CC BY
1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
УДК 581.557.24:582.998:591.61:631.81.036:631.86 DOI: 10.24412/1029-2551-2024-5-011
НЕЙРОСЕТЕВОЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОРГАНОМИКРОБНЫХ БИОПРЕПАРАТОВ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ МАССОНАКОПИТЕЛЬНЫХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕСШВ В БАРХАТЦАХ
1 12 С.И. Лоскутов, к.с.-х.н., Я.В. Пухальский, Н.И. Воробьев, к.т.н.,
3А.И. Якубовская, к.б.н., 3И.А. Каменева, к.с.-х.н., !В.Ю. Ситнов
1ВНИИ пищевых добавок - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова,
e-mail: vniipakk55@mail.ru 2Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии, e-mail: arriam@arriam.ru Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма, e-mail: priemnaya@niishk.site
Представлена возможность применения органомикробных удобрений, замещающих традиционные минеральные удобрения, при выращивании декоративных растений рода Tagetes (бархатцы). В составе органомикробного комплекса предложено использовать гриб арбускулярной микоризы (Rhizophagus irregularis) и переработанные экскременты насекомого Черная Львинка (Hermetia illucens). Для выращивания растений Бархатцы использовали нейтрализованный кокосовый субстрат. По окончании опыта в фазе цветения определяли физиологические характеристики бутонов, стеблей и корней растений. Химический элементный состав органов растений анализировали методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Полученный в ходе эксперимента массив эмпирических данных был обработан с помощью нейросети ChemNN, которая вычисляла индексы когнитивной значимости композиции химических элементов в разных органах растений CSIfract, что позволило сравнить интенсивности массонакопительных и биохимических процессов в растениях на различных вариантах опыта. Результаты нейросетевого анализа показали, что отдельное применение зоогумуса в качестве удобрения негативно сказалось на интенсивности биохимических процессов в цветочных бутонах, и положительно повлияло на интенсивность биохимических процессов в стеблях и корнях растений. Наибольшие показатели индексов CSIfract для последних органов отмечены при отдельной микоризации растений. Интенсивность биохимических процессов в бутонах растений достигает максимальной величины в опыте с совместным применением зоогу-муса и микоризы. Элементный химический анализ органов растений также показал, что применение органомикробного комплекса повлияло на перераспределение трех химических элементов (Fe, K, Mg) из побегов в пользу корневой системы, что никак не сказалось на общем пуле накопления био-фильных элементов в соцветиях. Результаты исследования показали, что при выращивании растений в теплицах на многоярусных фитоустановках допустимо применение органомикробных удобрений на основе экскрементов насекомых и инокулянта арбускулярных микоризных грибов.
Ключевые слова: бархатцы, органомикробный комплекс, зоогумус, черная львинка, микоризные грибы, профиль химических элементов в растениях, вычислительная нейронная сеть, индекс когнитивной значимости цифровых данных.
NEURAL NETWORK ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ORGANIC-MICROBIAL BIOPREPARATIONS ON THE INTENSITY OF MASS ACCUMULATION AND BIOCHEMICAL PROCESSES IN MARIGOLD
lPh.D. S.I. Loskutov, J.V. Puhalsky, 2Ph.D. N.I. Vorobyov, 3Ph.D. A.I. Yakubovskaya, 3Ph.D. I.A. Kameneva, V.Yu. Sitnov
1ARSRIfor nutritive additives - branch of Gorbatov Research Center for Food Systems, e-mail: vniipakk55@mail.ru 2ARSRI for Agricultural Microbiology, e-mail: arriam@arriam.ru 3 Scientific-Research Institute of agriculture of the Crimea, e-mail: priemnaya@niishk.site
In this study the possibility of using organic-microbial fertilizers to replace traditional mineral fertilizers when growing ornamental plants of the genus Tagetes was analyzed. Using the arbuscular mycorrhiza fungus
(Rhizophagus irregularis) and processed excrement of the black soldier fly (Hermetia illucens) as part of the organ-ic-microbial complex was proposed. Neutralized coconut substrate was used to grow Tagetes plants. At the end of the experiment, in the flowering phase, the physiological characteristics of the buds, stems and roots ofplants were determined. The chemical elemental composition of plant organs was analyzed using atomic emission spectrometry. The array of empirical data obtained during the experiment was processed using the ChemNN neural network, which calculated the indices of cognitive significance of the composition of chemical elements in different plant organs CSIfract, which made it possible to compare the intensities of mass accumulation and biochemical processes in plants in different experimental variants. The results of neural network analysis showed that separate application of zoohumus as a fertilizer had a negative effect on the intensity of biochemical processes in plant flower buds, and a positive effect on the intensity of biochemical processes in plant stems and roots. The highest values of CSIfract indices for the latter organs were noted with separate mycorrhization of plants. The intensity of biochemical processes in plant flower buds reaches its maximum value in the experiment with the combined application of zoohumus and mycorrhiza. Elemental chemical analysis of plant organs also showed that the use of organic-microbial complex affected the redistribution of three chemical elements (Fe, K, Mg) from shoots in favor of the root system, which did not affect the overall pool of accumulation of biophilic elements in inflorescences. In general, the results of the conducted study showed that when growing plants in greenhouses in multi-tiered phytoinstallations, it is permissible to use organic-microbial fertilizers based on insect excrements and inoculant of arbuscular mycorrhizalfungi.
Keywords: marigold, organic-microbial complex, zoohumus, Hermetia illucens, mycorrhizal fungi, profile of chemical elements in plants, computational neural network, index of cognitive significance of digital data.
