Разработка высокопродуктивного субстрата с использованием биоугольных мелиорантов из термически переработанного органического сырья для выращивания микрозелени и овощной низкорослой продукции.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-76-01011

НазваниеРазработка высокопродуктивного субстрата с использованием биоугольных мелиорантов из термически переработанного органического сырья для выращивания микрозелени и овощной низкорослой продукции.

Руководитель Пономарев Константин Олегович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" , Тюменская обл

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова Субстрат, органическое сырье, биоуголь, пиролиз, характеристики растений, микрозелень, овощная продукция, водоудерживающая способность, пористость, элементный состав, тепличные комплексы, сити-фермы

Код ГРНТИ62.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной в агробиотехнологических работах задачи – разработку высокопродуктивного субстрата за счет добавления биоугольных мелиорантов, полученных с использованием экономичных, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий переработки органического сырья, с целью выращивания безопасных и качественных продуктов питания в тепличных сооружениях. Актуальность проекта связана с отсутствием на сегодняшний день научно-технических рекомендаций по составу субстрата, соответствующего экологическим требованиям его производства и обеспечивающего оптимальные физико-химические и гидро-физические свойства среды для выращивания продуктов питания высокого роста и качества. Вопрос о составе высокопродуктивного субстрата остается нерешенным в следствие различных условий выращивания и влияния большого числа факторов (основа субстрата, тип дополнительно внесенного сырья и метод его термической переработки, вид и концентрация добавки к основной среде) на развитие разных видов растений и их сортов. В процессе реализации проекта планируется разработать и испытать новые субстраты с внесенными биоугольными мелиорантами, полученными при переработке органических отходов, без использования химических удобрений, средств защиты растений, антибиотиков и генетически модифицированных организмов. Запланированные в проекте эксперименты позволят получить новую систематизированную информацию по физико-химическим и гидро-физическим свойствам полученных смесевых субстратов, их элементному составу минеральной и органической части, а также характеристикам продуктов питания (зелени и овощной продукции), выращенных на этих средах. По результатам реализации проекта впервые будут даны рекомендации для агрофермеров по выбору основы субстрата, органического сырья, метода его термической обработки, вида и концентрации биоугольного мелиоранта в питательной среде с целью получения высокопродуктивного субстрата для выращивании микрозелени и овощной низкорослой продукции в тепличных сооружениях. Внедрение результатов исследований позволит сформировать положительную репутацию предприятиям, занимающимся выращиванием культур, ввиду использования в своей технологии переработанных органических отходов, что является основой концепции экономики замкнутого цикла и актуально в рамках глобальных усилий по сокращению выбросов углекислого газа и прогнозируемого дефицита ресурсов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Первушина А.Н., Пономарев К.О., Хайнак Л.М., Жованик И.А. Анализ элементного состава органической части субстратов на основе почвы и торфа при добавлении биоугля из скорлупы орехов Красноярский краевой Дом науки и техники РосСНИО, г. Красноярск, Вып. 10. – С. 209-215 (год публикации - 2023)
10.47813/nto.4.2023.10.209-215

2. Дрягина А.А. Влияние биоугля из скорлупы кедровых орехов на концентрацию токсичных элементов в типичных для выращивания микрозелени субстратах ИПЦ НГУ, г. Новосибирск, С. 98 (год публикации - 2023)

3. Пономарев К.О., Дрягина А.А., Филимоненко Е.А., Димитрюк И.Д. Влияние биоуглей на концентрацию доступных для растений элементов в почве Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Почвенный институт имени В.В. Докучаева", Москва, Вып. 120. – С. 265-294 (год публикации - 2024)
10.19047/0136-1694-2024-120-265-294

4. Дрягина А.А., Пономарев К.О. Развитие микрозелени в субстратах с мелкодисперсным биоуглем ТИУ, г. Тюмень, Т. 1. – С. 312-314 (год публикации - 2024)

5. Пономарев К.О., Дрягина А.А., Елина Е.И. Агротехнологический прием мониторинга состояния растений ТюмГУ-Press, Тюмень, С. 8-11 (год публикации - 2024)

6. Дрягина А.А., Табакаев Р.Б., Пономарев К.О. Влияние активированного биоугля на свойства торфяного субстрата, концентрации доступных элементов питания и тяжелых металлов Издательство Томского политехнического университета, Томск, Т. 2. – С. 34-35 (год публикации - 2024)

7. Первушина А.Н., Пономарев К.О., Дрягина А.А. Способ регулирования pH торфа с использованием биоугля из скорлупы кедрового ореха Москва, С. 225-226 (год публикации - 2024)

8. Дрягина А.А., Пономарев К.О., Кремлева Т.А., Елина Е.И., Шулаев Н.А., Хайнак Л.М. Влияние высокопористых биоуглей на органическую и минеральную части сфагнового верхового торфа Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Почвенный институт имени В.В. Докучаева», Москва (год публикации - 2025)

