POR DR. RICHARD BLAKEY (*)
(*) Artigo traduzido por Newton C. Braga com permissão da Würth Elektronik.
1. Introdução
As estufas podem não ser uma tecnologia nova, mas com o crescimento populacional mundial e a mudança em direção à sustentabilidade, a produção intensiva, porém altamente eficiente e padronizada de alimentos se tornará cada vez mais a norma nos próximos anos, abrindo um novo setor agrícola potencialmente enorme que incorpora as mais recentes tecnologias das áreas de biociência e engenharia. Mas como pesquisadores e profissionais dessas áreas distintas podem entender os requisitos mutuamente dependentes das estufas internas?
As estufas têm uma longa história, supostamente da era romana, mas não foram usadas para cultivo intensivo viável até o século XX. Atualmente, existem milhões de cercas de plantas protegidas e controladas em todo o mundo, a maioria das quais utiliza luz natural. No entanto, os avanços em sistemas de iluminação, aquecimento, irrigação e controle permitiram a construção de amplas estufas internas com iluminação artificial (Figura 1). Essas instalações podem produzir rendimentos significativamente maiores do que a agricultura convencional e estufas de baixa tecnologia.
Há também várias outras vantagens. Os diferentes estágios e ciclos de desenvolvimento da planta podem ser controlados fornecendo diferentes comprimentos de onda de luz para obter maiores rendimentos ou reduzir o tempo de crescimento. O consumo de água é bastante reduzido devido à menor evaporação e ao controle da umidade e da temperatura na instalação. O controle ou eliminação de pragas de insetos, fungos ou bactérias também é mais eficaz devido ao sistema fechado. Além disso, a pegada de carbono da produção e do fornecimento de alimentos também pode ser significativamente reduzida construindo as instalações perto de centros populacionais, reduzindo as necessidades de transporte.
Um dos avanços futuros mais significativos na viabilidade de estufas internas tem sido o amadurecimento da tecnologia LED. Originalmente, os LEDs eram caros e extremamente limitados nos comprimentos de onda de luz que podiam gerar. No entanto, com o avanço em sua fabricação, os LEDs se tornaram a solução preferida para o cultivo interno. Os LEDs agora podem ser fabricados para emitir larguras de banda de luz muito específicas, sendo extremamente robustos e relativamente pequenos quando comparados a outras tecnologias de iluminação. Além disso, os LEDs têm longa vida útil, baixa tensão e não geram tanto calor excessivo, tornando-os excepcionalmente eficientes. Isso reduzirá significativamente os custos operacionais de estufas internas.
2. Requisitos espectrais das plantas
A fotossíntese é o processo que converte água e dióxido de carbono em carboidratos complexos (ou seja, açúcares) e oxigênio usando a energia da luz. No entanto, embora a energia irradiada pelo sol que atinge a superfície da Terra consista em todo o espectro de luz visível (e mais), as plantas utilizam apenas frequências específicas de luz para a fotossíntese. Essas frequências estão relacionadas às características de absorção de diferentes pigmentos presentes em organelas chamadas cloroplastos, responsáveis por diferentes funções da fotossíntese. A maioria desses pigmentos absorve luz nos comprimentos de onda que correspondem às cores azul e vermelho. É por isso que a maioria das folhas parece verde, pois esses comprimentos de onda não são absorvidos, e as cenouras parecem alaranjadas, pois contêm muito pouca clorofila. Os pigmentos mais comuns são a clorofila A, a clorofila B e os carotenoides.
![Figura 2: Espectros de absorção característicos de diferentes pigmentos usados na fotossíntese [1]](/images/stories/artigo2026/041502152026_160415_0002.png "Figura 2: Espectros de absorção característicos de diferentes pigmentos usados na fotossíntese [1]")
Essas frequências são chamadas de região de radiação fotossintética ativa (RAA) e definidas como 400 a 700 nm. A clorofila A é o principal fotopigmento, responsável por cerca de 75% da atividade fotossintética e tem picos de absorção em ~435 nm e ~675 nm. A clorofila B, antes considerada um fotopigmento acessório, amplia a faixa de comprimentos de onda que podem ser usados para a fotossíntese, com picos de absorção em ~460 nm e ~640 nm. A energia desses comprimentos de onda é capturada pela clorofila B antes de ser passada para a clorofila A por meio da ressonância de spin eletrônico. Todas as plantas superiores possuem esses dois pigmentos, responsáveis por sua cor verde. Os carotenoides têm uma faixa de absorção de comprimento de onda comparativamente muito mais ampla do que as clorofilas, com uma faixa de absorção de ~400 nm a ~510 nm. Além de sua função acessória de captação de luz, eles têm um papel muito mais complexo do que se pensava inicialmente, protegendo as clorofilas da fotooxidação quando a intensidade da luz é alta, nas faixas de comprimento de onda de baixo comprimento de onda (ou seja, de maior energia) [2]. É por isso que os comprimentos de onda de absorção dos carotenoides se sobrepõem aos das clorofilas. Além disso, os fitocromos são fotorreceptores Sensores de luz (sensores de luz) que regulam inúmeros processos, como a síntese de clorofila. Apesar dos comprimentos de onda de absorbância se situarem principalmente fora da região PAR, eles são essenciais para o desenvolvimento das plantas.
