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 тяжкий труд). Он относится к категории гидропоники , поскольку в аэропонике для доставки питательных веществ к растениям используется вода . [1]
Основной 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. [2] Верхняя часть растения, включая листья и крону , называемая навесом , простирается выше. Опорная структура растения удерживает корни отдельно. Чтобы минимизировать труд и расходы, пенопласт с закрытыми ячейками часто сжимается вокруг нижнего стебля и вставляется в отверстие в аэропонной камере. В случае более крупных растений для поддержки веса растительности и плодов используется шпалера .
Цель состоит в том, чтобы поддерживать среду, свободную от вредителей и болезней , позволяя растениям процветать и расти быстрее, чем те, которые выращиваются в среде для выращивания . Однако, поскольку большинство аэропонных сред не полностью изолированы от внешнего мира, вредители и болезни все еще могут представлять угрозу. Контролируемая среда способствует развитию растений, здоровью, росту, цветению и плодоношению для различных видов и сортов растений .
Из-за чувствительности корневых систем аэропоника часто сочетается с обычной гидропоникой . Это служит резервным источником питания и воды в случае сбоя в работе аэропонной системы, выступая в качестве экстренного «спасителя урожая».
Высоконапорная аэропоника относится к методу доставки питательных веществ к корням с помощью распылительных головок с диапазоном размеров 20-50 микрометров. Это достигается с помощью мембранного насоса высокого давления , работающего при давлении около 80 фунтов на квадратный дюйм (550 кПа).
Воздушные культуры максимизируют воздействие воздуха для обеспечения оптимального роста растений. Материалы и устройства, которые удерживают и поддерживают аэропонные растения, должны быть полностью свободны от болезней или патогенов. Важнейшей характеристикой настоящей аэропонной культуры и оборудования являются минимальные особенности поддержки растений. Такая конструкция обеспечивает максимальный поток воздуха вокруг растения, сводя к минимуму контакт между растением и опорной конструкцией. При долгосрочном аэропонном выращивании крайне важно обеспечить, чтобы корневые системы были свободны, обеспечивая неограниченный рост, расширение корней, беспрепятственный доступ к чистой воде, адекватный воздухообмен и условия, свободные от болезней. [2] [ неудавшаяся проверка ]
Достаточное количество кислорода (O 2 ) в ризосфере (корневой зоне) необходимо для обеспечения здорового роста растений. В аэропонике, где растения выращиваются в среде воздуха и микрокапель воды , почти любое растение может процветать и достигать зрелости при обильном снабжении кислородом, водой и питательными веществами.
Некоторые производители предпочитают аэропонные системы другим гидропонным методам, поскольку повышенная аэрация питательного раствора обеспечивает большую оксигенацию корней растений, стимулируя рост и помогая предотвратить образование патогенов . [2] [ проверка не пройдена ]
Чистый воздух играет решающую роль в очистке окружающей среды для растений в аэропонике. Неограниченный доступ к воздуху необходим для естественного роста растений и успешного физиологического развития. Если опорная конструкция ограничивает естественный рост растения, это может увеличить риск повреждения растения и последующего образования болезней. [2] [ не удалось проверить ]
Исследователи использовали аэропонику для изучения влияния газового состава в корневой зоне на производительность растений. Соффер и Бургер (1988) провели исследование влияния концентраций растворенного кислорода в системе, которую они назвали «аэро-гидропоника», которая включала 3-уровневую гидро- и аэросистему с отдельными зонами в корневой зоне. Их результаты показали, что растворенный кислород имеет решающее значение для формирования корней. Кроме того, они обнаружили, что в затуманенной секции, где был предоставлен питательный туман, количество и длина корней были последовательно больше по сравнению с погруженными или не затуманенными секциями. Даже при самой низкой испытанной концентрации кислорода затуманенная секция демонстрировала успешное развитие корней. [2] [ не удалось проверить ]
Аэропоника также подразумевает управление уровнем CO2 в воздухе системы, что впоследствии влияет на скорость фотосинтеза в растениях.
Использование искусственного освещения для роста дает такие преимущества, как повышенные темпы роста и повышенная надежность по сравнению с солнечным освещением. Этот метод освещения можно эффективно комбинировать с аэропоникой для оптимизации роста растений. [2] [ не пройдена проверка ]
Аэропоника дает преимущество ограничения передачи болезней, поскольку она уменьшает контакт между растениями, и каждый импульс распыления может быть стерильным. Напротив, болезни могут легко распространяться по почве, заполнителю или другим средам выращивания, поражая несколько растений. Традиционные теплицы часто требуют стерилизации твердых сред после каждого урожая, и иногда эти среды просто выбрасываются и заменяются свежими, стерильными. [2] [ не пройдена проверка ]
Одним из существенных преимуществ аэропонной технологии является возможность быстрого удаления больного растения из опорной конструкции, не повреждая и не заражая другие растения, благодаря изолированному характеру системы.
