Экологически безопасное управление поливной водой в современной теплице, особенно в замкнутой системе с повторным использованием воды, является сложной задачей, однако исследователи разработали стратегию, которая поможет поливать по-новому.
Об этом пишет Джек Фалински в релизе Мичиганского государственного университета.
…Том Фернандес, профессор кафедры садоводства Мичиганского государственного университета, посвятил большую часть своей 25-летней карьеры изучению того, как эффективно управлять водными ресурсами в теплицах и питомниках для повышения эффективности использования воды и сокращения стока питательных веществ.
Фернандес разработал стратегии управления, гарантирующие, что сельскохозяйственные ресурсы, такие как удобрения и пестициды, не будут вымываться из мест назначения, нанося вред окружающей среде и ухудшая качество воды.
По данным Агентства по охране окружающей среды США, ежегодно в посевы в целом вносится около полумиллиона тонн пестицидов, 12 миллионов тонн азотных и 4 миллиона тонн фосфорных удобрений. Сток этих веществ вносит свой вклад в некоторые из основных факторов, влияющих на качество воды.
В теплицах и питомниках легко перелить многие растения, поскольку контейнеры, в которых они находятся, позволяют воде легко стекать. Фернандес обнаружил, что, применяя воду на основе ежедневного потребления воды растением, можно сократить полив на 30–80 % в зависимости от вида, а производители могут экономить воду и уменьшать сток питательных веществ из почвенной смеси.
Помимо минимизации вымывания питательных веществ из удобрений, таких как нитраты и фосфаты, Фернандес также исследовал, как уменьшить перемещение пестицидов из почвы на нецелевые территории.
Пестициды распыляются поверх растений, поэтому в результате они попадают в непреднамеренные пространства, такие как промежутки между растениями или покровные растения в теплицах и питомниках, если таковые имеются. Когда орошение осуществляется сверху, пестициды в этих пространствах могут перемещаться вместе с водой и влиять на ее качество.
Фернандес говорит, что, как и в случае с сокращением перемещения питательных веществ из удобрений в почве, подача меньшего количества воды к растениям может помочь смягчить перемещение пестицидов в почве. Так, микроорошение отдельных горшков с помощью распылительных колышков, которые распыляют воду по отдельным контейнерам, показало значительное снижение поверхностного стока пестицидов.
«Время действительно на нашей стороне, когда речь и о питательных веществах, и о пестицидах. Чем дольше мы не позволяем им попадать в водные системы, тем больше с ними может произойти биологических изменений, чтобы они не создавали проблем», - сказал Фернандес.
Благодаря этим стратегиям пришло лучшее понимание того, как поливать растения в контейнерах, не способствуя стоку. С тех пор ученый взялся за новый проект: исследование того, как очищать воду, используемую в производстве, путем рассмотрения количества питательных веществ и пестицидов в ней после применения.
Начиная с 2018 года Фернандес и Джемма Регера, заместитель декана факультета естественных наук и развития факультета естественных наук Мичиганского государственного университета и профессор кафедры микробиологии, генетики и иммунологии, начали изучать, как питательные вещества из удобрений взаимодействуют с биореакторами, а также в какой степени биореакторы отделяют их от воды, используемой в теплицах. Первоначально этим занимался бывший аспирант Фернандеса Дэймон Абди, ныне доцент кафедры садоводства в Университете штата Луизиана.
Как выглядят эти биореакторы? «У них красивое название, но на самом деле это просто большие бочки с древесной щепой», - поясняет исследователь.
Фернандес рассказал, что изначально они разработали двухступенчатую систему биореактора, состоящую из древесной щепы, которая преобразует нитраты в газообразный азот, и расширенной под действием тепла глины, которая обеспечивает фосфору из фосфатов большую площадь поверхности для связывания при прохождении через нее воды.
Исследования показали, что при пропускании воды через систему можно было удалить более 95% нитратов, а также 80–87% фосфатов. Фернандес и его команда обнаружили, что активность происходила в основном в древесной щепе, поэтому вторая стадия биореактора, в которой использовалась расширенная под действием тепла глина, была с тех пор остановлена.
Многие современные теплицы и питомники работают с использованием замкнутых систем водоснабжения, где вода хранится в пределах объекта и часто повторно используется в производстве. Фернандес сообщил, что в отношении перерабатываемой воды он получил запросы о возможности переработки питательных веществ в биореакторе при одновременном снижении содержания пестицидов: «Наши партнеры хотели удалить пестициды, но оставить питательные вещества в воде, потому что они платят за них - это удобрения».
Чтобы сохранить питательные вещества в воде, вода должна проходить через биореактор быстрее. Когда это происходит, у биореактора остается меньше времени, чтобы стать анаэробным - состоянием без кислорода - что не позволяет таким питательным веществам, как нитраты, выделяться в виде газа.
Фернандес сообщил, что после модификации биореактора, которая позволила воде проходить через него со скоростью около 4 часов вместо 72 часов, что примерно соответствует времени, необходимому для удаления питательных веществ из воды, команда смогла получать 90–100% питательных веществ в воде для повторного использования в производстве. Также в зависимости от подвижности каждого пестицида в воде биореактор мог сократить общее количество пестицидов в воде где-то на 30%–75%.
«В наших лабораторных экспериментах мы обнаружили, что если сократить время удержания (время, в течение которого вода находится в биореакторе), то можно сохранить питательные вещества в потоке воды и удалить многие пестициды», - сказал Фернандес.
Эми Аптон, исполнительный директор Ассоциации питомниководства и ландшафтного дизайна Мичигана, заявила, что данные исследований Фернандеса и его команды помогают тепличным и питомниководческим отраслям продвигать на рынок свою продукцию под девизом экологических практик, а практические демонстрации, предлагаемые командой, помогают производителям оценивать и внедрять эти технологии.
Идет третий год исследований, когда ученые следят за работой биореакторов в рамках крупномасштабного тепличного хозяйства.
Фернандес сообщил, что, используя в качестве контейнеров биореактора 300- (1135 литров) и 600-галлонные (2271 литр) резервуары для воды, в настоящее время исследуется как по-разному разлагаются пестициды в анаэробных (без кислорода) и аэробных (с кислородом) условиях.
«Насколько я знаю, это первый случай использования подобного типа системы для коммерческих теплиц», - сказал Фернандес, выразив надежду, что собранная информация поможет еще больше повысить степень удаления пестицидов из воды.
Источник: Michigan State University. Автор: Джек Фалински. Фото: Michigan State University.