IMPROVING NUTRITIONAL QUALITIES OFSPENT HYDROPONIC SOLUTIONVIA SHORT-WAVE ULTRAVIOLET IRRADIATION

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.022

УЛУЧШЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ КАЧЕСТВ ОТРАБОТАННОГО ГИДРОПОННОГО РАСТВОРА КОРОТКОВОЛНОВЫМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ

Научная статья

Корепанов Д.А.¹,Шведова Т.Е.^{2, *}, Митякова И.И.³, Ефимова Т.Н.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1268-5911;

^{1, 2, 3, 4} Поволжский государственный технологический университет,Йошкар-Ола, Россия

^* Корреспондирующий автор (ShvedovaTE[at]volgatech.net)

Аннотация

В работе приведены данные лабораторных экспериментов, посвященных улучшению питательных качеств отработанного гидропонного раствора коротковолновым ультрафиолетовым (УФ) облучением. Процесс исследования заключался в изучении влияния отработанного раствора, облученного с разной интенсивностью потоком 11,2 Вт/м на всхожесть семян кресс-салата сорта Данский. Результаты эксперимента показали значительное превышение количественных показателей всхожести семян салата за первые сутки в отработанном гидропонном растворе, облученном УФ в течение 15 минут.

Ключевые слова: гидропоника, ультрафиолетовое облучение, питательный раствор, семена.

IMPROVING NUTRITIONAL QUALITIES OFSPENT HYDROPONIC SOLUTIONVIA SHORT-WAVE ULTRAVIOLET IRRADIATION

Research article

Korepanov D.A.¹, Shvedova T.E.^{2, *}, Mityakova I.I.³, Efimova T.N.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1268-5911;

^{1, 2, 3, 4} Volga State Technological University,Yoshkar-Ola, Russia

^* Corresponding author (ShvedovaTE[at]volgatech.net)

Abstract

The paper presents data from laboratory experiments on improving the nutritional qualities of the spent hydroponic solution via short-wave ultraviolet (UV) irradiation. The research process involved studying the effect of the spent solution irradiated with a flow of 11.2 W/m at different intensities on the germination of seeds of the Dansky variety garden cress. The results of the experiment showed a significant excess of quantitative indicators of germination of lettuce seeds for the first day in a spent hydroponic solution irradiated with UV for 15 minutes.

Keywords: hydroponics, ultraviolet irradiation, nutrient solution, seeds.

Введение

В настоящее время актуальный характер приобретает решение вопроса круглогодичного производства свежих овощей непосредственно в местах их потребления [4]. Первостепенной становится задача разработки новых ресурсо- и энергосберегающих агротехнологий защищенного грунта, обеспечивающих круглогодичное производство продукции. В условиях высоких рисков хозяйственной деятельности выращивание овощей методом гидропоники начинает развиваться как динамичная и конкурентноспособная отрасль сельского хозяйства [2], [5], [10]. В то же время в процессе вегетационной эксплуатации происходит старение гидропонных растворов, в связи с чем разработка технологии для их восстановления является актуальной. Наиболее перспективным и целесообразным представляется использование (УФ) облучения, способствующего обеззараживанию жидких сред уничтожением патогенных микроорганизмов [3]. В то же время возможность использования растворов и механизм изменения свойств водных растворов после воздействия «жёстким» коротковолновым ультрафиолетом полностью не изучены[7].

Цель настоящей работы - исследование влияния облученного УФ отработанного гидропонного раствора на посевные качества семян кресс – салата сорта Данский. При решении поставленной цели научная новизна заключается в определении наилучшей дозы УФ облучения отработанного гидропонного раствора.

Методы и принципы исследования

Эксперимент по изучению влияния облучения питательного раствора и дистиллированной воды на растения кресс-салата сорта Данский раннеспелый при выращивании методом гидропоники проводился согласно ГОСТ [1].

Математическая обработка результатов исследований [6] проведена с помощью программы Statistica 6.0 и пакета анализа данных Excel. Отработанный гидропонный раствор (месяц эксплуатации) предоставлен тепличным хозяйством ООО «Грин прайс» Республика Марий Эл, которое специализируется на выращивании листового салата (см. таблицу 1).

Таблица 1 – Концентрация элементов в питательном растворе

Элементы питания	Азот, мг/л	Фосфор, мг/л	Калий, мг/л	Кальций, мг/л	Магний, мг/л
Концентрация в гидропонном растворе	200,0	80,0	200,0	200,0	50,0
Концентрация в гидропонном растворе (месяц эксплуатации)	66,7	64,0	99,2	100,2	54,0

Облучение отработанного питательного раствора и дистиллированной воды проводилось в лаборатории Ботанического сада -института ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет» в боксе абактериальной воздушной среды БАВнп-01 - «Ламинар-С» -1,2 (01) экспозицией5 и 15 минут в стеклянной посуде емкостью 0,5 литра. Источник облучения – газоразрядная лампа низкого давления ТUV 15/ TUV 30 Philips, излучающая коротковолновые ультрафиолетовые лучи с максимумом на длине волны 253,7 нм (УФ-C). Специальное стекло отфильтровывает 185 нм линию спектра, ответственную за образование озона. Бактерицидный поток составляет 11,2 Вт/м.

Основные результаты

Результаты эксперимента, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Всхожесть семян кресс-салата в отработанном растворе

Вариант опыта	Среднеарифметические значения,  m	max	min	Коэффициент вариации, %	Точность опыта (Р)
1 сутки
Без облучения	84,0±2,35	91	81	5,58	2,8
Облучение 5 минут	85,5±1,71	90	82	3,99	2,0
Облучение 15 минут	92,5±0,96	94	90	2,07	1,0
2 сутки
Без облучения	90,0±1,41	92	86	3,14	2,4
Облучение 5 минут	90,0±0,41	91	89	0,91	0,4
Облучение 15 минут	95,5±0,50	96	94	1,05	0,5

Данные таблицы 2 показывают значительное превышение количественных показателей всхожести семян салата за первые сутки в отработанном гидропонном растворе, облученном УФ в течение 15 минут. Существенность различия по отношению к варианту опыта «без облучения» t_факт.= 3,36 >t_табл.= 3,18 при Р = 0,05. На отдельных проростках появились семядольные листья. УФ радиация ниже данных значений не привела к существенной стимуляции ростовых процессов. Существенность различия по отношению варианта опыта с «облучением 15 минут» к варианту опыта с «облучением 5 минут» также значительна t_факт.=3,58 >t_табл.=3,18, при Р = 0,05. Аналогичные показатели проявляются по истечении вторых суток наблюдений. Существенность различия наблюдается между вариантом опыта с «облучением 15 минут» и вариантами «опыта без облучения», «облучение 5 минут» (t_факт.=3,67 >t_табл.=3,18 и _факт.=8,07 >t_табл.=3,18 соответственно при Р = 0,05). Существенность различия прослеживается между длиной проростков варианта опыта «облучение 15 минут» и вариантами опыта «без облучения», «облучение 5 минут» (t_факт.=3,37 >t_табл.=1,96 и t_факт.=4,16>t_табл.=1,96 соответственно при Р = 0,05) (см. таблицу 3).

Таблица 3 – Длина проростков кресс салата в отработанном растворе, см

Вариант опыта	Среднеарифметические значения,  m	max	min	Коэффициент вариации, %	Точность опыта (Р)
Без облучения	6,81±0,20	12	1	32,73	2,9
Облучение 5 минут	6,60±0,20	13	2	32,30	3,3
Облучение 15 минут	7,68±0,16	12	3	22,82	2,1

Распределение длины проростков семян существенно различается с теоретическим ( _факт.> _табл. при Р = 0,05 и числом степеней свободы k-3) во всех вариантах опыта ( _факт. = 22,99 > _табл.= 21,03 число степеней свободы 12 в варианте опыта «без облучения», _факт. = 23,95 > _табл. = 21,03 число степеней свободы 12 в варианте опыта «облучение 5 минут», _факт. = 27,04 > _табл. = 15,50 число степеней свободы 8 в варианте опыта «облучение 15 минут») (см. рисунок 1- 3).

В настоящее время при анализе биологических объектов методом Пирсона считается целесообразным применение поправки на непрерывность, предложенной в 1934 году английским статистиком Фрэнком Йейтсом (FrankYates, 1902-1994), которая сейчас известна под названием поправки Йейтса (Yates’scorrection). Поправка заключается в вычитании 0,5 из абсолютного значения разности между фактическим и ожидаемым количеством наблюдений в каждой ячейке, что ведет к уменьшению величины критерия [8], [9].

Таким образом, уточненное распределение длины проростков всходящих семян существенно различается с теоретическим в варианте опыта «облучение 5 минут» ( _факт. = 26,22 > _табл. = 21,03 при Р = 0,05).

В то же время в варианте опыта «без облучения» различие не существенно при Р = 0,05 ( _факт. = 16,47 > _табл. = 21,02), а в варианте опыта «облучение 15 минут» при Р = 0,01 ( _факт. = 18,93 > _табл. = 20,10) при числе степеней свободы 12 и 8 соответственно.

