Выбор источника освещения

Caulerpa prolifera Рис. 23. Обрастания Cyanobacteria sp.

Рис. 22. Caulerpa prolifera Рис. 23. Обрастания Cyanobacteria sp.
Основными характеристиками светотехнических приборов, оказывающих значительное влияние на жизнедеятельность водорослей, а значит и на эффективность их использования в альгофильтрах, являются спектральный состав излучаемого света, определяемый длиной волны излучения, интенсивность освещения и его продолжительность в течение суток. Традиционные источники света, используемые для освещения производственных помещений, не отвечают требованиям по спектральному составу света, необходимого для растений.

При выращивании растений и водорослей в водной среде это становится особенно актуальным, поскольку в этом случае происходит интенсивное развитие нежелательных в бассейновых и аквариумных водных системах сине-зелёных водорослей, или цианобактерий (Cyanobacteria) (рис. 21). В отличие от культивируемых зеленых водорослей (рис. 22), они имеют особый вид пигментов – фикоблисомы, воспринимающие желто-оранжевый свет (длина волны 600-650 нм), поэтому свет дневного спектра дает им преимущество перед зелёными водорослями. В этой связи перед нами возникла задача установить характеристики освещения, наиболее подходящие виду водоросли Caulerpa prolifera в системе очистки морской воды, а также установить характеристики освещения, удовлетворяющие потребностям культивируемой водоросли, минимизирующие при этом рост нежелательных цианобактерий (Cyanobacteria sp.).
Из выращенных в условиях альгофильтра образцов водоросли была получена спиртовая вытяжка пигментов, которую затем исследовали на спектрофотометре ПЭ-5400. Аналогичным образом (только без измельчения) была подготовлена вытяжка пигментов цианобактерий. На рисунке 24 представлены полученные в ходе эксперимента зависимости коэффициента поглощения света (выраженного в процентах от максимального значения на спектрофотометре) от длины волны излучения.

Зависимость коэффициента поглощения света исследуемыми фотосинтетиками от длины волны излучения

Рис. 24. Зависимость коэффициента поглощения света исследуемыми фотосинтетиками от длины волны излучения
Приведенный спектр поглощения, обозначенный синим цветом, отражает идеальный спектр источника излучения для роста водоросли Caulerpa prolifera, обзначенный красным цветом – идеальный спектр источника излучения для роста нежелательных цианобактерий. Как видно из графика, оба фотосинтетика имеют два пика поглощения: у каулерпы это 340 и 660 нм, а у цианобактерий - 430 и те же 660 нм. При этом в обоих случаях эффективность поглощения света синего спектра выше почти в 2 раза по сравнению с красным.
Приведенные данные демонстрируют поглощение света всеми типами пигментов. В ранних источниках сообщается, что, хотя свет поглощают все пигменты, в фотосинтезе участвуют лишь хлорофилл А и у бактерий бактериохлорофилл [Гюнтер и др., 1982], а добавочные пигменты (хлорофилл Б, каротиноиды и др.) лишь передают поглощенную энергию активным пигментам. Более современные данные [Janssen, 2002] указывают на то, что в процессе фотосинтеза задействованы все типы пигментов. По этой причине мы не определяли спектры поглощения конкретных пигментов отдельно.
Интересно отметить, что при некоторой вариабельности значения поглощения по пяти пробам (коэффициент вариации не превышал 25%), пики поглощения каждого вида приходили строго на одно значение длины волны (+/- 10нм).
Сопоставляя аналогичные данные по нежелательным цианобактериям, мы выделили ту часть спектра, которая благоприятна для культивируемой водоросли, и в то же время не способствует росту цианобактерий.
Подставляя в приведенную на с. 78 формулу данные из полученного выше графика (рис. 21):
H = (100-A (Cyanobacteria)) х A (Caulerpa) / 100, где:
A (Cyanobacteria) – коэффициент поглощения цианобактерий (%);
A (Caulerpa) – коэффициент поглощения каулерпы (%);
H – коэффициент, отражающий длины волн, поглощаемые водорослью Caulerpa prolifera с учетом спектра поглощения цианобактерий (%);
можно определить оптимальные длины волн источника освещения альгофильтра (рис. 25).

