ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА КАК ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА ПРИ ГИДРОПОННОМ ВЫРАЩИВАНИИ САЛАТА

Мишанов А.П.¹, Маркова А.Е.², Ракутько Е.Н.³

¹Старший научный сотрудник, ²Кандидат сельскохозяйственных наук,  ³Научный сотрудник, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП)

ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА КАК ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА ПРИ ГИДРОПОННОМ ВЫРАЩИВАНИИ САЛАТА

Аннотация

В статье рассмотрена динамика изменения величины окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) католита  при его использовании в светокультуре при выращивании салата в культивационных коробах. Величина ОВП католита изменяется от отрицательных значений к положительным при последовательном прохождении через небольшое количество горшочков с растениями. Это снижает эффективность использования католита и требует иного способа его подачи к растениям. При отсутствии растений в горшочках ОВП католита увеличивается за больший промежуток времени независимо от применяемых в исследовании типов субстрата.

Ключевые слова: светокультура, энергоэкологическая эффективность, гидропоника, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), католит.

Mishanov A.P.¹, Markova A.E.², Rakut’ko E.N.³

¹Senior researcher, ²PhD in Agriculture, ³Researcher, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP, Russia)

VARIANCE OF REDOX POTENTIAL AS A ENERGOECOLOGYCAL FACTOR WHILE HYDROPONIC LETTUCE GROWING

Abstract

In the article the dynamic of catholyte’s redox potential variance used while hydroponic lettuce growing in cultivation box is considered. Value catholyte’s redox potential variances from negative to positive values during consecutive passing across a little number pot with plants. This reduces the catholyte effectiveness and demands other way it’s delivering to plants. In the absence of plants in the pots the variance of catholyte’s redox potential increases in a more time period irrespective from the substrate types applied in researches.

Keywords: indoor plant growing, energy and ecological efficiency, hydroponic, redox potencial (Eh), catholyte.

Введение

Окислительно-восстановительные реакции – это главные процессы, которые поддерживают деятельность живых организмов, в том числе растений. Баланс окислительных и восстановительных биохимических процессов в них является важным фактором экологического благополучия среды выращивания.

В тепличном овощеводстве защищенного грунта при выращивании культуры салата одной из наиболее востребованных и экономически эффективных является технология выращивания методом малообъемной гидропоники с рециркуляцией рабочего раствора. Рабочие растворы, используемые для обеспечения растений всеми необходимыми элементами питания характеризуются двумя показателями: уровнем кислотности (рН) и величиной электропроводности (ЕС), косвенно характеризующей наличие элементов питания для возможности автоматического поддержания параметров раствора на заданном уровне. Помимо этих величин свойства раствора (воды) можно охарактеризовать таким показателем, как окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), называемый также редокс-потенциал (от английского RedOx - Reduction/Oxidation), являющийся мерой химической активности элементов в обратимых окислительно-восстановительных процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. В обычных условиях уровень ОВП не подлежит корректировке и в большинстве случаев для водопроводной воды имеет величину от +100 до +400 мВ (окислительная способность). В этом же диапазоне находится и ОВП рабочего раствора. Известно, что пониженное значение ОВП (область отрицательных значений)  оказывает положительное значение на стимуляцию роста растений [1].

Изменение ОВП вызывает отчетливую реакцию растений, что предоставляет дополнительные возможности для создания оптимальных условий их развития. Биологическое действие на растения католитов, характеризующихся отрицательными значениями  ОВП, очень похож на действие антиоксидантов, характеризуется явным лечебно-профилактическим эффектом.

Выращивание растений в светокультуре связано с существенными энергетическими затратами, поэтому вопросы экологичности и энергоэффективности приобретают особую актуальность.

