用于农业新兴应用的UV LED技术详细解析

 

　　紫外线可增加药用植物中活性物质含量

 

　　随着室内和城市农业的爆炸，LED的节能不仅吸引人，而且紫外线LED的进步使得紫外线，特别是UV-A和UV-B的额外好处成为可能。室内农业。紫外线已被证明可以促进药用植物中活性物质的植物生产的增加，包括许多植物的抗氧化益处或大麻中的四氢大麻酚含量。紫外线还可以通过减少霉菌，霉菌和某些植物害虫来帮助维持健康的生长环境-所有这些都需要替代化学品，因为它们具有增强的杀菌能力。虽然室内农业中使用的许多主要固定装置产生一定程度的紫外光谱(无论多小)，但它们的外部透镜材料阻挡了大部分(如果不是全部的话)，实际到达植物的紫外线光。随着紫外线LED价格持续下降，能够经济有效地将目标紫外线纳入正常生长过程中，正确的波长，正确的剂量，以及特定植物物种生命周期中的正确时间将得到改善。然而，UV LED仍然需要与适当的透镜组合，该透镜能够透射UV光而不会降低透镜和/或LED本身的劣化或破坏的风险。

 

　　介绍

 

　　紫外(UV)光是电磁波谱的关键部分，波长范围为10nm至400nm。这部分光谱位于人眼的可见光范围之外，尽管昆虫和鸟类可以感知到某些部分的紫外线[1]。大部分紫外光谱，包括所有极紫外线(10-100纳米)和280纳米以下的大部分光谱都被大气吸收。然而，鉴于我们人工产生这些波长的能力，了解紫外光谱各部分的益处仍然很重要。

 

　　紫外光谱分类，它们的用途和优点：?UV-C(200-280 nm)：几乎完全被地球大气吸收，UV-C常用于其杀菌效果?UV-B(280-320 nm)：约95 UV-B的百分比被地球大气吸收，并且经常因其与皮肤癌风险增加有关而被人们所知，然而，它也被证明具有抗菌作用，包括处理农业感染和害虫，如白粉病或蜘蛛螨虫;以及触发增加黄酮类和大麻素的植物反应?UV-A(320-400 nm)：通常被称为“黑光”，UV-A光在紫外光谱中具有最长的波长，被认为是最不危害的;它以紫外线固化，假冒检测和法医学应用而闻名，但也因其能够触发所需的植物反应而应用于农业。

 

　　大多数紫外线照明行业一直由LED以外的其他来源，尤其是水银灯泡。然而，近年来UV LED已经取得了显着进步，这不仅是由于固态UV装置的制造的进步，而且是由于增加了寻找更环保和节能的产生UV光的选择的压力。

 

　　然而，LED最近才能够有意义地适应所有的紫外线范围。自20世纪90年代末以来，在UV-A(390-420nm)范围的上部传输UV光的LED已经可用，通常用于伪造检测或验证驾驶执照或文件，以及取证[2]。事实上，UV LED市场的很大一部分主要是用于固化的工业和商业应用，例如油墨，涂料或粘合剂，通常通过波长为350-390nm的UV-A光来完成[3]。

 

　　当您进入较短波长的UV-B和UV-C时，应用会转向消毒食品，空气，水和表面。这些是LED中可用的一些最新波长(第一个商业UV-C LED基于水的消毒系统于2012年推出[4])，尽管紫外线具有长期，完善的杀菌效果历史。LED的节能不仅对许多行业有吸引力，例如水净化，而且它们极小的尺寸使它们成为非常灵活的选择，包括创建便携式消毒系统的能力。

 

　　鉴于这些进步，UV LED市场在过去十年中已经扩大了五倍，预计到2025年将增长到13亿美元。预计影响市场的一个关键趋势是能够进一步扩展到包括太阳能产品在内的新应用，食品饮料行业和农业[5]。然而，仍然需要进一步的改进，特别是因为它涉及这些产品的镜片组件，以确保该技术能够以成本有效的方式实现每个行业的期望结果。

 

　　随着室内和城市农业的爆炸，人们越来越希望以经济有效的方式继续改进生长过程，这仍然会为目标植物带来积极的结果。关于在农业中使用LED的许多现有研究都集中在可见光的波长和植物对各种过程所需的光谱上。在广泛的研究中，“美国宇航局确定LED灯是在地球和太空中种植植物的最佳单源光源[6]。”事实上，已经进行了许多研究来确定不同波长之间的关系及其影响。关于植物生长。这些信息将有助于进一步开发定制光谱照明，从而以更低的能源成本为工厂带来更好的结果。例如，已经确定红光光谱(630-660nm)对于茎的生长和叶片的膨胀是必需的。它也是调节开花和休眠期的波长。

