06 марта

Топ-5 научных открытий для растениеводства

Как разработки российских университетов могут сделать агросектор более технологичным

Инновационные разработки российских ученых могут внести серьезный вклад в развитие агропромышленного комплекса. И хотя часть из них так и не выходят из университетских лабораторий, многие все же находят свой путь в поля, делая привычные сельхозоперации более простыми и эффективными. Журнал поле.рф подготовил обзор пяти инноваций, с помощью которых можно точечно уничтожать сорняки, очищать загрязненные тяжелыми металлами почвы и дистанционно определять наличие влаги.

Нанобиочар для очистки почв

Нанобиочар — уголь биологического происхождения с размерами частиц от 1 до 100 нанометров (нм), получаемый посредством пиролиза биомассы. Будучи прекрасным адсорбентом, это вещество борется с загрязнением почв и может повысить их плодородие. Работы в этом направлении в рамках международного проекта ведут ученые Южного федерального университета (ЮФУ) под руководством почетного профессора Гонконгского баптистского университета и руководителя лаборатории «Здоровье почв» ЮФУ Вонг Минг Хунга.

Как рассказали поле.рф в ЮФУ, нанобиочар обладает значительно более высоким отношением площади поверхности к массе, чем биочар (биоуголь) с обычными, более крупными частицами. Благодаря этому вещество может применяться в качестве адсорбента токсичных элементов. Производят его следующим образом: биочары, полученные из различных видов биомассы путем пиролиза, подвергаются механическому измельчению.

Вишну Раджпут, руководитель Международной лаборатории нанобиотехнологий Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского ЮФУ
Вишну Раджпут, руководитель Международной лаборатории нанобиотехнологий Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского ЮФУ

Фото: Южный федеральный университет

«Эффективность нанобиочара также зависит от его исходных материалов, — говорит Вишну Раджпут, руководитель Международной лаборатории нанобиотехнологий Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского Южного федерального университета. — Мы также пробуем прямые методы, такие как флэш-нагрев, в результате которого получаются графитовые нанолисты».

Нанобиочар с различными модификациями эффективен для стабилизации токсичных элементов, таких как мышьяк, кадмий и хром. Ученый рассказал, что использование технологии улучшило развитие ячменя на загрязненной тяжелыми металлами почве. В лаборатории применяли нанобиочар в сочетании с металлоустойчивыми микробами для снижения токсичности и стабилизации токсичных элементов в почвенной системе.

«В одном из наших экспериментов индивидуальное применение нанобиочара и бактерий, устойчивых к тяжелым металлам, снизило поглощение цинка растениями ячменя, то есть подземными частями (корнями), на 44% и 20%, а надземными частями — на 39% и 13%, по сравнению с обработкой загрязненной почвы», — поделился результатами Вишну Раджпут.

Однако, по словам ученого, адсорбирующие свойства нанобиочара еще не до конца изучены, поэтому сейчас проводится долгосрочный эксперимент, который поможет понять токсикологические аспекты вещества. Исследования также направлены на изучение возможности повторного использования и коммерциализации разработки.

Гиперспектрометр для распознавания сорняков

Ученые Самарского университета им. академика С. П. Королева создали технологию, с помощью которой можно точечно уничтожать сорняки, определять индексы вегетации, запасы влаги и другие параметры. Система состоит из гиперспектрометра (прибор, позволяющий проводить гиперспектральное дистанционное зондирование Земли — прим. ред.), который снимает в видимом и инфракрасном диапазонах, а также нейросети, анализирующей изображения и отделяющей культурные растения от сорных.

Как сообщил нашему журналу один из разработчиков, доктор физико-математических наук Роман Скиданов, технология уже успешно прошла полевые тесты. Разработка позволяет распылять агрохимию непосредственно на сорняки, что в свою очередь снизит затраты на средства защиты растений. Также полученные данные можно использовать для определения различных сельскохозяйственных индексов, содержания воды в растениях и так далее.

По словам Скиданова, гиперспектрометр можно установить непосредственно на сельскохозяйственную технику (опрыскиватель) либо на авиационную платформу.

«Но при съемке сверху нужно очень хорошее позиционирование поскольку речь идет об обнаружении отдельных растений, вряд ли это будет целесообразно», — добавил эксперт.

Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ) для диагностики почв

Ученые Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ) создали перспективную методику, позволяющую дистанционно определять физико-химические параметры естественных поверхностей Земли. В качестве объекта может выступать, например, почва, но с помощью технологии можно исследовать даже толщину льда для облегчения ледоколам навигации в акватории Северного морского пути.

Принцип работы технологии следующий: на определенном расстоянии друг от друга запускаются два летательных аппарата (БПЛА). На одном из них установлен СВЧ-передатчик электромагнитных волн, на другом — приемник. Излучение, исходящее от передатчика, отражается от поверхности по-разному (с разным показателем преломления) в зависимости от характеристик — например, толщины пласта льда или влажности почвы, а также других физико-химических параметров, которые влияют на электропроводность. Аккумулировав получаемые данные и проведя расчеты, можно получить, например, карту влажности поля.

Геннадий Линец, заведующий кафедрой инфокоммуникаций СКФУ.
Геннадий Линец, заведующий кафедрой инфокоммуникаций СКФУ.

