Аэропоника

Салат и пшеница, выращенные в аэропонном аппарате, НАСА , 1998 год.

Аэропоника — это процесс выращивания растений в воздушной или туманной среде, исключающий необходимость в почве или заполнителе . Термин «аэропоника» происходит от древнегреческих слов : aer (воздух) и ponos (труд, лишения или тяжелый труд). Он подпадает под категорию гидропоники , поскольку в аэропонике вода используется для доставки питательных веществ растениям.

Методы

Фундаментальный принцип аэропонного выращивания заключается в подвешивании растений в закрытой или полузакрытой среде с одновременным опрыскиванием их свисающих корней и нижних стеблей богатым питательными веществами водным раствором в распыленной или распыленной форме. Верхняя часть растения, включая листья и крону , называемая кроной , простирается выше. Опорная конструкция растения удерживает корни разделенными. Чтобы свести к минимуму трудозатраты и затраты, пенопласт с закрытыми порами часто сжимают вокруг нижней штанги и вставляют в отверстие аэропонной камеры. В случае более крупных растений используется подвязка для поддержки веса растительности и фруктов .

Цель состоит в том, чтобы сохранить окружающую среду свободной от вредителей и болезней , позволяя растениям процветать и расти быстрее, чем те, которые выращиваются в питательной среде . Однако, поскольку большинство аэропонных сред не полностью изолированы от внешнего мира, вредители и болезни все равно могут представлять угрозу. Контролируемая среда способствует улучшению развития, здоровья, роста, цветения и плодоношения растений различных видов и сортов .

Из-за чувствительности корневых систем аэропонику часто комбинируют с обычной гидропоникой . Это служит резервным питанием и водоснабжением на случай какого-либо сбоя в аэропонной системе, действуя как аварийный «спаситель урожая».

Аэропоника высокого давления — это метод доставки питательных веществ к корням с помощью распылительных головок размером 20-50 микрометров. Это достигается с помощью диафрагменного насоса высокого давления , работающего при расходе около 80 фунтов на квадратный дюйм (550 кПа).

Преимущества и недостатки

Многие виды растений можно выращивать в аэропонике.

Повышенное воздействие воздуха

Крупный план первой запатентованной опорной конструкции аэропонного растения (1983 г.). Его неограниченная поддержка растения обеспечивает нормальный рост в воздушной/влажной среде и используется до сих пор.

Воздушные культуры максимизируют воздействие воздуха, чтобы обеспечить оптимальный рост растений. Материалы и устройства, которые удерживают и поддерживают растения, выращенные с помощью аэропоники, должны быть полностью свободны от болезней и патогенов. Жизненно важной характеристикой настоящей аэропонной культуры и оборудования являются минимальные функции поддержки растений. Такая конструкция обеспечивает максимальный поток воздуха вокруг растения за счет сведения к минимуму контакта между растением и опорной конструкцией. При долгосрочном аэропонном выращивании крайне важно обеспечить беспрепятственный рост корневой системы, расширение корней, беспрепятственный доступ к чистой воде, адекватный воздухообмен и отсутствие болезней.

Польза кислорода в корневой зоне

Достаточное количество кислорода (O ₂ ) в ризосфере (корневой зоне) имеет важное значение для обеспечения здорового роста растений. В аэропонике, где растения выращиваются в среде воздуха и микрокапель воды , практически любое растение может развиваться и достигать зрелости при обильном снабжении кислородом, водой и питательными веществами.

Некоторые производители предпочитают аэропонные системы другим гидропонным методам: повышенная аэрация питательного раствора обеспечивает большую оксигенацию корней растений, стимулируя рост и помогая предотвратить образование патогенов .

Чистый воздух играет решающую роль в очистке окружающей среды для растений в аэропонике. Неограниченный доступ воздуха необходим для естественного роста и успешного физиологического развития растений. Если опорная конструкция ограничивает естественный рост растения, это может увеличить риск повреждения растения и последующего образования болезней.

Исследователи использовали аэропонику для изучения влияния состава газа в корневой зоне на продуктивность растений. Соффер и Бургер (1988) провели исследование влияния концентрации растворенного кислорода в системе, которую они назвали «аэрогидропоника», которая включала трехуровневую гидро- и аэросистему с отдельными зонами в области корней. Их результаты показали, что растворенный кислород имеет решающее значение для образования корней. Кроме того, они обнаружили, что на участке с туманом, где был предусмотрен питательный туман, количество и длина корней были значительно больше по сравнению с участками с погружением или без тумана. Даже при самой низкой протестированной концентрации кислорода запотевший участок продемонстрировал успешное развитие корней.

Другие преимущества воздуха (CO ₂ )

Аэропоника также предполагает контроль уровня CO ₂ в воздухе системы, что впоследствии влияет на скорость фотосинтеза в растениях.

Использование искусственного освещения для роста дает такие преимущества, как увеличение темпов роста и повышенная надежность по сравнению с солнечным освещением. Этот метод освещения можно эффективно сочетать с аэропоникой для оптимизации роста растений.

Выращивание без болезней

Преимущество аэропоники заключается в ограничении передачи болезней, поскольку она уменьшает контакт между растениями и позволяет сохранять стерильность каждого импульса опрыскивания. Напротив, болезни могут легко распространяться по почве, агрегатам или другим средам выращивания, поражая несколько растений. Традиционные теплицы часто требуют стерилизации твердых сред после каждого урожая, а иногда эти среды просто выбрасывают и заменяют свежими стерильными.