Для разработки научных основ и создания практических приемов управления светокультурой, обеспечивающих повышение энергоэффективности и экологичности производства необходимо исследование вопросов взаимосвязи потока энергии оптического излучения и потоков продуктов фотосинтеза в растениях. Выявление этих взаимосвязей является одной из важнейших задач разрабатываемого в институте агроинженерных и экологических проблем (Санкт-Петербург) нового научного направления – энергоэкологии светокультуры, объединяющего в себе подходы физики, физиологии растений и экологии. Сформулированы теоретические основы и накоплен практический опыт энергоэкологического анализа и проектирования облучательных установок культивационных сооружений на основе разработанной  иерархической модели  искусственной биоэнергетической системы как совокупности технических и энергетических устройств, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (растений), применяемых в светокультуре для обеспечения требуемых технологических операций по получению готовой продукции [2].

Системным интегративным критерием оптимальности является уровень энергоэкологичности. В соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней модели этот параметр выступает в виде локальных критериев оптимальности. Разработанные теоретические представления позволили предложить практические приемы проектирования отдельных энергосберегающих мероприятий и оценки их эффективности [3], обосновать энергоэкологичные режимы проведения ЭТП [4], алгоритмы управления энергоэффективностью и экологичностью [5].

Таким образом, задачей энергоэкологических исследований является нахождение такого комплекса экологических условий, при котором обеспечивается наилучшее использование энергии потока оптического излучения.

Положительные результаты, полученные учеными в различных отраслях жизнедеятельности человека при использовании полезных растворов с явно выраженными восстановительными свойствами, получаемыми с помощью электрохимической активации (ЭХА) исходной воды (раствора) в специальных реакторах свидетельствуют о больших перспективах применения данного метода.  Процесс ЭХА обработки растворов сопровождается изменением их химического состава, кислотности и (или) щелочности в широких пределах.

Конечным продуктом ЭХА являются активированные растворы -  низкоминерализованные жидкости в метастабильном состоянии, проявляющие в период релаксации повышенную химическую активность. Синтез электрохимически активированных растворов возможен только при униполярном  электрохимическом воздействии в сочетании с обработкой возможно большего количества микрообъемов жидкости в электрическом поле высокой напряженности двойного электрического слоя у поверхности электрода. Замедление времени релаксации и изучение динамики ее изменения представляют большой научный и практический интерес [6,7].

Целью исследования является изучение динамики изменения ОВП католита (ОВП_К) при его прохождении через культивационный короб с различным количеством горшочков и разным типом субстрата с точки зрения возможности его применения для стимуляции роста растений салата при выращивании на гидропонике.

Материалы и методы исследований

Изучение изменения показателя ОВП_К проводили на лабораторной установке, представляющей собой бак для водопроводной воды, насос подачи воды в устройство электрохимической активации (элемент ПЭМ-3) и культивационного короба с отверстиями для установки горшочков типа PR 360.

В опыте использовали два вида субстрата: верховой торф, раскисленный агромелом с доведением рН торфа до 6,2 и заправленный макро- и микроудобрениями до уровня, мг/л: N_общ – 200; Р – 60; К – 210; Са – 100; Мg – 30 и гранулы чистого агроперлита.

Заправленный верховой торф широко используется в тепличном овощеводстве защищенного грунта при производстве салата сортотипа «Батавия» Афицион, являющегося одним из наиболее популярных сортов. Агроперлит в опыте использовали в качестве субстрата, являющегося возможной альтернативой субстрату из верхового торфа, создающего для корневой зоны растений благоприятный газо-воздушный и влажностный режимы.

Получение щелочного католита (К), обладающего отрицательными значениями ОВП вели на разработанном в НПО «Экран» проточном модуле ПЭМ-3 путем пропускания постоянного тока через отстоявшуюся водопроводную воду при трех уровнях напряжения. При этом давление и расход воды через анодную и катодную камеры поддерживались одинаковыми для каждого уровня напряжения. Интервал измерений показателя ОВП_К составлял 10 минут. Получаемый католит сразу с выхода из ПЭМ-3 разделялся на два потока, поступающих одновременно в левый (пустой) и правый (с горшочками) короба. Культивационный короб представляет собой пластиковый желоб с отверстиями для растений в количестве 10 штук. Расстояние между отверстиями составляет 185 мм, общая длина лотка – 1720 мм. В поперечном сечении 74*50 мм. За несколько дней до начала опыта агроперлит был пролит кипятком. Влажность горшочков при расстановке – 60-70%. Горшочки убирали попарно со стороны, противоположной месту подачи католита в лоток.

