IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Функциональная листовая диагностика в установках замкнутого выращивания

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Алюшкина С.В. 1Борщёв М.А. 1

---

1АНОО Физтех-лицей

Сальникова Е.И. 1

---

1АНОО Физтех-лицей

Работа в формате PDF

419.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

С давних времен люди искали способы эффективного выращивания растений и разведения животных. Уже ацтеки культивировали острова – чинампы, которые считаются своеобразной первой формой аквапоники – сельскохозяйственного производства, заключающегося в совместном культивировании рыб и растений. Суть метода заключается в следующем: рыбы питаются кормом извне, находя его самостоятельно, а их отходы жизнедеятельности используют как питательное вещество (подкормку) для культурных растений.

В дальнейшем, по мере увеличения населения стран, проблема снабжения продовольствием становилась все актуальнее. Благодаря развитию промышленности, сельское хозяйство с легкостью может обеспечить большую часть населения питанием, однако качество (экологичность) конечной продукции часто вызывает сомнения. Особенно остро эта проблема стоит в густонаселенных урбанизированных районах. Для решения проблемы разрабатываются так называемые установки замкнутого выращивания, в частности рыбоводные установки (УЗВ), где вода используется многократно, проходя сложную систему очистки. Идейно они близки к технологиям беспочвенного выращивания растений – гидропонике и аэропонике. Они перспективны, но есть ряд технологических особенностей, которые мешают их широкому распространению.

В нашей работе мы используем действующую установку замкнутого выращивания, совмещающую рыбоводную, гидропонную и аэропонную технологии. С самого начала ее работы мы периодически снимаем показания о содержании различных ионов в воде, а также наблюдаем за состоянием системы. Это позволяет нам удерживать контроль за качеством воды для растений.

Высокое качество воды для растений в замкнутом цикле очень важно. Ведь питательные растворы будут готовится на основе этой воды. Высокое качество воды необходимо для получения экологически чистого урожая. При соблюдении этого условия аэропонные системы по праву носят название чистых.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ:

Установка состоит из трех блоков, каждый из которых имеет важное значение в обеспечении замкнутости системы.

1. Аквариум с гидробионтами:

Один из важнейших блоков установки с точки зрения промышленного использования, так как рыбы – источник животного белка, ценного в условиях нехватки продовольствия. В нашей установке это аквариум общей вместимостью около 1000 литров, в котором содержатся 17 нильских тиляпий (Oreochromis sp.). Выбор именно этого вида обусловлен их выносливостью, что сделало их наиболее распространенными в классических аквапонных установках по всему миру (Somerville et all., 2014). Таким образом данный вид рыб идеально подходит для нашей установки, так как она является во многом экспериментальной и предполагает возможные сбои в работе обслуживающих систем, а также изменение состава среды. Впоследствии тиляпии были заменены на гуппи в количестве 318 особей трех пород.

2. Биоблок (фильтрующий блок)

Представлен стандартными компонентами рыбоводной рециркуляционной системы. В него входит первая ступень очистки – механический фильтр на основе синтепона. Здесь происходит первичная очистка оборотной воды от крупных взвесей и примесей. Вторая ступень очистки биологический (нитрифицирующий) фильтр, в котором на специальной субстрате (биозагрузка) обитают бактерии родов Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrobacter и др., переводящие аммонийные формы азота в нитритные, и затем в нитратные, менее вредные для гидробионтов. Таким образом, биоблок служит защитой системы, сдерживающий рост концентрации наиболее токсичных аммонийных соединений.

В конце биоблока находится главный насос, обеспечивающий циркуляцию между фильтрующей системой и собственно ёмкостью с гидробионтами. На выпускном патрубке этого насоса установлен ультрафиолетовый стерилизатор для снижения бактериальной обсемененности оборотной воды.

3. Блок выращивания растений

Самый важный блок с точки зрения промышленного производства. Является основным и единственным потребителем накапливаемого в системе азота, служащего для растений питательным веществом. В нашей установке представлен двумя видами систем выращивания – гидропоникой и аэропоникой. Оборотная вода для обеих систем поднимается отдельным насосом на максимальную высоту (около 2 метров), откуда разделяется на два потока, и уже самотёком поступает в каждую из них по-отдельности.