Одним из существенных преимуществ аэропонной технологии является возможность быстро удалить больное растение из опорной конструкции, не нарушая и не заражая другие растения, благодаря изолированному характеру системы.

Первое успешное выращивание базилика из семян в аэропонной системе в современной теплице было достигнуто в 1986 году.

Благодаря уникальной для аэропоники свободной от болезней среде многие растения можно выращивать при более высокой плотности (растений на квадратный метр) по сравнению с более традиционными методами выращивания, такими как гидропоника , почва и технология питательной пленки (NFT). Коммерческие аэропонные системы включают в себя аппаратные функции, которые приспособлены к расширяющейся корневой системе сельскохозяйственных культур.

Исследователи выделили аэропонику как ценный, простой и быстрый метод предварительного скрининга генотипов на устойчивость к определенным заболеваниям рассады или корневым гнилям. Изолирующая природа аэропонных систем позволяет исследователям избежать осложнений, возникающих при изучении этих инфекций в почвенных культурах.

Гидрораспыление воды и питательных веществ

В аэропонном оборудовании используются распылители, распылители, распылители или другие устройства для создания мелкого тумана раствора для доставки питательных веществ к корням растений. Аэропонные системы, как правило, представляют собой системы с замкнутым контуром, предназначенные для создания макро- и микросреды, поддерживающей надежные и стабильные воздушные культуры. Было разработано несколько изобретений для облегчения аэропонного распыления и распыления. Размер капли воды имеет решающее значение для развития корней в аэропонной среде. В коммерческих целях используется гидрораспылитель на 360°, который использует распыление под давлением воздуха для покрытия больших участков корней.

Вариант метода туманообразования, известный как туманпоника , использует ультразвуковые распылители для распыления питательных растворов в аэропонных устройствах низкого давления.

Размер капель воды играет жизненно важную роль в поддержании аэропонного роста. Слишком большие капли воды могут ограничить доступ кислорода к корневой системе. И наоборот, слишком мелкие капли воды, генерируемые ультразвуковыми распылителями, могут привести к чрезмерному росту корневых волосков без развития боковой корневой системы, необходимой для устойчивого роста в аэропонной системе.

Минерализация ультразвуковых преобразователей требует технического обслуживания и представляет собой потенциальный риск выхода из строя компонентов. Это также недостаток металлических форсунок и распылителей. Ограниченный доступ к воде может привести к тому, что растения потеряют тургор и увянут.

Передовые материалы

НАСА предоставило финансирование для исследований и разработки новых передовых материалов, направленных на повышение надежности и сокращение технического обслуживания аэропоники. Было установлено, что для устойчивого аэропонного роста необходим гидрораспыленный туман под высоким давлением с микрокапельками размером от 5 до 50 микрометров.

Чтобы обеспечить долгосрочный рост, система тумана должна обладать значительным давлением, чтобы эффективно проникать в густую корневую систему(ы). Достижение повторяемости имеет решающее значение в аэропонике, и это включает поддержание соответствующего размера гидрораспыленных капель. Ухудшение качества распыления, вызванное минерализацией распыляющих головок, затрудняет подачу водного питательного раствора, что приводит к экологическому дисбалансу в системе аэрокультуры.

материалы малой массы Для решения этой проблемы были разработаны специальные полимерные , которые используются для предотвращения минерализации в устройствах гидрораспыления и распыления следующего поколения. Эти материалы помогают поддерживать эффективность и результативность системы туманообразования.

Поглощение питательных веществ

Крупный план корней, выращенных из семян пшеницы с помощью аэропоники, 1998 г.

Дискретный характер интервальной и продолжительной аэропоники позволяет измерять поглощение питательных веществ с течением времени, даже в различных условиях. Барак и др. провели исследование с использованием аэропонной системы для неразрушающего измерения скорости поглощения воды и ионов клюквой (Барак, Смит и др., 1996).

В ходе своего исследования команда обнаружила, что, измеряя концентрации и объемы входящих и выходящих растворов, они могут точно рассчитать скорость поглощения питательных веществ. Чтобы подтвердить свои выводы, они сравнили результаты с изотопа измерениями N. Как только их аналитический метод был проверен, Barak et al. приступили к сбору дополнительных данных, касающихся клюквы. Это включало изучение суточных изменений в поглощении питательных веществ, изучение корреляции между поглощением аммония и оттоком протонов , а также изучение взаимосвязи между концентрацией ионов и поглощением. Эти результаты подчеркивают потенциал аэропоники не только как ценного исследовательского инструмента для изучения поглощения питательных веществ, но и как средства мониторинга здоровья растений и оптимизации выращивания сельскохозяйственных культур в закрытых средах.

Распыление при давлении, превышающем 65 фунтов на квадратный дюйм (450 кПа), увеличивает биодоступность питательных веществ. Следовательно, количество питательных веществ должно быть значительно уменьшено, чтобы предотвратить ожог листьев и корней. Стоит обратить внимание на большие капли воды на фотографии справа, которые указывают на то, что цикл подачи может быть слишком длинным, а цикл паузы слишком коротким. Оба сценария препятствуют росту боковых корней и развитию корневых волосков. Оптимальные результаты достигаются, когда циклы подкормки максимально короткие, при этом корни остаются слегка влажными, но не чрезмерно сухими. Типичный цикл кормления/паузы составляет менее 2 секунд кормления, за которым следует примерно 1,5-2 минуты паузы, поддерживаемой непрерывно. Однако при использовании аккумуляторной системы время цикла может быть сокращено примерно до 1 секунды кормления и примерно 1 минуты паузы.

