SRO: Plantevækst under lys, pigmenternes absorptionsforhold

Indholdsfortegnelse

Plantevækst under lys

Abstract

This article is about the observation of romaine lettuce growing under different kind of light types.

The photosynthesis’ light reaction and plant pigments are a very central part in this article and therefore also very central for the meaning of the results. By using different light with different waves makes it possible to affect the plants growth just by using different light. This information can be useful in the commercial farming industry because of the economic cost that can be saved by using the right kind of light compared with what results (vitamins, amount, look, etc.) the farmer is interested in. Technology and our ability to measure the affect the technology has can revolute modern farming as we know it today and increase the result at lower costs.

Problemformulering

Redegør for fotosyntesens lys-afhængige processer, udvalgte plantepigmenters absorptionsforhold og lysets betydning for planters vækst og morfologi.

Redegør for de benyttede lyskilders egenskaber og sammenlign disse egenskaber med pigmenternes absorptionsforhold.

Giv en diskussion af de resultater der er indsamlet ved de forskellige forsøg, og diskuter og vurder deres betydning i forhold til kommerciel planteproduktion.

Øvelser:

Undersøgelse af morfologi, nettoprimærproduktion og absorbtionsforhold hos planter dyrket ved hhv. rødt og blåt LED-lys og alm. glødepærer.”

Lav en undersøgelse af en udleveret lyskilde og vurder, hvor velegnet den er i forbindelse med plantevækst.”

Hypotese

Ud fra klorofylspektret kan vi se, at det er under blåt lys, klorofylet bedst absorberer lyset og der-med energien, så jeg forventer, at de planter der har vokset under blåt lys vokser mest optimalt.

Teori

I fotoautotrofe planteceller findes kloroplaster og her foregår der en række biokemiske processer, der samlet kaldes for fotosyntesen, hvor kuldioxid og vand bliver omdannet til ilt og glukose.

Fotosyntesen er overordnet delt op i to dele, lysprocessen og mørkeprocessen. Planters energikilde kommer fra lys, og det er i organellerne kloroplaster, at fotosyntesen foregår. Kloroplaster er omgivet af to membraner, der omkranser nogle flade membransække, kaldet thyla-koider, og den indre membran kaldes derfor for thylakoidmembranen, og det er her bl.a. fotosyn-tesepigmenterne caroten og klorofyl findes.¹

Når lys trænger ind i planten, er det af klorofyl og caroten, det bliver absorberet. Pigmenter-ne skal derfor bruge elektroner for at absorbere den energi, de får fra lyset, og dem får de fra fotosy-stem II. Fotosystem II spalter vand, så der dannes fri ilt og H⁺ ioner, der pumpes ind i lumen. ²

Lys kan beskrives som energirige fotoner, og når pigmenterne har absorberet lyset, bliver fotonernes energi overført til elektronerne. Dette sætter elektronerne i en energirig tilstand, de eksiterer.³

Herefter reduceres elektrontransportøren plastoquinon med de eksiterede elektroner, og i den forbindelse bliver en H⁺ pumpet ind i lumen. Da plasto-quinon har en hydrofob sidekæde, kan den uden problemer bevæge sig hen over thylakoidmembran-en, da denne er lipofil. Plastoquinon reducerer derefter enzymkomplekset cytochrom bf, og giver dermed sine elektroner videre til elektronbærenen plastocyanin (der pumpes i den forbindelse igen en H⁺ ind i lumen), og derfra videre til fotosystem I.⁴

I fotosystem I bliver lyset igen absorberet af klorofyl, og elektronerne får lidt højere energi end i fotosystem II. Energien i klorofylmolekylerne bruges til at reducere stoffet ferrodoxin ved hjælp af det reducerede plastocyanin fra tidligere. Herfra bliver NADP⁺ reduceret til NADPH.⁵

Tilsidst kommer dannelsen af ATP. Her findes enzymkomplekset ATP-syntase, der også sidder i thylakoidmembranen. Det er alle de H⁺ fra tidligere, der er blevet pumpet ind i lumen, der driver enzymet, grundet protonforskellen på begge sider af membranen.

