«Зеленая колонна» для кабинета биологии и естествознания

Компьютеризированный стенд «Зеленая колонна» предназначен для оснащения кабинетов биологии, экологии и естествознания, и используется для исследования роста и развития растений в условиях воздействия на них разнообразных техногенных и абиотических факторов.

Современные биотехнологии. Актуальность

Цифровые технологии все активнее используется в сельском хозяйстве. Причина, по которой имеет место эта тенденция, заключается в том, что цифровые технологии приносят огромную пользу предприятиям и частным лицам, задействованным в сельскохозяйственной отрасли. Существует множество цифровых технологий, которые подпадают под категорию «точного земледелия».

Точное земледелие - это основанная на экспериментальных и теоретических данных методология управления и оптимизации производства сельскохозяйственных культур.

В отчетах зарубежных и отечественных специалистов в области сельского хозяйства подчеркивается, что значительное увеличение ожидаемой урожайности основано на технологических усовершенствованиях, внедряемых методом точного земледелия, а новые технологии должны позволить на 70% повысить урожайность на существующих сельскохозяйственных землях, следовательно, хоть в какой-то мере, способствовать решению задач продовольственной безопасности.

Итак, какие же инновационные технологии предлагают современные ученые-биотехнологи для повышения урожайности сельскохозяйственных культур?

Это:

• освещение растений с оптимальной интенсивностью, спектром и продолжительностью,
• оптимальный способ и частота полива растений,
• выбор оптимального почвогрунта,
• выбор удобрений, оптимизация метода их применения, разработка новых методов получения и внесения удобрений в почву,
• внекорневая подкормка по листьям,
• оптимальные параметры микроклимата — температуры и влажности,

В последнее десятилетие к указанным факторам добавились:

• подкормка растений углекислым газом,
• электростимуляция растений,
• ионизация воздушной среды, в которую помещены растения,
• обработка растений современными экологически чистыми препаратами, способствующими подавлению патогенных микроорганизмов и грибов,
• активация и обеззараживание посевного материала (семян).

При разработке стенда «Зеленая колонна» разработчики постарались реализовать основные, наиболее изученные факторы воздействия на растения.

Исследования влияния спектра и его интенсивности являются, пожалуй, самыми изученными в настоящее время и успешно реализуемыми в практике выращивания сельскохозяйственной продукции.

Освещение

Освещение растений может быть как естественным (солнечный свет), так и искусственным (электрические лампы и различные излучатели). К наиболее важным относятся красная и сине-фиолетовая зоны спектра. Именно они влияют на обмен веществ и процесс роста растений. Короткодневные растения воспринимают синий свет как темноту и скорее переходят к цветению. Также реагируют длиннодневные растения на красный свет. Но сине-фиолетовый свет провоцирует у них замедление роста и торможение функций плодообразования. Инфракрасное излучение способствует получению быстрого урожая. А при его снижении вегетационный период затягивается, но показатель урожайности увеличивается. Краткосрочное воздействие мягкого ультрафиолетового диапазона (УФВ) приводит к выработке в растениях вторичных метаболитов — витаминов, каротиноидов.

В стенде «Зеленая колонна» для досветки растений использованы светодиоды синего, красного и холодного белого света мощностью 30 и 50 Вт.

Полив

В стенде «Зеленая колонна» реализован как автоматический «нижний» полив растений, так и ручной верхний полив растений. Оба типа полива периодически совмещаются с внесением жидких органических удобрений.

Выбор оптимального почвогрунта

При выборе почвогрунта необходимо учитывать содержание в нём основных элементов питания растений (азот, фосфор, калий) и микроэлементов (медь, цинк, бор, магний и др.), а также, количество полезной (аэробной) микрофлоры – основы жизни плодородного слоя земли. Весьма желательно, чтобы в грунте исходно отсутствовали семена сорных растений. Непременным условием для используемого грунта является 100% гарантия отсутствия в нём патогенной микрофлоры. По результатам наших испытаний некоторых видов «брендовых» грунтов в течение последних нескольких лет перечисленным требованиям больше всего удовлетворяет грунт «Биозём», который производится путём тщательного перемешивания торфа и помета или навоза по технологии «Биоферментации».

Оптимальные параметры микроклимата

Температура, влажность воздуха существенно влияют на рост и развитие растений. У многих растений наиболее интенсивный фотосинтез наблюдается при 20-35°С. Снижение интенсивности фотосинтеза при значительном повышении температуры обусловлено тем, что вместе с прогрессивным ускорением химических реакций при повышении температуры возникают процессы, угнетающие фотосинтез.

В стенде «Зеленая колонна» повышение влажности в экспериментальных боксах обеспечивалось за счет варьирования параметров полива растений.

Содержание углекислого газа

К числу внешних факторов, влияющих на интенсивность фотосинтеза, относится и содержание углекислого газа в атмосфере. В среднем в атмосфере содержится (0,03 — 0,04) % или (300-400 ррм) углекислого газа по объему, и содержание его в атмосфере почти не изменяется: дефицит быстро выравнивается поступлением СО₂ из почвы в результате жизнедеятельности микроорганизмов. При увеличении количества углекислого газа в атмосфере фотосинтез возрастает, но прямой пропорциональности между содержанием углекислого газа и фотосинтезом не наблюдается.

