Полностью биоразлагаемая и экологичная система для гидропонного земледелия на основе инновационного гидрогеля способна поддерживать рост растений с минимальным расходом воды, а в будущем она сможет еще и контролировать состояние растений в режиме реального времени.
Эта инновация – результат совместных исследований инженерного факультета Свободного университета Больцано (UniBz) и Итальянского технологического института (IIT) в Генуе. Изобретение предлагает безотходное и экологически безопасное решение для сельского хозяйства – сектора, который всё больше страдает от изменения климата, засухи, загрязнения, утраты биоразнообразия и деградации почв.
Исследование было опубликовано в журнале ACS Agricultural Science & Technology и является результатом междисциплинарного проекта, в котором участвуют исследователи факультета инженерии Свободного университета Больцано-Больцано (UniBz) — Камилла Фебо, научный сотрудник IIT и UniBz, профессора Паоло Лугли и Луиза Петти из Лаборатории сенсорных технологий, в сотрудничестве с профессорами Таньей Миммо и Луиджимарией Боррузо с факультета сельскохозяйственных, экологических и пищевых наук UniBz, в рамках Центра компетенций по здоровью растений, а также из подразделения интеллектуальных материалов Итальянского технологического института (IIT) — Атанасия Атанасиу, главный исследователь и заместитель научного директора IIT, и научный сотрудник IIT Данила Мерино.
Гидрогели – это материалы, внутренняя структура которых представляет собой полимерную сетку, обладающую пористой структурой и поэтому очень эффективные в тех случаях, когда важно удерживать воду и питательные вещества. В садоводстве они становятся устойчивой альтернативой пенам.
В лабораториях IIT в Генуе исследователи создали гидрогели из биополимеров, в частности, каррагинана – полисахарида, получаемого из красных водорослей и широко используемого благодаря своим гелеобразующим, загущающим и стабилизирующим свойствам. Полученный гидрогель биоразлагаем и может безопасно вноситься в почву, не загрязняя её. Команда обогатила пористый материал экстрактами цельных водорослей, которые служат биостимуляторами: веществами, стимулирующими естественные процессы в растениях, повышая эффективность усвоения питательных веществ, устойчивость к стрессам и качество урожая независимо от содержания питательных веществ.
Полученный материал обладает идеальными свойствами для использования в безпочвенном земледелии, таком как гидропоника, и требует минимального количества воды. Испытания на растениях проводились в лабораториях Свободного университета Больцано.
Исследовательская группа продемонстрировала, что гидрогель способен удерживать большое количество воды, разбухая до 7000%, а также поддерживать рост растений из семян. Испытания на модельном растении Arabidopsis thaliana продемонстрировали более интенсивный процесс роста по сравнению с традиционными гидропонными субстратами.
Южнотирольские ученые также планируют интегрировать в эти гидрогелевые каркасы гибкие биоразлагаемые датчики, что позволит вести точное земледелие, контролируя состояние растений и почвы в режиме реального времени.
«Наша цель, — подчёркивает Фебо, исследователь из UniBz/IIT, — заключалась в разработке материала, который был бы не только биоразлагаемым и устойчивым, но и мог бы активно взаимодействовать с растениями, эффективно снабжая их водой и питательными веществами. Созданный нами гидрогель способен удерживать влагу и постепенно её отдавать, значительно сокращая потребление воды. Этот подход представляет собой важный шаг на пути к более устойчивому и экологически чистому сельскому хозяйству».
«В то время, когда запасы пресной воды стремительно сокращаются, а пластик все больше загрязняет окружающую среду, в мы сосредоточены на разработке интеллектуальных и устойчивых материалов для противодействия этим последствиям посредством конкретных решений для таких ключевых секторов, как сельское хозяйство», — говорит Афанассиу, заместитель научного директора IIТ и руководитель отдела интеллектуальных материалов.
«В этой работе мы использовали исключительно натуральные морские ресурсы для создания гидрогеля, который удерживает воду и снабжает растения питательными веществами. Материаловедение на основе природных ресурсов — одно из основополагающих направлений исследовательского подразделения, которое я координирую. Область применения материалов простирается от точного земледелия до упаковки, очистки воды, экологичной электроники и морского биоразнообразия. Технологические инновации должны идти рука об руку с экологической устойчивостью», — комментирует Петти, профессор и руководитель Лаборатории сенсорных технологий в UniBz.
«В нашей лаборатории мы занимаемся разработкой гибких и биоразлагаемых электронных устройств, которые можно интегрировать в интеллектуальные сельскохозяйственные системы. Этот гидрогель — наглядный пример того, как технологии могут поддерживать сельское хозяйство, повышая эффективность использования ресурсов и снижая воздействие на окружающую среду. Проект демонстрирует возможность сочетания инноваций и устойчивого развития для решения глобальных проблем, связанных с продовольственной безопасностью и изменением климата», заключает Петти.
Источник: Italian Institute of Technology.
Фото: ACS Agricultural Science & Technology (2025), DOI: 10.1021/acsagscitech.4c00723
