g. Moskva, Russian Federation
"Publishing House" University textbook " (laboratory for research of technological properties of agricultural materials, Senior Research Fellow)
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDC 635.563
The problem of closed-type hydroponic systems with nutrient recirculation is the lack of a processing method that ensures both the removal of harmful components and the activation of substances useful for plants. The aim of the study is to assess the effect of reused hydroponic solutions treated with spark discharges on lettuce. The experimental work was carried out in 2024 under laboratory conditions. Two experiments with watercress were conducted in “Smart ecofarms”. In the first experiment, the crop was grown on a primary hydroponic solution without fertilizers (control) and a secondary one after a single cultivation and treatment with spark discharges with the addition of fertilizers (experimental version). In the second experiment, watercress was grown in a secondary hydroponic solution with fertilizers without any preliminary treatment (control) and after spark discharge treatment (test variant). In the first experiment, the weight of watercress in the test variant increased by 2 times compared to the control, which is explained by the absence of fertilizers in the latter. In the second experiment, the advantage of the test variant was 8...12%, which is due to the positive effect of spark discharges on nutrients and their negative effect on the microflora of the hydroponic solution. This indicates the potential for using spark discharges to disinfect reusable hydroponic solutions instead of ultraviolet light, which has been used in recent years to grow various types of green crops in greenhouses. The advantage of the proposed treatment method is the stimulation of plant growth due to the formation of active forms of oxygen and nitrogen in addition to the inactivation of bacteria and fungi.
water, spark discharges, nutrient solutions, reuse, lettuce (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. Tsench YuS, Sidorov IV. [Development stages of technologies and technical means for applying fertilizers and protecting plants]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2024; Vol.18 (3). 14-22 p. doihttps://doi.org/10.22314/2073-7599-2024-18-3-14-22.
2. Burynin DA, Kachan SA, Smirnov AA. [Comparative analysis of turnip plants growing of Luna variety on hydroponics with LED irradiation and in open ground]. Elektrotekhnologii i elektrooborudovanie v APK. 2023; Vol.70. 3 (52). 12-20 p.
3. Bolshin RG, Storchevoy VF, Kondrateva NP. [Development of energy-saving measures for a small greenhouse farm]. Vestnik Izhevskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2022; 4 (72). 50-57 p. doihttps://doi.org/10.48012/1817-5457-2022-4-50-57.
4. Barbosa GL, Gadelha FDA, Kublik N, Proctor A, Reichelm L, Weissinger E, Wohlleb GM, Halden RU. Comparison of land, water, and energy requirements of lettuce grown using hydroponic vs. conventional agricultural methods. International journal of environmental research and public health. 2015; 12 (6). 6879-6891 p. doi:https://doi.org/10.3390/ijerph120606879
5. Maksimov II, Valiev AR, Alekseev EP. [Some issues on heat supply in the “soil-plant-air” system]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2024; Vol.19. 4 (76). 81-87 p. 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. 206-215 p. doi:https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.09.011.
7. Neftullayeva A, Azimova S, Maskurova Yu. 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. Potravinarstvo. 2023; Vol.17. 217-230 p. doi:https://doi.org/10.5219/1843.
8. Morachevskaya EV, Mikhalev ES, Kamler AV. [The effect of different modes of water plasma treatment on the germination of Raphanus sativus L seeds]. Problemy agrokhimii i ekologii. 2024; 3. 13-19 p. doi:https://doi.org/10.26178/AE.2024.86.44.002.
9. Guo D, Liu H, Zhou L. Plasma-activated water production and its application in agriculture. Journal of the science of food and agriculture. 2021; Vol.101. 4891-4899 p. doi:https://doi.org/10.1002/jsfa.11258.
10. Belov AA, Vasilev AN, Stepanychev YuA. [Effect of electrohydraulic treatment on the content of nitrate nitrogen in irrigation water]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol.15. 3 (59). 54-57 p.
11. Belov AA. [Application of cold atmospheric plasma technology for the treatment of atmospheric wastewater for the purpose of reuse in agriculture]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2024; Vol.17. 2 (81). 107-116 p. doi:https://doi.org/10.53914/issn2071-2243_2024_2_107.
12. Belov AA. [Effect of spark discharge treatment on disinfection of atmospheric wastewater]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 3 (67). 64-67 p. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-64-67.
