Radiasi fotosintesis yang tersedia (PAR) dan radiasi yang dapat digunakan secara fotosintesis (PUR) apa yang paling cocok untuk berbagai tanaman/alga dalam budidaya perairan atau alga?

一, Perbedaan kebutuhan cahaya berbagai kelompok tanaman air dan cara membuat PUR bekerja lebih baik
1. Tanaman air yang positif membutuhkan banyak cahaya dan bekerja dengan baik dengan cahaya merah dan biru.
Untuk menjaga bentuk dan warna tubuhnya tetap cerah, tanaman air positif seperti kupu-kupu merah dan rumput istana membutuhkan banyak cahaya. Kisaran PAR terbaik untuk ini adalah 150–300 μ mol/m ²/s, meskipun efisiensi PUR meningkat sebesar 40% ketika lampu merah 660nm dan lampu biru 450nm digunakan secara bersamaan. Misalnya, Laboratorium Tumbuhan Akuatik ADA di Jerman menggunakan sistem LED untuk mendapatkan rasio lampu merah: cahaya biru 3:1. Hal ini membuat tanaman air positif tumbuh 28% lebih banyak dibandingkan lampu neon biasa. Pada saat yang sama, cahaya putih 6500K digunakan untuk mengisi celah pada pita lampu hijau 550nm. Hal ini memudahkan cahaya untuk mencapai perairan yang lebih dalam dan mengatasi masalah hilangnya cahaya di wilayah perairan dalam.
2. Adaptasi cahaya yang lemah dan keseimbangan spektrum penuh tanaman air negatif
Tanaman air negatif, seperti Iron Crown dan Moss, dapat tumbuh subur pada kisaran PAR 20–70 μ mol/m ²/s. Namun, efisiensi PUR bergantung pada cakupan spektral penuh. Takagi Aqua, sebuah bisnis Jepang, menggunakan teknologi pelapisan nano untuk meningkatkan spektrum LED. Mereka mampu mendapatkan rasio energi 1:2 antara pita cahaya biru (400–500nm) dan pita lampu merah (600–700nm). Menggunakan lampu hijau 550nm, suhu warna air juga diubah menjadi 6500K, membuatnya tampak seperti pengaturan pencahayaan aliran sungai alami. Hal ini membuat tanaman air negatif 35% lebih kaya klorofil-dan memperlambat pertumbuhan alga sebesar 60%.
3. Kompensasi cahaya pada zona transisi tumbuhan air
Tanaman air, seperti bawang air dan alang-alang, perlu selalu mengubah pengaturan PAR/PUR karena tanaman ini tumbuh di daerah pertemuan air dengan daratan. Menurut penelitian dari Shanghai Ocean University, bagian tanaman di bawah air tumbuh paling baik pada PAR 100–150 μ mol/m ²/s, sedangkan bagian atas-air memerlukan cahaya tinggi sebesar 200–300 μ mol/m ²/s. Susunan LED dengan sudut yang dapat disesuaikan digunakan dalam bidang teknik, dan sistem Internet of Things secara otomatis mengubah mode pencahayaan berdasarkan tahap pertumbuhan tanaman. Misalnya, lampu biru 450nm sebagian besar digunakan pada tahap pembibitan (PUR menyumbang 60%) untuk mendorong pertumbuhan akar, dan lampu merah 660nm sebagian besar digunakan selama tahap dewasa (PUR menyumbang 75%) untuk mendorong pembungaan.
2, Ambang batas fotoekologi dan penyaringan PUR untuk pertumbuhan alga
1. Kebutuhan cahaya mikroalga berbeda-beda pada setiap spesies.
Berbagai jenis alga bereaksi sangat berbeda terhadap PAR/PUR:
PAR terbaik untuk Chlorella vulgaris adalah 50–150 mol/m²/s, sedangkan efisiensi PUR terbaik adalah ketika cahaya biru pada 450nm dan lampu merah pada 660nm digunakan secara bersamaan. Eksperimen fotobioreaktor di Qingdao Ocean University menunjukkan bahwa penggunaan cahaya biru dan merah dengan rasio 1:1 meningkatkan biomassa Chlorella sebesar 2,3 kali lipat dibandingkan dengan menumbuhkannya di bawah cahaya putih, dan konsentrasi astaxanthin sebesar 40%.
Spirulina adalah ganggang yang mampu menangani banyak cahaya. PAR jenuhnya lebih dari 500 μmol/m²/s, namun efisiensi PUR-nya paling baik pada pita lampu merah 660nm. Basis Industri Spirulina Yunnan menggunakan LED pita sempit 680nm, yang memungkinkan hasil unit area melebihi 120g/m²/tahun dan menjadikan budidaya tenaga surya tradisional 300% lebih efisien.
