Bức xạ quang hợp sẵn có (PAR) và bức xạ quang hợp hữu dụng (PUR) phù hợp nhất cho các loại thực vật/tảo khác nhau trong nuôi trồng thủy sản hoặc tảo là gì?

一, Sự khác biệt về nhu cầu ánh sáng của các nhóm cây thủy sinh khác nhau và cách để PUR hoạt động tốt hơn
1. Cây thủy sinh dương cần nhiều ánh sáng và phát huy tốt cả ánh sáng đỏ và xanh.
Để giữ được hình dáng và màu sắc rực rỡ của cơ thể, các loài thực vật thủy sinh tích cực như bướm đỏ và cỏ hoàng cung cần rất nhiều ánh sáng. Phạm vi cải cách hành chính tốt nhất cho nó là 150–300 μ mol/m 2/s, mặc dù hiệu suất PUR tăng lên 40% khi ánh sáng đỏ 660nm và ánh sáng xanh 450nm được sử dụng cùng nhau. Ví dụ, Phòng thí nghiệm thực vật thủy sinh ADA ở Đức sử dụng hệ thống đèn LED để có được tỷ lệ ánh sáng đỏ: ánh sáng xanh là 3:1. Điều này làm cho cây thủy sinh dương phát triển hơn 28% so với bóng đèn huỳnh quang thông thường. Đồng thời, ánh sáng trắng 6500K được tận dụng để lấp đầy khoảng trống trong dải ánh sáng xanh 550nm. Điều này giúp ánh sáng dễ dàng tiếp cận vùng nước sâu hơn và khắc phục vấn đề mất ánh sáng ở vùng nước sâu.
2. Khả năng thích ứng ánh sáng yếu và cân bằng quang phổ đầy đủ của thực vật thủy sinh âm tính
Thực vật thủy sinh âm tính, chẳng hạn như Iron Crown và Moss, có thể phát triển mạnh trong phạm vi cải cách hành chính từ 20–70 μ mol/m 2/s. Tuy nhiên, hiệu suất PUR phụ thuộc vào phạm vi phủ sóng đầy đủ. Takagi Aqua, doanh nghiệp Nhật Bản, đã sử dụng công nghệ phủ nano để cải thiện quang phổ đèn LED. Họ có thể đạt được tỷ lệ năng lượng 1:2 giữa dải ánh sáng xanh (400–500nm) và dải ánh sáng đỏ (600–700nm). Sử dụng ánh sáng xanh 550nm, nhiệt độ màu của nước cũng được thay đổi thành 6500K, khiến nó trông giống như bối cảnh chiếu sáng dòng suối tự nhiên. Điều này làm cho thực vật thủy sinh âm tính giàu diệp lục{16}}nhiều hơn 35% và làm chậm sự phát triển của tảo tới 60%.
3. Bù ánh sáng ở vùng chuyển tiếp của cây thủy sinh
Các loại cây trồng dưới nước, như hành nước và lau sậy, cần phải thay đổi cài đặt PAR/PUR liên tục vì chúng phát triển ở khu vực có nước gặp đất. Theo nghiên cứu của Đại học Hải dương Thượng Hải, phần dưới nước của cây phát triển tốt nhất ở mức cải cách hành chính 100–150 μ mol/m 2/s, trong khi phần trên-mặt nước cần ánh sáng cao 200–300 μ mol/m 2/s. Các dãy đèn LED có góc điều chỉnh được sử dụng trong kỹ thuật và hệ thống Internet of Things tự động thay đổi chế độ chiếu sáng dựa trên giai đoạn sinh trưởng của cây. Ví dụ, ánh sáng xanh 450nm được sử dụng chủ yếu trong giai đoạn cây con (PUR chiếm 60%) để khuyến khích sự phát triển của rễ và ánh sáng đỏ 660nm được sử dụng chủ yếu trong giai đoạn trưởng thành (PUR chiếm 75%) để khuyến khích ra hoa.
2, Ngưỡng quang sinh học và sàng lọc PUR cho tảo phát triển
1. Nhu cầu ánh sáng của mỗi loài vi tảo là khác nhau.
Các loại tảo khác nhau phản ứng khá khác nhau với PAR/PUR:
Cải cách hành chính tốt nhất cho Chlorella Vulgaris là 50–150 μ mol/m2/s, trong khi hiệu suất PUR tốt nhất là khi sử dụng cùng nhau ánh sáng xanh ở 450nm và ánh sáng đỏ ở 660nm. Một thí nghiệm về lò phản ứng quang học tại Đại học Đại dương Thanh Đảo cho thấy rằng việc sử dụng tỷ lệ 1:1 của ánh sáng xanh và đỏ đã làm tăng sinh khối của Chlorella lên 2,3 lần so với nuôi dưới ánh sáng trắng và nồng độ astaxanthin lên 40%.
Tảo Spirulina là loại tảo có thể xử lý được nhiều ánh sáng. Cải cách hành chính bão hòa của nó là hơn 500 μ mol/m 2/s, nhưng hiệu suất PUR của nó là tốt nhất trong dải ánh sáng đỏ 660nm. Cơ sở Công nghiệp Tảo Spirulina Vân Nam sử dụng đèn LED dải hẹp 680nm, cho phép năng suất trên một đơn vị diện tích đạt hơn 120g/m2/năm và giúp nuôi cấy năng lượng mặt trời truyền thống hiệu quả hơn 300%.