Отстоянная водопроводная вода (ВВ) для получения католита имела следующие показатели: рН_ВВ= 7,35; ОВП_ВВ= +295 мВ; электропроводность (ЕС_вв)= 0,13 мСм/см при t = 17 °C.

Приготовление католита осуществлялось при следующих параметрах:

 - давление до активатора Р=0,15 кгс/см²;

- расход католита Q_К = 27, 7 л/ч;

- расход анолита Q_А=2,4 л/ч

Разложение ВВ при постоянных расходах через камеры ПЭМ-3 велось токами на трех уровнях:

Уровень 1: U=30 В;  I=0,80 А, при этом рН_К=9,92; ОВП_К=-333 мВ; ЕС_К=0,15 мСм/см;

Уровень 2: U=20 В;  I=0,40 А, при этом рН _К=9,55; ОВП_К=-248 мВ; ЕС_К=0,14 мСм/см;

Уровень 3: U=15 В;  I=0,20 А, при этом рН _К=9,10; ОВП_К=-185 мВ; ЕС_К=0,14 мСм/см;

Далее активированный католит подавался в культивационный короб с расходом 14,4 л/ч. Динамика изменения ОВП_К по мере прохождения через короб с различным количеством установленных в него горшочков представлена на рис. 1-2

Рис.1 - Изменение ОВПК в гошочках с чистым агроперлитом

Рис.2 - Изменение ОВПК в гошочках с заправленным питательными элементами торфом

 

По мере изменения ОВП_К в сторону увеличения при изменении количества устанавливаемых в короб горшочков от 0 до 10 штук показатели рН и ЕС изменялись незначительно (не более 0,08 ед. для рН и не более 0,01 мСм/см для ЕС).

Активированные растворы необходимо использовать, пока они находятся в метастабильном состоянии (для католита обладают восстановительной способностью), которое постепенно ослабевает в силу ряда причин, поэтому следующим этапом исследования было определение динамики изменения величины ОВП_К при его рециркуляции через культивационные короба с 10 горшочками, заполненными чистым агроперлитом и заправленным минеральными элементами торфом. Для этого из двух емкостей, наполненных католитом в объеме 10 л со значениями: рН_К=9,31; ОВП_К=-185 мВ; ЕС_К=0,15 мСм/см при помощи водяных помп Barbus WP 2680, установленных в емкостях производилась подача через каждый лоток со скоростью Q_К=15,65 л/ч с последующим возвратом в исходные емкости. Исходная ВВ с рН_ВВ=7,35; ОВП_ВВ=+295 мВ; ЕС_ВВ =0,13 мСм/см при t=17 °C подвергалась униполярной обработке в электрохимической ячейке ПЭМ-3 при U=20 В;  I=0,40 А и расходах через катодную и анодую камеры 27, 7 л/ч и 2,4 л/ч соответственно.

Динамика изменения ОВП_К в режиме рециркуляции представлена на рис. 3 и 4.

Рис.3 - Динамика изменения ОВПК при рециркуляции короб-емкость через горшочки с разным субстратом

Рис.4 - Динамика изменения ОВПК при  рециркуляции короб-емкость без горшочков

В опыте используется верховой торф, предварительно раскисленный агромелом  с доведением рН торфа до 6,1 и заправленный макро- и микроудобрениями до уровня, мг/л: N_общ – 341,45; Р – 36,6; К – 255,3; Са – 100; Мg – 30.