Hele denne proces er til for at omdanne lysenergi til kemisk energi, og det er i pigmenterne, processen starter. For pigmenterne både beskytter planten mod solens farlige stråler, men de er også en vigtig del af fotosyntesen, da det er dem, der absorberer lyset.

Klorofyl kan absorbere alt lys undtagen det, der bliver udsendt omkring de 500 nm (grøn), som det i stedet reflekterer, hvilket gør, at pigmentet kommer til at se grønt ud. Ligeledes vil et pig-ment, der optager alt lys, se sort ud og et pigment, der reflekterer alt lys, se hvidt ud. Sollys ser af samme grund hvidt ud, da alle farver lyser lige kraftigt (regnbue).⁶

To af de vigtige pigmenter, der spiller ind i fotosyntesen, er klorofyl og caroten. Romaine-salat er specielt rigt på caroten. Carotenioder er røde og gule farvestoffer i planter, men findes i alle grønne plantedele, som bidrager til at opfange lys til fotosyntesen, men ikke mindst beskytter den mod solens stråler.⁷

Det andet pigment er klorofyl, som igen kan deles op i to, klorofyl a og klorofyl b. De to pigmenter er stort set ens udover, at klorofyl a har en methylgruppe, hvor klorofyl b har en aldehyd-gruppe, men begge pigmenter er tilstede i plantens blade og findes alle steder, hvor planten er grøn. Den væsentligste forskel er, hvordan de optager lys, som fremgår af afbildningen. ⁸ Klorofyl A ab-sorberer nogenlunde ligegodt ved blåt og rødt lys, mens klorofyl B absorberer næsten dobbelt så godt det blå lys som det røde. Planter, der indeholder ligemeget klorofyl a som b, må derfor vokse bedst ved blåt lys, da det er det, der bliver absorberet mest af.

plantevækst bølgelængde

Da planters vækst er så afhængig af lys, prøver de dermed også at indrette sig efter det. Det vil sige, at ved hjælp af fototropisme kan planter rent faktisk vokse hen mod lyset, når de nu ikke kan bevæge sig mod det. Det er i spidsen af planten, at lyset bliver registreret og dermed hvilken vej planten skal vokse. Der bliver produceret plantehormonet auxin i skudspidserne, men kun på skyggesiden og det bliver sendt ned til cellerne under. Dette påvirker H⁺-kanalerne, som driver ATP-syntasen, og på den måde falder pH. Da enzymerne i cellen arbejder bedst ved lav pH, be-gynder cellen at blive strakt, således at den bliver længere, men ikke bredere, da den er omgivet af mikrofibriller. Da den osmotiske effekt også træder i kraft, trænger vand ind i cellen og forstørrer den. Dette finder dog kun sted i skyggesiden af stilken, så i og med skyggesiden bliver længere og solsiden vokser normalt, vil stænglen læne sig mod lyskilden og på den måde vokse mod lyset.⁹

Det er ikke kun lys, der styrer planters vokseretning. Geotropisme skyldes tyngdekraftens påvirkning af planten og gør fx, at roden vokser nedad, mens stænglen vokser opad. Tyngdekraften bliver registreret af amyloplaster fyldt med stivelse, der findes i henholdsvis rodspidsen og en sti-velseskappe i skuddene. Princippet er det samme som fototropisme, nemlig plantehormonet auxin, der sætter processen i gang. Da planten er mest interesseret i lys, ”vinder” fototropismen dog over geotropismen. På grund af, at fototropisme giver energi til planten.¹⁰

Lys er kan være svært helt præcis at beskrive. Lys bliver ud-sendt ved forskellige bølgelængder og alt efter hvilken farve, det har, spænder langbølget lys i det røde farvespektrer, hvor mere kortbølget lys vil vise blålige nuancer. Ud fra klorofylspektret (se figur side 4) kan man se, at klorofyl absorberer blåt og tildels rødt lys, mens det reflekterer grønt og tildels gult lys. Med mennesker er det lige omvendt, vi ser mest optimalt under grønt og gult lys (450-550nm), og derfor har vi også lavet vores lyspærer, så de udsender netop det lys.¹¹

bølgelængde

Glødepæren, som én af salatbakkerne vokser under, fungerer således, at glødetråden bliver opvarmet. Dette sker, da der sider en elektrisk modstand i pæren. Når den er tilstrækkelig varm, bli-ver kraftige svigninger sat i gang og de frie elektroner bliver til lys og varme.¹²

