г. Москва, Россия
"Издательский Дом "Вузовский учебник" (лаборатория исследований технологических свойств сельскохозяйственных материалов, старший научный сотрудник)
сотрудник
Москва,, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 635.563 Кресс-салат. Lepidium sativum L.
Проблема гидропонных систем закрытого типа с рециркуляцией питательных веществ – отсутствие метода обработки, обеспечивающего как удаление вредных компонентов, так и активацию полезных для растений веществ. Цель исследования – оценка влияния на салат повторно используемых гидропонных растворов, обработанных искровыми разрядами. Экспериментальную работу выполняли в 2024 году в лабораторных условиях. Было проведено два опыта с кресс-салатом в «Smart экофермах». В первом эксперименте культуру выращивали на первичном гидропонном растворе без удобрений (контроль) и вторичном после однократного выращивания и обработки искровыми разрядами с добавлением удобрений (опытный вариант). Во втором эксперименте кресс-салат выращивали на вторичном гидропонном растворе с удобрениями без какой-либо предварительной обработки (контроль) и после обработки искровыми разрядами (опытный вариант). В первом эксперименте в опытном варианте масса кресс-салата увеличилась, по сравнению с контролем, в 2 раза, что объясняется отсутствием удобрений в последнем. Во втором эксперименте преимущество опытного варианта составило 8…12%, что обусловлено положительным влиянием искровых разрядов на питательные вещества и их негативным воздействием на микрофлору гидропонного раствора. Это свидетельствует о потенциальной возможности применения искровых разрядов для обеззараживания повторно используемых гидропонных растворов вместо ультрафиолета, применяемого в последние годы при выращивании различного вида зеленных культур в тепличных хозяйствах. Преимуществом предлагаемого метода обработки служит стимулирование роста растений благодаря образованию активных форм кислорода и азота в дополнение к инактивации бактерий и грибов.
вода, искровые разряды, питательные растворы, повторное использование, салат (Lepidium sativum)
Введение. В последние годы современные тепличные хозяйства в основном используют гидропонные технологии выращивания салата [1]. Преимуществами, по сравнению с традиционными почвенными системами, выступают круглогодичное производство [2], отсутствие потребности в почве, ее подготовке, обработке, поливе, сниженный расход воды, энергосбережение [3] более четкая управляемость, контроль и обеспечение условий питания при выращивании салата [4].
Для оптимального использования воды и удобрений применяются повторные или возвратные технологии [5]. При этом обеззараживание питательных растворов либо отсутствует, либо осуществляется путем воздействия ультрафиолетом. В целом, это надежный, проверенный метод, однако он не оказывает влияние на минеральные элементы необходимо для питания растений [6]. Один из современных методов, которые находит все более широкое применение, в том числе в сельском хозяйстве – обработка воды плазмой [7, 8].
Обеззараживание питательных растворов с дополнительной активацией полезных веществ для минимизации вносимых удобрений при обработке искровыми разрядами для повторного использования в гидропонном выращивании салата, представляется актуальной темой исследования. Кроме того, отсутствуют российские и зарубежные исследования выращивания салата на повторно используемых питательных растворах в гидропонике.
Цель исследования – оценка влияния на салат повторно используемых гидропонных растворов, обработанных искровыми разрядами.
Условия, материалы и методы. Экспериментальную работу выполняли в 2024 г. в лаборатории Электро-теплотехнологий и энергосбережения ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва).
В роли тест-культуры, вида салата был выбран кресс-салат крупнолистовой, причинами выбора которого послужили раннеспелость и холодостойкость. Кресс-салат выступает неприхотливым видом зелени с высоким содержанием полезных веществ. Готовый к употреблению урожай формируется спустя 2 недели после посева.
Для гидропонноого выращивания использовали три «Smart экофермы» производства Xiaomi. Рабочая загрузка «Smart экофермы» составляет 5 л, габариты – 230 мм × 398 мм × 597 мм, количество светодиодов – 134, количество корзин с губками для посева семян – 14. Для обеспечения доступа кислорода к корням кресс-салата установлена насосная система, обеспечивающая циркуляцию воды, периодически включаемая и выключаемая посредством автоматики.
В роли исходной среды выращивания в исследованиях использовали водопроводную воду. Для питания использовали удобрения GroBro.
