Петербургские ученые разработали мини-фитотехкомплекс для выращивания овощей даже в жилых помещениях

Свежая зелень из Антарктики © stimul.online

Во время работы 65-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) на станции «Восток» выращивали разные сорта зеленных культур: петрушку, укроп, листовые капусты, амарант. Источник изображения: Из личного архива Андрея Теплякова

Петербургские ученые из Агрофизического научно-исследовательского института создали технологию выращивания сельскохозяйственных культур в полностью контролируемых условиях — без грунта, с подачей к корневой системе питательных растворов и с использованием специально разработанных светильников на основе светодиодов, которые повторяют солнечный спектр. О том, как развивался проект и почему созданная технология одинаково подходит и для школьной столовой, и для полярной станции, и для поселения на Луне

Малогабаритные встраиваемые в помещения фитотехкомплексы испытаны в лабораториях самого института, в нескольких учебных заведениях, на одной из полярных станций. В проект вовлечены такие фундаментальные научные структуры, как Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова, Институт медико-биологических проблем и Арктический и антарктический НИИ Росгидромета. Начавшееся с 2016 года сотрудничество с Министерством обороны позволило добавить к разработке элемент безотходности.

Ученые уверены, что спектр применения технологии очень широк. Фитотехкомплексы могут быть установлены в жилых помещениях, в любых общественных столовых или кафе, на судах дальнего плавания, в арктических поселках, на космических станциях, где люди будут находиться подолгу. Поэтому они стремятся вывести технологию в формат массового производства.

ПОДСМОТРЕЛИ У ПРИРОДЫ

Взаимодействие «генотип — среда», где под генотипом имеется в виду любой живой организм: микроорганизм, водоросли, растения, человек, животные — стало предметом специального научного изучения в 1932 году. Для исследования физиологических особенностей роста растений в полностью контролируемых условиях академики Николай Вавилов и Абрам Иоффе создали новый Агрофизический научно-исследовательский институт. «Внешняя среда достаточно разнообразна, и есть различные стрессовые факторы биогенного характера — грибные, вирусные, бактериальные и прочие заболевания, вредоносные насекомые, — но биотические факторы не охватывают весь спектр внешних воздействий на генотип. Есть еще факторы физического характера — освещенность, температура, влажность, и так далее», — рассказал «Стимулу» директор Агрофизического научно-исследовательского института Юрий Чесноков, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН.

Агрофизики страны, 65% территории которой лежит в зоне вечной мерзлоты, постоянно искали удобные способы снабжения качественными продуктами северных территорий. Бум смелых проектов освоения Арктики пришелся на 1930-е годы. А в 1932 году актуальность задачи подчеркнул поход советских полярников на ледокольном пароходе «Александр Сибиряков» по Северному морскому пути из Белого моря в Берингово за одну навигацию.

«Практическое применение своих изысканий институт искал и в северных регионах, — отметила в беседе со „Стимулом“ Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агрофизического научно-исследовательского института. — В советский период эти работы проводились с использованием тех ламп (галогенные лампы накаливания, дуговые ртутные, металлогалогенные и другие), которые производила наша промышленность, совмещая их с технологиями выращивания растений на разнообразных малообъемных субстратах».

В 1970-1980-е годы появились ризотроны (установки для бессубстратного выращивания растений на тонкослойных аналогах почв, позволяющие исследователю видеть не только надземную часть растений, но и корневую систему). «Мы подсмотрели в Карелии как на скалах с максимум двух-трехсантиметровым слоем почвы растут деревья — сосна, береза, ольха. И смоделировали близкие к этому условия в лаборатории, только у нас здесь не дикорастущие деревья, а сельскохозяйственные культуры, — рассказала Гаянэ Панова. — Для опоры и питания корневой системы растений мы разработали конструкцию, сочетающую в себе три среды — твердую, жидкую и газообразную». Разработчики — сотрудники института, по словам нашей собеседницы, называют это панопоникой — системой, вобравшей в себя лучшее из всех «поник» — гидропоники, аэропоники и литопоники. Роль твердой среды, на которой располагаются и закрепляются корни, выполняет специальный тонкий гидрофильный материал, элемент гидропоники — жидкой среды — представлен подачей к корням растений специальных питательных растворов, а аэропоника представлена воздушной прослойкой, необходимой для дыхания корней. Такое сочетание различных сред исключает риск гипоксии и загнивания корней, как при использовании гидропонных технологий.

Состав питательных суспензий различается от культуры к культуре, спектральный состав искусственного света приближен к солнечному. Для этого используются светодиодные светильники, которые создали ученые Агрофизического института совместно с индустриальным партнером.

