Автореферат и диссертация по медицине (14.03.08) на тему:Повышение ресурса почвозаменителей для оранжереи в составе системы жизнеобеспечения космических экипажей

На правах рукописи

Кривобок Анна Святославовна

Повышение ресурса почвозаменителей для оранжереи в составе системы жизнеобеспечения космических экипажей

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина 03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

^^ ноя гт

Москва-2013

005540221

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор доктор медицинских наук, профессор

Беркович Юлий Александрович Ильин Вячеслав Константинович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, исполнительный директор

Международного центра по замкнутым экосистемам Федерального

государственного бюджетного учреждения науки «Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук»

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела "Обеспечение радиационной безопасности космических полетов" Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук (ИБФМ РАН), Пущино

Защита диссертации состоится «|<§ » СдРиДоР^ 20\2> г. в 10. часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.(Н, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу (123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а).

Тихомиров Александр Аполлинарьевич

Шафиркин Александр Венецианович

Автореферат разослан «_ 15"» ИГ) 2б\^г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

М.А. Левинских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы

Одной из стратегически важных целей пилотируемой космонавтики в настоящее время признано расширение присутствия человека на низких околоземных орбитах и создание технологического задела для осуществления межпланетных полётов к Марсу и ближайшим астероидам (Федеральная космическая программа России до 2020 г.). В рамках разработки перспективных систем жизнеобеспечения космических экипажей для длительных автономных экспедиций в ряде стран ведутся работы по созданию оранжерейных установок для выращивания растений на борту летательных аппаратов и планетарных баз с целью обогащения рациона питания и психофизической поддержки членов экипажей. В ГНЦ РФ ИМБП РАН в настоящее время ведётся разработка опытного образца витаминной оранжереи «Витацикл-Т» для российского сегмента Международной космической станции. Создание оранжереи, которая удовлетворяла бы потребности экипажа в витаминах - сложная комплексная задача. Наряду с заданной производительностью, космическая оранжерея должна соответствовать жестким габаритно-весовым и энергетическим ограничениям, а также использовать в процессе эксплуатации минимум расходных материалов.

В условиях микрогравитации управление процессами водо-газопереноса в прикорневой зоне растений реализуется в основном под действием капиллярных сил. Одним из возможных методов обеспечения минерального питания растений в космической оранжерее является применение капиллярно-пористых почвозаменителей (ПЗ) на основе соленасыщенных ионообменных смол. По техническому заданию ГНЦ РФ ИМБП РАН для корневых модулей цилиндрических конвейерных оранжерей в Институте физико-органической химии (ИФОХ) Национальной академии наук Беларуси был изготовлен ионообменный, волокнистый соленасыщенный ПЗ (ионитный ПЗ) «БИОНА-ВЗ».

Почвозаменитель обладает высокой удельной продуктивностью и удобен для эксплуатации в космической оранжерее, т.к. сохраняет свою капиллярно-пористую структуру в условиях невесомости. Однако, срок использования «БИОНА-ВЗ» ограничивается двумя факторами: закупоркой порового пространства корневыми остатками и исчерпанием запаса нутриентов в ионообменных волокнах. Эффект изменения гидрофизических характеристик в пористых корнеобитаемых средах за счет разрастания корней описан в литературе (Steinberg et al., 2005). Помимо неблагоприятного изменения в системе увлажнения прикорневой зоны, накопление растительной органической биомассы в искусственной корнеобитаемой среде представляет опасность с точки зрения формирования условий для развития сапротрофной микрофлоры. Это может приводить к повышению микробной обсемененности оранжерейной установки и повышать риск микробиологического загрязнения гермообьекта в целом (Ермаков, 1987; Тирранен, Титова, 1988; Тирранен, Бородина, 2009).

Некоторые работы в области регенерации искусственных корнеобитаемых сред и удаления растительных остатков проводились ранее (Ермаков, 1987), в том числе и для условий замкнутых СЖО (Strayer et. al., 2002; Tikhomirov et. al., 2010). Однако, специфическая природа ионообменного волокнистого ПЗ из синтетических смол заметно ограничивает возможности применения известных методов регенерации. Основными задачами на пути регенерации и повышения ресурса ПЗ являются разработка технологии деструкция корневых остатков, не приводящей к существенному изменению его капиллярно-пористой структуры, и пополнение израсходованного запаса минеральных веществ для корневого питания растений.