Благодаря уникальной среде, свободной от болезней, свойственной аэропонике, многие растения можно выращивать с более высокой плотностью (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 приспосабливаются к расширяющимся корневым системам культур.
Исследователи выделили аэропонику как ценный, простой и быстрый метод предварительного скрининга генотипов на устойчивость к определенным заболеваниям рассады или корневым гнилям. [3] Изолирующая природа аэропонных систем позволяет исследователям избегать осложнений, возникающих при изучении этих инфекций в почвенных культурах.
Аэропонное оборудование использует распылители, туманообразователи, фоггеры или другие устройства для создания мелкодисперсного тумана раствора для доставки питательных веществ к корням растений. Аэропонные системы, как правило, представляют собой замкнутые системы, предназначенные для обеспечения макро- и микросред, которые поддерживают надежные и постоянные воздушные культуры. Было разработано несколько изобретений для облегчения аэропонного распыления и туманообразования. Размер капли воды имеет решающее значение для развития корней в аэропонной среде. В коммерческих приложениях используется гидрораспылитель 360°, который использует туман под давлением воздуха для покрытия больших площадей корней.
Разновидность метода распыления, известная как туманопоника , использует ультразвуковые генераторы тумана для распыления питательных растворов в аэропонных устройствах низкого давления.
Размер капель воды играет 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. [2] [ не пройдена проверка ]
Минерализация ультразвуковых преобразователей требует обслуживания и представляет потенциальный риск отказа компонентов. Это также недостаток металлических распылительных форсунок и туманообразователей. Ограниченный доступ к воде может привести к потере тургора и увяданию растений.
NASA предоставило финансирование для исследований и разработок новых передовых материалов, направленных на повышение надежности и сокращение обслуживания в аэропонике. Было установлено, что для устойчивого аэропонного роста необходим гидрораспыленный туман высокого давления с микрокапельками размером от 5 до 50 микрометров.
Для обеспечения долгосрочного роста система туманообразования должна обладать значительным давлением для эффективного проникновения в густую корневую систему(ы). Достижение повторяемости имеет решающее значение в аэропонике, и это включает поддержание соответствующего размера гидрораспыленных капель. Деградация распыления, вызванная минерализацией головок туманообразования, затрудняет доставку водного раствора питательных веществ, что приводит к экологическому дисбалансу в системе воздушной культуры.
Для решения этой проблемы были разработаны специальные полимерные материалы с низкой массой , которые используются для предотвращения минерализации в следующем поколении гидрораспылительных струйных распылителей. Эти материалы помогают поддерживать эффективность и производительность системы распыления.
Дискретный характер интервальной и длительной 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 в клюкве (Барак, Смит и др., 1996). [4]
В своем исследовании команда обнаружила, что, измеряя концентрации и объемы входящих и исходящих растворов, они могли точно рассчитать скорость поглощения питательных веществ. Чтобы подтвердить свои выводы, они сравнили результаты с измерениями изотопов N. После того, как их аналитический метод был проверен, Барак и др. приступили к сбору дополнительных данных, специфичных для клюквы. Это включало изучение суточных колебаний поглощения питательных веществ, изучение корреляции между поглощением аммония и оттоком протонов и исследование связи между концентрацией и поглощением ионов. Эти выводы подчеркивают потенциал аэропоники не только как ценного исследовательского инструмента для изучения поглощения питательных веществ, но и как средства для мониторинга здоровья растений и оптимизации выращивания сельскохозяйственных культур в закрытых условиях. [5]
Распыление при давлении, превышающем 65 фунтов на квадратный дюйм (450 кПа), увеличивает биодоступность питательных веществ. Следовательно, концентрация питательных веществ должна быть значительно снижена, чтобы предотвратить ожог листьев и корней. Стоит отметить большие капли воды на фотографии справа, которые указывают на то, что цикл подачи может быть слишком длинным или цикл паузы слишком коротким. Оба сценария препятствуют росту боковых корней и развитию корневых волосков. Оптимальные результаты достигаются, когда циклы подачи максимально короткие, при этом корни остаются слегка влажными, но никогда не чрезмерно сухими. Типичный цикл подачи/паузы составляет менее 2 секунд подачи, за которыми следует приблизительно 1,5-2 минуты паузы, поддерживаемой непрерывно. Однако при включении аккумуляторной системы время цикла может быть дополнительно сокращено до менее чем приблизительно 1 секунды подачи и около 1 минуты паузы.
