PROCESS FOR UTILIZING THE LIGHT OF WAVELENGTHS IN THE RANGE FROM 470 TO 600 NM FOR PHOTO SYNTHESIS

Abstract: 1. A method of utilizing the wavelength range from 470 to 600 nm for plant growth and photosynthesis, with the aid of a fluorescent compound, wherein a non-ionic compound of the violanthrone or isoviolanthrone series, a boron complex of a naphtholactam derivative, or the compound of the formula see diagramm : EP0077496,P6,F2 is used as the fluorescent compound.

Description: verfahren zur Nutzbarmachung von Licht der Wellenlängen 470 bis 600 nm für die Fotosynthese Es ist bekannt, dass die Fotosynthese der grünen Pflanzen an die Anwesenheit von Chlorophyll gebunden ist und dass der Wirkungsgrad von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes abhängig ist. Diese Abhängigkeit wird durch die Absorptionsspektren der Chlorophylle a und b und der in der Pflanze vorkommenden Carotinoide bestimmt (s. z.B. A. Lehninger, Biochemie, 2. Auflage, S. 493, Verlag Chemie 1977, sowie Mohr, Schopfer, Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, 3. Auflage (1978), Springer Verlag). Das Wirkungsspektrum der Fotosynthese durchläuft im Bereich von 470 bis 600 nm ein Minimum, d.h. die Pflanze kann Licht dieser Wellenlänge nur in geringem Masse verwerten. Weiterhin werden das Pflanzenwachstum, die Keimung und Blüteninduktion durch Phytochrome beeinflusst, die ebenfalls im angegebenen Wellenlängenbereich absorbieren. Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Nutzbarmachung des Wellenlängenbereiches von 470 bis 600 nm für das Pflanzenwachstum und die Fotosynthese, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man Licht des Wellenlängenbereichs 470 bis 600 nm durch nichtionogene fluoreszierende Verbindungen in Licht des Wellenlängenbereichs 600 bis 700 nm umwandelt, bei dem Maxima der Absorption des Chlorophylls sowie von Phytochromen liegen. Als nichtionogene, fluoreszierende Verbindungen kommen solche in Betracht, die Licht im Bereich der Wellenlängen von 470 bis 600 nm absorbieren und im Bereich von 500 bis 700 nm mit guter Quantenausbeute emittieren und darüber hinaus hohe Fotostabilität besitzen. Es kann auch eine Kombination von Fluoreszenzfarbstoffen verwen det werden, wobei das Absorptions- und Fluoreszenzverhalten der Einzelkomponenten so aufeinander abgestimmt sein muss, dass ein wirkungsvoller Energietransfer vom kdrzerweflig zum längerwellig absorbierenden Farbstoff stattfinden kann. Geeignete fluoreszierende Farbstoffe finden sich in zahlreichen organischen Verbindungsklassen. Im folgenden soll eine Auswahl von brauchbaren Farbstoffklassen und Einzelfarbstoffen gegeben werden, die aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt. 1. Cumarinfarbstoffe wie sie unter anderem in den Schriften DE-OS 10 98 125, 22 53 538, 23 28 146, 24 06220, 24 13 371, 24 15 661, 26 03 592, 28 03 104, 28 07 761, 28 44 606, 29 25 546, 29 34 541, 30 Ol 877 und den US-PS 2 914 551 und 3 458 506 beschrieben sind. 2. Farbstoffe der Xanthen- und Thioxanthenreihe siehe z.B. DE-OS 26 07 966, 28 15 031 und EP 46 55 sowie die DE-PSen 12 93 364, 12 93 939, 12 97 259, 15 69 735, 15 69 761, 17 94 381, 20 08 491, 20 25 291 und 20 25 390. 