Аэропоника

Основной принцип аэропонного выращивания растений — это распыление аэрозолем в закрытых или полузакрытых средах питательного, богатого минеральными веществами водного раствора^[3]. Само растение закрепляется опорной системой, а корни просто висят в воздухе, орошаемые питательным раствором. Смесь подаётся к корням непрерывно или через короткие промежутки времени так, чтобы те не успевали высохнуть. Листья и ствол растения изолированы от зоны распыления. При таком подходе среда остаётся свободной от вредителей и болезней, связанных с почвой, а значит, растения могут расти здоровыми и быстрее, чем растения, выращенные в почве. Использование аэропоники позволяет создавать полностью автоматические системы выращивания растений, которые значительно проще систем с использованием субстрата^[4].

Аэропоника позволяет создать для растений безопасную среду, свободную от вредителей и болезней. В таких условиях растения могут расти и развиваться быстрее, чем в обычных условиях. Однако, поскольку большинство аэропонных систем не обеспечивают полную изоляцию от внешней среды, вредители и болезни всё равно могут представлять опасность. Тем не менее, создание такой среды способствует развитию, здоровью, росту, цветению и плодоношению различных видов и сортов растений.

Ввиду особой чувствительности корней растений, аэропоника часто используется в сочетании с традиционной гидропоникой: это создаёт дополнительный источник питания и воды на случай, если аэропонная система выйдет из строя, и таким образом обеспечивает безопасность урожая^[5].

Существует также аэропонный метод высокого давления — это технология, которая позволяет доставлять питательные вещества к корневой системе растений с помощью специальных распылителей, размер капель которых составляет 20—50 микрометров. Для этого применяется мембранный насос, работающий под давлением около 550 килопаскалей на квадратный дюйм.

В 1911 году Владимир Мартынович Арциховский опубликовал в журнале «Опытная агрономия» статью «О воздушных культурах растений», в которой рассказал о своём методе физиологических исследований корневых систем с помощью разбрызгивания различных веществ в окружающем корни воздухе. Он сконструировал первые аэропонные установки и на практике показал их пригодность для культивирования растений^[6].

В 1942 В. Картер году исследовал воздушные культуры растений и описал способ выращивания растений в парах воды^[7].

В 1957 году Ф. В. Вент придумал процесс выращивания растений с помощью воздуха и назвал этот процесс «аэропоникой»^[8].

В 1964 году И. Г. Мураш, сотрудник научно-исследовательского института овощного хозяйства, детально описал аэропонику^[6].

В 1990-е году в Москве, в лаборатории безвирусных культур Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии, начались разработки по использованию аэропоники для размножения оздоровленного семенного картофеля.

Тогда же интерес к технологии выращивания растений без почвы и гравия проявило Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. В течение нескольких лет космонавты проводили эксперименты по адаптации растений к условиям невесомости. В ходе этих экспериментов было обнаружено, что в условиях космических шаттлов растения поглощают больше фосфора и меньше таких элементов, как магний, цинк и железо[6].

В 2000 году кандидат биологических наук Ю. Мартиросян создал универсальную аэропонную установку «Урожай-2000».

С 2006 года аэропоника используется в сельском хозяйстве во всем мире^[9].

Аэропонное выращивание растений считается безопасным и экологически чистым способом получения естественных, здоровых растений и сельскохозяйственных культур. Также дополнительными экологическими преимуществами аэропоники являются экономия воды и энергии. По сравнению с обычным выращиванием растений, аэропоника предполагает более низкое потребление воды и затрат энергии на единицу продукции^[3].

Аэропоника оптимизирует большой доступ к воздуху для более успешного роста растений в отличие от методов с использованием субстрата. Растение в аэропонном аппарате имеет 100 % доступ к CO₂, что способствует ускоренному росту растения^[5].

Так, для полноценного роста растений важно необходимо достаточное количество кислорода (O₂) в корневой зоне — ризосфере. В аэропонике, где растения выращиваются в среде, состоящей из воздуха и микроскопических капель воды, практически любое растение может успешно развиваться при условии обильного поступления кислорода, воды и питательных элементов.

