¿La luz azul de los focos LED reduce el rendimiento?

Hay días en que me siento inspirado, sobre todo cuando alguno de nuestros clientes me aporta información que desconocía. Normalmente es al revés, suelo enseñar a la gente mis conocimientos de ingeniería, pero en el caso de Daniel…cada vez que viene a vernos aprendo algo nuevo!

Hoy voy a explicar algo muy controvertido y que muchos de los fabricantes de luces LED me van a intentar rebatir, pero que cojones, es un estudio publicado por la Universidad de Utah…así que me siento en la obligación de compartirlo contigo…¿te interesa saber más? te lo explicamos!

Título original: Environmental Physiology of Medical Cannabis

Autores: F. Mitchell Westmoreland (Utah State University) y otros, entre ellos Bruce Bugbee

Fecha publicación: Julio 2024

Conclusiones

Ya sabéis que me gusta empezar los post con las conclusiones finales del estudio. Si sois unos nerds del cannabiscomo yo, y queréis saber más detalles, tenéis el resto del estudio traducido y resumido. Ahora ya puedo soltar la bomba:

Los datos obtenidos en este estudio indican que la eficacia es más importante que el espectro de luz, y que los fabricantes de lámparas deberían considerar reducir la fracción azul para mejorar el rendimiento económico del cannabis.

¿Cómo se te queda el cuerpo después de leer esto? Parece que el color de los LEDs no es tan importante como pensábamos, no? Bueno, déjame hacer solo una pequeña aclaración…esto es válido para aquellos que pagan la factura de la luz 😉

Extracto

Se realizaron tres estudios para investigar el efecto de la fracción de fotones azules en el rendimiento y la calidad del cannabis medicinal rico en CBD. Las condiciones variaron entre los estudios para evaluar las posibles interacciones con el medio ambiente, pero todas las condiciones ambientales (excepto la fracción de fotones azules) se mantuvieron constantes en las cinco cámaras de cada estudio. 

La densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD, de 400 a 700 nm) se mantuvo rigurosamente en el punto de ajuste entre los tratamientos de cada estudio, ajustando la altura de los focos a medida que las plantas crecían en altura. Recuerda que, por lo general, a más distancia del foco se obtiene menor densidad lumínica.

Las condiciones del estudio las explicaremos más abajo, pues a grandes rasgos, los investigadores concluyeron que:

• La fracción más baja de fotones azules fue del 4% (lámparas HPS), y aumentó a 9.8, 10.4, 16 y 20% con focos LEDs. El resultado fue que hubo una disminución lineal consistente del 12% en el rendimiento en cada estudio a medida que la fracción de fotones azules aumentó del 4 al 20%.
• El rendimiento de flores secas varió de 500 a 750 g/m². Esto dio como resultado una eficacia de conversión de fotones de 0.22 a 0.36 gramos de rendimiento de masa de flores secas por mol de fotones.
• El rendimiento fue mayor a una PPFD de 900 que a 750 μmol/m²·s, algo que resultaba predecible pues las plantas de cannabis tienen un punto de saturación lumínica más alto que estos valores.
• No hubo efecto de la calidad espectral sobre la concentración de CBD o THC. El CBD y el THC fueron del 8% y del 0,3% en los ensayos uno y dos, y del 12% y del 0,5% en el ensayo tres. La proporción de CBD/THC fue de aproximadamente 25 a 1 en todos los tratamientos y estudios. 
• La eficacia de los focos varió de 1.7 (HPS) a 2.5 μmol/J (LED blanco + rojo).
• El rendimiento bajo el foco LED blanco + rojo (10.4% azul) fue 4.6% más bajo que el HPS por unidad de área, pero fue 27% más alto teniendo en cuenta el coste de la electricidad. 

Estos hallazgos sugieren que la eficacia y el costo inicial del foco son más importantes para el retorno de la inversión que la distribución espectral a alto flujo de fotones.

Materiales y métodos

En este apartado vamos a describir cuales son las condiciones en las que se realizó el estudio, para que puedas hacerte una idea de si se parece o no a las condiciones de cultivo interior que puedes tener en tu armario.