3. Polycyclische Farbstoffe Darunter fallen Farbstoffe der Violanthron-, Isoviolanthron-, Pyranthron-, Flavanthron-, Perylen- und Pyrenreihe. Einzelne Farbstoffe sind beispielsweise die Verbindungen der Formeln: EMI3.1 oder EMI3.2 wobei R gegebenenfalls substituiertes Alkyl oder Aryl und n = Orbis 8 sind (vgl. DE-OS 28 51 513, 30 01 857, 30 16 764, 30 49 215, 31 33 390) 4. Naphthalimid- oder Naphtholactamfarbstoffe wie sie z.B. in den Schriften DE-OS 26 05 592, 26 o6 716, 26 11 665, 27 05 108, 30 32 546 und US 3 733 334 beschrie ben sind. 5. Anthrachinon- und Benzanthronfarbstoffe die z.B. aus den DE-OSen 21 40 153, 21 54 753, 22 14 364, 22 55 524 und 30 Ol 149 bekannt sind. 6. Polyheterocyclen Beispiele für diese Verbindungsklassen sind in den DE-OSen 25 27 288, 26 25 518, 19 20 720 und der japanischen Ver öffentlichtung 74/116 143 beschrieben, Erfindungsgemäss bevorzugt sind fluoreszierende Verbindun gen der Violanthron- und Isoviolanthron-, der Perylen und Thioxanthenreihe sowie Borkomplexe von Naphtholactam derivaten. Einzelne bevorzugte Verbindungen sind z.B. die in den Beispielen verwendeten Farbstoffe. Die fluoreszierenden Farbstoffe werden zweckmässigerweise in transparenten Materialien, z.B. Kunststoffen oder Gläsern, angewendet und müssen daher für die Einarbei tung in solche Materialien geeignet sein. Als Kunststoffe eignen sich beispielsweise Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyolefine, Polycarbonate oder Poly vinylchlorid, wobei die Kunststoffe in bekannter Weise durch Mischpolymerisation modifiziert und auch zweipha sig aufgebaut sein können. Wichtig ist nur eine ausrei chende Transparenz; weitere Eigenschaften können, wie aus der Kunststofftechnik bekannt, nach Wunsch variiert werden. 6 'F5r die erfindungsgemässe Verwendung wichtig ist eine mög lichst monomolekulare Verteilung der fluoreszierenden Verbindungen im transparenten Substrat. Die Farbstoffe sollen deshalb im Substrat eine gute Löslichkeit haben. Darüberhinaus kann die erwünschte Feinverteilung auch z.B. durch Mahlen, Kneten und Dispergieren erreicht wer den. Die zweckmässige Konzentration der fluoreszierenden Ver bindungen im Substrat hängt von den Verbindungen selbst und von der Dicke der gefärbten Schicht ab und kann durch Versuche leicht ermittelt werden. In der Regel liegt sie im Bereich von'0,001 bis 1 %. Die transparenten Substrate werden zweckmässigerweise in Form von Folien oder Platten verwendet; Stärke und son stige Eigenschaften richten sich dabei nach dem indi viduellen Verwendungszweck. Durch eine besondere Gestal tung der Substratober- und Unterfläche lässt sich der An teil des auf einer Substratseite austretenden Fluores zenzlichtes steigern und damit der Wirkungsgrad des Ver fahrens erhöhen. Gegenüber glatten, glasklaren Substra ten ergibt auch eine geringe Eintrübung eine Steigerung des austretenden Lichtanteils. Diese Eintrübung kann z.B. durch kristalline Strukturen (z.B. bei Polyole finen), verstärkende FQllstoffe (z.B. Glasfasern) oder zweiphasigen Polymeraufbau bewirkt werden. Bei zweipha sigen Polymeren kann eine Phase allein den Farbstoff enthalten. Auch sind mehrschichtige Aufbauten denkbar. Zum Schutz des farbstoffhaltigen Substrats können zusätz lich W- oder IR-absorbierendere Schichten aufgetragen werden, um die Fotostabilität der verwendeten Fluores zenzfarbstoffe zu erhöhen oder einen Kühleffekt zu be wirken. Weiterhin ist es möglich, ein System zu verwenden, in dem der Farbstoff in einer Flüssigkeit (z.B. Wasser oder organischen Lösungsmitteln, wie Glykolen, aromatischen Rohlenwasserstoffen, Chlorkohlenwasserstoffen, Estern, Ketonen oder Amiden) gelöst ist, die sich in einem Plattenoder Röhrensystem befindet. Solche Systeme haben den Vorteil, dass die Farbstofflösung leicht regeneriert und gleichzeitig