Основные центры происхождения растений бархатцы - Мексика и Индия, где и сейчас отмечается их большое биоразнообразие (около 30 видов однолетних и многолетних видов растений). В нашей стране в основном выращивают однолетние виды: бархатцы прямостоячие (Tagetes erecta L.), отклоненные (Tagetes patula L.) и тонколистые (Tagetes tenuifolia Cm.) [1]. Встречаются также бархатцы мелкие (Tagetes minuta L.), в цветах которых содержатся эфирные масла и натуральные красящие пигменты (каротиноиды и флавоноиды), которые обладают антиоксидантной активностью [2, 3]. Эти растения могут возделываться как на кормовые [4] и пищевые цели [5-7], так и для отраслей фармакологии [8] и медицины [9-12].
Ужесточение контроля за стандартами качества выпускаемого цветочного сырья для пищевой или лекарственной промышленности потребовало внедрение органической технологии выращивания декоративных растений, отличающейся уменьшением использования минеральных удобрений. В органическом растениеводстве предлагается использовать замещающие органические удобрения, и микробосо-держащие биопрепараты на основе консорциума полезных ризобактерий и микоризных грибов. С развитием концепции зеленого урбанизма на предприятиях пищевого, косметического и фармацевтического производств стали организовывать выращивание цветочной рассады на гидропонных вертикальных фитоустановках. Это позволило круглогодично и с частой ротацией получать экологически чистое органическое растительное сырье. Кроме того, применение многоярусных фитоустановок позволило рационально использовать пространство тепличных помещений и тем самым собирать максимальное количество растительного сырья с 1 м2 теплиц. Растения здесь культивируют кассетным способом при мини-
мальной дозе использования минеральных удобрений. В качестве субстрата можно использовать нейтрализованный торф, мох или кокосовое волокно, с большой степенью влагоемкости. Отсутствие почвы снижает риск контаминации питательной среды патогенами и поражении растений вредителями. В качестве альтернативы синтетических удобрений может применяться органомикробный комплекс биопрепаратов с полезными свойствами.
Тем не менее, литературных данных по органическому выращиванию бархатцев в условиях закрытого грунта пока недостаточно. Можно выделить положительный эффект от использования разных доз вермикомпоста и навоза крупного рогатого скота (КРС) на замену минеральным удобрениям [13-21]. Также в качестве альтернативы может выступать жидкий экстракт из рыбных отходов [22]. Вместе с тем, при выращивании цветочных культур еще мало внимания уделено такому органическому удобрению как зоогумус [23], который представляет из себя продукт вторичной переработки результата жизнедеятельности насекомых черной львинки (ИегтеНа Шиеет Ь., 1758), полученный в процессе компостирования ими отходов Ш-1У класса опасности. По содержанию биогенных элементов зоогумус не уступает сухому птичьему помету и вермикомпосту.
Дополнительным компонентом удобрений могут быть грибы арбускулярной микоризы (АМ-грибы) [24-26] и ассоциативные РОРЯ-ризобактерии [27, 28]. Колонизация корневой системы бархатцев АМ-грибами способствовала лучшему усвоению фосфора, при низких содержаниях элемента в субстрате [24], повышению устьичной проводимости воды [26] и толерантности растений к воздействию ТМ, на примере влияния токсичной концентрации ионов меди [29]. Полезные ризобактерии за счет своих выделений также улучшают солюбилизацию трудно-
доступного фосфора, мобилизацию и транспортировку железа, цинка и прочих эссенциальных микроэлементов в растения. Высушенные и измельченные лепестки бархатцев можно использовать в кулинарии в качестве приправы (пряности) при приготовлении диетических салатов, в настоящее время их биогенный состав вызывает наибольшую озабоченность при включении в рацион питания спортсменов и вегетарианцев [30]. Однако, контроль за накоплением и перераспределением элементов в разных органах культуры, под воздействием орга-номикробных добавок еще не проводился, что особенно важно с учетом улучшения уровня питательной ценности зеленой биомассы как питательного ингредиента и/или лекарственного сырья.
Цель работы - оценка уровня изменения питательной ценности различных органов, в особенности надземных, бархатцев, выращенных в условиях вертикального органического земледелия.
Методика исследований. Эксперимент проведен в зимне-весенний период 2024 г. (10.01-25.03) на четырехъярусной гидроферме (рис. 1), в сооружении закрытого типа. Температуру воздуха внутри рабочего помещения поддерживали на уровне 25-27°С днем и 12-14°С ночью. Относительная влажность воздуха была на уровне 65%. Источником освещения на каждый ярус выступали две линейные светодиодные лампы белого света по 36 Вт. Период инсоляции составил 16/8 ч (день/ночь).
Каждый ярус фермы представлял собой отдельный вариант опыта. Схема эксперимента: контроль с применением минеральных удобрений; применение биопрепарата микоризы; применение зоогуму-са (1000 ppm, или 0,1%); совместное применение микоризы и зоогумуса.
Семена бархатцев сорта Durango Bolero (PanAmerican, США) высаживали в пластиковые кассеты с 54 ячейками, заполненных кокосовым субстратом, характеристика которого приведена в таблице 1, исходя из работы [31].
Каждый ярус вмещал по 3 кассеты, число растений на вариант составило 162 саженца. Добавки зоогумуса и микоризы вносили в момент посадки семян. Инокулянт АМ-гриба R. irregularis получали из приготовленной смеси почвы и корней микори-зированных растений-накопителей - плектрантуса (Plectranthus australis R.Br.). Жидкую добавку из зоогумуса получали путем щелочной экстракции 0,1 М раствором щелочи (KOH) с последующим поддержанием кислотности суспензии до нейтральных значений. Количественный состав суспензии представлен в таблице 2.
Дополнительное обогащение субстрата органо-микробной смесью в ходе всего эксперимента более не проводили. Контролем служил вариант без внесения каких-либо добавок, но с добавкой минерального удобрения Fertica Люкс (Yara Suomi Oy,
Финляндия), количественный состав которого представлен в таблице 3.