Как инструмент исследования

Вскоре после своего развития аэропоника стала ценным исследовательским инструментом, предоставляющим исследователям неинвазивный метод изучения развивающихся корней. Эта инновационная технология расширила возможности проведения экспериментов, предложив большее количество параметров и более широкий диапазон экспериментальных условий.

Точный контроль уровня влажности корневой зоны и доставки воды делает аэропонику особенно подходящей для изучения водного стресса. К. Хубик оценил аэропонику как средство последовательного выращивания растений с минимальным водным стрессом, которое можно использовать в экспериментах по физиологии засухи или наводнений.

Аэропоника выделяется как идеальный инструмент для исследования морфологии корней . Отсутствие агрегатов позволяет исследователям легко получить доступ ко всей неповрежденной структуре корня, не вызывая повреждений, которые могут возникнуть при удалении корней из почвы или агрегатов. Было замечено, что аэропоника дает больше естественных корневых систем по сравнению с гидропоникой.

Терминология

Аэропонное выращивание предполагает выращивание растений в воздушной культуре, что позволяет им развиваться и расти естественным путем.

Аэропонный рост конкретно относится к процессу выращивания растений в воздушной культуре.

Аэропонная система — это совокупность оборудования и компонентов, предназначенных для поддержки роста растений в воздушной культуре.

Аэропонная теплица представляет собой конструкцию с контролируемой средой, изготовленную из стекла или пластика, оснащенную необходимыми инструментами для выращивания растений в среде воздуха/ тумана .

Аэропонные условия относятся к конкретным параметрам окружающей среды, необходимым для поддержания роста растений в воздушной культуре, адаптированным к потребностям конкретного вида растений.

Аэропонные корни — это корневая система, которая развивается при выращивании растений в воздушной культуре.

Виды аэропоники

Агрегаты низкого давления

В большинстве аэропонных садов с низким давлением корни растений подвешиваются над резервуаром с питательным раствором или внутри канала, соединенного с резервуаром. Насос низкого давления используется для подачи питательного раствора либо через форсунки, либо через ультразвуковые преобразователи, а избыток раствора затем капает или сливается обратно в резервуар. Однако по мере того, как растения созревают в этих единицах, некоторые участки корневой системы часто становятся сухими, что препятствует правильному усвоению питательных веществ. Этим устройствам обычно не хватает необходимых функций для очистки питательного раствора и эффективного удаления неоднородностей, мусора и вредных патогенов . Из-за ограничений по стоимости такие устройства часто больше подходят для выращивания в небольших масштабах и для демонстрации принципов аэропоники.

Устройства высокого давления

Корни внутри системы аэропоники высокого давления

Аэропонные методы высокого давления, в которых используется создание тумана с помощью насоса(ов) высокого давления, обычно используются при выращивании ценных культур и образцов растений. Преимущества использования этого метода в садоводстве могут компенсировать более высокие затраты на установку.

Аэропонные системы высокого давления включают в себя передовые технологии очистки воздуха и воды , стерилизации питательных веществ , использования полимеров с малой массой и систем доставки питательных веществ под давлением . Эти функции повышают эффективность и результативность аэропонной установки.

Коммерческие системы

Коммерческие аэропонные системы включают в себя оборудование устройств высокого давления наряду с биологическими системами. Матрица биологических систем включает в себя различные усовершенствования, направленные на продление жизни растений и содействие созреванию сельскохозяйственных культур.

Биологические подсистемы и аппаратные компоненты включают в себя несколько функций и функций, таких как системы контроля сточных вод , меры профилактики заболеваний, механизмы устойчивости к патогенам, точное время и повышение давления питательных растворов, датчики нагрева и охлаждения, температурный контроль растворов, эффективные световые матрицы с оптимизированными фотонами. поток, возможности фильтрации спектра, отказоустойчивые датчики и защитные механизмы, упрощенные функции обслуживания и трудосбережения, а также эргономичный дизайн и функции долгосрочной надежности.

Эти коммерческие аэропонные системы, включая устройства высокого давления, в основном используются для выращивания ценных культур, обеспечивая возможность многократного севооборота в непрерывном коммерческом масштабе.

Передовые коммерческие системы идут еще дальше, объединяя сбор данных, мониторинг, аналитическую обратную связь и подключение к Интернету к различным подсистемам, повышая общую эффективность и производительность.

История

Дополнительная информация: Историческая гидрокультура.

3D-схема автономной коммерческой системы аэропоники, 2020 г.

В 1911 году В. М. Арциховский опубликовал в журнале «Опытная агрономия» статью «О воздушных культурах растений». В этой статье он представил свой метод проведения физиологических исследований корневых систем путем распыления различных веществ в окружающий воздух, известный сейчас как метод аэропоники. Арциховский разработал первые аэропонные системы и продемонстрировал их эффективность при выращивании растений.

В 1942 У. Картер провел новаторские исследования по выращиванию воздушных культур и описал метод выращивания растений в водяном паре для облегчения исследования корней. С 2006 года аэропоника широко используется в сельском хозяйстве во всем мире.

В 1944 году Л. Дж. Клотц сделал важное открытие, опрыскивая цитрусовые растения, что облегчило его исследования болезней, поражающих корни цитрусовых и авокадо. В 1952 году компания GF Trowel успешно вырастила яблони, используя технику опрыскивания.

В 1957 году Ф.В. Вент ввел термин «аэропоника» для описания процесса выращивания в воздухе. Он выращивал кофейные растения и помидоры с корнями, подвешенными на воздухе, питая их путем нанесения питательного тумана на корневую часть.

Машина Генезис, 1983 г.

Корневая система Genesis от GTi, 1983 г.

