Выращивание микрозелени в искусственной агроэкосистеме

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

Личный портфель

Выращивание микрозелени в искусственной агроэкосистеме

Полякова П.А. 1Лопатин П.К. 1
1МБОУ СОШ № 2
Люкина Т.В. 1
1МБОУ СОШ № 2
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Тема выращивания растений с одной стороны — это обычный процесс. Посеял семечко оно растет. С другой стороны, эта тема про современные технологии и современные подходы выращивания растений, но не только на почве стандартными традиционными методами в открытом грунте, но и в городской среде, которая у нас пронизана урбанизацией. И есть современные направления и тенденции для выращивания растений именно в такой урбанизированной среде.

Актуальность рассматриваемой темы прежде всего в том, что она перспективна и самое главное, что мы к ней долго будем возвращаться независимо от того, что традиционное сельское хозяйство тоже будет развиваться.

На данный момент на планете Земля считается около восьми миллиардов человек. Есть определенные проблемы с выращиванием растений с изменением климата, различиями природно-климатических условий, которые есть на планете Земля, то есть не везде растения могут расти и не везде можно вести сельское хозяйство в открытом грунте. По прогнозам статистов к 2050 году у нас на планете будет десять миллиардов человек, большая часть из них будет стремится в городскую среду. Но, что самое важное из всего этого, что все эти десять миллиардов человек будут хотеть есть. Ресурсы планеты, позволяющие производить продукты питания ограничены. Следовательно, уже сегодня необходимо осваивать современные технологии и приобретать знания и компетенции, которые в будущем позволят внедрять их в практику, осваивать новые территории и космическое пространство, а самое главное — производить еду!

Цель исследования: создание искусственной агроэкосистемы, в которой можно вырастить микрозелень в контролируемых условиях.

Задачи:

  1. провести анализ литературы и имеющихся решений по данной теме;

  2. оценить технические возможности для практической реализации задачи и создания искусственной агроэкосистемы;

  3. разработать модель искусственной агроэкосистемы и бесперебойного жизнеобеспечения выращиваемых в ней растений, на примере микрозелени;

  4. разработать систему питания растений, на примере микрозелени;

  5. оформить технологические карты для выращиваемой микрозелени.

Гипотеза: в искусственной агроэкосистеме можно создать условия для выращивания микрозелени в контролируемых условиях.

Объект исследования: микрозелень рукколы, брокколи и кольраби.

Предмет исследования: контролируемые условия, созданные в искусственной агроэкосистеме.

Методы исследования: общенаучные; эмпирические - наблюдение, сравнение, эксперимент; аналитические.

Для более полной характеристики рассматриваемого вопроса были изучены работы, связанные с современными системами выращивания растений с целью создания искусственной агроэкосистем.

В лекции «Современные системы выращивания растений в городской среде» [7] мы узнали о современных инженерных решениях и агробиотехнологических подходах к производству продуктов питания растительного происхождения и растительного сырья ресурсных растений в контролируемых условиях микроклимата при беспочвенном выращивании. В лекции рассматриваются не только биоинженерные решения, но и вопросы питания растений и систем жизнеобеспечения в искусственно созданных агроэкосистемах.

В книге «Выращивание растений без почвы» [4] излагаются основы методов промышленного выращивания растений без почвы. Описываются различные типы установок, приводятся рецепты питательных растворов, особенности ухода за растениями при выращивании без почвы, подробно излагаются методы контроля за химическим составом питательного раствора.

Из [3] пособия мы познакомились с методическими рекомендациями по расчету технологических карт и оптимизации технологических уровней растениеводства на основе применения информационных технологий.

В лекции «Система жизнеобеспечения растений - технологическая карта выращивания» [8] мы познакомились с технологическими процессами в системе жизнеобеспечения различных растений. Почему для промышленного выращивания очень важно иметь технологическую карту на все культуры, которые выращиваются на производстве. Можно ли технологическую карту назвать уникальной и неповторимой? А может ли карта приносить доход?

В книге «Гидропоника для всех» [4] раскрываются основы такого подхода к выращиванию растений. В этой книге можно найти советы по увеличению урожайности, можно найти советы новичкам, благодаря которым можно избежать типичных ошибок. Но «Гидропоника для всех» ориентирована на широкую аудиторию, поэтому она создавалась так, чтобы быть интересной и опытным садоводам.