Некоторые производители отдают предпочтение аэропонным системам перед другими методами гидропоники, потому что они обеспечивают более интенсивную аэрацию. Это, в свою очередь, способствует активному росту растений и предотвращает развитие патогенных микроорганизмов^[3].

В 1988 году исследователи Соффер и Бургер провели эксперимент, чтобы выяснить, как концентрация растворённого кислорода в системе, которую они назвали «аэрогидропоникой», влияет на рост растений. Эта система представляла собой трёхуровневую гидро- и аэросистему с различными зонами в корневой зоне.

Результаты показали, что растворённый кислород играет ключевую роль в формировании корней. Кроме того, исследователи обнаружили, что в зоне, где подавался обогащённый питательными веществами пар, корни образовывались более активно и имели большую длину. Даже при небольшом содержании кислорода в зоне с паром корни продолжали успешно развиваться^[3].

Аэропоника также позволяет контролировать уровень содержания углекислого газа в воздухе, что, в свою очередь, оказывает воздействие на скорость процесса фотосинтеза у растений.

В аэропонике можно предотвратить распространение инфекции, быстро изолировав заражённый участок. В случае с почвой, болезнь может распространиться по всей питательной среде, заражая многие растения^[3]. Так, аэропонический метод выращивания позволяет избежать болезней, характерных для почвы, а также избавиться от большого количества вредителей, обитающих в земле.

Кроме того, поскольку в аэропонике растения не подвержены болезням, можно добиться более высокой плотности посадки, чем при использовании традиционных методов, таких как гидропоника, почвенное выращивание или метод питательного слоя. В коммерческих аэропонических системах используются специальные устройства, которые учитывают рост корней растений.

По мнению исследователей, аэропоника — это эффективный, простой и быстрый способ оценить устойчивость генотипов к различным заболеваниям рассады и корневым гнилям. Изолирующая среда в таких систем позволяет избежать сложностей, связанных с изучением этих инфекций в почвенных культурах^[10].

Основное экономическое преимущество аэропоники заключается в том, что для её производства не требуется земля, а как следствие, возможно создание многоярусных теплиц для производства пищи. Такой подход поможет решить проблемы ограниченного количества площади для культивирования растений, а также позволит выращивать пищу в пустынях, тундре и других непригодных для сельского хозяйства районах Земли.

В системах аэропоники используются специальные механизмы, которые создают мелкодисперсный туман, который доставляет питательные вещества к корневой системе растений. Такие устройства включают в себя распылители, форсунки и генераторы тумана. Размер капли воды имеет большое значение для развития корней в условиях аэропоники. Если капли слишком большие, они могут препятствовать поступлению кислорода к корням. С другой стороны, если капли слишком мелкие, это может привести к избыточному росту корневых волосков без развития боковых корней, которые необходимы для стабильного роста в системе аэропоники^[3].

Для оптимизации процесса аэропонного распыления и создания тумана было разработано несколько передовых технологий. В коммерческих целях часто используется спрей с углом распыления 360 градусов. Он создаёт туман под воздействием воздуха и обеспечивает равномерное покрытие большой площади корней. Также применяется технология туманопоники, или фогопоники, которая основана на использовании ультразвуковых генераторов тумана, позволяет создавать туман из питательных растворов в аэропонных системах с низким давлением.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) выделило финансирование для проведения исследований и создания инновационных материалов, которые позволят повысить надёжность и сократить объём технического обслуживания в сфере аэропоники. В ходе исследований было установлено, что для стабильного развития аэропоники требуется использование высокодисперсного тумана с размером частиц от 5 до 50 микрометров^[11].

Чтобы обеспечить стабильный и долгосрочный рост, система тумана должна создавать высокое давление, которое обеспечит эффективное проникновение жидкости в плотную корневую систему. Если распылительные головки минерализуются, это может привести к деградации распыления и, как следствие, к нарушению доставки питательного раствора. В результате нарушается экологический баланс в системе воздушной культуры.

Для решения этой проблемы были разработаны особые полимерные материалы с небольшой массой. Они применяются для предотвращения образования минеральных отложений и позволяют поддерживать эффективность и производительность системы туманообразования на высоком уровне.

