Een van ’s werelds extreemste klimaten – Death Valley – nabootsen in een plantengroeikast, inclusief een dag- en nachtritme, om de groei- en overlevingsmechanismen van de hyperdroogte resistente ‘Arizona Honeysweet’ te kunnen ontrafelen. Zo’n kast ontwikkelen leek schier onmogelijk, maar het is gelukt. Na de Factory Acceptance Test is hij klaar om verscheept te worden van Zaltbommel naar de afdeling Plantenbiologie van het Californische Carnegie Instituut.

Vincent Hentzepeter | Fotografie: FOODnote

Bij het maken van de foto’s van de Death Valley-plantengroei- kast bij Bronson Climate was het aardig geweest de ‘Arizona Honeysweet’ (wetenschappelijke naam tidestromia oblongifolia) te laten poseren, maar die plant verkopen tuincentra niet. Dus werd hij kaal gefotografeerd. Het licht werd flink gedimd, want een lichtintensiteit van 2200 μmol per vierkante meter per seconde, gangbaar rond het middaguur in deze woestijn, is ook voor een professionele camera too much. Als de kast op het Carnegie Institute, onderdeel van de Universiteit van Californië (UCLA, nabij San Francisco) in gebruik gaat, zullen de planten blootgesteld worden aan extreme temperaturen tot dichtbij de 50 ˚C, én aan diepvrieskou tot -10 ˚C die ’s winters kan optreden. Aan extreem lage luchtvochtigheden van enkele procenten, maar ook aan bijna tropische vochtige condities die kunnen optreden na die ene sporadische bui. Zo onder stress kunnen testen vereist een plantengroeikast die alle gangbare technische grenzen op dit gebied platwalst. Het is puur maatwerk geweest, gecombineerd met technische kennis en ervaring met dit type kasten in een ‘light’ variant, waardoor een plantengroeikast als deze gebouwd kon worden. Eentje die alles in huis heeft om planten voor het eerst onder reproduceerbare condities van het ‘Death Valley-klimaat’ te kunnen onderzoeken.

Babysitten

Eerst naar het Carnegie Institute in Californië, waar ze aan den lijve ondervonden dat je met dit soort onderzoek al snel tegen de technologische grenzen aanloopt. Onderzoekster Sue Rhee vertelt in een publiek toegankelijk webinar dat ze vol goede moed van start was gegaan met haar onderzoek naar de overlevingsmechanismen van de Arizona Honeysweet, maar dat ze al snel kampte met apparatuur die uitviel. De hitte in de kasten bleek een groot probleem voor de lampen en het koelsysteem. Rhee zegt in het webinar: “We kwamen er al snel achter dat er geen klimaatkasten zijn die dit kunnen. Eén leverancier die zei dat hij het wel kon, kwam met een kamer die al na een week kapotging. We bouwden een koelsysteem dat even groot was als de kamer zelf tegen de hoge temperaturen, en toch bleef het systeem maar kapotgaan. Maar we kunnen niet gaan babysitten bij dit apparaat, we willen onderzoeken. Ik had nooit verwacht met zulke problemen te maken te krijgen bij plantenonderzoek.”

We kunnen niet gaan babysitten, we willen onderzoeken
Sue Rhee

Oogverblindend licht

De afdeling Plantenbiologie kweekt de planten op onder standaardcondities, dat is 400 micromol licht per dag bij 30 ˚C. Een maand later gaan ze over naar zomerse Death Valley-omstandigheden. Dat wil zeggen 2200 μmol (oogverblindend) licht, zoals daar midden op de dag gangbaar is bij een temperatuur van 47 ˚C. Hierover vertelt Rhee in het webinar: “We meten parameters als fotosynthese, gashuishouding, nemen monsters voor genomics, verzamelen biochemische en celbiologische data op diverse tijdstippen in het groeiseizoen in de zomer, en modelleren om de reactie van de plant te zien op verstoringen.”

Climate change

Ondanks de extreme condities doet de ‘Arizona Honeysweet’ het prima in het Death Valley-klimaat, en maakt zelfs na twee weken onder blakerende condities een ongekende groeispurt door. Een raadsel hoe dit kan, blijkt uit het webinar. “Op dit moment is totaal niet duidelijk welke plantenmechanismen dit mogelijk maken. Dat achterhalen zou waardevolle informatie bieden bij de ontwikkeling van nieuwe droogte- en hitteresistente plantensoorten voor de kweek van gewassen in woestijnachtige gebieden. Gezien de ‘climate change’ wordt dat steeds belangrijker.”