Рис. 1. Внешний вид вертикальной фитофермы и цикл роста бархатцев
1. Физико-химическая характеристика кокосового субстрата, используемого для выращивания бархатцев отклоненных
Параметр Значения
Плотность, кг/м3 115,0
Водоудерживающая способность, % 64,0
Электропроводность, мСм/см 880,0
Рнкс1 5,50
Степень минерализации волокна, ppm 400,0
NO3, г/кг сухого вещества 2,65
NH4, г/кг сухого вещества 1,72
P, г/кг сухого веществ 1,72
К, г/кг сухого вещества 80,40
Cа, г/кг сухого вещества 16,66
Mg, г/кг сухого вещества 5,73
S, г/кг сухого вещества 1,10
г/кг сухого вещества 19,81
О, г/кг сухого вещества 77,50
2. Количественный состав полученной
Элемент Содержание
N 6,24%
P 1,44%
K 1,76%
Ca 1,81%
Na 0,62%
Mg 0,38%
S 0,56%
Fe 600 мг/л
Zn 372 мг/л
Mn 76 мг/л
Cu 44 мг/л
B 22 мг/л
Влажность субстрата в ходе опыта поддерживали путем автоматизированного поступления (помповой накачки) воды из резервуара в поддоны и впитывания ее через нижние дренажные отверстия в ячейках кассет - методика периодического затопления или субирригации. Цикличность для полива составляла 1 раз в сутки. Время и давление в напоре для воды были откалиброваны согласно микроклимату в помещении. Излишки жидкости сливались обратно в бак с насосом.
Растения выращивали в течение 70 суток до наступления фазы цветения. По окончании опыта для измерения морфометрических показателей растения извлекали из кассет, промывали водопроводной водой, затем несколько раз деионизированной, после чего разделяли на корни, стебли и бутоны. После измерения длины и массы на аналитических весах PA 214C (Ohaus, США), органы растений отдельно сушили и измельчали в лабораторной мельнице до состояния порошка. Далее отбирали навески по 0,1 г и проводили их мокрое озоление с использованием концентрированной азотной кислоты (2 мл) и перекиси водорода (2 мл) в системе терморазложения проб Digiblock ED36S (LabTech, Италия) при температуре 170°С. Полученные суспензии смешивали с деионизированной водой в мерных колбах на 25 мл и оставляли отстаиваться до появления градиента взвешенных частиц. Дальнейший элементный анализ в верхнем слое супер-натанта проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии на приборе ICPE-9000 (Shimadzu, Япония) в соответствии с методикой производителя. Для каждого элемента строили отдельную гра-дуировочную кривую. В качестве эталонного раствора использовали многоэлементный раствор ICP Sigma-Aldrich Merck (США).
Согласно фрактальной природе самоорганизации живой материи, любая растительная биосистема подчиняется в природе определенным законам [32]. Поэтому для обсчета полученных значений в опыте в Excel-среде (язык VBA) была специально разработана и применена вычислительная нейронная сеть ChemNN (рис. 2) [33, 34], позволяющая на основе заложенных в сеть эмпирических данных аккумуляции различных элементов в биомассе различных органов рассчитать индекс когнитивной значимости CSIfract = 0-10 б/р (Cognitive Salience Index) [35].
Вычисления происходят в запрограммированном сервисе обучения Learning с циклическим реверсивным варьированием алгоритма CSI-процедуры. Нейросеть ChemNN выполняет статистическую обработку цифровых данных с использованием вычислительных процедур регрессионного, корреляционного, кластерного и дискриминантного анализов. В условиях неполноты теоретических и практических знаний в отношении корректного вычислительного алгоритма нейросеть ChemNN была дополнена сервисом обучения Learning с циклическим реверсивным варьированием CSI-процедуры [36-38]. Это позволило беспрепятственно в промежутках между повторными вычислениями индексов CSIfract менять алгоритм вычислений и находить корректный вариант этого алгоритма.
В результате обучения были определены следующие формулы вычисления индексов CSIfractB, CSIfractS, CSIfractK.
CSIfractBk = 5 — Normalization(FNorm6k) ■ 4.18, (1) CSIfractSk = Normalization(FNorml5k) ■ 4.15 + 5, (2)
CSIfractKk = 5 — Normalization(FComlk + FCom2k + FCom3k) ■ 3.49, (3)
где: FNorm6k, FNorm15k - цифровые данные 6, 15 строк матрицы FNorm; FCom1k, FCom2k, FCom3k, -цифровые данные 1, 2, 3 строк матрицы FCom; k = 1, ..., M - порядковые номера столбцов в матрицах FNorm, FCom.
Коэффициенты корреляции r (CSIfractB, CSIfractS) = 0,85, r (CSIfractB, CSIfractK) = 0,66, r (CSIfractS, CSIfractK) = 0,91.
В циклическом обучении нейросети ChemNN [39-42] вычисление конечных индексов CSIfract и их коэффициенты корреляции с биометрическими характеристиками растений, представленными в матрице Fbio, проходят последний слой нейронов L4. Обучение нейросети ChemNN считается завершенным, если вычисленные коэффициенты корреляции превышают величину 0,8.
Полученные безразмерные значения индексов отображают изменения режима питания растений в стратегии биофортификации под влиянием органо-микробных добавок. Снижение величины CSIfract можно интерпретировать, как уменьшение доли структурной когеренции ионов эссенциальных элементов в растениях. Напротив, его возрастание означает улучшение аккумуляции биогенных веществ. Также данным индексам делегированы права количественно представлять интенсивность мас-сонакопительных и биохимических процессов и определять наилучшую удобрительную технологию выращивания растений.
Результаты. Все растения, выращенные с применением органомикробных добавок, показали увеличение высоты побегов и длины корневой системы (рис. 3). Соотношение длины корня к побегу в среднем равнялось 2,2 : 1,0.