Первый коммерчески доступный аэропонный аппарат был изготовлен и выведен на рынок компанией GTi в 1983 году. В то время он назывался Genesis Machine , вдохновленным фильмом «Звездный путь II: Гнев Хана» . Машина Genesis продавалась как «Система укоренения Genesis».

Устройство GTi представляло собой систему с водяным приводом разомкнутого контура, управляемую микрочипом . Он подавал гидрораспыленные питательные вещества под высоким давлением в аэропонную камеру. Genesis Machine была разработана для подключения к водопроводному крану и электрической розетке, обеспечивая необходимые ресурсы для работы.

Аэропонное размножение (клонирование)

Устройство GTi для вегетативного черенкования, размножаемое аэропонно, достигнуто в 1983 году.

Аэропонное культивирование произвело революцию в клонировании (вегетативном размножении) растений. Это значительно облегчило размножение многих растений, ранее считавшихся трудными или невозможными, с помощью стеблевых черенков в аэропонике. Нежные лиственные породы и кактусы, которые были чувствительны к бактериальным инфекциям при черенках, теперь можно успешно размножать в аэропонных системах. Успех размножения в аэропонике можно объяснить наличием высокоаэрированной среды вокруг корней, способствующей развитию корневых волосков (Soffer and Burger, 1988). а также усиление корней и общего роста благодаря поступлению питательных веществ через аэропонную систему (Сантос и Фишер, 2009). Кроме того, отсутствие среды для укоренения снижает риск заболеваний корней (Mehandru et al., 2014).

Аэропоника играет решающую роль в размножении растений, которые имеют низкие показатели успеха при вегетативном размножении, растений со значительным медицинским применением, растений с высоким спросом, а также в создании новых сортов конкретных видов растений. Например, Leptadenia reticulata, важное лекарственное растение с низкой скоростью размножения как семенами, так и черенками. обнаружил более легкое распространение с помощью аэропоники (Mehandru et al., 2014). Аэропоника также способствовала распространению вязов, в том числе сортов Ulmus Americana, которые серьезно пострадали от голландской болезни вяза (Oakes et al., 2012).

Аэропоника служит более выгодной альтернативой традиционному методу использования распылителей (Peterson et al., 2018). Он может похвастаться более высоким уровнем успеха по сравнению с верхним опрыскиванием, у которого есть такие недостатки, как потребность в больших объемах воды, потенциальные антисанитарные условия, неравномерное опрыскивание и возможное вымывание питательных веществ из листьев (Peterson et al., 2018). По сути, клонирование стало проще с использованием аэропонного аппарата, поскольку оно инициирует более быстрое и чистое развитие корней в стерильной, богатой питательными веществами, насыщенной кислородом и влажной среде (Hughes, 1983).

Пересадка с воздушными корнями

Клонированная аэропоника пересажена прямо в почву

Аэропоника добилась значительных успехов в технологии культивирования тканей, позволяя ускорить клонирование растений и сократить трудоемкие этапы, связанные с традиционными методами культивирования тканей. Одним из заметных преимуществ аэропоники является ее способность устранять необходимость посадки в почву на стадиях I и II, что было проблемой для производителей тканевых культур. При культуре тканей растения сначала высаживают в стерильную среду (этап I), а затем переносят в стерильную почву (этап II), прежде чем в конечном итоге пересадить в полевой грунт. Весь этот процесс не только трудоемкий, но также подвержен болезням, инфекциям и неудачам.

Используя аэропонику, производители могут напрямую клонировать и пересаживать растения с воздушными корнями в полевые почвы. Аэропонные корни более устойчивы к увяданию, потере листьев и шоку при пересадке по сравнению с традиционными методами, такими как гидропоника. Кроме того, растения с воздушными корнями, как правило, более здоровы и менее восприимчивы к патогенным инфекциям. Тем не менее, важно поддерживать относительную влажность (RH) в корневой камере ниже 70 °F (21 °C), чтобы предотвратить развитие таких проблем, как грибковые комары, водоросли и анаэробные бактерии.

Усилия GTi по разработке полностью пластикового аэропонного метода и устройства, управляемого микропроцессором, открыли новую эру искусственного жизнеобеспечения растений, позволяя им расти естественным путем без использования почвы или традиционной гидропоники. Фактически, GTi получила патент на свою инновационную аэропонную систему в 1985 году.

Аэропоника получила признание как метод, позволяющий сэкономить время и деньги. Экономическое применение аэропоники в сельском хозяйстве находится в стадии разработки в 21 веке.

Система выращивания Genesis, 1985 г.

Теплица GTi Aeroponic Growing System, 1985 г.

В 1985 году GTi представила второе поколение оборудования для аэропоники, известное как «Система выращивания Genesis». Этот новый аппарат представлял собой значительный прогресс в технологии аэропоники, поскольку он представил систему с замкнутым контуром. В системе выращивания Genesis использовались переработанные сточные воды, которые точно контролировались микропроцессором. Благодаря этому нововведению аэропоника расширила свои возможности, включив в нее поддержку прорастания семян, что сделало систему GTi первой в мире аэропонной системой для выращивания и сбора урожая.

Стоит отметить, что многие из этих первых аэропонных систем с открытым и закрытым контуром продолжают успешно работать и по сей день.

