alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.31-36.086-096alternative-1542Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВАOPTICAL PHENOMENA AND FACILITIESМЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА И ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА НА ПРИМЕРЕ CUCUMIS SATIVUS L.THE EVALUATION METHOD FOR THE EFFICIENCY OF PHOTOSYNTHESIS DEPENDING ON THE COMPOSITION AND INTENSITY OF LIGHT ON THE EXAMPLE OF CUCUMIS SATIVUS L.СупельнякС. И.SupelnyakS. I.

Станислав Игоревич Супельняк - аспирант кафедры «Материаловедение» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, ведущий инженер ЛКМ ИК РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

д. 2, ул. Баженова, Калуга, 248000, тел.: +7(4842)72-82-63;

д. 8, ул. Академическая, Калуга, 248640

Stanislav Supelnyak - Postgraduate Student at the Department of Materials Science and Engineering, BMSTU (KB), Lead Engineer at SMS IC RAS – Branch of the FSRC “Crystallography and Photonics” of RAS

2 Bazhenova Str., Kaluga, 248000, tel.: +7 (4842) 72 82 63;

8 Academic Str., Kaluga, 248640, tel.: +7 (4842) 72 82 63

supelnyak@gmail.comКосушкинВ. Г.KosushkinV. G.

Виктор Григорьевич Косушкин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение»

д. 2, ул. Баженова, Калуга, 248000, тел.: +7(4842)72-82-63

Victor Kosushkin - D.Sc. in Engineering, Professor, Head of the Department of Materials Science and Engineering

2 Bazhenova Str., Kaluga, 248000, tel.: +7 (4842) 72 82 63

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; ЛКМ ИК РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАНРоссияBMSTU (KB); SMS IC RAS – Branch of the FSRC “Crystallography and Photonics” RASRussian FederationКФ МГТУ им. Н.Э. БауманаРоссияBMSTU (KB)Russian Federation201802012019031-368696Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1542

Рассчитаны потенциально эффективные для фотобиологических процессов значения плотности потоков света для дуговой натриевой трубчатой лампы (ДНаТ) мощностью 250 Вт и светодиодной (СИД) лампы мощностью 46 Вт. Предложено понятие коэффициента использования света для фотобиологических реакций с целью оценки энергетической составляющей спектра света, пригодной для оптимальной активации фоторецепторных систем растения, которые осуществляют управление процессами формообразования и изменения ориентации биологической системы в пространстве на раннем этапе развития для достижения максимальной эффективности фотосинтетической реакции. В расчётах использованы экспериментально полученные значения коэффициентов поглощения листа растения Cucumis sativus L. На основе данных о линейных размерах листа растения и зависимости спектра поглощения от возраста растения, а также спектрах действия фотобиологических реакций (фотосинтеза, диссипации избыточной энергии в виде тепла, фототропической реакции, синтеза хлорофилла, фотоморфогенеза) и спектрах излучения источников света рассчитана масса накопленных углеводов на раннем этапе развития растения Cucumis sativus L. Для верификации методики аналитической оценки было проведено экспериментальное исследование влияния излучения данных осветителей. Для ДНаТ 250 масса углеводов и сухая масса растения составили0,24 г и0,20 г соответственно, для СИД 46 –0,05 г и0,05 г соответственно. Предложенная система оценки эффективности спектра и интенсивности излучения по линейным параметрам растения является интеллектуальной основой для создания энергоэффективной системы автоматического управления светодиодным освещением теплицы с обратной связью по измеряемому параметру растения.

The article calculates potentially effective for photobiological processes density light fluxes arc tube sodium lamps (HPS) and 250 watt Light Emitting Diode (LED) lamps 46 watts. The concept of light utilization for photobiological reactions is proposed to evaluate the energy component of the light spectrum suitable for optimal activation of plant photoreceptor systems that control the shaping process by changing the orientation of the biological system in space at an early stage of development in order to achieve maximum photosynthetic response. The calculations used the experimentally obtained values of the absorption coefficients of the leaf of Cucumis sativus L. Based on the data on the linear dimensions of the leaf of the plant and the dependence of the absorption spectrum on the age of the plant, as well as the action spectra of photobiological reactions (photosynthesis, dissipation of excess energy as heat, phototropic reaction, chlorophyll, photomorphogenesis) and emission spectra of light sources, we have calculated the mass of accumulated carbohydrates at an early stage of development Cucumis sativus L. In order to test the reliability methods of analytical evaluation, an experimental study of the effect of radiation data illuminators was carried out. For HPS 250, the weight of carbohydrates and the dry weight of the plant were0.24 g and0.20 g, respectively, for LED 46, the weight of carbohydrates and dry weight of the plant were0.05 g and0.05 g, respectively. The proposed system for assessing the efficiency of the spectrum and the intensity of radiation by the linear parameters of a plant is an intelligent basis for creating an energy-efficient system for automatically controlling LED lighting of a greenhouse with feedback on a measured parameter of a plant.

