Международный консорциум ученых из Алжира и Мексики в новом исследовании задействовал ИИ для создания биостимулятора из обычных пищевых отходов и микроводорослей. Объединив в единую формулу порошок яичной скорлупы, биомассу спирулины и дубильную кислоту, исследователи смогли повысить всхожесть семян твердой пшеницы до 82.68% по сравнению со скромными 48% у необработанного контроля.
Стремительный рост мирового агропрома обострил проблему утилизации биологических отходов, миллиарды тонн которых ежегодно выбрасываются на свалки, загрязняя планету, вместо того чтобы возвращаться в биосферный цикл.
Одним из самых перспективных, но недооцененных источников микроэлементов является обычная яичная скорлупа. Она на 95% состоит из карбоната кальция в кристаллической форме кальцита, а также содержит уникальную органическую матрицу, богатую белками и полисахаридами, способными мягко регулировать pH почвы и стимулировать деление клеток растительного зародыша. Чтобы превратить этот пассивный кальций в биологически активный ингредиент для твердой пшеницы, ученые из Алжира и Мексики решили объединить его с микроводорослью Spirulina platensis — суперфудом, содержащим до 70% растительного белка, незаменимые аминокислоты и мощный антиоксидант фикоцианин.
Третьим элементом биопрепарата стала дубильная кислота — природный полифенол, призванный защитить семя от бактериальных гнилей и окислительного стресса при замачивании.
Однако на этапе создания многокомпонентных биостимуляторов наука всегда сталкивалась с эффектом дозозависимого ингибирования. В высоких концентрациях и спирулина, и дубильная кислота опасны.
Избыток биомассы водорослей вызывает осмотический шок, вытягивая влагу из семени назад, а высокая концентрация дубильной кислоты блокирует ферменты, отвечающие за пробуждение семян.
Для поиска оптимальной пропорции команда исследователей применила передовые методы математического моделирования к семенам твердой пшеницы сорта Витрон ОРД (Vitron ORD). Ученые разработали 17 экспериментальных серий, варьируя дозировки спирулины от 0.2 до 1.0 грамма, яичной скорлупы от 0.4 до 1.2 грамма и дубильной кислоты от микроскопических 0.005 до 0.015 грамма.
Эксперимент показал разброс: в зависимости от комбинации, всхожесть пшеницы колебалась от 10.67% (при передозировке водорослей) до эталонных 82.67%. Чтобы связать эти хаотичные данные в четкую систему, ученые сначала использовали классический метод поверхностного отклика (RSM) на основе плана Бокса-Бенкена, который выдал квадратичную модель с отличной точностью описания процессов.
Затем к анализу подключили ИИ — модель искусственной нейронной сети (ANN). Нейросеть продемонстрировала превосходные прогностические характеристики. ИИ проанализировал скрытые нелинейные связи между кальцием скорлупы и аминокислотами спирулины в присутствии фенолов. Проведя виртуальную оптимизацию с помощью функции желательности, нейросеть выдала готовый рецепт биостимулятора: 0.200 грамма спирулины, 0.766 грамма яичной скорлупы и 5.34 миллиграмма дубильной кислоты.
Проверенная на практике «формула нейросети» доказала: комбинация, где спирулина и дубильная кислота зафиксированы на минимальном уровне, а яичная скорлупа — на умеренно высоком, позволила запустить синергетический эффект. Кальций активизировал ферменты прорастания, аминокислоты водорослей послужили строительным материалом для первых проростков, а следовые количества дубильной кислоты сработали как надежный антиоксидантный щит.
Таким образом, можно получить биотехнологию прайминга (предпосевной обработки) семян зерновых культур. Одновременно с этим решается экологическая задача утилизации отходов птицефабрик и пищевой промышленности. Превращение бросового материала в драйвер роста растений с помощью искусственного интеллекта показывает, что принципы циклической экономики и цифрового земледелия способны обеспечить глобальную продовольственную безопасность без усиления химической нагрузки на биосферу Земли.