Сити-фермер – профессия будущего

Все больше места в структуре питания современного человека занимают высококалорийные и переработанные продукты, что приводит к снижению питательной ценности пищи и негативно отражается на здоровье. Даже в свежих овощах и фруктах, выращенных промышленным способом, полезных веществ становится все меньше. Независимо от почвенно-климатических условий произрастания для получения стабильных урожаев в открытом и закрытом грунте повсеместно используют минеральные удобрения, регулярные обработки растений гербицидами и инсектицидами. Урожай зачастую убирается раньше срока, для увеличения срока хранения продукция, предназначенная для транспортировки в отдаленные регионы, подвергается химической обработке. Значительная доля свежего урожая перерабатывается в продукты длительного хранения, теряя витамины и необходимые для человека макро- и микроэлементы.

Проблема истощения почв и повышения качества продукции частично решается с помощью органического земледелия, основанного на принципе создания естественного устойчивого плодородия почвы, отказе от минеральных удобрений, химических средств защиты растений и генно-модифицированных семян. В Европе доля такого земледелия составляет 10—20 % от общего объема, чего нельзя сказать о России, где только 2—3 % населения потребляют органическую продукцию, и только пятая часть вообще знают, что это такое. В то же время спрос на «здоровую еду» растет, и переплачивать за нее готовы уже более половины жителей страны. Согласно оценке экспертов, к 2022 г. Россия займет до 10—15 % от мирового рынка органической продукции, что эквивалентно 20—30 млрд долларов.

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), важный и самый быстрорастущий сегмент рынка свежих овощей, ягод и салатной продукции – ​органические продукты, выращенные с помощью бережных и экологичных тепличных технологий. Однако в России сегодня крайне мало теплиц даже по сравнению с малоразвитыми странами с более теплым климатом.

Для удовлетворения потребностей человека в пище, богатой минералами, витаминами и биологически активными соединениями, можно использовать микрозелень – ​новый вид салатных овощей, представляющий собой съедобные молодые растения в фазе пары настоящих листьев, содержащие максимум полезных для человека веществ. Клетчатка (грубоволокнистая часть растений, необходимая для нормального функционирования пищеварительного тракта) проростков усваивается на 98 % в отличие от жесткой клетчатки растений, выращенных по классической технологии.

Химический анализ микрозелени 10 видов капустных показал, что она является хорошим источником как макро- (K, Ca), так и микроэлементов (Fe, Zn) (Xiao et al., 2016). А микрозелень салата по сравнению с растениями в стадии зрелости имеет более высокое содержание большинства полезных соединений (Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Se, Mo), являющихся компонентами минерального питания растений, на фоне более низкого содержания нитратов (Pintoand et al., 2015).

Время экспериментов

Один из тематических проектов 2018 г. в секции «Агропромышленные и биотехнологии» был посвящен разработке элементов технологии выращивания микрозелени в автоматизированных мини-теплицах с контролируемыми условиями. Проект был подготовлен сотрудниками Института почвоведения и агрохимии СО РАН (Новосибирск) и новосибирской компании iFarm Project (ООО «Городские теплицы»).

Компания iFarm Project – ​это инновационная платформа-интегратор современных био- и агротехнологий, позволяющих выращивать органические овощи, ягоду и зелень с заданным содержанием полезных веществ. Созданные компанией уникальные компьютерные алгоритмы в автоматическом режиме управляют микроклиматом (светом, температурой, влажностью), составом почвы и воздуха и могут использоваться в любых тепличных системах

Для выращивания микрозелени компания предоставила два гроубокса – ​мини-теплицы с возможностью дистанционного управления. В настоящее время в России отсутствуют ГОСТ или утвержденные рекомендации по выращиванию микрозелени в условиях автоматизированных и домашних теплиц, поэтому перед участниками проекта были поставлены следующие задачи: подобрать оптимальные условия для выращивания микрозелени в автоматизированной теплице с применением на практике теории органического земледелия; изучить влияние внешних факторов на содержание в микрозелени витамина С как «маркера» полезности; оценить влияние условий выращивания на содержание зеленого пигмента хлорофилла, отвечающего за процесс фотосинтеза и служащего показателем здоровья растения. В последней части проект стыковался с проектом по высокоэффективной жидкостной хроматографии, в рамках которого проводилось определение антиоксидантов и кофеина в чайном листе.

