Экологи Российского химико-технологического университета имени Менделеева создали питательный состав для выращивания овощей и фруктов в Арктике
Исследователи кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» РХТУ им. Д.И. Менделеева придумали удобрение для беспочвенных систем, которое насыщает растения необходимыми микроэлементами для полноценного роста. Разработка обеспечит доступными агрокультурами области с суровым климатом.
Плавание в неизвестность
16 ноября 1741 года парусное судно «Святой Петр» бросило якорь у небольшого безымянного острова на севере Тихого океана. Экипаж корабля под командованием капитана-командора Витуса Йонассена Беринга высадился на берег, чтобы пополнить запасы пресной воды.
Экипаж планировал отдохнуть на острове несколько недель и двинуться к месту зимовки в Авачинской губе. Там, в незамерзающей бухте, которую назвали Петропавловской, было заложено поселение для того, чтобы переждать холодный сезон.
Но планам экипажа «Святого Петра» не суждено было сбыться – 9 декабря над морем поднялся сильный ветер. Пакетбот, для которого не нашлось безопасной гавани, был выброшен на берег высокими волнами. Команде пришлось остаться на острове в суровых погодных условиях.
За период зимовки от голода, цинги и других болезней погибли 19 членов экипажа, включая капитана. Только после наступления тепла оставшаяся часть экипажа сумела построить из обломков судна небольшой гукор – двухмачтовое парусное судно с широким дном. На нем выжившие отплыли с острова, названного в честь Беринга, и добрались в Петропавловскую бухту.
Со смертью капитана-командора закончилась масштабная Великая Северная экспедиция, которой командовал мореплаватель. За десять лет отважные российские исследователи впервые провели опись отдельных участков побережья Северного Ледовитого океана, открыли пролив между Азией и Америкой, а также исследовали американский берег.
Экспедиция Беринга изучила Аляску, Алеутские и Командорские острова. Другие отряды мореплавателей нанесли на карты северные берега России: от Белого моря до Камчатки. Также был проложен морской путь в Японию.
Почти триста лет назад такие достижения требовали невероятных усилий и больших жертв. Многие, включая Беринга, погибли или пропали без вести. Суровый климат, постоянные лишения и болезни, отсутствие полноценного питания и другие факторы постоянно препятствовали морским исследованиям. Но, несмотря на невыносимые условия, Великая Северная экспедиция выполнила практически все задачи, которые перед ней стояли.
Суровые земли
Российские моряки смогли изучить огромную территорию Арктики и Северного Ледовитого океана, проложить основу для будущего Северного морского Пути. В суровом климате были основаны десятки новых поселений.
Сейчас на берегах Северного Ледовитого океана живут почти 4 млн человек. Небольшие селения со временем превратились в современные города, несмотря на тяжёлые условия жизни. Но даже сегодня Крайний Север – один из самых малонаселенных регионов мира.
Выжить и создать комфортную среду для людей помогают ученые. Они создают материалы, способные выдерживать сильные морозы, придумывают новые технологии специально для арктических регионов.
Очередная инновация была разработана в Российском химико-технологическом университете имени Менделеева (РХТУ). Исследователи кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» Института химии и проблем устойчивого развития создали питательный состав, который позволит значительно повысить урожай сельхозпродукции в областях страны с суровым климатом.
Ученые развивают Север
Московские экологи искали способ полноценного развития растений в районах Крайнего Севера, которое невозможно без сбалансированного питания макро- и микроэлементами. В открытом грунте выращивание агрокультур практически невозможно, но вместо него можно использовать гидропонные установки. Это беспочвенные системы выращивания растений, которые доказали свою эффективность.
Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева создали особый гидропонный состав, который насыщает растения необходимыми микроэлементами для полноценного роста. Питательная добавка содержит металлоорганические комплексные соединения – хелаты. Обычно их используют для переработки отходов I–II классов и рекультивации загрязненных земель. Вещество повышает способность растений накапливать в себе тяжелые металлы из почвы. Но также оказалось, что оно расширяет возможности насыщения полезными микроэлементами.