Гидропоника – способ выращивания растений в субстрате, при котором корни растений находятся в воде, содержащей питательные вещества. Это один из самых эффективных способов беспочвенного выращивания, поскольку обеспечивает прямое всасывание питательных веществ, содержащихся в воде. В нашей установке представлена в виде трех вертикально расположенных емкостей, соединенных трубами. Из нижней емкости вода по специальной трубе стекает обратно в биоблок. В каждой емкости культивируется свой вид растений. Над каждой емкостью расположены светодиодный лампы, обеспечивающие достаточное освещение.

АЭРОПОНИКА

Аэропоника – способ выращивания растений в субстрате, при котором корни растений находятся в емкости, заполненной мелкодисперсной водой («туманом»). В нашей установке представлена двумя баками общим объемом около 3х куб. метров. Между ними установлена система, состоящая из контролирующего устройства, влагостойкой турбины, ультразвукового парогенератора и трубки подачи воды с импульсным клапаном. По сигналу контролирующего устройства включается подача воды, начинает работать ультразвуковой парогенератор и турбина. Парогенератор переводит воду в мелкодисперсную форму, а турбина нагнетает воздух в парогенератор, вытесняя воду в емкости, где она конденсируется на корнях растений и стенках емкости. Скопившийся в нижней части емкости конденсат по специальной трубе возвращается обратно в биоблок.

Аэропоника считается более водосберегающей технологией. Аэропонные системы эффективны и чисты. Они могут очень быстро давать высокие урожаи. В идеале, окружающая среда аэропонной установки чистая, нет болезней и вредителей, которым подвержены растения, выращенные на природе. Однако из-за системы освещения для посева могут быть дорогими. Тем не менее, аэропоника распространена в сельском хозяйстве. Эта система используется на космической станции НАСА для выращивания растений.

Плюсы аэропоники очевидны:

Не нужна почва, значит выращивать растения можно в любых условиях

Система эффективна, стабильна и дает высокие урожаи.

Систему можно размещать дома, на улице.

Ущерб от вредителей крайне низкий.

Растения можно выращивать круглый год.

Система проста в обслуживании.

Система приспособлена для многоярусного расположения растений, что позволяет экономить пространство и получить на небольшом по периметру участке значительный урожай.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ

В своей работе мы изучали обеспеченность минеральными веществами аэропонных культур. Мы предположили, что для данных установок необходим повышенный контроль за питательными веществами и усиленная подкормка растений, а также что количество азота, получаемого от рыбной установки, недостаточно для растений.

Для того чтобы проверить эту гипотезу, нам необходима методика контроля поступления/содержания питательных веществ в растении.

МЕТОДИКА

Для оценки количества минеральных элементов существует много методик. Самый популярный – визуальный. Этим методом можно пользоваться в полевых условиях, он не требует дорогостоящего оборудования и отбора проб, то есть повреждения растений. Мы видим признаки изменений в растении (окраска листьев, отставание в росте) и делаем вывод о недостатке питания. Но чего именно и в каких дозах ему не хватает мы часто не знаем. В этом главный недостаток визуального метода. Кроме глубоких знаний агрономии, необходимы или методическое пособие с качественными фотографиями или огромный практический опыт, чтобы поставить правильный диагноз, так как недостаток и избыток различных элементов часто выглядят очень похожими. А кроме того, внешние признаки нарушения питания часто обнаруживаются слишком поздно. То есть в растении уже произошли необратимые физиологические процессы.

Популярны химические методы диагностики, использующие в качестве объекта почву или растение, но они достаточно длительны, используются агрессивные химические вещества (концентрированные кислоты), не показывает в каком количестве не хватает того или иного элемента, а какого избыток. А это тоже очень важно. Ведь недостаток или избыток одного микроэлемента может блокировать поступление другого. Так что возможность применения химической диагностики ограничена многими факторами.