3. Количественный состав минерального удобрения РеПса Люкс по данным производителя
Элемент Содержание, %
Азот 16,0
Фосфор 20,6
Калий 27,1
Железо 0,1
Бор 0,02
Медь 0,01
Марганец 0,1
Молибден 0,002
Цинк 0,01
Рис. 2. Вычислительная нейросеть СЬеп^1Ч, вычисляющая индексы CSIfractB, CSIfractS, CSIfractK, используя числовые данные биохимических профилей соответствующих органов бархатцев
18.«
30.0
Контроль (химия)
□Вес побега, г *Длннп побега, см
18.0 16.0 14,0 12.0 10.0 8,0 6.0 4.0 2,0 0.0
30.0 25,0 ■ 20,0
■ 15.0 • 10.0
■ 5.0
0.0
Контроль (химия)
Минорита □Вес корня г
Чоогтмус
Мпкорнта + тоогумус
►Длина корня, см
Рис. 3. Морфометрические показатели развития бархатцев в контролируемой среде с участием органомикробных добавок
Показатели биомассы обоих органов растения на варианте с 0,1% добавкой зоогумуса получились самые низкие. Снижение массы в среднем к контролю составило 30%. На остальных вариантах биомасса побегов не отличалась от контроля. В том же время микробная добавка как отдельно, так и в смеси с зоогумусом повышала биомассу корневой системы растений в среднем на 18%. Соотношение массы корня к побегу в среднем составило 5,7:1,0.
Биомасса бутона в среднем составляла 43% от массы всего побега. Самые низкие значения соотношения отмечены в контроле - 32%, самые высокие на зоогумусе - 58%. При этом биомасса буто-
нов на органомикробной смеси превышала контроль только на 20%.
Всхожесть растений по вариантам опыта составила следующий ряд: 86% в контроле; 63% с использованием АМГ; 76% на зоогумусе и 75% на органомикробной смеси.
Элементный анализ показал, что совместное применение органомикробного комплекса приводит к увеличению трех элементов в корневой системе растений - железа, калия и магния (табл. 4). При этом их концентрация снижались в побегах и бутонах.
Железо - наиболее распространенный дефицитный микроэлемент, отмечающий за проявление «скрытого голода», особенно среди детей в возрасте до 5 лет и женщин детородного возраста [42-44]. Поступление железа в растения происходит через корневую систему. В условиях использования органической добавки происходило его связывание в виде хелатных комплексов с гуминовыми кислотами зоо-гумуса, в результате чего ион сильнее закреплялся в корнях в форме ионов Fe3+. Калий служит основным регулятором общего роста растений, хотя этот элемент не содержится ни в одной химической структуре растительных белков [45]. Таким образом, инги-бирование биомассы побегов может быть напрямую связано с его недостатком. Магний также служит краеугольным камнем сложного процесса синтеза белка [46, 47]. Показано, его влияние при дефиците на развитие корневой системы овощных культур и злаков [48, 49]. Избыточное накопление магния в корнях приводит к стимулированию синтеза корневых выделений и активации почвенных ферментов. Экзометаболиты как сигнальные молекулы привлекают обитателей ризосферы и микоризные грибы, которые активно заражая корни и образуя разветвленный мицелий, увеличивают рост последних.
Дисбаланс в суммарном накоплении всех элементов вызван перераспределением именно данных трех элементов (Fe-K-Mg) из надземной части растений в подземную (рис. 4). Разница в аккумуляции между контролем и вариантом 4 как на корнях, так и на побегах составила 20%.
Повышение содержания калия и магния также привело к снижению аккумуляции натрия. Поскольку поглощение данных элементов в растении происходит с участием одних и тех же транспортных белков [50, 51], между ними обнаружены антагонистические взаимоотношения. Из других особенностей можно также выделить снижение доли накопления фосфора во всех вариантах надземных органов растений, выращенных с добавками орга-номикробной смеси, в среднем на 30% по отношению к контролю. Это можно связать с закреплением его в корнях благодаря опосредованному влиянию АМ-гриба [52-55].