Коммерциализация

Аэропоника перешла из лабораторий в сектор коммерческого выращивания. В 1966 году Б. Бриггс, пионер коммерческой аэропоники, успешно пустил корни на черенках лиственных пород путем укоренения в воздухе. Он обнаружил, что черенки, укорененные в воздухе, более крепкие и закаленные по сравнению с черенками, сформированными в почве, и пришел к выводу, что укоренение в воздухе является разумным принципом. Бриггс также обнаружил, что деревья с воздушными корнями можно пересаживать в почву, не испытывая шока при пересадке, который часто наблюдается при гидропонной пересадке.

В 1982 году Л. Нир в Израиле разработал патент на аэропонный аппарат, в котором сжатый воздух низкого давления доставлял питательный раствор к подвешенным растениям, удерживаемым пенопластом. внутри больших металлических контейнеров.

В 1976 году британский исследователь Джон Прюэр провел в Великобритании серию аэропонных экспериментов, в ходе которых салат выращивали от семян до зрелости за 22 дня с использованием трубок из полиэтиленовой пленки. Капли тумана, использованные в этих экспериментах, были созданы оборудованием, поставленным компанией Mee Industries из Калифорнии. В сотрудничестве с Джоном Превером коммерческий производитель Kings Nurseries на острове Уайт в 1984 году использовал систему аэропоники другой конструкции для выращивания растений клубники . Клубника процветала, давая обильный урожай, который высоко ценили покупатели, особенно пожилые люди , ценившие чистоту, качество и вкус плодов, а также удобство сбора их, не наклоняясь.

В 1983 году Р. Стоунер подал патент на первый микропроцессорный интерфейс, предназначенный для подачи водопроводной воды и питательных веществ в закрытую аэропонную камеру, изготовленную из пластика. Впоследствии Стоунер основал несколько компаний, занимающихся исследованием и развитием аэропонного оборудования, интерфейсов, биоконтроля и компонентов для коммерческого производства аэропонных культур.

В 1986 году была создана первая коммерческая аэропонная теплица для производства продуктов питания.

Компания Стоунера, GTi, сыграла новаторскую роль в производстве, маркетинге и применении крупномасштабных аэропонных систем с замкнутым контуром в теплицах для выращивания коммерческих культур.

В 1990-х годах компания General Hydroponics [Europe] (GHE) попыталась представить аэропонику на рынке любительской гидропоники и представила систему Aerogarden. Хотя Aerogarden не соответствовал критериям «настоящей» аэропоники, поскольку он производил капли вместо мелкого тумана, он создал спрос на аэропонное выращивание на рынке хобби. Различие между туманной аэропоникой и капельной аэропоникой в ​​глазах многих стало размытым. Тем не менее, британская фирма Nutricultural провела испытания настоящей туманной аэропоники, которая показала положительные результаты по сравнению с традиционными методами выращивания, такими как технология питательной пленки (NFT) и Ebb & Flood. Несмотря на недостатки стоимости и обслуживания, компания Nutricultural разработала масштабируемую и простую в использовании капельно-аэропоническую систему под названием Amazon, признав, что лучших результатов можно достичь, размножая растения в аэропонном пропагаторе X-stream, а затем передавая их в специально разработанная капельно-аэропонная система выращивания.

Еда, выращенная методом аэропоники

В 1986 году Стоунер достиг важной вехи, став первым человеком, успешно продающим свежие продукты, выращенные с помощью аэропоники, в национальной продуктовой сети. Его достижение привлекло внимание, и его пригласили на интервью NPR , где он подчеркнул значение аэропоники с точки зрения сохранения воды как в современном сельском хозяйстве, так и даже в освоении космоса.

Аэропоника в космосе

Космические растения

Технология жизнеобеспечения НАСА GAP с необработанными бобами (левая трубка) и обработанными биоконтролем бобами (правая трубка), возвращенными с космической станции «Мир» на борту космического корабля «Шаттл» - сентябрь 1997 г.

Растения впервые встретились с орбитой Земли еще в 1960 году во время двух отдельных миссий, а именно «Спутник-4» и «Дискаверер-17» (всесторонний обзор роста растений в космосе в течение первых 30 лет см. в работе Halstead and Scott, 1990). Миссия «Спутник-4» включала в себя доставку семян пшеницы , гороха , кукурузы , зеленого лука и чернушки дамасской , а клетки хлореллы пиреноидозы были доставлены на орбиту в рамках миссии «Дискаверер-17».

После этих ранних начинаний эксперименты на установках проводились в различных миссиях с участием Бангладеш , Китая и совместных советско-американских усилий, включая Биоспутник II, Скайлэб 3 и 4 , Аполлон-Союз , Спутник , Восток и Зонд . Результаты первоначальных исследований пролили свет на то, как низкая сила тяжести влияет на ориентацию корней и побегов (Halstead and Scott, 1990).

Последующие исследования были направлены на изучение влияния низкой гравитации на растения на разных уровнях, таких как организменный, клеточный и субклеточный. На организменном уровне у нескольких видов, включая сосну , овес , маш , салат, кресс-салат и Arabidopsis thaliana, наблюдалось снижение роста рассады, корней и побегов в условиях низкой гравитации. Однако салат, выращенный в ходе миссии «Космос», показал противоположный эффект, продемонстрировав ускоренный рост в космосе (Халстед и Скотт, 1990). Было также обнаружено, что это влияет на поглощение минералов растениями, выращенными в космосе. Например, горох, выращенный в космосе, продемонстрировал повышенный уровень фосфора и калия , в то время как двухвалентные катионы кальция , магния , марганца , цинка и железа показали пониженный уровень (Halstead and Scott, 1990).