Набор специально разработанных питательных суспензий, светодиодных светильников со спектром, приближенным к солнечному, пространственное техническое решение — различного вида одно- и многоярусные стеллажи, вертикальные конструкции, способы регуляции условий воздушной среды в зоне роста растений и/или в вегетационном помещении — получил название фитотехкомплекс. С 2008 года ученые перешли от исследовательской фазы работ к поиску способов практического применения технологии.

ЧЕСНОКОВ.jpg © stimul.online

Директор Агрофизического научно-исследовательского института, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Юрий Чесноков под портретами основателей института — академиков Н.И.Вавилова и А.Ф.Иоффе. Источник изображения: Наталия Михальченко

ВМЕСТЕ С АРМИЕЙ

В 2016 году на форуме «Армия-2016» петербургские разработчики наладили контакты с продовольственным управлением Министерства обороны РФ. Военные высказали заинтересованность в применении технологии в воинских частях, но поставили условие: технология должна быть безотходной. «Мы это требование выполнили», — сообщила Гаянэ Панова. В результате, по ее словам, технология выиграла, хотя пока не удалось развернуть массовое производство для нужд армии, перейти барьер промышленного применения в союзе с военными. В продовольственном управлении Минобороны Агрофизическому институту предложили найти промышленного партнера для испытаний технологии в более крупных установках — контейнерного типа и ангарного типа.

Промышленный партнер был найден, но средств на испытания в нужном объеме изыскать не удалось. Гаянэ Панова пояснила, что при массовом производстве могут возникнуть нюансы, например, связанные с микроклиматом, которые невозможно учесть при работе с малогабаритными установками. Для испытаний фитотехкомплексов контейнерного и ангарного типов требуются средства в объеме более 10 млн рублей для каждого, а гранты, на которые институт сейчас ведет свои исследования в этом направлении, составляют от полутора до пяти миллионов рублей. И это тормозит масштабирование проекта.

На сегодняшний день технология существует в формате мини-фитотехкомплексов для жилых помещений, школьных столовых. Простоту в обращении со всеми элементами фитотехкомплекса разработчики обеспечили для того, чтобы технология была пригодна для применения неспециалистами.

ПОМИДОРЫ.jpg © stimul.online

Помидоры, которые выращиваются в фитотехкомплексах, намного лучше, чем магазинные и даже тех, что можно купить на рынках. Источник изображения: Наталия Михальченко

СОДРУЖЕСТВО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ПРОЕКТОВ

В 2019 году Агрофизический институт представил свою разработку на выставке Международного форума «Арктика — территория диалога». Разработка была подана в виде проекта арктических теплиц, или фитотехкомплексов, для круглогодичного безотходного производства растительной продукции высокого качества в непосредственной близости от потребителя вне зависимости от условий окружающей среды. Посетителям также показывали плодоносящие растения томата в мини-оранжерее.

На выставке проектом заинтересовался Евгений Ильин — полярник, участник 13-й Советской антарктической экспедиции, проходившей в 1967-1969 годах, доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного научного центра России — Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН. Профессор Ильин предложил провести испытания технологии на антарктической станции «Восток». Для этого агрофизики с мая по сентябрь 2019 года разработали, изготовили и испытали на базе полигона АФИ оранжерею, отвечающую требованиям станции «Восток» по энергорасходам и габаритам. В конце сентября — начале октября в институте прошел стажировку полярник — участник 65-й Российской антарктической экспедиции Арктического и антарктического НИИ Андрей Тепляков, которому предстояло участвовать в экспедиции в качестве магнитолога.

«Когда я пришел на стажировку, меня там угощали помидорками типа черри. Прямо килограммами мне их давали, и я их ел, никакой негативной реакции организма не было. До этого покупал подобные помидорки в разных магазинах — элитных, неэлитных — и каждый раз были от них какие-то неприятности вроде высыпаний на коже. Когда в Антарктиде их выращивали, тоже ел, и все ребята ели — все хорошо, никаких проблем нет, — поделился Андрей Тепляков. — Поэтому я ответственно заявляю: помидоры, которые мы выращивали, намного лучше, чем магазинные и даже чем те, что можно купить на рынках».