Como as plantas são estacionárias, elas evoluíram para responder a diferentes frequências e intensidades de luz que estão disponíveis e ligadas a respostas ao crescimento à sombra, ao ritmo circadiano, ao ritmo circanual e às variações climáticas. Dessa forma, a luz artificial de diferentes comprimentos de onda pode ser usada para orquestrar e manipular os estágios de crescimento e desenvolvimento das plantas. Essas respostas, que incluem a taxa de fotossíntese, fotomorfogênese (anatomia da planta), fototropismo (direção do crescimento) e fotonastia (mudanças não direcionais, por exemplo, abertura de flores), dependem de uma ampla variedade de fotorreceptores e podem ser particulares a ordens, famílias e gêneros específicos de plantas [3].
3. LEDs na Horticultura
Diodos emissores de luz são componentes de estado sólido geradores de luz que, como mencionado anteriormente, se tornaram e continuarão a ser um dos maiores impulsionadores da expansão de estufas internas devido às suas vantagens sobre lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de sódio de alta pressão e lâmpadas de mercúrio. Sua principal vantagem advém da capacidade de gerar comprimentos de onda de luz específicos. Como vimos no capítulo anterior, as plantas utilizam apenas uma faixa limitada de comprimentos de onda e têm requisitos variados em diferentes frequências. Seria altamente ineficiente consumir eletricidade gerando comprimentos de onda de luz que a planta não utilizará. Portanto, os fabricantes geralmente se concentram em LEDs com comprimentos de onda de 660 nm (vermelho) e 450 nm (azul), geralmente em uma proporção aproximada de 2:1. No entanto, investigações recentes revelaram as influências de comprimentos de onda de luz além dos convencionais vermelho e azul.
A luz vermelha (630–660 nm) é o principal motor da fotossíntese e é essencial para o crescimento dos caules.
Este comprimento de onda também regula a floração, a dormência e a germinação das sementes.
A luz azul (400–520 nm) é outro comprimento de onda essencial para a fotossíntese, mas deve ser cuidadosamente controlada e combinada com outras frequências, pois a exposição excessiva a este comprimento de onda pode inibir o crescimento. Este comprimento de onda também tem sido associado à regulação da concentração de clorofila, ao crescimento de gemas laterais e à espessura das folhas.
A luz vermelha distante (720–740 nm), que está no espectro infravermelho, influencia a germinação e pode reduzir o período de floração das plantas, mas também aumentar o comprimento do caule, novamente como parte da "resposta de evitar a sombra".
A luz verde (500–600 nm) já foi desconsiderada por ser irrelevante para o desenvolvimento das plantas, mas investigações recentes revelaram que plantas à sombra de outras são particularmente responsivas a esse comprimento de onda como parte da "resposta de evitar a sombra".
A luz UV (280–400 nm) ainda é altamente experimental no cultivo de plantas. Embora esse comprimento de onda seja mutagênico, algumas plantas (por exemplo, alface e tomate) são muito mais resistentes a esses comprimentos de onda. Estudos sugerem que esses comprimentos de onda podem ser usados no controle de fungos em espécies insensíveis. Além disso, a luz UV pode ser responsável pela geração de certas moléculas protetoras, como antioxidantes e fenóis, importantes para a nutrição humana.
No entanto, é preciso lembrar que cada tipo de planta responderá de maneira diferente a várias combinações de comprimento de onda e intensidade da luz. Além disso, diferentes características físicas são preferíveis para diferentes tipos de plantas. Por exemplo, é desejável que vegetais para salada tenham folhas finas e leves para melhorar a textura ao consumir, enquanto na Aloe vera, folhas grossas são desejáveis para produzir mais látex. Em relação à floração, as plantas decorativas precisam manter suas flores pelo maior tempo possível, enquanto no abacaxi, é ideal inibir o processo de floração para controlar melhor o período de colheita. Como resultado, operadores de estufas internas e fabricantes de unidades de luz artificial estão sempre buscando novas combinações de comprimentos de onda que sejam particularmente adequadas à receita de luz de espécies específicas e até mesmo cultivares (subespécies) de plantas.
Para atender a esses requisitos, a Würth Elektronik oferece a linha de LEDs WL-SMDC SMD Monocolor Ceramic LEDWaterclear (Figura 3). A linha WL-SMDC foi expandida para incluir comprimentos de onda de 450 nm (Azul Profundo), 660 nm (Hiper Vermelho) e 730 nm (Vermelho Extremo), que foram selecionados para corresponder aos espectros de absorção de pigmentos fotossintéticos. Além dos produtos existentes na linha, é possível uma gama diversificada de combinações que podem ser adaptadas à cultivar-alvo (Figura 4).
