Журнал «Агротехника и технологии»
Идея вертикального выращивания сельскохозяйственных культур родилась в условиях глобальной урбанизации. «Наступление» города на сельские угодья потребовало производства сельхозпродукции в больших объёмах. В итоге с появлением доступного светодиодного освещения была сформирована концепция так называемых «сити-ферм»: многоуровневых, многоэтажных искусственных площадей выращивания с минеральным или жидким субстратом вместо почвы, расположенных как в помещениях, так и под открытым небом. До недавнего времени таким способом выращивали экономически оправданные «дорогие» культуры: землянику, томаты «черри», редис. Сотрудники ФИЦ биотехнологий РАН развили идею возделывания культур в черте города. Они разработали автоматизированную вертикальную ферму для выращивания промышленных культур: например, картофеля. О специфике этой технологии журналу «Агротехника и технологии» рассказал специалист по развитию и агросопровождению проекта, старший научный сотрудник ФИЦ биотехнологии РАН Дмитрий Кравченко
Сити-ферма: начало
Проект сити-фермы нового типа стартовал в ФИЦ биотехнологий РАН в 2020 году. Сегодня исследователи уже представили первый экспериментальный образец автоматизированной вертикальной фермы, оснащённой динамическим светодиодным освещением с сортоспецифичными режимами. Сегодня здесь выращивают мини-клубни безвирусного семенного картофеля для дальнейшего полевого размножения.
Состоит разработанная в ФИЦ ферма из модульных стеллажей, в которые встроены датчики, реагирующие на изменения влажности и других параметров помещения и субстрата, а также системы полива и автоматизированного динамического освещения. Субстраты здесь используют минеральные в разных сочетаниях (вермикулит, торф) и применяют минерально-органические удобрения. Интересно, что выращивание в таких контролируемых условиях полевых культур, казалось бы, предназначенных только для открытого грунта, значительно раскрывает их потенциал, рассказывает Дмитрий Кравченко. Например, продуктивность картофеля с квадратного метра возрастает более чем на порядок, при этом не требуется специальной модификации сортов.
«”Сити”, как известно, родственно слову «город», впрочем, сити-ферма может находиться и в сельской местности, — рассуждает учёный. — Но в любом случае она должна быть расположена в помещении, где имеется возможность полностью контролировать условия — температуру, влажность, освещение». Как отмечает Дмитрий Кравченко, площадь «сити-фермы» может быть совершенно любой — от ста квадратных метров до нескольких тысяч, всё зависит от потребностей производителя и потребителей. Уровней такая ферма тоже может иметь разное количество, говорит он. Однако эффективно обслуживать (без применения каких-либо механизмов), можно только пять уровней, так как верхний пятый находится на высоте человеческого роста. «Конечно, можно делать и выше, — рассуждает учёный, — но в таком случае нужно организовывать лесенки или подъёмники. Насколько мне известно, некоторые сити-фермы по производству овощей достигают высоты 10 метров. На таких фермах необходим механизированный сбор урожая. Но этот вопрос не в нашей компетенции. Перед нами стояла, в первую очередь, научная задача: изучить влияние разных спектров освещения на рост картофеля и найти этому практическое применение. Мы с этой задачей справились и сегодня получаем оздоровлённые мини-клубни, которые востребованы сельхозпроизводителями».
Вертикальный подход
Вертикальные фермы существуют давно. Основная идея такого подхода заключается в том, чтобы максимально использовать площади помещений или сооружений не в горизонтальном направлении, а в высоту. В этом суть «вертикализации» производства любых растений. «В основном, — говорит Дмитрий Кравченко, — сейчас так располагают в пространстве салатные линии, микрозелень, землянику — продовольственные культуры. Мы же модельным объектом взяли семенной картофель как наиболее маржинальный продукт. В основном, мы работаем с сортами, которые востребованы для промышленной переработки на картофель-фри и чипсы. Это зарубежные сорта, например, “Инноватор” компании HZPC Holland B.V. поскольку отечественных сортов, удовлетворяющих нашим требованиям, очень мало, и в производстве они почти не используются. Это, конечно, “загвоздка” нашей отечественной селекции».
Картофель без вирусов
Сама идея безвирусного выращивания картофеля не новая, продолжает эксперт. Сформировалась она ещё в середине прошлого века. Дело в том, что картофель как вегетативно размножаемая культура подвержен множеству вирусных заболеваний, которые при воспроизведении значительно снижают его продуктивность. Вирусы накапливаются в клубнях и впоследствии вызывают множество дефектов растения: морщинистость, измельчание фотосинтетического аппарата, и в зависимости от степени поражения приводят к снижению продуктивности до 40-60%.
Поэтому исследователи решили в своём проекте использовать систему оздоровления картофеля от вирусных болезней методом выделения апикальной меристемы - активно делящейся ткани верхушки ростка картофеля. «Для этого, - рассказывает Дмитрий Кравченко, — вычленяют несколько клеточек, пересаживают в стерильных условиях в питательную среду, и дальше эти клетки начинают регенерировать до целого растения».