LED-pæren anvender en faststof lyskilde af lysdiode-chips, der oftest er uorganiske lysdi-oder. En LED-pære udsender meget kraftigt lys, men bruger færre watt og er dermed økonomisk bedre. Dog viser LED-pærerne ikke så nuanceret lys, som fx en gammeldags glødepære gør. ¹³ De pærer, vi har arbejdet med, udsender lys inden for bølgelængderne for den blå ca i 450nm, den røde i 650nm og den hvide udsender få bølge i 450nm, lidt mere i i 550nm og meget i 630nm.

Sparepæren er et energibesparende alternativ til glødepæren. En sparepære er meget mere effektiv end en glødepære, da den bruger et kompaktlysstofrør. Dog udsender den et mere ubehage-ligt lys, da den sender i nogle andre spektrer end glødepæren og det tager desuden længere tid for den at varme op.¹⁴

I forbindelse med forsøget arbejdes der også med lumen. Lumen er et udtryk for lysintensitet i det synlige område for mennekser.

Metode

”Plantevækst under forskellige lyskilder”

3 bakker med romanisalat blev stillet i et mørkt rum i 44 dage under forskellig belysning, en rød LED-pære, blå LED-pære og en glødepære. Efterfølgende er de blevet målt ud fra 5 forskellige kri-terier: den fulde længde, længden og breden på stilken og længden og breden på bladet. Herefter blev de afvejet og lagt i et varmeskab i 24 timer. De blev efterfølgende vejet med formålet at finde deres nettoprimærproduktion.

”Farvespektrer i forskellige lyskilder”

Et lysspektrometer sluttet til en computer med LoggerPro blev brugt til at måle farveskalaerne i de forskellige lyskilder. Med en lineal blev afstanden nogenlunde den samme under alle målingerne. I LoggerPro kunne bølgelængderne og dermed farverne aflæses.

Databehandling

I forsøget er flere forskellige lyskilder blevet brugt, men jeg vil starte med at undersøge de pærer, vi har fået udleveret deklarationer på.

	Hvid LED	Elsparepære

Watt	10	21

Lumen	470	1160

For at se hvor effektiv pæren er, udregnes lumen pr watt da lumen meget kommer til at svare til in-tegralet. På den måde kan de to pærer sammenlignes. Desuden er watt blevet målt i forsøget og da dette er mere præcist, er det disse værdier, der bliver taget udgangspunkt i.

De pærer, vi arbejder med, er lavet til menneskelig belysning, hvilket vil sige, at det primært er de grønlige og gulige nuancer (450-550nm), der bliver udsendt, da det er dem, det menneskelige øje bedst opfatter. Derfor vil et højt lumen være optimalt for menneskelig belysning.

Elsparepæren har et lidt højere tal end LED-pæren, hvilket umiddelbart gør den bedre i forhold til den menneskelige belysning, som den også er lavet til. Det tyder derfor på, at den udsender lys i menneskelig behagelige farver (grøn og gul), men netop disse nuancer ville blive reflekteret af klo-rofyl og dermed ikke optaget i planten. Den hvide LED-pære kunne derfor muligvis være bedre eg-net til plantevækst end elsparepæren, da elsparepæren er god som menneskelig belysning og dermed ikke udsender de rigtige bølgelængder, for at klorofyl kan absorbere lyset.