4. Parâmetros, métricas e unidades importantes
Como em qualquer nova aplicação, diferentes organizações e empresas desenvolveram diferentes métricas e parâmetros para medir, quantificar e qualificar a eficiência de sistemas artificiais para ambientes internos. Alguns esforços foram feitos nos últimos anos para padronizar esses parâmetros, notadamente a Sociedade Americana de Engenharia Agrícola e Biológica (ASABE), que produziu diversos documentos para identificar e coordenar o uso de LEDs para o crescimento de plantas, com uma série de padrões e diretrizes referentes aos métodos de medição e testes para quantificar o consumo de energia e as características de desempenho. Até muito recentemente, os parâmetros baseavam-se na percepção humana da luz, que é tendenciosa em direção aos comprimentos de onda verde/amarelo e contra os comprimentos de onda azul e vermelho. É por isso que parâmetros convencionais, como lúmens, não podem ser usados. Abaixo estão listados os parâmetros mais importantes relacionados a LEDs na horticultura [4].
Comprimento de onda (λ, nm) – especifica o comprimento de onda da luz emitida pelo LED.
Radiação fotossinteticamente ativa (PAR, ~400 nm - ~700 nm) – esta é a faixa convencionalmente usada de frequências de luz necessária para que as plantas realizem a fotossíntese (Figura 2). Este número pode às vezes ser enganoso, pois todos os comprimentos de onda recebem igual importância para a fotossíntese, embora, como vimos acima, o vermelho e o azul sejam os principais impulsionadores da fotossíntese. Isso significa que os comprimentos de onda de um LED verde podem estar dentro da faixa PAR, mas terão um efeito muito limitado no crescimento das plantas.
Fluxo de fótons fotossintéticos (FPP, μmol·s-1) – quantifica a quantidade total de fótons fotossinteticamente ativos produzidos por LEDs a cada segundo. Embora possa parecer estranho para um engenheiro elétrico quantificar a saída de uma fonte de luz pelo número de fótons emitidos, é preciso lembrar que a fotossíntese é um processo bioquímico que pode ser quantificado pelo número de moléculas de açúcar geradas por número de fótons, mesmo que fótons de diferentes comprimentos de onda tenham diferentes níveis de energia. A conversão de energia elétrica para FPP é realizada usando a relação de Plank-Einstein e o número de Avogadro, sendo a soma de todos os fótons gerados na faixa de comprimento de onda. Figura 5: A diferença entre o Fluxo de Fótons Fotossintéticos à esquerda e a Densidade do Fluxo de Fótons Fotossintéticos à direita, com várias cores.
Densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (PPFD, μmol·m-2·s-1) – quantifica a quantidade total de fótons fotossinteticamente ativos que atingem a área alvo por segundo. Este parâmetro é altamente dependente da distância e do ângulo da fonte. Geralmente, é medido usando um medidor quântico sensível apenas a comprimentos de onda PAR.
Eficácia do fóton (μmol·J) – este parâmetro quantifica a eficiência do LED na criação de PPF por joule de energia elétrica utilizada.
Eficiência de tomada de parede (WPE, %) – definida como a eficiência de conversão de energia, uma relação entre a potência elétrica e a potência óptica.
Relação R-B – esta relação quantifica a relação entre a luz vermelha e a luz azul emitida pelo sistema LED.
5. Resumo
A melhoria na eficiência, potência óptica, preço e vida útil levou os LEDs da fase de pesquisa de desenvolvimento a uma alternativa inovadora e viável às fontes de iluminação convencionais na aplicação na horticultura. Embora a influência exata das relações de comprimento de onda e o papel dos comprimentos de onda além do vermelho e do azul precisem ser investigados e compreendidos, os LEDs continuarão a conquistar participação de mercado de outras fontes de iluminação e se tornarão dominantes nos próximos anos. Com o lançamento do WL-SMDC estendido, a Würth Elektronik possui LEDs que atendem aos comprimentos de onda essenciais para a fotossíntese, além de quaisquer requisitos especiais que possam ser exigidos para tipos específicos de plantas.
6. Referências
[1] Jigang, L., Gang, L., et al., 2011, Mecanismos de Sinalização do Fitocromo, The Arabidopsis Book / American Society of Plant Biologists, 9, e0148.
[2] Yamamoto, H.Y., Bassi, R., 2006, Capítulo 30: Carotenoides: Localização e função. Fotossíntese Oxigênica
Tese:
The Light Reactions, P539-563, Springer Science & Business Media.
[3] Hogewoning, S.W., Douwstra, P. et al., 2010, Um espectro solar artificial altera substancialmente o desenvolvimento das plantas
em comparação com espectros de irradiância de ambientes climáticos, Journal of Experimental Botany, 61 (5), P1267-1276.
[4] Salisbury, F.B., 1996, Capítulo 9: Radiação Eletromagnética, Unidades, Símbolos e Terminologia para Fisiologia Vegetal: Uma Referência para Apresentação de Resultados de Pesquisa em Ciências Vegetais, P75-80, Oxford University
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