В целом, увеличение ресурса ПЗ является актуальной проблемой при разработке космических оранжерей для условий невесомости, поскольку ПЗ является основным расходным материалом для обеспечения длительного

производства растительной продукции, а его запас существенно влияет на эквивалентную массу всей вегетационной аппаратуры.

Целью диссертационной работы является разработка методов регенерации и повышения ресурса ионообменных волокнистых ПЗ для выращивания растений в космических оранжереях, входящих в состав системы жизнеобеспечения экипажа для длительных автономных космических экспедиций.

Для достижения цели исследования в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать возможности микробиологической деструкции корневых остатков в ионитном ПЗ.

2. Разработать процесс очистки порового пространства ПЗ от корневых остатков применительно к условиям космического полёта.

3. Разработать методику обогащения истощённого ПЗ минеральными элементами применительно к космической оранжерее.

Научная новизна

1. Впервые получены экспериментальные данные по применению термофильных анаэробных бактерий для деструкции растительных остатков внутри волокнистого ионитного ПЗ.

2.Впервые определены оптимальные параметры физико-химической предобработки растительных остатков внутри волокнистого ионитного ПЗ в слабощелочных растворах в поле СВЧ излучения.

3. Разработан новый процесс последовательной 2х-стадийной биолого-технической деструкции корневых остатков внутри волокнистого ионитного ПЗ, позволяющий восстановить его исходные гидрофизические характеристики.

4. Разработана новая методика обогащения истощённого ПЗ

минеральными элементами с помощью обогатительного патрона с ионитным

наполнителем и картриджа с медленно действующими удобрениями

применительно к космической оранжерее.

э

Научно-практическая значимость

• Разработана и экспериментально опробована методика, позволяющая очищать поровое пространство ПЗ от корневых остатков и восстанавливать исходные гидрофизические характеристики истощённого волокнистого ионитного ПЗ для витаминной космической оранжереи.

• Разработан метод и устройство для стабилизации содержания минеральных элементов в поливном растворе для удобрения ПЗ в проектируемой витаминной космической оранжерее.

Положения и основные результаты, выносимые на защиту

1.Из четырёх исследованных групп микроорганизмов, обычно используемых для переработки отходов, наиболее эффективную ферментацию корневых остатков (до 45%) внутри волокнистого ионитного почвозаменителя обеспечивают термофильные анаэробные бактерии Clostridium spp. в жидкой солевой среде в течение 10 суток при температуре 55°С.

2.Гидролиз растительных остатков в почвозаменителе в водном растворе, содержащем 0,7% КОН и 0,7% Н202 в течение 3,5 часов при температуре в диапазоне (90±5) °С, поддерживаемой с помощью периодического СВЧ-нагрева, с последующей 7-дневной ферментацией бактериями Clostridium thermocellum позволяет удалять до 90% органических отходов внутри волокнистого ионитного ПЗ и восстанавливать его исходные гидрофизические характеристики с наименьшими энергетическими затратами.

3.Обогащение истощённого почвозаменителя минеральными элементами применительно к космической оранжерее возможно осуществлять путём полива растений водой, пропущенной последовательно через гранулированный соленасыщенный ионит и медленно действующие удобрения с регулированием протока по сигналу кондуктометра.

Личный вклад автора заключается в проведении описанных экспериментальных и теоретических исследований и получении основных результатов, представленных в диссертационной работе.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены на 10 конференциях и научных форумах:

1) Международная научно-практическая конференции, посвященная 145-летию РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева, Москва, 2010 г.

2) XLV научные чтения памяти К. Э. Циолковского, г. Калуга, 2010

3) X конференции молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50-летию со дня первого полета человека в космос, Москва, 2011;

4) 25 Международная Пущинская школа конференции молодых ученых «Биология - Наука XXI века», г. Пущино, 2011;

5) XIX научно-техническая конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета человека в космос, Королев, 2011;

6) Космический форум 2011 с международным участием, посвященный 50-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина, г. Москва, 2011;

7) IV международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах», Санкт-Петербург, 2011;

8) 7-ой Международный аэрокосмического конгресс IAC12, Москва, 2012;

9) European Geosciences Union General Assembly, Austria, Vienna, 2012;

10) 39th COSPAR Scientific Assembly; Mysore, India, 2012.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них в 3 статьях в рецензируемых журналах ВАК, 4 статьях в сборниках трудов конференций и в 6 тезисах докладов.