  1. Основная часть

    1. Современные системы выращивания растений

Существует пять основных принципов успешного выращивания растений [9]:

  1. вода -растворитель;

  2. субстрат – среда для формирования корней;

  3. питание – сбалансированный питательный раствор;

  4. климат – оптимальные условия для выращивания;

  5. защита растений – своевременность и профилактика.

При рассмотрении вопроса об имеющихся на сегодняшний день решений выращивания растений в искусственных агроэкосистемах, мы провели сравнительный анализ гидропонных систем, выделили достоинства и недостатки каждой. (Приложение 1, 2)

Гидропо́ника (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + др.-греч. πόνος, pónos - работа) - способ выращивания растений на искусственных средах без почвы.

Существуют различные виды гидропоники: агрегатопоника, аквапоника, аэропоника, ионитопоника, хемопоника. Отличаются они субстратом и поступлением питательного раствора корневой системе.

В нашей работе рассмотрены следующие гидропонные системы: подпор, фитильная система, капельная система, питательный слой или NFT, система плавающей платформы DWC, аэропоника, система периодического затопления, техника глубинного потока, вертикальное выращивание [4].

Подпор - система хороша для выращивания единичных экземпляров растений, но сложность в аэрации корней. Фитильная система - используется с влагоемкими субстратами, подходит для выращивания небольших растений, но корни крупных растений поглощают намного больше раствора, чем им могут передать фитили. Капельная система – более эффективно использует раствор, но в зависимости от вида необходимо постоянно следить за концентрацией и pH раствора. Питательный слой или NFT (Nutrient Film Technique) - создается постоянное движение питательного раствора по дну емкости, не требует использования таймера, экономия на субстрате. Но при отключении электричества или поломке насоса - корни быстро пересыхают. Система плавающей платформы DWC - раствор необходимо постоянно аэрировать (насыщать кислородом) или периодически полностью заменять. Если долго не менять раствор или сломается компрессор, корни будут гнить от недостатка кислорода. Аэропоника (воздушная культура) - Метод выращивания растений без субстрата, можно использовать способ опыления корней питательным раствором, необходимо поддерживать повышенную влажность воздуха. Система дорогая. Для распыления раствора требуются насосы высокого давления и форсунки. При распылении с мельчайших капель раствора вода испаряется, в результате в растворе может повыситься концентрация солей, настолько, что эти соли могут отложиться на форсунках и забить их. Системы периодического затопления. Ebb and Flow - периодическим затоплением емкость с растениями несколько раз в сутки, на определенное время, затопляют питательным раствором. Затем раствор сливается обратно в резервуар. Подача раствора происходит при помощи насосов, управляемых таймерами. Субстрат можно не использовать, а закреплять растения в крышке. При отключении электричества или поломке насоса - корни быстро пересыхают. Texника глубинного потока (DFT, Deep Flow Technique) — это разновидность NFT метода. Акцент делается не на технику питательного слоя, а на технику питательного потока. Так как питательный раствор доставляется в одну точку, растения, отстоящие дальше от этой точки, не получают столько кислорода, сколько растения, находящиеся вблизи. Вертикальное выращивание - преимущества вертикального растениеводства: больший урожай на меньшей площади; круглогодичный оборот; эффективное использование пространства, энергоресурсов и расходных материалов; размещение производства в жилых кварталах городов. Высокая ценовая категория.

2.2. Выбор оптимальных условий для выращивания микрозелени

Для создания оптимальных условий выращивания микрозелени мы изучили условия и историю произрастания каждой культуры.

Руккола известна с глубокой древности. Древние египтяне, греки, римляне ценили рукколу за вкусовые и лечебные достоинства. В начале ХХ века популярность стала расти, особенно в Италии и на юге Франции.

Условия, необходимые для выращивания микрозелени рукколы

  1. Оптимальным для выращивания является реакция среды, близкая к нейтральной (pH=6,0 – 6,5).

  2. Вкус зависит от концентрации солей в питательном растворе: чем ниже, тем нежнее вкус.