Члены команды, в которую вошли школьники 8—10 классов из разных регионов России, от Липецкой и Московской областей до Мордовии и Якутии, в первые же дни самостоятельно собрали мини-теплицы и запустили датчики мониторинга освещенности, температуры, влажности, состава воздуха, а также видеокамеры.

Затем были спланированы и последовательно заложены два эксперимента, в которых моделировалось 64 варианта внешних условий с целью выяснить степень влияния разных факторов среды на величину биомассы и морфометрические показатели (высоту растения, длину корня, размеры листовой пластинки и т. д.) – ​с этой точки зрения микрозелень агрономами практически не изучалась, а также на содержание в биомассе биологически активных веществ.

В гроубоксы были высажены семена 6 видов растений (кресс-салата «Витаминный», редиса «18 дней», подсолнечника «Лакомка», базилика, салата «Сальто», горчицы белой), 3 вида субстрата (торф, почвогрунт и агроперлит – ​вспученные гранулы вулканической породы). Микрозелень выращивалась при двух режимах подкормки растений (жидкие минеральные удобрения и биогумус «Живчик»), разном световом дне (6 или 18 ч.) и разных температурах (24, 26 и 29 °C). Выращивание подобной продукции в автоматизированной мини-теплице занимает 6—7 дней с момента посева семян.

Судя по приросту биомассы, рост и развитие растений на разных субстратах отличаются видоспецифичностью. Так, биомасса проростков подсолнечника достигала максимума на торфе, горчица и кресс-салат достаточно равномерно росли на двух субстратах – ​торфе и почвогрунте, а вот редис явно предпочитал почвогрунт. Зато агроперлит никому не пришелся «по вкусу»: если некоторые растения на нем и прорастали, то очень быстро погибали из-за непригодности этого субстрата для питания и развития корневой системы.

Влияние продолжительности периода освещенности на прирост надземной биомассы зависело от принадлежности растений к определенной экологической группе (светолюбивым или теневыносливым). Например, подсолнечник, типичная культура длинного светового дня, быстрее набирал биомассу при 18-часовой освещенности, а вот редис и горчица хорошо росли и при укороченном световом дне. Поэтому для выращивания в одной теплице лучше всего подбирать растения со схожими потребностями.

Есть мнение, что молодые проростки не нуждаются в дополнительном минеральном питании, однако эксперименты показали, что внесение жидкого удобрения на основе биогумуса положительно влияет на прирост биомассы, улучшает состояние надземной и подземной частей растений, особенно при выращивании на почвогрунте.

СОРУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ» С. Е. СЕДЫХ: Работа над проектами дала ребятам не только теоретические и практические знания, но и научила их действовать в команде, где приходится исполнять различные роли. «Химики», занимавшиеся определением витамина С и хлорофилла в образцах микрозелени, начинали активно работать только после сбора очередного урожая в «умной» микротеплице, т. е. каждые 3–4 дня. Анализ 30–40 образцов занимал много времени и был достаточно трудоемким, а микрозелень измельчалась в весьма «пахучих» растворах, препятствующих окислению витамина С. Работы было «то густо, то пусто», поэтому коллеги-агрономы оценили труд и профессиональные навыки химиков, только когда их привлекли к анализу последнего урожая. При определении концентраций хлорофилла, при котором каждый образец измеряется на спектрофото­метре на нескольких длинах волн, всем ребятам, впервые увидевшим этот увлекательный процесс, хотелось самостоятельно провести анализ, в чем им с удовольствием помогали опытные товарищи

Отдельный вопрос – ​это накопление в растениях биологически активных веществ, содержание которых определялось с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Согласно литературным данным, оптимальная температура для накопления хлорофилла – ​26—30 °C, а рекомендованная для промышленного выращивания микрозелени – ​18—20 °C. Эксперименты показали, что концентрация хлорофилла в биомассе во время выращивания при повышенной температуре только ненамного выше, чем при более низкой температуре, которая в нашем случае составила 24 °C. (Первоначально, согласно проекту, планировалось испытать и более низкие температуры, однако это не удалось сделать из-за технических возможностей гроубокса и высокой температуры в помещении. По окончании проекта разработчикам переданы рекомендации усовершенствовать систему охлаждения).

