森らは,これまでLEDとLDを利用した植物工場の可能性の検討や,実用化に必要となる基礎技術を確立するために,生育が早く光の波長に敏感なレタスを試料に選び実験を行ってきた5)~10).ここでは,連続光と間欠光による生育実験の代表的な結果を紹介する.

43・3・1 連続光による生育実験

栽培実験には,赤色LDと青色LDを使用した.ここではLDの結果をLEDの結果と比較する形で説明する.赤色LDは主にDVDの用途に開発された発振波長660 nm,光出力100 mWのものである.これを,プリント基板上の15 cm×14 cmの範囲に3個直列×6個並列に並べ,レタスに均一に照射するようにした.青色LDは同じくDVD用途に開発された波長440 nm,光出力5 mWのものである.赤色と青色の組合せには,赤色LDの基板の中心部分に青色LDを6個加えた.

比較実験用の基板に使用した赤色LEDは,スタンレ-電気製の-2000 L(中心波長660 nm,半値幅約25 nm,出力7 mW)である.プリント基板上の15 cm×12 cmの範囲に10個直列×40個並列に配置した.赤色LEDと青色LEDの組合せには,青色LEDに日亜化学工業製のNLPB500(中心波長450 nm,半値幅約70 nm,出力3 mW)を使用した.赤色LEDを10個直列×10個並列,青色LEDを10個直列×10個並列に配置し,赤色の列と青色の列が交互になるようにした.

いずれの場合も,栽培トレイ上面の光量子束密度をほぼ120 μmol/m2sに保った.栽培装置を気温22°C,相対湿度70%,CO2濃度400 ppm,日長24hに設定したグロースキャビネット内に設置した.以上の環境条件下で全生体重2 g程度のリーフレタス(品種レッドファイヤー)の苗を槌え付け,水耕栽培によって2週間後に収穫し,相対成長率と光合成速度,ビタミンC含量を測定した.

[1] 相対成長率

図43・4は,660 nmと680 nmの赤色LD単色,赤色LDと青色LDの組合せ(R/B=10,20),赤色LED単色および赤色LEDと青色LEDの組合せ(R/B=10,20)に対するレッドファイヤーの成長率を測定した結果である.この結果を見ると,全体的にLEDで栽培した場合よりもLDで栽培した場合の成長率が低下している.同じピーク波長を持つ赤色では,LDの場合はLEDの場合より10%低下した.赤色と青色のR/B=10の場合は,LDの場合はLEDの場合より21%成長率が低下した.さらに同じ赤色LDでも,680 nmの場合は660 nmの場合とくらべて27%成長率が低下した.LDの結果が落ちる理由は,レーザーの鋭い単色性のために,放射スペクトルに幅があるLEDよりも光合成の光利用効率が下がったためだと考えられる.自然界では可視光全体をカバーする太陽光を使って光合成をおこなっている.したがって,単色性の光源よりもある程度のスペクトル中高のある光源あるいは,複数のスペクトルの混ざった光源のほうが光合成の光利用効率が高まると考えられる.実際に680 nmより長波長の単色光と短波長の単色光を同時に照射すると,別々に照射したときの光合成速度の和よりも大きくなるというエマーソン効果11)が知られている.

図43・4

[2] 光合成速度

図43・5は図43・4と同じ照射条件下で,見掛けの光合成速度を測定した結果を示している.この結果を見ると成長率と似た傾向を示しているのがわかる.LDとLEDのいずれの場合でも,光合成速度は青色の比率が高いR/B=10が高く,次いでR/B=20の順となった.

図43・5

また閉じ赤色LDで栽培した場合は,680 nmでは,660 nmの場合とくらべて26%光合成速度が低下した.

植物には,680 nm以上の光で量子収率が下がる赤色低下11)と呼ばれる現象が知られているが,このため680 nmの光合成速度が低下したのだと考えられる.

[3] ビタミンC含量

図43・6は,図43・4,図43・5と同じ照射条件下で,レッドファイヤーのビタミンC含量を測定した結果である.これを見ると成長率と光合成速度の結果と異なり,LDの場合のほうがLEDの場合よりも全体的に総ビタミンC含量が高い結果になっている.また赤色と青色の組合せについては,成長率と光合成速度の場合と同様にR/B=10の場合が最も含量が高く,次いでR/B=20の場合の順となった.ただし,LDはLEDと比較して,全体的に還元型より酸化型の割合が大きくなった.

図43・6

植物はストレスを受けるほど生体防御機能が働き,アスコルビン酸は還元型から酸化型に変換されると考えられている.LD光で栽培したレッドファイヤーの総ビタミンC含量や酸化型アスコルビン酸が多いのは,鋭い単色性が植物にストレスをかけるためだと考えられる.

43・3・2 LED植物工場での栽培例

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