A nagy légterű termesztőberendezésekben a környezeti tényezők (hőmérséklet, páratartalom, CO2/O2, fénymennyiség) szabályozhatók, amelyekben jellemzően elegendő fény áll rendelkezésre a termesztéshez, ugyanakkor számos megoldás áll ennek befolyásolására. A túl erős sugárzás ellen különböző árnyékolási technikákat alkalmaznak a fényáteresztő és visszaverő valamint elnyelő képesség megváltoztatásával (bevonóréteg, automatizált árnyékoló szövet, az árnyékoló anyagának megváltoztatása, stb.). A cél, hogy minél nagyobb mennyiségű szórt fény jusson a termesztő berendezésbe, mivel a szórt fény hatására emelkedik a fotoszintézis szintje, és a fény az alsó leveleket is eléri. A túl kevés sugárzás kiegészítő megvilágítással ellensúlyozható, hatására növelhető a termesztés hozama és minősége a fényszegény hónapokban is, illetve meghosszabbítható a termesztési időszak.
A zárt rendszerben történő vertikális termesztés során szintén szabályozhatók a környezeti tényezők, jellemzően kizárólag mesterséges megvilágítás alatt növekednek a növények. Polcrendszerek alkalmazásával sokszorosára növelhető a termesztési felület. A polcok közötti távolság LED-ek (light-emitting diodes) használatával minimalizálható, mivel a diódák hőleadása alacsonyabb, így a növényekhez közel helyezhetők, csíranövények és dísz-, fűszer-, zöldségnövények termesztése könnyen megvalósítható. A LED-eket előnyeik miatt a kísérleti stádiumon túllépve, már a kereskedelmi termesztésben is alkalmazzák.
A korábbi gyakorlatban a mesterséges megvilágítás alkalmazásakor illetve a termesztőberendezésekben kiegészítő fényforrásként a fluoreszcens, a nagynyomású nátrium lámpa (HPS- high pressure sodium) és a fémhalogén izzók terjedtek el. Ezek segítségével törekedtek a termesztők a legjobb energia hasznosulás mellett az optimális környezet kialakítására a növények számára. A technológia fejlődésével, a 90- es években találkozhattunk először a LED fényforrásokkal, amit az élelmiszerelőállítás egyik potenciális eszközeként mutatott be a NASA az űrutazások során. Azóta rengeteg
kutatást végeztek a LED növényekre gyakorolt hatásáról.
A LED (light-emitting diode) félvezető anyagból készült fényt kibocsátó dióda, amelyben az elektromos áram a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, így azok magasabb energiaszintű elektronpályára lépnek, majd miközben visszatérnek eredeti energiaszintjükre, közben fényt bocsátanak ki (fényemittálás). A diódát egy parabolatükör veszi körbe, amely egy irányba tereli a fénysugarakat, ezt egy a mechanikai védelmet szolgáló műanyaggal zárják le.
Gyakran hallani, hogy a LED egy környezetbarát és gazdaságos megoldás, ami annak köszönhető, hogy biztonságosabban kezelhetők és ártalmatlaníthatók, mint a hagyományos fényforrások. Emellett a LED lámpák előnyeiként tartják számon, hogy, szabályozható a spektrális összetételük, változatos méret-kialakításúak, tartósak, hosszú élettartamúak, és hőleadásukból következően viszonylag hűvös felületeket lehet velük biztosítani.
A LED mellett megjelent az OLED (organic light-emitting diode) technológia is, mely szerves anyagból készült diódát jelent. Áram hatására ez a szerves vékony réteg ugyancsak fényt bocsájt ki, hasonlóan a szentjánosbogár fénykibocsátásához. Egyelőre bonyolult gyártási technológiája miatt igen drága. Legfrissebb technológiaként az QLED (quantum dot light-emitting diode) azonban ismét visszatér a szervetlen LED technológiához. Elnevezése is utal rá, hogy egy nanotechnológiát felhasználó kvantum pont technológiával készült LED-ről van szó. Világítástechnikai jellemzői tovább javultak, de gyártási költségei jóval alacsonyabbak az OLED technológiához képest.
A mai nagy teljesítményű LED-ek jellemzői, hogy keskeny spektrumú fényt bocsájtanak ki, a kibocsátott fény színe anyagi minőségre, azaz a LED félvezető anyagára jellemző (UV-C-től az infravörösig (400-940 nm)), kevéssé melegszenek, hosszú élettartamúak, kis helyigényűek. Alacsony áramfelvételűek, jó hatékonyságúak, energiatakarékosak, alkalmazásuk gazdaságos, egyszerűen, gyorsan telepíthetők, nagy üzembiztonság mellett üzemeltethetők.