спектрэнергетические процессырегуляторные процессысистема автоматического управленияspectrumenergy processesregulatory processesautomatic control systemРабота выполнена при поддержке Федерального агентства научных организаций (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26)ReferencesBhushan, B. Biomimetics: lessons from nature–an overview / B. Bhushan // Biomimetics: lessons from nature—an overview. Phil. Trans. R. Soc. A. – 2009. – Vol. 367. – P. 1445–1486; DOI: 10.1098/rsta.2009.0011Bhushan B. Biomimetics: lessons from nature—an overview Biomimetics: lessons from nature—an overview. Phil. Trans. R. Soc. A, 2009;367:1445–1486; DOI: 10.1098/rsta.2009.0011Patra, J.K. Application of nanotechnology in textile engineering: An overview / J.K. Patra, S. Gouda // Journal of Engineering and Technology Research. – 2013. – Vol. 5. – No. 5. – P. 104–111; DOI: 10.5897/JETR2013-0309Patra J.K., Gouda S. Application of nanotechnology in textile engineering: An overview. Journal of Engineering and Technology Research, 2013;5(5):104–111; DOI: 10.5897/ JETR2013-0309Liu, C. Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis / C. Liu [et al.] // Science. – 2016. – Vol. 352. – No. 6290. – P. 1210–1213; DOI: 10.1126/science.aaf5039Liu C., Colón B.C., Ziesack M., Silver P.A., Nocera D.G. Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis. Science, 2016;352(6290):1210–1213; DOI: 10.1126/science.aaf5039Wang, S. Effect of light quality on the growth and photosynthetic characteristics of cucumber Cucumis sativus L. under solar greenhouse / S. Wang [et al.] // III International Symposium on Cucurbits 731. – 2005. – P. 243–251; DOI: 10.17660/ActaHortic.2007.731.33Wang S., Fan S., Kong Y., Qingjun C. Effect of light quality on the growth and photosynthetic characteristics of cucumber Cucumis sativus L. under solar greenhouse. III International Symposium on Cucurbits 731, 2005;243–251; DOI: 10.17660/ActaHortic.2007.731.33Urbonavičiūtė, A. Photophysiological Investigations Using Light Emitting Diode Illumination / A. Urbonavičiūtė [et al.] // RURAL DEVELOPMENT 2009. – 2009. – P. 414.Urbonavičiūtė A., Duchovskis P., Brazaitytė A., Samuolienė G. Photophysiological Investigations Using Light Emitting Diode. RURAL DEVELOPMENT 2009, 2009; 414 p.Hogewoning, S.W. Blue light dose–responses of leaf photosynthesis, morphology, and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light / S.W. Hogewoning [et al.] // Journal of experimental botany. – 2010. – Vol. 61. – No. 11. – P. 3107–3117; DOI: 10.1093/jxb/erq132Hogewoning S.W., Trouwborst G., Maljaars H., Poorter H., van Ieperen W., Harbinson J. Blue light dose–responses of leaf photosynthesis, morphology, and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light. Journal of experimental botany, 2010;61(11):3107–3117; DOI: 10.1093/jxb/erq132Yano, A. Plant lighting system with five wavelength-band light-emitting diodes providing photon flux density and mixing ratio control / A. Yano, K. Fujiwara // Plant Methods. – 2012. – Vol. 8. – No. 1. – P. 46; DOI: 10.1186/1746-4811-8-46Yano A., Fujiwara K. Plant lighting system with five wavelength-band light-emitting diodes providing photon flux density and mixing ratio control. Plant Methods, 2012;8(1):46; DOI: 10.1186/1746-4811-8-46Фокин, А.А. Установка для экспериментального исследования влияния параметров светового излучения на растения / А.А. Фокин, А.Н. Попов // Вестник МичГАУ. – 2012. – №2. – С. 117–121.Fokin A.A., Popov A.N. The installation for research of influence of light parameters on plant (Ustanovka dlya eksperimental'nogo issledovaniya vliyaniya parametrov svetovogo izlucheniya na rasteniya). Bulletin of Michurinsk State Agrarian University, 2012;2:117–121 (in Russ.).Olle, M. The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality / M. Olle, A. Viršile // Agricultural and food science. – 2013. – Vol. 22. – No. 2. – P. 223–234; DOI: 10.23986/afsci.7897Olle M., Viršile A. The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality. Agricultural and food science, 2013:22(2):223–234; DOI: 10.23986/afsci.7897Волков, В.