Базовая биология растений

В этом разделе кратко излагаются основные части растения, а затем обсуждается питание растений (рис. 6.3). Дальнейшее обсуждение выходит за рамки данной публикации, но более подробную информацию можно найти в разделе «Дальнейшее чтение».

Базовая анатомия растений и функции

Корни

Корни поглощают воду и минералы из почвы. Крошечные корневые волоски торчат из корня, помогая процессу поглощения. Корни помогают закрепить растение в почве, предотвращая его падение. Корни также хранят дополнительную пищу для будущего использования. Корни в безпочвенной культуре показывают интересные отличия от стандартных наземных растений. В безпочвенной культуре вода и питательные вещества постоянно поступают в растения, которые облегчают поиск питательных веществ и могут расти быстрее. Рост корней в гидропонике может быть значительным для интенсивного поглощения и оптимальной доставки фосфора, что стимулирует их рост. Стоит отметить, что корни сохраняют почти 90 процентов поглощаемых растениями металлов, к которым относятся железо, цинк и другие полезные микроэлементы.

Стебли

Стебли являются основной опорной структурой завода. Они также выполняют функции сантехнической системы завода, проводя воду и питательные вещества из корней в другие части растения, а также транспортируя продукты питания из листьев в другие районы. Стебли могут быть травянистыми, как изгибаемый стебель ромашки, или древесными, как ствол дуба.

Листья

Большая часть пищи в растении производится в листьях. Листья предназначены для улавливания солнечного света, который растение затем использует для приготовления пищи через процесс, называемый фотосинтезом. Листья также важны для транспирации воды.

Цветы

Цветы являются репродуктивной частью большинства растений. Цветки содержат пыльцу и крошечные яйца, называемые яйцами. После опыления цветка и оплодотворения яйцеклетки превращаются в плод. В безпочвенных методах оперативная доставка калия перед цветением может помочь растениям иметь лучшие фруктовые условия.

Фрукты/семена

Плоды представляют собой сформированные части яичников цветка, которые содержат семена. К фруктам относятся яблоки, лимоны и гранаты, но также относятся помидоры, баклажаны, ядра кукурузы и огурцы. Последние считаются фруктами в ботаническом смысле, поскольку они содержат семена, хотя в кулинарном определении их часто называют овощами. Семена являются репродуктивной структурой растений, а плоды служат для распространения этих семян. Плодоносные растения имеют разные потребности в питательных веществах, чем листовые зеленые овощи, особенно требуют большего количества калия и фосфора.

Фотосинтез

Все зеленые растения предназначены для получения собственной пищи с помощью процесса фотосинтеза (рис. 6.4). Фотосинтез требует кислорода, углекислого газа, воды и света. Внутри растения находятся небольшие органеллы, называемые хлоропластами, которые содержат хлорофилл, фермент, который использует энергию солнечного света, чтобы разрушить атмосферный углекислый газ (CO₂) и создать высокоэнергетические молекулы сахара, такие как глюкоза. Важное значение для этого процесса имеет вода (H₂O). Этот процесс высвобождает кислород (O₂) и несет историческую ответственность за весь кислород в атмосфере. После создания молекулы сахара транспортируются по всему растению и затем используются для всех физиологических процессов, таких как рост, размножение и метаболизм. В ночное время растения используют те же сахара, а также кислород, чтобы генерировать энергию, необходимую для роста. Этот процесс называется дыханием.

Крайне важно найти аквапоник в месте, где каждое растение будет иметь доступ к солнечному свету. Это обеспечивает достаточную энергию для фотосинтеза. Вода всегда должна быть доступна корням через систему. Диоксид углерода свободно доступен из атмосферы, хотя в очень интенсивной внутренней культуре возможно, что растения используют весь углекислый газ в закрытой зоне и требуют вентиляции.

Требования к питательным веществам

В дополнение к этим основным требованиям для фотосинтеза, растения нуждаются в ряде питательных веществ, также называемых неорганическими солями. Эти питательные вещества необходимы для ферментов, которые способствуют фотосинтезу, для роста и размножения. Эти питательные вещества могут быть получены из почвы. Однако, в отсутствие почвы, эти питательные вещества должны быть поставлены другим способом. В аквапонике все эти основные питательные вещества поступают из рыбных отходов.

Существуют две основные категории питательных веществ: макроэлементы и микроэлементы. Оба вида питательных веществ необходимы для растений, но в разных количествах. Необходимы гораздо большее количество шести макроэлементов по сравнению с микроэлементами, которые необходимы только в следовых количествах. Хотя все эти питательные вещества содержатся в твердых рыбных отходах, некоторые питательные вещества могут быть ограничены по количеству в аквапонике и приводить к дефициту, например, калий, кальций и железо. Базовое понимание функции каждого питательного вещества важно, чтобы понять, как они влияют на рост растений. В случае нехватки питательных веществ важно определить, какой элемент отсутствует или отсутствует в системе, и соответствующим образом скорректировать систему путем добавления дополнительных удобрений или увеличения минерализации.

Макронутриенты

Есть шесть питательных веществ, которые растения нуждаются в относительно больших количествах. Этими питательными веществами являются азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. Следующее обсуждение описывает функции этих макроэлементов внутри растения. Симптомы недостатков также перечислены, чтобы помочь выявить проблемы.

**Азот (N) ** является основой всех белков. Он необходим для строительства структур, фотосинтеза, роста клеток, метаболических процессов и производства хлорофилла. Таким образом, азот является наиболее распространенным элементом в растении после углерода и кислорода, оба из которых получают из воздуха. Таким образом, азот является ключевым элементом аквапонного питательного раствора и служит в качестве простого в измерении косвенного показателя для других питательных веществ. Обычно растворенный азот находится в виде нитрата, но растения могут использовать умеренные количества аммиака и даже свободные аминокислоты, чтобы обеспечить их рост. Недостаток азота очевиден и включает пожелтение старых листьев, тонких стеблей и плохую энергию (рис. 6.5a). Азот может быть перераспределен в растительных тканях и, следовательно, мобилизован из старых листьев и доставлен в новый рост, поэтому недостатки наблюдаются в более старом росте. Переизбыточное количество азота может привести к избыточному вегетативному росту, что приводит к пышным мягким растениям, восприимчивым к болезням и повреждениям насекомых, а также к затруднениям в цветочном и фруктовом наборе.

**Фосфор (Р) ** используется растениями как основа ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), как структурный компонент фосфолипидных мембран, а также как аденозинтрифосфат (компонент для хранения энергии в клетках). Это имеет важное значение для фотосинтеза, а также образования масел и сахаров. Он стимулирует прорастание и развитие корней в саженцах. Недостаток фосфора обычно вызывает плохое развитие корней, поскольку энергия не может быть правильно транспортирована через растение; старые листья выглядят тусклыми зелеными или даже фиолетово-коричневыми, а кончики листьев выглядят сгоревшими.

**Калий (К) ** используется для сигнализации клеток через контролируемый ионный поток через мембраны. Калий также контролирует отверстие желудка и участвует в цветочном и фруктовом наборе. Он занимается производством и транспортировкой сахара, водозабором, устойчивостью к болезням и созреванием плодов. Дефицит калия проявляется в виде сожженных пятен на старых листьях и плохой энергии и тургора растений (рис. 6.5b). Без калия цветы и фрукты не будут развиваться правильно. На краях можно наблюдать межвеальный хлороз, или пожелтение между венами листьев.

**Кальций (Ca) ** используется как структурный компонент как клеточных стенок, так и клеточных мембран. Он участвует в укреплении стеблей и способствует развитию корней. Недостатки широко распространены в гидропонике и всегда очевидны в новейшем росте, потому что кальций неподвижен внутри растения. Примерами дефицита являются ожог салата и цветущая гниль томатов и кабачков. Часто новые листья искажаются с крючковатыми кончиками и неправильной формы. Кальций можно транспортировать только через активную транспирацию ксилемы, поэтому, когда условия слишком влажные, кальций может быть доступен, но блокирован, потому что растения не переходят. Увеличение потока воздуха с вентиляторами или вентиляторами может предотвратить эту проблему. Добавление кораллового песка или карбоната кальция может использоваться для дополнения кальция в аквапонике с дополнительным преимуществом буферизации рН.

**Магний (Mg) ** является центральным электронным акцептором в молекулах хлорофилла и является ключевым элементом фотосинтеза. Недостатки можно рассматривать как пожелтение листьев между венами, особенно в старых частях растения. Хотя концентрация магния иногда невелика в аквапонике, он, по-видимому, не является ограничивающим питательным веществом, и добавление магния в систему, как правило, является ненужным.

**Сера (S) ** имеет важное значение для производства некоторых белков, включая хлорофилл и другие фотосинтетические ферменты. Аминокислоты метионин и цистеин содержат серу, которая способствует третичной структуре некоторых белков. Недостатки редки, но включают общее пожелтение всей листвы в новом росте (рис. 6.5c). Листья могут стать желтыми, жесткими и ломкими, а также упасть.

Микроэлементы

Ниже приведен список питательных веществ, которые необходимы только в следовых количествах. Большинство недостатков в питательных микроэлементах связано с пожелтением листьев (таких как железо, марганец, молибден и цинк). Однако дефицит меди приводит к тому, что листья затемняют свой зеленый цвет.

**Железо (Fe) ** используется в хлоропластах и электронной транспортной цепи и имеет решающее значение для правильного фотосинтеза. Недостатки рассматриваются как интервентивное пожелтение, за которым следует вся листва, которая становится бледно-желтой (хлоротической) и, в конечном итоге, белой с некротическими пятнами и искаженными краями листьев. Поскольку железо является неподвижным элементом, недостатки железа (рис. 6.5d) легко идентифицируются, если новые листья кажутся хлоротическими. Железо нужно добавлять как хелатное железо, иначе известное как секвестрированное железо или FeiEdta, так как железо способен осаждать при рН более 7. Предлагаемое добавление составляет 5 миллилитров на 1 м² растительного слоя при подозрении на недостатки; большее количество не наносит вреда системе, но может вызвать изменение цвета резервуаров и труб. Высказывается предположение о том, что погружные магнитно-приводные насосы могут поглощать железо и являются предметом современных исследований.

**Марганец (Mg) ** используется для катализации расщепления воды во время фотосинтеза, поэтому марганец имеет важное значение для всей системы фотосинтеза. Недостатки проявляются как снижение темпов роста, тусклый серый вид и интервентное пожелтение между жилками, которые остаются зелеными, с последующим некрозом. Симптомы схожи с дефицитом железа и включают хлороз. Употребление марганца является очень низким при рН более 8.

**Бор (B) ** используется в качестве своего рода молекулярного катализатора, особенно участвует в структурных полисахаридах и гликопротеинах, транспортировке углеводов и регулировании некоторых метаболических путей в растениях. Он также участвует в размножении и поглощении воды клетками. Недостатки могут рассматриваться как неполное развитие бутона и цветочный набор, прерывание роста и некроз кончиков, а также некроз стеблей и корней.

**Цинк (Zn) ** используется ферментами, а также хлорофиллом, что влияет на общий размер растений, рост и созревание. Недостатки могут быть отмечены как недостаточная энергичность, задержка роста с уменьшением межузловой длины и размера листьев, а также внутривенный хлороз, которые могут быть спутаны с другими недостатками.

**Медь (Cu) ** используется некоторыми ферментами, особенно при размножении. Это также помогает укрепить стебли. