Способ обеспечения растений водным и минеральным питанием в условиях невесомости и система для его осуществления

Группа изобретений относится к космической биологии и может быть использована для культивирования растений в условиях космического полета. Способ включает подачу поливной питьевой воды в корневой модуль с иононасыщенным ионитным волокнистым почвозаменителем и обеспечение автокоррекции величины pH получаемого субстратного раствора, а также насыщение его нутриентами, содержащими элементы N, P, K, S, Ca, Mg и Fe. Для обеспечения его нутриентами в требуемом количестве осуществляют постоянный мониторинг суммарной концентрации элементов в поливной воде перед подачей в корневой модуль. Поливную питьевую воду перед тем, как подать в корневой модуль, предварительно пропускают через слой гранулированного иононасыщенного ионита-почвозаменителя, количество которого выбирают так, чтобы до конца расчетного срока работы суммарная концентрация элементов S, Ca, Mg и Fe в поливной воде была в пределах, адекватных для выращивания растений. При этом, в случае снижения в поливной воде после прохождения слоя гранулированного иононасыщенного ионита-почвозаменителя суммарного содержания элементов N, P и K до нижней границы допустимого диапазона концентраций, в нее добавляют концентрат, получаемый пропусканием воды через слой гранул медленнодействующего удобрения (МДУ), количество которого выбирают так, чтобы содержащихся в нем элементов N, P и K хватило до конца расчетного срока работы. Система включает корневой модуль с ионитным волокнистым почвозаменителем для высаживания семян или рассады и последующего выращивания растений, к которому подключен выход трубопровода подачи поливной воды с установленным на входе перистальтическим насосом. Дополнительно к трубопроводу подачи поливной воды после перистальтического насоса последовательно присоединены обогатительный патрон, заполненный гранулированным иононасыщенным ионитом-почвозаменителем, и проточная смесительная камера с размещенными в ней датчиком электропроводности воды и мешалкой, смесительная камера оборудована собственным замкнутым водяным контуром, в котором последовательно установлены насос и обогатительный патрон с гранулированным МДУ. При этом система снабжена контроллером, электрически соединенным с насосами, мешалкой и датчиком электропроводности воды, причем датчик электропроводности воды включен в цепь отрицательной обратной связи контроллера. Изобретения позволяют повысить технологичность и производство растительной продукции в космической оранжерее в условиях микрогравитации. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Группа изобретений относится к биологии, более точно - к области космической биологии, и может быть использована для культивирования растений в условиях космического полета.

Из предшествующего уровня техники известен способ и устройство для обеспечения растений минеральным питанием в условиях невесомости и устройство для его осуществления [Bingham et al., 2002]. Известный способ и устройство представляют собой следующее. В корневом модуле в виде контейнера с гранулированным инертным наполнителем (почвозаменителем) размещают гранулы медленно действующего удобрения (МДУ). Количество МДУ подбирают исходя из того, чтобы запасенных в гранулах минеральных солей, необходимых для выращивания растений, хватило на запланированный срок вегетации растений. Затем в корневой модуль подают поливную воду, которая смачивает почвозаменитель и находящиеся в нем гранулы МДУ. В смоченных гранулах МДУ начинают растворяться соли, которые затем, благодаря осмотическому давлению и диффузии, постепенно выходят из гранул и распределяются по всему объему субстратного раствора корневого модуля, обеспечивая тем самым минеральным питанием корнеобитаемую зону растений.

Однако этот способ и устройство имеют следующие недостатки:

не регулируется поступление солей в субстратный раствор корнеобитаемой зоны растений из гранул помещенного в почвозаменитель медленно действующего удобрения (МДУ);

после смачивания или начала полива почвозаменителя с помещенным в него МДУ соли, запасенные в МДУ, растворяются и выходят из его гранул примерно в течение первых 10-15 дней, то есть задолго до окончания срока одной вегетации растений салатных культур, длящегося от 26 до 30 дней;

растения салатных культур во второй половине срока вегетации недополучают минеральное питание;

при внесении МДУ в почвозаменитель сразу в том количестве, которое по расчетам в норме должно обеспечить потребности растений на всю вегетацию, в субстратном растворе уже в первые дни образуется избыток концентрации нутриентов, что приводит к занитрачиванию почвы и растительной массы, к угнетению роста растений.

Известны также способ для обеспечения растений минеральным питанием в гидропонных теплицах и устройство для его осуществления [Domingues et al., 2012]. Они основаны на мониторинге и коррекции параметров субстратного раствора в корнеобитаемой зоне растений по двум интегральным показателям - электропроводимости и величине рН раствора. Это возможно за счет того, что в пределах изменений концентраций всех солей, допустимых для условий выращивания растений, электрическая проводимость раствора пропорциональна суммарной концентрации солей. В устройстве для мониторинга электропроводности используется кондуктометрический датчик, а для мониторинга величины pH - pH-метр со специальными электродами.

Этот способ и устройство имеют ряд следующих существенных недостатков:

необходимо постоянно проводить мониторинг и коррекцию величины pH субстратного раствора, для чего дополнительно используется раствор серной кислоты;

работа с серной кислотой в условиях гермообъекта является рискованной/опасной операцией;

обычно используемые в наземных условиях селективные хлор-серебряные электроды измерения pH для работы в космической оранжерее непригодны, необходима разработка электродов, пригодных для работы в условиях невесомости;

для коррекции солевого состава субстратного раствора, которую проводят по результатам постоянного мониторинга его электропроводности, используют два маточных (концентрированных) раствора разных солей, которые надо смешивать в определенной пропорции. Приготовление маточных растворов в условиях невесомости затруднительно, а заменить их заблаговременно приготовленным одним концентратом готового питательного раствора нельзя, так как в нем будут образовываться труднорастворимые соединения, выпадающие в осадок.

Наиболее близким (прототипом) к заявленным является известный способ для обеспечения растений минеральным питанием в условиях невесомости и устройство для его осуществления [Беркович и др., 2005].

Известный способ включает подачу поливной питьевой воды в корневой модуль с иононасыщенным ионитным волокнистым почвозаменителем и обеспечение автокоррекции величины pH получаемого субстратного раствора, а также насыщение его нутриентами, содержащими элементы N, P, K, S, Ca, Mg и Fe в требуемом количестве.

Известное устройство обеспечения растений водным и минеральным питанием в условиях невесомости включает корневой модуль с ионитным волокнистым почвозаменителем "БИОНА-В3" для высаживания семян или рассады и последующего выращивания растений, к которому подключен выход трубопровода подачи поливной воды, с установленным на входе перистальтическим насосом.

Эти способ и устройство имеют существенный недостаток:

иононасыщенный ионитный волокнистый почвозаменитель, "БИОНА-В3", используемый для обеспечения адекватных условий в корнеобитаемой зоне и одновременно для обеспечения запасов нутриентов на расчетный срок работы, имеет относительно низкий удельный ресурс запасов этих нутриентов на единицу массы растительной продукции. Это приводит к необходимости планировать относительно большие по объему и массе запасы почвозаменителя на борту космического аппарата, снижая тем самым эффективность космической оранжереи по критерию приведенной массы [Беркович и др., 2005], то есть снижая экономичность производства растительной продукции.Техническим результатом заявляемого изобретения как в части способа, так и в части у9

1. Способ обеспечения растений водным и минеральным питанием в условиях невесомости, включающий подачу поливной питьевой воды в корневой модуль с иононасыщенным ионитным волокнистым почвозаменителем и обеспечение автокоррекции величины pH получаемого субстратного раствора, а также насыщение его нутриентами, содержащими элементы N, P, K, S, Ca, Mg и Fe, отличающийся тем, что для обеспечения его нутриентами в требуемом количестве осуществляют постоянный мониторинг суммарной концентрации элементов в поливной воде перед подачей в корневой модуль, поливную питьевую воду перед тем, как подать в корневой модуль, предварительно пропускают через слой гранулированного иононасыщенного ионита-почвозаменителя, количество которого выбирают так, чтобы до конца расчетного срока работы суммарная концентрация элементов S, Ca, Mg и Fe в поливной воде была в пределах, адекватных для выращивания растений, при этом, в случае снижения в поливной воде после прохождения слоя гранулированного иононасыщенного ионита-почвозаменителя суммарного содержания элементов N, P и K до нижней границы допустимого диапазона концентраций, в нее добавляют концентрат, получаемый пропусканием воды через слой гранул медленнодействующего удобрения (МДУ), количество которого выбирают так, чтобы содержащихся в нем элементов N, P и K хватило до конца расчетного срока работы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавление концентрата из слоя МДУ в поливную воду заканчивают тогда, когда в воде на входе в корневой модуль суммарная концентрация элементов N, P и K приблизится к верхней границе допустимого диапазона концентраций.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарную концентрацию элементов в поливной воде на входе в корневой модуль определяют косвенно по величине электропроводности воды с помощью датчика электропроводности воды.

4. Система обеспечения растений водным и минеральным питанием в условиях невесомости, включающая корневой модуль с ионитным волокнистым почвозаменителем для высаживания семян или рассады и последующего выращивания растений, к которому подключен выход трубопровода подачи поливной воды с установленным на входе перистальтическим насосом, отличающаяся тем, что дополнительно к трубопроводу подачи поливной воды после перистальтического насоса последовательно присоединены обогатительный патрон, заполненный гранулированным иононасыщенным ионитом-почвозаменителем, и проточная смесительная камера с размещенными в ней датчиком электропроводности воды и мешалкой, смесительная камера оборудована собственным замкнутым водяным контуром, в котором последовательно установлены насос и обогатительный патрон с гранулированным МДУ, при этом система снабжена контроллером, электрически соединенным с насосами, мешалкой и датчиком электропроводности воды, причем датчик электропроводности воды включен в цепь отрицательной обратной связи контроллера.