Vi khuẩn lam: Chúng có thể hấp thụ một lượng ánh sáng đỏ nhất định ở bước sóng 620nm, nhưng quá nhiều ánh sáng đỏ có thể dễ dàng kích hoạt tảo nở hoa. Trong dự án xử lý lưu vực hồ Taihu, ánh sáng xanh 450nm ức chế hoạt động của hệ thống quang hợp II ở vi khuẩn lam và kết hợp ánh sáng đỏ 660nm với nó sẽ phá vỡ phycobiliprotein. Điều này làm giảm 75% sinh khối của vi khuẩn lam và tăng tỷ lệ các loại tảo có lợi như tảo xanh và tảo cát lên 80%.
2. Quá trình ngăn chặn sự cạnh tranh ánh sáng ở các nhóm tảo
Trong nuôi trồng tảo hỗn hợp, việc điều chỉnh chất lượng ánh sáng đã trở thành một cách quan trọng để cải thiện cơ cấu quần thể. Ví dụ, trong khi trồng vi tảo làm mồi nhử, quá trình "thuần hóa ánh sáng" được thực hiện bằng cách thay đổi quang phổ đèn LED theo thời gian thực:
Trong giai đoạn cây con, ánh sáng xanh 450nm chủ yếu được sử dụng (PUR chiếm 70%) để ngăn chặn tảo sợi phát triển và khuyến khích tảo đơn bào sinh sản.
Trong giai đoạn tăng trưởng logarit, sử dụng ánh sáng đỏ 660nm làm nguồn chủ đạo (PUR chiếm 80%) để khuyến khích sự phân chia tế bào tảo.
Thời kỳ ổn định: Thêm ánh sáng xanh 550nm (PUR chiếm 10%) để giảm hiệu ứng quang ức chế và kéo dài chu kỳ sản xuất tảo.
Kế hoạch này tăng tỷ lệ tảo-chất lượng cao như Chlorella và Scenedesmus từ 60% lên 92% và cắt giảm 30% chi phí lọc.
3, Con đường thực hiện kỹ thuật và đổi mới công nghệ
1. Hệ thống kiểm soát môi trường ánh sáng thông minh
Bằng cách sử dụng công nghệ IoT để kết nối các cảm biến PAR, mô-đun điều chỉnh quang phổ và thiết bị giám sát hành vi sinh học, có thể tối ưu hóa điều kiện ánh sáng theo thời gian thực. Ví dụ: một thủy cung ở Tam Á sử dụng hệ thống môi trường ánh sáng AI để thay đổi các thành phần quang phổ và phân bổ cường độ ánh sáng trong thời gian thực dựa trên dữ liệu như độ sáng của san hô và tốc độ bơi của cá.
Chế độ ban ngày: Ánh sáng trắng 6500K có thêm 10% ánh sáng đỏ, PAR nằm trong khoảng từ 200 đến 250 μ mol/m 2/s; Chế độ ban đêm: Ánh sáng ấm áp 2700K với 5% ánh sáng xanh, PAR giảm xuống 50 μ mol/m 2/s;
Chế độ khẩn cấp: Khi mất điện, đèn an toàn màu đỏ sẽ tự động bật sáng khi ánh sáng yếu (Nhỏ hơn hoặc bằng 20 μmol/m 2/s) để giảm thiểu gây căng thẳng cho sinh vật.
Kỹ thuật này nâng tỷ lệ sống sót của sinh vật sống lên 98% và cắt giảm 40% mức sử dụng năng lượng.
2. Sử dụng vật liệu quang học mô phỏng sinh học
Kỹ thuật phủ nano mới có thể bắt chước cách các vùng nước tự nhiên ảnh hưởng đến quang phổ ánh sáng. Một trung tâm mua sắm ở Thâm Quyến đã phủ một lớp màng tinh thể quang tử lên kính bể cá. Điều này giúp giảm 60% tốc độ suy giảm của dải ánh sáng đỏ (620–750nm), giúp chiếu sáng ở các vùng nước sâu tốt hơn nhiều. Làm việc với dãy đèn LED tiêu điểm có thể điều chỉnh để có được sự phân bổ độ dốc PAR dưới nước:
Lớp trên cùng (0–30 cm) có PAR là 300 μmol/m2/s, với ánh sáng đỏ chiếm 70% tổng lượng ánh sáng. Lớp giữa (30–60 cm) có PAR là 150 μmol/m2/s, với ánh sáng đỏ chiếm 50% tổng số. Lớp dưới cùng (60–90 cm) có PAR là 75 μmol/m2/s, với ánh sáng đỏ chiếm 30% tổng lượng ánh sáng.
Thiết kế này giúp cây thủy sinh tích cực phát triển ở kích thước nhỏ ở những nơi nước sâu, điều đó có nghĩa là chúng không cần thêm nhiều ánh sáng.
3. Cùng nhau thiết kế trên nhiều lĩnh vực
Các kỹ sư ánh sáng cần thiết lập một cách thức chuẩn mực để làm việc với các nhà sinh học biển và nhà tâm lý học màu sắc. Một khách sạn năm-sao ở Hàng Châu được phát hiện thông qua nghiên cứu nhóm cộng tác rằng:
Khi cá hề được chiếu hỗn hợp ánh sáng xanh 470nm và ánh sáng vàng 590nm thay vì ánh sáng trắng thông thường, chúng đẻ số trứng nhiều hơn 2,3 lần. Khi tảo vàng san hô được chiếu ánh sáng trắng 6500K và 10% ánh sáng tím (400-420nm), hiệu suất biểu hiện protein huỳnh quang trong chúng tăng lên 40%.
Bằng cách thay đổi phổ sơ cấp hai giờ một lần, chỉ số đa dạng hành vi của cá đã tăng 31%.