В рецензируемых журналах ВАК:

1. А. С. Кривобок, Ю.А. Беркович, В.К. Ильин, В. А. Щербакова, Н. А. Чувильская. Пути повышения ресурса волокнистых ионитных почвозаменителей для космических оранжерей. Авиакосмическая и экологическая медицина. №1, Т. 46, 2012, с. 51-56.

2. A.C. Кривобок, Ю.А. Беркович, Н.М. Кривобок. Методы биолого-технической деструкции корневых остатков применительно к космической витаминной оранжерее с ионитным почвозаменителей. Авиакосмическая и экологическая медицина. №4, Т. 46, 2012, с. 48-52.

3. Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Зяблова Н.В., Кривобок A.C., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Мухамедиева Н.М., Пахомова A.A., Новикова Н.Д., Подцубко C.B., Корсак И.В. Итоги эксперимента "Салатная машина" в рамках проекта "Марс-500". Авиакосмическая и экологическая медицина. №5, Т. 46, 2012, с 59-64.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4х глав, заключения и списка цитируемых литературных источников. Общий объем диссертации 127 страниц, включая 22 таблицы, 31 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 196 - наименований (57 отечественных, 139 - зарубежных).

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям: Берковичу Ю. А. и Ильину В. К., а также сотрудникам лаборатории анаэробных микроорганизмов ИБФМ РАН - Щербаковой В. А. и Чувильской Н. А. за постоянное внимание и помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы.

сформулирована цель, аргументирована научно-практическая значимость исследований, представлены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы из нескольких областей науки, связанных с тематикой диссертации. Первая часть главы посвящена обзору литературы в области методов микробиологической переработки растительных отходов. В начале главы сформулированы основные требования к выбору групп микроорганизмов, пригодных для деструкции корневых остатков в корневых модулях космической оранжереи. Рассмотрены особенности строения растительной ткани корневых остатков как объекта микробиологической деструкции. В соответствии с литературными данными проанализированы перспективы применения отдельных групп микроорганизмов в разрабатываемой технологии. Далее приведен обзор современных методов предобработки растительной биомассы, направленных на повышение эффективности ферментации растительного сырья. Установлено, что ни один из рассмотренных методов не может быть использован для предобработки корневых остатков внутри корневых модулей в неизменном виде, ввиду несоответствия требованиям к технологии регенерации ионообменного волокнистого ПЗ в условиях космического полёта.

В заключительной части главы приведен краткий обзор методов организации минерального питания растений при выращивании на искусственных корнеобитаемых средах, проанализированы различные системы контроля гидропонных питательных растворов. На основании литературных данных высказано предположение о том, что автоматизация процесса обогащения ионитного ПЗ минеральными солями на борту пилотируемого космического аппарата может быть реализована по упрощённой системе контроля состава питательного раствора по двум

интегральным показателям - электропроводимости раствора и pH (Domingues et ai., 2012; Futagawa et al. 2012; Scuderi et. al 2009).

Вторая глава посвящена результатам исследований по микробиологической деструкции растительных остатков применительно к условиям замкнутого объёма пилотируемого космического аппарата.

На основании полученных экспериментально данных по химическому составу представлена характеристика биомассы корневых остатков как объекта микробиологической деструкции. Для корней салатной культуры Brassica chinensis L - первоочередного кандидата для выращивания в витаминной космической оранжерее - отмечено невысокое содержание легкодоступных для потребления микробами веществ — белков и редуцирующих Сахаров, а также низкое значение соотношения общего углерода и азота. Основной структурный полимер корней - целлюлоза в исследуемом материале содержится в количестве до 30% от b.c. биомассы и практически полностью представлен микрокристаллической формой, что значительно осложняет процесс ферментативного гидролиза растительного материала. Кроме того, в корнях было обнаружено относительно высокое содержание лигнина - 12±2% от b.c. биомассы. В соответствии с полученными данными, в качестве основных кандидатов для осуществления процесса микробиологической деструкции корневых остатков предлагается рассматривать микроорганизмы с высокой целлюлолитической и лигнинолитической активностью.