	Hvid LED	Elsparepære

CRI	>80	82

CRI værdien er et udtryk for lysets evne til at udseende så mange farveskalaer som muligt, altså sollys.¹⁵ Man kan derfor sammenligne med sollys, der har et CRI-indeks på 100 med vores LED og elsparepære. Elsparepæren har et CRI indeks på 82, hvor den hvide LED-pære har et over 80. El-sparepæren udseender derfor færre nuancer end LED-pæren og da elsparepæren har et højere lumen end LED-pæren så udsender den nok sit lys omkring de 500nm, hvor menneskets øje bedst absor-berer lyset. Man kan samtidig sige, at da LED-pæren sandsynligvis udsendte andre farver end gul og grøn da den har et lavere lumen og dermed større sandsynlighed for, at dens farvespektrer ligger i de blå eller rødlige nuancer, hvilket ville gøre den mere egnet til plantevækst.

hvid led elsparepære

Da lumen pr watt er et udtryk for, hvor effektiv pæren er inden for menneskets absorbansevner, kunne det være interessant at sammenligne det med integralet inden for de områder af bølgelæng-der, hvor planter ville have gavn af det (blå).

Den hvide LED-pære er 4 gange så effektiv som sparepæren inden for det blå område.

Hvis man foretager samme beregninger med de pærere der blev brugt i vores forsøg kan man se, at den røde pære er 3 gange så effektiv i forhold til den blå, og over 250 gange så effektiv som en glødepære.

glædepære

	Blå LED	Rød LED	Glødepære

Antal planter	28	25	26

Sølvpapirbakke,	5	4,56	3,35
gram

Sølvpapirbakke +	5,83	4,88	3,47
tørrede planter,
gram

Tørrede planter, g	0,83	0,32	0,12

Vægt pr tørrede	0,0296	0,0128	0,0046
plante, g

Ved at finde hver enkelt plantes vægt, når væden er fordampet, kan man ca gå ud fra, at det, der er tilbage, svarer til nettoprimærproduktionen af glukose. Planterne, der har vokset under den blå LED-pære har produceret 0,0296 gram glukose pr plante, det er 2,3 gange så meget, som de planter under rød LED har produceret og ca 64 gange så meget som dem under glødepæren. Planterne under glødepæren må derfor have respireret meget, da den nettoprimærproduktion er så lav, så den i respirationen har opbrugt meget af sukkeret, den har produceret.

Planterne har stået under lys i 44 dage fra kl 7 om morgen til 20 om aften.

De har altså lavet fotosyntese i 2059200 sekunder i perioden. Definitionen på watt er joule pr se-kund og da vi ved, hvor mange watt pæren lyste med, så kan vi udregne den energi, pæren udsendte.

Ved at udregne den udsendte energi med nettoprimærproduktionen kan man få et billede af, hvor meget af energien planten har optaget.

Glukose svarer til 17 kJ pr gram. Det vil sige, at dem under blå LED har dannet 0,5032 kJ pr plante, dem under rød LED har dannet 0,2176 kJ pr plante og dem under glødepæren 0,0782 kJ pr plante. Det vil sige dem under blå LED har udnyttet 0,001639% af energien, dem under rød LED har ud-nyttet 0,0007045% af energien, og dem under glødepæren har udnyttet 0,00009262% af energien.

	Total længde	Blad længde	Blad bredde	Stilk længde	Stilk bredde

Glødepære	11,15	1,56	0,61	9,59	0,08

Rød LED	14,68	3,65	1,23	11,03	0,13

Blå LED	8,5	4,6	2,1	3,8	0,2

Planterne er blevet målt ud fra forskellige kriterier som den totale længde (spids til rodstart), bladets længde og bredde, stilkens længde og bredde. Alle mål er i centimeter. Desuden er skemaet et gen-nemsnit af 23 planter og giver dermed nogle mere nuancerede mål. I den totale længde er det den røde LED, der topper med over 6 cm over den blå LED. Man kunne se, at både glødepæren og den røde LED af planterne ikke var i stand til at holde sig oprejst, hvilket gjorde de lå hen af jorden og det er ikke specielt praktisk, da sandsynligheden for de rådner er større grundet fugtigheden.

Til gengæld har den blå LED det længste og bredeste blad og netop det er interessant, da det er i bladene, at klorofylet befinder sig (da det oftest er bladene, der er det grønne på planten, så er det der klorofylet må være, da det er klorofylet, der reflekterer det grønne lys). Den blå LED har derfor lidt større absorbansmuligheder end rød LED og meget større muligheder end glødepæren.

Tilsidst kan det ses, at igen er den blå LED den med de største fordele, da den også har den bredeste stilk, hvilket gør, at den har større mulighed for at stå imod vind og vejr og kan holde sig oprejst modsat glødepæren.