Вскоре после своего развития аэропоника стала ценным исследовательским инструментом, предоставив исследователям неинвазивный метод изучения развивающихся корней. Эта инновационная технология расширила возможности проведения экспериментов, предложив большее количество параметров и более широкий диапазон экспериментальных условий. [6]
Точный контроль над уровнем влажности корневой зоны и подачей воды делает аэропонику особенно подходящей для изучения водного стресса. К. Хабик оценил аэропонику как средство для последовательного производства растений с минимальным водным стрессом, что может быть использовано в экспериментах по физиологии засухи или наводнения. [7]
Аэропоника — лучший выбор, когда дело доходит до исследования морфологии корней . Отсутствие агрегатов позволяет исследователям легко получить доступ ко всей, неповрежденной структуре корней, не вызывая повреждений, которые могут возникнуть при извлечении корней из почвы или агрегатов. Было замечено, что аэропоника дает больше естественных корневых систем по сравнению с гидропоникой. [8]
Аэропонное выращивание подразумевает выращивание растений в воздушной среде, что позволяет им развиваться и расти естественным образом. [2] [ проверка не удалась ]
Аэропонное выращивание конкретно относится к процессу выращивания растений в воздушной культуре.
Аэропонная система представляет собой совокупность оборудования и компонентов, предназначенных для поддержки роста растений в воздушной культуре.
Аэропонная теплица — это конструкция с контролируемой средой, изготовленная из стекла или пластика, оснащенная необходимыми инструментами для выращивания растений в воздушно- туманной среде.
Аэропонные условия подразумевают особые параметры окружающей среды, необходимые для поддержания роста растений в воздушной культуре, адаптированные к потребностям конкретного вида растений.
Аэропонные корни — это корневая система, которая развивается при выращивании растений в воздушной культуре.
В большинстве аэропонных садов низкого давления корни растений подвешены над резервуаром с питательным раствором или внутри канала, соединенного с резервуаром. Насос низкого давления используется для подачи питательного раствора либо через струи, либо через ультразвуковые преобразователи, а избыток раствора затем капает или сливается обратно в резервуар. Однако по мере созревания растений в этих агрегатах некоторые участки корневой системы часто становятся сухими, что препятствует надлежащему усвоению питательных веществ. Эти агрегаты, как правило, не обладают необходимыми функциями для очистки питательного раствора и эффективного удаления несоответствий, мусора и вредных патогенов . Из-за своих ограничений по стоимости такие агрегаты часто больше подходят для мелкомасштабного настольного выращивания и для демонстрации принципов аэропоники.
Высоконапорные аэропонные технологии, которые используют генерацию тумана с помощью насоса(ов) высокого давления, обычно применяются при выращивании ценных культур и образцов растений. Преимущества использования этого метода в садоводстве могут компенсировать более высокие затраты на установку.
Высоконапорные аэропонные системы включают в себя передовые технологии очистки воздуха и воды , стерилизации питательных веществ, использования полимеров с низкой массой и систем подачи питательных веществ под давлением. Эти особенности повышают эффективность и результативность аэропонной установки.
Коммерческие аэропонные системы включают в себя аппаратные средства высокого давления вместе с биологическими системами. Матрица биологических систем включает в себя различные усовершенствования, направленные на продление жизни растений и содействие созреванию урожая.
Биологические подсистемы и аппаратные компоненты охватывают ряд особенностей и функций, таких как системы контроля сточных вод , меры профилактики заболеваний, механизмы устойчивости к патогенам, точное определение времени и повышение давления питательных растворов, датчики для нагрева и охлаждения, терморегулирование растворов, эффективные световые матрицы с оптимизированным потоком фотонов, возможности спектральной фильтрации, отказоустойчивые датчики и защитные механизмы, функции сокращения технического обслуживания и экономии труда, а также эргономичный дизайн и функции долгосрочной надежности.
Эти коммерческие аэропонные системы, включая устройства высокого давления, в основном используются для выращивания ценных культур, позволяя осуществлять многократный севооборот в непрерывном коммерческом масштабе.
Современные коммерческие системы идут еще дальше, объединяя сбор данных, мониторинг, аналитическую обратную связь и подключение к Интернету для различных подсистем, что повышает общую эффективность и производительность. [9]
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 окружающем воздухе, который сейчас известен как метод аэропоники. Арциховский сконструировал первые аэропонные системы и показал их эффективность для выращивания растений.