• Аэропонная культивация — это метод, который позволяет растениям развиваться и расти в воздушной среде, что создаёт естественные условия для их роста и развития^[3].
• Аэропонное выращивание — это процесс выращивания растений в воздушной среде.
• Аэропонная система — это комплекс приспособлений, которые используются для выращивания растений в воздушной среде.
• Аэропонная теплица — это конструкция из стекла или пластика, которая обеспечивает контролируемую среду для выращивания растений в условиях, напоминающих туман. Она оснащена всем необходимым оборудованием для создания оптимальных условий для роста и развития растений.
• Аэропонные условия — это особые параметры окружающей среды, необходимые для успешного выращивания растений в воздушной среде, которые подбираются с учётом особенностей конкретного вида растений.
• Аэропонные корни — это корневая система, которая формируется в процессе выращивания растений в воздушной среде

Аэропоника, которая ранее была исключительно лабораторным методом, стала активно применяться в коммерческих целях.

В 1966 году Брюс Бриггс, пионер в области аэропоники, успешно вырастил корни у черенков лиственных растений с помощью метода воздушного укоренения. Он заметил, что черенки, укоренённые в воздухе, были более крепкими и выносливыми по сравнению с черенками, выращенными в почве^[12].

В 1982 году израильский изобретатель Исаак Нир разработал устройство, которое позволяло выращивать растения без использования почвы. В основе его разработки лежал принцип аэропоники: растения получали питательные вещества из раствора, который подавался к ним с помощью сжатого воздуха низкого давления^[13].

В 1976 году британский исследователь Джон Превер провёл в Великобритании серию опытов по аэропонике. В ходе этих экспериментов он вырастил салат-латук из семян до полного созревания всего за 22 дня. Для этого он использовал трубки из полиэтилена. Туман, который применялся в опытах, был получен с помощью оборудования американской компании Mee Industries из Калифорнии^[14].

В 1984 году компания Kings Nurseries в сотрудничестве с Джоном Превером применила инновационный подход к выращиванию клубники с использованием системы аэропоники. Результат превзошёл все ожидания: клубника радовала обильным урожаем, который высоко оценили покупатели. Пожилые люди особенно отмечали чистоту, качество и вкус плодов, а также удобство их сбора без необходимости наклоняться.

В 1983 году Ричард Стоунер получил патент на устройство, которое позволяло подавать воду и питательные вещества в закрытую аэропонную камеру с помощью микропроцессоров^[8]. Впоследствии Стоунер основал несколько компаний, которые занимаются исследованиями и разработкой оборудования для аэропоники, интерфейсов, биоконтролей и компонентов для коммерческого выращивания растений в условиях аэропоники^[8].

Компания Стонера, Genesis Technology Inc, стала новатором в области создания, продвижения и использования масштабных аэропонных систем с замкнутым циклом в теплицах для коммерческого выращивания растений^[15].

В 1990-х годах компания General Hydroponics попыталась выйти на рынок гидропонных систем для хобби и представила свою разработку — Aerogarden («аэросад»). Она не соответствовала строгим стандартам «настоящей» аэропоники, поскольку вместо тумана создавала капли, она всё же привлекла внимание садоводов к аэропонике^[16].

Британская компания Nutriculture провела успешные испытания «настоящей» туманной аэропоники. Несмотря на некоторые недостатки, такие как высокая стоимость и сложность в эксплуатации, она предлагает инновационное решение в виде масштабируемой и удобной в использовании капельно-аэропонной системы под названием Amazon. Компания пришла к выводу, что для достижения наилучших результатов необходимо использовать фирменный аэропонный пропагатор X-stream для выращивания рассады, а затем перенести её в специально разработанную капельно-аэропонную систему для выращивания.

В 1986 году Стоунер успешно реализовал свежие продукты, выращенные методом аэропоники, через национальную сеть продуктовых магазинов. Это достижение привлекло внимание общественности, и Стоунера пригласили на интервью на радио NPR. В ходе беседы он рассказал о важности аэропоники для экономии водных ресурсов как в современном сельском хозяйстве, так и в освоении космоса^[9].

Аэропоника представляет собой значительное достижение в области в области искусственного выращивания растений. Она предлагает целый ряд преимуществ, таких как бережная поддержка растений, быстрое проращивание семян, тщательный контроль окружающей среды и неограниченный потенциал для роста.

