Крайний Север, Арктика, Антарктика: новые агротехнологии. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Биоэлектрогенез в корнеобитаемой среде листовых, плодовых и корнеплодных овощных культур
Статья научная
Возникающие в корнеобитаемой среде растений биоэлектрогенные процессы, связанные с генерацией разности потенциалов при протекании окислительно-восстановительных реакций и диффузии ионов, которые сопутствуют развитию корневой системы, служат основой для создания альтернативных устройств получения возобновляемой экологически чистой ресурсосберегающей энергии - биоэлектрохимических систем (БЭС). Поиск биосовместимых, энергогенерирующих, высокопроизводительных компонентов БЭС, включая технические элементы, корнеобитаемые среды и растения - актуальная задача, решение которой позволит повысить автономность и эффективность производства растительной продукции. В настоящее время практически отсутствуют разработки БЭС на основе овощных культур либо сообщалось о неудачных попытках их создания. В представленной работе впервые в комплексном исследовании электрогенных процессов в оригинальных БЭС корнеобитаемая среда-овощные растения показана бóльшая стабильность электрических свойств у салата (листовая культура), больший выход электроэнергии у редиса (корнеплодная культура) и более продолжительная выработка электричества у томата (плодовая овощная культура). Целью работы было измерение совокупности параметров - электрогенных свойств корнеобитаемой среды, спектров отражения и флуоресценции листьев, морфометрических показателей, биохимического состава, характеризующих эффективность электрогенерации, способность преобразования энергии света, урожайность и качество получаемой растительной продукции при выращивании различных овощных культур в биоэлектрохимических системах. Фитотест-объектами служили растения салата ( Lactuca sativa L.) сорта Балет, редис ( Raphanus sativus L.) сорта Петербургский фиолетовый и карликовый томат ( Solanum lycopersicum L.) сорта Наташа. Растения выращивали в 2023-2024 годах в контролируемых условиях интенсивной светокультуры на агробиополигоне ФГБНУ АФИ с регулируемыми условиями микроклимата. В качестве источников света использовали разработанные нами светодиодные светильники AFI-5000, имитирующие солнечный свет, в качестве корнеобитаемой среды - торфяной грунт. Питание осуществляли раствором Кнопа. БЭС представляла собой емкость для выращивания с биосовместимой коррозионно-стойкой системой электродов из пористого электропроводящего материала, обеспечивающего поверхностный электрический контакт с корневой системой и прикорневой зоной. Объем БЭС - 440 см3 для салата, 320 см3 для редиса и 3000 см3 для томата. Электроды размером 6×6 см располагали в корнеобитаемой среде горизонтально. Для формирования корнеплода верхний электрод модифицировали, добавив круглое отверстие диаметром 3 см. Разность потенциалов регистрировали автоматически каждые 15 мин с помощью автоматизированного вольтметра (Arduino, «Arduino Software», Китай). Поляризационные кривые снимали в конце вегетационного периода салата и редиса и на 64-е сут выращивания томата. Уборку растений салата и редиса осуществляли на 28-е сут, томата - на 110-е сут от посева семян. При уборке учитывали массу листьев, плодов и корнеплодов, высоту надземной части растений и урожайность. Биохимической состав (содержание сухого вещества, нитратов, сахаров, витамина С, пигментов, макро- и микроэлементов) определяли общепринятыми методами (термогравиметрический, ионометрический, титрометрический, фотометрический). Показатели фотосинтетической активности (спектры отраженной от поверхности листьев радиации и параметры флуоресценции) оценивали неиванзивным способом с помощью спектрометрической системы («Ocean Optics», США) и флуориметра MINI-PAM-II («Heinz Walz GmbH», Германия). Средняя разность потенциалов, формируемая в корнеобитаемой среде растений салата, составила 289±27 мВ, максимальное значение достигало 391 мВ. Для растений редиса величина разности потенциалов в корнеобитаемой среде равнялась в среднем 394±50 мВ при максимальном значении 532 мВ. Средняя разность потенциалов в корнеобитаемой среде томата составила 257±123 мВ: в процессе начального развития надземной массы и корней наблюдалась стабильная генерация напряжения 317±17 мВ, однако во время фазы налива плодов разность потенциалов падала до 120±34 мВ, а при переходе в фазу созревания наблюдалось обратное увеличение до 340±74 мВ. Общая производительность исследованных культур при выращивании с учетом возможного числа сборов урожая с одного яруса за год была схожей: 73,5±10,3 кг/м2 для салата, 68,6±3,8 кг/м2 для редиса и 71,2±9,2 кг/м2 для томата, и превосходила таковую при выращивании в стандартных системах для салата и томата. Качество растительной продукции соответствовало санитарно-гигиеническим требованиям РФ. Так, содержание нитратов в листьях салата составило 1597,0±214,7 мг/кг биомассы естественной влажности (е.в.) (ПДК 2000 мг/кг е.в.), в корнеплодах редиса - 1206,0±144,8 мг/кг е.в. (ПДК 1500 мг/кг е.в.), в плодах томата - 70,2±9,3 мг/кг е.в. (ПДК 300 мг/кг е.в.).
Бесплатно
Статья научная
Проблема обеспечения регионов с суровыми природно-климатическими условиями, включая Арктику и Антарктику, свежей качественной растительной продукцией как естественным источником витаминов и других полезных веществ в доступной форме требует инновационного решения. Решением может быть создание высокоэффективных ресурсосберегающих масштабируемых систем с экологически безопасными и малоотходными технологиями выращивания адаптированных культур. В настоящей работе мы впервые выявили влияние природно-географических условий высокогорья, где расположена антарктическая станция «Восток», на рост, развитие, продуктивность и качество плодов у карликовых форм томата. Показана пластичность томата, которая выражалась в получении сходной урожайности за счет изменения числа и массы плодов при выращивании в фитотехкомплексах-оранжереях-1 в разных географических точках: на станции «Восток» в условиях гипобарической гипоксии и на агробиополигоне ФГБНУ АФИ (г. Санкт-Петербург). Условия станции «Восток» в основном не оказывали значимого влияния на качество плодов томата и их элементный состав. Показано, что реализация продукционного потенциала растений была достоверно выше в регулируемых условиях фитотехкомплексов-оранжерей-1 в сравнении с таковой в теплицах с неконтролируемыми условиями световой и воздушной среды. Цель работы - оценить продукционный потенциал карликовых форм томата в системах выращивания разного типа на антарктической станции «Восток» и в европейской части Евразийского континента. Исследования проводили в 2021-2023 годах в жилом помещении площадью 12 м2 на антарктической станции «Восток», на специализированном агробиополигоне для выращивания растений с регулируемыми условиями ФГБНУ АФИ (г. Санкт-Петербург), в поликарбонатных теплицах с неконтролируемыми условиями световой и воздушной среды Федерального исследовательского центра Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ФГБНУ ФИЦ ВИР, г. Пушкин-Санкт-Петербург) и Федерального научного центра овощеводства (ФГБНУ ФНЦ овощеводства, Московская обл.). Объектом служили растения томата Solanum lycopersicum L. var. lycopersicum сортов Наташа и Тимоша селекции ФГБНУ ФНЦ овощеводства. Растения супердетерминантные, с генами карликовости, не требуют пасынкования. В фитотехкомплексе-оранжерее-1 на станции «Восток» и на агробиополигоне ФГБНУ АФИ была реализована разработанная в ФГБНУ АФИ технология культивирования растений на тонкослойном аналоге почв (тонкослойная панопоника). Наряду с тонкослойной панопоникой в фитотехкомплексе-оранжерее-1 на агробиополигоне использовали малообъемную панопонику с наличием в зоне прорастания семян и роста корней небольшого объема (2 л/растение) субстрата на основе верхового торфа низкой степени разложения, размещенного на поверхности гидрофильного материала. В поликарбонатной теплице ФГБНУ ФИЦ ВИР растения томата выращивали в грядах торфяного субстрата Агробалт С. Объем субстрата - 14 л/растение. В поликарбонатной теплице ФГБНУ ФНЦО растения томата выращивали на пятиярусной узкостеллажной гидропонной установке МУГ. В качестве корнеобитаемой среды также использовали торфяной субстрат Агробалт С. Объем торфяного субстрата - 1 л/растение. На протяжении вегетационных периодов проводили фенологические наблюдения. При уборке учитывали высоту растений и показатели продуктивности (масса 1 плода, общее число и общая масса плодов с растения за год). На основе полученных данных рассчитывали урожайность плодов томата (кг/м2 в год). Выполняли биохимический анализ плодов. Эксплуатация фитотехкомплекса-оранжереи-1 с реализованной в ней технологией тонкослойной панопоники на станции «Восток» продемонстрировала его высокую эффективность в производстве качественной и безопасной растительной продукции и психологическую значимость для полярников. Растения карликового томата двух сортов, выращиваемые в фитотехкомплексах на станции «Восток» с условиями гипобарической гипоксии, формировали более мелкие плоды, но в существенно большем количестве, чем на агробиополигоне ФГБНУ АФИ с оптимизированными регулируемыми условиями среды обитания растений. При этом достоверных различий в урожайности растений с единицы площади за год, а также в качестве и безопасности плодов не наблюдалось. Адаптация растений томата на станции «Восток» может быть связана с потенциальной устойчивостью культуры томата к условиям высокогорья в силу ее географического происхождения. В то же время по сравнению с условиями в теплицах фитотехкомплексы обеспечивали более полное регулирование среды, что благоприятным значимым образом отражалось на состоянии растений и реализации ими генетически обусловленного продукционного потенциала. В частности, на растениях формировалось существенно большее число плодов. Установлено, что количество субстрата и плотность размещения растений оказывали влияние на элементы продуктивности.
Бесплатно
Статья научная
Бобовые растения обладают значительным потенциалом для интродукции в арктических регионах России. Одно из ключевых свойств бобовых растений - способность формировать азотфиксирующий симбиоз с клубеньковыми бактериями (ризобиями). Однако изучению биоразнообразия и симбиотической эффективности арктических ризобий на территории России уделяется недостаточно внимания. В настоящей работе впервые описаны 13 штаммов порядка Hyphomicrobiales (ранее Rhizobiales ), изолированных из клубеньков Oxytropis taimyrensis , Astragalus frigidus и A. tugarinovii , произрастающих в Арктической Якутии. Изучена способность девяти ризобиальных штаммов Rhizobium sp. 7/1-1, 19-1/1, 20-1/1 и 33-1/1, R. giardinii 20/1-1, M. norvegicum 20/1-4 и Mesorhizobium sp. 9-4/1, 25-2/1 и 32-2/1 нодулировать дикорастущие арктические бобовые Oxytropis adamsiana и Astragalus frigidus и кормовые бобовые Trifolium repens и Medicago sativa в условиях микровегетационного опыта. Целью работы было выделение и изучение генетического разнообразия штаммов порядка Hyphomicrobiales , изолированных из клубеньков дикорастущих бобовых Oxytropis taimyrensis (Jurtz.) A. et D. Love, Astragalus frigidus (L.) A.Gray и Astragalus tugarinovii Basil., собранных в Арктической зоне Якутии, а также выявление способности ризобиальных штаммов формировать азотфиксирующие клубеньки на корнях кормовых и дикорастущих бобовых растений Trifolium repens L., Medicago sativa L., Oxytropis adamsiana (Trautv.) Jurtzev и Astragalus frigidus (L.) A.Gray в условиях микровегетационного эксперимента по кросс-нодуляции. Корневые клубеньки дикорастущих популяций O. taimyrensis , A. frigidus , A. tugarinovii были собраны в 2021 году в окрестностях оз. Севастьян-Кюеле и на о. Тит-Ары в ходе российско-немецкой экспедиции в дельту реки Лены. Штаммы микроорганизмов выделяли по стандартной методике с использованием маннито-дрожжевой питательной среды YMA. Геномную ДНК из чистых культур выделяли с помощью наборов DNeasy Blood&Tissue kit («QIAGEN N.V.», Германия) и Monarch® («New England Biolabs», США). Первичная идентификация штаммов была проведена методом ПЦР с последующим секвенированием последовательностей фрагмента маркерного гена 16S рРНК (900-1400 п.н.) ( rrs ). Способность девяти арктических штаммов из рода Rhizobium и Mesorhizobium формировать азотфиксирующие клубеньки на корнях Trifolium repens L., Medicago sativa L., O. adamsiana и A. frigidus изучена в условиях стерильного микровегетационного опыта. Изучаемые штаммы были выделены в настоящей работе и ранее из клубеньков арктических бобовых Lathyrus palustris L., Vicia cracca L. и Hedysarum arcticum B. Fedtsch, произрастающих в дельте р. Лена . Растения культивировали в стерильных стеклянных сосудах объемом 50 мл, содержащих 3 г вермикулита и 6 мл среды Красильникова-Кореняко. Проростки были инокулированы суспензиями индивидуальных штаммов в количестве 106 клеток/сосуд. В качестве положительного контроля использовали коммерческие штаммы Rhizobium leguminosarum RCAM1365 и Sinorhizobium meliloti RCAM1750 из Сетевой биоресурсной коллекции в области генетических технологий для сельского хозяйства (ФГБНУ ВНИИСХМ, г. Санкт-Петербург). Неинокулированные растения служили отрицательным контролем. По окончании культивирования проводили подсчет клубеньков и определяли сырую биомассу растений. Азотфиксирующую активность определяли ацетиленовым методом с помощью газового хроматографа GC-2014 («Shimadzu», Япония). Полученные изоляты были отнесены к родам Rhizobium (сем. Rhizobiaceae ), Mesorhizobium (сем. Phyllobacteriaceae ), Bosea (сем. Boseaceae ) и Tardiphaga (сем. Bradyrhizobiaceae ). Штаммы Rhizobium sp. 7/1-1, Tardiphaga robiniae 7/2-2 и 7/4-2 были выделены из A. tugarinovii , штаммы Mesorhizobium sp. 25-2/1, 25А/5-1, Bosea sp. 25А/1-3, B. lathyri 25А/2-1, B. psychrotolerans 25А/2-2 и 25А/4-1 - из A. frigidus , тогда как штаммы Mesorhizobium sp. 9-4/1, T. robiniae 9/1-5, 9/3-1 и 9/5-1 - из клубеньков O. taimyrensis. В условиях стерильного микровегетационного опыта штамм R. giardinii 20/1-1 не формировал клубеньки ни в одном из вариантов инокуляции, в то время как остальные восемь штаммов были способны образовывать как неэффективные, так и азотфиксирующие клубеньки в зависимости от варианта инокуляции бобовых растений. В отношении местных арктических видов O. adamsiana и A. frigidus более активными оказались штаммы, выделенные из местных видов бобовых ( O. taimyrensis , A. frigidus , H. arcticum ), в то время как культурные растения M. sativa и T. repens оказались отзывчивее на инокуляцию штаммами, выделенными из заносных растений L. palustris и V. cracca .
Бесплатно
Динамика функциональной активности микробных сообществ бореальных почв под влиянием биоугля
Статья научная
Биоуголь представляет собой продукт пиролиза различных органических материалов с высоким содержанием углерода. За счет ароматической структуры, высокой пористости и емкости катионного обмена биоуголь оказывает значительное влияние на физические, химические и биологические свойства почв. Применение биоугля в сельском хозяйстве рассматривается как возможность безопасной утилизации отходов и восстановления качества почв, а также углеродной секвестрации. Изменение структуры, численности и экофизиологического статуса почвенных микроорганизмов остается одним из малоизученных последствий использования биоугля. В настоящей работе впервые установили, что биоуголь действует разнонаправленно на функционирование микробных сообществ бореальных почв. Целью работы было изучение влияния древесного биоугля на базальное дыхание, содержание углерода микробной биомассы и микробиологические коэффициенты бореальных почв различного гранулометрического состава. Исследования проводили в среднетаежной подзоне Карелии. Площадки были заложены в 2018 и 2019 годах на участках пашни с разными по гранулометрическому составу почвами и нормальным увлажнением. Почва легкого гранулометрического состава была представлена агроземом альфегумусовым иллювиально-железистым супесчаным на озерных песках (АА) (Лаборатория агротехнологий «Вилга» КарНЦ РАН, п. Виданы, Пряжинский р-н, Карелия, 61°52′22,8′′ N, 34°0′3,6′′ E), почва тяжелого гранулометрического состава - агроземом текстурно-дифференцированным типичным среднесуглинистым на морене суглинистой (АТ) (Агробиологическая станция КарНЦ РАН, г. Петрозаводск, 61°45′3,6′′ N, 34°21′12,4′′ E). Участки с внесением биоугля и контрольные делянки были заложены рандомизированно в 4-кратной повторности, площадь делянок составляла 5 м2. Использовали уголь древесный (ГОСТ 7657-84), марка А (Россия) в дозе 1,5 кг/м2 (15 т/га), размер фракции £ 1 см. Уголь вносили 1-кратно и перекапывали вручную на глубину 20-25 см, дополнительные удобрения не применяли. В первый год исследования на участках выращивали картофель, во второй год - сидераты. Отбор почвенных проб проводили ежемесячно в течение вегетационных периодов 2018-2019 годов для участков с АА и 2019-2020 годов для участков с АТ. С каждого участка отбирали почву с глубины пахотного горизонта 5-20 см методом «конверта» и анализировали смешанный образец в 4-кратной повторности. Содержание общего органического углерода (Сорг.) определяли методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе ТОС-L CPN («Shimadzu», Япония). Скорость базального (микробного) дыхания (БД) измеряли в нативной почве, которую инкубировали 24 ч при 22 °С. Содержание углерода микробной биомассы (Cмик.) определяли методом субстрат-индуцированного дыхания, которое оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой (инкубация в течение 1,5-2 ч при 22 °С). Изменение концентрации СО2 регистрировали газоанализатором NDIR-сенсор («SenseAir», Швеция). Определяли параметры экофизиологического статуса микробного сообщества: долю углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы Смик./Сорг., микробный метаболический коэффициент qCO2, коэффициент микробного дыхания QR. Полевой мониторинг экофизиологических параметров микробных сообществ в почвах разного гранулометрического состава при внесении биоугля выявил многофакторные и нелинейные воздействия условий среды на динамику изученных показателей. Базальное дыхание меньше зависело от погодных условий по сравнению с углеродом микробной биомассы и связанных с ним коэффициентов, на величину которых, по-видимому, также влияло поступление органических остатков. АА изначально имеет более низкую микробную биомассу и менее зрелое микробное сообщество с меньшей устойчивостью и низким качеством органического вещества по сравнению с АТ. Внесение биоугля оказывало разнонаправленное влияние на эти почвы. Несмотря на стабильное и достоверное (р ≤ 0,05) повышение содержания общего органического углерода в обеих почвах до 20 %, показатели БД и Смик. при внесении биоугля в АТ имели тенденцию к снижению, также достоверно (р ≤ 0,05) снижалась доля Смик. в составе Сорг., что указывало на недостаток доступного для микроорганизмов субстрата. При этом показатели qCO2 и QR снижались незначительно и недостоверно. В АА происходило увеличение БД (недостоверное) и Смик. (р ≤ 0,05 для некоторых дат), что, по-видимому, свидетельствовало о всплеске активности K-стратегов при минерализации труднодоступных соединений биоугля. Добавление биоугля не влияло на Смик. в Сорг. почвы в АА. При этом происходило уменьшение qCO2 и QR, то есть для микроорганизмов складывались более благоприятные условия среды. В целом, добавление биоугля увеличивало адаптивный потенциал микробного сообщества супесчаной почвы.
Бесплатно
Светокультура растений в современных сооружениях искусственного климата (обзор)
Статья обзорная
Светокультура растений как процесс выращивания под искусственным светом возникла в XIX веке (F.H. Besthorn, 2013; J. Kleszcz с соавт., 2020). В России научные исследования в области светокультуры начали активно развиваться в первой половине ХХ века (В.М. Леман, 1976; А.М. Глобус, 2007; Е.И. Ермаков, 2009; I.G. Tarakanov с соавт., 2022). В настоящее время изучение различных аспектов выращивания растений в контролируемых условиях среды проводится в ряде ведущих научных учреждений Российской Федерации и Республики Беларусь, а также коллективами исследователей из стран Европы, Азии, США, Канады и Австралии. Значительный интерес к этой области растениеводства подтверждается резко увеличившимся в последние годы количеством публикаций по указанной тематике (A. Dsouza с соавт., 2023). Светокультура реализована в современных сооружениях искусственного климата (controlled environment agriculturee, СЕА), оборудованных, как правило, многоярусными стеллажными системами для выращивания растений и осветительным оборудованием и служащих альтернативой традиционному аграрному производству (T. Kozai с соавт., 2020). Такие сооружения (растительные фабрики, вертикальные фермы, сити-фермы, фитотехкомплексы) применяются для производства растительной продукции в густонаселенных городских районах и регионах с экстремальными погодными условиями, то есть там, где они имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционным сельским хозяйством (N. Didenko с соавт., 2021; D.L. Friedrich, 2021; G.G. Panova с соавт., 2023). К основным достоинствам сооружений искусственного климата относятся возможность круглогодичного производства вне зависимости от сезона и погодных условий, высокое качество продукции, ее близость к потребителю. Многие исследователи отмечают также более высокий выход товарной продукции с 1 м2 за счет применения многоуровневых систем выращивания, а также экономию ресурсов благодаря использованию современных гидропонных и аэропонных технологий выращивания и замкнутых циклов (C.E. Wong с соавт., 2020; N. Engler с соавт., 2021; K. Al-Kodmany, 2024). Выбор растений для производства в СЕА определяется прежде всего рентабельностью, поэтому в настоящее время выращивают в основном быстрорастущие культуры с компактным габитусом - листовые овощи, пряно-ароматические растения, микрозелень. При этом сообщается о необходимости расширения ассортимента продукции и селекции новых сортов, предназначенных для контролируемых условий выращивания (K.M. Folta, 2019; M. SharathKumar, 2020; С.Е. Wong с соавт., 2020; A. Dsouza с соавт., 2023). Основным объектом исследований в СЕА в настоящее время служит световая среда, поскольку от ее состава зависят фотосинтез, рост и морфогенез растений, их биохимический состав, накопление ценных метаболитов и в конечном итоге оптимизация технологий выращивания, эффективность использования ресурсов и рентабельность производства (A. Dsouza с соавт., 2023). В настоящей статье рассмотрена роль спектрального состава света, интенсивности и равномерности излучения, фотопериода в формировании растений, оценено влияние каждой из этих составляющих световой среды на урожай и качественный состав растительной продукции. Показано, что при помощи варьирования спектрального состава света можно управлять архитектоникой растений, регулировать накопление первичных и вторичных метаболитов (G.C. Modarelli с соавт., 2022; K. Zhang с соавт., 2023; K. Rosniza с соавт., 2023). Отражены генетически обусловленные различия в требованиях ряда культур к составу световой среды, в том числе обсуждается возможность существования сортовой специфичности в реакции образцов внутри культуры на формируемые условия выращивания. Также идет речь о применяемых в СЕА технологиях и используемых культурах, кратко отражены последние результаты в области селекции для светокультуры и указаны перспективы дальнейших исследований.
Бесплатно