В 1942 году У. Картер провел пионерское исследование по выращиванию культур в воздухе и описал метод выращивания растений в водяном паре для облегчения исследования корней. [10] С 2006 года аэропоника широко используется в сельском хозяйстве по всему миру. [11]
В 1944 году Л. Дж. Клотц сделал важное открытие, распыляя растения цитрусовых, что облегчило его исследования болезней, поражающих корни цитрусовых и авокадо. В 1952 году Г. Ф. Трауэл успешно вырастил яблони, используя технику распыления. [6]
В 1957 году Ф. В. Вент ввел термин «аэропоника» для описания процесса выращивания в воздухе. Он выращивал кофейные растения и томаты с корнями, подвешенными в воздухе, питая их путем нанесения питательного тумана на корневую часть. [6]
Первый коммерчески доступный аэропонный аппарат был изготовлен и выведен на рынок компанией GTi в 1983 году. В то время он назывался Genesis Machine , вдохновленный фильмом Star Trek II: The Wrath of Khan . Genesis Machine продавался как «Genesis Rooting System». [12]
Устройство GTi представляло собой открытую систему с приводом от воды, контролируемую микрочипом . Оно подавало гидрораспыленный питательный спрей высокого давления в аэропонную камеру. Машина Genesis была разработана для подключения к водопроводному крану и электрической розетке, что обеспечивало необходимые ресурсы для работы. [12]
Аэропонное культивирование произвело революцию в клонировании (вегетативном размножении) растений. Оно значительно облегчило размножение многочисленных растений, ранее считавшихся сложным или невозможным, с помощью стеблевых черенков в аэропонике. Нежные лиственные породы и кактусы, которые были чувствительны к бактериальным инфекциям при размножении черенками, теперь можно успешно размножать в аэропонных системах. Успех размножения в аэропонике можно объяснить высокоаэрируемой средой вокруг корней, способствующей развитию корневых волосков (Soffer and Burger, 1988), [13] , а также усиленным ростом корней и общим ростом за счет подачи питательных веществ через аэропонную систему (Santos and Fisher, 2009). [14] Кроме того, отсутствие корневой среды снижает риск заболеваний корней (Mehandru et al., 2014). [15]
Аэропоника играет решающую роль в размножении растений, которые имеют низкие показатели успеха при вегетативном размножении, растений со значительными медицинскими применениями, растений с высоким спросом и в создании новых сортов определенных видов растений. Например, Leptadenia reticulata, важное лекарственное растение с низкими показателями репродуктивности как через семена, так и через черенки, [15] обнаружило более легкое размножение с помощью аэропоники (Mehandru et al., 2014). [15] Аэропоника также способствовала доступности вязов, включая сорта Ulmus Americana, которые были серьезно поражены голландской болезнью вязов (Oakes et al., 2012). [16]
Аэропоника служит более выгодной альтернативой традиционному методу использования распылителей верхнего распыления (Peterson et al., 2018). [17] Она может похвастаться более высоким уровнем успеха по сравнению с распылителями верхнего распыления, которые имеют такие недостатки, как потребность в больших объемах воды, потенциальные антисанитарные условия, неравномерное покрытие распылением и возможное вымывание питательных веществ из листвы (Peterson et al., 2018). [17] По сути, клонирование стало проще с использованием аэропонного аппарата, поскольку он инициирует более быстрое и чистое развитие корней через стерильную, богатую питательными веществами, высоконасыщенную кислородом и влажную среду (Hughes, 1983). [2] [ неудачная проверка ]
Аэропоника достигла значительных успехов в технологии культивирования тканей, что позволило ускорить клонирование растений и сократить трудоемкие этапы, связанные с традиционными методами культивирования тканей. Одним из заметных преимуществ аэропоники является ее способность устранять необходимость в посадках на стадии I и стадии II в почву, что было проблемой для производителей тканевой культуры. В культуре тканей растения сначала высаживаются в стерильную среду (стадия I), а затем переносятся в стерильную почву (стадия II), прежде чем в конечном итоге пересаживаются в полевую почву. Весь этот процесс не только трудоемкий, но и подвержен болезням, инфекциям и неудачам.
Используя аэропонику, производители могут напрямую клонировать и пересаживать растения с воздушными корнями в почву. Аэропонные корни более устойчивы к увяданию, потере листьев и шоку от пересадки по сравнению с традиционными методами, такими как гидропоника. Более того, растения с воздушными корнями, как правило, более здоровы и менее восприимчивы к патогенным инфекциям. [6] Однако важно поддерживать относительную влажность (RH) в корневой камере ниже 70 °F (21 °C), чтобы предотвратить развитие таких проблем, как грибковые комарики, водоросли и анаэробные бактерии.
Усилия GTi по разработке полностью пластикового аэропонного метода и аппарата, управляемого микропроцессором, открыли новую эру искусственной поддержки жизни растений, позволяя им расти естественным образом без использования почвы или традиционной гидропоники. Фактически, GTi получила патент на свою инновационную аэропонную систему в 1985 году.
Аэропоника получила признание как технология, экономящая время и деньги. [ требуется ссылка ] Экономическое применение аэропоники в сельском хозяйстве находится в стадии разработки в 21 веке. [ требуется ссылка ]
В 1985 году GTi представила второе поколение оборудования для аэропоники, известное как «Genesis Growing System». Этот новый аппарат представлял собой значительный шаг вперед в технологии аэропоники, поскольку он представлял собой замкнутую систему. Genesis Growing System использовала переработанные стоки, которые точно контролировались микропроцессором. Благодаря этому нововведению аэропоника расширила свои возможности, включив поддержку прорастания семян, что сделало систему GTi первой в мире аэропонной системой для посадки и сбора урожая.
