Оценка агрономической пригодности лунного реголита для выращивания кукурузы

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

Личный портфель

Оценка агрономической пригодности лунного реголита для выращивания кукурузы

Лазарев Г.В. 1
1СПб ГБОУ «Лицей № 280 им. М.Ю. Лермонтова»
Щелкина К.В. 1Лазарев В.Ф. 2
1СПб ГБОУ «Лицея №280 им. М.Ю. Лермонтова»
2ИНЦ РАН
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

С развитием космических программ и намерением человечества создать устойчивые базы на Луне и далее — на Марсе, одной из ключевых задач становится обеспечение жизнедеятельности космонавтов за пределами Земли. Одним из важнейших направлений в этой области является выращивание растений в условиях лунной среды. Основой для этого служит лунный реголит — поверхностный слой лунного грунта, состоящий из пыли, мелких камней и стекловидных частиц, образованных миллионы лет метеоритными ударами. Несмотря на то, что лунный реголит лишен органических веществ, воды и биологически активных компонентов, последние эксперименты показали, что при определённой обработке он может стать основой для роста растений. Особый интерес представляет возможность выращивания кукурузы — одной из самых продуктивных и универсальных сельскохозяйственных культур — на лунном грунте. Несмотря на широкое распространение кукурузы в качестве сельскохозяйственной культуры на Земле, до сих пор в мире никто не пытался выращивать кукурузу на лунном реголите.

Целью настоящей работы стало изучение существующего опыта по выращиванию растений на лунном реголите, а также попытка получить ростки кукурузы на субстрате, содержащем лунный реголит. В рамках выполнения проекта нами были поставлены следующие задачи:

  1. Проанализировать существующий опыт по выращиванию растений на лунном реголите.

  2. Оценить возможность проращивания кукурузы (Zeamays) на субстрате, содержащем симулятор лунного реголита.

  3. Определить кислотность содержащего лунный реголит субстрата, пригодного для прорастания кукурузы.

  1. Основная часть

  1. Что такое лунный реголит?

Лунный реголит представляет собой обломки и пыль, сформировавшиеся в результате бомбардировки Луны метеоритами. В отличие от земной почвы, реголит не содержит гумуса, микроорганизмов, воды или азотных соединений. Его состав в основном включает[1]:

  • Силикатные минералы (пироксен, оливин, плагиоклаз)

  • Стеклообразные частицы (образованные при метеоритных ударах)

  • Микроскопические частицы тяжелых металлов

Кроме того, реголит подвержен воздействию космической радиации и солнечного ветра, что делает его химически активным, но биологически непригодным для выращивания растений без дополнительной обработки и защиты от внешних воздействий [1]

  1. Существующий опыт выращивания растений на лунном реголите

Первые попытки выращивания растений на лунном грунте были предприняты ещё в 1970-х годах, когда NASA (National Aeronautics and Space Administration, США) получила образцы реголита в рамках миссий Аполлон. Однако, первые попытки не увенчались успехом.

Тем не менее к концу прошлого века была разработана концепция регенеративных систем жизнеобеспечения людей на Луне, важной частью которой стало лунное сельское хозяйство [2]. А в 2022 году были опубликованы результаты первого успешного выращивания растений на настоящем лунном реголите, доставленном на землю в рамках миссии Апполон [3]. Таким растением стала Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Растения росли, но проявляли признаки стресса: более медленный рост, деформированные листья. Тем не менее, этот эксперимент доказал: лунный реголит не является полностью инертным, и при наличии воды, питательных растворов и контролируемых условий он может служить субстратом выращивания растений.

Последующие исследования включали тестирование других видов:

  • Табак. В рамках тестирования целесообразности заселения лунного реголита сенной палочкой Bacillussubtilis [4]

  • Помидоры Черри. В рамках проекта NASA [5].

  • Редис. В рамках предварительных экспериментов А. Макашова [6]

  • Грибы. С целью биоремидиации лунного реголита, т.е. для насыщения реголита азотными и фосфатными соединениями [7]

Все эксперименты подтвердили: реголит требует дополнительной модификации — добавления удобрений, бактерий, органических веществ и коррекции pH. Таким образом, консенсусное мнение исследователей таково: первым этапом формирования грунта для «лунных огородов» станет формирование почвы приемлемого плодородия с помощью растений первого поколения, почвенных бактерий (таких, как Bacillussubtilis) или грибов. Предполагается, что растения первого поколения смогут выполнить две важные функции: компостируют грунт и помогут очистить его от токсичных тяжелых металлов. Только после такой подготовки почвы станет возможно целенаправленное выращивание растений второго поколения, которые уже будут пригодны в пищу. Остатки растений первого поколения будут компостироваться в цикле регенеративной системы жизнеобеспечения и образовывать почвоподобный субстрат. Таким образом, пионерные растения должны будут выживать на лунном реголите в сложных условиях и в дальнейшем обеспечивать приемлемую урожайность для сельскохозяйственных культур.

