Умный сити-огород

С детства мы слышим, что овощи и зелень полезны для здоровья. А исследования показывают, что производство растительной пищи предпочтительнее и с точки зрения климата. Однако не все промышленное сельское хозяйство для экологии одинаково хорошо. Оно требует большого расхода воды, утекающие в грунтовые воды удобрения могут вызывать цветение водоемов, а пестициды и гербициды — вредить диким животным и даже человеку. Вместе с СФУ разбираемся, можно ли выращивать овощи, затрачивая меньше воды, и как в оптимизации процесса могут помочь цифровые технологии.

Разделяй и властвуй

Сельское хозяйство прежде всего ассоциируется с почвой: «Из землицы все родится», «Чья земля, того и хлеб». Идея выращивать сады и огороды без почвы на первый взгляд кажется даже несколько кощунственной, но главное — невыполнимой. Как же люди не только пришли к этой идее, но и сделали «безземельное» растениеводство более эффективным, чем традиционное?

Почва выполняет три основные функции. Во-первых, она механически удерживает и поддерживает растение, не давая ему, например, падать от ветра. Во-вторых, она служит своеобразным депо для нужных растениям питательных веществ, которые вносятся человеком или образуются естественным путем, например из перегноя. В-третьих, таким же депо почва служит и для воды: во время дождя или полива она впитывает воду, позволяя корням постепенно поглощать ее. Однако даже применение современных систем полива, подводящих воду непосредственно к корням растения, не позволяет использовать ее со стопроцентной эффективностью. Часть жидкости все равно испаряется под солнечными лучами или уходит в более глубокие слои почвы. Если растения обрабатывали удобрениями или пестицидами, то вода уносит с собой и их — в грунтовые воды, а затем и в водоемы. В итоге вместо пользы такие вещества могут принести серьезный вред. Утечка удобрений вызывает цветение водоемов, а утечка пестицидов и гербицидов может быть опасна для диких животных и человека.

Когда растения выращивают методом гидропоники, то есть без почвы, эти функции выполняются отдельно друг от друга.

Для механической поддержки используются искусственные каркасы: опоры конструкции делают из пластика и металла, а для корней используют инертные пористые материалы — например, гравий, керамзит, перлит, опилки и минеральную вату.

Воду и все нужные микроэлементы корни растений получают из питательного раствора. При этом невпитавшийся раствор можно собрать и использовать повторно, так что эффективность использования воды приближается к 100 процентам.

Удобрений тоже нужно меньше, а от другой сельскохозяйственной «химии» — пестицидов и гербицидов — зачастую можно и вовсе отказаться. Сорнякам и вредным насекомым просто негде поселиться в таком огороде.

Наконец, гидропоника позволяет сократить расходы на транспорт. Современная логистика дает возможность пробовать продукты со всего мира, однако за их транспортировку надо платить, причем не только деньгами, но и выбросами в атмосферу. Экологический след авокадо, которое прибыло к столу из Южной Америки, может быть равен экологическому следу говядины. А вот овощи, выращенные в соседнем квартале, дополнительной транспортной нагрузки не несут.

На маленьком плоту

Самый простой вариант гидропоники — сетчатый плот. Растение в этом случае зафиксировано так, что его стебель и ветки остаются над плотом, а корни погружены в воду под ним. Такие огороды на плотах использовали ацтеки еще в XI–XII веках нашей эры. Для закрепления растений они промазывали плоты вулканической глиной. Она же, по всей видимости, служила источником необходимых солей. Существуют свидетельства, что похожие плоты умели делать и китайские крестьяне.

Развитием идей гидропоники можно считать эксперименты фламандского химика Яна Баптиста ван Хельмонта (Jan Baptista van Helmont). Ван Хельмонт хотел выяснить, как растения наращивают массу. В 1624 году он посадил cаженец ивы массой 2 килограмма в горшок с 90 килограммами почвы и в течение следующих пяти лет не добавлял в горшок ничего, кроме дистиллированной и дождевой воды. В финале эксперимента дерево весило 77 килограммов, а масса почвы уменьшилась всего на 2 грамма. Ван Хельмонт заключил, что «75 килограммов древесины, коры и корней возникли только из воды». В конце XVII века английский натуралист Джон Вудворд (John Woodward) выращивал мяту без почвы, но с разными видами воды: дистиллированной, дождевой и загрязненной.

Термин «гидропоника» (от древнегреческого ὕδωρ — «вода» и πόνος — «работа»), впрочем, появился только в 1920-х годах. Его автор — отец современной гидропоники, агроном из Калифорнийского университета Уильям Герике. Коллеги поначалу относились к идеям Герике с большим скепсисом. Администрация учебного заведения даже запретила ему проводить эксперименты с гидропоникой в университетских теплицах, поэтому Герике приходилось сажать растения на собственном заднем дворе. Однако выращенная без почвы помидорная лоза высотой 7,6 метра вызвала сенсацию в научных кругах.

Первый практический успех пришел к гидропонике уже в 1930-х годах, во время развития межконтинентальных перелетов. Американские авиакомпании использовали для дозаправки своих самолетов тихоокеанский атолл Уэйк. На нем располагалась топливная станция и жили сотрудники. Скалистая и перенасыщенная солями почва атолла плохо подходила для земледелия, а доставка свежей пищи с материка была затруднена. Тут на помощь и пришла гидропоника. Гидропонные плантации на атолле Уэйк давали достаточно овощей, чтобы накормить весь персонал станции свежим салатом. Во время Второй мировой войны США активно использовали гидропонику для снабжения тихоокеанских баз. В 1945 году гидропонные плантации по инициативе Министерства авиации Британии появились в Бахрейне и на авиабазе Хаббания в Ираке.

Доказавшая свою эффективность технология продолжила развиваться. Например, в 1960-х годах появилась техника питательного слоя, которая пользуется большой популярностью до сих пор. Развитие люминесцентных светильников позволило разворачивать гидропонные сады в закрытых помещениях, а появление компьютеров, датчиков и сенсоров помогло автоматизировать процесс.

Первое, второе и третье для растений

Из чего состоит «питательный раствор», который обеспечивает растения всем необходимым? К его оптимальному составу ученые пришли не сразу.

Сегодня хорошо известно, что растения получают органические вещества в процессе фотосинтеза, а с водой всасывают только неорганические. Наибольшее значение имеют семнадцать элементов: кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо, медь, марганец, молибден, цинк, хлор, бор и никель.Однако основных компонентов питательного раствора всего шесть: азот в форме аммония (NH₄⁺) и нитрата (NO₃^-), фосфор в форме гидрофосфата (HPO₄^2-) и дигидрофосфата (H₂PO₄^-), сера в форме сульфата (SO₄^2-), а также калий, кальций и магний в форме катионов перечисленных солей. Их количество может доходить до сотен миллиграмм на литр раствора. Остальные элементы добавляют в значительно меньшем количестве — миллиграмм на литр и менее.

Усвоение растениями ионов элементов происходит с разной скоростью и может зависеть как от температуры, так и от состава раствора. Например, ионы калия и аммония конкурируют при всасывании, также калий обычно усваивается хуже в присутствии натрия, а усвоению азота мешает избыток хлорид-ионов.

На сегодняшний день существует несколько стандартизированных питательных растворов, которые может использовать даже начинающий садовод. Владельцы промышленных гидропонных ферм, конечно, чаще всего готовят растворы сами, нередко сохраняя их точный состав в секрете. Но известно, что каждая культура требует своего оптимального соотношения элементов. В зависимости от сорта, строения гидропонной установки, влажности и температуры это соотношение может заметно меняться.

Для большинства растений предпочтительна слабокислая среда раствора (pH от 5,5 до 7,0). Самую кислую среду (до 5,0) предпочитают огурцы и базилик, самую щелочную (до 8,0) — аспарагус. При этом кислотность может меняться уже в процессе вегетации. Обычно это происходит, если катионы и анионы поглощаются с разной скоростью. Например, если анионы нитрата поглощаются быстрее, чем катионы калия, растение может выделять анионы OH^- и HCO₃^-, чтобы сбалансировать суммарный электрический заряд. В этом случае pH раствора нужно повышать.

Сейчас ученые активно работают и над созданием питательных растворов на основе сточных вод, которые традиционно богаты соединениями фосфора и азота. Это может сделать технологии гидропоники еще более дешевыми и экологичными. Растения могут усваивать до 70 процентов азота из сточных вод и до 80 процентов других важных элементов, например меди. При этом загрязнения выращенных таким образом овощей кишечной палочкой или другими болезнетворными организмами ученые не отметили. Тем не менее авторы подчеркивают, что состав сточных вод может сильно меняться в зависимости от региона. До промышленных протоколов и тем более до выхода таких овощей на рынок еще далеко.