  3. При гидропонном выращивании рекомендуемый показатель электропроводности питательного раствора 2,0 – 2,3 мСм/см, в корневой зоне – 2,3-2,6 мСм/см.

  4. Баланс между калием (К) и кальцием (Са) следует соблюдать 2:1.

  5. Примерное содержание макроэлементов в питательном растворе должно быть: азот (N) – 220 мг/л, калий (К) – 240 мг/л, магний (Mg) – 40 мг/л, кальций (Са) – не менее 120 мг/л.

  6. Выбор субстрата: минеральное волокно (за счет капиллярных пор легко насыщается питательным раствором); субстрат изо льна.

  7. Температура полива составляет 18-22 градуса. Рекомендуется обильный полив, но в меру.

  8. Методы выращивания: в теплицах – проточная гидропоника; метод подтопления.

  9. Оптимальный температурный режим для выращивания: днем t = 18 до 24 0С, ночью t = 17 до 19 0С.

  10. Руккола светолюбивое растение, режим освещенности 12-14 часов при 12.000 – 14.000 люкс; руккола любит белый и синий цвет.

  11. Влажность 60-70 %.

  12. Углекислый газ – на уровне 600 ppm.

Считается, что брокколи возникла в средиземноморском регионе: греки и римляне употребляли брокколи регулярно. Итальянцы ввели брокколи в остальной Европе в течение 16-го века.

Условия, необходимые для выращивания микрозелени брокколи

  1. Способ выращивания: предпочтительно – гидропоника.

  2. Лучше всего растет в прохладном сыром климате от 18 до 23 0С.

  3. Субстрат не должен быть мокрым или пересыхать – он должен быть влажным. Для этого нужно производить опрыскивание 1-2 раза в день.

  4. Методы выращивания: применение пассивных (фитильных) гидропонных систем, которые не требуют затрат электроэнергии.

  5. Оптимальным для выращивания является реакция среды, близкая к нейтральной (pH=6,0 – 6,8).

  6. Углекислый газ – на уровне 1960-2450 ppm.

  7. При гидропонном выращивании рекомендуемый показатель электропроводности питательного раствора 2,8 – 3,5 мСм/см.

  8. Выбор субстрата: льняные коврики, кокосовое волокно, минеральная вата, джутовое сено, бумажное полотенце, марля.

  9. Влажность 60-70 %.

  10. Режим освещенности: можно выращивать без подсветки, а можно и с ней.

Кольраби был выведен в Европе в 16 веке путем скрещивания двух разных видов растений - капусты и репы. Он получил свое название от итальянского слова «cavoli-rapa», что означает «репа-капуста». Изначально овощ выращивался в Южной Италии и Средиземноморье, но позже распространился по всей Европе.

Условия, необходимые для выращивания микрозелени кольраби

  1. Кольраби хорошо прорастает на любом субстрате и даже без него (на мягкой влажной бумаге или просто в банке).

  2. Для микрозелени кольраби важен дозированный полив. Поэтому для этих целей лучше использовать пульверизатор 2-3 раза в день.

  3. Кольраби относится к растениям длинного светового дня, при сокращении его длительности ее рост и развитие ускоряются. Растения следует размещать на хорошо освещенных участках.

  4. Затенение снижает урожайность и ухудшает химический состав.

  5. Важно обеспечить вентиляцию в процессе выращивания микрозелени кольраби.

  6. Оптимальным для выращивания является реакция среды с pH=7,0 – 7,8)

  7. Влажность 60-70 %.

  8. Лучше всего растет в прохладном сыром климате от 18 до 23 0С.

В качестве субстрата использовалась льняная подложка, входящая в набор по выращиванию. Такая подложка создает экологически чистый питательный субстрат, предотвращающий развитие грибковых инфекций и патогенных микроорганизмов. Так же она обеспечивает оптимальный гидробаланс, способствует развитию корневой системы, после использования можно использовать вторично.

Для создания благоприятного микроклимата для выращивания микрозелени рукколы, брокколи и кольраби использовали фито лампу для растений, увлажнитель воздуха и систему полива для комнатных растений. (Приложение 3)

2.3. Описание модели искусственной агроэкосистемы

В 2021-2022 учебном году в рамках проекта «Уроки настоящего» нами была разработана модель «умной» энергетической системы (Приложение 14) с использованием альтернативных источников энергии. Мы решили использовать эту систему как составляющую часть для обеспечения работы нашей агроэкосистемы. В данной модели был рассмотрен и использован такой специфический нетрадиционный способ получения энергии, как извлечение метана угольных пластов.

