Aqu @teach: Гидропонные системы

Существует три основных типа гидропонных систем (см. также модуль 1). В средах гидропоники растения растут в субстрате. В системах биогенной пленки (NFT) растения растут со своими корнями в широких трубах, снабженных струйкой воды. В глубоководной культуре (DWC) или плавучих плотов растения подвешиваются над резервуаром воды с помощью плавучего плота. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые более подробно рассматриваются ниже. Эти данные несколько противоречивы с точки зрения их относительной эффективности для растениеводства в аквапонных системах. Леннард и Леонард (2006) сравнили три гидропонные подсистемы для производства салата и нашли наибольшее производство в слоях гравия, за которыми следовали DWC и NFT. Тем не менее, последующие исследования Pantanella et al. 2012 показали, что NFT работает так же, как и DWC, в то время как медиа-слой постоянно недоработает с точки зрения урожайности.

Что касается роли конструкции гидропонного компонента в общих характеристиках и водопотреблении аквапонных систем, то в обзоре литературы Maucieri et al. 2018 было установлено, что NFT менее эффективен, чем среда или гидропоника DWC, хотя результаты не были однозначными. Гидропонный компонент непосредственно влияет на качество воды, что имеет важное значение для выращивания рыбы, а также является основным источником потери воды в результате эвапотранспирации растений. Таким образом, конструкция гидропонного компонента влияет на устойчивость всего процесса либо непосредственно с точки зрения потребления воды, либо косвенно с точки зрения затрат на управление системой. Выбор гидропонного компонента для аквапонной системы также повлияет на конструкцию всей системы. Например, в системах средового слоя субстрат обычно обеспечивает достаточную площадь поверхности для роста и фильтрации бактерий, в то время как в каналах NFT площадь поверхности недостаточна, и необходимо установить дополнительные биофильтры (Maucieri et al. 2018).

Гидропоника Медиа-слоя

В гидропонике сред, без почвы растущая среда или субстрат используется, чтобы помочь корням поддерживать вес растения. Стержень также служит биологическим и физическим фильтром. Из гидропонных подсистем наиболее эффективной биологической фильтрацией обладают подложки среды из-за большой площади поверхности, где биопленка, содержащая нитрифицирующие и другие бактерии, может колонизироваться. Субстрат также улавливает твердые и взвешенные рыбные отходы и другие плавающие органические частицы, хотя эффективность этого физического фильтра будет зависеть от размера частиц и зерен субстрата, а также скорости потока воды. Со временем органические частицы медленно разбиваются биологическими и физическими процессами на простые молекулы и ионы, доступные растениям для поглощения (Somerville et al. 2014b).

Субстрат может быть органическим, неорганическим, натуральным или синтетическим (рис. 1) и помещается в контейнеры для выращивания различных форм. Он должен иметь достаточную площадь поверхности, оставаясь проницаемой для воды и воздуха, позволяя тем самым бактериям расти, вода течь, а корням растений дышать. Он должен быть нетоксичным, иметь нейтральный рН, чтобы не влиять на качество воды, и быть устойчивым к росту плесени. Он также не должен быть таким легким, чтобы он плавал. Задержка воды, аэрация и баланс рН — все аспекты, которые варьируются в зависимости от подложки. Вода сохраняется на поверхности частиц и в поровом пространстве, поэтому удержание воды определяется размером, формой и пористостью частиц. Чем меньше частицы, тем ближе они упаковываются, тем больше площадь поверхности и пространство пор, и, следовательно, тем больше удерживание воды. Частицы неправильной формы имеют большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую степень удержания воды, чем гладкие круглые частицы. Пористые материалы могут хранить воду внутри самих частиц, поэтому уровень удержания воды высок. В то время как подложка должна быть способна хорошо удерживать воду, она также должна быть способна к хорошему дренажу. Поэтому необходимо избегать чрезмерно тонких материалов, чтобы предотвратить чрезмерное удержание воды и отсутствие движения кислорода внутри субстрата. Все субстраты необходимо периодически очищать (Resh 2013).