Уровень рН и величину ОВП измеряли потенциометрическим методом рН метром-иономером Эксперт 01 с использованием вспомогательного и индикаторных стеклянного (хлор-серебряного) и платинового электродов. Электропроводность питательного раствора измеряли переносным кондуктометром HANNA DIST WP4, а подвижные формы элементов минерального питания определяли ионометрическим методом с использованием иономера Эксперт 01 c соответствующим типом электродов и спектрофотоколориметра  ПЭ5400В.

На предыдущих графиках представлены изменения значений ОВП католита  при отсутствии растений в горшочках, однако определенно можно сказать, что при наличии растений в горшочках динамика изменения будет иметь другую тенденцию. Для этого были выращены растения салата на питательном растворе. В качестве субстрата использовали агроперлит. Далее католит пропускали через короб с различным количеством горшочков с растениями при непосредственном его поступлении из катодной камеры ПЭМ-3 и измерением величины ОВП на выходе из короба, при этом на вход в короб католит подавался со значениями: рН_К=9,67, ОВП_К=-108 мВ и ЕС_К=0,16 при температуре 21 °С. Также определяли динамику изменения ОВП при рециркуляции католита емкость-короб через 10 горшочков с растениями с целью определения момента перехода величины ОВП_К через ноль. Емкость заполнялась активированным католитом объемом 10 литров с рН_К=9,69, ОВП_К=-62 мВ и ЕС_К=0,18 при t=21 °С.

Динамика изменения величины ОВП_К при указанных условиях представлена на рис. 5 и 6.

Рис.5 - Динамика изменения ОВПК при прохождении по коробу через горшочки с растениями (перлит)

Рис.6 - Динамика изменения ОВПК при рециркуляции короб-емкость через горшочки с растениями (перлит)

 

Полученные результаты и обсуждения

Изучение изменения динамики ОВП_К при его прохождении через культивационный короб для выращивания растений салата методом малообъемной гидропоники в зависимости от применяемого субстрата и количества установленных в короб горшочков позволило выявить  тенденцию к быстрой потере восстановительных свойств католита, а также определить направление для дальнейшего изучения использования электрохимически активированных растворов при выращивании зеленных культур. Параметры получаемого ОВП_К при постоянном расходе через камеры электрохимического модуля ПЭМ-3 и постоянных параметрах ВВ зависят от подводимого напряжения и тока, что позволяет изменять величину ОВП получаемого католита. При этом также происходит изменение показателя рН и электропроводности ЕС.

Различие начальных значений ОВП_К, используемого в эксперименте связано с тем, что опыт проводился в течение нескольких недель и, применяемая ВВ для приготовления активированного католита была разной. Это вызвано необходимостью затрат времени на подготовку к работе между измерениями платинового электрода, а также выращиванием растений (порядка 30 суток).

При отсутствии растений ОВП_К, проходящего через короб с горшочками, наполненными чистым агроперлитом и заправленным торфом изменялся в сторону увеличения, но на выходе из короба все же имел отрицательные значения (рис. 1 и 2), при этом отрицательные значения ОВП_К в режиме рециркуляции емкость-короб с установленными 10 горшочками без растений сохранялись около 40 минут от момента начала подачи (рис. 3).  При отсутствии горшочков в коробе отрицательные значения ОВП_К сохранялись около 100 минут от момента подачи.

Из графика, представленного на рис. 5 видно, что активированный католит изменял значение от -91 мВ до -16 мВ при прохождении через 10 горшочков с растениями, находящимися в агроперлите при условии поступления католита непосредственно из камеры электрохимического активатора. При подаче католита из емкости (объем 10 л) при начальном значении ОВП_К=-62 мВ на выходе из короба значение ОВП_К составляло +32 мВ уже через 10 минут после начала подачи (рис.6).