Во второй части главы 2 приведены результаты испытаний нескольких групп микроорганизмов, потенциально перспективных, для использования в области микробиологической деструкции корневых остатков в отработанном ПЗ. К рассмотренным группам относятся микромицеты рода Trichoderma, мезофильные и термофильные анаэробные бактерии с развитым целлюлосомальным аппаратом, а также некоторые поликомпонентные бактериальные сообщества. Проведена экспериментальная оценка эффективности указанных групп для решения поставленной задачи.

Установлено, что использование микробных консорциумов для деструкции корневых остатков в волокнистом ионитном ПЗ нецелесообразно ввиду низкой скорости и малой эффективности процесса. При использовании целлюлолитических микромицетов Trichoderma spp. деструкция корней сопровождается заполнением пор ПЗ биомассой грибного мицелия, что также неприемлемо для разрабатываемого процесса. Наиболее перспективными микроорганизмами для решения поставленной задачи оказались термофильные анаэробные бактерии рода Clostridium. На рис. 1 графически представлены данные по характеристике деструкции корневых остатков в результате ферментации различными группами микроорганизмов.

Содержание микрокристаллической Биомасса корней,

ч целлюлозы, % от исходной 6.м, Ulli % от контроля

lOO

контроль микробные Trichoderma sp* Clostridium sp**

ассоциации*

Рис. 1. Деструкция корней Brassica chinensis L. с использованием различных групп микроорганизмов (максимальное время инкубации - 21 сутки). Вертикальные отрезки изображают доверительные интервалы средних

значений при Р=95%

В опытах показано, что культивирование бактерий Clostridium spp. в

жидкой среде с корневыми остатками в течение 10 суток обеспечивает

разложение до 45% растительной биомассы и двукратное снижение

содержания целлюлозы. На основании экспериментальных данных о

состоянии культуры отмечено, что при ферментации нативных корней

данная группа бактерии не реализуют возможного максимума

ферментативной активности. Для дальнейшей интенсификации

11

ферментационного процесса предложено использовать физико-химические методы предобработки корневых остатков внутри волокнистого ионитного ПЗ, направленные на удаление лигнина, увеличение поверхности целлюлозных волокон и уменьшение доли микрокристаллической целлюлозы.

Третья глава посвящена разработке процесса последовательной деструкции корневых остатков в ионитном почвозаменителем с использованием методов физико-химической предобработки и микробиологической деструкции растительной биомассы.

С целью разработки наиболее эффективной методики предобработки корневых остатков проведено исследование глубины гидролиза корней в различных по химическому составу растворах и температурных режимах. Наилучшие результаты были получены при использовании в качестве среды для гидролиза слабощелочных растворов с добавлением П202. На рис. 3 изображена поверхность полученной нами экспериментально 2-х факторной зависимости убыли сухой биомассы корней (Дш,%) от концентрации в среде КОН и Н202 в результате их предобработки в автоклаве. Выявлена область оптимальных концентраций реагентов для щелочной предобработки корней, которая соответствует соотношению КОН: Н202 ~ 1:1 в окрестности точки (0,7%, 0,7 % ). Помимо заметного сокращения массы корней, предобработка такого рода обеспечивала их делигнификацию, что согласовывалось с данными работы (Вапецее е1 а1., 2011), и заметно снижала долю микрокристаллической целлюлозы. Дополнительным методическим приёмом послужило применение КОН в качестве щелочного агента, т.к. это помогало частично восполнить в катионите ПЗ запас ионов К+, недостаток которого является одним из факторов, лимитирующих рост растений. На начальном этапе исследований предобработка корней проводилась в автоклаве в течение 30 мин при I = 120 °С и давлении 1 изб. атм, что обеспечивало деструкцию 56±4 % сухой биомассы корней. Эффективность физико-химической предобработки во многом зависела от соотношения температуры процесса и

длительности обработки. На рис. 2 представлены результаты наших опытов по деструкции биомассы корней при использовании температур менее 100 °С в зависимости от длительности обработки растительного материала. Установлено, что при обработке корней в течении ~ 3,5 часов в 0,7% водном растворе КОН с добавлением 0,7% Н202 и при температуре 95 °С возможно достичь деструкции порядка 60% исходной растительной биомассы при нормальном атмосферном давлении.