Cyanobacteria: Ada sejumlah cahaya merah yang dapat mereka serap pada 620nm, namun terlalu banyak cahaya merah dapat dengan mudah memicu pertumbuhan alga. Dalam proyek pengolahan cekungan Danau Taihu, cahaya biru 450 nm menghambat aktivitas sistem fotosintesis II pada cyanobacteria, dan menggabungkan lampu merah 660 nm dengannya memecah phycobiliprotein. Hal ini mengurangi biomassa cyanobacteria sebesar 75% dan meningkatkan proporsi alga bermanfaat seperti alga hijau dan diatom hingga 80%.
2. Proses dimana kompetisi ringan dihentikan dalam kelompok alga
Dalam budidaya alga campuran, pengaturan kualitas cahaya telah menjadi cara penting untuk memperbaiki struktur populasi. Misalnya, saat menumbuhkan mikroalga sebagai umpan, “domestikasi ringan” dilakukan dengan mengubah spektrum LED secara real time:
Selama tahap pembibitan, cahaya biru 450nm sebagian besar digunakan (PUR menyumbang 70%) untuk menghentikan pertumbuhan alga berfilamen dan mendorong alga uniseluler untuk bereproduksi.
Selama fase pertumbuhan logaritmik, gunakan lampu merah 660nm sebagai sumber dominan (PUR menyumbang 80%) untuk mendorong pembelahan sel alga.
Periode stabil: Menambahkan lampu hijau 550nm (PUR menyumbang 10%) untuk mengurangi efek fotoinhibisi dan memperpanjang siklus produksi alga.
Rencana ini meningkatkan persentase alga-berkualitas tinggi seperti Chlorella dan Scenedesmus dari 60% menjadi 92% dan memotong biaya penyaringan sebesar 30%.
3, Jalan menuju penerapan teknik dan inovasi teknologi
1. Sistem Kontrol Lingkungan Lampu Cerdas
Dengan menggunakan teknologi IoT untuk menghubungkan sensor PAR, modul penyesuaian spektral, dan perangkat pemantauan perilaku biologis, kondisi pencahayaan dapat dioptimalkan secara real-time. Misalnya, sebuah oseanarium di Sanya menggunakan sistem lingkungan cahaya AI untuk mengubah komponen spektral dan distribusi intensitas cahaya secara real-time berdasarkan data seperti seberapa terang karang dan seberapa cepat ikan berenang.
Mode siang hari: cahaya putih 6500K dengan tambahan lampu merah 10%, PAR tetap antara 200 dan 250 μ mol/m ²/s; Mode malam: cahaya hangat 2700K dengan cahaya biru 5%, PAR berkurang hingga 50 μ mol/m ²/s;
Mode darurat: Saat listrik padam, lampu pengaman merah akan otomatis menyala dalam kondisi cahaya redup (Kurang dari atau sama dengan 20 μ mol/m ²/s) untuk meminimalkan stres pada makhluk hidup.
Teknik ini meningkatkan tingkat kelangsungan hidup makhluk hidup hingga 98% dan mengurangi penggunaan energi sebesar 40%.
2. Penggunaan bahan optik yang meniru biologi
Teknik pelapisan nano baru ini dapat meniru bagaimana perairan alami mempengaruhi spektrum cahaya. Sebuah pusat perbelanjaan di Shenzhen telah melapisi film kristal fotonik pada kaca akuarium. Hal ini mengurangi tingkat atenuasi pita lampu merah (620–750nm) sebesar 60%, menjadikan pencahayaan di perairan dalam jauh lebih baik. Bekerja dengan susunan LED fokus yang dapat disesuaikan untuk mendapatkan distribusi gradien PAR bawah air:
Lapisan atas (0–30 cm) memiliki PAR 300 mol/m²/s, dengan 70% dari total cahaya merah. Lapisan tengah (30–60 cm) memiliki PAR 150 mol/m²/s, dengan cahaya merah mencapai 50% dari total. Lapisan bawah (60–90 cm) memiliki PAR sebesar 75 μmol/m²/s, dengan cahaya merah mencapai 30% dari total.
Desain ini memungkinkan tanaman air positif tetap kecil di lokasi perairan dalam, yang berarti mereka tidak memerlukan banyak cahaya tambahan.
3. Bekerja sama dalam desain lintas bidang
Insinyur pencahayaan perlu menetapkan cara standar untuk bekerja dengan ahli biologi kelautan dan psikolog warna. Sebuah hotel-bintang lima di Hangzhou ditemukan melalui studi tim kolaboratif yang:
Ketika ikan badut diberi campuran cahaya biru 470 nm dan cahaya kuning 590 nm, bukan cahaya putih biasa, mereka menghasilkan telur 2,3 kali lebih banyak. Ketika alga kuning karang diberi cahaya putih 6500K dan 10% cahaya ungu (400-420nm), efisiensi ekspresi protein fluoresen di dalamnya meningkat sebesar 40%.
Dengan mengubah spektrum primer setiap dua jam, indeks keanekaragaman perilaku ikan meningkat sebesar 31%.