Películas de conversión de luz UV a luz roja aceleran crecimiento de las plantas

Milthon Lujan Monja

Las láminas de plástico recubiertas con una película Eu3+ que convierte la luz ultravioleta en luz roja pueden acelerar el crecimiento de las plantas.

La estimulación de la fotosíntesis es una estrategia para alcanzar la producción sostenible de plantas. La luz solar es una fuente de energía sostenible, sin embargo, incluye luz ultravioleta (UV).

En particular, la luz UV afecta no solo la fotoinhibición del fotosistema sino también el aumento de la tasa fotosintética. Asimismo, se conoce que la UV induce daño al ADN. Por lo tanto, proteger las plantas de la luz ultravioleta solar es una de las estrategias clave para suprimir la fotoinhibición y los fotodaños de las plantas.

Las películas de plástico que cubren los invernaderos contienen materiales que bloquean los rayos UV. Las moléculas que bloquean los rayos UV convierten la luz UV en energía térmica.

Por su parte, la luz roja es útil para el crecimiento de las plantas debido a que es absorbida por los pigmentos de clorofila, que inician procesos fotosintéticos naturales.

Materiales que convierten la longitud de onda de la luz

En la última década diversos estudios han informado que los materiales convertidores de longitud de onda (WCM) cambian la luz ultravioleta a luz roja para el cultivo de plantas.

El uso de WCM bajo luz solar puede ser ventajoso para filtrar la luz ultravioleta solar y proporcionar luz roja para una fotosíntesis eficiente.

Un equipo interdisciplinario de los departamentos de ingeniería y agricultura de la Hokkaido University y del Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) ha desarrollado un recubrimiento de película delgada a base de europio, que demostraron que acelera el crecimiento de las plantas.

Esquema de la película WCM que convierte la luz ultravioleta en luz roja. Fuente: Sunao Shoji et al. (2022)
Esquema de la película WCM que convierte la luz ultravioleta en luz roja. Fuente: Sunao Shoji et al. (2022)

Esta tecnología innovadora puede mejorar la velocidad de producción de las plantas y tiene el potencial de ayudar a abordar los problemas mundiales de suministro de alimentos.

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Las plantas convierten la luz visible en energía a través de un proceso llamado fotosíntesis. Además de la luz visible, la luz solar también contiene luz ultravioleta (UV).

Incrementar la luz para la fotosíntesis

Los investigadores de este estudio tenían como objetivo proporcionar a las plantas luz visible adicional para usar en la fotosíntesis mediante el empleo de un material de conversión de longitud de onda (WCM) que puede convertir la luz ultravioleta en luz roja.

Ellos desarrollaron un material de conversión de longitud de onda basado en un complejo de europio y crearon un revestimiento de película delgada que se puede aplicar a láminas de plástico disponibles en el mercado.

Los investigadores no solo demostraron que la película convierte la luz ultravioleta en luz roja, sino que también no bloquea ninguna de las luces visibles beneficiosas del sol.

Mejor crecimiento de las plantas

Luego evaluaron la película comparando el crecimiento de las plantas utilizando láminas con y sin el revestimiento de WCM. Se realizaron ensayos tanto con acelgas como con alerces japoneses.

En verano, cuando los días son largos y la radiación solar es fuerte, no se observaron diferencias significativas para las acelgas al usar las películas WCM. Sin embargo, en invierno, cuando los días son más cortos y la luz del sol es más débil, las plantas de acelgas cultivadas con películas WCM mostraron una altura de planta 1.2 veces mayor y una biomasa 1.4 veces mayor después de 63 días.

Los investigadores atribuyen este crecimiento acelerado al suministro de luz roja proporcionada por las películas de material de conversión de longitud de onda.

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Los ensayos con alerces japoneses también mostraron un crecimiento acelerado. Las plántulas mostraron una tasa de crecimiento relativa más alta en los primeros 4 meses de crecimiento, lo que dio como resultado un diámetro de tallo 1.2 veces mayor y una biomasa total 1.4 veces mayor que los árboles que crecieron sin el recubrimiento WCM.

Fundamentalmente, esto permitió que las plántulas alcanzaran el tamaño estándar para plantar en la silvicultura de Hokkaido en un año. El uso de películas de material de conversión de longitud de onda podría acortar el período de crecimiento de las plántulas de dos años a un año, lo que resultaría en una producción de plantas más rentable.

Plántulas de alerce japonés cultivadas sin (izquierda) y con (derecha) el uso de una película de material de conversión de longitud de onda (WCM)
Plántulas de alerce japonés cultivadas sin (izquierda) y con (derecha) el uso de una película de material de conversión de longitud de onda (WCM). Fuente: Sunao Shoji et al. (2022)

Potencial de la tecnología WCM

Esta tecnología también tiene el potencial de ayudar con los problemas de seguridad alimentaria en climas más fríos y es beneficiosa porque no requiere electricidad para funcionar.

Los investigadores consideran que la personalización de la tecnología es especialmente prometedora.

“Al usar una capa de material que cambia la longitud de onda, pudimos crear con éxito una película transparente y demostrar su capacidad para acelerar el crecimiento de las plantas”, dijo el autor principal, Sunao Shoji.

“Al diseñar racionalmente el ion emisor de luz, podemos controlar libremente el color de la luz emitida para que sea de otros colores como el verde o el amarillo, por lo que esperamos poder crear películas de conversión de longitud de onda que estén optimizadas para diferentes tipos de plantas. Esto abre una gran vía de desarrollo futuro para la ingeniería agrícola y forestal de próxima generación”.

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Conclusión

“La película WCM acelera el aumento de tamaño y biomasa de cultivos vegetales y árboles bajo luz solar”, concluyen.

WCM se puede pintar fácilmente en una película de plástico disponible en el mercado, y su conversión de UV a rojo se logra mediante la irradiación de la luz solar sin energía eléctrica.

El estudio fue financiado por el Hokkaido University Research y Education Center for Robust Agriculture, Forestry and Fisheries Industry

Contacto
Specially Appointed Assistant Professor Sunao Shoji
Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD); Faculty of Engineering
Hokkaido University
Email: s-shoji[at]icredd.hokudai.ac.jp

Professor Yasuchika Hasegawa
Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD); Faculty of Engineering
Hokkaido University
Email: hasegaway[at]eng.hokudai.ac.jp

Referencia:
Sunao Shoji, Hideyuki Saito, Yutaka Jitsuyama, Kotono Tomita, Qiang Haoyang, Yukiho Sakurai, Yuhei Okazaki, Kota Aikawa, Yuki Konishi, Kensei Sasaki, Koji Fushimi, Yuichi Kitagawa, Takashi Suzuki, and Yasuchika Hasegawa. Plant growth acceleration using a transparent Eu3+-painted UV-to-red conversion film. Scientific Reports. October 26, 2022. DOI: 10.1038/s41598-022-21427-6

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