Подложки также можно классифицировать как гранулированные или волокнистые. Гранулированные субстраты включают в себя легкую керамзированную глину, гравий, вермикулит, перлит и пемзу. Волокнистые субстраты включают минеральную вату и кокосовое волокно. Вода в основном содержится в микропорах субстрата, а быстрый дренаж и проникновение воздуха облегчают макропоры (Drzal et al. 1999). Поэтому необходимо адекватное сочетание больших и малых пор (Ravivet al. 2002). Гранулированные субстраты имеют высокую макропористость (воздухопроницаемость), но сравнительно низкую микропористость (доступность воды), в то время как волокнистые субстраты обладают высокой микропористостью, но сравнительно низкой макропористостью.

Легкий глинистый заполнитель (LECA) очень легкий по сравнению с другими субстратами, что делает его идеальным для аквапоники на крыше. Он поставляется в различных размерах; более крупные размеры с диаметрами 8-20 мм рекомендуются для аквапоники (Somerville et al. 2014). Большие поровые пространства (макропористость) означают лучшее перколяцию раствора через подложку и лучшую подачу воздуха, даже если биопленки покрывают поверхности. Тем не менее, LECA имеет небольшие микропоры и, таким образом, не имеет хорошей водоудерживающей способности.

Вулканический гравий (туф) имеет очень высокое соотношение площади поверхности к объему, что обеспечивает достаточно места для колонизации бактерий, и он почти химически инертен, за исключением небольших выбросов микроэлементов, таких как железо и магний, а также поглощения фосфатов и ионов калия в течение первых нескольких месяцев. Рекомендуемый размер вулканического гравия 8-20 мм в диаметре. Более мелкий гравий, вероятно, засоряет твердыми отходами, в то время как более крупный гравий не обеспечивает требуемой площади поверхности или поддержки растений (Somerville et al. 2014b).

Известняковый гравий не рекомендуется в качестве субстрата, хотя он иногда используется. Известняк имеет более низкое отношение поверхности к объему, чем вулканический гравий, сравнительно тяжелый и не инертный. Известняк состоит в основном из карбоната кальция (CaCo3), который растворяется в воде. Это увеличит рН, и поэтому его следует использовать только в тех случаях, когда источники воды очень низки с точки зрения щелочности или кислотности. Тем не менее, небольшое добавление известняка может помочь сбалансировать подкисляющий эффект нитрифицирующих бактерий, что может компенсировать необходимость регулярной буферизации воды в хорошо сбалансированных аквапонных системах (Somerville et al. 2014b).

Вермикулит — это микосовый минерал, который расширяется при нагреве выше 1000° C, вода превращается в пар, образуя мелкие, пористые, губчатые ядра. Вермикулит очень легкий по весу и может поглощать большое количество воды. Химически это гидратированный магний алюминий-силикат железа. Он нейтрален в реакции с хорошими буферизирующими свойствами и обладает относительно высокой способностью катионов и, таким образом, может удерживать питательные вещества в резерве и впоследствии высвобождать их. Он также содержит некоторые магния и калия, которые доступны для растений (Resh 2013).

Перлит — это кремнистый материал вулканического происхождения, добываемый из лавовых потоков. Он нагревается до 760° C, что превращает небольшое количество воды в пар, тем самым расширяя частицы до небольших губок ядер. Перлит очень легкий и удерживает в три-четыре раза больше веса воды. Он по существу нейтрален, с pH 6,0—8,0, но без буферизации; в отличие от вермикулита, он не имеет катионообменной способности и не содержит мелких питательных веществ. Его не следует использовать самостоятельно, а смешивать с другим субстратом, чтобы улучшить дренаж и аэрацию и тем самым предотвратить накопление питательных веществ и последующие проблемы токсичности, обеспечивая насыщенную кислородом среду для процветания корней (Resh 2013).

Пемза, как и перлит, является кремнистым материалом вулканического происхождения и обладает по существу теми же свойствами. Тем не менее, это сырая руда после дробления и сортировки, без какого-либо процесса нагрева, и поэтому она тяжелее и не поглощает воду так легко, так как она не была гидратирована (Resh 2013).

Минеральная вата изготавливается из базальтовой породы, расплавленной в печах при температуре 1500° C. Жидкий базальт затем вращается в нити и сжимается в шерстяные пакеты, которые разрезаются на плиты, блоки или пробки. Большая часть быстрого расширения тепличной промышленности за последние два десятилетия была связана с культурой минеральной ваты. Однако в последние годы высказывалась озабоченность по поводу его удаления, поскольку он не разрушается на свалках. Сейчас многие производители обращаются к более устойчивому субстрату — кокосовому волокну (Resh 2013).