Fotosynthese optimum

Centraal in het onderzoek staat de ontwikkeling van de Arizona Honeysweet in vergelijking met die van andere hittebestendige planten. Hieronder een soortgenoot uit de regio die in een iets koeler klimaat groeit, een Indiase Amaranth-variëteit. “Die uit India kan minder goed tegen hitte”, verduidelijkt ze in haar webinar. “Je ziet dat die het niet zo lekker doet als het boven de 40 ˚C komt. De andere twee behouden bij die hitte wél hun fotosyntheseniveau. Maar dan ineens gaat de Arizona Honeysweet als een gek groeien met verhoogde fotosynthese, de andere plant doet dat niet. Hoe komt dit? We willen dit mechanisme van het fotosynthese-optimum begrijpen. Waarom zie je de ene plant bij een zekere temperatuur instorten, en doet de ander het uitstekend? Als je dit kunt achterhalen, dan zou je zo’n mechanisme in planten kunnen inbouwen.”

Een stresstest van 2 weken op volle lichtsterkte van 2500 μmol, bij 80% vochtigheid en 60 ˚C
Sue Rhee

The Beast

Dat vereist dus een plantengroeikast die onder dit soort condities betrouwbaar en reproduceerbaar functioneert. Na lang zoeken werd een fabrikant gevonden die de uitdaging aan wilde gaan, vertelt Rhee. “Dat was Bronson en we kregen groen licht van Carnegie om door hun een maatwerksysteem te laten bouwen, veel groter en veel beter voor het aansturen voor onze experimenten”. Medio november – na vele maanden van ontwerpen, bouwen, testen, aanpassen en optimaliseren – toont technicus Rob Hoogenboom trots het resultaat in de werkplaats. Het ontwerp is afgeleid van de Incrementum-serie plantengroeikasten. Die gaan qua specs al veel verder dan de gemiddelde kast in de markt, en werd daarom door het Luxembourg Institute of Science Technology gekscherend uitgeroepen tot ‘The Beast’. “En dit is dus ‘The Beast’ in het kwadraat, haha. Bij een conventionele kast is een temperatuurbereik van +5 ˚C tot +40 ˚C bij 400 micromol licht al vrij heftig. Bij het Max Planck-instituut staat onze op maat gebouwde kast tot 800 micromol, en na het opzoeken van de grenzen kwamen we op 1600 micromol. Zoiets bestond nog niet.” Belangrijk: deze kast heeft een heuse dagcyclus – dus niet 16 uur aan, 8 uur uit – en benadert het zonnestralingsspectrum. “Een dag- en zonlichtspectrum kan bijna feilloos gesimuleerd worden. Het is niet aan of uit in de natuur, je hebt ook een zonsopkomst en -ondergang. Om gewassen te onderwerpen aan stresstesten, wat in het kader van klimaatopwarming bij extreme droogte, vocht en temperaturen moet gebeuren, wil je zo realistisch mogelijk onderzoek doen.”

Leds

In dit kader hebben leds een revolutie ontketend in de lichtregeling- en lichtmogelijkheden van plantengroeikasten. Zonder leds was de bouw van een ‘Beast in het kwadraat’ onmogelijk geweest. Directeur Arno Wouters van Bronson heeft de ontwikkelingen op dit vlak snel zien gaan: “15 jaar geleden werkten de plantengroeikasten standaard op 20-22 ˚C met een lichtintensiteit van 150 micromol op basis van conventionele buizen. Met leds kan zo veel meer, zoveel plussen qua kleur en stabiliteit.” Hoogenboom knikt. “Kijk je puur naar kwaliteit van het licht, dan biedt led een veel breder spectrum en mooiere golflengtes. En led geeft 70% minder warmte af vergeleken met conventionele buizen, dus kun je meer verlichting in je kast kwijt zonder extra te hoeven koelen. In de standaardkasten in de markt kun je nu 400 micromol kwijt; genoeg voor arabidopsis [zandraket, red.] standaardonderzoek. Normale gewassen groeien al goed bij 150 μmol, mais en rijst zitten op 800 μmol en cannabiskwekerijen gaan naar 1700 μmol, dat is de lichtintensiteit op een volzomerse dag.”

Nauwkeurige regeling

Leds produceren wel warmte, en flink ook bij zulke lichtintensiteit. Dat kan gekoeld worden, maar onder hete condities getest worden de leds zelf ook heet, en daar houden ze niet van. Hoogenboom: “Ledlampen degraderen boven 40 ˚C en hun chips bij 72 ˚C, ze gaan dan sneller stuk. Bij ‘the Beast’ hebben we dat technisch opgelost met moderne elektronica met een intelligente aansturing. Die maakt het mogelijk om het temperatuurregime in klimaatkasten binnen zeer nauwe bandbreedtes te beheersen.” En stabieler te houden, voegt hij toe. “Een ‘normale’ kast stel je in op een bepaalde temperatuur. Wordt-ie te koel, dan gaat de koeling uit, tot hij weer opgewarmd is. Het is ‘aan-uit, aan-uit’; zijn de warmtebronnen en de koelcapaciteit niet in balans, dan krijg je schommelingen. De truc bij onze ‘Beast’ is dat we het koelvermogen proportioneel kunnen aansturen. Een beetje een technisch verhaal, maar we gebruiken onder andere een frequentiegestuurde compressor, zo koelen we op de warmtelast. Net koelen wat nodig is, waardoor je temperatuur heel constant blijft, en de verdamper voor het bevochtigen heel precies te beheersen is. Met de techniek en software die hier voor onze kasten is ontwikkeld, kun je je parameters heel goed regelen. Dat geeft stabiliteit en reproduceerbare resultaten.”