«Идея пришла как продолжение исследований в области биологически активных форм хелатных комплексов. В течение последних лет на базе кафедры мы проводили исследования металлоорганических хелатных соединений для увеличения физиологического потенциала растений. Изначально мы решали иную задачу – повысить с помощью данных добавок способность растений накапливать в себе тяжелые металлы из загрязненных почв. В результате нами была разработана композиция питательного раствора с содержанием микроэлементов в хелатной форме, а также методика получения питательного раствора для гидропоники. Результаты проведенных исследований показали лучший прирост биомассы сельскохозяйственной продукции по сравнению с международным аналогом питательного раствора. Был показан лучший рост биомассы – выше на 30%, массы корней – на 65%, площади листовой пластины – на 16%», – объясняет эколог-природопользователь, аспирант, ассистент кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» РХТУ им. Д.И. Менделеева Ксения Пищаева.
Конечно, отечественная разработка – не единственная в мире добавка для беспочвенных систем выращивания овощей, фруктов и зелени. Сегодня развитие арктических технологий – важный приоритет для ученых всего мира. Но Ксения Пищаева с командой коллег смогла превзойти все иностранные аналоги.
Кропотливая работа
Дело в том, что не существует волшебного удобрения, которое позволило бы максимально раскрыть генетический и физиологический потенциал любого растения, приспособленного к выращиванию в гидропонных условиях. Самые популярные растворы недостаточно эффективны, так как содержат микроэлементы в форме минеральных солей. Это не дает высокую степень поглощения растениями, а также создает узкое окно химической стабильности с низкой вариативностью по основным макро- и микроэлементам.
Даже самый популярный сегодня состав на рынке – французский GHE – имеет серьезный недостаток. Он неустойчив при уровне pH выше 7 и содержит низкое количество азота.
Ученые учли минусы аналогов при разработке собственной композиции. Новое удобрение получилось аналогичным по возможностям питательному составу GHE. При этом готовый отечественный раствор имеет улучшенную стабильность, а также содержит больше азота и более широкий спектр микроэлементов.
В ходе испытаний нового гидропонного состава Ксения Пищаева и ее коллеги подтвердили, что хелатирующие добавки насыщают растения микроэлементами и эффективно дополняют действие основных компонентов удобрений — азота, фосфора и калия.
Все исследования проводились в три основных этапа. Сначала ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева разработали стабильный питательный состав. Потом провели эксперименты с растениями и сравнили их с уже готовыми составами на этапе всходов. В конце они применили вещество в гидропонных установках на различных видах растений и сравнили с существующими аналогами составов. На первый этап ушло порядка двух месяцев, на второй месяц, третий этап занял уже полгода.
Не обошлось и без трудностей. Исследователи столкнулись необходимостью поддержания всех питательных элементов в растворенном виде, что дает растениям легкий доступ к ним. И хелатные комплексы отлично справились с задачей. Второй проблемой стала установка и введение в эксплуатацию гидропонной системы, так как это были первые подобные вегетационные исследования. Но ученые успешно стандартизировали условия как для контрольной, так и для исследовательской групп образцов.
«Выращивание с помощью гидропоники имеет ряд преимуществ: нет необходимости использования почвы, создаются максимально комфортные условия для раскрытия потенциала развития растений, рационально используются питательные вещества. Появляется возможность выращивать овощи, фрукты, зелень и цветы в Арктике, на территориях с экстремальными климатическими условиями. Жизнеобеспечение населения данной зоны входит в перечень ключевых задач стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года. Широкое внедрение беспочвенных систем выращивания сельскохозяйственной продукции является важным элементом обеспечения населения продуктами питания и национальной безопасности», — говорит Ксения Пищаева.
Сады в снегах
В итоге разработка московских экологов превзошла импортные аналоги по ключевым показателям. По замыслу ученых, в ближайшем будущем она позволит обеспечивать население продуктами питания на территориях с экстремальными климатическими условиями, в том числе в арктической зоне страны.
Исследователи планируют в ближайшей перспективе модифицировать разработанный питательный состав для различных агрокультур, а также подобрать композиции питательных веществ для растений на разных стадиях вегетации. В настоящее время оформляется заявка на получение патента, после чего команда представит технологию на международной конференции во Вьетнаме.
Интерес к инновационной разработке уже проявили представители отечественного агрохимического рынка: ситифермы арктического региона России, рестораторы и производители микрозелени. Работа поддержана грантом по программе стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» Минобрнауки России.
Уже в ближайшие годы местные овощи и фрукты могут появиться во многих удаленных северных городах. Это значительно расширит их доступность для населения и толкнет вперед развитие инфраструктуры северных регионов страны. Например, в поселке Никольское, который является единственным населенным пунктом не только на острове Беринга, но и на всем архипелаге Командорских островов в Камчатском крае.