La luz adecuada para agricultura vertical

Para cultivos de interior, una nueva propuesta de luz que cumple mejor con los requisitos biológicos de las plantas de manera eficiente

El cultivo en interiores o también conocido como agricultura vertical es una técnica que a pesar de compartir similitudes con los invernaderos, se diferencia en su riguroso control de los parámetros de crecimiento de las plantas como la humedad y la cantidad de luz solar. Además, este método permite un control preciso de las plagas al impedir el intercambio de aire con el exterior sin pasar primero por mallas de filtrado dando como resultado cultivos libres de pesticidas.

Entre los factores controlables en este tipo de agricultura se encuentran el riego, la humedad ambiental, el tipo de sustrato y la cantidad de luz que las plantas reciben ya sea de forma natural o mediante el uso de luces especializadas. El espectro de luz que proporcionen estas últimas puede afectar de manera significativa los resultados del cultivo.

Es importante aclarar algunas cuestiones sobre el espectro de luz que las plantas utilizan particularmente en relación con la fotosíntesis C3 (3-fosfoglicerato) un proceso llevado a cabo por el 85% de las especies de plantas y comúnmente utilizado en la agricultura vertical.

Las plantas en su mayoría utilizan el espectro visible para la fotosíntesis con pocos casos que emplean espectros fuera de este rango como la luz ultravioleta e infrarroja específicamente después del rojo lejano donde comienza el espectro de calor (visible por cámaras termográficas). Sin embargo, aunque algunas plantas usan el rango espectral del calor para el termotropismo es decir el movimiento de la planta en busca de calor este se evita en los cultivos de interior siempre que sea posible manteniendo temperaturas adecuadas.

Camara termografica que capta luz infrearroja. Foto de: multiservicioselsanto.com

Por otro lado, en la región ultravioleta del espectro existen varios factores a considerar. La luz ultravioleta UV-C debe evitarse completamente ya que es perjudicial para las plantas y para la mayoría de los microorganismos pues es la empleada como desinfectante. Al igual que la UV-C la UV-B también puede ser dañina llevando a las plantas a producir compuestos como los flavonoides que absorben UV-B y actúan como protectores contra la radiación.

Sistema de desinfección con Luz Ultravioleta C

En cuanto al rango ultravioleta UV-A es poco utilizado por las plantas en comparación con el resto del espectro visible. Sin embargo, a través de los criptocromos y las fototropinas que son fotorreceptores que absorben luz del espectro de 320nm a 500nm las plantas pueden utilizar este rango. Los criptocromos son esenciales para el ritmo circadiano de las plantas en el proceso de floración y la regulación del crecimiento del tallo. Por otro lado, las fototropinas están principalmente involucradas en el fototropismo orientando el crecimiento de las plantas en respuesta a la luz.

Hoja de limón bajo luz UV-A

Adentrándonos en el espectro visible encontramos tres elementos fundamentales para las plantas como la clorofila, los carotenoides y los fitocromos. Cada uno de estos compuestos interactúa de manera distinta con la luz transformándola en energía química de diversas formas:

Clorofila: Este compuesto y pigmento que le da a la planta su color verde pues refleja y transmite la luz en el rango verde (500-570nm) que no absorbe. Sin embargo, la clorofila es responsable de la fotosíntesis absorbiendo la luz en las regiones azul (430-450nm) y roja (640-680nm) del espectro. La energía absorbida se utiliza para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa liberando oxígeno como subproducto [1].

Espectro de absorción de la clorofila

Carotenoides: Estos compuestos cumplen diversas funciones en las plantas absorbiendo la luz en la región del espectro que la clorofila no absorbe eficientemente, aproximadamente entre 400-500nm (azul) y entre 500-570nm (verde), transfieren la energía absorbida a la clorofila para la fotosíntesis y protegen a la misma del exceso de luz solar que podría dañarla. Los carotenoides también son responsables de los colores característicos de muchas frutas y flores [2].

Espectro de absorción de carotenoides

Fitocromos: Los fitocromos son fotorreceptores que absorben la luz principalmente en las regiones roja alrededor de 660nm (Fitocromo Pr) y roja-lejana alrededor de 730nm (Fitocromo Pfr) del espectro de luz, controlan diversos aspectos del desarrollo de la planta como la germinación de las semillas, la floración, el crecimiento del tallo y la orientación de las hojas y tallos hacia la luz. Los fitocromos permiten a las plantas adaptarse a las condiciones de luz cambiantes en su entorno, por ejemplo, al amanecer cuando la luz roja es más abundante los fitocromos cambian a la forma Pfr indicando a la planta que es de día, por el contrario, al atardecer cuando la luz roja lejana es más abundante los fitocromos cambian a la forma Pr indicando a la planta que es de noche. Este compuesto funge como el controlador del ciclo circadiano de la planta.

        
Espectro de absorción de los fitocromos Pr y Pfr

Dada estas características de los compuestos presentes en las plantas para la fotosíntesis se puede concluir preliminarmente que el espectro necesario para la agricultura vertical o cualquier otra forma de cultivo en interiores con fuentes de luz controladas requiere longitudes de onda de los 320nm a los 730nm abarcando desde el azul ultravioleta hasta el rojo lejano.

Espectro de absorción de todos los compuestos presentes en las plantas

Las luminarias disponibles en el mercado para el cultivo en interiores varían tanto en precio como en tecnología. Podríamos agrupar las tecnologías en dos categorías, la primera es la tecnología LED y la segunda todas las tecnologías previas a esta. A continuación, se mencionan algunas características de cada grupo comenzando por las tecnologías previas al LED.