В задачи магнитолога входит обслуживание обсерватории, измерение таких параметров магнитного поля, как магнитное склонение и наклонение, обслуживание приборов, которые отслеживают ежесекундные вариации магнитного поля. Работой с фитотехкомплексом Андрей занимался в свободное от основной работы время. Комплекс установили в одной из больших комнат в жилом доме на станции «Восток». Сам жилой дом — уникальное сооружение. Его габариты примерно 50 на 15 метров, высота потолков по два-три метра, а над крышей находится двух-трехметровый слой снега. Когда-то дом стоял над поверхностью, но его постепенно заметало и наконец замело по самую крышу и даже выше. Чтобы попасть внутрь, необходимо пройти по лабиринту снежных тоннелей.

Комната Андрея — самая дальняя от главного входа, то есть фитотехкомплекс оказался на максимальном удалении от дверей, за которыми в холодное время года температура опускается до минус 80 градусов.

Андрей Тепляков рассказал «Стимулу», что монтируется фитотехкомплекс в течение двух дней. «Обслуживание установки требуется перед каждой вегетацией, на что нужен еще один целый рабочий день, — рассказывает он. — Обслуживание — это уборка и утилизация остатков (корни, листья, стволы, оставшийся раствор), промывка лотков, трубок и прочее, чтобы последующий эксперимент был „чистым“. Подготовка к новой вегетации занимает еще один-два дня. Она включает в себя заготовку воды — надо растопить куб снега, подготовку раствора, высев семян, настройку режима подачи раствора». Затем, после запуска установки, нужно отслеживать всхожесть семян, включать свет, по мере роста растений менять световой режим в соответствии с технологией.

По словам нашего собеседника, во время работы 65-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) на станции «Восток» выращивали разные сорта зеленных культур: петрушку, укроп, листовые капусты, амарант. В 66-й РАЭ на этой же оранжерее успешно испытали вегетацию мелкоплодных томатов и перцев. В 67-й РАЭ продолжили набирать статистику вегетации растений томата, перца и зеленных овощных культур. «Все на станции пробовали и ели, и сейчас едят все виды зелени и плодовых овощей. Остатков в столовой не было, 50 процентов выращенного идет на стол, 50 процентов — на анализы (сушка, пакетирование, отправка в лабораторию Агрофизического института).

МАКЕТЫ.jpg © stimul.online

Макеты фитотехкомплексов для полярных станций. Источник изображения: Наталия Михальченко

Гаянэ Панова рассказала, что во время 65-й РАЭ Андрею Теплякову удалось оптимизировать микроклимат в зоне роста растений и провести успешные испытания технологии тонкослойной панопоники в оранжерее (фитотехкомплексе). Было выращено 10 видов и 20 сортов овощных культур (капустные, салатные овощные культуры, амарант, листовая петрушка, укроп, базилик), проведено от 1 до 12 повторных вегетаций (посадок) с каждой культурой. «Судя по данным производительности оранжереи в расчете килограмм на квадратный метр за год, испытуемая технология позволяет в условиях антарктической станции «Восток» получать урожаи большинства выращиваемых культур, равные или существенно (в 1,3-2 раза) превышающие таковые в современных тепличных комплексах, использующих зарубежные гидропонные технологии с искусственной досветкой и регулируемые условия микроклимата», — резюмировала Гаянэ Панова. От зарубежных аналогов, например японских, комплекс отличается качеством получаемой продукции, в первую очередь сбалансированностью микроэлементного состава и низким содержанием нитратов, полностью соответствующим санитарно-гигиеническим нормативам РФ.

После первого года испытаний ученые и полярники увидели возможности для усовершенствования фитотехкомплекса. «После модернизации конструкции оранжереи урожайность растений во время работы 66-й и 67-й Российских антарктических экспедиций заметно возросла и практически не уступала урожайности на аналогичном полигоне в самом институте. При этом условия на станции «Восток» — самые неблагоприятные из возможных на Земле. На признанном полюсе холода температура зимой (в июле-августе) часто опускается до минус 80 градусов Цельсия. Летом 1983 года советские ученые зафиксировали там температурный минимум для планеты Земля — минус 89,2 градуса по Цельсию. Но еще страшнее предельная сухость воздуха. Влажность воздуха на станции составляет 18-25 процентов, что тяжело для человека, а для растений тем более — им требуется влажность 60-70 процентов. Также там наблюдаются перепады атмосферного давления и магнитного поля. Поэтому растения, испытанные на «Востоке», прошли настолько неблагоприятные условия, что по этому показателю, наверное, могут быть занесены в книгу рекордов Гиннеса и с высокой вероятностью выдержат любые другие условия на Земле.