Рис. 3. – Кривые нормального и эмпирического распределения

 длины проростков семян ( вариант опыта «облучение 15 минут»)

В связи с тем, что функциональные возможности математического пакета Statistica 6.0 не предусматривают поправки Йейтса, дополнительные поправочные расчеты были проведены в математическом пакете Mathcad 14, который является системой компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированной на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением. Функциональные возможности Mathcad 14 дают возможность составить полностью программу анализа нормального распределения кси- квадрат Пирсона. Аналогично поставленную задачу можно решить в программе для работы с электронными таблицами MicrosoftOfficeExcel (см. рисунок 4).

Рис. 4 – Скриншот программы анализа нормального распределения Пирсона

Проведенные исследования показали перспективность использования восстановленного после УФ облучения раствора для предпосевной подготовки семян.

С целью определения возможного влияния УФ облучения на структуру воды параллельно был проведен аналогичный эксперимент всхожести семян(см. таблицу 4, 5) на облученной дистиллированной воде.

Таблица 4 – Всхожесть семян кресс-салата в дистиллированной воде

Вариант опыта	Среднеарифметические значения,  m	max	min	Коэффициент вариации, %	Точность опыта (Р)
Энергия прорастания
Без облучения	82,5 ± 2,63	88	78	6,38	3,1
Облучение 5 минут	87,0 ± 0,58	88	86	1,33	0,6
Облучение 15 минут	84,5 ± 2,63	92	80	6,22	3,1
Всхожесть
Без облучения	90,0 ± 2,16	94	84	4,80	2,4
Облучение 5 минут	91,5 ± 2,06	96	88	4,51	2,2
Облучение 15 минут	89,0 ± 2,65	96	84	5,95	2,9

Данные таблицы 4 показывают, что существенности различия между вариантами не наблюдается. Во всех случаях t_{факт .} <t_табл..

Таблица 5 – Количество хорошо развитых проростков

Вариант опыта	Среднеарифметические значения,  m	max	min	Коэффициент вариации, %	Точность опыта (Р)
Энергия прорастания
Без облучения	85,0 ± 2,38	88	78	5,60	2,8
Облучение 5 минут	86,5 ± 1,26	90	84	2,91	1,5
Облучение 15 минут	85,0 ± 3,11	94	80	7,32	3,7

Из табл. 5 видно, что наибольший процент хорошо развитых проростков -в варианте опыта «облучение 15 минут».

Заключение

Исследования показали перспективность использования восстановленного УФ облучением радиационным потоком 11,2 Вт/м отработанного гидропонного раствора для хозяйственного применения. Результаты эксперимента показали, что наилучшей дозой, при которой произошло значительное превышение количественных показателей всхожести семян салата за первые сутки вотработанном гидропонном растворе является доза «облучение 15 минут». Длина проростков кресс- салата в отработанном растворе также достигает своего максимального значения при выше указанной дозе. В то же время влияние УФ радиации на состав раствора требует дальнейшего изучения.

