Разработка способа повышения фотосинтеза штамма микроводоросли Chlorella vulgaris BIN в условиях Магаданской области за счет управления возрастной структурой популяции и изучение возможности использования полученной суспензии в органическом картофелеводстве

С каждым годом роль органического земледелия в мире возрастает. Для нашей страны такое направление введения сельского хозяйства довольно новое. Регламентируется оно Федеральным законом «Об органической продукции…» [1]. В данном законодательном акте отражены основные понятия, правила и требования необходимые для производства органической продукции.

В целом в органическом растениеводстве они сводятся к запрету на применение синтетических агрохимикатов и пестицидов за исключением тех, которые разрешены к использованию в соответствии с российскими и другими стандартами в сфере производства органической продукции, например – ГОСТ 33980-2016 «Продукция органического производства. Правила производства, переработки, маркировки и реализации» [2]. 

Одним из методов ведения органического земледелия является использование суспензии микроводоросли Chlorella Vulgaris BIN [3] в сельскохозяйственном производстве. Этот метод хорошо зарекомендовал себя в центральных регионах страны [4], но совершенно не изучен в районах Севера Дальнего Востока.

Важнейшим фактором, регламентирующим получение данной микроводоросли  является световая энергия необходимая ей для фотосинтеза [5].

Существенные колебания в продолжительности светового дня по сезонам года, частые туманы в прибрежной, основной земледельческой зоне Магаданской области не позволяют выращивать микроводоросли с использованием только солнечной энергии для энергетического обеспечения биосинтеза. Поэтому наиболее оптимальным здесь является выращивание хлореллы при помощи искусственного освещения.

В данном случае критерием совершенства как способов, так и устройств для производства хлореллы, должен быть прежде всего минимум затрат электроэнергии составляющей, как известно, основной вес в структуре себестоимости биомассы, получаемой в установках с искусственными источниками света. В связи с этим в Магаданском научно-исследовательском институте сельского хозяйства был разработан способ повышения эффективности фотосинтеза микроводоросли Chlorella Vulgaris BIN для снижения и более эффективного использования электроэнергии при освещении микроводоросли в фотобиореакторе.

Впервые в условиях Севера Дальнего Востока полученная суспензия была применена в рекогносцировочном опыте на раннеспелом сортообразце картофеля Сеянец 15/562. Целью исследования стали возможности её использования  в органическом картофелеводстве.

Известные в настоящее время способы выращивания микроводорослей с использованием фотобиореакторов предполагают управление химическим составом культуральной жидкости (хемостат) или оптической плотностью культуры (турбидостат). Вместе с тем, известно [6], что любая функциональная характеристика популяции определяется соотношением:

(1)

где:  – исследуемая характеристика популяции,

– переменная, обозначающая возраст клетки,

 – функция, описывающая изменение данной характеристики по жизненному циклу клетки,

  – относительное возрастное распределение численности клеток в популяции.

Т.е. величина функциональной характеристики в установившемся состоянии проточного культивирования зависит от , а значит воздействие на  извне позволят управлять величиной, например, фотосинтеза. Вполне понятно, что разработка такого управления должна производиться с учетом возможностей его практической осуществимости. Из рисунка 1 видно, что клетки стадии  практически не отличаются друг от друга по величине, а значит при использовании для разделения клеток по возрастам, например, поля центробежных сил [7], воздействие на возрастную структуру популяции можно осуществить в диапазоне не меньше, чем .

Рисунок 1 - Величина фотосинтеза и объем клетки хлореллы в онтогенезе

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.37.1

Представим, что нам удалось каким-то образом распознавать и выводить из популяции только клетки возраста Т (см. рисунок 1), обладающие, как известно, способностью делиться на  автоспор. Тогда, поддерживая в каждый момент времени постоянным их количество, будем иметь следующую картину распределения численности клеток по возрастам [8] (см. рисунок 2):

(2)

(3)

где:   – число клеток возраста τ,

– значение возраста, соответствующее концу жизненного цикла,

 – количество делящихся в каждый момент клеток.

Рисунок 2 - Возрастное распределение численности клеток

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.37.2

Это означает, что мгновенная скорость изменения числа клеток каждого возраста равна нулю:

(4)

Будем теперь в каждый момент времени выводить одну и ту же часть χ клеток каждого возраста, например, с интервала  (выбор интервала сделан по условию осуществимости). Тогда число клеток каждого возраста в этом интервале в каждый момент времени будет уменьшаться, что может быть записано:

(5)

Т.к. мера измерения какой – либо величины в каждый момент времени – суть величина мгновенной скорости.