Condiciones ambientales

Es fundamental mantener constantes las condiciones ambientales distintas a la variable que se estudia. Para lograr condiciones constantes entre los tratamientos dentro de un estudio, las plantas se cultivaron en una cámara de crecimiento de 1 m² con cinco secciones independientes de fotones y condiciones atmosféricas comunes (Figura 2-1).

Cada sección independiente tenía paredes reflectantes blancas para definir con precisión el área de crecimiento, y simular la presencia de plantas adicionales alrededor del perímetro.

Las paredes laterales reflectantes se utilizan comúnmente para minimizar los efectos de los bordes y facilitar la extrapolación a áreas más grandes. En todas las secciones, el dosel llenó toda la cámara aproximadamente a la semana 3.

Los ventiladores de techo proporcionaron un intercambio de aire continuo y abundante de 0,8 metros por segundo en la parte superior del dosel.

El recinto se enriqueció uniformemente a 1000 ± 50 ppm de CO2, medido continuamente con un analizador de gas infrarrojo.

La temperatura se midió con un termistor de precisión blindado y aspirado por ventilador, montado a la altura del dosel en cada cámara [6]. 

La humedad se midió con un sensor de temperatura y humedad relativa , modelo HMP45A. Las mediciones se realizaron cada 10 segundos y se registraron promedios de cinco minutos de todos los datos ambientales con un registrador de datos. Los focos se asignaron al azar entre las cámaras en cada ensayo

Tratamientos espectrales

Los tratamientos espectrales incluyeron:

1. una lámpara de sodio de alta presión de doble extremo (DE-HPS)
2. una lámpara LED blanca cálida (3000 K)
3. una lámpara LED blanca fría (5000 K)
4. dos lámparas LED de combinación blanco + rojo (blanco + rojo 1 y blanco + rojo 2).

Estas combinaciones se seleccionaron para lograr una fracción relativamente constante de fotones verdes y rojos, a la vez que proporcionaban una diferencia de cinco veces en los fotones azules (Tabla 2.2).

Estas lámparas representan un foco estándar de la industria (DE-HPS) y un rango bajo a alto de eficacia para las lámparas LED. La eficacia para DE-HPS fue el promedio del método de integración de plano y el método de esfera integradora descrito en Nelson y Bugbee (2014). Las luminarias restantes fueron probadas independientemente por TÜV SÜD America.

La PPFD a la altura del dosel se mantuvo constante durante todo el estudio elevando las lámparas a medida que crecían las plantas. Las mediciones de PPFD y los ajustes de las lámparas se realizaron dos veces por semana durante las primeras cuatro semanas del período de floración, luego una vez por semana durante las últimas cuatro semanas. 

La PPFD se midió con un medidor cuántico de espectro completo (Apogee Instruments Inc., modelo MQ-500). Las paredes de la cámara altamente reflectantes y la distancia de la lámpara al dosel minimizaron la falta de uniformidad de la iluminación dentro de una cámara.

La PPFD en las esquinas de todas las cámaras estaba dentro del 15% de la PPFD promedio. Los espectros de las cinco lámparas se muestran en la Figura 2-2. Las mediciones se realizaron con un espectrorradiómetro (Apogee Instruments Inc., modelo PS-300).

El YPF (yield per photon) se calculó utilizando los factores de ponderación de Sager et al. (1988). El YPF (normalizado a HPS) aumentó de 0,93 a 1,0 a medida que la fracción azul disminuyó del 20% al 4% (Tabla 2.2).

Las lámparas HPS emiten más radiación térmica de onda larga que los LED, lo que provoca una mayor temperatura de las hojas y de los cogollos a igual temperatura del aire y PPFD (Nelson y Bugbee, 2015) [2]. 

En todos los estudios, se montó vidrio debajo de la lámpara HPS para que la radiación de onda larga fuera similar a la de los LED. Las mediciones de radiación se realizaron con un radiómetro de red de cuatro vías (Apogee Instruments Inc., modelo SN-500-SS). 

La temperatura del dosel se midió con una cámara infrarroja (FLIR Systems, modelo E6). En el ensayo tres, la lámpara LED blanco + rojo 2 se reemplazó por una HPS sin vidrio para cuantificar el efecto del aumento de la radiación de onda larga sobre la temperatura y el rendimiento del dosel.