Исследования в данном направлении необходимо продолжить.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. – М.: Изд-во стандартов, 2004. – 60 с.
2. Антипова, О.В. Салат поиск СТ 16 для малообъемного выращивания на гидропонных установках в весенне-летнем обороте /О.В. Антипова, О.Р. Давлетбаева, А.Н. Ховрин и др. //Картофель и овощи. – 2020. – № 6. – С. 37- 40.
3. Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением /Н.И. Базалеев, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко и др. //Наука та інновації. – 2005. – № 1. – С. 99-109.
4. Буткин, А.В., Культивирование салата в условиях защищенного грунта на Севере /А.В. Буткин, Е.Е. Григорай, Т.К. Головко и др.//Аграрная наука, 2011. – № 8. – С. 24 – 26.
5. Король, В.Г. Гибриды огурца, рекомендуемые для выращивания в защищенном грунте в условиях искусственного освещения /В.Г.Король // Овощи России. – 2021. № 5. С. 32-38.
6. Математическая статистика: учебник и практикум для вузов / Н.Ш. Кремер. – М: Издательство Юрайт, 2020. – 259 с.
7. Путилова, Т.А. Использование ультрафиолетового излучения при восстановлении гидропонных растворов: Автореф. дисс…канд. техн. наук.- Челябинск, 2013. – 24 с.
8. Свидетельство № 2016661011 Российская Федерация. Biologicumtest– Программа для оценки различий между эмпирическим и теоретическим распределением частот с поправкой Йейтса для биологических объектов / Мухортов Д.И., Корепанов Д.А., Нуреева Т.В.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет». Зарег. в реестре программ для ЭВМ 08.2016.
9. Свидетельство № 2016618434 Российская Федерация. Yatescorrectio – Программа для расчета теоретических частот для кривой нормального распределения биологических объектов с поправкой Йейтса /Мухортов Д.И., Корепанов Д.А., Краснов В.Г.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет». Зарег. в реестре программ для ЭВМ 08.2016.
10. Влияние тонкослойных аналогов почвы на продукционный процесс растений салата в интенсивной светокультуре / О.Р. Удалова, Л.М. Аникина, Ю.В. Хомяков и др. //Овощи России. – 2021. – № 1.- С. 33-38.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST 12038-84. Semena sel'skohozyajstvennyh kul'tur. Metody opredeleniya vskhozhesti [Seeds of agricultural crops. Methods for determining germination]. – M.: Publishing house of standarts, 2004. – 60 р. [in Russian]
2. Antipova, O.V. Salat poisk ST 16 dlja maloob’emnogo vyrashhivanija na gidroponnyh ustanovkah v vesenne-letnem oborote [Salad search ST 16 for low-volume cultivation on hydroponic plants in spring-summer turnover] /O.V. Antipova, O.R. Davletbaeva, A.N. Hovrin and other / Kartofel' i ovoshhi. -2020. -№ 6. – pp. 37-40. [in Russian]
3. Elektrofizicheskie tekhnologii: novaya koncepciya obezzarazhivaniya vody ul'trafioletovym izlucheniem [Electrophysical technologies: a new concept of water disinfection by ultraviolet radiation] /N.I. Bazaleev, V.F. Klepikov, V. V. Litvinenko et al. //Nauka ta іnnovacії. – 2005. – № 1. –pp. 99-109. [in Russian]
4. Butkin, A.V. Kul'tivirovanie salata v usloviyah zashchishchennogo grunta na Severe [Cultivation of lettuce in conditions of protected soil in the North] /A.V.Butkin, E.E. Grigorai, T.K. Golovko and other // Agrarnaya nauka. – 2011.- № 8. – pp. 24-26. [in Russian]
5. Korol', V.G. Gibridy ogurca, rekomenduemye dlja vyrashhivanija v zashhishhennom grunte v uslovijah iskusstvennogo osveshhenija [Cucumber hybrids recommended for growing in protected ground under artificial lighting conditions] /V.G. Korol' // Ovoshhi Rossii. – 2021. – № 5. – pp. 32-38. [in Russian]
6. Kremer, N.Sh. Matematicheskaja statistika: uchebnik i praktikum dlja vuzov [ Mathematical statistics: textbook and workshop for universities] / N.S. Kremer. – M.: Publishing house Jurajt, 2020. – 259 p. [in Russian]
7. Putilova,T.A. Ispol'zovanie ul'trafioletovogo izlucheniya pri vosstanovlenii gidroponnyh rastvorov [The use of ultraviolet radiation in the restoration of hydroponic solutions]: Abstract. diss...of PhD in Engineering. – Chelyabinsk, 2013. -24 p. [in Russian]
8. Svidetel'stvo № 2016661011 Rossijskaya Federaciya. Biologicum test – Programma dlya ocenki razlichij mezhdu empiricheskim i teoretiche-skim raspredeleniem chastot s popravkoj Jejtsa dlya biologicheskih ob"ektov [Certificate № 2016661011 Russian Federation. Biologicum test is a program for assessing the differences between empirical and theoretical frequency distribution with the Yates correction for biological objects] /Mukhortov D.I., Korepanov D.A., Nureeva T.V.; the applicant and the right holder of the Volga State Technological University.- Registered in the register of computer programs on 01.08.2016.
9. Svidetel'stvo № 2016618434 Rossijskaya Federaciya. Yates correctio – Programma dlya rascheta teoreticheskih chastot dlya krivoj normal'nogo raspredeleniya biologicheskih ob"ektov s popravkoj Jejtsa [Certificate № 2016618434 Russian Federation. [Yates correctio is a program for calculating theoretical frequencies for the curve of the normal distribution of biological objects with the Yates correction] /Mukhortov D.I., Korepanov D.A., Krasnov V.G.; the applicant and copyright holder of the Volga State Technological University. Registered in the register of computer programs 01.08.2016.
10. Udalova, O.R. Vlijanie tonkoslojnyh analogov pochvy na produkcionnyj process rastenij salata v intensivnoj svetokul'ture [The influence of thin-layer soil analogues on the production process of lettuce plants in intensive light culture] / O.R. Udalova, L.M. Anikina, Ju.V. Homjakov and other // Ovoshhi Rossii. – 2021. – № 1. – pp. 33-38. [in Russian]