Спектр поглощения Caulerpa prolifera с учетом спектра поглощения Cyanobacteria sp.

Рис. 25. Спектр поглощения Caulerpa prolifera с учетом спектра поглощения Cyanobacteria sp.
Данный график показывает, что для эффективного освещения водоросли Caulerpa prolifera необходим свет с длинами волн 340, 470 и 660 нм. Применив коэффициент H, мы рассчитали необходимое соотношение светодиодов (табл. 15).
Таблица 15. Необходимое соотношение светодиодов в системе освещения

Необходимое соотношение светодиодов в системе освещения


Таким образом, для освещения водорослевого фильтра с макроводорослью Caulerpa prolifera в идеале рекомендуется источник освещения с тремя пиками излучения: 340 нм, 470 нм и 660 нм в соотношении 4,0 : 1,3 : 1,0. Однако использование диодов ультрафиолетового диапазона (340 нм), причем в количестве, превышающем красные и синие вместе взятые (табл. 1), оказалось по ряду причин проблематично, в связи с чем мы ограничились применением конструкции, включающей 21 красный диод (660 нм) мощностью 3 вт каждый и 21 синий диод (470 нм) мощностью по 3 вт (соотношение близкое к расчетному). Интенсивность фотосинтеза оценивалась по скорости роста в воде содержания кислорода [Синицина и др., 2008; Janssen et al., 2002].
Обобщенные данные по результатам содержания двух групп водорослей, освещаемых экспериментальным светильником (опыт) и типовым диодным светильником, спектр которого приближен к солнечному (контроль), представлены в таблице 16.
Таблица 16. Скорость выделения кислорода в зависимости от типа светильника, мг/л в час (n = 30)

Скорость выделения кислорода в зависимости от типа светильника, мг/л в час (n = 30)

* различия достоверны при уровне надёжности 95%
Исходя из того, что объём воды в каждой емкости составлял по 20 л, а масса водорослей по 160 г, интенсивность выделения кислорода на 1 г биомассы водоросли в зависимости от используемого источника освещения составила 0,214 мг/час при использовании опытного освещения и 0,156 мг/час - при использовании стандартного освещения солнечного спектра. Таким образом, скорость выделения кислорода при использовании экспериментального источника освещения оказалась в 1,4 раза, или на 37 %, достоверно выше по сравнению с контролем при использовании освещения дневного спектра.
Обеспечивая интенсивную жизнедеятельность макроводоросли Caulerpa prolifera в условиях морских водорослевых фильтров, источник
освещения с предложенным нами спектром оказывал угнетающее действие на развитие нежелательных обрастаний системы циркуляции цианобактериями (рис. 26а), тогда как при обычном освещении (рис. 26б) отмечено интенсивное обрастание стенок ёмкости альгофильтра.

Передняя стенка ёмкости альгофильтра с обрастанием микроводорослями и цианобактериями: а – при использовании разработанного светильника, б – при освещении лампой дневного света
Рис. 26. Передняя стенка ёмкости альгофильтра с обрастанием микроводорослями и цианобактериями: а – при использовании разработанного светильника, б – при освещении лампой дневного света
После определения оптимального спектра освещения стояла задача установить его оптимальную интенсивность. Теоретической основой эксперимента стало явление так называемого «достаточного» фотосинтеза, заключающееся в том, что интенсивность этого процесса растёт при увеличении интенсивности освещения до определённого предела, называемого максимумом фотосинтеза. При дальнейшем увеличении интенсивности освещения роста интенсивности фотосинтеза не происходит.
При поочередном освещении каулерпы диодными светильниками с интенсивностью 3, 5, 9, 11, 15, 22 тыс. люкс интенсивность фотосинтеза контролировали по скорости выделения кислорода (рис. 27). При этом установлено, что при 3 тыс. люкс она составляла 1,65 мгO2/л в час, а при 11 тыс. люкс достигла максимума – 2,91 мгO2/л в час. Дальнейшее увеличение уровня освещенности не привело к росту скорости выделения кислорода (до 11 тыс. люкс различия достоверны, с 11 до 22 тыс. люкс различия не достоверны, при уровне достоверности 95%).

