Lichtpulsen gevolgd door langere donkere periodes kunnen helpen om de landbouwproductie binnenshuis duurzamer te maken. DutchScenery / Shutterstock.com

Een nachtelijke aankomst op Schiphol vliegt je over de felroze gloed van groenteteeltkassen. Het telen van gewassen onder kunstlicht is een stroomversnelling, met name in regio's waar de prijzen voor producten hoog kunnen zijn in seizoenen waarin het zonlicht schaars is.

Nederland is slechts één land dat snel is aangenomen landbouw met gecontroleerde omgeving, waar hoogwaardige speciale gewassen zoals kruiden, luxe sla en tomaten worden geproduceerd in het hele jaar door verlichte kassen. Voorstanders suggereren deze volledig afgesloten gebouwen - of fabrieken - kan een manier zijn om stedelijke ruimte te herbestemmen, voedselkilometers te verminderen en lokale producten te leveren aan stadsbewoners.

Een van de centrale problemen van dit proces is het hoge geldkosten voor kunstlicht, meestal via een combinatie van rode en blauwe lichtgevende dioden. Energiekosten overschrijdt soms 25% van de operationele uitgaven. Hoe kunnen telers, met name in de ontwikkelingslanden, concurreren wanneer de zon vrij is? Hoger energiegebruik vertaalt zich ook in meer koolstofemissies, in plaats van de verminderde koolstofvoetafdruk die duurzaam gekweekte planten kunnen bieden.

Ik heb onderzocht hoe licht de groei en ontwikkeling van planten beïnvloedt al meer dan 30 jaar. Ik vroeg me onlangs af: in plaats van planten te laten groeien onder een zich herhalende cyclus van één dag licht en één nacht duisternis, wat als hetzelfde daglicht werd opgesplitst in pulsen van slechts uren, minuten of seconden?

Kamerplanten hebben veel kunstlicht nodig. josefkubes / Shutterstock.com

Korte uitbarstingen van licht en donker

Dus mijn collega's en ik ontwierp een experiment. We zouden de normale hoeveelheid licht in totaal toepassen, gewoon opsplitsen over verschillende delen van de tijd.

Natuurlijk zijn planten afhankelijk van licht voor fotosynthese, het proces dat in de natuur de energie van de zon gebruikt om kooldioxide en water samen te smelten tot suikers die het metabolisme van planten voeden. Licht stuurt ook groei en ontwikkeling door middel van zijn signalen over dag en nacht, en aappen met die informatiestroom kan rampzalige resultaten hebben.

Dat komt omdat het breken van iets goeds in kleinere stukjes soms nieuwe problemen oplevert. Stel je voor hoe blij je zou zijn om een ​​US $ 100-rekening te ontvangen - maar niet zo blij met de equivalente 10,000-centen. We vermoedden dat de interne klok van een plant niet dezelfde lichtgevende valuta zou accepteren als deze in kleinere coupures werd onderverdeeld.

En dat is precies wat wij aangetoond in onze experimenten. Boerenkool, raap of bietenzaailingen blootgesteld aan cycli van 12 uren licht, 12 uren donker gedurende vier dagen groeiden normaal, verzamelden pigmenten en werden groter. Toen we de frequentie van licht-donkercycli verlaagden tot 6 uur, 3 uur, 1 uur of 30 minuten, kwamen de planten in opstand. We leverden dezelfde hoeveelheid licht, alleen aangebracht in stukken van verschillende grootte, en de zaailingen waardeerden de behandeling niet.

Dezelfde hoeveelheid licht die in de loop van de dag met kortere tussenpozen werd aangebracht, zorgde ervoor dat planten meer groeiden alsof ze in het donker waren. We vermoeden dat de lichtpulsen in conflict zijn met een interne klok van de plant, en de zaailingen hadden geen idee hoe laat het was. Stengels strekten langer uit in een poging meer licht te vinden en processen zoals pigmentproductie werden in de wacht gezet.

