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Nella moderna agricoltura ad ambiente controllato, la regolazione precisa delle condizioni di illuminazione è diventata un mezzo importante per migliorare la qualità dei raccolti e ridurre l’accumulo di sostanze nocive.
Illuminazione a LED, con il suo spettro regolabile e l'efficienza energetica, ha mostrato un grande potenziale nel campo dell'illuminazione per la crescita delle piante. Questo articolo si concentra sull'esplorazione del modo in cui la qualità della luce LED influisce sulle piante, in particolare sul contenuto di nitrati nelle colture orticole.
L'accumulo di nitrati nelle verdure coinvolge processi fisiologici complessi, tra cui l'assorbimento e la riduzione dell'assimilazione dell'azoto nitrico, processo regolato dalle condizioni di illuminazione.
Le piante riducono l'azoto nitrico in ammoniaca attraverso l'azione di enzimi chiave come la nitrato reduttasi, che partecipa ulteriormente alla sintesi e trasformazione degli aminoacidi. Questi amminoacidi fungono da substrati per la sintesi proteica e, sulla base di queste basi, le proteine subiscono modifica, classificazione, trasporto e stoccaggio, costituendo congiuntamente la base delle attività della vita vegetale.
Un accumulo eccessivo non solo influisce sul valore nutrizionale degli alimenti, ma può anche rappresentare una potenziale minaccia per la salute umana. La ricerca scientifica ha rivelato che la qualità della luce a diverse lunghezze d’onda ha effetti regolatori significativi sui processi di metabolismo del carbonio e dell’azoto nelle piante, con la luce rossa e blu particolarmente critica.
Successivamente, esploreremo come le sorgenti luminose a LED di diverse proporzioni e lunghezze d'onda riducono efficacemente il contenuto di nitrati nelle verdure regolando l'attività della nitrato reduttasi, influenzando l'assorbimento e l'assimilazione dell'azoto nelle piante, nonché l'accumulo di carboidrati e antiossidanti correlati.
L'influenza della qualità della luce sul metabolismo del carbonio-azoto nelle piante si manifesta a più livelli, dove diverse lunghezze d'onda della luce hanno effetti regolatori significativi su fotosintesi, assorbimento, trasformazione e utilizzo dell'azoto nelle piante.
luce rossa (lunghezza d'onda approssimativamente nell'intervallo 600-700 nanometri) migliora le piante’ tasso fotosintetico.
Viene assorbito efficacemente dalla clorofilla e convertito in energia chimica, favorendo così l'assimilazione della CO₂ durante la fissazione del carbonio e aumentando l'accumulo di carboidrati nei tessuti vegetali.
Le piante coltivate in un ambiente a luci rosse hanno in genere un contenuto di carboidrati più elevato, il che è benefico per la crescita delle piante e l’accumulo di biomassa.
Luce blu (lunghezza d'onda approssimativamente nell'intervallo 400-500 nanometri) ha un effetto più pronunciato sul metabolismo dell'azoto nelle piante.
Può influenzare direttamente o indirettamente l'attività di enzimi chiave come la nitrato reduttasi, promuovendo così la riduzione del nitrato in ammoniaca e aumentando la disponibilità di fonti di ammoniaca per le piante.
La luce blu stimola anche l’assorbimento e l’assimilazione dell’azoto nelle piante, migliorando il metabolismo dell’azoto nelle piante e influenzando così la sintesi di aminoacidi e proteine.
La combinazione di luce rossa e blu può regolare in modo più efficace l’equilibrio carbonio-azoto nelle piante.
La luce rossa favorisce principalmente l’accumulo di carboidrati, mentre la luce blu svolge un ruolo nel metabolismo dell’azoto.
Quando entrambe le luci agiscono insieme, possono regolare i percorsi metabolici all'interno delle piante, garantendo un'allocazione e un utilizzo più razionali delle risorse di carbonio e azoto, migliorando così l'efficienza della crescita delle piante e la qualità del prodotto.