Первый эксперимент был выполнен по следующей схеме (рис. 1). На схеме показаны основные технологические операции, последовательность их выполнения, а также используемые материалы. Контрольный и два опытных урожая кресс-салата с одинаковой обработкой воды и идентичной дозой удобрений получили буквенно-цифровые коды соответственно К, 5СО1 и 5СО2 (К – контрольный, 5 – доза удобрений, С – сточный, О – опытный, 1 или 2 – порядковый номер образца). Опытные образцы урожая сравнивали с контрольным.
Рис. 1 – Схема первого эксперимента
Опытные образцы повторно используемой воды получали следующим образом. Чистую водопроводную воду без какой-либо дополнительной подготовки и обработки заливали в емкости двух черных «Smart экоферм» объемом по 5 л в каждую. Производили посев 15-ти семян кресс-салата в каждую из 26-ти губок, которые помещали в индивидуальные корзины. Каждая «Smart экоферма» содержала по 13 укомплектованных корзин с губками, размещенными в воде под светодиодами. В течение двух недель выращивали кресс-салат, что соответствует одному или первичному циклу выращивания. Далее воду фильтровали от посторонних примесей, в том числе от остатков корней кресс-салата. Объем полученной воды после первичного выращивания кресс-салата и фильтрации составлял около 4,5 л. До рабочего объема «Smart экофермы» доливали около 0,5 л водопроводной воды. Кроме того, добавляли 5 мл удобрений на 5 л воды в каждую из двух емкостей. Далее использованную воду с удобрениями, которую можно характеризовать как питательный раствор, обрабатывали искровыми разрядами. Затем проводили второй или вторичный цикл выращивания двух опытных образцов кресс-салата на повторно используемом питательном растворе в двух «Smart экофермах». Одновременно с этим проводили выращивание контрольного образца кресс-салата в третьей «Smart экоферме».
Для выращивания кресс-салата контрольного образца не использовали повторные питательные растворы. Была выбрана чистая водопроводная вода объемом 5 л без какой-либо электрофизической, химической или иной активации. Операции загрузки в емкость воды, посев семян и запуск оборудования были аналогичными.
Второй эксперимент был проведен по следующей схеме (рис.2).
Рис.2 – Схема второго эксперимента
Опытные и контрольный образцы формировали по схожему принципу, как и в первом эксперименте, но с некоторыми отличиями. Удобрения вносили в воду на первом этапе, перед первичным циклом выращивания кресс-салата, получая при этом первичный питательный раствор. К тому же, особенности второго эксперимента заключались в контрольном образце. В роли контрольного образца был выбран повторный питательный раствор без обработки с добавлением удобрений (5СК). Посев семян кресс-салата осуществлялся одновременно в три емкости как в первичном (5К, 5О1, 5О2), так и во вторичном (5СК, 5СО1, 5СО2) циклах выращивания.
Результаты и обсуждение. Всего на первичный и вторичный циклы выращивания первого эксперимента было затрачено 4 недели (апрель 2024 г.).
Общая масса кресс-салата контрольного образца К составляла 12 г (рис. 3), опытного образца 5СО1 – 23 г, 5СО2 – 24 г. Средняя масса кресс-салата опытных образцов была в 2 раза больше контрольного.
Рис.3 – Урожаи кресс-салата в «Smart экофермах»: слева направо К, 5СО1, 5СО2
Эффект повышения средней массы кресс-салата, в сравнении с контролем, был значительным. Причиной служит недостаточное питание растений контрольного варианта из-за отсутствия удобрений. Предположение о том, что кресс-салат при повторном выращивании на питательном растворе будет развиваться так же медленно, как и без удобрений в первичном цикле, вследствие нехватки питательных веществ, выдвинутое перед первым экспериментом, не подтвердилось.
Учитывая особенности результатов первого эксперимента, был проведен второй эксперимент. На выращивание кресс-салата в целом было затрачено 4 недели (май 2024 г.).
Рис. 4 – Урожаи кресс-салата в «Smart экофермах»:слева направо 5СО1, 5СК, 5СО2
Общая масса собранного урожая кресс-салата контрольного образца 5СК составляла 24 г, опытного образца 5СО1 – 27 г, 5СО2 – 26 г (рис. 4). Средняя масса одного растения всех трех образцов была около 0,13 г.
Был достигнут эффект повышения средней массы кресс-салата на 8,3…12,5 %, в среднем по двум опытным экофермам – на 10,4 %.
Оба эксперимента были повторены еще по 2 раза. Общая повторность экспериментов была равна трехкратной. Результаты повторных экспериментов не отличались значимо от результатов ранее проведенных. Отклонения составляли не более 5 %.