Интегрируя формулу 4 от  до , получим:

(6)

Из формулы 6 видно, что число клеток каждого возраста из интервала  уменьшается по экспоненте. Очевидно, что при соответствующем выборе нам не придется думать о способе поддержания числа делящихся клеток на уровне: .

Для нахождения такого значения достаточно проинтегрировать  формулу 4 в пределах от  до . Тогда получим:

(7)

Откуда:

(8)

Тогда:

(9)

Или:

(10)

Таким образом, выводя из культиватора лишь клетки, находящиеся на возрастном интервале , мы обеспечиваем поддержание процесса и имеем следующее распределение численности клеток в культиваторе в зависимости от их возраста:

(11)

Нормируя последнее число по числу клеток, получим соотношение для относительного возрастного распределения:

(12)

Тогда с учетом соотношений для величины фотосинтеза клетки хлореллы в онтогенезе:

(13)

где:  – величина фотосинтеза автоспоры,

Получим:

(14)

Осуществимость подобного воздействия на возрастную структуру популяции не вызывает сомнений и реализована в лаборатории ФГБНУ Магаданского НИИСХ.

Способ влияния на возрастную структуру популяции был применен для получения опытного объема суспензии хлореллы которая была применена для исследования влияния на раннеспелый сорт картофеля Сеянец 15/562. Исследования проводились на базе ФГБНУ Магаданский НИИСХ. Опыт заложен по следующей схеме (см. таблицу1):

Каждый вариант высаживался в двухрядковых делянках по 10 клубней в ряду. Между вариантами оставляли защитные полосы. Повторность трёхкратная. Суспензия вносилась в почву в борозды перед посадкой,  клубни замачивались непосредственно перед посадкой. Обработка листовой поверхности двукратно, в фазу массовых всходов и до смыкания рядков. Схема посадки 30 х 70 см.[9].

Агротехника общепринятая для зоны. Минеральные удобрения вносились согласно принятым нормам  N60Р60К60  локально при посадке и в той же дозе в подкормку при культивации посадок.

В результате проведенных научных изысканий был разработан способ управления возрастной структурой популяции микроводорослей, разработанный научным сотрудником Магаданского научно-исследовательского института сельского хозяйства. Этот способ соответствует современным представлениям об изменении величины фотосинтеза хлореллы в онтогенезе. Отличительной особенностью решения  является то, что с целью повешения эффективности процесса, суспензию после вывода из культиватора разделяют одним из известных способов (седиментацией, центрифугированием) на содержащую крупные, физиологически неактивные клетки, которые выводят в качестве продукта, и суспензию активных клеток, которую возвращают на стадию культивирования.

Способ разделения седиментацией основан на изменении рН суспензии с использованием едкого калия. Центрифугирование подразумевает использование бытовой или промышленной центрифуги в зависимости от объема фотобиореактора.

Рассчитаем для сравнения с известными [10] величину фотосинтеза хлореллы планктонного штамма Chlorella vulgaris BIN, при реализации предлагаемого способа культивирования.

Заметим, что в соотношениях для этого способа культивирования  и   не будут равны, так как проток для планктонного штамма приводит к уменьшению удельной скорости роста (см. таблицу 2).

Экспериментальная проверка способа была выполнена на опытно–экспериментальной установке построенной в Магаданском научно-исследовательском институте сельского хозяйства, при этом были получены следующие результаты (см. таблицу 3).

Из таблицы 3 видно, что управление возрастной структурой популяции позволяет в несколько раз повысить эффективность фотосинтеза микроводорослей при тех же энергетических затратах.

Предварительные опытные данные практического применения суспензии хлореллы показали положительную динамику в сроках прохождения фенофаз. Обработка клубней и почвы перед посадкой суспензией хлореллы ускорило появление всходов на семь дней, но привела к задержке массовой бутонизации на 3 дня по сравнению с контролем. В это же время обработка ботвы способствовала ускорению наступления фазы бутонизации на 4 дня.  Обработка клубней и почвы, как видно из таблицы 4 замедлила сроки прохождения фенофаз бутонизации и цветения на 2-3 дня.

Для повышения эффективности фотосинтеза микроводоросли Chlorella Vulgaris BIN в условиях Магаданской области на установки не проточного типа, применимо решение при котором суспензию разделяют седиментацией или центрифугированием на содержащую крупные, физиологически неактивные клетки, которые выводят в качестве продукта, и суспензию активных клеток, которую возвращают на стадию культивирования. Таким образом, реализуется способ повышения фотосинтеза за счет управления возрастной структурой популяции.

Применение суспензии хлореллы на картофеле способствует более раннему появлению всходов, но несущественно замедляет наступление фаз бутонизации и цветения за исключением варианта с обработкой ботвы.