Разработка методики выращивания безвирусного картофеля в условиях аэропонной установки и ее использование для формирования биотехнологических компетенций у учащихся сельской школы

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка методики выращивания безвирусного картофеля в условиях аэропонной установки и ее использование для формирования биотехнологических компетенций у учащихся сельской школы

Власова Н.В. 1Вязова Е.Ю. 1Подберезная В.А. 1Власова Л.В. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Баганская средняя общеобразовательная школа №1
Петрушкевич Н.В. 1Таранченко Р.Е. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Баганская средняя общеобразовательная школа №1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность

Картофель – одна из основных сельскохозяйственных культур, требующая при возделывании значительных затрат на проведение агротехнических мероприятий, а также на поддержание качества семенного материала. Возделывание картофеля сопряжено с высоким риском поражения болезнями. Потери от вирусных и бактериальных болезней могут составлять от нескольких процентов до полной гибели всего урожая. Степень зараженности зависит от соблюдения многих мероприятий и многих факторов, таких как сорт растения, вид вируса. [1]

В Российской Федерации в последнее время семеноводству картофеля уделяется повышенное внимание. В настоящее время на первый план выходят инновационные технологии получения мини–клубней картофеля, позволяющие максимально ускорить процесс получения семяни делают его устойчивым к болезням, вредителям и вирусам.[2].

Оздоровление семенного материала картофеля биотехнологическими методами является важным этапом семеноводства. При получении мини–клубней в условиях теплиц велика вероятность вторичного их заражения, а коэффициент размножения недостаточно высокий.

Аэропонный метод получения мини–клубней является альтернативным традиционному и позволяет максимально ускорить процесс получения семян, но процедура выращивания и эффективность метода остаются спорной.[3]

Для практической реализации задач и стратегических направлений была разработана методика выращивания безвирусного картофеля в безсубстратной среде аэропонной установке, которая прошла успешную апробацию за период с марта по 30 апреля 2020 г.

Цель, задачи, новизна и уникальность методики

Цель методики:

Целью исследований является создание эффективной методики получения мини–клубней наиболее распространённых сортов картофеля при выращивании их аэропонным способом.

2.2. Задачи:

1. Получение микроклубней безвирусного картофеля в аэропонной установке.

2. Сравнение по сортам и выявление наиболее урожайного сорта картофеля.

3. Расчет рентабельности выращивания.

4. Создание методических рекомендаций по выращиванию клубней в аэропонной установке.

5. Использование возможностей исследовательской лаборатории для развития биотехнологического образования в муниципальном районе и регионе.

2.3. Новизна и уникальность методики.

1. Данная методика впервые применяется в образовательной программе школы на уровне не только района, но и региона.

2. Методика используется как профессиональный навигатор для обучающихся при выборе специальностей биотехнологических направлений.

3. Методика служит платформой для развития проектно-исследовательской деятельности, развития компетенций softskillsandhardskils.

4.Методика содействует распространению аэропоники в получении качественных семян  для производства картофеля в районе и регионе.

5.Отработка методики по производству высоких урожаев картофеля (до 10 раз выше),осуществляется более быстро, и с меньшей стоимостью, чем традиционные методы выращивания.

3. Материал и метод

3.1.Аэропонная установка OverGrower.

Аэропонная установка OverGrower представляет собой автоматический прибор, конструктивно выполненный по модульной схеме. В состав установки входят следующие блоки:

3.1.1. Головное устройство с сенсорным экраном

Головное устройство OverGrower корректирует параметры роста, формируя оптимальные условия для наилучшего роста и развития растения. Благодаря не сложному интерфейсу можно с легко и быстро корректировать условия роста растений. Также пользователь может создать свой профиль выращивания, если выращиваемая культура отсутствует в базе данных.

3.1.2. Блок регуляции роста и развития растений

 Блок розеток, состоит из 10 гнезд, которые управляются головным устройством, автоматически включаются и обесточиваются от цепи электропитания, обеспечивая таким образом включение и выключение, по мере надобности, любого компонента установки обеспечивающего поддержание микроклимата и орошения.

 Блок микроклимата отвечает за постоянство заданной температуры и влажности. Состоит из кондиционера и увлажнителя воздуха.

 Блок питания состоит из источника бесперебойного питания, который отвечает за работу аэропонной установки в случае отключение электроэнергии.

 Блок датчиков состоит из датчика измерения кислотности pH, датчика измерения минерализации TDS, а также датчика температуры и влажности воздуха.

