbraken in het fotosyntheseonderzoek ontstonden in de tweede helft van de 19e eeuw. Maar zelfs vandaag de dag hebben wetenschappers de essentie ervan nog niet volledig ontrafeld.
1. De essentie van fotosynthese begrijpen
De kern van fotosynthese: autotrofe planten synthetiseren suikers uit koolstof, waterstof en zuurstof onder licht-gedreven processen.
Fotosynthese is een klassieke redoxreactie: watermoleculen worden geoxideerd bij de lichtreacties, terwijl koolstofdioxide wordt verminderd bij de donkerreacties. De oxidatie van water levert elektronen en energie voor CO₂-reductie, en CO₂ dient als de enige koolstofbron voor de organische koolstofsynthese. Fotosynthese vertegenwoordigt dus het fotochemische proces waarbij anorganische koolstof wordt omgezet in organische koolstof.
De moderne landbouw streeft naar teelt met een hoge-opbrengst en hoge- kwaliteit, wat in wezen een suiker-rijke plantenteelt is. Daarom wordt aanvullende verlichtingstechnologie inherent gedreven door de logica van de modernisering van de landbouw. Voor landbouwproducten met een hoge-waarde is kunstmatige aanvullende verlichting de enige haalbare aanpak.
Omgevingsfactoren die de fotosynthesesnelheid beïnvloeden: lichtkwaliteit, lichtkwantiteit, temperatuur en koolstofdioxide. De effectiviteit van plantenverlichting hangt grotendeels af van omgevingsfactoren, niet van de lampen zelf.
Voor planten richt het onderzoek naar lichtspectrumtechnologie zich op de vraag of de fotosynthese-efficiëntie wordt gemaximaliseerd.
Fotosynthese vindt uitsluitend plaats door de interactie van fotonen, koolstof, waterstof en zuurstof. Dit fundamentele principe is cruciaal voor het juiste gebruik van plantenverlichting; anders kan de toepassing ervan niet worden begrepen.
Fotosynthese is het proces waarbij organisch materiaal wordt geproduceerd en energie wordt opgeslagen, terwijl ademhaling het proces is waarbij organisch materiaal wordt afgebroken en energie vrijkomt. Bij plantenlichttoepassingen moet rekening worden gehouden met de ademhaling van planten.
Wij zijn van mening dat het koppelen van kunstmatige verlichting aan water- en kunstmestbeheer een effectieve strategie is om het energieverbruik van plantenlicht te verminderen.
Onder kunstmatige lichtomstandigheden is de fotosynthese-efficiëntie van planten veel groter dan die onder zonlicht. Deze conclusie komt voort uit validatietests voor de lichtkwaliteit in het laboratorium. Met andere woorden: het aanvullen van kasverlichting met kunstlicht is de optimale teelttechniek.
2. Het licht van fotosynthese begrijpen
Gedurende de lange evolutionaire geschiedenis van planten kwam het licht voor fotosynthese niet van de aarde. De verlichting die het aardoppervlak bereikt is passief, waarbij seizoenen en weer de belangrijkste factoren zijn die de lichtomstandigheden aan het oppervlak beïnvloeden. Onvoldoende zonlicht als gevolg van weersomstandigheden kan de overleving van planten rechtstreeks beïnvloeden.
De enige oplossing voor de plantenteelt in het licht van het verslechterende klimaat is kunstmatige aanvullende verlichting. Plantverlichtingstechnologie vertegenwoordigt de belangrijkste toepassing van kunstmatige lichtbronnen, waarvan de bijdrage aan de mensheid kan wedijveren met die van de kolonisatie van Mars.
Het is heel belangrijk om deze fundamentele waarheid te begrijpen: zonlicht heeft geen enkele verplichting om de plantengroei in stand te houden. Dit is het meest fundamentele principe dat we moeten herkennen tijdens klimaatveranderingen. Planten hebben zonlicht nodig, maar zonlicht heeft geen planten nodig. Zonlicht bestond al lang voordat de eerste planten op aarde ontstonden-dit is de fundamentele logica voor het begrijpen van fotosynthetisch licht.
Planten ontwikkelden hun strategieën voor lichtgebruik onder zonnestress. Hun absorptie-efficiëntie blijft laag, wat betekent dat overvloedig zonlicht geen garantie is voor de accumulatie van suikers.-Dit vertegenwoordigt de meest fundamentele cognitieve logica met betrekking tot zonlicht.
Tot op heden hebben mensen verschillende primaire chlorofylen geïdentificeerd die essentieel zijn voor de fotosynthese van planten: chlorofyl a, chlorofyl b, chlorofyl c, chlorofyl d, chlorofyl f en bacterieel chlorofyl. Hoewel er mogelijk nieuwe chlorofylen worden ontdekt, werken bekende fotosynthetische pigmenten binnen het spectrum van 400-700 nm, het PAR-bereik genoemd.
Licht buiten het PAR-bereik is niet relevant voor de fotosynthese van planten-een fundamenteel principe in de verlichtingstechnologie van planten.
Cruciaal is dat alle ontdekte chlorofyl-absorptiespectra absorptiepieken vertonen aan de hoge-energie- of lage--uiteinden van het spectrum, maar geen enkele vertoont absorptiepieken binnen de centrale PAR-band.
Hoewel pigmentabsorptiespectra dienen als referentie voor het ontwerp van plantenverlichting, vormen ze niet de enige basis voor spectrale configuratie.
De vraag van een plant naar zonlicht wordt bepaald door zowel de intrinsieke behoeften als de omgevingsomstandigheden. Dit betekent dat de behoefte van een plant aan lichtkwaliteit en -kwantiteit sterk verbonden is met de groeiomgeving en variabel is.
De adaptieve reactie van een plant op lichtefficiëntie begint tijdens de zaailingfase. Hoewel het fototunen van zaailingen technische betekenis heeft, heeft de huidige technologie moeite om de gewenste resultaten te bereiken.
Voor plantenverlichting richt onderzoek op spectrale technologie zich op de vraag of planten het spectrum dat door kunstmatige lichtbronnen wordt geproduceerd, efficiënt absorberen.
Samenvatting
Fotosynthese is de 'suikerfabriek' van de fabriek en de rol van fabrieksverlichting is om deze fabriek te voorzien van de meest geschikte lichtbron, zodat deze efficiënt kan werken.
