The impact of light spectrum on Lactuca sativa growth in controlled conditions: New approaches and prospects for hydroponic systems

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Background. In the context of modern challenges for ensuring food security and sustainable development of agrotechnologies in the Russian Federation, particular attention is being paid to optimizing plant cultivation methods in controlled environments. One of the promising methods is the use of closed hydroponic systems, where the light spectrum plays a key role in regulating growth processes and photosynthesis. This article focuses on studying the effects of different light spectra (blue, red, and mixed) on the growth of Lactuca sativa under controlled hydroponic conditions. The study presents the results of a comparative analysis of growth rates, biomass, and plant quality.

Purpose. To examine the influence of different light spectra (blue, red, and mixed) on the growth and productivity of lettuce (Lactuca sativa) in hydroponic conditions, to determine the optimal lighting conditions for maximizing yield and quality.

Materials and Methods. The study found that blue light (450 nm) increases chlorophyll content and photosynthetic activity, promoting compact plant growth with a high leaf count but reducing total biomass. Red light (660 nm, 740 nm), on the other hand, stimulates stem elongation and biomass accumulation but decreases chlorophyll content. Combined lighting (red and blue spectra) provided balanced results, ensuring optimal conditions for growth, high photosynthetic activity, and high-quality plant biomass.

Results. It has been shown that the use of UAVs in agriculture in the Sakhalin region offers broad opportunities for monitoring agricultural indicators, enabling the creation of a compact and flexible data collection system through the connection and integration of various sensors, thus facilitating the development of a scalable system. A model for the application of UAVs in the ecological monitoring of agricultural lands in the Sakhalin region has been developed, featuring an original interface for real-time sensor data processing and storage in a specialized database. To implement the model, a methodology for utilizing UAVs to assess the quality state of agricultural lands in the Sakhalin region was developed and tested.

Conclusions. The use of combined light spectra in hydroponic systems allows for achieving maximum productivity and quality in lettuce cultivation. The results underscore the need for further optimization of lighting conditions to promote efficient Lactuca sativa growth under hydroponic conditions and confirm the potential of closed hydroponic systems for sustainable food crop production.

Авторлар туралы

Svetlana Abramova

Sakhalin State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: abramova_sv@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-9863-5287
SPIN-код: 6335-3019
Scopus Author ID: 57191872091

Holder of an Advanced Doctorate (Doctor of Science) in Pedagogic Sciences, Associate Professor, Heard of the Department of Life Safety

 

Ресей, 33, Kommunisticheskiy Ave., Yuzhno-Sakhalinsk, 693000, Russian Federation

Evgeniy Boyarov

Sakhalin State University

Email: e.boyarov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7283-1872
SPIN-код: 5413-4504
Scopus Author ID: 57191878704

Holder of an Advanced Doctorate (Doctor of Science) in Pedagogic Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Life Safety

 

Ресей, 33, Kommunisticheskiy Ave., Yuzhno-Sakhalinsk, 693000, Russian Federation

Natalia Dvoinova

Sakhalin State University

Email: dnfsach@yandex.ru
SPIN-код: 2253-5863
Scopus Author ID: 57207776940

Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Department of Life Safety

 

Ресей, 33, Kommunisticheskiy Ave., Yuzhno-Sakhalinsk, 693000, Russian Federation

Olesya Kuptsova

Sakhalin State University

Email: Korsuncevaolesy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9555-3238
SPIN-код: 3157-2353
Scopus Author ID: 57363712800

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Life Safety

 