 

　　虽然早期的LED让大多数工厂(和种植者)想要更多，但最新的最先进的LED为室内种植提供了更多可行的选择，可以节省大量成本(如果与正确的镜片材料配对)，特别是与传统相比照明选项，如高压钠(HPS)。

 

　　现在，UV LED的进一步发展使得有可能以非常有针对性的方式为室内生长过程带来紫外线，特别是UV-A和UV-B的额外好处。研究人员发现，在没有紫外线的情况下，某些植物品种可能“在叶片和枝条组织上形成愈伤组织样膨胀[7]。”例如，普通玻璃阻挡了超过90%的UV-B辐射[8]，因此，在温室或其他类似环境中生长的植物，没有补充照明可能会产生不利影响。

 

　　紫外线也被证明可以促进药用植物中活性物质的植物生产的增加，包括许多植物的抗氧化益处或大麻中的四氢大麻酚含量。植物具有化学过程，使它们能够识别触发某些反应的不同波长的光，包括可以改变植物形状和改变化学组成的紫外线反应[9]。然而，光子学领域仍然需要更多的研究重点来真正理解所有影响，包括最佳的部署方法。

 

　植物对紫外线的响应最常见的方法之一是紫外吸收化合物的合成和积累。这些化合物，包括酚类物质，对植物来说就像一种防晒剂，可以防止过度暴露在紫外线下造成的损害。然而，酚类化合物的益处不仅有助于保护植物，而且已被证明具有显着的人类健康益处，包括抗氧化益处和预防各种慢性疾病，包括某些癌症和心血管疾病。在葡萄和红葡萄酒中发现的白藜芦醇已经被研究过它对心脏，免疫系统甚至大脑功能的健康影响[10]。对迷迭香的研究表明，当使用UV-B辐射生长时，其总酚含量大约翻倍。

 

　　另一种以紫外线辐射下药用化合物产量增加而闻名的植物是大麻(Cannabis sativa)。研究发现，在赤道最低纬度和高海拔地区的植物中发现了较高水平的大麻素(在3350米处比在1500米处大32%)。该协会认为，世界上这些地区的UV-B水平较高。随后的研究表明，将植物暴露于UV-B可导致Δ9-四氢大麻酚(Δ9-THC)水平，其具有广泛的药用益处，在叶组织中增加高达48%，在花组织中增加32%[12]。

 

　　紫外线还可以通过减少霉菌，霉菌和某些植物害虫来帮助维持健康的生长环境-所有这些都需要替代化学品，因为它们具有增强的杀菌能力。植物产生的紫外线吸收化合物可以保护它们免受太多的紫外线辐射，也有助于保护植物免受感染，伤害和某些植物害虫的侵害。就好像这些化合物改变了植物对这些害虫的“吸引力”。

 

　　室内种植者面临的主要威胁是白粉病。然而，已经证明紫外线可以显着减少葡萄，玫瑰植物，黄瓜，迷迭香和草莓等植物的霉菌。研究人员使用适当剂量的UV-B成功地将白粉病的严重程度降低了90-99%[13]。

 

　　UV-B光还被证明可有效减少生存螨虫，已知螨虫会破坏整个作物。在Ohtsuka和Osakabe的一项研究中，暴露于UV-B剂量的幼虫中只有不到6%在第二天存活，所有幼虫在实验的第3天死亡[14]。

 

　　第三个主要威胁是灰霉病(Botrytis cinerea)，一种灰霉病或通常称为灰腐病，可以针对大约200种不同的物种，通常是水果或花卉，包括草莓，葡萄和大麻。这种害虫通常从室外进入，然后通过空气或鞋子和衣服传播到室内种植室。因此，处理该害虫可能涉及整个室内空气消毒和/或地板消毒系统。研究表明，使用UV-C辐射可以最有效地处理灰葡萄孢(Botrytis cinerea)孢子。Mercier等。al(2001)的UV-C剂量为440-2200 J/m?时，消毒率达到90%以上[15]。

 

　　在过去的几十年中，支持紫外线保护作物免受霉菌，霉菌和其他植物害虫的益处的证据，以及增强植物药用价值的能力已经大大增加。然而，如何成功地将UV结合到室内生长设施中仍然存在重大挑战。