Самой эффективной является функциональная диагностика.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА

Мы используем методику определения потребности растений в элементах питания по фотохимической активности хлоропластов как самый быстрый и эффективный способ диагностики обеспеченности минеральными веществами.

Принцип диагностики питания растений по определению фотохимической активности хлоропластов был разработан А.С. Плешковым и Б.А. Ягодиным в 1982 году. Эта диагностика позволяет определить не содержание того или иного элемента питания, а потребность растения в нём. В отличие от визуальной диагностики, она позволяет выявить дефицит элемента на несколько суток ранее, чем он проявится на растении.

Этот метод состоит из следующих этапов:

измерение фотохимической активности суспензии хлоропластов листьев растений;

добавление элемента питания и повторное измерение фотохимической активности суспензии хлоропластов;

возрастание фотохимической активности суспензии при добавлении элемента питания по сравнению с контролем свидетельствует о недостатке этого элемента, снижение — об избытке, одинаковая активность — об оптимальном содержании.

Этот метод позволяет за 40-50 минут установить потребность растений в 12-15 макро- и микроэлементах и дать рекомендации по проведению подкормок.

Для проведения экспериментов мы выбрали овощные культуры (базилик, томат, капуста белокочанная) и декоративные растения (традесканция фиолетовая и тагетес).

В 2017-2018 гг был проведен предварительный эксперимент по выращиванию растений в аэропонном и гидропонном модулях. Результаты, представленные на рисунке 1 свидетельствуют об отставании в росте растений, растущих в аэропонном модуле.

Рисунок 1.

Мы предполагаем, что это связано с недостаточным усвоением минеральных веществ в аэропонной культуре. Для контроля этого процесса нами были проведены эксперименты по контролю обеспеченности растений минеральными веществами.

Таблица 1

Определение потребности традесканции в элементах питания

Таблица 1 показывает последовательность определения потребности растения традесканции в аммонийном, нитратном азоте и калии согласно методике.

Рисунок 2.

Так как наблюдается повышение фотохимической активности (рисунок 2) хлоропластов в варианте cо всеми изученными ионами, делаем вывод о недостатке и аммиачной и нитратной форм азота и калия у традесканции в аэропонной культуре.

В следующем эксперименте изучали необходимость магния, никеля и натрия для растений (таблица 2). Никель считается тяжелым металлом и его добавление должно снижать фотохимическую активность хлоропластов. Натрий не имеет такого важного значение для растений как калий, как правило при внесении удобрений его считают балластным элементом. Магний важен для растений, так как входит в состав хлорофилла. При недостатке элемента рост и развитие растений приостанавливается. Особенно важно обеспечить культуры магнием в период интенсивного наращивания биомассы.

Таблица 2.

Определение потребности традесканции в элементах питания

Рисунок 3.

Результаты, полученные в эксперименте (рисунок 3) свидетельствуют о недостатке всех изученных веществ. Это дало нам возможность использовать натриевые соли: нитраты и фосфаты натрия для включения в растворы. По полученным результатам мы провели корректировку концентрации веществ в питательном растворе традесканции.

Спустя 3 дня после подкормки мы провели повторную функциональную диагностику растений (таблица 4).

Таблица 4.

Определение потребности традесканции в элементах питания

Результаты анализов (рисунок 5) свидетельствуют о том, что нам удалось стабилизировать концентрацию раствора по исследованным веществам. На графике видно, что фотохимическая активность возрастает только при добавлении натрия, однако этот элемент мы в растворе не корректируем, так как литературных данных о необходимости внесения натрия нет.

Рисунок 5

Таблица 5.

Определение потребности традесканции в элементах питания

Рисунок 6.

Результаты, приведенные в таблице 5 и на диаграмме (рисунок 6) свидетельствуют о том, что корректировка раствора проведена правильно, потребность растения в азоте и калии снизилась.