Механизм роста массы салата можно обосновать синергетическим эффектом трех основных факторов [9]. Первый – это образование соединений нитратов в обработанных искровыми разрядами питательных растворах [10]. Второй – это формирование различных активных соединений кислорода, включая перекись водорода [11]. И третьим фактором можно считать дезинфицирующий эффект искровых разрядов, обработка которыми питательных растворов снижает концентрации бактерий и грибов [12].
Относительно небольшой, но в пределах хорошей значимости, прирост урожая кресс-салата объясняется малым временем отстаивания повторного питательного раствора. В гидропонный повторный раствор вторичный посев семян кресс-салата был проведен в тот же день после окончания первичного цикла выращивания и уборки первого урожая. Бактерии и грибы не успевают появляться и размножаться в повторном гидропонном растворе. Поэтому контрольный образец необработанной воды обеспечивал хотя и не самые лучшие, как опытные образцы обработанной воды, но приемлемые условия для выращивания кресс-салата.
Выводы. Тепличные зеленные культуры вполне можно выращивать на гидропонных питательных растворах, используемых повторно. Их обработка искровыми разрядами перед посевом кресс-салата повышает зеленую массу растений, в сравнении с необработанными, на 8…12 %. Улучшенный рост растений обусловлен синергетическим эффектом факторов активации питательных растворов, связанной с образованием полезных соединений нитратов и кислорода, и их дезинфекции при обработке искровыми разрядами.
1. Ценч Ю. С., Сидоров И. В. Этапы развития технологий и технических средств для внесения удобрений и защиты растений // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2024. Т. 18 (3). С. 14–22. doihttps://doi.org/10.22314/2073-7599-2024-18-3-14-22.
2. Сравнительный анализ выращивания растения репы сорта Луна на гидропонике со светодиодным облучением и в открытом грунте / Д. А. Бурынин, С. А. Качан, А. А. Смирнов и др. // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2023. Т. 70. № 3 (52). С. 12–20.
3. Разработка энергосберегающих мероприятий для небольшого тепличного хозяйства / Р. Г. Большин, В. Ф. Сторчевой, Н. П. Кондратьева и др. // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 4 (72). С. 50–57. doihttps://doi.org/10.48012/1817-5457-2022-4-50-57.
4. Comparison of land, water, and energy requirements of lettuce grown using hydroponic vs. conventional agricultural methods / G. L. Barbosa, F. D. A. Gadelha, N. Kublik, et al. // International journal of environmental research and public health. 2015. Vol. 12. No. 6. P. 6879–6891. doihttps://doi.org/10.3390/ijerph120606879.
5. Некоторые вопросы о теплообеспеченности в системе «почва – растение – воздух» / И. И. Максимов, А. Р. Валиев, Е. П. Алексеев и др.// Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024. Т. 19. № 4 (76). С. 81–87. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2024-81-87.
6. Lee S., Lee J. Beneficial bacteria and fungi in hydroponic systems: Types and characteristics of hydroponic food production methods // Scientia horticulturae. 2015. 195. P. 206–215. doihttps://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.09.011.
7. Investigation of the yield of biologically active substances during the ultrasound and electro-discharge extraction of medicinal herbs of the foothills of the North Caucasus / A. Neftullayeva, S. Azimova, Yu. Maskurova, et al. // Potravinarstvo. 2023. Vol. 17. P. 217–230. doi:https://doi.org/10.5219/1843.
8. Влияние различных режимов обработки воды плазмой на прорастание семян Raphanus sativus L / Е. В. Морачевская, Е. С. Михалев, А. В. Камлер и др. // Проблемы агрохимии и экологии. 2024. № 3. С. 13–19. doi:https://doi.org/10.26178/AE.2024.86.44.002.
9. Plasma-activated water production and its application in agriculture / D. Guo, H. Liu, L. Zhou, et al. // Journal of the science of food and agriculture. 2021. Vol. 101. P. 4891–4899. doi:https://doi.org/10.1002/jsfa.11258.
10. Влияние электрогидравлической обработки на содержание нитратного азота в поливной воде/ А. А. Белов, А. Н. Васильев, Ю. А. Степанычев и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 3 (59). С. 54–57.
11. Белов А. А. Применение технологии холодной атмосферной плазмы для обработки атмосферных сточных вод с целью повторного использования в сельском хозяйстве // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2024. Т. 17. № 2 (81). С. 107–116. doi:https://doi.org/10.53914/issn2071-2243_2024_2_107.
12. Белов А. А. Влияние обработки искровыми разрядами на обеззараживание атмосферных сточных вод // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. № 3 (67). С. 64–67. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-64-67.