12 3 4 5 6

—• 95°С -«--80°С -e-7S°C

кон, %

0.

Рис. 2. Динамика деструкции сухого Рис. 3. Зависимость убыли сухого вещества корней Brassica chinensis в вещества корневых остатков от

,7% растворе КОН с добавлением 0,7% концентраций КОН и Н202 в растворе Н202 при различных температурах для гидролизной предобработки

Для поддержания необходимой температуры процесса, в работе предложено использование метода периодического СВЧ-нагрева гидролизного раствора. В отличие от кондукционного нагрева, когда тепло нагреваемому объёму передаётся от периферийных областей, микроволновое излучение может обеспечить нагрев всего объема обрабатываемого объекта одновременно. Расход электроэнергии на нагрев объекта в СВЧ-поле до заданной температуры может быть уменьшен за счет сокращения длительности периодов нагрева. В случае СВЧ-нагрева ионообменного волокнистого ПЗ с корневыми остатками расход электроэнергии и другие

параметры процесса определяются преимущественно особенностями распределения капиллярно связанной жидкости в поровом пространстве ПЗ, сами же ионообменные волокна прозрачны для микроволнового излучения. Эффективным и экономичным методом гидролиза корневых остатков оказалась обработка ПЗ, размещённого в теплоизоляционном кожухе и насыщенного 0,7% водного раствора КОН с добавлением 0,7% Н202, в течение 3,5 часов при импульсном режиме СВЧ-нагрева. Температуру раствора в порах ПЗ поддерживали в диапазоне от 91±1°С до 99±1°С в течение 3,5 часов. За это время система проходила через 21 цикл нагрева-остывания при средней продолжительности работы магнетрона в каждом цикле, равной 10 с. Было установлено, что в процессе такой предобработки происходила надёжная стерилизация ПЗ от сапротрофной микрофлоры, вплоть до уничтожения споровых форм микроорганизмов. Удельные энергозатраты на обработку 1 г сухой массы ПЗ при этом составили около 1 Вт-ч/г при выбранных характеристиках теплоизоляционного материала кожуха.

Установлено, что в процессе разработанной методики гидролиза корневых остатков происходило разрушение ризодермальной оболочки корня и общее изменение структуры растительных тканей. При этом терялось до 60% сухого веса корней, а остаток гидролизованной биомассы представлял собой легкодоступный субстрат питания для целлюлитических микроорганизмов и практически полностью перерабатывался бактериями за 7-10 суток инкубации.

Наиболее эффективными организмами для деструкции предобработанных корней оказались 3 вида анаэробных бактерии (см. таблицу I): Clostridium thermocellum (штамм F 9, F19); Clostridium cellulolyticum (штамм НЮ), Cellulosilyticum lentocellum (штамм 5427). На рис. 4 представлен внешний вид корней листовой капусты непосредственно после срезки растений, а также после каждой из стадий предложенного процесса:

физико-химической предобработки в щелочном растворе в поле микроволнового излучения и после процедуры биодеструкции.

Рис. 4. Корни 24-дневных растений Brassica chinensis L. после срезки растений (А), после физико-химической предобработки в щелочном растворе при импульсном СВЧ-нагреве (В) и после последующей ферментации термофильными бактериями Clostridium thermocelliim (С)

Таблица 1

Показатели биохимической активности бактериальных культур в ходе микробиологической деструкции предобработанных корней Brassica chinensis

Культура Условия инкубации OD 540hm Ферментативная активность, мМ/мин"'л"' Общая деструкция биомассы корней, %

Clostridium thermocelliim 7-10 суток, 55°C 1,48±0,02 110±8 92±3

Celhdosilyticum lentocellum 10-14 суток, 37°C 1,28±0,04 112±8 90±4

Clostridium cellulolyticum 10-14 суток, 37°C 0,97±0,08 94±8 87±6

На заключительном этапе деструкции корневых остатков объем ПЗ в наших опытах оставался заполненным фрагментами осевых цилиндров (стел) корней и жидкой ферментационной средой, большая часть которой может быть легко удалена из капиллярно-пористого пространства. Для оценки возможного воздействия остатков ферментационной среды в ПЗ на рост и развитие растений в последующих вегетациях мы провели биотест по проращиванию семян Brassica chinensis L. Установлено, что присутствие ферментационной среды с метаболитами Clostridium thermocellum в различных концентрациях не оказывает негативного влияния на всхожесть семян растений и в ряде случаев стимулирует развитие проростков на начальных этапах вегетации.

