Untersuchung des Einflusses von LED-Belichtungssystemen auf die Entwicklung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe

Abstract

The subject of this work is the research of different illumination scenarios in plant grow chambers with the objective to maximize the anthocyane and flavonol concentration in chard, lamb's lettuce, spinach as well as green- and red-leaved basil. Besides the ingredients, fresh mass and leaf area are measured and for basil also the Vitamin C concentration is determined. In two test series with a total of nine experiments different ways of cultivation are tested and developed for a reproducible test stand. To measure the light by means of a spectrometer, an adequate measurement methodology is developed, which determines the mean photon flux density received by the plants. Programmable LED modules and fluorescent tubes enable a variation of wavelength, photon flux density and day-night rhythm. The experiments with fluorescent tubes serve as control group. The ingredients are recorded using a polyphenol meter in a non-destructive measurement at the leaf. Because of defective LED modules and varying reflective behaviour in the chambers, a clear relation between light of a certain wavelength and an increase of the observed ingredients could not be found. At a lighting frequency of 40 min day - 20 min night a significant increase of anthocyane values of maximum 140 % was observed for chard, spinach and green-leaved basil relative to the control group, while the flavonol values decreased at the same time. Furthermore a higher growth in biomass at these plants was detected. This work is part of a research project, which aims to develop an automatised, needs-based plant illumination system. This opens a new possibility of private plant production in urban areas. By optimisation of ingredient concentrations and growth, healthy plants can be cultivated efficiently on small area.

Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Untersuchung verschiedener Bellichtungsszenarien in Pflanzenkultivierungskammern hinsichtlich der Maximierung von Anthocyan- und Flavonolkonzentration in Mangold, Feldsalat, Spinat sowie grün- und rotlaubigem Basilikum. Neben den Inhaltsstoffen werden auch die Frischmasse und die Blattfläche gemessen und für Basilikum die Vitamin-C-Konzentration bestimmt. In zwei Versuchsreihen mit insgesamt neun Experimenten werden verschiedene Kultivierungsformen getestet und für einen reproduzierbaren Teststand weiterentwickelt. Für die Lichtmessung mittels Spektrometer wird eine adequate Messmethodik entworfen, welche die mittlere, von den Pflanzen aufgenommene Photonenflussdichte erfasst. Mit programmierbaren LED-Modulen und Leuchtstoffröhren werden Wellenlänge, Photonenflussdichte und Tag-Nacht Rhythmus variiert. Die Versuche mit den Leuchtstoffröhren als Lichtquelle dienen als Kontrollgruppe. Die Inhaltsstoffe werden unter Einsatz eines Polyphenolmeters in einer nicht-destruktiven Messung am Blatt bestimmt. Aufgrund von fehlerhaften LED-Modulen und abweichendem Reflexionsverhalten in den Kammern konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Licht bestimmter Wellenlänge und einem Anstieg der betrachteten Inhaltsstoffe festgestellt werden. Bei einer Taktung von 40 min Tag - 20 min Nacht wurde bei Mangold, Spinat und grünem Basilikum ein signifikanter Anstieg der Anthocyanwerte von maximal 140 % gegenüber der Kontrollgruppe gemessen, während gleichzeitig die Flavonolwerte sanken. Darüber hinaus wurde bei diesen Pflanzen ein größerer Zuwachs an Biomasse beobachtet. Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts, das die Entwicklung eines automatisierten, bedarfsgerechten Pflanzenbelichtungssystems zum Ziel hat. Damit erschließt sich eine neue Möglichkeit der privaten Pflanzenproduktion in urbanen Gebieten. Durch die Optimierung von Inhaltsstoffkonzentrationen und Wachstum können gesundheitsfördernde Pflanzen effizient auf kleiner Anbaufläche kultiviert werden.