zum Kühlen oder Heizen benutzt werden kann. Individuelle Verwendungszwecke sind z.B. der Bau von Ge wächshäusern oder die Folienabdeckung von landwirtschaftlichen Kulturen. Beim Bau von Gewächshäusern mit erfin dungsgemäss eingefärbten Schichten kann die Lichtsammelwirkung solcher Systeme z.B. im Sinne der DE-OS 26 20 115 auch noch zur fotoelektrischen Energiegewinnung verwendet werden. Die so gewonnene elektrische Energie kann z.B. zur zusätzlichen Beleuchtung der Pflanzen, zu Heiz- oder Kühlzwecken oder zum Betreiben einer Umlaufpumpe oder einer Bewässerungsanlage verwendet werden. Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Verfahrens können den Beispielen entnommen werden in denen sich Angaben über Teile und Prozente, sofern nicht anders vermerkt, auf das Gewicht beziehen. Beispiel 1 0,06 Teile des Farbstoffs der Formel EMI6.1 wurden auf 1000 Teile Polymethylmethacrylat-Granulat aufgepudert. Durch Spritzguss wurde aus diesem Material eine 3 mm starke Platte hergestellt und einseitig mit einer mattierten, lichtdurchlässigen Folie beklebt. Die Platte wurde dann mit Tageslicht beleuchtet und das durchgehende Licht mit einem Fluoreszenzspektrometer relativ zu einer ungefärbten aber sonst gleich behandelten Kunststoffplatte gemessen. Das Ergebnis zeigt Figur 1. Die relative Lichtintensität ist bei der ungefärbten Kunststoffplatte gleich 100 % gesetzt. Bei der gefärbten Platte zeigt sich, dass im Bereich von 470 bis 600 nm, also in dem Bereich, in dem die Pflanze das Licht nicht optimal verwerten kann, kaum Licht durch die Platte kommt, wohingegen im Bereich von 600 bis 700 nm, also im Bereich der Absorption von Chlorophyll, eine Lichtverstärkung eintritt. Beispiel 2 Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch der Farbstoff der Formel EMI7.1 verwendet. Die Messung der relativen Intensität des aus der Platte kommenden Lichtes zeigt Figur 2. Auch hier ist wieder eine Transformation des für die Pflanze ungünstigen Lichtes in den günstigen Bereich von 600 bis 700 nm festzustellen. Beispiel 3 Analog Beispiel 1 wurden 0,005 Teile des Farbstoffs der Formel EMI8.1 und O,Q3 Teile des Farbstoffs der Formel EMI8.2 in 1000 Teile Polymethylmethacrylat eingearbeitet und wie beschrieben die relative Lichtintensität gemessen (Figur 3). Beispiel 4 0,07 Teile des Farbstoffs der Formel EMI9.1 werden in 1000 Teilen Methylmethacrylat gelöst und unter Zusatz von Radikalstartern und Stabilisatoren in bekannter Weise zu einer Platte gegossen, deren Stirnseiten anschliessend verspiegelt werden. Diese Platte wird mit einer Halogenlampe bestrahlt und die Transmission über eine Ulbrichtkugel in bekannter Weise gemessen. In Figur 4 ist die Transmission dieser Platte im Vergleich zur Transmission von Chlorophyll dargestellt. Es lässt sich die Verstärkung in dem Bereich, in dem Chlorophyll absorbiert, erkennen. Beispiel 5 Es wurde analog Beispiel 1 gearbeitet, jedoch wurde der Cumarinfarbstoff der Formel EMI9.2 verwendet. Man erhält ein ähnliches Ergebnis. Beispiel 6 Folien in einer Dicke von 0,15 mm wurden aus einem Polymer gemisch folgender Zusammensetzung durch Extrudieren in bekannter Weise hergestellt: Polyvinylchlorid 100 Gew.-Teile Weichmacher (Gemisch aus Phthal- 52 Gew.-Teile säureestern und Sojabohnenöl) Stabilisator (komplexes System aus 3 Gew.-Teile Cadmium- und Bariumseifen) Farbstoff aus Beispiel 1 0,01 Gew.-Teile Uv-Ab sorber 0,2 Gew.