Наиболее благоприятные перспективы для своего развития в нашем регионе также имеют: а) энергия биомассы; б) энергия малых и мини-ГЭС; в) кузбасский «региональный» вид альтернативной энергетики — подземная дегазация угля.

Таким образом, для своей модели энергетической системы, мы рассматриваем использование энергии Солнца – использование на крышах домов солнечные панели; извлечение метана угольных пластов и использование жидкостных аккумуляторов для накопления энергии от солнечных панелей.

Изучив условия благоприятного произрастания микрозелени рукколы и брокколи, мы остановились на использовании модели проточной гидропоники.

В качестве субстрата будем использовать подложки изо льна, как экологически безопасного материала [11]. В качестве контейнеров для микрозелени будут использоваться биоразлагаемые материалы, которые используются однократно для продажи населению, и многократно, если зелень идет на корм животным. На каждом контейнере будет напечатан QR-код, который будет считывать умная камера, если определит «дефектное» растение. Сигнал от камеры поступит на дрон, который доставит «дефектное» растение на отдельный стенд.

В баке с питательным раствором будут находиться датчики, контролирующие его состав. В случае изменения параметров, так как система проточная, сигнал будет подаваться на монитор, показания с которого контролируются либо человеком, либо искусственным интеллектом. Подразумевается, что человек все равно контролирует работу данной системы.

В модели (Приложение 8) предусмотрена система искусственного освещения, контролируемая датчиками. Если происходит вынужденное отключение электричества, то начинают работу альтернативные источники энергии. Также система будет контролировать и другие необходимые параметры (влажность, содержание СО2, давление, температуру и т. д.) с помощью системы датчиков, информацию о работе которых будет контролировать ИИ.

III. Практическая часть

3.1. Выбор материалов для исследования

Микрозелень - молодые побеги растений, которые используются как в пищу, так и для украшения блюд.

Выбор объекта исследования (Приложение 3) был обусловлен тем, что для выращивания данной микрозелени требуется небольшой срок созревания (7-10 дней). И можно было создать условия микроклимата для успешного выращивания растений.

3.2. Основные этапы эксперимента

  1. Изучение состава питательного раствора и вытяжки из субстрата. (Приложение 4)

  1. Эксперименты проводили с использованием мини-экспресс-лаборатории «Пчелка –У». Были проведены экспресс-тесты на уровень pH среды. Тест показал соответствие данного уровня для данной микрозелени. (pH=6,0 – 6,8).

  2. Уровень электропроводности питательного раствора составил 3,2 мСм/см, что также оптимально для данной микрозелени.

  3. Уровень концентрации железа общего составил 30 мг/л.

  4. Провели экспресс-тест на определение хлоридов в воде и вытяжке из субстрата. (3 мг/л)

II. Провели эксперимент – проверка на всхожесть семян. Для этого в чашке Петри на фильтровальную бумагу, пропитанную питательным раствором 10 % Biocraft посеяли семена, поместили в темное место. На следующий день пронаблюдали 100% всхожесть.

  1. Посеяли семена микрозелени в льняную подложку, пропитанную питательным раствором Biocraft и проводили наблюдения по всхожести семян. (Приложение 6, 7)

  2. Каждый день наблюдали и регулировали условия микроклимата для выращивания микрозелени. Показания приборов заносили в таблицу. (Приложение 5)

  3. Для каждой культуры были составлены технологические карты [8,3], представленные в приложениях. В картах описаны все этапы и условия выращивания микрозелени. (Приложение 9-13)

В качестве питательного раствора использовали готовый биоактивный концентрат Biocraft для выращивания микрозелени, состав и характеристики которого представлен ниже.