La luce blu può promuovere indirettamente l'assimilazione e il trasporto dell'azoto influenzando l'intensità della respirazione delle piante, come migliorando la respirazione oscura mitocondriale e regolando l'attività enzimatica nella glicolisi e nel ciclo dell'acido tricarbossilico, promuovendo così indirettamente l'attività degli enzimi legati al metabolismo dell'azoto, influenzando così Assimilazione e trasporto dell'azoto.
In un esperimento condotto da Qi Liandong et al. nel 2007, utilizzando lampade fluorescenti colorate per fornire sorgenti di luce rossa, blu e gialla, sono stati studiati gli effetti di diverse qualità di luce sulla resa degli spinaci e sull'accumulo di nitrati.
Lo studio ha indicato che, rispetto alla luce bianca e gialla, sebbene la biomassa non fosse elevata durante il trattamento con luce rossa, essa favoriva la formazione e l'accumulo di sostanza secca e carboidrati. Inoltre, potrebbe ridurre il contenuto di nitrati.
In uno studio condotto da Urbonaviciute et al. nel 2007, utilizzando lampade fluorescenti come controllo, sono stati studiati gli effetti di diverse composizioni di luce LED sulla crescita della lattuga e sul contenuto di nitrati. Le composizioni testate includevano 92% luce rossa LED (640 nm) + 8% luce quasi ultravioletta, 86% luce rossa LED + 14% luce blu LED e 90% luce rossa LED + 10% luce verde.
Il trattamento con 86% di luce LED rossa + 14% di luce LED blu ha mostrato un contenuto di zucchero significativamente più elevato rispetto alle altre due combinazioni e al gruppo di controllo. Tuttavia, il contenuto di zucchero nelle altre due combinazioni era significativamente inferiore a quello del gruppo di controllo.
Il contenuto di nitrati in tutti e tre i trattamenti era inferiore al controllo dal 15% al 20%. La luce rossa svolge un ruolo cruciale nello stimolare la nitrato reduttasi, mentre la combinazione di luce rossa e blu migliora l'assorbimento e l'assimilazione dell'azoto nelle piante.
Attraverso l'ottimizzazione della qualità della luce, il contenuto di nitrati può essere ridotto di oltre il 20%. Tuttavia, non è stata riscontrata alcuna differenza significativa nel contenuto di nitrati tra le tre combinazioni, indicando che la luce rossa potrebbe svolgere il ruolo primario nella riduzione dei livelli di nitrati.
Effetti di diverse qualità di luce sulla qualità della lattuga e sull'assorbimento dei nutrienti
Qualità della luce | Contenuto di AsA (mg/kg) | Contenuto di nitrati (mg/kg) | Calcio (mg/g) | Magnesio (mg/g) | Potassio (mg/g) |
Lampade fluorescenti bianche | 100.25a | 3500a | 8.42b | 3.61a | 74.7a |
LED rosso | 79.00b | 2350b | 8.37b | 3.69a | 75.77a |
LED blu | 93.25b | 3710a | 9.88a | 3.48a | 72.48a |
Rosso + Blu | 103.25a | 2174b | 8.36b | 3.72a | 78.32a |
Confrontando i dati sperimentali, è evidente dal grafico che il trattamento con luce rossa LED ha ridotto significativamente il contenuto di AsA nella varietà di lattuga a foglia larga testata rispetto al controllo. La luce LED blu e la luce LED rosso-blu non hanno influenzato il contenuto di AsA.
Rispetto al controllo, il trattamento con luce rossa a LED ha ridotto significativamente il contenuto di nitrati nella varietà di lattuga a foglie sciolte testata, mentre la luce blu a LED non ha influenzato il contenuto di nitrati nella lattuga.
Il trattamento con luce rossa LED ha portato anche ad una riduzione del contenuto di calcio nelle foglie della varietà testata rispetto al controllo, sebbene la differenza non fosse significativa.