A növények fejlődéséhez fontos a megvilágítás spektruma, időtartama és az iránya. A látható fény hullámhossz tartománya a 390–750 nm közé esik, viszont a növények ennél tágabb tartományban (300–800 nm) képesek reagálni a fényre.
A fotoszintézis során a növények többféle, eltérő fotoreceptort (1. táblázat) használnak (legfontosabbak: klorofillek és karotinoidok), amelyek eltérő hullámhossz tartományban képesek a fényhasznosításra(abszorpciós maximumok: klorofill-a: 400–450 nm és 660 nm, klorofill-b: 425–475 nm, 640 nm; karotinoidok 470–500 nm). A fény hatására megfigyelhető morfológiai és fejlődési változások közül sokat a növényi hormonok közvetítenek. A fény és a hormonhatások közötti komplex molekuláris kapcsolatrendszer folyamatosan a kutatások fókuszában vannak, amelyek feltárása elősegíti a minőségi növények előállításhoz szükséges fénykezelés optimalizálását.
A LED növényélettani oldalról legfontosabb tulajdonsága, hogy az első olyan fényforrás, amelynek spektrális tulajdonságai szabályozhatók. Ezzel megvalósítható, hogy a megvilágítás hullámhossza optimális legyen a növény fotoreceptorjai számára és a metabolikus növényi reakciók célzottan irányíthatóvá válhatnak. A LEDek hőleadása minimális, ezért közvetlenül a növényállomány fölé vagy közé is helyezhetők. A LED-ek kis méretének köszönhetően jól variálhatók, bármilyen geometria szerint vezethetők. Mivel nem érzékenyek a feszültségváltozásra a LED-ek pulzáltathatók, így a növények fotoszintetikus teljesítményének maximalizálása mellett minimalizálni tudjuk energiafelhasználásukat. Az irányító chipekkel felszerelt LED-ek a működési rugalmasság, a hatékonyság, a megbízhatóság, az ellenőrizhetőség és az intelligens működés előnyeit nyújthatják a növényházi megvilágítási rendszerek számára. Hosszú élettartamuk és egyszerű kezelhetőségük következtében az egész év során alkalmazhatók a növényházakban.
A LED-ek mesterséges megvilágítást jelentenek a növények számára kiegészítő, vagy egyedüli fényforrásként, amelynekkialakítása szerint megkülönböztetünk fix(állandó) vagy mobil (mozgó) rendszerűt. A fix rendszerű lámpák könnyebben kivitelezhetők, de a mozgó fényforrás rendszer megvalósításával kevesebb diódára lehet szükség egységnyi terület megvilágítására. Például az öntözőkocsira szerelt mobil megvilágítás gazdaságilag kivitelezhető megoldást jelent abban az esetben, amikor csak kis dózisú megvilágításra van szükség(nap végi fénykezelés, UV-C/UV-B kezelés). A megvilágítás időtartamát meghosszabbító, vagy az éjszakai kiegészítő megvilágítás hatékonyan használható a növények virágzásának szabályozására, de az erre használt fény spektrális összetétele további kutatásokat igényel.
A növénytermesztéshez is hasznosítható LED lámpák alkalmazását azokra a kísérletekre alapozták, amelyek a spektrális fényintenzitáshoz képest vizsgálták a klorofill abszorpciót, mivel a klorofill a fotoszintézis kulcstényezője. A kísérletek fókusza azonban már elsősorban olyan megvilágításokra koncentrál, amely széles spektrumot ölel fel hasonlóan a napsugárzáshoz. A LED-ek szűk spektrumban sugároznak, ezért többféle LED egy panelbe való építése során szélesebb spektrum érhető el. Ennek köszönhetően valósítható meg a spektrális szabályozhatóság.
A minőségi növényanyag előállításához nélkülözhetetlen a termesztési mód, faj, fajta igényeihez maximálisan igazodó megvilágítási programok optimalizálása. Ennek hatására növelni lehet a végfelhasználás szempontjából fontos növényi részek mennyiségi és/vagy minőségi jellemzőit, így a növények biomassza és metabolikus termékei megváltoztathatók. A megoldás kulcsa, hogy olyan összetételű fényt kell előállítani, hogy a növények megfelelő energiához jussanak és megkapják a szükséges impulzusokat. A helyesen tervezett LED megvilágítási rendszer jóval hatékonyabb termelést tesz lehetővé és jelentősen kitolja a termesztési szezont. A kizárólag csak LED-re alapozott új világítási technológiák napjainkban már ki tudják elégíteni a növények fényigényét, sőt adott hullámhosszokkal kiegészíthető a fény az egyes fejlődési szakaszok során.A mesterséges megvilágítási rendszerek közül a LED-ek biztosítják a legmagasabb PAR hatékonyságot (80–100%). A LED-ek hasznosítása természetesen rendszerszintű megközelítést igényel, mely túlmutat a megvilágításon. Sok kutatás jellemzően egy-két összetevőre koncentrál. Komplett környezeti kontrollra van szükség, amikor számítógép szabályozza a megvilágítás mellett a hőmérsékletet, a páratartalmat, és a vízkultúrás növénytápanyag utánpótlást.