Кокосовое волокно (или койра) является органическим субстратом, полученным из измельченной и измельченной кокосовой шелухи Он близок к рН нейтральным и сохраняет воду, обеспечивая при этом хорошее количество кислорода для корней (Resh 2013).

Таблица 1: Характеристики различных растительных сред (после Somerville et al. 2014b)

ПодложкиПлощадь поверхности (м2/м3)рНСтоимостьВесСрок службыудержания водыПоддержка установкиизвестняка гравий150-200БазовыйНизкий ТяжелыеДлинныеПлохиеОтличныйвулканический гравий300-400НейтральныйСреднийСреднийДлинныйСреднийБедныйОтличныйПемза200-300НейтральныйСредне- ВысокийЛегкий ДлинныйСреднийСредне-БедныйLECA250-300НейтральныйВысокийСветДлинныйСредне-БедныйСреднийКоар200-400 (переменная)НейтральныйНизко- СреднийСветКороткий Высокийсредний

В зависимости от типа субстрата, он будет занимать примерно 30-60 процентов от общего объема слоя среды. Глубина слоя среды важна, поскольку она контролирует объем корневого пространства в устройстве, что, в свою очередь, определяет типы овощей, которые могут быть выращены. Крупные плодоовощные овощи, такие как помидоры, окра и капуста, нуждаются в глубине субстрата 30 см, чтобы обеспечить достаточное пространство для корня и предотвратить матирование корней и дефицит питательных веществ. Мелкие листовые зеленые овощи требуют только 15-20 см глубины субстрата (Somerville et al. 2014b).

! изображение-20210212141024212

Рис. 2: Трансплантация томатов, растущая в системе контейнеровозов с капельным орошением и подложкой LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics\#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Существуют различные методы доставки обогащенной питательными веществами воды в спальные места. Его можно просто просачивать из капельниц, прикрепленных к трубам, равномерно распределенным по среде (см. рис. 2). В качестве альтернативы метод под названием «наводнение и слив» (или «эбб-и-поток») приводит к периодическому затоплению пластов среды водой, которая затем стекает обратно в резервуар. Чередование между затоплением и сливом гарантирует, что растения имеют свежие питательные вещества и достаточный поток воздуха в корневой зоне, что пополняет уровень кислорода. Он также гарантирует, что достаточно влаги в постели всегда, чтобы бактерии могли процветать в их оптимальных условиях. Характер подтопления и стока среды создает три отдельные зоны, которые различаются по содержанию воды и кислорода (Somerville et al. 2014b):

• Верхняя 2-5 см — сухая зона, которая функционирует в качестве светового барьера, сводя к минимуму испарение и предотвращая попадание света непосредственно в воду, что может привести к росту водорослей. Он также предотвращает рост грибка и вредных бактерий у основания стебля растений, что может вызвать воротниковую гниль и другие заболевания.

• Сухая и влажная зона имеет как влагу, так и высокий газообмен. Это зона 10-20 см, где медиалоб периодически заливает и сточает. Если не использовать методы подтопления и слива, то эта зона будет той дорогой, по которой вода протекает через среду. Большая часть биологической активности происходит в этой зоне.

• Во влажной зоне находится нижняя 3-5 см кровати, которая остается постоянно влажной. В этой зоне накапливаются мелкие твердые частицы, поэтому здесь также расположены организмы, наиболее активные в минерализации, в том числе гетеротрофные бактерии и другие микроорганизмы, которые разбивают отходы на более мелкие фракции и молекулы, которые могут быть поглощены растениями через процесс минерализации (Somerville et al. 2014b).

Технология питательной пленки (NFT)

NFT — это система культуры растворов, в которой тонкая пленка (глубиной от двух до трех миллиметров) непрерывно течет по основанию малых каналов, в которых расположены корневые системы. При использовании NFT цель заключается в том, чтобы часть развивающегося корня находилась в потоке питательных веществ, но другие корни подвешены выше этого во влажном воздухе, обеспечивая доступ к кислороду без погружения (Somerville et al. 2014b).