Il contenuto di calcio nelle foglie della lattuga a foglie sciolte ha raggiunto il suo massimo sotto il trattamento con luce LED blu, significativamente più alto rispetto al controllo, mentre il contenuto di calcio nelle foglie della varietà testata sotto il trattamento con luce LED rossa-blu non ha mostrato differenze rispetto al controllo.
Diverse qualità di luce LED non hanno avuto effetti significativi sul contenuto totale di magnesio e potassio nelle foglie.
Samuoliene et al. (2011) hanno condotto uno studio sull'effetto dell'illuminazione supplementare a LED su tre varietà di lattuga coltivate sotto lampade al sodio ad alta pressione (16 ore) in una serra.
Tre giorni prima del raccolto, l'illuminazione supplementare con luce rossa LED da 638 nm 300 umol/m2·s per 16 ore ha ridotto significativamente il contenuto di nitrati nella lattuga rossa e verde chiaro rispettivamente del 56,2% e del 20,0%, ma ha aumentato il contenuto di nitrati nella lattuga verde chiaro di 6 volte .
L’illuminazione supplementare a LED ha aumentato il contenuto fenolico totale (52,7% e 14,5%) e la capacità di eliminare i radicali liberi (2,7% e 16,4%) rispettivamente nella lattuga rossa e verde chiaro, ma è diminuita nella lattuga verde. Dopo il trattamento, solo il contenuto di AsA nella lattuga rossa è aumentato significativamente (63,3%).
In sintesi, la ricerca sull’impatto della qualità della luce LED sul contenuto di nitrati nelle piante suggerisce un’analogia semplice: diversi colori delle luci LED agiscono come vari ingredienti in un piano alimentare nutrizionale personalizzato per le piante, ciascuno con effetti unici sulla crescita e sulla composizione dei nutrienti.
È interessante notare che la corretta combinazione di luce rossa e blu ricorda un piatto preparato con cura, che può indurre in modo più efficiente le piante a ridurre il contenuto di nitrati.
Tuttavia, quando si tratta di ridurre il contenuto di nitrati, sembra che la luce rossa prenda il sopravvento. Inoltre, diverse qualità di luce hanno effetti distinti su altri componenti nutrizionali delle piante, come il contenuto di vitamina C (acido ascorbico), calcio, magnesio e potassio.
Ciò indica che la scelta della qualità della luce è effettivamente una questione tecnica, che richiede aggiustamenti flessibili in base alle esigenze specifiche della pianta.
Sulla base dei dati sperimentali sopra riportati, l’influenza della luce rossa sulla capacità antiossidante della lattuga rivela l’impatto della qualità della luce sui processi metabolici fisiologici delle piante.
Tuttavia, l’effetto dell’integrazione con la luce rossa varia a seconda della varietà, con la sensibilità di ciascuna varietà all’ambiente luminoso determinata dal livello di accumulo di sostanze antiossidanti nelle foglie di lattuga.
Per quanto riguarda l'applicazione dell'illuminazione supplementare a LED, è come fornire alle piante un allenamento per la forza. Soprattutto con l'integrazione a luce rossa, può ridurre efficacemente il contenuto di nitrati in alcune varietà di lattuga prima del raccolto, migliorando al tempo stesso la capacità antiossidante.
Tuttavia, ciò non si applica a tutte le varietà, indicando che le piante’ i requisiti per l'ambiente luminoso variano a seconda delle loro caratteristiche.
Pertanto, nel complesso, l'uso di sorgenti luminose a LED con diverse qualità di luce ci consente non solo di regolare il contenuto di nitrati delle piante, ma anche di migliorare la qualità complessiva e il contenuto nutrizionale delle piante ottimizzando l'ambiente luminoso.
Ciò fornisce senza dubbio all’agricoltura moderna un altro nuovo strumento e un nuovo approccio alla gestione di precisione.
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