С помощью нейросети СИетЫМ удалось извлечь ранее недоступную информацию об интенсивности
4. Профиль распределения эссенциальных элементов в разных органах бархатцев, выращенных в контролируемой среде с использованием органомикробных добавок
Элемент Вариант
Контроль Микориза Зоогумус Микориза + зоогумус
Бутоны
А1, мг/кг 45,9 ± 3,9 10,6 ± 3,2 16,7 ± 2,8 12,2 ± 5,4
Ва, мг/кг 5,6 ± 0,1 2,3 ± 0,1 2,1 ± 0,1 3,3 ± 0,1
Са, мг/кг 1758,6 ± 43,1 1474,9 ± 35,3 1228,0 ± 11 2390,9 ± 40,9
Сё, мг/кг 1,5 ± 0,1 1,2 ± 0,1 1,4 ± 0,1 1,4 ± 0,1
Сг, мг/кг 3,5 ± 0,1 0,4 ± 0,2 0,8 ± 0,4 1,4 ± 0,2
Си, мг/кг 11,8 ± 0,3 8,4 ± 0,3 13,0 ± 3,2 7,9 ± 0,1
Fe, мг/кг 164,7 ± 1,5 59,7 ± 9,5 90,0 ± 15 62,3 ± 4,8
К, мг/кг 36462,1 ± 312,8 30846,8 ± 1042,9 32494,0 ± 146,9 32389,8 ± 612,2
Mg, мг/кг 2398,0 ± 20,8 1881,3 ± 65,6 2172,8 ± 36,3 2255,4 ± 50,8
Mn, мг/кг 37,8 ± 0,9 23,9 ± 0,9 20,5 ± 0,4 24,6 ± 0,1
мг/кг 138,3 ± 4,9 101,2 ± 13 119,0 ± 1,3 79,9 ± 6,7
N1, мг/кг н/о н/о н/о н/о
Р, мг/кг 5874,8 ± 120,8 4987,9 ± 68,7 5093,8 ± 32 4935,5 ± 131,6
Б, мг/кг 2550,9 ± 20,9 2304,3 ± 73,3 2445,0 ± 3,6 2568,9 ± 31,1
Бг, мг/кг 2,7 ± 0,1 3,7 ± 0,1 2,1 ± 0,1 5,7 ± 0,1
Т1, мг/кг 3,9 ± 0,1 1,7 ± 0,2 5,1 ± 1,3 1,7 ± 0,2
Zn, мг/кг 34,7 ± 0,7 25,7 ± 0,8 24,5 ± 0,4 27,4 ± 0,1
Листья
А1, мг/кг 11,6 ± 3,7 15,8 ± 2,5 9,8 ± 0,7 19,6 ± 0,8
Ва, мг/кг 11,2 ± 0,1 12,4 ± 0,3 10,8 ± 0,1 12,3 ± 0,1
Са, мг/кг 4377,9 ± 0,3 4825,0 ± 126,8 3715,1 ± 52,4 4754,7 ± 106,9
Сё, мг/кг 1,7 ± 0,1 1,5 ± 0,1 1,5 ± 0,1 1,4 ± 0,1
Сг, мг/кг 0,5 ± 0,1 0,4 ± 0,1 0,5 ± 0,1 0,4 ± 0,1
Си, мг/кг 12,1 ± 0,1 9,7 ± 0,2 10,0 ± 0,3 8,4 ± 0,1
Fe, мг/кг 131,3 ± 9,3 99,9 ± 9,5 69,3 ± 0,4 77,4 ± 2,1
К, мг/кг 50471,2 ± 171,8 41927,2 ± 575,3 37984,0 ± 1021 32617,5 ± 649,5
Mg, мг/кг 2543,4 ± 8,5 2096,4 ± 28,8 2093,7 ± 15,8 1874,4 ± 61,7
Мп, мг/кг 43,9 ± 0,1 43,8 ± 0,7 28,7 ± 0,3 29,7 ± 0,1
мг/кг 532,7 ± 44,1 276,2 ± 35,9 328,0 ± 20,3 140,4 ± 12
N1, мг/кг н/о н/о н/о н/о
Р, мг/кг 8174,6 ± 46,5 5879,2 ± 215,7 5540,7 ± 108,6 4466,5 ± 86,5
Б, мг/кг 5092,5 ± 12,8 3810,8 ± 18 3844,1 ± 7,7 3836 ± 15,7
Бг, мг/кг 13,2 ± 0,1 19,0 ± 0,2 12,3 ± 0,1 17,8 ± 0,1
Т1, мг/кг 5,9 ± 0,1 8,6 ± 0,8 6,0 ± 0,1 7,3 ± 0,9
Zn, мг/кг 85,0 ± 0,6 58,7 ± 1,1 51,1 ± 0,1 50,4 ± 0,1
Корни
А1, мг/кг 494,7 ± 38,2 522,1 ± 29 652,7 ± 30,6 676,9 ± 56,1
Ва, мг/кг 46,6 ± 1,3 48,6 ± 1 56,4 ± 4,4 89,8 ± 2,5
Са, мг/кг 5447,4 ± 6,3 4999,0 ± 180,8 5818,5 ± 29,4 5413,4 ± 481,3
Сё, мг/кг 2,0 ± 0,1 1,7 ± 0,1 2,1 ± 0,1 2,7 ± 0,1
Сг, мг/кг 1,3 ± 0,1 1,9 ± 0,1 1,4 ± 0,2 3,1 ± 0,2
Си, мг/кг 40,1 ± 0,6 37,4 ± 1,4 51,5 ± 0,8 71,8 ± 0,8
Fe, мг/кг 980,3 ± 37,6 927,2 ± 38,1 1166,3 ± 33,7 2533,5 ± 18,5
К, мг/кг 49749,8 ± 843,2 49034,3 ± 123,3 48484,8 ± 30,2 63722,4 ± 8133,9
Mg, мг/кг 2378,7 ± 46,7 2327,9 ± 70,5 2831,3 ± 79,6 3894,9 ± 37,3
Мп, мг/кг 42,0 ± 0,5 47,5 ± 1,2 54,8 ± 0,8 40,8 ± 0,1
мг/кг 10267,0 ± 207,3 7370,0 ± 102,7 8335,7 ± 40,6 9721,5 ± 1037
N1, мг/кг 2,2 ± 0,1 2,3 ± 0,1 2,6 ± 0,1 6,0 ± 0,5
Р, мг/кг 11018,3 ± 26,7 9695,5 ± 173,2 11621,7 ± 78,8 8484,4 ± 435,4
Б, мг/кг 7101,7 ± 8,7 8534,5 ± 4,2 7715,4 ± 3 9057,7 ± 219,3
Бг, мг/кг 33,7 ± 0,1 33,7 ± 0,2 37,0 ± 0,3 35,2 ± 0,1
Т1, мг/кг 162,3 ± 12,3 169,7 ± 6,9 210,2 ± 13,6 632,7 ± 43,9
Zn, мг/кг 161,3 ± 1,9 131,5 ± 4 160,9 ± 0,5 180,6 ± 2,8
Примечание. н/о - не обнаружено.
внутренних массонакопительных процессов в органах растений. После ее обучения открылась уникальная возможность по элементному профилю контролировать изменения интенсивности биохимических процессов в растениях и выбирать оптимальный режим их питания. Исследование показало, что микоризация повышает урожайность растений. При ми-коризации повышается интенсивность массонакопительных процессов в органах растений, так как возрастают значения индексов СБНгаС; в разных органах бархатцев (рис. 5).