Стоит отметить, что многие из этих ранних аэропонных систем открытого и закрытого цикла продолжают успешно работать и по сей день.
Аэропоника перешла из лабораторий в сектор коммерческого выращивания. В 1966 году Брюс Бриггс, пионер коммерческой аэропоники, успешно индуцировал корни на черенках твердых пород деревьев с помощью воздушного укоренения. Он обнаружил, что черенки с воздушными корнями были более крепкими и закаленными по сравнению с теми, которые были сформированы в почве, и пришел к выводу, что воздушное укоренение было разумным принципом. Бриггс также обнаружил, что деревья с воздушными корнями можно пересаживать в почву, не испытывая шока от пересадки, который часто наблюдается при гидропонной пересадке. [18]
В 1982 году Исаак Нир в Израиле получил патент на аэропонный аппарат, который использовал сжатый воздух низкого давления для подачи питательного раствора к подвешенным растениям, удерживаемым пенополистиролом [ необходимо разъяснение ] внутри больших металлических контейнеров. [19]
В 1976 году британский исследователь Джон Прюэр провел серию экспериментов по аэропонике в Великобритании, где салат выращивался от семени до зрелости за 22 дня с использованием полиэтиленовых пленочных трубок. Капли тумана, используемые в этих экспериментах, генерировались оборудованием, поставленным Mee Industries из Калифорнии. [20] В сотрудничестве с Джоном Прюэром коммерческий производитель Kings Nurseries на острове Уайт использовал другую конструкцию системы аэропоники в 1984 году для выращивания растений клубники . Клубника расцвела, дав обильный урожай, который высоко оценили клиенты, особенно пожилые люди , которые ценили чистоту, качество и вкус плодов, а также удобство сбора их без наклонов.
В 1983 году Ричард Стоунер подал патент на первый микропроцессорный интерфейс, разработанный для подачи водопроводной воды и питательных веществ в закрытую аэропонную камеру из пластика. Впоследствии Стоунер основал несколько компаний, занимающихся исследованием и развитием аэропонного оборудования, интерфейсов, биоконтроля и компонентов для коммерческого аэропонного производства культур. [6]
Компания Стоунера, Genesis Technology Inc, сыграла новаторскую роль в производстве, маркетинге и применении крупномасштабных замкнутых аэропонных систем в теплицах для коммерческого производства сельскохозяйственных культур. [21]
В 1990-х годах компания General Hydroponics [Europe] (GHE) попыталась внедрить аэропонику на рынок любительской гидропоники и представила систему Aerogarden. Хотя Aerogarden не соответствовала критериям «истинной» аэропоники, поскольку вместо мелкодисперсного тумана она производила капли, она создала спрос на аэропонное выращивание на любительском рынке. [ кем? ] Различие между аэропоникой с туманом и аэропоникой с капельным распылением стало размытым в глазах многих. [ кем? ] Однако британская фирма Nutriculture провела испытания аэропоники с настоящим туманом, которые показали положительные результаты по сравнению с традиционными методами выращивания, такими как Nutrient Film Technique (NFT) и Ebb & Flood. Несмотря на недостатки, связанные с затратами и обслуживанием, компания Nutriculture разработала масштабируемую, простую в использовании капельно-аэропонную систему под названием Amazon, признав, что лучших результатов можно добиться, размножая растения в их фирменном аэропонном пропагаторе X-stream, а затем перенося их в специально разработанную капельно-аэропонную систему выращивания.
В 1986 году Стоунер достиг важной вехи, став первым человеком, который успешно продал свежую аэропонную еду национальной продуктовой сети. Его достижение привлекло внимание, и его пригласили на интервью на NPR , где он подчеркнул важность аэропоники с точки зрения сохранения воды, как в современном сельском хозяйстве, так и в исследовании космоса. [11]
Растения впервые встретились с орбитой Земли в 1960 году во время двух отдельных миссий, а именно Спутника 4 и Дискаверера 17 (для всестороннего обзора роста растений в космосе за первые 30 лет см. Halstead and Scott, 1990). [22] Миссия Спутника 4 включала перевозку семян пшеницы , гороха , кукурузы , зеленого лука и Nigella damascena , в то время как клетки Chlorella pyrenoidosa были доставлены на орбиту миссией Дискаверера 17. [11] [23]
После этих ранних начинаний эксперименты с растениями проводились в различных миссиях с участием Бангладеш , Китая и совместных советско-американских усилий, включая Biosatellite II, Skylab 3 и 4 , Apollo-Soyuz , Sputnik , Vostok и Zond . Первоначальные результаты исследований проливают свет на то, как низкая гравитация влияет на ориентацию корней и побегов (Halstead and Scott, 1990). [11]
Последующие исследования были направлены на изучение влияния низкой гравитации на растения на разных уровнях, таких как организменный, клеточный и субклеточный. На организменном уровне несколько видов, включая сосну , овес , маш , салат, кресс-салат и Arabidopsis thaliana, продемонстрировали снижение роста саженцев, корней и побегов в условиях низкой гравитации. Однако салат, выращенный в миссии «Космос», продемонстрировал противоположный эффект, продемонстрировав усиленный рост в космосе (Халстед и Скотт, 1990). Было также обнаружено, что поглощение минералов растениями, выращенными в космосе, также пострадало. Например, горох, выращенный в космосе, продемонстрировал повышенные уровни фосфора и калия , в то время как двухвалентные катионы кальция , магния , марганца , цинка и железа продемонстрировали пониженные уровни (Халстед и Скотт, 1990). [24]
В 1996 году исследования Ричарда Стоунера по органическому контролю заболеваний (ODC) получили финансирование от NASA. Целью была разработка натурального жидкого раствора биоконтроля для замкнутых гидропонных систем, который мог бы предотвращать заболевания растений и увеличивать урожайность без необходимости использования пестицидов. К 1997 году NASA 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 MIR, в Космическом центре Кеннеди и в Университете штата Колорадо в условиях полной темноты, чтобы исключить свет как переменную. Эксперимент NASA был сосредоточен исключительно на изучении преимуществ биоконтроля.