Зависимость интенсивности выделения кислорода водорослью Caulerpa prolifera от интенсивности освещения
Рис. 27. Зависимость интенсивности выделения кислорода водорослью Caulerpa prolifera от интенсивности освещения
Таким образом, оптимальная интенсивность освещенности разработанного нами светодиодного светильника для водоросли Caulerpa prolifera составляет 11 тыс. люкс (рис. 27), что соответствует излучению 546 вт/м2 на расстоянии 5-10 см от поверхности воды и ее глубине 40 см, что значительно меньше естественной освещенности 1000 Вт/м2 [Hanson, 1987].
Что касается продолжительности применения искусственного освещения альгофильтра в течение суток, то наиболее предпочтительно круглосуточное. Данная рекомендация достаточно закономерна, поскольку выключение света приводит к прекращению процессов фотосинтеза, соответствующего выделения кислорода и поглощения биогенных соединений. Ниже приводятся усредненные данные по результатам эксперимента в четырех повторностях.
За 15 часов отсутствия освещения содержание кислорода в системе циркуляции снижалось на 4,0 мг/л (рис. 26) с 7,8 до 3,8 мг/л, то есть, в пересчёте на общий объём, система, оборудованная альгофильтром, теряла в среднем 648 мг кислорода, или 43,2 мг в час.

Динамика содержания кислорода в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра:
Рис. 28. Динамика содержания кислорода в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения
Из-за обогащения воды кислородом диффузионно через поверхность воды мы не можем сделать обоснованного вывода о количественном потреблении кислорода водорослью, однако то, что уровень насыщения в отстутствии световой фазы фотосинтеза упал более чем в два раза (рис. 28), говорит о необходимости тщательного контроля продолжительности темного периода суток и уровня кислорода в воде при режимах освещения, отличных от круглосуточных. Скорость выделения кислорода была максимальной сразу после включения освещения – 200 мгO2/кг сырой массы водоросли в час (рис. 29). Затем, в течение последующих 6 часов, скорость выделения кислорода постепенно снижалась, достигнув 70,4 мг O2/кг сырой массы водоросли в час. В дальнейшем этот показатель стабилизировался, хотя общая концентрация кислорода в воде продолжала расти. 100% уровень насыщения в условиях эксперимента (температура 28оС, солёность 30‰) соответствовал концентрации 6,8 мг O2/л [Стикни, 1986], и именно по достижении этого значения скорость выделения кислорода каулерпой стабилизировалась на уровне 90 мг O2/кг сырой массы водоросли в час.

Динамика скорости выделения кислорода в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения

Рис. 29. Динамика скорости выделения кислорода в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения
Изменения показателя pH за время эксперимента менее значимы (рис. 30). За 15 часовой период отсутствия освещения его значение снижалось с 8,8 до 8,2 и находилось в пределах допустимых значений для морской воды. После включения освещения имел место постепенный рост показателя, однако за последующие 24 часа его уровень так и не вернулся к изначальному, который был до отключения освещения, что, видимо, связано с ростом содержания выделенного водорослями в темноте углекислого газа.

Динамика рН в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения

Рис. 30. Динамика рН в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения
Динамика данных по окислительно-восстановительному потенциалу (ОВП) неоднозначна (рис. 31). Так, если уровни кислорода и рН постепенно снижались на протяжении темного периода суток и начинали увеличиваться после включения освещения, уровень ОВП продолжал снижаться уже после включения освещения. Увеличение значения показателя происходило с запаздыванием на 3 часа после включения освещения, причем увеличение было резким, на 80 мВ в течение 3-х часов. Затем потенциал снова снизился и в дальнейшем постепенно увеличивался.

Динамика окислительно-восстановительного потенциала в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения


Рис. 31. Динамика окислительно-восстановительного потенциала в зависимости от наличия или отсутствия освещения альгофильтра: *- время отключения освещения; **- время включения освещения
В целом, по всей видимости, мы не можем сделать окончательного вывода по динамике изменения ОВП на протяжении эксперимента. Дальнейшие исследования показали, что этот показатель крайне изменчив в принципе и пояснение принципов его динамики должно стать предметом отдельного исследования. Касательно снижения значения ОВП в темное время суток можно с большой долей вероятности утверждать, что связано это с прекращением светового процесса фотосинтеза как у исследуемых макроводорослей, так и у сопутствующих им микроводорослей.