Выводы:

- величина ОВП_К католита изменяется в сторону увеличения при увеличении количества горшочков, установленных в культивационный короб при поступлении католита непосредственно из камеры электрохимического активатора;

- изменение ОВП_К при использовании субстрата из чистого агроперлита происходит медленнее, чем при использовании заправленного торфа;

- в режиме рециркуляции время перехода от отрицательных значений величины ОВП_К к положительным при наличии растений в горшочках с агроперлитом составляет порядка 10 минут при начальном значении ОВП_К=-62 мВ;

Заключение

В результате исследований выявлено, что ОВП_К, проходящего через культивационный короб с установленными в него горшочками с растениями быстро теряет свои восстановительные свойства, исчезает его метастабильность. В режиме рециркуляции отрицательные значения ОВП_К сохранялись не более 10 минут. В связи с этим подачу активированного католита необходимо осуществлять непосредственно к каждому горшочку и единовременно. Требуется провести дальнейшие изучение динамики изменения ОВП активированных растворов с целью их эффективного использования при выращивании растений методом малообъемной гидропоники.

Литература

1. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Экологически безопасная технология подготовки воды и питательных растворов в интенсивной светокультуре // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. Санкт-Петербург. –2010. –№82. –С.67-76.
2. Ракутько С.А., Судаченко В.Н., Маркова А.Е. Оценка эффективности применения оптического излучения в светокультуре по величине энергоемкости // Плодоводство и ягодоводство России. -2012. -Т. 33. -С. 270-278.
3. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.–2015. – № 2 (12). – С. 50–54.
4. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // В сб.: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского. Сборник материалов III Межд. научно-практич. конф. Саратов, 2008.- С. 228-229.
5. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С.А. - Патент на изобретение №2357342.- 21.04.2008.
6. Аристова Н.А, Пискарев И.М., Ушканов В.А. Релаксация окислительно-восстановительного потенциала воды, насыщенной водородом // Вода: химия и экология. –2009. –№12. –С.40-44.
7. Петрушанко И.Ю. Неравновесное состояние электрохимически активированной воды и её биологическая активность / И.Ю. Петрушанко, В.И. Лобышев // Биофизика. –2001. –Т. 46. –Вып. 3. –С. 389-401.

References

1. Mishanov A.P., Markova A.E., Sudachenko V.N., Kolyanova T.V. Ekologicheski bezopasnaya tekhnologiya podgotovki vody i pitatel'nyh rastvorov v intensivnoj svetokul'ture // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii raste-nievodstva i zhivotnovodstva: sb. nauch. tr. Sankt-Peterburg. –2010. –№82. –S.67-76.
2. Rakut'ko S.A., Sudachenko V.N., Markova A.E. Ocenka ehffektivnosti primeneniya opti-cheskogo izlucheniya v svetokul'ture po velichine ehnergoemkosti // Plodovodstvo i yagodo-vodstvo Rossii. -2012. -T. 33. -S. 270-278.
3. Rakut'ko E.N., Rakut'ko S.A. Sravnitel'naya ocenka ehffektivnosti istochnikov izlucheniya po ehnergoemkosti fotosinteza // Innovacii v sel'skom hozyajstve.–2015. – № 2 (12). – S. 50–54.
4. Rakut'ko S.A. Energosberegayushchaya sistema upravleniya ehnergotekhnologicheskimi processami v APK // V sb.: Nauka i ustojchivoe razvitie obshchestva. Nasledie V.I. Vernadskogo. Sbornik materialov III Mezhd. nauchno-praktich. konf. Saratov, 2008.- S. 228-229.
5. Sposob ehnergosberezheniya v ehnergotekhnologicheskih processah / Karpov V.N., Rakut'ko S.A. - Patent na izobretenie №2357342.- 21.04.2008.
6. Aristova N.A, Piskarev I.M., Ushkanov V.A. Relaksaciya okislitel'no-vosstanovitel'nogo potenciala vody, nasyshchennoj vodorodom // Voda: himiya i ehkologiya. –2009. –№12. –S.40-44.
7. Petrushanko I.YU. Neravnovesnoe sostoyanie ehlektrohimicheski aktivirovannoj vody i eyo biologicheskaya aktivnost' / I.YU. Petrushanko, V.I. Lobyshev // Biofizika. –2001. –T. 46. –Vyp. 3. –S. 389-401.