보고서 정보
주관연구기관 |
국립농업과학원 National Institute of Agricultural Sciences |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2014-01 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 |
TRKO201400011361 |
과제고유번호 |
1395021794 |
사업명 |
국책기술개발 |
DB 구축일자 |
2014-06-28
|
DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201400011361 |
초록
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Ⅳ. 연구개발결과
제 1세부과제 : 광질 제어에 의한 기능성 물질의 생리적 특성 연구
1. 단일 및 혼합광질 제어에 따른 식물체 생장 및 물질생산 연구
○ 적색 광질이 케일의 생장에 미치는 영향
케일의 생체중(단가 책정 기준)은 자연광< R10< R50< R100순으로 나타났으며, 자연광구대비 적색 LED 100 lux 조사구에서 약 92% 증가하였다. 적색 LED 10 lux 조사구에서 약 36% 증가하는 것으로 나타났다. 엽장 및 엽폭은 자연광구 대비 적색 LED 100 lux 조사구에서 약 32% 및 28
Ⅳ. 연구개발결과
제 1세부과제 : 광질 제어에 의한 기능성 물질의 생리적 특성 연구
1. 단일 및 혼합광질 제어에 따른 식물체 생장 및 물질생산 연구
○ 적색 광질이 케일의 생장에 미치는 영향
케일의 생체중(단가 책정 기준)은 자연광< R10< R50< R100순으로 나타났으며, 자연광구대비 적색 LED 100 lux 조사구에서 약 92% 증가하였다. 적색 LED 10 lux 조사구에서 약 36% 증가하는 것으로 나타났다. 엽장 및 엽폭은 자연광구 대비 적색 LED 100 lux 조사구에서 약 32% 및 28% 증가하였다.
○ 광질이 무순, 알팔파 생육과 물질 생산에 미치는 영향
생체중은 무순에서 대조구인 형광등구 대비 녹색광 조사구에서 약 10% 증가하였으며 알팔파의 경우에는 청, 적+청 조사구에서 생체중이 감소되는 경향을 나타내었다. 플라보노이드 함량은 무순과 알팔파가 적+청 조사구에서 형광등 조사구 대비 각각 32%, 64% 증가하였다. 무순의 총 페놀 함량은 청색 및 적+청 혼합광질에서 증가하였다.
2. 물질합성을 위한 단일 및 혼합광질 효과 및 적정 광 강도 구명
○ 적색 LED 보광이 온실재배 케일 생장에 미치는 영향
생체중과 건물중은 자연광구인 NL구에 비해 3W, Na, 및 630-100에서 각각 1.5배, 1.7배 증가하였고, 엽장은 3W 및 Na에서 자연광구인 NL구에 비해 1.2배 증가하였다. 적색광보광으로 개화 및 추대 지연되어 잎 수확시기 연장 및 상품성 향상 되었다.
○ 무순 및 알팔파 생장 및 물질 합성에 미치는 광질 및 광 조사시간 구명
무순의 베타카로틴 함량은 GR구에서 대조구에 비해 약 51% 증가하였고, 당 함량은 R구에서 대조구에 비해 약 61% 증가하였다. 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 단일 및 혼합 광질의 영향은 뚜렷하지 않았다. 연속조사보다 간헐조사 시에 생체중이 감소하는 경향이었다. 알팔파의 생장은 청+적+녹의 3파장 혼합광질의 16 h 연속조사 및 간헐조사에서 형태적인 차이는 관찰되지 않았으나, 생체중 증가에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3. 광질 및 광강도 제어에 의한 식물체내 합성 유용물질 생산기술 확립
○ 인공광형 식물공장내 케일 생장 및 물질 합성에 미치는 광질 및 광 강도의 영향
생체중은 형광등 조사구를 제외한 처리구에서 광강도 100 μmol.m-2.s-1의 혼합 LED 조사구에서 증가, 50 μmol.m-2.s-1 적색광 조사구에서 최소, BWH구의 생체중은 RL 구에 비해 약 63%, FLL구에 비해 약 18% 증가하였다. RL구에서 엽장은 FLH 및 BRWH구에 비해 약 134% 및 110% 증가하였다.