Состав:
Кислотность pH – 7,4;
Макроэлементы, не менее мг/л:
- Азота общего – 120;
- Фосфора общего, в пересчете на Р2О5 – 150;
- Калия общего, в пересчете на К2О – 1000.
Микроэлементы, не менее мг/л:
- Медь (Cu) – 0,47;
- Цинк (Zn) – 2,31;
-Марганец (Mn) – 0,46;
- Железо (Fe) – 0,76;
-Бор (B) – 0,54.
Массовая доля органического вещества, не менее - 43%.
Аминокислоты, %, в т.ч.:         
- Аспаргиновая – 0,3;
- Глутаминовая – 0,75.
Полезные почвенные микроорганизмы:
- Аммонифицирующие - 1,53×107;
- Азотфиксирующие - 0.97×106;
- Фосфатрастворяющие - 0.98×107;
- Использующие минеральные формы азота – 2.54х105;
- Актинобактерии – 1.04х104.

IV. Заключение

На основание проведенных экспериментов мы подтвердили нашу гипотезу. Действительно, в искусственной агроэкосистеме нам удалось создать благоприятные условия для выращивания микрозелени в контролируемых условиях.

Нам удалось придумать модель искусственной агроэкосистемы, работу элементов которой удалось проверить на практике.

Мы познакомились с методикой составления уникальных технологических карт при выращивании культур. Провели эксперименты по выращиванию микрозелени рукколы, кольраби и брокколи, получили хорошие результаты. Мы получили неоценимый опыт по выращиванию культур в искусственной агроэкосистеме. И доказали, что производить продукты питания возможно независимо от климатических условий и круглогодично.

V. Литература

  1. Алиев Э. А. Выращивание овощей в гидропонных теплицах. К. : Урожай, 1985. 160 с.

  2. Бентли М. Промышленная гидропоника. М. : Колос, 1965. 819 с.

  3. Беспятых В. И., Лукин А. С., Лукина Е. В. Методические рекомендации по расчету технологических карт и оптимизации технологических уровней растениеводства на основе применения информационных технологий. Киров : Вятская ГСХА, 2008. 63 с.

  4. Тексье У. Гидропоника для всех. Все о садоводстве на дому. Marna Editions, 2013. 231 с.

  5. Чесноков В. А., Базырина Е. Н., Бушуева Т. М. Выращивание растений без почвы. Изд-во Ленинградского университета, 1960. 169 с.

  6. Смирнова Н. В. Жизнь растений в мире людей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=bTIAJXmsLvc.- (дата обращения: 21.01.2024).

  7. Смирнова Н.В. Растения и качество продуктов питания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=pyMbzVjlpe8. - (дата обращения: 21.01.2024).

  8. Смирнова Н.В. Система жизнеобеспечения растений – технологическая карта выращивания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vk.com/video-150963328_456239373. - (дата обращения: 21.01.2024).

  9. Смирнова Н.В. Современные системы выращивания растений в городской среде [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vk.com/video-150963328_456239361. – (дата обращения: 21.01.2024).

  10. Большаков В.А. Составление питательных растворов - запись семинара в Туймазах [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=G0AkaNpI-bU. – (дата обращения: 21.01.2024).

  11. Карпов Олег. Тонкости выращивания микрозелени – как не допустить ошибок? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://foodbay.com/wiki/selkhoz-industrija/2020/05/13/tonkosti-vyraschivaniya-mikrozeleni-kak-ne-dopustit-oshibok/. – (дата обращения: 21.01.2024).

Приложение 1

С равнительный анализ гидропонных систем

Приложение 2

С равнительный анализ гидропонных систем

Приложение 3

О бъект исследования: микрозелень рукколы, брокколи и кольраби

У стройства, входящие в искусственную агроэкосистему по выращиванию микрозелени

М ини-экспресс-лаборатории «Пчелка –У»

Приложение 4

Э тапы проведения эксперимента

Приложение 5

Р езультаты наблюдения за микроклиматом при выращивании рукколы и брокколи

Р езультаты наблюдения за микроклиматом при выращивании кольраби

Приложение 6

О бразцы микрозелени рукколы и брокколи (слева под фито лампой, справа без фито лампы)

Приложение 7

О бразцы микрозелени кольраби

Приложение 8

М одель автоматизации агроэкосистемы и бесперебойного жизнеобеспечения выращиваемых в ней растений

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

П риложение 14

Просмотров работы: 83