Maar toen we licht in veel, veel kortere bursts toepasten, gebeurde er iets opmerkelijks. Planten gekweekt onder vijf seconden aan / uit cycli bleken bijna identiek te zijn aan die gekweekt onder de normale licht / donker periode. Het is bijna alsof de interne klok niet goed kan beginnen wanneer de zonsopgang elke vijf seconden opkomt, dus de planten lijken het niet erg te vinden een dag die een paar seconden lang is.

Net toen we ons voorbereidden om te publiceren, ontdekte niet-gegradueerde medewerker Paul Kusuma dat onze ontdekking niet zo nieuw was. We realiseerden ons al snel dat we iets hadden ontdekt dat al 88 jaar bekend was. Wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Landbouw zag hetzelfde fenomeen in 1931 toen ze planten groeiden onder lichtpulsen van verschillende duur. Hun werk in volwassen planten komt overeen met wat we zagen in zaailingen met opmerkelijke gelijkenis.

Een 1931-studie van Garner en Allard volgde de groei van Yellow Cosmos-bloemen onder lichtpulsen van verschillende duur. J. Agri. Res. 42: National Agricultural Library, Agricultural Research Service, US Department of Agriculture., CC BY-SA

Dit was niet alleen een vernieuwing van een oud idee, maar pulsen van licht besparen geen energie. Vijf seconden aan en uit gebruikt dezelfde hoeveelheid energie als de lichten die 12 uur aan zijn; de lichten branden nog een halve dag.

Maar wat zou er gebeuren als we de donkere periode verlengen? Vijf seconden later. Zes seconden uit. Of 10 seconden uit. Of 20 seconden uit. Misschien 80 seconden af? Ze hebben dat niet geprobeerd in 1931.

Bouwen aan extra uitvaltijd

Het blijkt dat de planten een beetje downtime niet erg vinden. Na vijf seconden licht aanbrengen om fotosynthese en biologische processen zoals pigmentophoping te activeren, hebben we het licht voor 10 of soms 20 seconden uitgezet. Onder deze lange donkere perioden groeiden de zaailingen net zo goed als wanneer de lichte en donkere perioden gelijk waren. Als dit op de schaal van een binnenboerderij kan worden gedaan, kan dit zich vertalen in een aanzienlijke energiebesparing, ten minste 30% en misschien meer.

Recent nog te publiceren werk in ons laboratorium heeft aangetoond dat hetzelfde concept werkt in bladsla; ze vinden het ook niet erg als er een langere donkere tijd tussen pulsen is. In sommige gevallen zijn de sla groen in plaats van paars en hebben grotere bladeren. Dat betekent dat een teler een verscheidenheid aan producten en met een hoger verhandelbaar productgewicht kan produceren door de lichten uit te schakelen.

Een variëteit aan sla groeide paars wanneer het een 10-tweede donkere periode kreeg. Ze lijken op die geteeld met een donkere periode van vijf seconden, maar gebruiken 33% minder energie. Het verlengen van de donkere periode tot 20 seconden leverde groene planten op met meer biomassa. J. Feng, K. Folta

Leren dat planten kunnen worden gekweekt onder uitbarstingen van licht in plaats van continue verlichting, biedt een manier om mogelijk het dure energiebudget van de binnenlandbouw te verlagen. Meer verse groenten kunnen met minder energie worden verbouwd, waardoor het proces duurzamer wordt. Mijn collega's en ik denken dat deze innovatie uiteindelijk kan helpen om nieuwe klanten aan te trekken en meer mensen te voeden - en dat met minder impact op het milieu.

Dit artikel is bijgewerkt met een gecorrigeerde legende op de foto van de planten gekweekt in 1931.

Over de auteur

Kevin M. Folta, hoogleraar tuinbouwwetenschappen en plantenmoleculaire en cellulaire biologie, Universiteit van Florida

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

ING