Применение зоогумуса в качестве удобрения негативно сказалось на интенсивности биохимических процессов в цве-
ti
Контроль (химия)
Ми кори tsi
■ Корни □Побеги □Соцветия
Мнкорн jsi *
Зоогумус
'ис. 4. Суммарное накопление биогенных элементов в разных органах бархатцев, выращенных в контролируемой среде с использованием органомикробных добавок
Ki)H I |||| II. 4 \ 11 м I Ml I
Мнкорн la Орг. [iii i.iпкл
I Корин О Побеги О Соцветия
Микорша + 11| i]. Добавка
точных бутонах растений и положительно повлияло на интенсивность биохимических процессов в стеблях и корнях растений. Интенсивность биохимических процессов в цветочных бутонах достигает максимальной величины в опыте с совместным применением зоогумуса и микоризы. Коэффициенты корреляции г (С8Игас1В, С8Кгас1;8) = 0,85, г (С8Игас1В, С8Игас1К) = 0,66, г (С8Игас18, С8Игас1К) = 0,91 различались по величине. Наименьшее значение коэффициента корреляции между индексами г (С8Игас1В, С8Игас1К) = 0,66. Это означает, что на формирование цветочных бутонов в большей степени влияют биохимические процессы в стеблях растений и в меньшей степени биохимические процессы в корнях растений.
Таким образом, результаты исследования продемонстрировали положительный эффект от применения органомикробных добавок на замену минеральным удобрениям. Увеличение величины соотношения биомассы бутона к побегу может означать тот факт, что использование чистой органической добавки при обработке растений способствует перенастройке программы развития растений в сторону формирования генеративных органов. Инокуляция микоризным грибом больше влияла на ризо-генез культуры, что также подтвердил анализ аккумуляции элементов в корнях. Элементный анализ показал, что дисбаланс в суммарном пуле эссенциальных элементов, вызванный перераспределением в органах Fe-K-Mg, никак не сказался на изменении накопления биогенных веществ в бутонах, из чего можно сделать вывод о непричастности данного трио к процессу цветения, а значит и синтезу пищевых пигментов.
Рис. 5. Индексы когнитивной значимости CSIfract в разных органах бархатцев, выращенных в контролируемой среде по вариантам опыта
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (темы FGUS 2024-0010 и FGUS 2022-0018). Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы выражают благодарность к.т.н., с.н.с. лаборатории МЭО ЦКП, доценту кафедры Геоэкологии СПГУ им. Императрицы Екатерины II - Чукаевой Марии Алексеевне, за проведение биохимического анализа растительных проб и предоставление полученных данных.
Литература
1. Волгин В.В., Потапова Н.В., Смолин Н.В. Декоративные качества и семенная продуктивность Tagetes patula (l.) в зависимости от применения минеральных удобрений и регуляторов роста // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2020, № 8(190). - С. 43-50.
2. Rivas-García L., Navarro-Hortal M.D., Romero-Márquez J.M., Forbes-Hernández T.Y., Varela-López A., Llopis J., Sánchez-González C., Quiles J.L. Edible Flowers as a Health Promoter: An Evidence-Based Review // Trends in Food Science and Technology, 2021, V. 117. - P. 46-59. doi: 10.1016/j.tifs.2020.12.007
3. Moliner C., Barros L., Dias M.I., López V., Langa E., Ferreira I.C.F.R., Gómez-Rincón C. Edible Flowers of Tagetes erecta L. as Functional Ingredients: Phenolic Composition, Antioxidant and Protective Effects on Caenorhabditis elegans // Nutrients, 2018, V. 10. 2002. doi: 10.3390/nu10122002
4. Hou Z., Liu J., Cai M., Liu Y., Zhang M., Wang L., Yang W., Huang B. The volatile organic compounds and palatability of mixed ensilage of marigold (Tagetes erecta L.) crop residues // Scientific Reports, 2023, 13. 2080. doi: 10.1038/s41598-023-28511-5
5. Chitrakar B., Zhang M., Bhandari B. Edible Flowers with the Common Name «Marigold»: Their Therapeutic Values and Processing // Trends in Food Science and Technology, 2019, Vol. 89. - P. 76-87. doi: 10.1016/j.tifs.2019.05.008
6. Nam S., Lee C.-Y., Shim S.-M., Lee D.-U., Lee S. Functional Characterization of Marigold Powder as a Food Ingredient for Lutein-Fortified Fresh Noodles // Applied Sciences, 2021, Vol. 11. 861. doi: 10.3390/app11020861
7. Kim S.Y., Hong S.Y., Choi H.S., Kim J.H., Jeong S.H., Lee S.Y., Kim S.H., Lee D.U. Superfine Marigold Powder Improves the Quality of Sponge Cake: Lutein Fortification, Texture, and Sensory Properties // Foods, 2023, Vol. 12(3). 508. doi: 10.3390/foods12030508
8. Riaz M., Ahmad R., Rahman N.U., Khan Z., Dou D., Sechel G., Manea R. Traditional uses, Phyto-chemistry and pharmacological activities of Tagetes Patula L // Journal of Ethnopharmacology, 2020, Vol. 255. 112718. doi: 10.1016/j.jep.2020.112718
9. Chkhikvishvili I., Sanikidze T., Gogia N., Enukidze M., Machavariani M., Kipiani N., Vinokur Y., Rodov V. Constituents of French Marigold (Tagetes patula L.) Flowers Protect Jurkat T-Cells against Oxidative Stress // Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2016, 4216285. doi: 10.1155/2016/4216285
10. Meurer M., de Oliveira B.M.M., Cury B.J., Jeronimo D.T., Venzon L., Fran9a T.C.S., Mariott M., Silva-Nunes R., Santos A.C., Roman-Junior W.A., Oliveira R.G., Arunachalam K., Santin J.R., Benvenutti L., Souza P., Aldana-Mejia J.A., da Silva L. Extract of Tagetes erecta L., a medicinal plant rich in lutein, promotes gastric healing and reduces ulcer recurrence in rodents // Journal of Ethnopharmacology, 2022, Vol. 293. 115258. doi: 10.1016/j.jep.2022.115258
11. Zanovello M., Bolda Mariano L.N., Cechinel-Zanchett C.C., Boeing T., Tazinaffo G.C., Mota da Silva L., Silva D.B., Gasparotto Junior A., de Souza P. Tagetes erecta L. flowers, a medicinal plant traditionally used to promote diuresis, induced diuretic and natriuretic effects in normotensive and hypertensive rats // Journal of Ethnopharmacology, 2021, Vol. 279. 114393. doi:10.1016/j.jep.2021.114393
12. Shetty L.J., Sakr F.M., Al-Obaidy K., Patel M.J., Hidayatullah Shareef. A brief review on medicinal plant Tagetes erecta Linn // Journal of Applied Pharmaceutical Science, 2015, Vol. 5(3). - P. 091-095.
13. Miceli A., Moncada A., Vetrano F., Esposito A. Response of Tagetes patula L. and Ageratum houstonianum Mill. to Microbial Biostimulant Inoculation and Organic Fertilization // Agronomy, 2023, Vol. 13(10). 2522. doi: 10.3390/agronomy13102522
14. Atiyeh R.M., Arancon N.Q., Edwards C.A., Metzger J.D. The influence of earthworm-processed pig manure on the growth and productivity of marigolds // Bioresource Technology, 2002, Vol. 81(2). - P. 103-108. doi:10.1016/s0960-8524(01)00122-5
15. Kovshov S.V., Iconnicov D.A. Growing of grass, radish, onion and marigolds in vermicompost made from pigmanure and wheat straw // Indian Journal of Agricultural Research, 2017, Vol. 51(4). - P. 327-332.
16. Shadanpour F., Mohammadi T.A., Hashemi M.K. The Effect of Cow Manure Vermicompost as the Planting Medium on the Growth of Marigold // Annals of Biological Research, 2011, Vol. 2. - P. 109-115.
17. Gupta R., Yadav A., Garg V.K. Influence of vermicompost application in potting media on growth and flowering of marigold crop // International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 2014, Vol. 3(47). doi:10.1007/s40093-014-0047-1
18. Sardoei A.S., Roien A., Sadeghi T., Shahadadi F., Mokhtari T.S. Effect of Vermicompost on the Growth and Flowering of African Marigold (Tagetes erecta) // American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences (AEJAES), 2014, Vol. 14. - P. 631-635. doi: 10.5829/idosi.aejaes.2014.14.07.12366
19. Sitawati B.M., Wattimena C.F. Effect of Vermicompost and NPK Application Techniques on Marigold Growth and Flowering on Vertical Pipes // Asian Journal of Plant Sciences, 2022, Vol. 21. - P. 257-263. doi: 10.3923/ajps.2022.257.263
20. Ma L., Yin X.Q. Effects of sewage sludge vermicompost on the growth of marigold // Ying Yong Sheng Tai Xue Bao, 2010, Vol. 21(5). - P. 1346-1350
21. Sangwan P., Garg V.K., Kaushik C.P. Growth and yield response of marigold to potting media containing vermicompost produced from different wastes // The Environmentalist, 2010, Vol. 30(2). - P. 123-130. doi:10.1007/s10669-009-9251-3
22. Shadanpour F., Mohammadi Torkashvand A., Hashemi Majd K. Marigold: The possibility using vermicompost as the growth medium // Journal of Ornamental and Horticultural Plants, 2011, Vol. 1. - P. 153-160.
23. Widnyana I.K., Ariati P.E.P., Sumantra I.K., Wijaya I.M.W., Suanda I.W., Setyobudi R.H., Adinurani P.G., Ekawati I., Purbajanti E.D., Anwar S., Bouchama K. The Effect of Liquid Organic Fertilizer from Plant Waste, Livestock Waste, and Fish Waste on Growth of Marigold // E3S Web of Conferences, 2023, Vol. 432. 00014. - P. 1-11. doi: 10.1051/e3scontf202343200014
24. Пендюрин Е.А., Рыбина С.Ю., Смоленская Л.М. Использование зоокомпоста черной львинки в качестве органического удобрения // Аграрная наука, 2020, Т. 7-8. - С. 106-110. doi: 10.32634/0869-8155-2020-340-7-106-110
25. El Seoud I.I. A Phosphorus efficiency of tagetes plant inoculated with two arbuscular mycorrhizal fungi strains // Australian journal of basic and applied sciences, 2008, Vol. 2. - P. 234-242.
26. Linderman R.G., Davis E.A. Varied response of marigold (Tagetes spp.) genotypes to inoculation with different arbuscular mycorrhizal fungi // Scientia Horticulturae, 2004, Vol. 99(1). - P. 67-78. doi:10.1016/s0304-4238(03)00081-5
27. Miceli A., Moncada A., Vetrano F., Esposito A. Response of Tagetes patula L. and Ageratum houstonianum Mill. to Microbial Biostimulant Inoculation and Organic Fertilization // Agronomy, 2023, Vol. 13. 2522. doi: 10.3390/agronomy13102522
28. Naveed M., Hafeez S., Rafique M., Mumtaz M.Z., Subhani Z., Holatko J., Hammerschmiedt T., Malicek O., Mustafa A., Kintl A., Brtnicky M. Plant-endophyte mediated improvement in physiological and bio-protective abilities of marigold (Tagetes patula) // Frontiers in Plant Science, 2022, Vol. 13. 993130. doi: 10.3389/fpls.2022.993130
29. Lytvynenko T., Zaetz I., Voznyuk T., Kovalchuk M., Rogutskyy I., Mytrokhyn O., Lukashov D., Estrella-Liopis V., Borodinova T., Mashkovska S., Foing B., Kordyum V., Kozyrovska N. A rationally assembled microbial community for growing Tagetes patula L. in a lunar greenhouse // Research in Microbiology, 2006, Vol. 157(1). - P. 87-92. doi:10.1016/j.resmic.2005.07.009
30. Zhou X., Fu L., Xia Y., Zheng L., Chen C., Shen Z., Chen Y. Correction: Arbuscular mycorrhizal fungi enhance the copper tolerance of Tagetes patula through the sorption and barrier mechanisms of intraradical hyphae // Metallomics, 2017, Vol. 9(7). - P. 989-989. doi:10.1039/c7mt90028g
31. Hunt J.R. Bioavailability of iron, zinc, and other trace minerals from vegetarian diets // American Journal of Clinical Nutrition, 2003, Vol. 78. - P. 633S-639S. doi: 10.1093/ajcn/78.3.633S
32. Kyriacou M.C., El-Nakhel C., Pannico A., Graziani G., Soteriou G.A., Giordano M., Palladino M., Ritieni A., De Pascale S., Rouphael Y. Phenolic Constitution, Phytochemical and Macronutrient Content in Three Species of Microgreens as Modulated by Natural Fiber and Synthetic Substrates // Antioxidants, 2020, Vol. 9(3). 252. doi: 10.3390/antiox9030252
33. Богатых Б.А. Фрактальная природа живого: системное исследование биологической эволюции и природа сознания. - М.: Либроком, 2012. - 256 с.