Material vegetal

El cultivar ‘Trump’ fue seleccionado porque tiene un hábito de crecimiento compacto, y por altas concentraciones de cannabinoides que produce.

Los clones enraizados fueron trasplantados a macetas de plástico de 6.3 Litros con una mezcla 3:1 de turba/vermiculita, que se enmendó con 1.6 g/litro de cal dolomítica, para aumentar el pH a 5.5.

Se añadió yeso al sustrato a razón 0.8 gramos por litro para proporcionar calcio y azufre adicionales. Las plantas se cultivaron durante 7 a 14 días (18 horas de luz:6 horas de oscuridad) y se seleccionaron por su uniformidad antes de ser cambiadas a un fotoperiodo inductivo (12 horas de luz:12 horas de oscuridad). 

La densidad de plantas fue de 6 plantas/ m² en los ensayos uno y tres, y de 2 plantas/m² en el ensayo dos. Esto facilitó la prueba de una posible interacción de la calidad espectral con la densidad de plantas y, por lo tanto, la tasa de aumento en la captura de fotones.

Las plantas se regaron cada día, con un drenaje del 10%, usando una solución nutriente con la siguiente composición:

• 120 mg/L N
• 26 mg/L P
• 100 mg/L K
• 1 mg/L Mg
• 0.15 mg/L B
• 0.15 mg/L Cu
• 0,6 mg/L Fe
• 3 mg/L Mn
• 0,06 mg/L Mo
• 0,3 mg/L Zn. 

Se añadieron 7 mg por litro de Greencare micronutrients (Greencare Fertilizers, Inc.). También se añadió el suplemento de silicio AgSil 16H (PQ Corporation) a una dosis de 8,4 mg/L Si.

La EC de la solución nutriente fue de 1.2 ± 0.1 mS/cm y el pH se ajustó a 6.8 ± 0.1. Cada maceta se regó con 2 goteros autocompensantes de 4 l/h (DIG, model B221B).

Resultados

Veamos cuales han sido los resultados obtenidos por el equipo de investigación, en cada una de las variables que nos interesan: rendimiento, concentración de cannabinoides y eficiencia lumínica.

Rendimiento

A medida que el porcentaje de luz azul aumentó del 4 al 20%, el rendimiento de las flores disminuyó un 12,3%. Investigaciones sugieren que una disminución del 1% en la proporción de fotones azules aumenta el rendimiento de las flores en un 0,77%.

El índice de cosecha (Harcest index) es la relación entre la biomasa utilizable y la biomasa total, definido aquí como la relación entre la flor seca y la masa seca total aérea (flores, hojas y tallos).

Los valores típicos del índice de cosecha en los cultivos oscilan entre el 30 y el 50%. En los tres ensayos, el índice varió entre el 55 y el 65% entre los tratamientos espectrales, pero no hubo efecto de los fotones azules.

Concentración de cannabinoides

La fracción de fotones azules no tuvo efecto en la concentración final de cannabinoides. 

• En el ensayo uno, la concentración de CBDeq fue de alrededor de 7.6 ± 0.7% en la cosecha, mientras que en el ensayo tres la concentración de CBDeq aumentó a 11.8 ± 1%
• En el ensayo dos, la concentración de CBDeq subió a 11 ± 1.7% en la semana 5, pero luego bajó a 7.9 ± 0.7% en la cosecha

La proporción final de CBDeq a THCeq fue similar en todos los tratamientos y ensayos.

• En el ensayo uno, la proporción de CBDeq a THCeq subió a 34 a 1 en la cosecha, pero luego bajo a 25 a 1.
• En los ensayos dos y tres, la proporción fue aproximadamente 25 a 1 en todas las mediciones.
• La concentración de THCeq varió entre ensayos, llegando a un máximo de 0.52% 

Eficiencia

Una ventaja de las lámparas LED es su alta eficacia y, por lo tanto, sus bajos costos eléctricos (de funcionamiento) en comparación con las lámparas HPS.

A un costo de energía de $0.10 USD por kWh, utilizando las eficiencias enumeradas en la Tabla 2.2, cuesta 1.6 centavos por mol de fotones de una lámpara HPS y de 1.1 a 1.3 centavos por mol para los LED. 