В процессе выращивания, в зависимости от стадии роста такие параметры, как количество и состав микроэлементов, температура окружающей среды и концентрация СО2 в воздухе, меняются. В то время как кислотно-щелочной баланс, температура воды, уровень влажности и уровень воды, должны быть стабильны. Управление гидропонной установкой и контроль параметров осуществляется:

 С помощью сенсорного экрана на головном устройстве;

 Через WEB-интерфейс, при подключении OverGrower к сети интернет по кабелю или wi-fi.

3.2. Описание используемых сортов растений. [5]

Использовались микрорастения сорта Импала и Розара. Данные сорта выращивались учебно-опытной бригадой в открытом грунте на полевом участке площадью 4,2 сотки. Другие сорта картофеля - Красавчик, Невский, Кузнечанка, Виктория, Романо, Скарлет заняли площадь 1,5 га.

3.2.1. Картофель Импала считают раннеспелым. Он относится к столовым сортамПолностью созревает картофель через 60 или максимум 75 суток после посадки, но огородники говорят, что первый картофель можно выкапывать из-под кустов и есть уже с 45 дня от посадки, а то и с 40.

Описание сорта Импала.

До 75 см вырастают картофельные кусты. Они густые, на 4 или 5 стеблях множество средней листвы. Она насыщенная зелёная. По краям листики немного волнистые. В соцветиях белого тона цветы, у которых жёлтая серединка. Картофель овальный с мелкими глазками. Они лишь немного углублены в овощ, у которого светлая жёлтая и гладкая на ощупь кожица. 1 овощ весит от 120 до 160 г, но встречаются и более мелкие или крупные экземпляры. Импала относится к среднеранним сортам. Считается, что овощи полностью созревают с 60 по 75 день после того, как взойдут картофельные ростки.

Урожайность, вкусовые качества

Картофель сорта импала выращивали на 1 сотке, собрали 86 кг, урожайность составила 7,25 т/г. Кожура у корнеплодов плотная. Импала отлично растёт на любых почвах. При термической обработке рассыпчатость у картофеля малая.

3.2.2. Картофель Розара – ранний высокоурожайный картофель с отличными вкусовыми качествами, устойчивый к болезням. Принят Госреестром в 1996 году, оригинаторами выступили немецкое предприятие SaKaPflanzenzuchtGbR, ряд отечественных семеноводческих фирм и аграрных институтов.

Описание сорта картофеля Розара.

Выращивали в открытом грунте. Розара формирует среднераскидистый куст с розово-фиолетовыми цветками. Продолговато-овальные клубни Розары покрыты гладкой красной кожурой. Оттенок может меняться в зависимости от состава грунта. На поверхности находятся несколько мелких неглубоких глазков, что является особенностью сортов столового назначения. Мякоть плотная, желтая.


Урожайность

Сорт Розара дружно формирует клубни примерно через 45 дней после появления полных всходов. Выращивали на 3 сотках. Собрали 260 кг, урожайность составила 7,53т/га.

Достоинства сорта Розара - раннее созревание, высокая урожайность, отличный вкус, одномерные красивые клубни, возможность получения хорошего урожая в зонах рискованного земледелия, устойчивость к основным болезням культуры.

Недостатки сорта Розара - клубни плохо хранятся зимой; картофель поражается колорадским жуком; все ранние сорта, включая Розару, не предназначены для длительного хранения.

Процесс выращивания

Получение микрорастений

Растения предоставил Алтайский государственный аграрный университет. Всё начинается в лабораторных условиях. Здесь вводят в культуру in-vitro оздоравливаемые сорта картофеля. Сперва в полностью стерильных условиях отбирают группу активно делящихся клеток – меристему. Их берут из «материнского растения» - картофельного клубня, сорт которого хорошо себя показал в сибирских условиях.  Эти клетки собирают, высаживают в специальную питательную среду – и процесс запущен. В состав этой среды входят необходимые для размножения клеток химические элементы и удобрения: сахароза, специальные соли, хелат железа, витамины группы «В» и многое другое. А кислотную среду поддерживают на уровне не более 5.7 единиц, иначе материал погибнет. Так агрономы вычленяют здоровые части растения, идентичные исходному. Только они подходят для последующего вегетативного размножения. И во многом это похоже на клонирование. Выросшие из меристемы растения проверяют на вирусы. Для этого существует метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) - он позволяет много раз копировать определённый участок ДНК растения при помощи ферментов в искусственных условиях. Этот способ появился ещё в прошлом веке и помог людям вылечить многие растения. Потом подходящий, здоровый материал разделяют на отдельные черенки в стерильных условия ламинар-боксов. Черенки выращиваются в пробирках с питательной средой при специальном освещении на стеллажах.

Микрорастения, предназначенные для клональногомикроразмножения, должны быть зеленой окраски с хорошо развитой корневойсистемой и листовым аппаратом, с числом междоузлий не менее четырех. Черенки помещали в питательную смесь и через 4-7 дней получали самостоятельные микрорастения с корешками.

Для высадки микрорастений готовили питательный раствор.

Состав питательного раствора:

Агар-агар 4000мг

Удобрения:

Аммиачная селитра 825мг

Калиевая селитра 950 мг

Кальциевая селитра 220 мг

Витамины:

Мезоинозит 50мг

Теридлксин(В6) 0,5 мг

Тианин(В1) 0,8мг

Аскорбиновая кислота 1,5 мг

Соли

Кальций хлористый 220мг

Магний сернокислый 185мг

Калий фосфорнокислый 85мг

Железо сернокислое 14 мг

Марганец сернокислый 11мг

Цинк сернокислый 4 мг

Калий йодистый 0,4 мг

Медь сернокислая 00,2 мг

Молочный белок 20 мг

Растительный гормон 0,1 мг

Стимулятор роста корней 1 мг

Сахар 15000 мг

Залить 1л воды и кипятить в течении 5 минут.

Разлить по пробиркам и дождаться полного остывания, затем в питательную среду помещали черенки микрорастений.

Высадка микрорастений.

В аэропонную установку высадили микрорастения картофеля. Предварительно микрорастения находились в питательной среде в пробирках. Высота растений была 8-12 см, количество листочков 6-8.

Микрорастения аккуратно доставали пинцетом из питательной смеси через 4-7 дней, промывали корешки и высаживали в аэропонную установку, зафиксировав мягкими воротничками.

Фазы выращивания

Для роста и развития растений было установлено 7 фаз роста со следующими показателями:

Процесс выращивания занял 73 дня и включал 7 фаз.

1фаза выращивания

Продолжительность 6 дней

Показатель pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 950-1200 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom– 7мг/ 10л, floraмикро– 7мг/10л,floradro– 7мг/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 5.00 – 23.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 22-240С

ночь – 16-180С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

2 фаза выращивания

Продолжительность 21 день

ПоказательpH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 950-1200 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom – 10/10л, floraмикро – 10/10л, floradro – 10/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 5.00 – 23.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 22-240С

ночь – 16-180С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

Плавное изменение режима дня

3 фаза выращивания

Продолжительность 10 дней

Установка pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 950-1200 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom– 10/10л, , floraмикро– 10/10л.floradro–0/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 7.00 – 19.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 18-200С

ночь – 14-160С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

Плавная смена режима дня.

4 фаза выращивания

Продолжительность 4дня

Установка pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 800-950 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom – 10/10л, floraмикро – 10/10л,floradro – 10/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 8.00 – 18.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 18-200С

ночь – 14-160С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

5 фаза выращивания

Продолжительность 14 дней

Установка pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 650-800 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom– 10/10л,floraмикро– 10/10л,floradro – 10/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 8.00 – 18.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 18-200С

ночь – 14-160С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

Плавная смена режима дня.

6 фаза выращивания

Продолжительность 14 дней

Установка pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 650-800 ppm

Внесение питательных смесей:

florabloom– 10/10л, floraмикро– 10/10л, floradro – 10/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 9.00 – 18.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 18-200С

ночь – 14-160С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

Плавная смена режима дня.

7 фаза выращивания

Продолжительность 4 дня

Установка pH – 5,7 – 6,7

Установка удобрений – 550-650ppm

Внесение питательных смесей

florabloom– 10/10л, floraмикро– 10/10л,floradro – 10/10л

Температура воды – 16-18 0С

Режим дня – 10.00 – 16.00

Влажность – 60-70%

Температура воздуха – день - 18-200С

ночь – 14-160С

Содержание СО2 – 600-1300 ppm

Процесс роста растений картофеля

1 фаза выращивания

Продолжительность 6 дней

Высаженные растения испытывают стресс,

Активного роста не наблюдается первые 3-5 дней.