Что касается витамина С, то его накоплению способствовали длинный световой день, дополнительное минеральное питание и температура в диапазоне 24—26 °C. Кстати сказать, употреблять микрозелень желательно сразу после срезки, так как при хранении растений этот витамин очень быстро разрушается.

Таким образом, в ходе экспериментов в гроубоксах школьники определили наиболее оптимальные условия выращивания микрозелени: температура – ​24—26 °C, световой день –18 ч., почвогрунт в качестве субстрата, подкормка жидким разведенным органическим удобрением, капельный полив. Экспериментаторы также убедились, что отклонения от оптимума допустимы и что, даже не имея гроубокса, можно успешно выращивать микрозелень в самых разных условиях, как дома (для еды), так и в школьном классе (для экспериментальных и образовательных целей).

А. В. ЛЫСКОВСКИЙ: Мы привезли эту технологию в «Сириус», потому что здесь формируется будущий кадровый резерв. Школьники, которые подключаются к тем или иным проектам, могут понять, чем им интересно заниматься: биологией, химией, радиоуправляемыми танками… Для талантливых ребят это возможность определиться со своей профессиональной ориентацией.
Сити-фермер – ​одна из профессий будущего, которая рождается на стыке автоматизации, робототехники, программирования, биоинформатики, химии и агрономии. Конечно, такие кадры никто не готовит, а они должны появляться. И если мы сможем способствовать появлению у подрастающего поколения интереса к этому направлению, показывая им перспективу, то ребята будут расти вместе с нами и создавать автоматизированное сельское хозяйство, в том числе и в городской черте

Все этапы экспериментов с агрокультурами были тщательно задокументированы, и к финальной ярмарке проектов ребята предоставили не только вкусную микрозелень, которой угощали всех посетителей, но и рабочий вариант методических рекомендаций, работа над которыми будет продолжена.

Разработка методологии выращивания микрозелени в мини-теплицах – ​еще один шаг к «городскому земледелию», позволяющему многим людям круглый год выращивать у себя дома полезную органическую продукцию. Эксперименты в рамках программы «Большие вызовы» подтвердили, что выращивание микрозелени – ​достаточно простой процесс, гроубоксы удобны в эксплуатации, а при соблюдении рекомендаций по выбору тепличных условий качество выращиваемых растений можно регулировать.

Результаты, полученные в ходе реализации проекта, будут использованы компанией iFarm Project для усовершенствования системы контроля и поддержания микроклимата в мини-теплицах. Что касается школьников, то никто из них не отнесся к работе равнодушно. Самым же наглядным примером служит метаморфоза, произошедшая с одним из участников программы, который приехал в «Сириус» со своим проектом «Теплица для бабушки» и всю смену придумывал, паял, собирал и чинил системы полива и электронику гроубоксов. По его словам, растениями он никогда не интересовался и биологию не знал и не любил, но по окончании экспериментов вынужден был признать, что «и в этой науке есть кое-что интересное». Вернувшись домой, этот завзятый «технарь» по собственному почину начал опыты на различных почвенных субстратах. Можно надеяться, что и другие ребята будут использовать полученный ими практический опыт и теоретические знания для развития идеи сити-фермерства в своем регионе.

Литература

Иванова М. И., Литнецкий А., Литнецкая О. и др. Микрозелень (microgreens) и сеянцы (baby leafs) – новые категории органической овощной продукции // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования. 2016. №12. С. 406–415.

Иванущенко А. Зеленый стартап: сити-фермерство как предпринимательский тренд. http://www.insight-magazine.ru/zelenyy-startap-siti-fermerstvo-kak-predprinimatelskiy-trend-318

Pinto E., Almeida A., Aguiar A. and Ferreira I. Comparison between the mineral profile and nitrate content of microgreens and mature lettuces // Journal of Food Composition and Analysis. 2015. V. 37. P. 38–43.

Xiao Z., Lester G. E., Luo Ya. and Wang Q. Assessment of vitamin and carotenoid concentrations of emerging food products: edible microgreens // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2012. V. 60. P. 7644–7651.

В публикации использованы фото В. В. Власова