Фотосинтез увеличивается при повышении содержания углекислого газа до 0,06%-0,2% и интенсивном освещении, причем для разных культур оптимально вполне определенное, «своё», значение концентрации СО2. Повышение концентрации углекислого газа неэффективно при слабой интенсивности света, так как углекислый газ не успевает перерабатываться в листьях в органические соединения и оказывает токсическое действие.

Тем не менее, «подкормка» растений углекислым газом становится «нормой», всё чаще встречается в сельскохозяйственных предприятиях стран Европы и США и   постепенно доходит до России, (ООО «Калужский цветоводческий холдинг»), а потому требует серьёзного исследования.

Для повышения интенсивности роста и развития растений в стенде «Зеленая колонна» предусмотрено использование электростимуляции растений, для чего через грунт, в который посажены растения пропускается слабый электрический ток, что ускоряет идущие в нем химические и биохимические реакции: активизируются микроорганизмы, увеличивается перемещение влаги, разлагаются вещества, которые плохо усваиваются растениями, в результате чего химические вещества в почве переходят в легко усвояемые формы, быстрее превращаются в гумины и гуматы все растительные остатки. Какой из этих процессов основной, а какие вспомогательные – предстоит объяснить будущим исследователям.

Как можно видеть, воздействующих на растения техногенных и абиотических факторов достаточно много, и многие факторы воздействуют на растения в сочетании с другими факторами, поэтому при организации исследований необходимо учитывать эту «многофакторность».

Стенд «Зеленая колонна» предназначен для проведения демонстрационных и лабораторных работ в течение длительного времени (всего учебного года) в кабинетах биологии, естествознания и экологии с большим количеством растений или рассады.

Стенд «Зеленая колонна» управляется дистанционно с помощью Wi-Fi с любой операционной системы – смартфона, планшета или компьютера. Схема управления стенда «Зеленая колонна» приведена на рис.1.

Рис. 1.

На панели управления (рис.2) имеются следующие элементы управления и индикации.

Элементы «Полив», «Освещение растений» и «Устройство электростимуляции» предназначены для управления автоматизированным поливом растений, для включения освещения и для включения Устройства для электростимуляции растений.

Элементы «Zond» и «Анализатор» предназначены для подключения двух анализаторов: анализатор «Zond» подключает датчики Освещенности, Фертильности почвы, Влажности почвы, а газоанализатор «Анализатор» включает датчики состояния газовой среды в боксе - концентрации СО2, влажности и температуры.

Рис. 2. Панель управления стенда «Зеленая колонна»

Сигналы с анализаторов выводятся на экран планшета (компьютера). На рис.3 в качестве примеров приведены графики температуры и влажности в боксе. По аналогии на экране могут быть получены графики изменения СО2, освещенности и температуры в боксе, влажности и фертильности почвы.

Рис.3. Примеры графиков на экране планшета(компьютера)

Внешний вид стенда «Зеленая колонна» показан на рис. 4 (без растений, но с включенными светодиодами) и рис. 5 (с растениями).

Рис.4                                                          Рис. 5

Описание конструкции

Конструкция стенда выполнена в виде стеллажа с тремя полками и основанием, лицевой панелью и задней крышкой; все элементы конструкции покрыты порошковой краской. На полках размещены прозрачные пластиковые поддоны для осуществления автоматизированного или ручного полива горшков с грунтами и растениями, помещенных в данные поддоны. Над поддонами установлены прозрачные герметичные пластиковые боксы с отсеками для размещения анализаторов. Система автоматизированного светодиодного освещения включает в себя светодиоды (12 шт.), установленные на радиаторы, охлаждаемые малошумными вентиляторами. Спектр излучения светодиодов – холодный белый (6 шт.), красный (2 шт..), синий (2 шт.) и комбинированный (красный+синий) (2 шт.). Светозащитные пластиковые перегородки исключают попадание в каждый конкретный бокс излучения от соседних светодиодов. Стенд комплектуется шторой, ограничивающей попадание света от светодиодов в помещение. Система автоматизированного «нижнего» полива включает в себя резервуар для воды, помпу, датчик уровня воды в резервуаре и ограничители расхода воды для равномерной раздачи воды по трем каналам. Система автоматизированного полива обеспечивает увлажнение грунта в горшках с растениями в 9 поддонах. В остальных 3 поддонах осуществляется ручной «верхний» и/или «нижний» полив. Во избежание вымывания грунта из горшков, последние укомплектованы фильтрующими элементами из минеральной ваты. Электростимуляция корневой системы растений осуществляется с помощью источника постоянного напряжения токами 1-10 мкА. В качестве опции стенд может комплектоваться цифровой видеокамерой с разрешением не менее 0,3 Мпикс для фиксации скорости роста рассады (растений).

К стенду прилагается учебно-методическое пособие с 35 базовыми лабораторными работами, иллюстрирующее многофункциональность комплекса и его возможности.

Разрабатывая стенд, разработчики ставили задачу, помочь школьникам в проведении биотехнологических исследований и подготовке к современной профессии биотехнолога и специалиста в области инновационных методов ведения сельского хозяйства.

Компьютеризированный стенд «Зеленая колонна» для кабинетов биологии, экологии и естествознания для исследования роста и развития растений в условиях воздействия на них разнообразных техногенных и абиотических факторов разработаны и производятся в АО «МЕДИУС».

С.В. Васильев, генеральный директор АО «МЕДИУС»,
Г.Л. Спичкин, нач. отдела АО «МЕДИУС», к.т.н.,
З.А. Томанова, доцент кафедры ЛОИРО, к.б.н.