A megvilágítási programokat a növényminőség különböző szempontjai is befolyásolják, ezért szükség van a megvilágítási programok további finomítására, mivel egyes összetevők mennyiségének növekedése, csökkentheti más összetevők mennyiségét. Ezekben az esetekben az optimális fénykezeléshez kompromisszumra van szükség a kívánt minőségi tényezők legjobb egyensúlya érdekében. Mivel ma még kevéssé ismert, hogy a másodlagos metabolitokra milyen hatással van a fény, és hogy ezek mennyire befolyásolnak egyes tulajdonságokat, akár beltartalmi értékeket, ezért jellemzően próbálgatással pontosítják a megvilágítási programokat.
Számos kísérlet számol be megvilágítási programok optimalizálásáról, ahol a cél elsősorban valamely fitonutriens mennyiségének növelése volt. Saláta (Lactuca sativa L.) fajtákkal kapcsolatban kimutatták, hogy a kék LED megvilágítás hatására emelkedett az antocianin, a xantofil és a β-karotin tartalom. Kísérletekkel bizonyították, hogy a növények fotomorfológiai változásokkal reagálnak az UV-B (280–315 nm) sugárzásra. Az UV-B fénynek kitettséget kapcsolatba hozták a megemelkedett olaj és illóanyag tartalommal számos fűszernövény esetében is (pl. kálmos (Acorus calamus L.), a japán
menta (Metha arvensis L. var. piperascens), a citromfű (Melissa officinalis L.), az orvosi zsálya (Salvia officinalis L.), az illatos macskamenta (Nepeta cataria L.), az indiai citromfű (Cynbopogon citratus L.), és a bazsalikom (Ocimum basilicum L.). Mind az UV-B és az UV-A (315–400 nm) sugárzás fontos szerepet játszik a fenolok, antocianinok és az antioxidánsok képződésében. Általában az intenzívebb napsugárzás emeli a gyümölcsök flavonoid tartalmát, viszont egyes speciális hullámhosszok meg tudják változtatni a flavonoid profilt is a gyümölcsök szöveteiben. A flavonoidok a gyümölcsök minőségének és gazdasági értékének fontos meghatározói, mivel hatással vannak a színre, az aromára, a csípős ízére és antioxidáns tartalmára. Ugyanezek a tényezők a gyümölcsök eltarthatóságát is befolyásolhatják. Számos kutatás bizonyítja, hogy a betakarítás előtti és utáni speciális fénykezelés javíthatja a tárolhatóságot.
Azt, hogy milyen LED rendszert érdemes telepíteni egy kertészeti kultúrához, azt számos tényező mérlegelésével lehet csakoptimalizálni. A legfontosabb meghatározó tényezők a növényfajta igénye, a környezeti viszonyok, a termesztőberendezés, a termesztéstechnológia és a termesztési cél (például dísznövény virágzás időzítésére, gyógynövény hatóanyag felhalmozásra, levélzöldség levélmennyiség növelésére). Kizárólag a növény szempontjából, de világítástechnikai oldalról megközelítve fontos a spektrális összetétel, a megvilágítás értéke és szabályozhatósága, a színhőmérséklet, a világítási geometria és a programozhatóság. Gazdasági és egyéb szempontokból a fényhasznosítás jelenleg is fontos energetikai jellemző, a LED-ek fejlesztésénél cél az, hogy minél nagyobb fényáram jusson minél kevesebb teljesítményfelvételre. További szempontok még a LED feszültség értéke, a LED mérete és súlya, a LED védelmi szintje. Míg technológiai oldalról lényegében már minden feltétel biztosított, addig a növényfajtákhoz valamint a hozzájuk köthető termesztéstechnológia rendszerekhez igazított kutatások hiányoznak a LED-ek kertészeti hasznosításában történő elterjedéséhez.
Boros Ildikó Fruzsina, PhD hallgató
Szent István Egyetem,
Zöldség- és Gombatermesztési Tanszék