Биоуправление в космосе

В 1996 году исследование Ричарда Стоунера по контролю органических заболеваний (ODC) получило финансирование от НАСА. Цель заключалась в разработке естественного жидкого биоконтроля для гидропонных систем с замкнутым контуром, который мог бы предотвращать заболевания растений и повышать урожайность без необходимости использования пестицидов. К 1997 году НАСА провело эксперименты по биоконтролю с раствором ODC Стоунера. Эксперименты проводились с использованием технологии GAP компании BioServe Space Technologies, которая состояла из миниатюрных камер роста. Семена фасоли обрабатывались раствором ODC в трехкратных экспериментах, проведенных на борту космической станции МИР, в Космическом центре Кеннеди и в Университете штата Колорадо в условиях полной темноты, чтобы исключить свет как переменную величину. Целью эксперимента НАСА было исключительно изучение преимуществ биоконтроля.

Результаты экспериментов НАСА по выращиванию бобов в закрытой среде на космической станции МИР и шаттле подтвердили, что ODC способствует увеличению скорости прорастания, лучшему прорастанию, усилению роста и активации естественных механизмов заболеваний растений. Хотя ODC изначально был разработан для НАСА, он не ограничивается космическими приложениями. Производители почвы и гидропоники также могут включать ODC в свои методы посева, поскольку это соответствует стандартам NOP Министерства сельского хозяйства США для органического земледелия.

Одним из ярких примеров расширения ODC в сельском хозяйстве является его применение в индустрии каннабиса . Линия продуктов ODC была разработана специально для новых сельскохозяйственных культур, таких как каннабис. Активные ингредиенты линии каннабиса ODC включают оригинальный ингредиент хитозан в концентрации 0,25%, а также 0,28% коллоидного азота и 0,05% кальция.

Чтобы повысить устойчивость гидропонных и аэропонных систем к болезням растений и снизить зависимость от химических добавок, НАСА изучает возможность интеграции биоконтроля окружающей среды в конструкцию этих систем. Примером такого подхода является Advanced Plant Habitat (APA), развернутый на Международной космической станции (МКС) с 2018 года. Оснащенный более чем 180 датчиками, APA оптимизирует рост и здоровье растений, одновременно уменьшая необходимость в биоконтроле химических добавок. Датчики контролируют различные факторы окружающей среды, включая интенсивность освещения, спектр и фотопериод, температуру, уровень CO2, относительную влажность, орошение, а также очистку растений от этилена и летучих органических соединений (ЛОС). Кроме того, APA оснащен датчиками температуры листьев и корневой зоны, датчиками влажности корневой зоны и измерителями концентрации кислорода.

Этот экологический контроль служит двум основным целям в предотвращении болезней растений. Во-первых, они поддерживают такие условия окружающей среды, которые непосредственно препятствуют развитию болезней, грибков и вредителей. Тщательное регулирование таких факторов, как температура и влажность, снижает риск инфекций, таких как серая гниль листьев, поскольку окружающая среда становится менее благоприятной для распространения болезней. Во-вторых, эти меры контроля создают условия, которые способствуют естественным механизмам предотвращения заболеваний растений, косвенно подавляя последствия болезней растений. Например, эксперименты с перцами, проведенные в условиях синего света, показали повышенную устойчивость к мучнистой росе.

Аэропоника для Земли и космоса

Проращивание семян салата НАСА в аэропонике. День 30.

В 1998 году Стоунер получил финансирование от НАСА на разработку высокопроизводительной аэропонной системы, подходящей для использования как на Земле, так и в космосе. Благодаря своим исследованиям Стоунер продемонстрировал значительное увеличение скорости роста растений салата, выращиваемых в аэропонных системах, по сравнению с другими методами выращивания. Впоследствии НАСА приняло на вооружение многие аэропонные достижения, разработанные Стоунером.

Исследовательские усилия были сосредоточены на выявлении и разработке технологий быстрого роста растений в различных гравитационных средах. Среда с низкой гравитацией создает такие проблемы, как эффективная доставка воды и питательных веществ к растениям, а также утилизация отходов. Производство продуктов питания в космосе также требует решения таких проблем, как управление водными ресурсами, минимизация использования воды и уменьшение веса системы. Кроме того, будущее производство продуктов питания на таких планетах, как Луна и Марс, будет связано с условиями пониженной гравитации. Учитывая различную динамику жидкости при разных уровнях гравитации, оптимизация систем доставки питательных веществ была основным направлением разработки систем роста растений.

В настоящее время используются различные методы доставки питательных веществ как на Земле, так и в условиях низкой гравитации. Субстратно-зависимые методы включают традиционную обработку почвы, зеопонику, агар и насыщенные питательными веществами ионообменные смолы. Помимо субстратозависимых подходов, разработаны беспочвенные методы, в том числе метод питательной пленки, приливы и отливы, аэропоника и другие. Гидропонные системы с высокой пропускной способностью питательного раствора могут обеспечить быстрый рост растений. Однако это требует больших объемов воды и значительной переработки раствора, что создает проблемы для управления растворами в условиях микрогравитации.

Аэропонные системы используют гидрораспыленные распылители для доставки питательных веществ, что приводит к минимальному расходу воды, усилению оксигенации корней и превосходному росту растений. Производительность питательного раствора аэропонных систем выше по сравнению с другими системами, предназначенными для условий с низкой гравитацией. Аэропоника устраняет необходимость в субстратах и ​​уменьшает количество отходов, с которыми приходится обращаться другим системам жизнеобеспечения. За счет устранения потребности в субстрате упрощаются процессы посадки и сбора урожая, упрощается автоматизация, снижается вес и объем расходных материалов, а также исключается потенциальный путь передачи патогенов. Эти преимущества подчеркивают потенциал аэропонного производства в условиях микрогравитации и его эффективность при производстве продуктов питания для космического использования.