9. Первушина А.Н., Абдурахимов А.А., Пономарев К.О., Дрягина А.А. Прогноз теплофизических свойств почвы при внесении в нее биоугля на основе искусственного интеллекта Ташкент, С. 228-229 (год публикации - 2024)

10. Абдурахимов А.А., Пономарев К.О., Прохошин А.С. Интеграция методов машинного обучения для раннего обнаружения патогенов в растениях на основе анализа хлорофилла Научно-инновационный центр информационно-коммуникационных технологий, Ташкент, № 5(61). – С. 107-114 (год публикации - 2024)

11. Дрягина А.А., Первушина А.Н., Пономарев К.О. Комплексный подход для решения проблемы с органическими отходами Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ), Санкт-Петербург, Часть II, С. 281-286 (год публикации - 2024)

12. Пономарев К.О., Первушина А.Н., Дрягина А.А., Краснова Д.С., Табакаев Р.Б., Жованик И.А., Петухов А.А., Хисамутдинова Г.А. The effectiveness of biochar as a mulch for weed control and soil moisture retention in strawberry cultivation OICC Press, Oxford, UK (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По итогам выполнения 2-го этапа проекта решены все поставленные задачи и достигнута основная цель проекта – разработан высокопродуктивный субстрат с использованием биоугольных мелиорантов из термически переработанного органического сырья, обеспечивающий высокую урожайность продуктов питания по сравнению с традиционно используемыми средами. Новый субстрат и разработанные рекомендации для агрофермеров, включающие методологию изготовления высокопродуктивного субстрата с использованием биоугольных мелиорантов, создают возможность эффективного развития комплекса агробиотехнологий в области круглогодичного выращивания растений в контролируемых условиях. Достигнутые конкретные научные результаты второго года реализации проекта: 1. Изготовлены новые экспериментальные стенды для выращивания овощной низкорослой продукции в разных по составу субстратах в контролируемых условиях (освещенность, влажность, температура). 2. Изготовлены и изучены биоугольные мелиоранты из разных по типу органических отходов пищевой (скорлупа кедровых орехов) и деревообрабатывающей (опилки) промышленности. 3. Сформирована база данных по элементному составу (органической и минеральной частей), текстурным (удельная площадь поверхности, полный объем пор и их средний диаметр) и физико-химическим (кислотность и электропроводность) характеристикам биоугольных мелиорантов. Установлено, что исследуемые биоугли характеризуются высокой степенью карбонизации (91-92%) и стабильностью. Показано, что зольность биоугля из опилок более чем в 2 раза выше, чем у биоугля из скорлупы орехов, поэтому такой биоуголь будет полезен на бедных почвах, требующих значительного минерального обогащения. 4. Установлены зависимости основных морфометрических характеристик (высоты растения, количества листьев, их длины и ширины) и массы микрозелени на примере руколы, а также количества и массы плодов овощной низкорослой продукции на примере томатов от типа биоугля, дополнительно внесенного к основной среде (биоуголя из опилок или скорлупы кедровых орехов). Показано, что при выращивании томатов с мелким размером плода, таким, например, как у сорта Балконное чудо, целесообразно вносить биоуголь из опилок. При выращивании томатов со средним размером плода, таким, например, как у сорта Санька, внесение биоугля может привести к увеличению размеров плодов, но значительно снизит урожай. 5. Сформированы базы данных по элементному составу (органической и минеральной частей), физико-химическим (кислотность, электропроводность) и гидро-физическим (пористость (аэрационная и водоудерживающая), коэффициент пустотности) свойствам исследуемых субстратов (с внесенными добавками и без них) с результатами оценки их водоудерживающей способности. Установлено, что удержание воды увеличивается при добавлении измельченного биоугля, ещё больше - при добавлении неизмельченного и ещё интенсивнее - при добавлении гранулированного биоугля в большей концентрации (особенно полученного из скорлупы кедрового ореха). 6. Получены трехмерные изображения микроструктуры порового пространства биоуглей и исследуемых смесевых субстратов. Сделан вывод о равномерном расположении биоугольной добавки в структуре субстрата, т.е. биоуголь в почве не концентрируется локально, а увеличивает поровое пространство по всему объему субстрата. 7. Разработаны новые рекомендации для агрофермеров по выбору основы субстрата, органического сырья, метода его термической обработки, вида и концентрации биоугольного мелиоранта в питательной среде с целью получения высокопродуктивного субстрата для выращивания микрозелени и овощной низкорослой продукции в тепличных сооружениях, включая методологию создания высокопродуктивного субстрата с использованием биоугольных мелиорантов: 1) При выборе или смене технологии выращивания растений в сити-фермах и теплицах с вектором роста продаж мелколистового салата вместо широколистового рекомендуется внесение неизмельченного биоугля (20%), полученного в условиях медленного пиролиза. 2) При наличии только измельченного биоугля углеродистый остаток из скорлупы кедрового ореха при внесении в почву имеет большие агрономические преимущества, чем биоуголь из опилок. Последний при выращивании микрозелени лучше использовать в смеси с перлитом или при пониженных дозировках в субстрате (не более 10%). 3) При выращивании томатов с мелким размером плода рекомендуется вносить в почву биоуголь из опилок. При выращивании томатов со средним размером плода внесение биоугля может привести к увеличению размеров плодов, но существенному снижению урожая. Данная рекомендация применима при поливе томатов водой, но не апробирована при поливе питательным раствором. 4) Для получения субстрата достаточно взять в необходимых объемных соотношениях основу и биоуголь (большая часть основы и меньшая часть биоугля), полученную смесь перемешать в герметичной таре в течение 3 минут и высыпать в вегетационный сосуд. 8. Разработан высокопродуктивный субстрат, обеспечивающий высокую урожайность микрозелени и овощной низкорослой продукции по сравнению с традиционно используемыми в тепличных комплексах и сити-фермах средами. Таким субстратом является смесь торфяной основы с 10% (об.) измельченного биоугля, полученного методом медленного слоевого пиролиза скорлупы кедрового ореха при 600 ºС. 9. Опубликована 1 статья в журнале «Проблемы вычислительной и прикладной математики» (РИНЦ, ВАК при Президенте Республики Таджикистан, Mathematical Reviews (США) и Zentralblatt MATH (Германия)). Рекомендованы к печати 2 статьи в журналах «Бюллетень Почвенного института имени ВВ Докучаева» (К1, Q2) (Scopus, RSCI, РИНЦ, Перечень ВАК РФ, Белый список) и «International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture» (Web of Science, Scopus, РИНЦ, Белый список). 10. Подготовлен итоговый научно-технический отчет по результатам выполнения исследований.