○ 자연광형 식물공장내 케일의 보광 강도 및 적색 파장역 구명
생체중은 삼파장등과 나트륨등 보광구인 3W구, NA구 및 보광강도 1.2 μmol.m-2.s-1 630 nm 적색 LED 보광구인 630H구에서 증가하였으며, 3W구, NA구 및 630H구의 생체중은 자연광구인 NL구 대비 41% 이상 증가하였다. 적색 LED 파장별 생체중 증가는 660 nm 대비 630 nm 파장역에서 생체중이 증가하여 660H구 대비 630H구의 생체중은 약 8% 증가하는 것으로 나타났으며, 1.2 μmol.m-2.s-1 660 nm 적색 LED 보광구인 660H구의 생체중은 NL구 대비 약 36% 증가하였다
제 2세부과제 : LED를 이용한 광환경 제어시스템 개발
1. 시험용 및 실증용 광 환경 제어시스템 제작
○ 단색광/혼합광/UV광에 따른 LED 광원 모듈 개발
- 단색광/혼합광/UV광에 따른 LED 광원 제작
○ Test-Bed 개발
○ 광원종류별 유효파장 및 강도, 조사주기 데이터 선발
2. 광환경 자동 제어시스템의 모니터링 시스템 보완 및 구조 개선
○ 단색광/혼합광을 구현할 수 있는 고정형 LED 광원모듈 개발
○ 단색광/혼합광을 구현할 수 있는 분리형 LED 광원모듈 개발
○ 광질 제어 프로그램 알고리즘 및 모니터링 시스템 개발
○ LED 광환경 제어 시스템 제작
3. 광환경 시스템에 의한 단색광/혼합광의 광 특성에 대한 데이터 베이스 구축
○ 실증용 LED 광원 시스템 제작
○ 실증용 LED 조명 제어시스템 제작
○ 실증용 LED 조명 제어시스템 제작
○ 실증용 광환경 자동이송시스템 설계 및 제작
○ 실증용 LED 조명 자동이송시스템 농가 배치 시험
Abstract
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This study consists of 2 parts of research. The one is investigated the physiological characteristics of functional materials by controlled light quality, and another is developing of LED light environment control system
1. A study on the physiological characteristics of functional materials by c
This study consists of 2 parts of research. The one is investigated the physiological characteristics of functional materials by controlled light quality, and another is developing of LED light environment control system
1. A study on the physiological characteristics of functional materials by controlled light quality
For commercial production of greenhouse crops, supplementary radiation has been usually achieved by the artificial light sources with higher electric consumption such as high-pressure sodium, metal halide, and incandescent lamps applying for day-length elongation during a short day-length condition. Light-Emitting Diodes (LEDs), however, have been considered as a novel light source for plant production in vitro and/or ex vitro conditions from the points of several characteristics including lower electric cost, longer lamp life, or controlled spectral wavelength. Effects of supplementary lighting provided by red LEDs on growth and development of Kale (Brassica oleracea L.) seedlings were mentioned under greenhouse conditions in this study.
Supplementary lighting was maintained for 6 hrs per day at sunrise and sunset. Photosynthetic photon flux (PPF) of supplementary red LEDs (peak at 630 nm) on the plant canopy was maintained at 0.1, 0.6, and 1.2 μmol·m-2·s-1 PPF in each treatment. Fresh weight was increased above 30% and 90% in the supplementary red treatment of 0.1 and 1.2 μmol·m-2·s-1 compared to natural light, respectively. Single leaf length of Kale seedlings was significantly longer under the red 1.2 μmol·m-2·s-1 treatment. Sugar synthesis in the leaves was significantly promoted under the red radiation treatment of 0.6 or 1.2 μmol·m-2·s-1. From the results, the secondary metabolism and quantitative growth of the seedlings can be controlled by supplementary radiation using red LEDs.