2 фаза выращивания

Продолжительность 21 день

Растения начинают активный рост корневой системы и вегетативной массы.

Увеличение корневой системы, количества и площади листьев, высоты растения в несколько раз.

3 фаза выращивания

Продолжительность 10 дней

Происходит кратковременное снижение азота и азотосодержащих соединений (аммиачный азот, нитрат азота) на 75%, что способствует замедлению роста растений, создавая стресс для начала бутонизации и стимулирует появление микроклубней.

4 фаза выращивания

Продолжительность 4дня

Рост как вегетативной массы так и корневой системы практически останавливается. Начинается бутонизация и цветение

5 фаза выращивания

Продолжительность 14 дней

Появление и рост микроклубней

6 фаза выращивания

Продолжительность 14 дней

рост микроклубней

7 фаза выращивания

Продолжительность 4 дня

Начало увядания вегетативной массы и прекращение роста микроклубней.

5. Результаты возникновения стрессовых ситуаций

Данные стрессовые ситуации привели к гибели 30% высаженных растений.

К образованию надземных столонов и надземных зелёных клубней.

Снижению урожайности в целом у растений или полное отсутствие подземных клубней у 10% растений.

В связи со сбоем подачи минеральных удобрений происходило видоизменение листьев по цвету и форме.

6. Результаты использование методики по получению мини–клубней из микрорастений в аэропонной установке.

Сбор мини–клубней начинали в начале третьего вегетационного месяца, далее сбор проводили регулярно, примерно каждые 10 дней.

Средний размер мини–клубней составлял 25-30 мм или в среднем около 25-30 .

У всех клубней отсутствовало повреждение болезнями.

Количество клубней собранных с 15 кустов Розары был 97 клубней, общим весом 1170г.

Количество собранных клубней с 10 кустов Импалы составил 118, общим весом 377г.

Средние показатели урожайности по сортам Розара и Импала.

Название сорта

Количество кустов

Общее количество

клубней

Общий вес клубней

Среднее количество клубней с куста

Средний вес клубней с куста

Розара

15шт.

97шт.

1170гр.

6,5шт.

12,06гр.

Импала

10шт.

118шт.

377гр.

11,8шт.

3,2 гр.

В первой фазе интенсивное развитие корневой системы и зеленой массы не наблюдалось После высадки микрорастений в аэропонную установку на первой фазе растения испытывали стресс в результате отключения электричества и как следствие отсутствие орошения. Данные ситуации в осенний период в сентябре-октябре наблюдались почти ежедневно в утренние и вечерние часы. Для спасения растений орошение проводили вручную или подключали дизельный генератор.

Активный рост корней и вегетативный рост начался в середине второй фазы.

Наибольшая площадь зеленой массы наблюдалась у сорта импала.

Наибольшее количество листьев прерывисто-непарноперисто рассеченных у сорта Импала-78. Наименьшее число листьев у сорта Импала 55.

Наибольшее количество листьев у сорта Розара-67. Наименьшее число листьев у сорта Розара -38.

Рост побегов у сортов происходил неравномерно, но в фазу бутонизации максимальная высота побегов составила в среднем 38 см и достоверно не различалась.

Количество побегов на первых этапах росло медленно, составляя менее 2 побегов на растение в первое измерение и от 2 до 4 побегов на растение во второе измерение, но к периоду бутонизации максимальное количество побегов сформировали сорт Импала– 6 шт., сорт Розара –5шт.

Высота побегов растений картофеля у Импалы достигала 75 см, у Розары 65см.

Фаза бутонизации наступила быстрее у сорта Розары через 45 дней, у Импалы через 50 дней.

Фаза цветения началось у Розары через 3 дня после бутонизации, у Импалы через 6 дней после бутонизации.

При цветении Импалы цветки имели белый цвет. Цветки у Розары розовато-сиреневые.

Фаза увядания сначала началась у Розары на 75 день, у Импалы на 85 день.

Основные показатели урожайности микро-клубней у различных сортов картофеля в аэропонной установке.

Сорто-образец

Средний диаметр клубня,

Мм

Средняя масса1 клубня,

Гр

Количество клубней с 1растения,

Шт

Урожайность клубней с 1расстения

гр.

Среднее количество междоузлий на одном клубне,

Шт.

Розара

2,2

12,1

6,5

75

5,9

Импала

1,2

3,2

11.8

37.7

4,9

Экономическая эффективность получения микро-клубней картофеля в аэропонной установке:

Показатель

Значение

Урожайность, шт.