Результаты экспериментов NASA с бобами в закрытой среде на космической станции MIR и шаттле подтвердили, что ODC способствовал повышению скорости прорастания, лучшему прорастанию, усилению роста и активизации естественных механизмов болезней растений. Хотя изначально ODC был разработан для NASA, он не ограничивается космическим применением. Производители, выращивающие растения на почве и гидропонике, также могут включать ODC в свои методы посадки, поскольку он соответствует стандартам USDA NOP для органического земледелия.
Одним из примечательных примеров расширения ODC в сельском хозяйстве является его применение в индустрии каннабиса . Линейка продуктов ODC была разработана специально для новых сельскохозяйственных культур, таких как каннабис. Активные ингредиенты в линейке каннабиса ODC включают оригинальный ингредиент хитозан в концентрации 0,25%, а также 0,28% коллоидного азота и 0,05% кальция. [25] [26]
Чтобы повысить устойчивость гидропонных и аэропонных систем к болезням растений и снизить зависимость от химических добавок, NASA изучает возможность интеграции экологических биоконтролей в конструкцию этих систем. Advanced Plant Habitat (APA), развернутая на Международной космической станции (МКС) с 2018 года, является примером такого подхода. Оснащенная более чем 180 датчиками, APA оптимизирует рост и здоровье растений, одновременно снижая потребность в химических добавках для биоконтроля. Датчики отслеживают различные факторы окружающей среды, включая интенсивность освещения, спектр и фотопериод, температуру, уровень CO2, относительную влажность, орошение, а также очистку этилена и летучих органических соединений (ЛОС) растительного происхождения. Кроме того, APA оснащена датчиками температуры листьев и корневой зоны, датчиками влажности корневой зоны и измерителями концентрации кислорода. [27] [28] [29]
Эти меры контроля окружающей среды служат двум основным целям в подавлении болезней растений. Во-первых, они поддерживают условия окружающей среды, которые напрямую препятствуют росту болезней, грибков и вредителей. Тщательно регулируя такие факторы, как температура и влажность, риск инфекций, таких как серая гниль в листьях, снижается, поскольку окружающая среда становится менее благоприятной для распространения болезней. Во-вторых, эти меры контроля создают условия, которые способствуют естественным механизмам профилактики болезней растений, косвенно подавляя последствия болезней растений. Например, эксперименты с перцами, проведенные в условиях синего света, показали повышенную устойчивость к мучнистой росе. [30]
В 1998 году Стоунер получил финансирование от НАСА на разработку высокопроизводительной аэропонной системы, пригодной для использования на Земле и в космосе. Благодаря своим исследованиям Стоунер продемонстрировал значительное увеличение темпов роста растений салата, выращиваемых в аэропонных системах, по сравнению с другими методами выращивания. Впоследствии НАСА переняло многие из аэропонных достижений, разработанных Стоунером.
Научно-исследовательские усилия были сосредоточены на выявлении и разработке технологий для быстрого роста растений в различных гравитационных средах. Среды с низкой гравитацией представляют такие проблемы, как эффективная доставка воды и питательных веществ растениям, а также утилизация отходов. Производство продуктов питания в космосе также требует решения таких проблем, как управление водными ресурсами, минимизация потребления воды и снижение веса системы. Кроме того, будущее производство продуктов питания на планетарных телах, таких как Луна и Марс, будет включать работу в средах с пониженной гравитацией. Учитывая различную динамику жидкости на разных уровнях гравитации, оптимизация систем доставки питательных веществ была основным направлением при разработке систем роста растений.