Надувная аэропоника НАСА

В 1999 году НАСА выделило финансирование на поддержку разработки надувной аэропонной системы малой массы (АИС) для высокопроизводительного производства продуктов питания как в космосе, так и на Земле. AIS — это автономная и самоподдерживающаяся система, предназначенная для доставки питательных веществ и тумана к корням растений в аэропонной среде. Его надувная конструкция имеет то преимущество, что она легкая и ее можно сдуть, чтобы занять меньший объем во время транспортировки и хранения. Эта текущая версия AIS представляет собой усовершенствование по сравнению с предыдущими конструкциями, в которых использовались жесткие конструкции, производство и транспортировка которых, как правило, обходятся дороже.

На Земле стоимость материалов и транспортировки может создать проблемы для экономической жизнеспособности аэропонных систем для коммерческих производителей. Однако эти проблемы становятся еще более очевидными, если принять во внимание ограничения, налагаемые массой полезной нагрузки для космических перевозок.

Чтобы преодолеть эти ограничения, НАСА разработало специализированные материалы, способные выдерживать суровые космические условия для надувных сред обитания и конструкций. Эти материалы, подобные арамидным волокнам, в настоящее время используются компанией Bigelow Aerospace при разработке расширяемых сред обитания. Успешные испытания были проведены в космосе с одним из расширяемых модулей деятельности Бигелоу, продемонстрировав возможность использования таких надувных конструкций в космической среде.

Преимущества аэропоники для Земли и космоса

Проращивание семян салата НАСА в аэропонике — день 3

Аэропоника обладает многочисленными характеристиками, которые способствуют ее эффективности и результативности как метода выращивания растений.

Меньше питательного раствора повсюду

Проращивание семян салата НАСА в аэропонике — день 12

Растения, выращенные с использованием аэропоники, проводят 99,98% времени на воздухе и только 0,02% находятся в прямом контакте с гидрораспыленным питательным раствором. Этот минимальный контакт с водой позволяет корням эффективно захватывать кислород. Кроме того, гидрораспыленный туман играет важную роль в эффективном насыщении корней кислородом. Сравнение аэропоники и технологии питательной пленки (NFT) показывает, что аэропоника имеет более низкую пропускную способность питательных веществ - 1,5 миллилитра в минуту, в отличие от технологии NFT - 1 литр в минуту.

Снижение объёма пропускания питательных веществ в аэропонике приводит к уменьшению общего количества питательных веществ, необходимых для развития растений.

Еще одним преимуществом снижения производительности, особенно актуальным для космических применений, является уменьшение объема используемой воды. Такое уменьшение объема воды не только уменьшает вес, необходимый для поддержания роста растений, но также уменьшает объем буфера. Кроме того, при аэропонике минимизируется объем сточных вод, производимых растениями, что приводит к уменьшению количества воды, требующей очистки для повторного использования.

Использование относительно небольших объемов раствора в аэропонике в сочетании с ограниченным воздействием на корни гидрораспыленного тумана сводит к минимуму контакт корней с корнями и снижает распространение патогенов среди растений.

Больший контроль над окружающей средой на заводе

Проращивание семян салата НАСА в аэропонике (крупный план окружающей среды корневой зоны) - день 19

Аэропоника обеспечивает больший контроль над средой, окружающей корневую зону, по сравнению с другими системами выращивания растений, такими как гидропоника. В аэропонике корни растений не окружены какой-либо средой постоянно.

Улучшенное кормление питательными веществами

Аэропоника предлагает гибкость в применении различных питательных растворов в корневую зону без необходимости смывать предыдущие растворы или матрицы. Такой высокий уровень контроля особенно ценен для изучения влияния различных режимов питания на конкретные виды растений. Более того, аэропоника обеспечивает более широкий диапазон условий роста по сравнению с другими системами доставки питательных веществ. Например, интервал и продолжительность опрыскивания питательными веществами можно точно отрегулировать в соответствии с конкретными потребностями конкретного вида растений. Это означает, что надземная ткань может находиться в среде, отличной от среды корней.

Более удобный для пользователя

Конструкция аэропонной системы обеспечивает удобное обращение с растениями. Это происходит благодаря индивидуальному разделению растений и их подвешиванию в воздухе, свободном от любой матрицы, которая могла бы захватить корни. В результате сбор каждого растения становится простой задачей. Аналогичным образом можно легко удалить любое зараженное растение без риска выкорчевать или заразить близлежащие растения.

Более экономически эффективный

Крупный план кукурузы, выращенной с помощью аэропоники, и корней внутри аппарата для аэропоники (воздушной культуры), 2005 г.

Аэропонные системы предлагают экономически эффективные преимущества по сравнению с другими системами. Уменьшенный объем пропускной способности раствора, как упоминалось ранее, приводит к снижению потребности в воде и питательных веществах в системе. Кроме того, отсутствие подложек и необходимость во многих движущихся частях способствуют экономии средств.

Использование семенных запасов

Аэропоника предлагает решение, позволяющее минимизировать негативное воздействие патогенов на семенной фонд. Как упоминалось ранее, этому преимуществу способствуют разделение растений и отсутствие общей матрицы роста. Более того, аэропоника обеспечивает закрытую и контролируемую среду, что делает ее идеальной системой для выращивания семян, свободных от патогенов. Закрытая камера выращивания в сочетании с изоляцией растений друг от друга служит для предотвращения первичного заражения внешними возбудителями и ограничивает распространение существующих возбудителей среди растений.