Н. Искусственное облучение растений / В.Н. Волков [и др.]. – Институт агрохимии и почвоведения РАН–Пущино, 1982. – 42 с.Volkov V.N., Sventitskii I.I., Storozhev P.I., Tsareva L.A. Artificial irradiation of plants (Iskusstvennoe obluchenie rastenii). Institute of Agrochemistry and Soil Science RAS-Pushchino, 1982; p. 42 (in Russ.).McCree, K.J. Photosynthetically active radiation / K.J. McCree // Physiological plant ecology I. – 1981. – P. 41–55.McCree K.J. Photosynthetically active radiation. Physiological plant ecology I., 1981;41–55.Алехина, Н.Д. Физиология растений: Учебник для студ. вузов под ред. И.П. Ермакова / Н. Д. Алехина [и др.] – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 640 с.Alekhina N.D., Balnokin Yu.V., Gavrilenko V.F. Physiology of Plants: A Textbook for Students of Universities edited by I.P. Ermakov (Fiziologiya rastenii: Uchebnik dlya stud. vuzov pod red. I.P. Ermakova). Moscow: Publishing Center Academy, 2005; 640 p. (in Russ.).Супельняк, С.И. Моделирование и разработка светодиодного адаптивного осветителя для растений / С.И. Супельняк, В.Г. Косушкин, С.А. Адарчин // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2017. – Т. 22. – №. 7. – С. 21.Supelnyak S.I., Kosushkin V.G., Adarchin S.A. Numerical simulation and design of led grow lamp for plants (Modelirovanie i razrabotka svetodiodnogo adaptivnogo osvetitelya dlya rastenii). Electromagnetic Waves and Electronic Systems, 2017;22(7):21–27 (in Russ.).Супельняк, С.И. Спектрофотометрическое измерение спектра поглощения растений / С.И. Супельняк, В.Г. Косушкин, С.А. Адарчин // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2017. – Т. 22. – №. 8. – С. 25.Supelnyak S.I., Kosushkin V.G., Adarchin S.A. Spectrophotometric measurement of the plant absorption spectrum (Spektrofotometricheskoe izmerenie spektra pogloshcheniya rastenii). Electromagnetic Waves and Electronic Systems, 2017;22(8):25–30 (in Russ.).Takala, H. Signal amplification and transduction in phytochrome photosensors / H. Takala [et al.] // Nature. – 2014. – Vol. 509. – No. 7499. – P. 245; DOI:10.1038/nature13310Takala H., Björling A., Berntsson O., Lehtivuori H., Niebling S., Hoernke M., ... Westenhoff S. Signal amplification and transduction in phytochrome photosensors. Nature, 2014;509(7499):245; DOI:10.1038/nature13310Кулаева, О.Н. Как свет регулирует жизнь растений / О.Н. Кулаева // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – Т. 7. – №. 4. – С. 6–12.Kulaeva O.N. How light regulates life of plant (Kak svet reguliruet zhizn' rastenii). International Soros Science Education Program, 2001;7(4):6–12 (in Russ.).Hellingwerf, K.J. Key issues in the photochemistry and signalling-state formation of photosensor proteins / K.J. Hellingwerf // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. – 2000. – Vol. 54. – No. 2-3. – P. 94–102; DOI: 10.1016/S1011-1344(00)00004-XHellingwerf K.J. Key issues in the photochemistry and signalling-state formation of photosensor proteins. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2000;54(2-3):94-102; DOI: 10.1016/S1011-1344(00)00004-XCzarna, A. Structures of Drosophila cryptochrome and mouse cryptochrome1 provide insight into circadian function / A. Czarna [et al.] // Cell. – 2013. – Vol. 153. – No. 6. – P. 1394–1405; DOI: 10.1016/j.cell.2013.05.011Czarna A., Berndt A., Singh H.R., Grudziecki A., Ladurner A.G., Timinszky G., ... Wolf E. Structures of Drosophila cryptochrome and mouse cryptochrome1 provide insight into circadian function. Cell, 2013;153(6):1394–1405; DOI: 10.1016/j.cell.2013.05.011Thresher, R.J. Role of mouse cryptochrome blue-light photoreceptor in circadian photoresponses / R.J. Thresher [et al.] // Science. – 