34. Гафаров Ф.М., Галимянов А.Ф. Искусственные нейронные сети и приложения: учеб. пособие. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2018. - 121 с.
35. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: Горячая линия Телком, 2002. - 382 с.
36. Sutrop U. List Task and a Cognitive Salience Index // Field methods, 2001, Vol. 13(3). - P. 263-276.
37. Кулаков К.А., Димитров В.М. Основы тестирования программного обеспечения. - Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2018. - 57 с.
38. Погодаев А.К., Хабибуллина Е.Л., Инютин Д.М. Применение нейросетевых моделей для построения продукционных правил экспертных систем // Прикладная математика и вопросы управления, 2021, № 2. - С. 73-92.
39. Schmidhuber J. Deep learning in neural networks: an overview // Neural Networks, 2015, Vol. 61. - P. 85-117. doi: 10.1016/j.neunet.2014.09.003
40. Mascarenhas WF. Fast and accurate normalization of vectors and quaternions // Computational and Applied Mathematics, 2018, Vol. 37. - P. 4649-4660.
41. Everitt B.S., Landau S., Leese M., Stahl D. Cluster Analysis // John Wiley & Sons, 2011. - 352 p.
42. Маркова Л.В., Корчевская Е.А. Численные методы нахождения собственных векторов и собственных значений матриц. - Витебск: УО «ВГУ им. П.М. Машерова», 2011. - 47 с.
43. Widrow B., Greenblatt A., Kim Y., Park D. The no-prop algorithm: A new learning algorithm for multilayer neural networks // Neural Networks, 2013, Vol. 37. - P. 182-188.
44. Gregory P.J., Wahbi A., Adu-Gyamfi J., Heiling M., Gruber R., Joy E.J., Broadley M.R. Approaches to reduce zinc and iron deficits in food systems // Global Food Security, 2017, Vol. 15. - P. 1-10. doi: 10.1016/j.gfs.2017.03.003
45. La Frano M.R., De Moura F.F., Boy E., Lonnerdal B., Burri B.J. Bioavailability of iron, zinc, and provitamin A carotenoid s in biofortified staple crops // Nutrition Reviews, 2014, Vol. 72. - P. 289-307. doi: 10.1111/nure.12108
46. Guo K., Tu L., He Y., Deng J., Wang M., Huang H., Li Z., Zhang X. Interaction between calcium and potassium modulates elongationrate in cotton fiber cells // Journal of Experimental Botany, 2017, Vol. 68(18). - P. 5161-5175. doi: 10.1093/jxb/erx346
47. Ahmed N., Zhang B., Bozdar B., Chachar S., Rai M., Li J., Li Y., Hayat F., Chachar Z., Tu P. The power of magnesium: unlocking the potential for increased yield, quality, and stress tolerance of horticultural crops // Frontiers in Plant Science, 2023, Vol. 14. 1285512. doi: 10.3389/fpls.2023.1285512
48. Ishfaq M., Wang Y., Yan M., Wang Z., Wu L., Li C., Li X. Physiological Essence of Magnesium in Plants and Its Widespread Deficiency in the Farming System of China // Frontiers in Plant Science, 2022, Vol. 13. 802274. doi: 10.3389/fpls.2022.802274
49. Qu S., Li H., Zhang X., Gao J., Ma R., Ma L., Ma J. Effects of Magnesium Imbalance on Root Growth and Nutrient Absorption in Different Genotypes of Vegetable Crops // Plants, 2023, Vol. 12. 3518. doi:10.3390/plants12203518
50. Cakmak I., Yazici A.M. Magnesium: A Forgotten Element in Crop Production // Better Crops, 2010, Vol. 94. - P. 23-25.
51. Xie K., Cakmak I., Wang S., Zhang F., Guo S. Synergistic and antagonistic interactions between potassium and magnesium in higher plants // The Crop Journal, 2021, Vol. 9. - P. 249-256. doi:10.1016/j.cj.2020.10.005
52. Ferreira J.F.S., da Silva Filho J.B., Liu X., Sandhu D. Spinach Plants Favor the Absorption of K+ over Na+ Regardless of Salinity, and May Benefit from Na+ When K+ is Deficient in the Soil // Plants, 2020, Vol. 9. 507. doi: 10.3390/plants9040507
53. Van 't Padje A., Werner G.D.A., Kiers E.T. Mycorrhizal fungi control value of phosphorus in trade symbiosis with host roots when exposed to abrupt "crashes" and "booms" of resource availability // New Phytologist, 2021, Vol. 229(5). - P. 2933-2944. doi:10.1111/nph.17055
54. Rai A., Rai S., Rakshit A. Mycorrhiza-mediated phosphorus use efficiency in plants // Environmental and Experimental Biology, 2013, Vol. 11. - P. 107-117.
55. Bolduc A.R. The Use of Mycorrhizae to Enhance Phosphorus Uptake: A Way out the Phosphorus Crisis // Journal of Biofertilizers & Biopesticides, 2011, Vol. 2. - P. 1-5.doi: 10.4172/2155-6202.1000104