Фото: СКФУ

«В ходе испытаний, которые мы провели совместно с агрохолдингом «Степь», мы обнаружили, что методика дает достаточно точные результаты по влажности почвы. При этом параметры работы передатчика откалиброваны так, что почва «просвечивается» примерно на глубину корневой системы сельхозрастений — то есть порядка 50 см. Такие измерения обладают преимуществом в оперативности и мобильности перед методами определения влажности, используемыми сейчас – например, выпариванием проб в лабораторных условиях», — рассказал Геннадий Линец, доктор технических профессор, заведующий кафедрой инфокоммуникаций СКФУ.

Ученым еще предстоит сделать многое — например, обеспечить возможность работы измерительного комплекса в режиме онлайн с помощью технологии LoRaWan (популярный вариант технологии беспроводных сетей для IOT, интернета вещей). Также в планах — разработать технологии измерения и других параметров поля, например, уровня содержания солей (они сильно влияют на электропроводность почвы) и даже индексов вегетации. Работа в этом направлении ведется совместно с учеными из Омска.

Панопоника для выращивания растений в экстремальных условиях

Ученые Агрофизического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург) разработали новую технологию для выращивания растений в экстремальных условиях — панопонику. Она объединила в себе лучшее из предшествующих технологий (гидропоника, аэропоника).

В основе методики — фитотехкомплексы, где к корням растений по специальным щелевым капиллярам подводится питательные раствор. Вместо почвы используется тонкослойный аналог, напоминающий специальную ткань. Условия освещения максимально приближены к солнечному свету. Летом 2023 технологию испытали ученые 68-й Российской антарктической экспедиции Арктического и антарктического НИИ. Им удалось вырастить на станции «Восток» 16,5 килограммов огурцов и помидоров и даже собрать урожай арбузов.

Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агрофизического НИИ
Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агрофизического НИИ

Фото: Агрофизический НИИ

«Технология выращивания растений в наших фитотехкомплексах разработана таким образом, чтобы с ней могли работать непрофильные специалисты. Такие фитотехкомплексы можно с успехом применять для выращивания сельскохозяйственных, лекарственных и декоративных растений не только на полярных станциях, но и в местах проживания и работы людей, даже в школьных и студенческих столовых, кафе и ресторанах. Работоспособность системы выращивания растений проверена в самых суровых условиях», — говорит научный руководитель эксперимента, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агрофизического НИИ Гаянэ Панова. 

Как рассказала она журналу поле.рф, перспективы коммерциализации технологии видятся вполне реальными, и сейчас работа в этом направлении уже ведется. По ее словам, панопоника будет востребована в современных стационарных и мобильных комплексов по производству высококачественной растительной продукции.

арбузы
Арбузы, выращенные с помощью панопоники. Источник: Агрофизический НИИ

Бестракторное садоводство

В Инжиниринговом центре «Индустриальные машинные технологии интенсивного садоводства» (ИЦ «ИнТех»), структурном подразделении Мичуринского государственного аграрного университета (Тамбовская область), разработали садовый беспилотный аппарат «Русский челнок». С его помощью можно упростить такие операции, как сбор урожая или обрезка деревьев, сделать их менее затратными по времени и более технологичными. Беспилотник создавался в рамках концепции «бестракторного» земледелия.

Андрей Завражнов, начальник инновационного инжинирингового центра Мичуринского аграрного университета
Андрей Завражнов, начальник инновационного инжинирингового центра Мичуринского аграрного университета

Фото: Ассоциация производителей ягод и посадочного материала

«До 70% мощности трактора тратится на самого себя и лишь порядка 30% — на полезную работу. Для того чтобы тянуть более тяжелое сельскохозяйственное оборудование, надо увеличивать тягово-сцепные свойства, и, соответственно, массу, что ведет к повышению мощности двигателя. В итоге сейчас на полях ездят мастодонты весом десятки тонн с двигателями мощностью в сотни лошадиных сил. Для многих сельскохозяйственных технологических операций это избыточно», — рассказал журналу поле.рф начальник инновационного инжинирингового центра Мичуринского аграрного университета Андрей Завражнов.

Эксперт пояснил, что концепция бестракторного земледелия будет особенно актуальна в таких отраслях, как садоводство, где максимальные энергозатраты на самую тяжелую операцию — до 10 киловатт. Беспилотник «Русский челнок» оснащен электродвигателем, позволяющим добиться большого крутящего момента при минимальных скоростях. Вместо дорогих аккумуляторов для высокой автономности используются так называемые ДВС-генераторы — небольшой двигатель внутреннего сгорания, который выступает генератором для подзарядки аккумулятора. Благодаря этому запас хода получается очень высоким.

Пилотирование сельскохозяйственного дрона ведется с помощью курсовых радиометок, размещенных на шпалерах, которых в садах достаточно. Плюс ко всему прямолинейные ряды насаждений упрощают навигацию. В качестве средства передачи данных используется в том числе технология интернета вещей LoRaWAN. Традиционно этот стандарт используется в стационарных объектах, но оказалось, что он успешно применим и для управления движущимися.

челнок
Беспилотный аппарат «Русский челнок». Источник: «Индустриальные машинные технологии интенсивного садоводства»

По словам Завражнова, сейчас ведутся испытания макетов беспилотников. Причем применением в садах их потенциал не ограничивается — технику можно использовать также и в коммунальном хозяйстве, и в тепличных комплексах. Ценовая политика будет более доступной в сравнении со стоимостью тракторов.