В настоящее время используются различные методы доставки питательных веществ как на Земле, так и в условиях низкой гравитации. Методы, зависящие от субстрата, включают традиционную обработку почвы, зеопонику, агар и ионообменные смолы с питательными веществами. В дополнение к подходам, зависящим от субстрата, были разработаны не почвенные методы, включая метод питательной пленки, приливы и отливы, аэропонику и другие. Гидропонные системы с их высокой пропускной способностью питательного раствора могут обеспечить быстрый рост растений. Однако это требует больших объемов воды и значительной рециркуляции раствора, что создает проблемы для контроля растворов в условиях микрогравитации.
Аэропонные системы используют гидрораспыляемые спреи для доставки питательных веществ, что приводит к минимальному использованию воды, улучшенной оксигенации корней и отличному росту растений. Пропускная способность питательного раствора аэропонных систем выше по сравнению с другими системами, разработанными для сред с низкой гравитацией. Аэропоника устраняет необходимость в субстратах и уменьшает количество отходов, которые должны обрабатываться другими системами жизнеобеспечения. Устранение потребности в субстрате упрощает процессы посадки и сбора урожая, упрощает автоматизацию, уменьшает вес и объем расходных материалов, а также устраняет потенциальный путь передачи патогенов. Эти преимущества подчеркивают потенциал аэропонного производства в условиях микрогравитации и его эффективность в производстве продовольствия для космоса. [2] [ не пройдена проверка ]
В 1999 году НАСА выделило финансирование на поддержку разработки надувной маломассивной аэропонной системы (AIS) для высокопроизводительного производства продуктов питания как в космосе, так и на Земле. [31] AIS — это автономная и самоподдерживающаяся система, предназначенная для доставки питательных веществ и тумана к корням растений в аэропонной среде. Ее надувная структура имеет то преимущество, что она легкая и может быть сдута, чтобы занимать меньший объем во время транспортировки и хранения. Эта текущая версия AIS представляет собой улучшение по сравнению с предыдущими конструкциями, которые использовали жесткие конструкции, которые, как правило, более дороги в производстве и транспортировке. [21]
На Земле стоимость материалов и транспортировки может представлять проблемы для экономической жизнеспособности аэропонных систем для коммерческих производителей. Однако эти проблемы становятся еще более выраженными, если учесть ограничения, накладываемые массой полезной нагрузки для космической транспортировки.
Чтобы преодолеть эти ограничения, NASA разработало специализированные материалы, способные выдерживать суровые условия космической среды для надувных сред обитания и конструкций. Эти материалы, похожие на арамидные волокна, в настоящее время используются в разработке расширяемых сред обитания компанией Bigelow Aerospace. Успешные испытания были проведены в космосе с одним из расширяемых модулей активности Bigelow, продемонстрировав возможность использования таких надувных конструкций в космической среде. [32] [33]
Аэропоника обладает многочисленными характеристиками, которые способствуют ее эффективности и результативности как метода выращивания растений.
Растения, выращенные с помощью аэропоники, проводят 99,98% своего времени на воздухе, и только 0,02% времени 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 метода питательной пленки (NFT) показывает, что аэропоника имеет более низкую пропускную способность питательных веществ — 1,5 миллилитра в минуту, в отличие от 1 литра в минуту у NFT.
Сокращение объема потребляемых питательных веществ в аэропонике приводит к уменьшению общего количества питательных веществ, необходимых для развития растений.
Другим преимуществом сниженной пропускной способности, особенно актуальным для космических приложений, является снижение объема используемой воды. Это снижение объема воды не только облегчает вес, необходимый для поддержания роста растений, но и уменьшает объем буфера. Кроме того, объем сточных вод, производимых растениями, минимизируется в аэропонике, что приводит к снижению количества воды, требующей очистки для повторного использования.
Использование относительно небольших объемов раствора в аэропонике в сочетании с ограниченным воздействием гидрораспыленного тумана на корни сводит к минимуму контакт корней и уменьшает распространение патогенов среди растений.
Аэропоника обеспечивает больший контроль над средой вокруг корневой зоны по сравнению с другими системами выращивания растений, такими как гидропоника. В аэропонике корни растений не окружены непрерывно какой-либо средой.
Аэропоника обеспечивает гибкость в подаче различных питательных растворов в корневую зону без необходимости смывания предыдущих растворов или матриц. Этот высокий уровень контроля особенно ценен для изучения влияния различных режимов питания на определенные виды растений. Более того, аэропоника обеспечивает более широкий диапазон условий роста по сравнению с другими системами доставки питательных веществ. Например, интервал и продолжительность распыления питательных веществ можно точно регулировать в соответствии с конкретными требованиями вида растений. Это означает, что надземная ткань может находиться в среде, отличной от среды корней.