В сравнении с традиционными методами сельского хозяйства, такими как гидропоника и капельное орошение, аэропоника демонстрирует значительные улучшения в процессе выращивания растений^[5].

Современные аэропонные технологии активно изучают в космическом центре NASA BioServe Space Technologies, расположенном на территории кампуса Колорадского университета в Боулдере, штат Колорадо. Это научно-исследовательский центр, который специализируется на разработке и внедрении в производство аэропонных систем^[5].

Специалисты Исследовательского центра Эймса также занимаются изучением замкнутых систем. Они исследуют методы выращивания сельскохозяйственных культур в условиях пониженной гравитации. Это может стать основой для будущих проектов по освоению космоса.

В 2000 году Стоунер получил патент на технологию биологического контроля органических заболеваний, которая даёт возможность выращивать растения в аэропонных системах без использования пестицидов.

В 2004 году Эд Харвуд, основатель компании AeroFarms, создал инновационную систему аэропоники, в которой для выращивания латука используется микрофлисовая ткань^[17]. Компания AeroFarms, опираясь на запатентованную технологию Харвуда, управляет крупнейшим в мире вертикальным фермерским хозяйством в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Ферма использует метод аэропоники для выращивания и распространения до двух миллионов фунтов свежей зелени без применения химических веществ^[18].

В России популярность систем капельного полива также растёт. В оранжерейном комплексе «Флорариум»^[19] в Москве можно увидеть образцы аэропоники — технологии, разработанной Всероссийским научно-исследовательским институтом сельскохозяйственных биотехнологий (ВННИСБ). С помощью этой технологии растения выращиваются без почвы, а питательные вещества поступают к корням в виде мелкодисперсной взвеси.

Аэропонная биофармацевтика — это инновационная технология, которая применяется для производства фармацевтических препаратов в растениях. Она обеспечивает полную герметичность, благодаря чему отходы и побочные продукты биофармацевтических культур остаются внутри системы^[20].

В 2005 году доктор Нил Риз из Университета Южной Дакоты попытался применить метод аэропоники для выращивания генетически модифицированной кукурузы. При этом была обеспечена надёжная защита от попадания в окружающую среду пыльцы и отработанных стоков. Такая изоляция обеспечивает чистоту и безопасность окружающей среды, защищая её от возможного загрязнения ГМО. Ранее попытки культивирования различных сортов кукурузы с использованием гидропоники не приносили результатов.

Доктор Риз подчёркивает, что аэропоника открывает возможности для дальнейшей разработки и применения экономически выгодных методов в области биофармацевтики, что делает её привлекательным направлением для производства лекарственных препаратов^[9].

В 2006 году в рамках сотрудничества между Институтом биотехнологии Вьетнамского национального сельскохозяйственного университета и Стоунером была запущена программа подготовки аспирантов и докторантов по направлению «Аэропоника». В рамках этой программы исследовательский центр агробиотехнологий, возглавляемый профессором Нгуен Куанг Тхач, использует аэропонные лаборатории для разработки и внедрения методов производства мини-клубней картофеля во Вьетнаме. Это позволяет выращивать сертифицированный семенной картофель, который соответствует всем необходимым стандартам качества^[21].

Это событие имеет большое значение для истории, поскольку оно знаменует собой начало нового этапа в развитии сельского хозяйства страны. Впервые в истории государство уделяет особое внимание аэропонике как инструменту для укрепления сельскохозяйственного сектора, стимулирования роста фермерских хозяйств, удовлетворения растущего спроса, повышения качества продуктов питания и увеличения общего объёма производства.

«Мы продемонстрировали, что аэропоника, в отличие от других методов ведения сельского хозяйства, способна существенно повысить урожайность картофеля во Вьетнаме. В условиях ограниченности пахотных земель использование аэропоники становится экономически выгодным решением», — заявил Тхач^[21].

Использование аэропоники приносит пользу производителям картофеля, поскольку обеспечивает их качественным семенным материалом, выращенным без использования пестицидов, позволит сократить расходы на производство и повысить урожайность.^[9]