La incidencia de la luz sobre nuestro cultivo tendrá un efecto directo en el rendimiento. La fotosíntesis es el proceso más importante en las plantas para producir energía. Pero ¿cómo se relacionan los fotones de luz con el rendimiento?
Basándonos en la investigación se sabe que un mol de fotones fotosintéticos es necesario para producir un gramo de biomasa seca (rendimiento).
1 gramo/mol
Para poder entender como la luz promueve una cantidad especifica de biomasa necesitamos aprender sobre la fotosíntesis, rendimiento cuántico, eficiencia de conversión, respiración e índice de cosecha.
Fotosíntesis:
La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas utilizan CO2 y agua para producir energía. Estas moléculas simples son capaces de producir energía con ayuda de la luz. Las plantas utilizar los fotones de luz para poder convertir el dióxido de carbono y el agua a carbohidratos y liberar oxigeno en el proceso.
¿Cuánta luz se necesita?
Podemos medir el numero de fotones requeridos para producir biomasa entendiendo el rendimiento cuántico:
- Rendimiento cuántico: se refiere a los moles de carbono fijados por mol de fotón absorbido (mol mol-1). Se sabe que la cantidad mínima de fotones necesarios para producir carbohidratos es 10. Esto significa que el requerimiento cuántico para obtener 1 molécula de carbohidratos son 10 fotones. Sin embargo, 10 es un requerimiento cuántico que podemos obtener a intensidades bajas de luz. Investigación realizada por el Dr. Bugbee en la Universidad Estatal de Utah demostró que bajo niveles altos de CO2 (1600 ppm) e intensidad de luz de 400 μmol m-2 s-1 cultivos comunes como tomate y espinaca requieren 12 fotones de luz (rendimiento cuántico= 1 mol/12 mol de fotones = 0.08 mol mol-1).
Basado en la investigación podemos concluir que 12 fotones de luz son requeridos para producir 1 molécula de carbohidratos.
En el camino para entender como se utilizan los fotones para producir biomasa vegetal necesitamos considerar la conversión de eficiencia.
Eficiencia
¿Qué tan eficiente puede ser la fotosíntesis? La eficiencia es igual a las salidas dividido entre las entradas
Eficiencia= Salidas/Entradas
Los carbohidratos son igual a 3 gr por mol (CH2O, donde el peso atómico del (C=12, H2=2, O=16). Hay que recordar que 12 moles de fotones son necesarios para producir carbohidratos. Entonces podemos calcular la eficiencia como se muestra a continuación:
Eficiencia= 30 gramos/12 mol = 2.5 gr
2.5 gr por mol esta un poco alejado al número que se mencionó previamente donde un mol de fotones fotosintéticos es requerido para producir un gramo de biomasa seca. ¿Por qué? Para poder ligar correctamente el uso de fotones a la producción de biomasa vegetal necesitamos considerar como los carbohidratos generados son usados. La respiración de la planta es un proceso que utiliza carbohidratos para producir energía.
Respiración de la planta y el rendimiento
Cuando se trabaja con plantas usualmente escuchamos de la tasa de fotosíntesis neta. La tasa de fotosíntesis neta se refiere a la fijación de carbono total sin considerar el CO2 que se pierde durante la respiración. Esta es la forma correcta de medir la fotosíntesis.
Cuando se quiere relacionar los fotones con el rendimiento necesitamos considerar que un porcentaje de los carbohidratos serán utilizados en la respiración, un proceso que afectara como los carbohidratos serán utilizados en producir biomasa o rendirán.
Dada la necesidad de considerar la respiración en la energía total disponible para producir biomasa vegetal también debemos aprender de eficiencia respiratoria. Investigación previa ha demostrado que la eficiencia respiratoria es alrededor del 60%. Para poder considerar el impacto de la eficiencia respiratoria y la eficiencia fotosintética necesitamos calcular lo que se llama conversión de eficiencia de fotones.
La conversión de eficiencia de fotones es igual a la eficiencia fotosintética multiplicado por la eficiencia respiratoria.
Conversión de eficiencia de fotones= (2.5) (0.6)= 1.5
Este calculo nos da un total de 1.5 gramos de biomasa producida por cada fotón de luz. Esto significa que en un escenario ideal donde todos los fotones emitidos son absorbidos por la planta 1.5 gramos de biomasa se producirán por cada fotón de luz. Sin embargo, escenarios ideales son muy difíciles o imposibles de obtener, es por esto por lo que usualmente asumimos: un mol de fotones fotosintéticos es requerido para producir un gramo de biomasa seca.
1 gramo/mol
Cuando se quiere comprender como las plantas utilizan la luz somos capaces de analizar correctamente nuestro sistema y aprender de la importancia de la incidencia de la luz sobre nuestro cultivo. Además, al aprender del impacto de la incidencia de la luz es posible estimar cuanto cuesta producir diferentes cultivos en instalaciones como cuartos de producción. Pero para poder calcular esto necesitamos conocer el concepto de índice de cosecha.
índice de cosecha
El índice de cosecha es la relación entre producto utilizable o comestible y biomasa vegetal total. Por ejemplo, se considera que muchos cultivos tienen un índice de cosecha de alrededor del 50%. Esto es porque crecemos una planta, pero cosechamos la fruta. Entonces estamos consumiendo alrededor de la mitad de la biomasa de la planta. Este puede ser un buen estimado para el pepino, tomate, etc. Las hojas verdes como las lechugas tienen un índice de cosecha mayor (alrededor del 80%) porque se consume casi toda la planta.
El índice de cosecha puede ser muy importante al momento de relacionar la luz, el rendimiento y el costo de la luz en instalaciones cerradas.
Un ejemplo: basándonos en el número de fotones y el material que se puede cosechar en condiciones ideales, el costo de fotones como un porcentaje del precio de venta es alrededor del 5%. En comparación con plantas con menor índice de cosecha como los tomates donde el costo de los fotones puede ser alrededor del 18%. Para plantas donde el material cosechado es bajo en comparación con el total de la biomasa de la planta producida, el costo de producción en comparación con el uso y costo de la luz será mayor. Por esta razón es por lo que la mayoría de las instalaciones cerradas de producción se concentran en hojas verdes. También es por lo que la optimización de la incidencia de la luz sobre el cultivo debe ser crucial para cada sistema de producción.
Tampoco podemos olvidar que la luz artificial puede ser usada como luz suplementaria, es aquí donde podemos utilizar la luz gratuita del sol pero para mejorar el crecimiento y calidad de las plantas se mejora la intensidad de la luz, incidencia y la calidad con luz suplementaria.
La fotosíntesis y el uso de fotones pueden ser temas complejos. Sin embargo, si realmente queremos tener control sobre nuestros cultivos debemos prestar atención y entender la fotosíntesis que es el proceso más importante para que las plantas obtengan energía y con eso nuestros productos.