Аэропоника 21 века

Современная аэропоника позволяет с высокой плотностью сажать многие пищевые и садовые культуры без использования пестицидов - благодаря уникальным открытиям на борту космического корабля "Шаттл".

Аэропоника представляет собой значительный прогресс в искусственном жизнеобеспечении растений, предлагая такие преимущества, как не повреждающая поддержка растений, эффективное прорастание семян, точный контроль окружающей среды и неограниченный рост. По сравнению с традиционными сельскохозяйственными методами, такими как гидропоника и капельное орошение, которые использовались десятилетиями, аэропоника обеспечивает заметные улучшения в выращивании растений.

Современная аэропоника

Современные аэропонные методы тщательно исследовались в лаборатории BioServe Space Technologies НАСА ( архивировано 15 июня 2018 г. в Wayback Machine ), расположенной в кампусе Университета Колорадо в Боулдере, штат Колорадо. Этот исследовательский центр занимается разработкой и коммерциализацией аэропонных систем. Кроме того, ученые из Исследовательского центра Эймса провели исследования систем замкнутого цикла, исследуя методы выращивания продовольственных культур в условиях низкой гравитации для поддержки будущих усилий по колонизации космоса .

В 2000 году Стоунер получил патент на свою технологию биоконтроля органических заболеваний, которая позволяет выращивать растения без пестицидов в аэропонных системах.

Заметная веха в аэропонике произошла в 2004 году, когда Эд Харвуд, основатель AeroFarms , изобрел инновационную аэропонную систему, в которой для выращивания салата используется ткань из микрофлиса. Компания AeroFarms, использующая запатентованную аэропонную технологию Harwood, в настоящее время управляет крупнейшей в мире закрытой вертикальной фермой с ежегодно растущей мощностью в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Эта современная ферма использует аэропонную технологию для производства и распространения до двух миллионов фунтов листовой зелени, не содержащей пестицидов, каждый год.

Аэропонное биофарминг

Биофармацевтическая кукуруза, выращенная методом аэропоники, 2005 г.

Аэропонное биофарминг — это инновационный подход, используемый для выращивания фармацевтических лекарств в растениях. Эта технология обеспечивает полную изоляцию, гарантируя, что сточные воды и побочные продукты биофармацевтических культур будут удержаны в пределах установки замкнутого цикла. Примечательным событием стало то, что в 2005 году доктор Нил Риз из Университета штата Южная Дакота провел исследование ГМО с использованием аэропоники для выращивания генетически модифицированной кукурузы .

Доктор Риз считает значительным достижением успешное выращивание кукурузы в аэропонной системе биомассирования . Предыдущие попытки выращивать различные виды кукурузы с помощью гидропоники не увенчались успехом.

Благодаря внедрению передовых методов аэропоники доктор Риз смог собрать зрелые початки генетически модифицированной кукурузы, эффективно удерживая при этом кукурузную пыльцу и отработанные сточные воды, тем самым предотвращая их попадание в окружающую среду. Такое сдерживание гарантирует, что окружающая среда останется свободной от загрязнения ГМО.

Доктор Риз подчеркивает, что аэропоника открывает потенциал для экономически жизнеспособных методов биофармации, что делает ее многообещающим направлением фармацевтического производства.

Масштабная интеграция аэропоники

В 2006 году Институт биотехнологии Вьетнамского национального сельскохозяйственного университета в сотрудничестве со Стоунером учредил докторскую программу последипломного образования, посвященную аэропонике. Агробиотехнический исследовательский центр, возглавляемый профессором Нгуеном Куанг Тхачем, использует аэропонные лаборатории для продвижения производства миниклубневого картофеля во Вьетнаме для сертифицированного выращивания семенного картофеля.

Аэропонные экспланты картофеля на 3-й день после помещения в аэропонную систему, Ханой

Это событие имеет важное историческое значение, поскольку впервые страна уделяет особое внимание аэропонике для поддержки своего сельскохозяйственного сектора, содействия экономическому росту в сельском хозяйстве, удовлетворения растущих потребностей, улучшения качества продуктов питания и увеличения общего производства.

«Мы показали, что аэропоника, больше, чем любая другая форма сельскохозяйственной технологии, значительно улучшит производство картофеля во Вьетнаме. У нас очень мало пахотных земель, аэропоника имеет для нас полный экономический смысл», - подтвердил Тах.

Аэропонная теплица для производства миниклубней картофеля, Ханой, 2006 г.

Интеграция аэропоники во вьетнамское сельское хозяйство начинается с производства недорогих, сертифицированных, свободных от болезней органических миниклубней. Эти миниклубни затем служат местным поставщиком для фермеров, занимающихся посевами семенного и товарного картофеля. Внедрение аэропоники принесет пользу фермерам, выращивающим картофель, поскольку они предоставят им здоровый семенной картофель, выращенный без использования пестицидов. Важно отметить, что, по словам Таха, это также снизит эксплуатационные расходы и увеличит урожайность.

См. также

• Воздушный корень
• Питание растений

Внешние ссылки

• Веб-сайт НАСА: Аэропонные растения
• Веб-сайт НАСА: Высокоэффективное производство продуктов питания с использованием аэропоники. Архивировано 26 марта 2012 г. в Wayback Machine.
• Веб-сайт НАСА: Аэропоника малой массы , заархивировано 26 марта 2012 г. в Wayback Machine.
• «Переосмысление аэропоники для выращивания растений в космических полетах»
• Астронавт Дон Петтит выращивает кабачки во время 31-й экспедиции на МКС
• AeroFarms (платный доступ)