-Teile (2-Hydroxy-4-methoxy-b enzophenon) Die so erhaltene PVC-Folie zeigt ebenso wie die in Beispiel 1 beschriebene Platte eine Verstärkung des Lichts im Absorptionsmaximum des Chlorophylls. Der Verstärkungseffekt kann durch einseitiges Aufrauhen der Folie noch weiter vergrössert werden. Analog Beispiel 1 oder 6 können auch Platten oder Folien unter Verwendung folgender Farbstoffe und Polymeren hergestellt werden: EMI11.1 <tb> <SEP> Lichtver <tb> Bsp. <SEP> Farbstoff <SEP> Polymer <SEP> stärkung <tb> <SEP> bei <SEP> 650 <SEP> nm <tb> <SEP> 7 <SEP> t <SEP> O <SEP> 80 <SEP> % <SEP> Polymethyl <tb> <SEP> T <SEP> t <SEP> methacrylat <tb> <SEP> 0 <SEP> zu <SEP> SO <SEP> 1,7 <tb> <SEP> C11H230SO <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Polybutyl <tb> <SEP> C11H23 <SEP> ss <SEP> SO, <SEP> 9 <SEP> methacrylat <tb> <SEP> (F?lie) <tb> <SEP> 8 <SEP> Polymethacrylat <tb> <SEP> CH <SEP> COO <SEP> OOCCH, <SEP> (Platte) <SEP> 1 > 4 <tb> <SEP> X <SEP> -CH <tb> <SEP> N-CH <tb> <SEP> CH3 <tb> <SEP> 3 <tb> <SEP> 9 <SEP> Farbstoff <SEP> Bsp. <SEP> 1 <SEP> Polycarbonat <SEP> 1,8 <tb> <SEP> (Platte) <tb> <SEP> 10 <SEP> n <SEP> 80 <SEP> % <SEP> Polyethylen <tb> <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Polybutyl- <SEP> 1,7 <tb> <SEP> methacrylat <SEP> (Folie <tb> <SEP> CH <tb> <SEP> 11 <SEP> 16 <SEP> 5 <SEP> Polycarbonat <SEP> 1,4 <tb> <SEP> Q <SEP> C4H9 <tb> <SEP> J <tb> EMI12.1 <tb> <SEP> Lichtver <tb> Bsp. <SEP> Farbstoff <SEP> Polymer <SEP> stärkung <tb> <SEP> bei <SEP> 650 <SEP> nm <tb> <SEP> . <SEP> . <SEP> ¯ <tb> <SEP> 12 <SEP> g <SEP> S <SEP> Polymethyl- <SEP> 1,5 <tb> <SEP> 0: <SEP> methacrylat <tb> <SEP> wv <tb> <SEP> 0 <tb> <SEP> 13 <SEP> <SEP> a <SEP> C6H <SEP> Polymethyl- <SEP> 1 > 4 <tb> <SEP> 6H5 <SEP> methacrylat <tb> <SEP> C6H5 <SEP> O <tb> Beispiel 14 Eine Polymethylmethacrylatplatte, hergestellt nach Beispiel 1, wurde mit einer Tageslichtlampe senkrecht zur Plattenebene bestrahlt. Die Winkelabhängigkeit des Fluoreszenzlichtes bei 630 nm untersuchte man mit einem Goniometer-Fotometer, das mit einem Interferenzfllter ausgestattet war. Die räumliche Integration ergab für Proben verschiedener Oberflächengestaltung folgende relative Intensitäten: relative Lichtintensität 1. Platte mit glatten Flächen 1,00 2. Platte mit mattierter Polyester klebefolie (auf der Eintrahlseite) 1,30 3. Platte dito (auf der Ausstrahlseite) 1,39 4. Platte auf beiden Seiten mit mattierter Polyesterklebefolie versehen 1,59

Claims: PatentansprUche 1. Verfahren zur Nutzbarmachung des Wellenlängenbereichs von 470 bis 600 nm für das Pflanzenwachstum und die Fotosynthese, dadurch gekennzeichnet, dass man Licht des Wellenlängenbereichs 470 bis 600 nm durch nichtionogene fluoreszierende Verbindungen in Licht des Wellenlängen bereichs 600 bis 700 nm umwandelt, bei dem Maxima der Absorption des Chlorophylls sowie von Phytochromen liegen. 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als nichtionogene fluoreszierende Verbindun gen solche der Violanthron-, Isoviolanthron-, Pery len- oder Thioxanthenreihe oder Borkomplexe von Naphtholactamderivaten verwendet. 3. Verfahren gemäss Anspruch l oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass man die nichtionogenen fluoreszieren den Verbindungen eingearbeitet in transparenten Kunststoffen verwendet. Zeichn.

Inventors: BREUER, HANS, DR., SEYBOLD, GUENTHER, DR., WITTWER, VOLKER, DR.
Applicants: BASF AKTIENGESELLSCHAFT, FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Application year: 1982
Main classification: A01G7
IPC codes: C09B57, C08K5, C09K11, C09B5, A01G7, C09B3, A01G9