  1. Обоснование выбора Zea mays для экспериментов

Кукуруза (лат. Zea mays) — одна из самых важных сельскохозяйственных культур на Земле. Её значение обусловлено:

  • Высокой биомассовой продуктивностью — до 15–20 т/га;

  • Универсальностью: пищевая, кормовая, энергетическая (биоэтанол), промышленная (крахмал, пластик);

  • Относительной устойчивостью к экстремальным условиям — способна расти при высоких температурах и при недостатке воды;

  • Быстрым жизненным циклом— от посева до сбора урожая — 60–120 дней.

Потенциальные преимущества кукурузы на Луне:

  • Высокая фотосинтетическая эффективность. Подходит для условий с ограниченным CO₂ и ярким светом (Луна получает больше солнечной радиации, чем Земля).

  • Мощная корневая система, может лучше проникать в плотный реголит, если он будет структурирован и разрыхлен.

  • Использование в замкнутых системах. Кукуруза из-за своих крупных по сравнению с другими злаками размеров интенсивно производит кислород и поглощает CO₂ — подходит для био-регенеративных систем жизнеобеспечения.

  • Потенциал для переработки. Можно использовать стебли и листья как корм для животных, зёрна — как пищу, а остатки — как источник биогаза.

  1. Материалы и методы

  1. Симулятор лунного реголита

Лунный реголит был любезно предоставлен для наших исследований Андреем Андреевичем Макашовым. Запекание имитатора реголита проводится по авторской методике А. Макашова с последующей калибровкой по образцам реального лунного реголита, доставленного на Землю в рамках миссии Аполлон. Перед посевом кукурузы реголит был измельчен до однородного порошкообразного состояния с помощью механического давления (Рис. 1).

Для повышения рыхлости реголита к нему был добавлен кокосовый торф в объемном соотношении 3:7, т.е. 30% кокосового торфа, 70% реголита (Рис. 2).

В качестве базового компонента субстрата для проращивания кукурузы использовали Универсальный грунт для проращивания плодоовощных и зерновых культур (Рис. 3).

Рисунок 1. Симулятор лунного реголита.

Рис. 2 Кокосовый торф

Рис. 3 Грунт Универсальный

Для изучения возможности проращивания кукурузы в грунте, содержащем лунный реголит, на основе указанных выше компонентов мы подготовили 5 вариантов субстрата для проращивания (группы Р0-Р100):

  1. Универсальный грунт для проращивания плодоовощных и зерновых культур (Р0)

  2. Субстрат, содержащий 75% Универсального грунта и 25% смеси симулятора лунного реголита и кокосового торфа (Р25)

  3. Субстрат, содержащий 50% Универсального грунта и 50% смеси симулятора лунного реголита и кокосового торфа (Р50)

  4. Субстрат, содержащий 25% Универсального грунта и 75% смеси симулятора лунного реголита и кокосового торфа (Р75)

  5. 100% смесь симулятора лунного реголита и кокосового торфа (Р100)


В каждый из вариантов субстрата было высажено по 4 зерна Zeamays(Рис. 4). При этом каждое зерно было посажено в отдельную емкость.

Рисунок 4. Посевной материал – кукуруза сахарная Миниголд (Zea mays).

  1. Агротехника

Для проращивания был выбран сорт кукурузы Zeamays Миниголд «Кукуруза сахарная» в связи с возможностью выращивания кукурузы данного сорта в домашних условиях. В соответствии с агротехническими рекомендациями производителя, мы произвели вымачивание зерен в воде в течение 24 часов. Затем зерна кукурузы были посажены в субстрат на глубину 2.5 см (Рис. 5). Увлажнение субстрата производили из расчета 8 мл на 25 мл субстрата (Рис. 6). В дальнейшем, до окончания эксперимента, полив осуществлялся один раз в двое суток по 2 мл воды на 25 мл субстрата.

Рисунок 5. Процесс посадки кукурузы в емкости для эксперимента

Рисунок 6. Полив кукурузы при посадке.

Рисунок 7. Готовые емкости для эксперимента.

  1. Результаты

  1. Определение интенсивности прорастания зерен кукурузы

Ежедневно вплоть до окончания эксперимента проводилось измерение ростков от уровня субстрата до верхней точки растения (Рис. 8).

Измерение высоты ростка проводили ежедневно в течение 16 дней после посева кукурузы (Рис. 9). Собранные данные были сведены в таблицу и представлены в виде графика, иллюстрирующего изменение высоты стебля с течением времени (Рис. 10)

Рисунок 8. Ростки кукурузы.

Рисунок 9. Внешний вид ростков кукурузы на 15-ый день после посева зерен.

Рисунок 10. График роста кукурузы. На графике отражена высота каждого взошедшего растения над уровнем грунта. Р0 – субстрат без добавления реголита, Р25 – субстрат с добавлением 25% реголита, Р50 – субстрат с добавлением 50% реголита.