215

Прямые затраты, руб.

10858,77 руб.

Прочие затраты, руб.

5600 руб.

Расчетная себестоимость 1 микро-клубня, руб.

76,55 руб.

Затраты на получение микро-клубня за одну ротацию составляют 16458,77 рублей. Они складываются из прямых затрат на электроэнергию, воду, питательные растворы. Так за период выращивания картофеля в аэропонной установке освещение использовалось в течение 936 часов, количество потребленной электроэнергии составила 2.4 кВтч, затраты на электроэнергию составили 4399,2 рубля. Потреблено 293 литров, затраты составили 88,57 рублей. Затраты на удобрения составили -4788 рублей, цена щелочи 1583 рубля. Прочие затраты составили 5600 рублей, где 2600 руб. -стоимость растений, 3000- стоимость доставки. В урожайности микро-клубней 215 штук их себестоимость составила 76.55 рублей за один микроклубень.

7. Выводы

Для получения семенного посадочного материала наиболее важным показателем урожайности является не столько вес мини–клубней, сколько их количество.

По количеству микроклубней лидировал сорт Импала, 11.8 микроклубень с одного растения, сорт Розара сформировал 6.5 микроклубней с одного растения.

По массе микроклубней преобладающие позиции занял сорт Розара- средняя масса микроклубня составила 12.1 г, у Импалы 3.2 г.

Урожайность Розары была выше урожайности Импалы как в открытом грунте, так и в аэропонной установке.

Испытанные картофелем стрессовые ситуации повлияли на различные показатели:

изменение кислотности раствора привело к снижению усвоения азота, меди из питательной среды и повлияло на уменьшенные размеры клубней;

увеличение рН показателя привело к видоизменению листьев;

резкое снижение содержания азота привело к интенсивному клубнеобразованию;

Повторяющееся повышение температуры воздуха при сбое датчиков привело к появлению надземных столонов и клубней и снижению количества подземных клубней.

Стрессовые ситуации привели к гибели 31% растений, снижению урожайности и повышению среднерыночной себестоимости микроклубня с 50 до 75 руб.

Благоприятными условиями для растений являются:

регуляция светового дня и плавный переход,

показатели кислотности в пределах 5,5-6ph,

температура раствора в пределах 18-20 градусов,

температура воздуха 22-25 градусов,

относительная влажность 60%,

содержание углекислого газа в пределах 600-900ppm,

освещенность 800-1200 lux

Сбор мини–клубней в среднем составил 8,6 шт. с растения при массе 1 клубня около 12 г и среднем диаметре более 30мм.

В результате проведенных исследований установлено, что в реализованных условиях выращивания микрорастений в аэропонной установке формировались полноценные растения картофеля с площадью листовой поверхности более 11тыс. см2.

8. Заключение

Данная методическая разработка практически была составлена в ходе полугодовой работы творческой группы в количестве 2 педагогов и 4 обучающихся, которые участвовали в сборке и изучении оборудования проектно-исследовательской лаборатории, составления временных фаз роста микрорастений, внедрения в учебный план мероприятий по изучению биотехнологических приемов, проектных и исследовательских работ, организации мероприятий по распространению опыта работы на муниципальном и региональном уровне.

Выращенный картофель является первым опытом педагогов и школьников МБОУ Баганской СОШ№1.

9. Библиографический список

1. Алгазин Д.Н. Перспективы выращивания тепличных культур с применением аэропоники в условиях сибирского региона // Вестник Омского государственного

аграрного университета. 2014. № 1 (13). С. 36–39.

2. Болдарук Д.Ю., Ходос Д.В. Основные направления инновационной деятельности в картофелеводстве // Материалы международной научно–практической конференции молодых ученых «Взгляд молодых учёных на техническую и технологическую модернизацию АПК». Великие Луки, 2013. С. 99–102.

3. ГОСТР 53136–2008. Картофель семенной. Технические условия. / Изд. Картофель, овощи, бахчевые культуры. Технические условия.

Интерент – ресуры

4.https://floragrow.ru/primenenie/primenenie-flora-series/

5.https://belbulba.by/wp-content/uploads/2018/05/Kartofelevodstvo_Tom-24.pdf

6.http://elib.timacad.ru/dl/full/05-2018-4.pdf/download/05-2018-4.pdf

7.https://overgrower.ru

 

Просмотров работы: 157