В заключительной части главы 2 приведены данные об изменении характеристик ПЗ в процессе его эксплуатации и в результате биолого-технической очистки порового пространства от корневых остатков.

Проведена оценка основных гидрофизических свойств корнеобитаемой среды - общего объема порового пространства и соотношения пор различного диаметра. Показано, что в процессе эксплуатации ПЗ происходит сдвиг кривой водоудержания (зависимость капиллярно-сорбционного давления влаги от влажности корнеобитаемой среды) в области, характерные для наиболее крупных и мелких пор (рис 5), а также сокращение общего объема порового пространства.

После удаления большей части накопившейся корневой биомассы согласно предложенной методике в ПЗ восстанавливается исходная картина распределения пор по объему и общий объём порового пространства (таблица 2), что делает отработавший ПЗ пригодным для последующего выращивания растений в космической оранжерее.

et

с;

з"

X

контроль---'1 вегетация ...... I вегетации регенерация

Рис. 5. Сдвиг кривой водоудержания почвозаменителя «БИОНА-ВЗ» в процессе его эксплуатации и после проведения регенерационных процедур

В заключение главы приведены результаты наших вегетационных опытов на фрагментах свежего, а также регенерированного и нерегенерированного ПЗ после двух товарных вегетаций салатной капусты (таблица 2).

Таблица 2

Характеристики ионообменного волокнистого почвозаменителя «БИОНА-ВЗ»: свежего (вариант 1); после выращивания Brassica chinensis в количестве 8,15 г сырой биомассы на 1 г воздушно сухого ПЗ и последующего проведения биолого-технической очистки порового пространства от органических остатков (вариант 2) и после выращивания 2-х последовательных товарных вегетаций Brassica chinensis без удаления корней (вариант 3)

Характеристика Тип почвозаменителя

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

Общий объём порового пространства, см3/г b.c. ПЗ 7,43±0,44 7,11±0,3* 6,31±0,15**

Удельная продуктивность ПЗ, г сырой биомассы листовой капусты на 1 г сухого ПЗ 2,6±0,39 2,44±0,37* 1,82±0,27**

*- достоверно различные значения (Р = 0,95);**- достоверно не отличающиеся значения (Р = 0,95)

Влагосодержание, мл/г почвозаменителя

0.0 1,0 2.0 3.0 4.0 50 6,0 "

0.0 -0,5 -1,0 -1,5 20 -2.5 -3.0

По данным таблицы 2 продуктивность посевов Brassica chinensis L. за 20 суток вегетации на свежем и на регенерированном ПЗ не имела достоверных различий при доверительной вероятности Р = 0,99. На основании полученных результатов сделан вывод о пригодности разработанной биолого-технической процедуры удаления корневых остатков для продления ресурса ионообменных волокнистых ПЗ.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке метода обогащения истощённого ПЗ элементами минерального питания растений. В качестве источника минеральных солей для обогащения истощённого ПЗ «БИОНА-ВЗ» мы предложили использовать обогатительный патрон с гранулированным соленасыщенным ионитом и сменный картридж с медленнодействующими удобрениями. Принципиальная схема устройства для реализации предложенного метода минерального питания растений представлена на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема системы для обогащения истощённого ионитного почвозаменителя минеральными солями: 1,9- насосы перистальтические; 2 - обогатительный патрон с гранулированным ионитом «Биона-312»; 3 - камера смесительная; 4 - датчик -кондуктометр; 5, 8, 11 — клапаны электроимпульсные; 6 — регулятор; 7 - корневой модуль с истощенным волокнистым почвозаменителем; 10 сменный картридж с медленнодействующими удобрениями; ЭПо-уставка электропроводности

раствора

Управление потоком элементов минерального питания в системе проводится на основе данных по электропроводности питательного раствора. При снижении концентрации Ы, Р и К в потоке основной магистрали раствор направляется через картридж с МДУ в байпасной линии магистрали и прокачивается до достижения удовлетворительных значений

электропроводности раствора на входе в корневой модуль 7. Затем система приводится в исходное состояние. В работе предложены экспериментально-теоретические методы расчета основных параметров системы: массы и объёма ионитного наполнителя в обогатительном патроне и картриджа с медленно действующими удобрениями, максимального удельного объёма пропущенной через патрон воды, необходимого времени контакта воды с ионитом в обогатительном патроне и ресурса системы. На основании полученных результатов была подана заявка на патент РФ № 2013123517 от 23.05.2013 «Способ обеспечения растений водным и минеральным питанием в условиях невесомости и система для его осуществления».