Таким образом, мы зафиксировали, что 25% содержания лунного реголита в субстрате не препятствовало прорастанию зерен, однако снижало интенсивность роста. 50% содержания лунного реголита в грунте, препятствовало прорастанию зерен (взошел всего один росток из 4), при этом единственный взошедший росток ощутимо отставал от ростков на субстратах, содержащих меньшую долю реголита. Семена кукурузы, посаженные в субстрат, содержащий более 50% реголита, не взошли.

Отдельно необходимо отметить, что в группе Р50 проросло еще одно зерно, но росток не показался над землей (Рис. 11).

 

Рисунок 11. А – Проросшее зерно из группы Р50. Б – не проросшее зерно. В – зерно, которое не сажали.

  1. Определение водородного показателя субстрата, содержащего лунный реголит

Мы предположили, что одним из факторов, влияющих на прорастание семян может быть водородный показатель (pH, кислотность субстрата). Для проверки этой гипотезы мы проанализировали pH каждого субстрата (Рис. 12). Мы установили, что универсальный грунт имел pH около 6 (что соответствует слабокислой среде), а добавление лунного реголита приводило к повышению pH до уровня 8-9 (что соответствует щелочной среде). Вероятно, именно повышенная щелочность субстрата, вызванная содержанием реголита, препятствовала прорастанию зерен кукурузы в группах Р75 и Р100.


Рисунок 12. Определение pН субстрата для проращивания кукурузы с помощью индикаторных полосок.

Выводы:

  1. В научной литературе описаны случаи проращивания различных растений на лунном реголите в контексте подготовки создания «лунного огорода».

  2. Нами впервые в мире получены ростки кукурузы (Zeamays) на субстрате, содержащем симулятор лунного грунта.

  3. Водородный показатель лунного реголита находится в щелочной области, что, вероятно, препятствует прорастанию кукурузы.

  1. Заключение

Проведённый эксперимент показал, что выращивание кукурузы (Zeamays) на субстрате с лунным реголитом возможно будет только при определённых условиях. Полностью использовать реголит в качестве основного грунта пока не удалось: при содержании 50% и выше всхожесть семян резко снижается, а при 75–100% — отсутствует полностью. Однако уже при 25% добавления симулятора реголита удалось получить всходы, что можно считать первым шагом к адаптации культурных растений к лунным условиям.

Одним из ключевых факторов, ограничивающих прорастание, оказалась высокая щелочность субстрата. pH увеличивался до 8–9 при добавлении реголита, тогда как кукурузе требуется слабокислая или нейтральная среда. Это говорит о том, что без предварительной обработки реголит остаётся непригодным для большинства сельскохозяйственных культур.

Для будущего использования лунного грунта в агротехнике потребуется разработка комплексных методов его подготовки. Среди них — коррекция кислотности, обогащение питательными веществами, а также биологическая ремедиация с помощью микроорганизмов и грибов, способных разлагать минералы и выделять доступные формы азота, фосфора и других элементов. Перспективным направлением может стать создание "первого поколения" растений и микробов, которые будут постепенно преобразовывать реголит в более плодородный субстрат.

Таким образом, сам по себе лунный реголит не подходит для выращивания кукурузы, но при условии технологического улучшения и интеграции в замкнутые системы жизнеобеспечения он может стать частью будущей внеземной агрономии. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию состава субстратов, подбор устойчивых видов растений и разработку эффективных методов биологической и химической обработки реголита.

  1. Список литературы

1. Fackrell L.E. et al. Overview and recommendations for research on plants and microbes in regolith-based agriculture // Sustainable Agriculture 2024 2:1. Nature Publishing Group, 2024. Т. 2, № 1. С. 1–23.

2. Kozyrovska N.O. et al. Growing pioneer plants for a lunar base // Advances in Space Research. Pergamon, 2006. Т. 37, № 1. С. 93–99.

3. Paul A.L., Elardo S.M., Ferl R. Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration // Commun Biol. Nature Research, 2022. Т. 5, № 1. С. 1–9.

4. Xia Y. et al. Phosphorus-solubilizing bacteria improve the growth of Nicotiana benthamiana on lunar regolith simulant by dissociating insoluble inorganic phosphorus // Commun Biol. Nature Research, 2023. Т. 6, № 1. С. 1–16.

5. Goiset N. et al. Effects of Gypsum ( CaSO 4 ) on Cherry Tomato Plant Growth in Adjusted Lunar Regolith Simulant // NASA Artemis. 2021.

6. Как я сделал симулянт лунного грунта в домашних условиях и вырастил на нем редис / Хабр. URL: https://habr.com/ru/companies/leader-id/articles/597565/

7. Atkin J. Using fungi for the bioremediation of lunar regolith // Nat Rev Earth Environ. Springer Nature, 2025. Т. 6, № 9. С. 550–550.

Просмотров работы: 5