! изображение-20210212141108253

Рис. 3: Система круглых труб NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

! изображение-20210212141116469

Рис. 4: Система прямоугольных труб NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Каналы часто в виде труб (рис. 3). Трубы с прямоугольным сечением (рис. 4) лучше всего, с шириной больше высоты, так как это означает, что больший объем воды попадает в корни, тем самым увеличивая поглощение питательных веществ и рост растений. Более крупные плодоовощные овощи и поликультуры (выращивание различных видов овощей) требуют больших труб, чем те, которые необходимы для быстрорастущей листовой зелени и мелких овощей с мелкими корневыми массами. Длина трубы может варьироваться, но стоит иметь в виду, что дефицит питательных веществ может возникнуть у растений к концу очень длинных труб, потому что первые растения уже лишили питательных веществ (рис. 5). Белые трубы должны использоваться, так как цвет отражает солнечные лучи, тем самым сохраняя внутреннюю часть труб прохладной. Каналы должны располагаться на склоне (рис. 5) таким образом, чтобы питательный раствор протекал с хорошим расходом, который для большинства систем составляет около одного литра в минуту (Somerville et al. 2014a).

! изображение-20210212141144118

Рисунок 5: Наклонные каналы NFT. Канал NFT длиной 12,5 м и питался водой из соседнего аквариума. Никакие питательные вещества не были дополнены. Можно наблюдать растущее ограничение питательных веществ вдоль канала

Системы NFT в основном используются для производства быстрооборотных культур, таких как листья салата, травы, клубника, зеленые овощи, корма и микрозелень.

Глубоководная культура (DWC)

Система DWC или плавучий плот представляет собой тип гидропонной системы, в которой растения подвешиваются над резервуаром с помощью плавучего плота, а корни погружаются в питательный раствор и аэрируются с помощью воздушного насоса. Однако, в отличие от систем NFT, где питательные вещества в небольшой пленке воды, протекающей на корневом уровне, быстро истощаются, большой объем воды, содержащейся в каналах DWC, позволяет растениям использовать значительное количество питательных веществ. Поэтому длина каналов не является проблемой, и они могут варьироваться от одного до десяти метров. Рекомендуемая глубина составляет 30 см, чтобы обеспечить достаточное пространство для корня растений, хотя небольшие листовые зелени, такие как салат, требуют только глубины 10 см или даже меньше. Расход воды, поступающей в каждый канал, относительно невелик, и обычно время удержания каждого канала (время, необходимое для замены всей воды в контейнере) составляет 1-4 часа. Это позволяет адекватно пополнять питательные вещества в каждом канале, хотя объем воды и количество питательных веществ в глубоких каналах достаточно для питания растений в течение более длительного периода времени (Somerville et al. 2014b). С другой стороны, может потребоваться дополнительная аэрация, поскольку скорость потока недостаточно высока для обеспечения достаточного количества кислорода.

Некоторые растения, такие как салат, процветают в воде и обычно выращиваются с использованием глубоководной культуры. DWC является наиболее распространенным методом для крупных коммерческих операций по выращиванию одного конкретного урожая (обычно салата, салата или базилика) и более подходит для механизации.

! изображение-20210212141155896

Рисунок 6: Базилик и другие растения, растущие в системе DWC в теплице CDC South Aquaponics в Брукс, Альберта (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Аэропоника

В аэропонных системах растения выращиваются и питаются, приостанавливая их корневые структуры в воздухе и регулярно распыляя их питательным раствором. Существует два основных типа аэропонных систем: аэропоника высокого давления и аэропоника низкого давления, главным отличием которых является размер капли тумана, используемого в каждом случае. В аэропонике низкого давления используются насосы низкого давления с высоким потоком, в то время как в аэропонике высокого давления используются насосы высокого давления (около 120 PSI), насосы низкого расхода для распыления воды и создания капель воды 50 микрон или менее. В случае чрезвычайно тонкого тумана, напоминающего туман, термин «fogponics» используется для обозначения третьего типа аэропоники. Растения, выращенные с помощью аэропонной системы, как правило, растут быстрее, чем растения, выращенные в других типах гидропонной системы, из-за их широкого воздействия повышенного кислорода (Li et al. 2018).

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *

Дополнительные темы см. в оглавлении.