Публикации

Возможность практического использования результатов
1. Разработанный высокопродуктивный субстрат, демонстрирующий более высокую урожайность микрозелени и низкорослых овощей по сравнению с традиционными средами, может быть внедрен в теплицы, тепличные комплексы и городские «сити фермы». Применение субстрата на основе биоугольных мелиорантов из органических отходов позволит существенно повысить выход продукции на единицу площади и снизить затраты на импортные компоненты субстрата (кокосовое волокно, перлит) за счет замещения их отечественным сырьем. Для населения это означает более широкий ассортимент свежих, недорогих и безопасных продуктов на прилавках, что повышает продовольственную безопасность и снижает зависимость от импортных тепличных культур. 2. Внедрение биоугольных мелиорантов укрепит экологическую безопасность регионов, так как уменьшит очаги неприятных запахов и риска патогенного заражения вокруг ферм и перерабатывающих предприятий (в том числе в пригороде). Также это вносит вклад в концепцию экономики замкнутого цикла и стимулирует выполнение национальных задач по сокращению выбросов CO2. 3. Интеграция технологии пиролиза органических отходов в производство субстратов приводит к развитию отрасли машиностроения – малогабаритных пиролизеров и оборудования для активации биоугля. Это обеспечит устойчивый экономический рост регионов за счет создания новых рабочих мест и повышения добавленной стоимости сельхозпродукции. Также это позволит уменьшить нагрузку на полигоны; предприятиям лесопереработки и сельхозкомпаниям получать дополнительный доход от утилизации побочных продуктов АПК и ЛПК; а промышленным площадкам освоить выпуск высокомаржинальной продукции – био-субстраты, биоудобрения, биомульча и фильтрующие материалы. 4 По итогам проекта созданы новые экспериментальные стенды для выращивания микрозелени и овощной низкорослой продукции в разных по составу субстратах в контролируемых условиях (освещенность, влажность, температура); сформированы базы данных по элементному составу (органической и минеральной частей), физико-химическим (кислотность, электропроводность) и гидро-физическим (пористость (аэрационная и водоудерживающая), коэффициент пустотности) свойствам биоугольных мелиорантов и субстратов с ними; установлены зависимости основных морфометрических характеристик и массы микрозелени от основы субстрата, метода термической переработки сырья, вида, типа и концентрации добавки к основной среде; установлены зависимости количества, размеров и массы плодов овощной низкорослой продукции на примере томатов с мелким и средним размером плода от типа биоугля; а также подана заявка на грант Российского научного фонда (РНФ) на оптимизацию технологии и её масштабирование. Эти наработки обеспечивают платформу для дальнейшей разработки модульных решений «под ключ» для фермерских и агропромышленных хозяйств.