Сейчас Андрей Тепляков снова находится на пути в Антарктиду на борту Научно-исследовательского судна «Академик Федоров». В Петербурге на судно был погружен второй фитотехкомплекс для станции «Восток». Он предназначен для выращивания огурцов и арбузов. «Для нашего нового эксперимента выбраны лучшие отечественные и некоторые зарубежные сорта высокопродуктивных и скороспелых арбузов и огурцов», — рассказала Гаянэ Панова. По ее словам, вкусовые качества выращенных на полюсе холода арбузов должны соответствовать знаменитым астраханским арбузам, растущим под южным солнцем.

15 ноября НИС «Академик Федоров» с топливом, продовольствием, стройматериалами и научными грузами на борту вышло из порта Санкт-Петербург, дав старт 68-й Российской антарктической экспедиции. От привычного для таких рейсов захода в немецкий порт Бремерхафен в этом году решено было отказаться. В середине декабря судно зашло в порт Кейптауна и 15 декабря взяло курс на береговую российскую антарктическую станцию «Прогресс». Во время стоянки в Кейптауне была устойчивая связь, и «Стимулу» удалось поговорить с Андреем Тепляковым.

Он рассказал, что к берегам Антарктиды судно должно подойти в районе 1 января. После погрузочно-разгрузочных работ примерно в середине января к станции «Восток» двинется санно-гусеничный поезд. По словам Андрея, такой способ добираться до станции «Восток» лучше тем, что за две-три недели пути человеческий организм адаптируется к экстремальным климатическим условиям Центральной Антарктиды постепенно. Если лететь на самолете, смена климата происходит резко и адаптация происходит уже на станции.

Сразу по прибытии на станцию новый фитотехкомплекс разворачивать не будут. Это запланировано на март, когда сезонный состав 68-й РАЭ покинет станцию и людей в жилом доме станет поменьше, а времени для экспериментов — побольше. Для выращивания арбузов и огурцов до зрелости требуется около двух месяцев. «По нашему плану, к началу мая на станции «Восток» созреют первые антарктические арбузы», — надеется Гаянэ Панова.

АРБУЗЫ.jpg © stimul.online

Вкусовые качества выращенных на полюсе холода арбузов должны соответствовать знаменитым астраханским арбузам, растущим под южным солнцем. Источник изображения: Наталия Михальченко

Эксперимент на станции «Восток» состоит из двух частей. Одновременно запускаются две оранжереи-фитотехкомплекса, абсолютно идентичных по составу культур, техническим условиям, габаритам установки и срокам выращивания: одна на станции, другая — в Агрофизическом институте. Растения измеряются и изучаются в процессе роста, а получаемая растительная продукция взвешиваются по окончании каждой вегетации. После сбора урожая одну его половину используют как пищу, вторая исследуется на предмет качества и безопасности.

Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП), «подруживший» два петербургских института — АФИ и ААНИИ — тоже не остался в роли наблюдателя. Вместе с коллегами из Агрофизического и Арктического и антарктического институтов ученые ИМБП изучают психологический аспект взаимодействия человека и растения в условиях станции «Восток». «Мы анкетируем участников эксперимента по выращиванию растений на станции «Восток» и сравниваем данные с другими нашими экспериментами в условиях изоляции — в космосе или же в специально смоделированных условиях на Земле. Везде мы видим очень высокую заинтересованность в контакте с растениями — и у полярников на станции «Восток», и у космонавтов на МКС, и у испытателей», — рассказала «Стимулу» Маргарита Левинских, ученый секретарь Института медико-биологических проблем. Именно этот институт организовал десятки экспериментов по выращиванию растений на орбите по собственным технологиям и ряд изоляционных экспериментов по адаптации человека к жизни в замкнутом пространстве, имитирующем дальние космические полеты. Анализируя итоги исследований, Маргарита Левинских сделала вывод, что выращивание растений в экстремальных условиях выполняет роль средства психологической разгрузки для космонавтов и полярников.

Перспективная цель трехлетнего научного содружества ученых Агрофизического института с ААНИИ и ИМБП — отбор подходящих растений и разработка технологий, необходимых для длительного поддержания жизнедеятельности человека во время дальних космических экспедиций, например, при создании лунной базы и полетов к другим планетам Солнечной системы. По словам Маргариты Левинских, такой отбор уже прошли листовые зеленные культуры, томаты, перцы и морковь.

На Международной космической станции провести такой эксперимент нельзя. Получать товарную овощную продукцию, пригодную для питания, на МКС мешает строгая лимитация пространства и электроэнергии. Растения там выращивают, но площади крошечные, с четверть стола.

Растения, уже испытанные на станции «Восток», пополняют реестр перспективных культур для выращивания в фитотехкомплексах в будущем, в том числе при полетах в дальний космос.

Параллельные эксперименты АФИ ведет и с Всероссийским институтом генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР). Для ученых ВИР сотрудничество с коллегами из Агрофизического института дает возможность изучать физиологическую реакцию и хозяйственно ценные свойства растений и вести селекционный процесс в ускоренном режиме.

Отдел генетических ресурсов овощных и бахчевых культур ВИР ведет сравнительный анализ роста и развития культур и конкретных генотипов (сортов, гибридов) в условиях поля и традиционных теплиц с одной стороны и в фитотехкомплексе (в полностью контролируемых условиях) — с другой. По словам руководителя отдела генетических ресурсов овощных и бахчевых культур Анны Артемьевой, фитотехкомплекс обладает рядом неоспоримых преимуществ: «За короткий период времени можно получить большой урожай высокого качества благодаря оптимальным условиям для произрастания растений». В фитотехкомплексе исключены все факторы, мешающие растениям: здесь нет вредителей, избытка или недостатка влаги, неоптимальной температуры и освещенности, условия можно поддерживать в одном и том же режиме круглый год и в результате снимать не один, а несколько урожаев в год. Так, по подсчетам Анны Артемьевой, салат в фитотехкомплексе вырастает не за 45-60 дней, как в поле, а за 25-28 дней и дает больший урожай с единицы площади. По зеленным культурам, таким как рукола или кресс-салат, по ее словам, можно получить до 20 урожаев в год, по огурцам — шесть-семь, по томатам — четыре-пять урожаев товарной продукции в год.

На данный момент число сортов, испытанных в фитотехкомплексе в рамках разных экспериментов, достигает тысячи. Практические эксперименты начинались с листовых овощных культур, мелкоплодных перцев и томатов. Для армии планировали выращивать огурцы, томаты, листовую петрушку, укроп и другие зеленные культуры. Затем добавили бобовые и бахчевые культуры, кукурузу. Арбуз и кукуруза требуют опыления, но и с этим ученые справились. Опыление проводят искусственным способом. В ближайших планах — отработка технологии выращивания лесных ягод: ежевики, черники, голубики. Гаянэ Панова говорит, что накопленный опыт позволяет утверждать: в фитотехкомплексе можно выращивать практически любую культуру, даже древесные культуры на ранних стадиях их развития.

АНОХИН И ПАНОВА.jpg © stimul.online

Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агорофизического научно-исследовательского института показывает Андрею Анохину, заместителю председателя комитета Санкт-Петербурга по делам Арктики макеты фитотехкомплексов. Источник изображения: Наталия Михальченко

МОЛОДО-ЗЕЛЕНО

Помимо станции «Восток» мини-фитотехкомплексы установлены в нескольких учебных заведениях в Петербурге и Мурманске. В 116-й петербургской гимназии установка работает уже год. Школьники под руководством учителя биологии Анжелики Хорунжей выращивают кресс-салат и сравнивают параметры роста в установке и без нее. «В фитотехкомплексе получилось побыстрее», — сказала «Стимулу» Анжелика Хорунжая. Сейчас идет эксперимент в области нанотехнологий, экологический эксперимент, связанный с загрязнением растительных угодий нефтью. «В дальнейшем мы планируем вырастить стевию, чтобы можно было добавлять ее в блюда в школьной столовой вместо сахара. Если эксперимент получится, ребята попробуют доказать, что в сладкие блюда правильнее добавлять стевию, чем сахар», — говорит наша собеседница.

Своими силами в лабораториях Агрофизический институт может производить до 10 экспериментальных установок в год. Помощь в тиражировании проекта обещали в Смольном. В декабре в институте побывал заместитель председателя комитета Санкт-Петербурга по делам Арктики Андрей Анохин. Он сказал «Стимулу», что уверен: промышленные партнеры для тиражирования проекта до уровня товарного производства найдутся среди компаний, которые работают в Арктике.

Что касается Антарктиды, то, по мнению Андрея Теплякова, техническая возможность для развития проекта на российских антарктических станциях есть. До проекта Агрофизического института попыток выращивать что-то на станциях было много, но им, по мнению нашего собеседника, не хватало научного подхода. «Когда мы познакомились с разработкой Агрофизического института, то поняли: это серьезный подход. И нам стало интересно, — говорит Андрей Тепляков. — На каждой станции нужно 10 квадратных метров фитотехкомплексов, чтобы покрыть потребности каждого полярника в свежих овощах, фруктах и ягодах».

Наталия Михальченко

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