In this study, effects of light qualities provided by LEDs was also investigated on growth and secondary metabolism of radish (Raphanus sativus L.) and alfalfa (Medicago sativa L.) sprout seedlings. The sprout seeds germinated on fiber mat were cultured under LEDs chamber controlled at 25°C air temperature and 50% relative humidity for 7 days. Monochromic and mixture LEDs of blue, red and green were used as light sources. Fluorescent lamps were considered as a control. Light intensity in all the treatments was controlled at 12 μmol·m-2·s-1 (1,000 lux) during the culture period. Shoot elongation of the sprouts was promoted by monochromic green and inhibited by the mixture radiation of blue and red LEDs. There was no significant differences in fry weight increasing under mixture radiation of blue and red compared to other light treatments. In alfalfa sprouts, phenol synthesis was inhibited by monochromic red light, and the blue plus red light stimulated sugar synthesis. This means that the secondary metabolism of the sprouts can be controlled by monochromic or mixture radiation using LEDs although effect on quantitative growth such as a fresh and dry weight increment is not significant difference compared to the control.
From the above studies, it was shown that shoot growth and metabolism of the leafy kale, radish and alfalfa sprout seedlings could be significantly influenced by the light intensities and qualities provided by LEDs considered as light sources with a lower electric cost for plant production compared to the conventional fluorescent lamps.
2. A study on the development of LED light environment control system
In this study, the utilization and light characteristics of light control system (LCS) using light-emitting diode (LED) which was developed for plant production inside plant factory system were experimentally investigated. Characteristics of the monochromatic red (R), blue (B), green (G), and white (W) lights and mixed lights of blue, red, or green LED were studied by spectrometer-MMS1 and illuminometer.
In our LCS, power consumption of each LED was 1W, and the each LED has five wavelength bands. Light intensity, and lighting type of continuity or intermittence can be controlled at 10∼100% required for plant growth and development can be also achieved by the LCS.
As a result, the wavelength and the spectrum distribution of each LED increase with increasing light intensity. It was found that illumination of each monochromatic and B-R LED increases linearly with increasing light intensity. And it is confirmed that the illumination intensity of R-B light a larger increases than monochromatic light at the same conditions.
Utilization of the LCS in a plant factory system was suggested by the experimental results of promoted growth and metabolism in several plant species. There was no significant difference in fresh weight of Radish sprouts cultured under BR mixture or the conventional fluorescent lighting condition. However, the mixture-light quality provided by the LCS gave the higher phenol contents in the plants.
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 요약문 ... 3
- SUMMARY ... 7
- 목차 ... 9
- 제 1 장 서 론 ... 10
- 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 11
- 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 12
- 제 1 절 광질 제어에 의한 기능성물질의 생리적 특성 연구 ... 12
- 1. 단일 및 혼합광질 제어에 따른 식물체 생장 및 물질생산 연구 ... 12
- 2. 물질합성을 위한 단일 및 혼합광질 효과 및 적정 광 강도 구명 ... 15
- 3. 광질 및 광강도 제어에 의한 식물체내 합성 유용물질 생산기술 확립 ... 26
- 제 2 절 LED를 이용한 광환경 제어시스템 개발 ... 39
- 1. 시험용 및 실증용 광 환경 제어시스템 제작 ... 39
- 2. 광환경 자동 제어시스템의 모니터링 시스템 보완 및 구조개선 ... 43
- 3. 광환경 시스템에 의한 단색광/혼합광의 광 특성에 대한 데이터 베이스 구축 ... 62
- 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 67
- 제 1 절 목표대비 달성도 ... 67
- 제 2 절 정량적 성과 ... 69
- 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 74
- 가. 학술 발표 및 논문게재 ... 74
- 나. 유전자 발현 정보 등록 ... 74
- 다. 산업 재산권 ... 74
- 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 74
- 제 7 장 기타 중요 변동사항 ... 75
- 제 8 장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구장비 현황 ... 76
- 제 9 장 참고문헌 ... 77
- 끝페이지 ... 80
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