Fórmula para convertir kilowatt hora a Joules

En primer lugar, calculamos la equivalencia entre kilowatt hora y Mega Joule

Kwh = KJ/s x 3.600 = 3,6 MJ

Coste de la energía

Partiendo de un precio de 0,1 dólares por kilowatt hora, obtenemos el coste por Megajoule

0,1 $ / Kwh x Kwh / 3,6 MJ = 0,028 $ / MJ

Coste por cada mol de fotones de bombilla HPS

0,028 $ / MJ x 1 J/1,7 umol = 0, 016 $ / umol

Coste por cada mol de fotones de LED blanco + rojo

0,028 $ / MJ x 1 J/2,5 umol = 0, 011 $ / umol

Eficacia de conversión de fotones

Esta medida sirve para comparar cuán eficaz es un foco en convertir los moles en peso seco de inflorescencia, algo realmente interesante!

La eficacia de conversión de fotones (photon conversion efficacy) se calcula dividiendo la tasa diaria de crecimiento de las flores (g/m²·día) por la integral lumínica diaria (DLI; mol/m²·día).

PCE = Tasa diaria crecimiento / DLI = g/mol

Esta PCE varió de 0,22 a 0,36 g por mol, según la integración de fotones desde el trasplante hasta la cosecha (Figura 2-9). Es importante incluir los fotones durante la fase vegetativa de 7 a 14 días en este análisis. En estos estudios, la PCE habría sido un 10% más alta con un espaciamiento más cercano de las macetas durante la fase vegetativa. 

La canopia se llenó (toda la cámara de 39) en todos los ensayos alrededor de la semana 3. La PCE se calcula por unidad de superficie del suelo, no por unidad de superficie de la planta. Por lo tanto, una menor densidad de plantas suele reducir la captación de fotones y la PCE 

Los valores de la Eficacia de Conversión de Fotones (PCE) facilitan el cálculo del rendimiento de flores por dólar gastado en energía eléctrica para las lámparas (Figura 2-10). El rendimiento por dólar de electricidad aumentó a medida que aumentaba la eficacia en todos los ensayos (p < 0,01): El foco de luz blanca + roja 1 (10% azul) tuvo la mayor eficacia (2,51 µmol/J) y produjo un 27% más de flores por dólar de electricidad en promedio que las HPS y un 16% más de flores por dólar que los otros LED de menor eficacia.

Discusión de los resultados

Un análisis de los resultados por rendimiento por fotón indica que una disminución del rendimiento cuántico con una fracción de fotón azul creciente explicaría el 7% de la disminución del rendimiento del 12%. Si bien no se midió el área foliar, la captura de fotones también podría haber contribuido a la reducción del rendimiento.

Los fotones del rojo lejano probablemente tuvieron una pequeña contribución a la disminución del rendimiento del 12%. Por lo tanto, cuatro respuestas fisiológicas podrían haber contribuido a la disminución del rendimiento del 12%

1. Los fotones azules tienen un rendimiento cuántico más bajo debido a la absorción de fotones por parte de pigmentos no fotosintéticos dentro de las hojas. El rendimiento cuántico se refiere a la eficiencia con la que la luz se convierte en energía utilizable por la planta durante la fotosíntesis
2.  Un aumento en la fracción de fotones azules se asocia generalmente con una disminución de la expansión foliar, lo que reduce la captura de fotones. Las hojas más pequeñas capturan menos luz para la fotosíntesis.Si bien las hojas más gruesas ocasionadas por la luz azul pueden tener tasas fotosintéticas más altas por unidad de área, la reducción general en el tamaño de la hoja probablemente supere este beneficio.
3. Los fotones rojo lejano con frecuencias entre 701 y 750 nm son fotosintéticamente activos (Zhen and Bugbee, 2020a, 2020b). 
4. Estos mismos fotones de color rojo lejano pueden incrementar el rendimiento modificando la morfologia de la planta e incrementando la captura de fotones (Meng and Runkle, 2019). 

Existe la posibilidad de que los cambios en la fracción de otras longitudes de onda hayan contribuido a los resultados. El porcentaje de azul varió del 4 al 20% (un aumento de 5 veces), el verde del 39 al 49%, el rojo del 31 al 53% y el rojo lejano del 2 al 6%. 