1998. – Vol. 282. – No. 5393. – P. 1490-1494; DOI: 10.1126/science.282.5393.1490Thresher R.J., Vitaterna M.H., Miyamoto Y., Kazantsev A., Hsu D.S., Petit C., ... Sancar A. Role of mouse cryptochrome blue-light photoreceptor in circadian photoresponses. Science, 1998;282(5393):1490–1494; DOI: 10.1126/science.282.5393.1490Уоринг, Ф. Рост растений и дифференцировка / Ф. Уоринг, И. Филлипс. – М.: Мир, 1984. – 515 с.Wareing P.F. Phillips I.D. The control of growth and differentiation in plants (Rost rastenii i differentsirovka). Moscow: Mir Publ., 1984; 515 p.Briggs, W.R. Phototropins: a new family of flavin-binding blue light receptors in plants / W.R. Briggs, J.M. Christie, M. Salomon // Antioxidants and Redox Signaling. – 2001. – Vol. 3. – No. 5. – P. 775–788; DOI: 10.1089/15230860152664975Briggs W.R., Christie J.M., Salomon M. Phototropins: a new family of flavin-binding blue light receptors in plants. Antioxidants and Redox Signaling, 2001;3(5):775–788; DOI: 10.1089/15230860152664975Kasemir, H. Control of chloroplast formation by light / H. Kasemir // Cell biology international reports. – 1979. – Vol. 3. – No. 3. – P. 197-214; DOI: 10.1016/0309-1651(79)90033-XKasemir H. Control of chloroplast formation by light. Cell biology international reports, 1979;3(3):197–214; DOI: 10.1016/0309-1651(79)90033-XEmerson, R. The quantum yield of photosynthesis / R. Emerson // Annual Review of Plant Physiology. – 1958. – Vol. 9. – No. 1. – P. 1–24.Emerson R. The quantum yield of photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology, 1958;9(1):1–24.Якушкина, Н.И. Физиология растений: учебник для студентов вузов / Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. – М.: Изд-во ВЛАДОС, 2004. – 464 с.Yakushkina N.I., Bakhtenko E.Yu. Plant physiology: a textbook for university students (Fiziologiya rastenii: uchebnik dlya studentov vuzov). Moscow: VLADOS Publ., 2004; 464 p.Alam M.A. Night time temperature and day time irradiance on photosynthesis and growth of cucumber: Potential and possibilities for energy saving: thesis. – Norwegian University of Life Sciences, 2016.Alam M.A. Night time temperature and day time irradiance on photosynthesis and growth of cucumber: Potential and possibilities for energy saving: Master’s thesis. Norwegian University of Life Sciences, 2016.Gregory, F.G. Studies in the energy relations of plants. I. The increase in area of leaves and leaf surface of Cucumis sativus / F.G. Gregory // Annals of Botany. – 1921. – No. 1. – P. 93–123; DOI: 10.1093/oxfordjournals.aob.a089751Gregory F.G. Studies in the energy relations of plants. I. The increase in area of leaves and leaf surface of Cucumis sativus. Annals of Botany, 1921;1:93–123; DOI: 10.1093/oxfordjournals.aob.a089751Blanco, F.F. A new method for estimating the leaf area index of cucumber and tomato plants / F.F. Blanco, M.V. Folegatti // Horticultura Brasileira. – 2003. – Vol. 21. – No. 4. – P. 666–669; DOI: 10.1590/S0102-05362003000400019Blanco F.F., Folegatti M.V. A new method for estimating the leaf area index of cucumber and tomato plants. Horticultura Brasileira, 2003;21(4):666–669; DOI: 10.1590/S0102-05362003000400019Хебер, У. Запасание и диссипация энергии света растениями как взаимно дополняющие процессы, вовлеченные в поддержание жизни растения / У. Хебер, О.Л. Ланге, В.А. Шувалов. – Проблемы регуляции в биологических системах: биофизические аспекты / под ред. Рубина АБМ, – 2007. – 195 с.Kheber U., Lange O.L., Shuvalov V.A. Storage and dissipation of light energy by plants as mutually complementary processes involved in maintaining plant life (Zapasanie i dissipatsiya energii sveta rasteniyami kak vzaimno dopolnyayushchie protsessy, vovlechennye v podderzhanie zhizni rasteniya). Problems of regulation in biological systems: biophysical aspects / edited by Rubin ABM, 2007; 195 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.