Конструкция аэропонной системы обеспечивает удобную обработку растений. Это происходит благодаря индивидуальному разделению растений и их подвешиванию в воздухе, без какой-либо матрицы, которая могла бы захватить корни. В результате сбор каждого растения становится простой задачей. Аналогично, удаление любого зараженного растения легко выполняется без риска выкорчевывания или заражения соседних растений.
Аэропонные системы предлагают экономически выгодные преимущества по сравнению с другими системами. Уменьшенный объем пропускаемого раствора, как упоминалось ранее, означает меньшие потребности в воде и питательных веществах в системе. Кроме того, устранение субстратов и необходимости во многих подвижных частях способствует экономии затрат.
Аэропоника предлагает решение для минимизации негативного воздействия патогенов в семенном фонде. Как уже упоминалось, разделение растений и отсутствие общей матрицы роста способствуют этому преимуществу. Более того, аэропоника обеспечивает закрытую и контролируемую среду, что делает ее идеальной системой для выращивания семенного фонда, свободного от патогенов. Закрытая камера роста в сочетании с изоляцией растений друг от друга служит для предотвращения первоначального заражения внешними патогенами и ограничивает распространение любых существующих патогенов среди растений.
Аэропоника представляет собой значительный прогресс в искусственной поддержке жизни растений, предлагая такие преимущества, как не повреждающая растения поддержка, эффективное прорастание семян, точный контроль окружающей среды и неограниченный рост. По сравнению с традиционными сельскохозяйственными методами, такими как гидропоника и капельное орошение, которые используются уже десятилетиями, аэропоника обеспечивает заметные улучшения в выращивании растений.
Современные методы аэропоники были широко исследованы в BioServe Space Technologies NASA (Архивировано 2018-06-15 в Wayback Machine ), расположенном в кампусе Университета Колорадо в Боулдере, штат Колорадо. Этот исследовательский центр фокусируется на разработке и коммерциализации систем аэропоники. Кроме того, ученые в Исследовательском центре Эймса провели исследования замкнутых систем, изучая методы выращивания продовольственных культур в условиях низкой гравитации для поддержки будущих усилий по колонизации космоса .
В 2000 году Стоунер получил патент на свою органическую технологию биологического контроля заболеваний, которая позволяет выращивать растения без использования пестицидов в аэропонных системах.
Значимая веха в аэропонике произошла в 2004 году, когда Эд Харвуд, основатель AeroFarms , изобрел инновационную аэропонную систему, которая использует микрофлисовую ткань для выращивания салата. [34] [35] AeroFarms, используя запатентованную аэропонную технологию Харвуда, в настоящее время управляет крупнейшей в мире закрытой вертикальной фермой на основе ее годовой мощности выращивания в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Эта современная ферма использует аэропонную технологию для производства и распространения до двух миллионов фунтов листовой зелени без пестицидов каждый год.
Аэропонная биофарминг — это инновационный подход, используемый для выращивания фармацевтических препаратов в растениях. Эта технология обеспечивает полную изоляцию, гарантируя, что отходы и побочные продукты биофармацевтических культур находятся в замкнутом цикле. 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 для биомассы . Предыдущие попытки выращивания различных видов кукурузы с использованием гидропоники не увенчались успехом.
Благодаря внедрению передовых методов аэропоники доктор Риз смог собрать зрелые початки генетически модифицированной кукурузы, эффективно удерживая пыльцу кукурузы и отработанную сточную воду, тем самым предотвращая их попадание в окружающую среду. Такое удержание гарантирует, что окружающая среда остается свободной от загрязнения ГМО.
Доктор Риз подчеркивает, что аэропоника предлагает потенциал для экономически жизнеспособных методов биофарминга, что делает ее многообещающим направлением для фармацевтического производства. [11]
В 2006 году Институт биотехнологии при Вьетнамском национальном университете сельского хозяйства в сотрудничестве со Стоунером создал аспирантскую докторскую программу, ориентированную на аэропонику. Исследовательский центр Agrobiotech под руководством профессора Нгуена Куанга Тхача использует аэропонные лаборатории для продвижения производства мини-клубней картофеля во Вьетнаме для сертифицированного выращивания семенного картофеля.
Это событие имеет важное историческое значение, поскольку впервые страна уделила особое внимание аэропонике для поддержки своего сельскохозяйственного сектора, содействия экономическому росту в сельском хозяйстве, удовлетворения растущего спроса, улучшения качества продуктов питания и увеличения общего объема 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 Тхач. [36]
Интеграция аэропоники в сельское хозяйство Вьетнама начинается с производства недорогих, сертифицированных органических миниклубней без болезней. Затем эти миниклубни служат местным источником для фермеров, занимающихся посадкой семенного картофеля и коммерческого картофеля. Внедрение аэропоники принесет пользу фермерам, выращивающим картофель, предоставляя им семенной картофель без болезней, выращенный без использования пестицидов. Что важно, это также снизит их эксплуатационные расходы и увеличит урожайность, по словам Тхача. [11]