Солнце, воздух и вода

В чем еще кроме питательного раствора нуждаются растения?

Во-первых, в кислороде. Причем потребляют кислород не только листья, но и корни, пусть и в меньшем количестве. В природе насыщение кислородом происходит само собой (немного кислорода есть в каждой дождевой капле), а вот в гидропонных установках необходимо придумывать для этого специальные инженерные решения.

Сперва ученые использовали технику периодического затопления. Горшки с растениями время от времени затапливаются питательным раствором, а затем быстро опорожняются. При вытекании раствора создается зона пониженного давления, в которую поступает свежая порция воздуха. Однако такой подход требует постоянного присутствия оператора и для промышленного выращивания не подходит.

Следующим шагом стала техника капельного орошения. Растения помещаются в кубические лотки, раствор поступает в каждый лоток по тонким капиллярам, а его излишки стекают вниз по желобу. Эту технику используют до сих пор.

Еще один подход предполагает использование тонкого питательного слоя. Растения размещают в отверстиях наклонного желоба, а раствор подается из бака снизу вверх к его противоположному концу, чтобы затем стечь обратно в бак и вернуться в цикл. Таким образом раствор образует в желобе тонкую пленку, а площадь соприкосновения с воздухом увеличивается. Это позволяет насытить корни кислородом. Существует и более совершенная версия этой техники: вместо того чтобы пускать раствор через желоб, его распыляют с помощью нескольких форсунок, что позволяет увеличить площадь соприкосновения с воздухом. Такой подход называют аэрогидропоникой.

Во-вторых, растения не выживут без света. Он нужен для фотосинтеза, а кроме того, несет и регуляторные функции: изменение светового дня определяет многие процессы, в том числе и цветение.

Первые гидропонные установки размещались на открытом пространстве и использовали естественный солнечный свет. Однако сейчас такие фермы, как правило, находятся в полностью закрытых помещениях, причем растения располагаются друг под другом.

Вместо солнца в таких умных огородах используют люминесцентные источники света, над каждым уровнем растений размещается свой ряд ламп. В этом заключается главная проблема люминесцентной гидропоники — дополнительное использование электричества. Если во всем остальном — использовании воды, удобрений и пестицидов — гидропоника гораздо экологичнее и эффективнее традиционного земледелия, то это ее главная ахиллесова пята.

Впрочем, ученые ищут новые люминофоры и люминесцентные материалы с более высоким квантовым выходом, которые позволят экономить электроэнергию. В некоторых установках растения помещают на внутренней поверхности трубы. Лампа в такой конструкции находится внутри трубы, и в результате ее света хватает на большее количество растений. Если же запитать лампы от солнечных батарей, размещенных, например, на крыше здания, то расход электричества и вовсе сократится до минимума.

Умная сити-ферма в СФУ

В России гидропоника развивается активно не только как любительский метод выращивания овощей на частном балконе, но и как промышленная отрасль с оптимизацией процессов и разработкой новых, более эффективных методик. Одни из пионеров этой отрасли — специалисты лаборатории сити-фарминга Сибирского федерального университета (СФУ) под руководством кандидата физико-математических наук Ивана Тимофеенко.

Биологи и агрономы подбирают виды овощей и зелени, которые хорошо подойдут для сити-фарминга, а затем ищут для каждого вида оптимальный состав раствора и световой режим.

Инженеры разрабатывают экономичные светодиодные светильники. В их арсенале есть лампа с регулируемым спектром, которая позволяет выставлять оптимальный световой режим не только для разных видов растений, но и для каждого периода вегетации. Например, во время активного набора биомассы можно использовать одно соотношение синего, красного и зеленого, а во время цветения — другое. Прочитать об этом подробнее можно в нашем материале «Место под светом».

Разработчики создают системы мониторинга, которые помогают биологам контролировать необходимые параметры — pH и состав раствора, температуру, влажность — в режиме реального времени и корректировать их при необходимости.

Есть в команде лаборатории сити-фарминга и гастрономы, которые оценивают качество и пищевую ценность полученных ягод, зелени и пряных трав.

Специалисты СФУ разрабатывают умные фермы для использования в черте города. При этом небольшие огороды с зеленью и салатом и вовсе можно будет разместить прямо на местах использования — в супермаркетах и ресторанах. Так что такая зелень будет самой свежей и зеленой во всех возможных смыслах.

Реклама: ИНН 2463011853, ФГАОУ ВО «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2SDnjbofHax