Испытания сортов чуфы (Cyperus esculentus L.) применительно к биорегенеративной системе жизнеобеспечения БИОС-3

Введение. Современные представления о строении биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО) предполагают использование высших растений в качестве основного звена, регенерирующего пищу, воду и воздушную среду. Наиболее прогрессивный вариант данной системы (БИОС-3), получивший мировое признание, был создан и испытан в Институте биофизики Сибирского Отделения Российской академии наук (ИБФ СО РАН), г. Красноярск [1, 2]. Оптимизация и совершенствование различных технических и технологических компонентов данной системы продолжается до сих пор [3]. Одним из путей повышения эффективности работы системы является подбор оптимальных для регенерации атмосферы и производства пищи для экипажа видов и сортов растений. Наибольшие площади в системе БИОС-3 занимали две культуры: пшеница и чуфа. Последняя является источником растительных жиров для питания экипажа и составляет около трети всей площади, занимаемой фототрофным звеном. К сожалению, использовавшийся в БИОС-3 образец чуфы был выбран случайным образом, а систематических исследований по выбору, обоснованию и использованию сортов растений чуфы не проводилось.

В связи с этим целью данной работы явились сравнительные испытания различных сортов чуфы для установления наиболее удовлетворяющего требованиям систем жизнеобеспечения по продуктивности и биохимическому составу.

Материалы и методы. Для экспериментов по подбору наиболее перспективных по продуктивности и биохимическим характеристикам растений чуфы Всероссийским институтом растениеводства (ГНУ ГНЦ ВИР) были предоставлены клубеньки чуфы следующих сортов: «К-1» ВНИИМК (урожай, 2003), «К-2» От-рада-Кубанская КОС/ВИР (урожай, 1999) и «К-14» (урожай, 2004). Совместно с ними был протестирован образец чуфы, длительное время (начиная с середины 70-х годов ХХ века и до настоящего времени) культивировавшийся применительно к использованию в системе БИОС-3. Далее по тексту этот образец будет называться «Ч-УБФ»).

Растения выращивали методом интенсивной светокультуры гидропонным способом в вегетационных сосудах из нержавеющей стали размерами 300×500×140 мм или 150×225×175 мм, заполненных керамзитом. Полив - периодическое подтопление раствором Кнопа. Освещение круглосуточное, интенсивность фотосинтетически активной радиации поддерживали в пределах 220-250 Вт/м2. Источники света - лампы ДРИ-2000-6. Температура воздуха была в пределах 25 °С.

Биохимический анализ липидов и жирных кислот подробно изложен в работах Кейтс и Калачевой с соавт. [4, 5]. Анализ жирных кислот проводили на газовом хроматографе с масс-спектрометрическим детектором (GCD Plus, "Hewlett-Packard", США). Содержание сырого протеина в растительном материале вычисляли, умножая количество азота на общепринятый для зеленой биомассы коэффициент 6,25 [6]. Анализ углеводов был проведен с помощью методик, изложенных в работе Починок [7].

Результаты и обсуждения. Продуктивности ценозов чуфы указанных сортов представлены в таблице. Коэффициент хозяйственной эффективности между исследуемыми вариантами не имел достоверных различий и составил около 30 %. Наиболее низкие значения продуктивности зарегистрированы для сорта «К-14»: биомасса растений и клубеньков уменьшилась по сравнению с аналогичными показателями чуфы сорта «Ч-УБФ» на 31и 26 % соответственно. Сорта «К-1» и «К-2» незначительно уступали по продуктивности образцу «Ч-УБФ»: биомасса растений уменьшилась соответственно на 12 и 14 %, клубеньков - на 9 и 5 %.

Таблица - Продукционные и биохимические характеристики чуфы, выращенной в искусственных условиях, применительно к системам жизнеобеспечения. Относительная ошибка в пределах 10-15 %

Биохимический состав клубеньков растений чуфы представлен в таблице, из которой видно, что наиболее высокое относительное содержание подвижных форм углеводов в целом было в клубеньках сорта «К-14» и составляло 58 % от массы сухого вещества. При этом доля крахмала в общем содержании углеводов составляла 62 %. В клубеньках сортов «К-1» и «К-2» относительное содержание углеводов было практически одинаковым, но у сорта «К-1» доля крахмала в общем содержании углеводов составляла 60 %, а у сорта «К-2» - 51 %. Наименьшее содержание подвижных форм углеводов было в клубеньках сорта «Ч-УБФ» (50 % в расчете на сухое вещество), а доля крахмала составляла 67 % от общего содержания подвижных форм углеводов.

Наиболее низкое относительное содержание белка наблюдалось в клубеньках чуфы образца «Ч-УБФ». Наиболее высокое относительное содержание белка было в клубеньках чуфы сорта «К-14».

Из таблицы также видно, что лучшими показателями по содержанию липидов обладают клубеньки сорта чуфы «К-1». Меньше всего липидов содержалось в сортах «К-2» и «К-14». Сравнительная оценка общего количества липидов, которое можно получить с единицы посевной площади, показывает, что с учетом более высокой продуктивности растений образца чуфы «Ч-УБФ» сорта «К-1» и «Ч-УБФ» по такому показателю, как коэффициент хозяйственной эффективности в расчете на получение липидов, фактически не отличаются.

Отдельное внимание заслуживает анализ содержания в чуфе линолевой кислоты, как незаменимой жирной кислоты. Этот показатель является одним из основных критериев отбора сорта для системы жизнеобеспечения, поскольку линолевая кислота не может синтезироваться в человеческом организме, а поступает только с пищей, и иных источников ее поступления человеку в БСЖО не предусмотрено. Из таблицы следует, что по этому параметру образец чуфы «Ч-УБФ» имеет явное преимущество по сравнению с остальными испытанными сортами для дальнейшего использования в биорегенеративной системе жизнеобеспечения БИОС-3.

В системе БИОС-3 основными поставщиками витамина Е являются салатные, а также овощные культуры. Тем не менее, поскольку этот антиоксидант весьма важен для человеческого организма, учет высокого содержания данного витамина в растениях чуфы также не маловажен. Клубеньки чуфы образца «Ч-УБФ» содержат на 28 % больше витамина Е, чем клубеньки сорта «К-2», на 61 % больше, чем клубеньки сорта «К-14» и на 70 % больше, чем клубеньки сорта «К-1» (см. таблицу).

Обобщенный анализ комплекса исследованных продукционных и биохимических показателей позволяет сделать заключение о том, что образец «Ч-УБФ» наиболее перспективен для культивирования в БСЖО.

Выводы. Результаты испытания сорта чуфы «К-1» дают основания считать данный сорт средним по продукционным характеристикам. У этого сорта в расчете на массу сухого вещества клубеньков отмечено, по сравнению с остальными испытанными сортами, высокое содержание жира – 17,8 %, более высокое содержание крахмала и достаточно высокое содержание линолевой кислоты – 1,8 %. Однако в связи с низкими значениями продуктивности съедобной биомассы указанные биохимические показатели не обеспечивают сорту «К-1» решающих преимуществ.

Сорт чуфы «К-2» показал в ходе сравнительных испытаний достаточно высокую продуктивность по съедобной биомассе (0,87 кг/м2 абсолютно сухого вещества клубеньков), однако имел наиболее низкие значения по исследованным биохимическим показателям, за исключением содержания водорастворимых углеводов, которые составили 25,2 % от сухой массы клубеньков.

Сорт чуфы «К-14» показал самую низкую продуктивность съедобной биомассы и низкое содержание линолевой кислоты на фоне наиболее высокого содержания белков и углеводов (соответственно 11,3 и 58 % в расчете на сухую массу).

Образец «Ч-УБФ» можно охарактеризовать как имеющий наиболее оптимальное сочетание высоких продукционных и биохимических показателей, требуемых для БСЖО: 0,92 кг/м2 абсолютно сухой съедобной биомассы, содержащей 2 % линолевой кислоты, 4,3 мг% витамина Е. Остальные биохимические показатели оказались средними по сравнению с испытанными сортами. В целом следует сделать заключение о том, что по совокупности исследуемых физиологических характеристик данный образец чуфы является наиболее подходящим для использования в биорегенеративной системе типа БИОС-3.