УДК 631.589
Харитонов А.Э., Пищаева К.В., Мурадян С. А.
Анализ производства и использования гидропонных растворов с применением микроэлементов в хелатирующей форме
Харитонов Александр Эдуардович - аспирант; serdiner2016@yandex.ru. Пищаева Ксения Витальевна - ассистент; Мурадян Самсон Артушевич - ассистент;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрен синтез гидропонного раствора, включающего в себя комбинирование различных питательных веществ для создания сбалансированной смеси, способной поддерживать рост растений. Также для разработки питательного состава рассмотрено использование хелатных комплексов, которые являются одним из важных элементов гидропонного раствора - разновидности микроэлементов, используемых в гидропонике для улучшения доступности микроэлементов для растений. Использование отечественного аналога гидропонных растворов позволит снизить стоимость этого метода выращивания растений, который будет иметь большой потенциал в России, особенно в условиях сурового климата и ограниченных земельных ресурсов.
Ключевые слова: гидропоника, гидропонный раствор, микроэлементы в хелатирующей форме, хелат железа.
Analysis of the production and use of hydroponic solutions with the use of trace elements in chelating form.
Kharitonov A.E., Pishchaeva K.V., Muradyan S.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the synthesis of a hydroponic solution, which includes the combination of various nutrients in the right quantities to create a balanced mixture capable of supporting plant growth. Also, the use of chelate complexes, which are one of the important elements of the hydroponic solution - a variety of trace elements used in hydroponics to improve the availability of trace elements for plants, is considered for the development of the nutritional composition. The use of a domestic analogue of hydroponic solutions will reduce the cost of this method of growing plants, which will have great potential in Russia, especially in a harsh climate and limited land resources. Keywords: hydroponics, hydroponic solution, trace elements in chelating form, iron chelate.
Введение
Использование гидропоники вносит весомый вклад в устойчивое развитие, обеспечивая продовольственную безопасность, экономическую эффективность и охрану окружающей среды.
Преимуществами гидропонного метода выращивания растений считаются:
• Экономия воды - вода в гидропонной системе циркулирует и повторно используется;
• Экономия земельных ресурсов;
• Уменьшение использования пестицидов;
• Снижение транспортных расходов -выращивание вблизи от места продажи.
Гидропонный раствор - питательная среда для роста растений, состоящий из макро- и микроэлементов, необходимых для нормального развития растений, такие как азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, марганец, цинк, медь, бор и молибден. Также особенно важно следить за правильностью смешивания компонентов и контролем pH раствора для обеспечения оптимальных условий для роста и развития растений.
Хелатные комплексы - форма микроэлементов, используемая в гидропонике для улучшения доступности микроэлементов для растений. Создается путем связывания микроэлементов с хелатирующим агентом, таким как
этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА). Хелат железа участвует в синтезе хлорофилла, кислородно-несущих белках и других важных компонентах растения. Без достаточного количества железа, растения становятся более слабыми, перестают расти и порой могут умереть [1].
Одним из ведущих производителей гидропонных растворов и систем являются компании: General Hydroponics, GHE, Canna, Advanced Nutrients. Отечественные растворы производятся такими компаниями, как «Сады России», «Зеленый Мир», «Hydrobiolab». Отличия между отечественными и импортными растворами заключаются в технологиях производства, используемых компаниями-производителями, и в используемых ингредиентах. В связи с наложенными санкциями импортные растворы обходятся дороже, чем отечественные растворы, из-за стоимости ингредиентов и транспортировки. Однако, импортные растворы имеют более высокое качество и обеспечивают лучшие результаты. Значительным затруднением в разработке нового состава является засекреченная формула и состав готовых импортных растворов у крупных компаний-производителей (Рис. 2).
Основная часть
При разработке отечественного аналога гидропонного раствора следует изучить имеющуюся литературу по гидропонике и выявить наиболее
важные элементы, необходимые для роста растений. Затем, необходимо создать специальную гидропонную ферму (Рис. 1), где будут проводиться исследования и эксперименты с различными растениями и составами растворов. Здесь можно будет определить оптимальные пропорции элементов в растворе, а также выявить эффективность российского гидропонного раствора.
После того, как состав элементов питания был
определен, можно начать оптимизировать их
концентрацию в растворе. Это может быть выполнено
путем проведения опытов на выращивании
различных растений в разных концентрациях
растворов, и выбора тех, которые дали наилучшие
результаты. Для сравнения нового
экспериментального состава использовали аналоги
гидропонных растворов, которые в связи с санкциями
значительно подорожали (GHE, General Hydroponics,
Advanced Nutrients, Botanicare и др.). А также
необходимо учитывать различные факторы, такие как
рН раствора, температура, освещение, влажность.
МИНИМАЛЬНЫЙ ГАРАНТИРОВАННЫЙ СОСТАВ:
Важно отметить, что разработка нового состава гидропонного раствора может быть достаточно трудоемкой и необходимо проводить регулярное тестирование и оптимизацию раствора, чтобы гарантировать максимальную эффективность и качество выращиваемых растений.
По окончании исследований и экспериментов для получения российского гидропонного раствора необходимо провести сертификацию, чтобы убедиться в его безопасности и качестве. В результате будет создан российский аналог гидропонного раствора, который станет основой для выращивания здоровых и питательных растений без почвы, который будет порядком дешевле импортных аналогов, ничем не уступая по качеству и доступности.
Стоимость разработки нового гидропонного раствора может значительно варьироваться в зависимости от многих факторов, таких как состав, объем партии, необходимость исследований и тестирования. ____
Рис. 1 «Гидропонные установки»
Азот нитратный (М).......................]Д
Азот аммиачный (К!).....................1Д
Калий растворимый (1^0}.............