Diskussion og vurdering

Hvis man sammenligner klorofylspektret med de forskellige pærer, der er blevet brugt i forsøget, er det klart, at det er under blåt lys, klorofyl absorberer bedst og dermed også under blåt lys, at plan-terne vokser bedst, men det er alligevel kun 0,001639% af energien, der er blevet til noget (nettopri-mærproduktion) i planterne under det blå LED lys. Dog udnytter de næsten 18 gange mere energien end dem, der har vokset under glødepæren gør.

Dette tal er ikke helt præcist, da forsøget startede med, at planterne blev sået og dermed inden de spirede, hvilket har betydet, at meget af lyset i starten har ramt jorden i stedet for planten. Planten har derfor modtaget mindre energi, end der er udsendt af pæren. Man kunne derfor have la-vet forsøget, så planterne spirrede under samme forhold, og når intet jord var synligt af blade (så in-tet energi gik tabt i jorden), så sætte dem under forskelligt lys, så de havde samme udgangspunkt.

Samme udgangspunkt og betingelser er vigtige, da man helst kun skal have én afhængig fak-tor. Meget af glødepærens energi bliver udsendt i form af varme og kun lidt af det i form af lys, hvilket har betydet, at planterne under glødepæren er blevet vandet meget mere. De har altså ikke kun stået under dårligere lys, men de har også været under vandstress, hvilket måske også har påvir-ket deres vækst negativt, så det er ikke til at sige, om det udelukkende er lyset, der har påvirket de-res ringe nettoprimærproduktion.

Glødepæren halter generelt bagefter LED-pærerne. Ud fra beregninger, hvor effekten blev udregnet ved at sige integrallet delt med watt, kunne man se, at glødepæren var over 250 gange så dårlig som den røde LED-pære, der faktisk viste sig bedst. Det er dog interessant, at den røde pære viser sig bedre end den blå, når planterne under den blå har klaret sig meget bedre end dem under den røde. Dette skyldes sandsynligvis fordelingen af klorofyl a og b. Klorofyl a optager nogenlunde lige godt rødt og blåt lys, hvorimod klorofyl b optager blåt lys meget bedre end rødt (se klorofyl-spekter). Det tyder derfor på, at der er meget klorofyl b i vores salat, siden planterne under det blå lys har klaret sig bedre. Desuden indeholder romanisalat meget caroten, et rødt pigment, der dermed reflekterer det røde lys, og igen er med til ikke at absorbere de røde bølgelængder.

Konklusion

Ud fra de to forsøg vi har foretaget, kan jeg konkludere, at det ville kunne betale sig at bruge LED-lys i stedet for spare- eller glødepærer. Der er flere argumenter for det, men som udgangspunkt så udsender glødepærer og sparepærer lys i de farvenuancer, det menneskelige øje kan absorbere, men de farver, er dem klorofyl reflekterer. De absorberer derimod bedst de blå farver og derefter de røde.

Min hypotese bliver dermed bekræftet, da planterne under det blå lys vokser bedst, fordi de bedst kan optage lyset og dermed energien. Ud fra nettoprimærproduktionen kan jeg se, at det også er de blå planter, der udnytter energien bedst. Dette kan skyldes, at de har store blade og dermed mere pigment, der kan absorbere mere lys.

Det er også en fordel for en planteavler, at planterne er pæne, og det er tydeligt, at planterne under det blå LED bliver til flot og lækkert salat, hvorimod de andre havde en mere slatten tendens og lå hen af jorden.

Desuden blev der brugt meget mere energi på glødepæreplanterne end med LED planterne, faktisk næsten tre gange så meget (84427200/30888000=2,7). Økonomisk er dette også en fordel, da der skal bruges mindre strøm til LED, og udbyttet er meget større. Desuden skal der vandes mindre, da LED-lys ikke varmer på samme måde, som en glødepære gør.

Så både økonomisk, udbytte- og miljømæssigt ville det være en fordel for landmænd med drivhuse at skifte til en lyskilde som fx blå LED, da dennes energi er indrettet efter planternes evne til at optage det.