Мы проводили корректировку общего раствора, который поступает и в аэропонный и в гидропонный блоки. На диаграмме (рисунок 7) представлены результаты измерения фотохимической активности хлоропластов традесканции и капусты в аэропонном и гидропонном модулях. Фотохимическая активность хлоропластов в аэропонной культуре ниже и для традесканции и для капусты. Таким образом, усвоение питательных веществ из аэропонного раствора происходит хуже, чем из гидропонного.

Рисунок 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Функциональный метод диагностики имеет множество неоспоримых преимуществ:

В течение 45-50 минут позволяет определить потребность растений в 15 макро- и микроэлементах до того, как внешние признаки недостатков начнут проявляться;

Установить стрессовое состояние растений и своевременно предпринять меры по его устранению;

Помогает скорректировать питание для увеличения урожая.

В нашей работе, используя метод функциональной диагностики нам удалось установить, что усвоение питательных веществ из аэропонного раствора происходит хуже, чем из гидропонного. Это свидетельствует о том, что параллельное использование аэропонных и гидропонных модулей, в которые поступает один и тот же раствор невозможно.

Для нашей установки мы можем дать рекомендацию по разделению модулей и дальнейшему исследованию роста растений в УЗВ, состоящей из модуля рыб, микробиологического модуля и аэропонного модуля.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР:

Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli. A.Small-scale aquaponic food production. Integrated fish and plant farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No.589. 2014. Rome, FAO. 262 pp.

Budagovsky A., Budagovskaya O., Lenz.F. et al. Analysis of functional state of cultivated plants by means of interference of scattered light and chlorophyll fluorescence . – J. Applied Botany, 2002, v.76.

Hart J. Light and plant growth. – London: Unwin Hyman Ltd, 1988

Андронников С.Б. Влияние качества воды на состояние рыбы в интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудах: Автореф. дис. канд. с.-х. наук. Москва, 1987.

Бентли М. Промышленная гидропоника. М.: Колос,1959. -456c.

Богерук А.К. Состояние и направления развития аквакультуры в Российской Федерации. МСХ РФ. Москва, 2006.

Васильева Д. Влияние смешанного освещения на рост и развитие томатов

Власов В.А. Воспроизводство и выращивание клариевого сома с использованием установок с замкнутым циклом /В.А.Власов //Рекомендации.- МСХ РФ, 2010.-70;

Гуреев И.И. Способ диагностики потребности растений в минеральных элементах питания, 2011

Гуреев И.И., Жердев М.Н., Брежнев А.Л., Черноногов В.Г., Солоничкин В.Н. Функциональная диагностика потребности растений в питательных веществах

Давтян Г.С. Культура растений без почвы и перспективы развития гидропоники. // Агрохимия. 1964.-С.31-35

Ельников И.И. Новые методы диагностики питания растений

Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: взгляд с новых позиций, 1995

Лавровский В.В., Завьялов А.П. Эффективность различных способов кормления при выращивании тиляпии (Tilapia) в установках с замкнутым циклом водоснабжения. Изв. ТСХА.-1999.-Вып.4,- с. 166-173

Милованова А. Влияние элементов питания на рост и развитие растений

Мовсесова Н.В. Некоторые эффективности товарного выращивания рыб в установке с замкнутым водоиспользованием /Н.В. Мовсесова, А.В. Жигин //Рыбоводство и рыбное хозяйство.- 2008.- № 5 С.50-52.

Плешаков А.С., Ягодин Б.А. Способ обеспечения растений минеральными элементами. М.:Агропромиздат, 1982

Привезенцев Ю.А., Власов В.А. Рыбоводство. - М.: Мир, 2004. - 456 с.

Синицына Ю.В. Фотохимическая активность и перекисный гомеостаз в хлоропластах растений при гипертермическом воздействии.

Угарова Т.Ю. Диагностика потребности растения в элементах питания.

Церлинг В. В, М., 1965. Диагностика питания растений по их химическому анализу

Ягодин Б.А., Смирнов П.М., Петербургский А.В. и др.Агрохимия - М.: Агропромиздат, 1989. - 639 с.

Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.