Апикальная меристема в большинстве случаев свободна от вирусов, говорит он. Если же появляется «сложный случай», тогда для освобождения её от вирусов приходится применять специальные меры. Среди них — сочетание метода апикальной меристемы с термотерапией — выдерживание клубней или растений при повышенных температурах до 37-38°С. При таких температурах вирусы либо погибают, либо их содержание снижается до уровня, позволяющего освободить участок меристемы большего размера. Иногда применяют химиотерапию, а также используют различные антивирусные и другие вещества, которые способствуют элиминации вирусов, добавляет Кравченко. После таких процедур проводят дальнейшее размножение безвирусных растений в условиях in vitro методом клонального черенкования, при этом постоянно проверяя на отсутствие вирусов методами иммуноферментного анализа и ПЦР-диагностики. Сейчас к ним ещё прибавился способ иммунохроматографии. «Таким образом, - заключает учёный, - данное растение становится родоначальником всего дальнейшего семенного материала данного сорта. Ну а затем идёт процесс получения мини-клубней. Это происходит в условиях защищённого грунта (в теплицах, на вертикальных фермах, как у нас, и на различных аэро- и гидропонных установках). После этого ведётся дальнейшее полевое размножение до элиты и второй репродукции. Как я уже говорил, картофель требует защиты от повторного заражения. Мы достигаем этого в максимальной степени, потому что полностью ограждаем растения от контакта с окружающей средой и другими посадками, откуда вирусы могут быть занесены вторично».
Автоматические решения для сити-фермы
Напрашивающееся решение для такого формата растениеводства — это автоматический капельный полив. На ферме установлены датчики влажности, и на основании их показаний осуществляется подача воды к растениям. Климат-контроль, функции которого выполняет система кондиционирования воздуха, не нуждается в автоматизации, поскольку в процессе выращивания не предполагаются большие перепады температур и влажности. Установлена здесь и система вентиляции с бактериальными фильтрами, поэтому занос даже каких-то «общечеловеческих» посторонних микроорганизмов минимизирован.
Динамическое освещение
На сити-ферме в ФИЦ биотехнологий РАН используют светодиодное освещение особого рода. Его динамичность, или управляемость, заключается в возможности изменять интенсивность, фотопериод и спектральный состав света как в течение одних суток, так и в течение всей вегетации. Управление освещением может быть доверено программе и настроено так, что будет меняться автоматически с любым, даже минутным интервалом. Иными словами, поясняет учёный, можно в течение минуты светить красным светом, а затем в течение следующей минуты — синим. Понятно, что для растений это редкая ситуация, замечает он, а так для каждой фазы роста и развития подбирается определенный спектр, который нужен растениям в данный момент.
Решая вопрос, в какой момент растениям требуется изменить спектр света, исследователи основываются на общих принципах физиологии. Например, известно, что освещение в красном спектре вызывает нарастание вегетативной массы, а сдвиг спектра в сторону синего способствует наращиванию массы корневой системы и образованию клубней. «Мы продолжаем научную работу в этом направлении, исследуя сортовую специфичность, — говорит Дмитрий Кравченко. — Дело в том, что даже для выращивания разных сортов одной культуры оптимальный световой режим может быть разный. Мы продолжаем исследовать этот момент. К сожалению, конкретные данные по разным сортам — закрытая информация. Но в своё время мы опубликуем её в научных изданиях».
Сегодня исследователи разрабатывают базы данных и анализируют влияние автоматизированного динамического освещения на фотосинтез промышленных сортов растений в нескольких поколениях, начиная от меристемной культуры до товарной продукции. На 2022 год в планах ФИЦ биотехнологий РАН продолжить разработки управляемой вегетации томатов и перца. Созданная система универсальна и перестраивается под любые нужды растениеводства.
Настоящее и будущее проекта
Сегодня на «умной» сити-ферме ФИЦ биотехнологий РАН выращивают посадочный материал картофеля. Однако эта система универсальна. Уже сейчас она пригодна для выращивания не только высокомаржинального картофеля, но и любой сельскохозяйственной культуры, даже пшеницы. В дальнейшем сити-ферму сможет использовать любой желающий: для селекционных целей, для быстрого размножения культур, для научных исследований. «Наша система, - отмечает Дмитрий Кравченко, - приспособлена для этого очень хорошо. Сегодня у нас полностью готова технология для картофеля. Но и для любых других культур, если возникнет потребность, мы такую технологию разработаем».
Варианты использования фермы могут быть самыми широкими. Сельхозпроизводителя может заинтересовать, например, только техническая часть разработки, а технологическую он будет разрабатывать сам. Так или иначе, сотрудники ФИЦ биотехнологий РАН будут сопровождать процесс, оказывая консультативную поддержку.