Ресей, 33, Kommunisticheskiy Ave., Yuzhno-Sakhalinsk, 693000, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Mishanov, A. P., Markova, A. E., Rakutko, S. A., et al. (2015). Effect of the ratio of green and red light fractions on biometric parameters of lettuce. Technologies and Technical Means of Mechanized Production of Crop and Livestock Products, 87, 264–272. EDN: https://elibrary.ru/VHGOPB
  2. Nakonechnaya, O. V., Mikheeva, A. V., Burdukovsky, M. L., Orlovskaya, I. Yu., Gafitskaya, I. V., Khrolenko, Yu. A., Burkovskaya, E. V., Subbotin, E. P., Kholin, A. S., & Kulchin, Yu. N. (2023). Effect of LED lighting of different spectra on the development of leaf lettuce (Lactuca sativa). Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Biological Series, 3, 278–286. https://doi.org/10.31857/S1026347022600406. EDN: https://elibrary.ru/MIAMYV
  3. Chub, V. V., & Mironova, O. Yu. (2017). Effect of different light sources on plant growth and development. In: The role of botanical gardens and arboreta in conserving, studying, and sustainably using plant diversity: Proceedings of the International Scientific Conference dedicated to the 85th anniversary of the Central Botanical Garden of the National Academy of Sciences of Belarus (in 2 parts, Minsk, Belarus, June 6–8, 2017), part 2 (pp. 148–151). Minsk, Belarus: Medisont. EDN: https://elibrary.ru/ZBPBMP
  4. Baghalian, K., Hajirezaei, M.-R., & Lawson, T. (2023). Editorial: Current and future perspectives for controlled environment agriculture (CEA) in the 21st century. Frontiers in Plant Science, 14. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1334641. EDN: https://elibrary.ru/BWTYJV
  5. Etae, N., Utaipan, T., Ruangrak, E., & Khummueng, W. (2024). Effect of artificial light sources on the growth of green oak lettuce (Lactuca sativa L.) grown in plant factories. Journal of Applied and Natural Science, 16, 1376–1382. https://doi.org/10.31018/jans.v16i3.5513. EDN: https://elibrary.ru/AIFUKR
  6. Feng, L., Raza, M. A., Li, Z., Chen, Y., Khalid, M. H. B., Du, J., Liu, W., Wu, X., Song, C., Yu, L., Zhang, Z., Yuan, S., Yang, W., & Yang, F. (2019). The influence of light intensity and leaf movement on photosynthesis characteristics and carbon balance of soybean. Frontiers in Plant Science, 9:1952. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01952
  7. Hernández Adasme, C., Silva, H., & Escalona, V. (2022). In door germination and seedling growth of green and red lettuce under LED light spectrum and subsequent effect on baby leaf lettuce. Italian Journal of Agronomy, 17. https://doi.org/10.4081/ija.2022.1982
  8. Imron, H., Putra, S., & Sofii, I. (2023). Effect of light spectrum LED lettuce on IoT based indoor farming. Biotropika: Journal of Tropical Biology, 11, 38–43. https://doi.org/10.21776/ub.biotropika.2023.011.01.05. EDN: https://elibrary.ru/WYGGLW
  9. Jalal, S., Rihan, H., Aljafer, N., & Fuller, M. (2021). The impact of light spectrum and intensity on the growth, physiology, and antioxidant activity of lettuce (Lactuca sativa L.). Plants, 10, 2162. https://doi.org/10.3390/plants10102162
  10. Lee, J. G., Lee, B. Y., & Lee, H. J. (2006). Accumulation of phytotoxic organic acids in reused nutrient solution during hydroponic cultivation of lettuce (Lactuca sativa L.). Scientia Horticulturae, 110(2), 119–128. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2006.06.013
  11. Kang, S., Kim, J. E., Zhen, S., & Kim, J. (2022). Mild intensity UV A radiation applied over a long duration can improve the growth and phenolic contents of sweet basil. Frontiers in Plant Science, 13:858433. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.858433. EDN: https://elibrary.ru/LYLYHV
  12. Kong, Y., Masabni, J., & Niu, G. (2023). Temperature and light spectrum differently affect growth, morphology, and leaf mineral content of two indoor grown leafy vegetables. Horticulturae, 9, 331. https://doi.org/10.3390/horticulturae9030331. EDN: https://elibrary.ru/YNFPLZ
  13. Laubinger, S., Marchal, V., Gourrierec, J., Gentilhomme, J., Wenkel, S., Adrian, J., Jang, S., Kulajta, C., Braun, H., Coupland, G., & Hoecker, U. (2006). Arabidopsis SPA proteins regulate photoperiodic flowering and interact with the floral inducer CONSTANS to regulate its stability. Development (Cambridge, England), 133, 3213–3222. https://doi.org/10.1242/dev.02481
  14. Li, J., Wu, T., Huang, K., Liu, Y., Liu, M., & Wang, J. (2021). Effect of LED spectrum on the quality and nitrogen metabolism of lettuce under recycled hydroponics. Frontiers in Plant Science, 12:678197. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.678197. EDN: https://elibrary.ru/VLMTTM
  15. McLay, E. R., Pontaroli, A. C., & Wargent, J. J. (2020). UV B induced flavonoids contribute to reduced biotrophic disease susceptibility in lettuce seedlings. Frontiers in Plant Science, 11:594681. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.594681. EDN: https://elibrary.ru/RQULFU
  16. Ngilah, E., Tsan, F., & Kar, Y. (2015). Growth and yield of organic Lactuca sativa cv. Fire Red under irradiation of light emitting diode in controlled environment. International Journal of Agriculture, Forestry and Plantation, 1. https://ijafp.org/wp-content/uploads/2015/10/AG-52.pdf
  17. Ngilah, E., Tsan, F., & Yap, B. (2008). Photoperiod and light spectrum effects on growth, pigment and ascorbic acid content of Lactuca sativa cv. Fire Red under controlled growth environment. International Food Research Journal, 25(2), 1300–1308. http://www.ifrj.upm.edu.my/25 (03) 2018/(57).pdf
  18. Olle, M., & Viršile, A. (2013). The effects of light emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality. Agricultural and Food Science, 22, 223–234. https://doi.org/10.23986/afsci.7897. EDN: https://elibrary.ru/RHHNTL
  19. Pennisi, G., Blasioli, S., Cellini, A., Maia, L., Crepaldi, A., Braschi, I., Spinelli, F., Nicola, S., Fernandez, J. A., Stanghellini, C., Marcelis, L. F. M., Orsini, F., & Gianquinto, G. (2019). Unraveling the role of red:blue LED lights on resource use efficiency and nutritional properties of indoor grown sweet basil. Frontiers in Plant Science, 10:305. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00305
  20. Savvides, A., Ali, S., Tester, M., & Fotopoulos, V. (2016). Chemical priming of plants against multiple abiotic stresses: Mission possible? Trends in Plant Science, 21, 329–340. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2015.11.003. EDN: https://elibrary.ru/XOYXGJ
  21. Trumpler, K., Wu, B.-S., Addo, P. W., Macpherson, S., & Lefsrud, M. (2024). Plant growth optimization using amber light supplemented with different blue light spectra. Horticulturae, 10(1097). https://doi.org/10.3390/horticulturae10101097. EDN: https://elibrary.ru/ZTANUB
  22. Yang, L., Chen, L., Peng, H., Guo, P., Wang, P., Ma, C.-L., et al. (2012). Organic acid metabolism in Citrus grandis leaves and roots is differently affected by nitric oxide and aluminum interactions. Scientia Horticulturae, 133, 40–46. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2011.10.011
  23. Zhonghua, B., Ruifeng, C., Yu, W., Qichang, Y., & Chungui, L. (2018). Effect of green light on nitrate reduction and edible quality of hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L.) under short term continuous light from red and blue light emitting diodes. Environmental and Experimental Botany, 153, 63–71. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2018.05.010

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу


Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қол жетімді Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».