Extreem maatwerk

Toen de opdracht uit Californië kwam om een klimaatkast te ontwikkelen die het Death Valley-klimaat perfect kan simuleren, moest Hoogenboom wel even met zijn ogen knipperen. “We zijn best overtuigd van ons kunnen, maar hier moest wel even over nagedacht worden, gezien de extremiteiten in de intensiteit van de verlichting.” Extreme condities die extreem maatwerk vereisen. “Een echt zonlichtspectrum is niet beschikbaar in leds, dus moet je de armatuur op maat maken. Maar 2310 Watt per paneel en dat keer 4, dan moet je ook je warmte wegkoelen. Leds en hoge temperaturen gaan zoals gezegd niet goed samen, waarmee de warmteproductie van al die verlichting direct het grootste struikelblok wordt in het ontwerp. Niemand dacht dat dit kon, maar we hebben een oplossing bedacht door de verlichting watergekoeld te maken en met kwartsglas af te scheiden van het compartiment. Kwartsglas laat UV door, wat een eis was, terwijl je de armatuur door de compartimentering efficiënt kan koelen. Zo zijn we in staat de verlichting op 35 ˚C te houden, waardoor je de 50.000 branduren van een led – ruim tien jaar – kunt halen. UV-leds gaan standaard minder lang mee, maar die kunnen via een strip vrij eenvoudig gewisseld worden als ze aan vervanging toe zijn.”

Breed spectrum

De verlichting in de kast is 4-kanaals aanstuurbaar, waarbij zowel UV-B als -A én het voor de ontwikkeling van jonge planten belangrijke ver-rood inbegrepen is. “Het P.A.R.-gebied [PAR = fotosynthetisch actieve straling, red.] loopt van 400 tot 700 nm, de temperatuur van -10 tot +60 ˚C met 80% relatieve vochtigheid. Dat is in combinatie met die verlichting wel een uitdaging. Zulke hoge rv’s halen we met een speciale stoombevochtiger, want met het ultrasoon opwekken van nevel red je het boven de 40 ˚C niet meer. Verder is de kast ook CO2 en O2 gestuurd.” Droge lucht inblazen is normaliter de manier om snel de relatieve vochtigheid te verlagen, maar daarmee veranderen ook andere parameters als de temperatuur en CO2. “En stabiliteit was leading in dit design. We blazen daarom geen droge lucht in, maar hebben een cold plate ingebouwd. Als er gedroogd moet worden gaat die op -5 ˚C, dan vriest het vocht aan die plaat en zo ontvochtigen we de zaak. Bevochtigen doen we met een speciale stoomunit, want ultrasoon vocht inbrengen door het ultrasoon te laten trillen werkt niet bij temperaturen boven de 40 ˚C.”

24/7 monitoring

Uiteraard heeft de plantengroeikast een 24/7 monitoringsysteem om alle parameters continu te kunnen volgen. Ze worden gelogd op een CSV-format, waardoor de data er dagelijks uit te trekken is. En deze kast heeft de mogelijkheid een CSV-import te draaien, zodat je in één keer een programmaperiode met alle stappen per dag kunt ingeven. Zo kun je bijvoorbeeld in één run de maanden maart tot en met augustus nabootsen. Onze ‘Beast’-software, in eigen beheer ontwikkeld en gemaakt, is voor deze applicatie gemodificeerd en wordt ook door ons onderhouden.”

Factory Acceptance Test

De kast heeft een volume van zo’n 3.000 liter, opgesplitst in twee compartimenten van 1.500 liter. De verscheping naar het Carnegie Institute is voorzien voor begin 2023, als alle testen glansrijk doorstaan worden. “Spannende tijd,” zegt Hoogenboom: “Hij staat nu voor de FAT [Factory Acceptance Test, red.] op de rol, met als belangrijkste onderdeel een stresstest van 2 weken op volle lichtsterkte van 2500 μmol, bij 80% vochtigheid en 60 ˚C. Alle data worden gelogd, we brengen extra sensoren in en we zullen geregeld de lichtintensiteit valideren. We gaan ook de compartimenten onafhankelijk van elkaar laten werken, de een op een lage, de ander op een hoge temperatuur om de effecten op elkaar te zien.” Wouters besluit: “De klant gaat de specificaties beoordelen, dat gaat via Teams. Na validatie en akkoord kan hij het vliegtuig in voor verscheping naar UCLA, dat regelen we allemaal.”

klimaatkastklimaatveranderingplantengroeikast