Еор (В).......!.................................№
Кальций растворимый (СэО)........—
Медь (Си) в виде хелзтз ЕЙТА-----О^1
Железо (Ре).................................—О-1'*
Марганец (Мп) в виде хелата ЕОТМ^
Молибден (Мо).....................
Рис. 2 «Состав импортных гидропонных растворов засекречен»
Рис. 3 «Проведение замеров роста растений»
Экспериментальная часть
Эксперимент проводится с 23.03.2023 по настоящее время.
На данный момент на этапе разработки экспериментального раствора выполнено следующее: -синтезирован питательный состав; -закуплена аппаратура и растворы для запуска гидропонной фермы;
- запущена гидропонная ферма, подготовлено освещение, изолировано помещение для чистоты проводимого опыта (Рис. 1);
-рассажены экспериментальные растения (дайкон, томат, салат, кориандр, укроп, базилик);
-проводятся наблюдения, замеры роста (Рис. 3) и поддержание pH раствора,
Эксперимент начался с подготовки питательного раствора. Емкость для раствора заполнили водой, пропущенной через угольный фильтр и далее мы начали последовательно добавлять концентраты из каждой бутылки GHE согласно инструкции, тщательно перемешивая после каждой порции. Далее мы подготовили наш экспериментальный раствор для сравнения. Смешали все исходные компоненты, предварительно проводив расчет компонентов. Экспериментальный питательный состав для выращивания сельскохозяйственных растений
содержит на 1.8 % больше азота, на 4.7 % больше фосфора, на 0.76 % больше калия, на 0.27 % больше бора, на 0.056 % больше молибдена по сравнению с GHE.
После приготовление раствора мы запускаем циркуляцию, и с этого момента насос функционирует непрерывно в течение всего периода проведения эксперимента. Блоки из минеральной ваты необходимо закреплять на емкости для выращивания, а трубки для капельного орошения вставлять в минеральную вату сверху. После включения насоса раствор должен подаваться со скоростью примерно одна капля в секунду. Это необходимо периодически проверять (каждые несколько дней), вытаскивая капельницу наружу. После проверки его можно снова вставить на то же место. Изначально использовалось реле времени для переключения фитоламп. Кроме того, необходимо частично менять питательный раствор каждые три-четыре недели, поскольку растения потребляют питательные вещества неравномерно, в связи со сменой вегетационного цикла растений.
На рисунках 4-9 представлена зависимость роста растений на экспериментальном составе, относительно эталонного питательного раствора GHE.
—5НА —Wsui раствор
Рис. 4 «График роста дайкояа»
—GHA —*—Наш раствор
Рис. 7 «График роста укропа»
J f—X—
J i
Рис. 5 «График роста салата»
*-■ W
и
Цмр о* J4 Н«Ч> <К*»» 1*<мА 2*
—GHA —•—Нии расгмр
Рис. 8 «График роста кориандра»
19
ta
►43
ji-шрг ûljnp !tmp Ллпр 04 ut lius* н
" ОНА —♦— Наш pacisop
Рис. 6 «График роста томатов»
,/M
3 4 Ts
25.март 04.апр И.апр 24.апр 03.май 14.май 24. ма
—■—SUA -»—Наш раствор
Рис. 9 «График роста базилика»
В качестве субстрата в эксперименте используется минеральная вата. При выращивании растений в гидропонике важно поддерживать высокий уровень влажности воздуха, не менее 6070%, в идеале она должна составлять от 80 до 85%. Низкий уровень влажности приведет к быстрому высыханию верхнего слоя ваты, что приведет к
Рис. 11 «Показатели температуры и роста»
Если рН чрезмерно высок, всасывание питательных микроэлементов будет подавлено. Когда рН превышает 6,5, возникает проблема дефицита марганца, а когда рН превышает 7, железо выпадает в осадок и становится недоступным для растений. Гистерезис рН для гидропонных растворов должен находиться в пределе 5,8-6,4. Показатели рН растворов во время проведения эксперимента отражены на рисунке 12.
Преимуществом разработанного композиция питательного состава является устойчивость при pH выше 7 по сравнению с известным аналогом ОНБ.
Вывод
Исследование направлено на достижение целей устойчивого развития:
Цель 2 - Ликвидация голода;
Цели 15 - Рациональное использование экосистем суши.
Использование гидропоники вносит весомый вклад в устойчивое развитие, обеспечивая продовольственную безопасность, экономическую
увеличению электропроводности (EC). Температура внутри помещения не должна опускаться ниже 16°С и превышать 26°С (на рисунке 11 показаны показатели температуры и влажности в помещении для эксперимента). Вода для полива должна проходить через фильтр.
Рис. 12 «ПоказателиpHрастворов»
эффективность и охрану окружающей среды. Этот метод выращивания позволяет продавать растения без посредников и сокращает расходы на транспортировку. Сокращение затрат на транспортировку также снижает выбросы вредных веществ (парниковых газов) в атмосферу, что влечет за собой снижение добычи углеродсодержащих ископаемых. Это может уменьшить зависимость нашей экономики от нефти и газа, что снизит риски экономических и политических конфликтов.
Научная работа выполняется при финансовой поддержке РХТУ имени Д.И. Менделеева в рамках внутреннего инициативного гранта № ВИГ-2022-037.
Список литературы:
1. Jacobson L. Maintenance of iron supply in nutrient solutions by a single addition of ferric potassium ethylenediamine tetraacetate // Plant Physiol. 1951. V. 26. No. 2. P. 411-413. doi: 10.1104/pp.26.2.411