Las principales desventajas de las tecnologías preLED incluyen su cada vez más escasa disponibilidad en el mercado tanto para luminarias nuevas como para repuestos, su baja eficiencia energética y su difícil control pues suelen ser tecnologías basadas únicamente en encendido y apagado, adicionalmente estas fuentes de luz presentan dificultades para controlar el espectro de luz de forma precisa

Algunos ejemplos de estas tecnologías son el vapor de sodio pues tiene un espectro centrado en los colores naranjas, el halogenuro metálico prácticamente descontinuados, los focos incandescentes con su baja eficiencia eléctrica y su alta emisión de calor produciendo estrés por temperatura a las plantas. Por ultimo las luminarias fluorescentes que cuentan con una gran desventaja ya que el manejo de los residuos de los tubos reemplazados requiere una disposición final especial

Tubos fluorescentes arrojados a la intemperie en Viveros Coyoacan, CDMX

Estas son algunas de las tecnologías que se utilizaron en el pasado, su uso fue el resultado de las limitaciones tecnológicas de su época, no obstante, en la actualidad con los nuevos avances y desarrollos del Diodo Emisor de Luz no solo se puede lograr un control adecuado de la cantidad y potencia de la luz para el cultivo sino también controlar el espectro de luz emitido de manera casi autónoma para obtener resultados óptimos. Algunas de las tecnologías de iluminación basadas en LED que se utilizan actualmente son:

Luminarias LED RB: Estas están diseñados para emitir en los espectros azul y rojo. Aunque producen resultados buenos para algunos cultivos la realidad es que biológicamente hablando no proporcionan el espectro completo necesario para las plantas.

Fotocultivo de lechuga
Horticultura interior con iluminación LED roja y azul

LED horticultura de espectro completo: Estas luminarias tienden a complementar mejor el espectro en comparación con las luminarias que solo emiten luz roja y azul, su luz es más adecuada para las plantas.

espectrometría de LED full espectro para horticultura interior

Ambas tecnologías comunes de LED producen buenos resultados como lo indican los fabricantes e incluso algunas ya empiezan a incorporar el espectro rojo profundo y aunque son efectivas se sabe que se pueden mejorar los resultados con una nueva generación de luminarias que tienen una eficiencia eléctrica bastante buena además de que proporcionan a la planta el espectro completo necesario para su crecimiento, esto permite un ajuste más preciso a las necesidades de la planta durante su desarrollo lo que facilita el lograr los resultados deseados.

Nuevo espectro para cultivos verticales, en azul el espectro propuesto, en gris las necesidades de las plantas

Entonces ¿Qué espectro de luz debo instalar para mis cultivos?

La elección de la tecnología y del espectro de luz adecuado depende del tipo de cultivo que deseas sembrar. Cada planta tiene necesidades específicas de luz para crecer y desarrollarse adecuadamente, por ejemplo:

Si estás cultivando verduras y tu objetivo es tener hojas enormes y de un verde brillante es posible que quieras un espectro de luz que promueva un crecimiento excepcionalmente grande. En términos generales las plantas necesitan más luz en el rango azul para el crecimiento foliar, las luminarias con LEDs que emiten luz azul junto con los rojos que son necesarios para la fotosíntesis son una buena opción en este caso pues el objetivo del cultivo se limita al crecimiento máximo posible.

Espectro ajustado para crecimiento foliar

Si estás cultivando frutas como lo es el caso del tomate necesitarás un espectro de luz que no solo favorezca el desarrollo adecuado de la planta (como un tallo resistente para soportar el peso de la fruta) sino que también ayude a lograr una coloración atractiva para el consumidor. Para la fructificación las plantas suelen necesitar más luz en el rango rojo, además, si se utilizan polinizadores como las abejas tendrás que tener en cuenta que necesitan luz ultravioleta para poder identificar las guías de néctar únicamente visibles para estos insectos.

Flor bajo luz ultravioleta

Si estás buscando una floración espectacular el espectro es similar al de la producción de frutas ya que la floración es una etapa necesaria en el ciclo de producción de semillas y fructificación. En este caso una combinación de luces azules y rojas también podría ser beneficiosa ya que la luz azul suele promover la floración y la luz roja puede ayudar a las plantas a producir más flores pro con un espectro más completo pues la planta requiere producir tallos largos y robustos que permitan soportar el peso de las flores. Además, la ruptura precisa del ciclo circadiano suele producir un alargamiento en el mismo tallo.

Luz adecuada para floración

Es importante destacar que en la horticultura en interiores no solo es crucial el espectro de luz sino también el control de los ciclos de luz y oscuridad. Estos son fundamentales para obtener la mayor eficiencia en términos de producto obtenido versus recursos consumidos. La duración y la intensidad de la luz pueden tener un impacto significativo en la tasa de crecimiento de la planta, el tiempo de floración y la producción de frutas.

       

Cabe mencionar que este es solo un resumen general y que cada especie de planta puede tener necesidades específicas que podrían requerir ajustes en el espectro de luz y en el ciclo de luz/oscuridad (día/noche), por lo tanto, es recomendable investigar las necesidades específicas de las plantas que planeas cultivar antes de elegir la iluminación y el sistema de control necesario resultado de que no todas las plantas tienen los mismos requerimientos.

[1] https://omlc.org/spectra/PhotochemCAD/html/122.html

[2] https://omlc.org/spectra/PhotochemCAD/html/041.html

[3] https://www.researchgate.net/profile/Sanjeev-Kumar-21/publication/326016018_Technologies_and_Sustainability_of_Protected_Cultivation_for_Hi-Valued_Vegetable_Crops/links/5b3386074585150d23d634fe/Technologies-and-Sustainability-of-Protected-Cultivation-for-Hi-Valued-Vegetable-Crops.pdf#page=135

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