Расчет необходимых параметров системы для выращивания в конвейерной салатной оранжерее витаминной зелени в течение 72 суток при производительности 50 г/сут показал, что объём обогатительного патрона с ионитным наполнителем «БИОНА-312» должен составлять не менее 675 мл, с масссой загрузки ионита около 375, а объем картриджа с медленнодействующими удобрениями - 100 мл при массе загрузки 100 г. Работоспособность предложенной системы подтверждена экспериментально на примере выращивания листовых салатных культур

Суммарная удельная масса добавочных источников минерального питания (без учёта массы конструктивных элементов) в предложенной системе составляет 0,18 кг, а суммарный удельный объём — около 300 мл на кг сырой биомассы урожая конвейерной витаминной оранжереи. Оценка ресурсов для обеспечения такого же урожая биомассы без регенерации и дополнительного обогащения почвозаменителя показала, что разработанная система обогащения минерального питания растений позволяет сократить

массу запаса ПЗ для витаминной оранжереи «Витацикл-Т», проектируемой для российского сегмента Международной космической станции, в 5,6 раз, а его объём - в 28 раз. При увеличении времени использования космической конвейерной витаминной оранжереи экономия массы и объёма доставляемых на борт пилотируемого космического аппарата расходных материалов будет возрастать пропорционально длительности рабочего режима.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

Выводы

1. Экспериментально установлено, что в результате микробиологической деструкции нативных корневых остатков китайской капусты с использованием термофильных анаэробных бактерий Clostridium spp. в поровом пространстве отработанного почвозаменителя за 10 суток при температуре 55°С возможно разложение до 45% растительной биомассы и двукратное снижение содержания целлюлозы.

2. Разработан процесс очистки порового пространства отработанного волокнистого почвозаменителя для космической оранжереи от корневых остатков, включающий на первой стадии гидролиз корневых остатков в почвозаменителе в водном растворе, содержащем 0,7% КОН и 0,7% Н202 в течение 3,5 часов при температуре в диапазоне (90±5) °С, поддерживаемой с помощью периодического СВЧ-подогрева, а на второй стадии 7-мидневную ферментацию бактериями Clostridium thermocellum. Процесс позволил с наименьшими энергетическими затратами удалять до 90% органических отходов внутри волокнистого ионитного ПЗ и восстанавливать его исходные гидрофизические характеристики.

3. Разработана методика обогащения истощённого волокнистого почвозаменителя минеральными элементами путём пропускания поливной воды через обогатительный патрон с гранулированным соленасыщенным ионитом и обогатительный патрон с медленно действующим удобрением при регулировании протока воды по сигналу датчика электропроводности раствора на входе в корневой модуль космической оранжереи, пригодная для обеспечения автоматического поддержания необходимого состава и рН питательного раствора в условиях невесомости.

4. Разработанные методы регенерации отработанного волокнистого почвозаменителя для космической оранжереи позволяют сократить суммарную массу потребного запаса расходного почвозаменителя для витаминной оранжереи «Витацикл-Т», проектируемой для российского сегмента Международной космической станции, в 5,6 раз, а его объём — в 28 раз. Экономия массы и объёма потребного запаса почвозаменителя может возрастать и далее пропорционально длительности работы космической оранжереи. Экспериментально показано, что регенерированный ионитный волокнистый почвозаменитель может обеспечивать получение высокопродуктивных посевов растений.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ГНЦ РФ ИМБП РАН -Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации институт медико-биологических проблем Российской академии наук

ИБФМ РАН -Институт биохимии и физиологии

микроорганизмов Российской академии наук ИФОХ -Институт физико-органической химии

Национальной академии наук Беларуси МДУ -медленнодействующее удобрение

ПЗ -почвозаменитель

СВЧ -сверхвысокая частота

СЖО -система жизнеобеспечения

Подписано в печать:

14.11.2013

Заказ № 9092 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru