XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

В современном менеджменте активно развиваются технологии бизнес-инжиниринга как метода проектирования эффективных электротехнологических систем. Одним из таких направлений являются биотехнологические системы культивирования растений в условиях искусственного климата.

Управляемое культивирование растений в искусственных контролируемых и регулируемых условиях сре­ды открывает широкие возможности бизнес инжиниринга для проведения эффектив­ных исследований по поиску оптимальных режимов их жизнеде­ятельности биоценозов. Полученные в результате осуществления этих ис­следований знания позволят создать основы рационального уп­равления технологическими процессами сельскохозяйственного производства будущего

Жизнедеятельность растений определяется как их наследст­венно биологическими особенностями, так и воздействием комп­лекса факторов внешней среды. К наиболее важным группам физических факторов среды, влияющим на процессы в растени­ях, относятся:

-световой режим: интенсивность, спектральный состав и продолжительность подачи к растениям лучистой энергии;

-тепло-влажностный режим в надземной части и корневой зоне растений;

- газовый состав воздуха, особенно содержание в нем С0₂;

- условия минерального питания и водообеспеченности рас­тений.

Все эти факторы постоянно взаимодействуют между собой, изменяются и сложным образом влияют на жизнедеятельность растений, создавая тем самым серьезные трудности для ее изучения.

Оценка оптимальности их воздействия может определяться путем выявления ответных реакций растений. Последние обыч­но проявляются изменениями интенсивности функционирова­ния физиологических процессов (фотосинтеза, транспирации и т. д.). В естественных условиях культивирования растений воз­можности регулирования воздействия отдельных факторов сре­ды на их жизнедеятельность значительно ограничены, а строгая оценка ответных реакций растений на действие какого-либо одно­го фактора, выделенного из их комплекса, практически невоз­можна.

В тех искусственных условиях культивирования растений, где возможности контроля и регулирования внешних факторов суще­ствуют, но отсутствуют способы оперативной оценки ответных реакций растений на их воздействия, разработка оптимизации процессов жизнедеятельности растений также серьезно ослож­нена.

Применение методов бизнес-инжиниринга позволит повысить эффективность использования систем автоматического сбора информации о физиологических процессах биоценоза (фотосинтезе, транспирации и др.) при воздействии факторов внешней среды. Структурная схема исследовательской установки созданной на базе методов бизнес-инжиниринга приведена на рис. 1.

Вопрос выбора источников излучения для получения максимальных урожаев полезной биомассы рас­тений, одни из важнейших при проектировании облучающих ус­тройств. Выбор того или иного типа источника излучения определяется путем оценки физиологической эффективности его спектраль­ных характеристик при воздействии на растения. Выбор того или иного типа источника излучения определяется путем оценки физиологической эффективности его спектраль­ных характеристик при воздействии на растения. Такая оценка должна основываться на учете влияния спектра излучения ламп на процессы фотосинтеза, роста и формирования растений.

Рис. 1 – Структурная схема исследовательской установки

Можно сформулировать следующие основные требования, предъявляемые к разработке устройств для облуче­ния растений в искусственной среде:

1.Искусственные источники света для облучения растений должны иметь высокую физиологическую эффективность воздей­ствия на растения, позволяющую получать максимальные уро­жаи их хозяйственно полезной части.

2.Эти искусственные источники света должны характеризо­ваться большими значениями коэффициентов использования по­требляемой электрической энергии на создание потока физиологической радиации ФР.

3.Системы коррекции спектрального состава излучения ис­кусственных источников света, его перераспределения в пространстве, а также отвода высокотемпературного тепла из облу­чающих устройств должны быть высокоэффективными в работе и уменьшать потери лучистой энергии, идущей на образование физиологически активного облучения растений.

4.Пускорегулирующая аппаратура, используемая для работы с газоразрядными источниками света, должна иметь малые поте­ри электроэнергии в балластных устройствах, быть простой по устройству и надежной в эксплуатации

При одинаковых микроклиматических условиях (полном обеспечении питательными веществами и влагой, посто­янной температуре и одинаковом количестве СО₂ в воздухе) ин­тенсивность фотосинтеза определяется как величиной облучен­ности, так и ее спектральным составом. Качество радиации определяется теми воздействиями, которые производят интенсивность, спек­тральный состав и длительность облучения на процессы роста и развития растений. Если растение облучать неравномерным по интенсивности лучистым потоком, то на более затененной стороне его образуется больше ауксина, чем на освещенной. Это вызовет более интенсивный рост с затененной стороны и создаст искривленную по направлению к свету форму стебля или листа (явление фототропизма). Регуляторная роль света в жизни рас­тений иллюстрируется также явлениями фотопериодизма.

Мате­риалы по исследованию этого процесса показывают, что, меняя дли­тельность и интенсивность облучающей радиации, можно влиять на продолжительность вегетационного периода и на соотношение между весом надземных и подземных органов растений, а также управлять их формообразованием. В работе [2] приводятся результаты иссле­дований о роли двух спектральных систем лучистой радиации в регулировании самых разнообразных процессов жизнедеятель­ности растений (прорастание семян, вытягивание стебелька, рост листа, образование хлорофилла, клеточное деление, синтез ряда веществ, фотопериодические реакции). Показано, что при крат­ковременном действии более активна роль системы красное — дальнее красное излучение; при длительном — системы синее — дальнее красное.

Большой путь технического совершенствования прошли источники искусственного света: от кероси­новых ламп, газовых горелок и угольных дуг, применявшихся на первых этапах исследований, до мощных галогенных ламп нака­ливания, дуговых ксеноновых, ртутно-галлоидных, натриевых ламп высокого давления и светодиодных излучателей, использующихся в настоящее время при облучении растений в фитотронах и установках с контроли­руемыми и регулируемыми условиями среды. В результате ис­следований, проведенных в камерах и фитотронах при различ­ных интенсивностях физиологической радиации (до 600 вт/м²) и разной продолжительности фотопериода (8—24 ч), было выяв­лено [5], что оптимальная облученность для расте­ний (в условиях постоянства оптимальной дозы суточной радиа­ции, равной 300-350 кал/см²) варьирует в зависимости от длины фотопериода: она уменьшается от 300—350 вт/м² до 50-150 вт/м² с увеличением длины дня от 8-10 до 24 ч.

Спектральные характеристики натриевых и светодиодных облучателей приведено на рис. 2.

Рис.2 - Спектральные характеристики натриевых и светодиодных облучателей

В результате дальнейшего совершенствования методов бизнес-инжиниринга применительно к системам культивирования растений в искусственной среде и в значительной сте­пени благодаря применению специально разработанных техни­ческих систем для автоматического получения информации от растений об интенсивности их физиологических процессов в настоящее время появился и завоевывает признание у биологов новый способ культивирования растений и их посевов. При этом способе контроль и регулирование фак­торов внешней среды осуществляются с оперативным учетом ре­акций растений на их воздействия. В комплекс устройств, обес­печивающих эксперименты с растениями, входят датчики интенсивности физиологических процессов и аппаратура си­стем автоматического самонастраивающегося регулирования. Этот способ обеспечивает все условия для управляемого культи­вирования растений в искусственной среде. Он позволяет вести ис­следования с растениями, используя возможности последних са­мим участвовать в автоматическом управлении факторами внеш­ней среды для себя. Применение способа управляемого культи­вирования растений и их посевов в искусственной среде открыва­ет реальные перспективы для успешного решения проблем светокультуры растений на базе методов бизнес-инжиниринга.

Литература

1.Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2011 – 242с.

2..Рождественский В. И., Клешнин А. Ф. Управляемое культивирование растений в искусственной среде/ Наука. -М., 2000 – 199 с.

3.Гулин С.В., Пиркин А.Г. Методология бизнес-инжиниринга энергосистем сельскохозяйственного потребителя. – СПб.: СПбГАУ, 2019. – 94с.

4.Загоровская В.В. Тепличная эволюция: инновации на рынке оборудования для закрытого грунта // Агротехника и технологии – 2017, -.№2 – С.17-19

5.Гулин С.В. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений// Известия МААО, №18 – 2013 – с.8 -11.

6. Вейнерт Д. Светодиодное освещение. – Philips, 2010 – 156 с.

Код для цитирования: Скопировать