Влияние шага конвейера на газообмен системы «салат - почвоподобный субстрат»

Введение. Для повышения степени замкнутости массообменных процессов при включении высших растений в состав биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО) человека необходимо утилизировать растительные отходы внутри системы, чтобы вернуть в массооб-мен заключенные в отходах соединения [1]. Один из методов деструкции органических отходов внутри БТСЖО был предложен Н.С. Ма-нуковским с соавторами [2]. В его основе лежит использование почвоподобного субстрата (ППС) как корнеобитаемой среды для выращивания растений и одновременно как реактора-минерализатора для биоконверсии растительных отходов под действием жизнедеятельности червей и микроорганизмов, населяющих ППС [2, 3]. При этом следует иметь в виду, что внесение растительных отходов в ППС возможно только в дискретном режиме, т.е. в момент посева растений. В этом случае необходимо учитывать, что поступление СО2, выделяющегося при разложении органических отходов, может быть неравномерным, и в БТСЖО периодически может наблюдаться выброс СО2, превышающий ПДК для человека. Особенно ярко это может проявиться при выращивании салатных культур, так как состояние технической зрелости у них совпадает с максимальной интенсивностью поглощения СО2: уборка растений в этом состоянии сопровождается существенным снижением интенсивности связывания СО2 в системе, а закладка несъедобной биомассы в субстрат перед посевом следующего поколения, напротив, приводит к увеличению выделения СО2 в атмосферу системы. Уменьшить разобщенность во времени этих двух процессов можно за счет организации непрерывного (конвейерного) выращивания на ППС растений, представленных одновременно несколькими возрастами растений, с периодическим внесением в ППС растительных отходов. Данный способ выращивания растений уже апробировался в условиях БТСЖО на нейтральных субстратах для поддержания постоянства газовой среды и регулярного получения свежей растительной продукции [1].

Тем не менее работы по определению оптимального числа одновременно представленных возрастов, определяющие межинтервальный шаг конвейера, требуют дополнительных исследований в условиях модельных экспериментов по выращиванию растений на ППС.

Цель исследования. Сравнительная оценка интенсивности изменения концентрации СО2 в искусственной экосистеме «салат – почвопо- добный субстрат» при различных межинтервальных шагах конвейеров.

Объект и методы исследования. Объектами исследования служили разновозрастные ценозы растений салата ( Lactuca sativa L., сорт Московский парниковый), выращиваемые на ППС с периодическим внесением в него несъедобной растительной биомассы. Длительность вегетации салата составляла 28 суток.

В первой серии экспериментов определяли интенсивность изменения концентрации СО 2 в герметичной камере при выращивании одновозрастного ценоза салата на ППС от посева до состояния технической зрелости. Во второй – оценивали интенсивность изменения концентрации СО 2 в герметичной камере при выращивании разновозрастных ценозов салата, сформированных при различных межинтервальных шагах конвейера.

Перед формированием конвейеров в ППС вносили солому пшеницы в количестве 904 г/м2 (ожидаемый урожай салата – 284 г/м2, в расчете на сухое вещество) при содержании общего азота 3,5 % в съедобной части салата. Исходный ППС был получен после выращивания од-новозраствого ценоза салата. Внесение соломы пшеницы в ППС связано с восполнением минеральных веществ, вынесенных со съедобной биомассой ранее выращенных на нем растений. Количество вносимой в ППС соломы расчитывали по эквивалентному содержанию азота в соломе пшеницы и в съедобной биомассе убранных растений. В последующих ротациях салата перед посевом каждого нового поколения растений в ППС также вносили солому пшеницы, расчитанную описанным выше способом. Таким образом были сформированы конвейеры с межинтервальными шагами 4 и 7 суток. Выбор межинтервальных шагов конвейеров был сделан с учетом технологичности культивирования растений, переработки и хранения продуктов в условиях, приближенных к искусственной экосистеме, и потребности сокращения дополнительных устройств, площадей, числа необходимых операций и времени, затрачиваемого человеком на их выполнение [1, 4].

Выращивание растений проводили в герметичных вегетационных камерах с непрерывной регистрацией концентрации СО2 инфракрасным газоанализатором (LI-COR 820,США). Концен- трацию СО2 в камере поддерживали в диапазоне 500–1500 ррм.

Ценозы салата выращивали при круглосуточном освещении с интенсивностью ФАР на уровне верхних листьев 150±15 Вт/м2 и относительной влажностью воздуха около 70 %. Все конвейеры поливались несменяемыми ирригационными растворами, в которых находились экстрагируемые из ППС соединения. Так как ППС имел высокую влагоемкость, полив растений осуществляли один раз в сутки.

Результаты и их обсуждение. В результате выращивания одновозрастного ценоза салата на ППС была получена кривая изменений концентрации СО 2 в атмосфере системы (рис. 1). На основании полученных данных видно, что интенсивность поступления СО 2 в атмосферу системы в ходе культивирования салата была неодинакова. Так, максимальная скорость эмиссии СО 2 приходилась на первые 4 суток вегетации после внесения растительных отходов в ППС, с резким (в 2,4 раза) ее снижением на 5-е сутки вегетации. При дальнейшем культивировании растений интенсивность поступления СО 2 в атмосферу продолжала постепенно снижаться и к концу эксперимента была приблизительно равна скорости эмиссии СО 2 в начале вегетации салата.

Известно, что растительный опад состоит из легко- и трудноокисляемой органики, соотношение которой может определять скорость полного разложения почвенным редуцентами. При этом в микробиологической деструкции растительного опада, в зависимости от стратегии развития микроорганизмов, выделяют быстрый и медленный этапы биоконверсии сложной органики [5–7]. Если принять во внимание этот факт, то становится очевидным, что всплеск выделения СО2 в атмосферу системы в первые 4 дня эксперимента был связан с интенсивным разложением легкоокисляемой части внесенной соломы пшеницы в ППС, исчерпание которой привело к резкому снижению эмиссии СО2 на 5-й день. Тогда как дальнейшее понижение поступления СО2 в атмосферу системы «салат – ППС» определялось результирующей разнонаправленных процессов: постепенно возрастающим фотосинтезом растений салата и скоростью разложения оставшейся трудноокисляе-мой части пшеницы. При этом выравнивание скоростей эмиссии СО2 между началом и кон- остатков была минерализована микробиологи-цом эксперимента может говорить о том, что ческим сообществом субстрата.

большая часть внесенных в ППС растительных

Длительность вегетации, сут

Рис. 1. Скорость изменения концентрации СО 2 в вегетационной камере в процессе роста одновозрастного ценоза салата при выращивании на ППС

Таким образом, выращивание одновозрастного ценоза салата на ППС показало, что наиболее резкие изменения концентрации СО 2 в системе возможны в первые 4 суток после внесения растительных отходов в ППС. Поэтому уменьшение межинтервального шага конвейера салата менее 4 суток будет нерациональным для БТСЖО.

Вторая серия экспериментов выращивания салата на ППС с периодическим внесением в него несъедобной растительной биомассы была осуществлена при таких же условиях, что и в исследовании по эмиссии СО 2 в одновозрастном ценозе салата. Межинтеральный шаг у конвейеров составлял 4 и 7 суток.

На протяжении длительной работы конвейеров интенсивность процессов их СО2-газообмена была неодинакова. У конвейера с межинтервальным шагом 4 суток скорость эмиссии СО2 в атмосферу вегетационной камеры в момент до и после уборки была в среднем в 2,5 раза меньше по сравнению с конвейером с межинтервальным шагом в 7 суток. Причем диапазон колебаний выделения СО2 в атмосфе- ру в конвейере с межинтервальным шагом в 4 суток составлял от 0,021 до 0,042 моль · м-2· ч-1 посева против 0,008–0,032 моль · м-2 · ч-1 в конвейере с межинтервальным шагом 7 суток (рис. 2). Увеличение диапазона колебаний в конвейере с межинтервальным шагом 7 суток связано с тем, что в ППС перед посевом следующего поколения растений вносили больше растительных отходов по сравнению с конвейером с шагом 4 суток (табл.). Тогда как повышение общего уровня содержания СО2 в вегетационной камере конвейера с меньшим межинтервальным шагом связано с большим количеством возрастов растений и, следовательно, с более частым внесением растительных остатков в ППС.

Одним из важных показателей в БТСЖО является продуктивность растений, характеризующая оптимальность условий их культивирования. В таблице сведены данные по продуктивности салата и количеству вносимой соломы пшеницы в ППС, из которых видно, что при работе обоих конвейеров продуктивности достоверно не отличались между собой (табл.).

Рис. 2. Скорость изменения концентраций СО 2 в атмосфере вегетационных камер при конвейерном способе выращивания салата на ППС с шагом 4 и 7 суток. Разрывы на графике показывают уборку салата и посев следующего поколения

Продуктивность салата и количество вносимой в ППС соломы пшеницы (после уборки растений) при разном шаге конвейера

Конвейер с шагом	Номер урожая*					Средн.
	1	2	3	4	5
	Продуктивность, г · м-2 · сут-1
4 суток	3,7	4,4	4,0	3,8	3,8	3,9±0,1
7 суток	3,9	4,0	4,9	-	-	4,3±0,4
	Количество вносимой в ППС соломы, г · м-2
4 суток	42,0	46,4	43,3	45,1	44,2	44,2±0,8
7 суток	74,2	72,7	88,3	-	-	78,4±6,1

* Цифрами указана последовательность уборок салата, сделанных после формирования кон- вейров.

Таким образом, уменьшение межинтервального шага конвейера с 7 до 4 суток ведет к сужению амплитуды колебаний СО 2 в атмосфере экспериментальной модели «салат – ППС», но поднимает его общий уровень в системе. Одновременно с этим увеличение количества возрастов салата не оказывало существенного влияния на продуктивность выращиваемых растений.

Выводы. Проведенные исследования выявили, что одним из определяющих условий оптимального числа возрастов салата в конвейере является период интенсивного выделения СО2 из ППС после внесения в него растительной биомассы. При этом межинтервальный шаг слабо влияет на продуктивность растений, но способствует определению уровня и величине колебаний СО2 в атмосфере экспериментальной модели «салат – ППС». Дальнейшие исследования будут направлены на изучение эмиссии СО2 из ППС при конвейерном культивировании длительно вегетирующих растений.

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 годы по теме № 56.1.4 «Оценка устойчивости ценозов высших растений замкнутых экологических систем, включающих человека, к выращиванию на питательных средах из минерализованных органических отходов».