El cambio de los fotones azules a los rojos probablemente aumentó la fotosíntesis por fotón, pero considerando el cambio de cinco veces en la fracción de fotones azules y los efectos asociados en la morfología, es improbable que el cambio del 22% en la fracción de fotones rojos sea el factor principal subyacente a los efectos del crecimiento y el rendimiento.

Por las razones mencionadas anteriormente, es improbable que los cambios en la fracción de fotones verdes o rojos fueran los factores principales responsables de los efectos en el rendimiento. Esto coincide con estudios previos en otras especies (Son y Oh, 2015; Kang et al., 2016; Snowden et al., 2016).

Estos resultados son similares a los de Magagnini et al. (2018), quienes reportaron una disminución en el rendimiento de flores en Cannabis (en uno de dos estudios replicados) cuando la fracción de azul aumentó del 8% al 14%, pero no hubo cambios adicionales al incrementar la fracción de azul del 14% al 24%. 

Nosotros encontramos una disminución lineal en el rendimiento floral hasta llegar a una proporción de un 20% de fotones azules. Sin embargo, debemos tener en cuenta que la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) en este estudio fue del doble de intensidad que la de Magagnini et al. (2018), lo que pudo haber afectado la respuesta.

Hubo diferencias en la temperatura media diaria, y en el diferencial de temperatura máxima y mínima entre los estudios, pero el efecto de los fotones azules fue constante en todos ellos. La temperatura más baja y la menor densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) en el ensayo uno probablemente contribuyeron al menor rendimiento en comparación con los ensayos dos y tres.

La temperatura del follaje en el tratamiento HPS sin vidrio protector fue de media 0,3 grados centígrados más alta que el HPS con vidrio protector, y 0,9°C más alta que los tratamientos LED (Figura 2-11). Esto coincide con el modelo de temperatura de hoja y follaje de Nelson & Bugbee (2015). Aunque el tratamiento HPS sin vidrio solo se replicó en un estudio, el rendimiento estuvo dentro del 3% del rendimiento de los otros tres tratamientos HPS replicados.

La respuesta de las plantas a la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) no es lineal, por lo que el efecto de la intensidad se vuelve menos significativo a valores altos de PPFD. En cambio, la respuesta de las plantas a la temperatura, especialmente entre 20°C y 30°C, suele ser más importante y se espera que tenga un mayor efecto sobre la fotosíntesis. 

La temperatura óptima para la fotosíntesis varía según la especie y suele estar relacionada con su región de origen. Bazzaz et al. (1975) determinaron que el Cannabis aclimatado a temperaturas más cálidas (32°C/23°C, día/noche) tenía una tasa fotosintética más alta que las plantas aclimatadas a temperaturas más frías (23°C/16°C, día/noche).

Por lo tanto, es probable que la diferencia de rendimiento entre los ensayos se deba a las diferencias de temperatura, pero se necesita más investigación para comprender el efecto de la temperatura en el rendimiento floral del Cannabis. En cualquier caso, el efecto del espectro de luz sobre el rendimiento fue consistente entre los ensayos.

Es posible que las diferentes variedades de Cannabis respondan de manera diferente a la fracción de fotones azules, pues el efecto de la fracción de fotones azules varía entre las especies (Snowden et al. 2016)..

Aunque los parámetros de crecimiento (altura, peso fresco…) varían entre cultivares dentro de una especie, se espera que los efectos del espectro sobre estos parámetros sean pequeños. Alrededor del 7% de la reducción del 12% en el rendimiento puede explicarse por un menor YPF [Rendimiento del Fotón Usado], una respuesta que es consistente en todas las especies..

En cualquier caso, parece probado que un LED con una fracción de luz azul similar a las luces de vapor de sodio, sería más eficiente que los LEDs usados en el estudo. Quién será el primero en desarrollarlo? Ahí os dejo con la íntriga 😉

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Manel Asenjo

Director de ventas en Horticultura tècnica de l'Ebre S.L. - Ebregrow

Ingeniero técnico agrícola especializado en cáñamo y microhorticultura y técnico superior en sistemas de control automatizados.
He trabajado como redactor de contenidos en La cañameria global S.L. y Cactus Martorell Growshop. He trabajado también como comercial y asesor técnico en All2Grow y Excellent Nutrients.

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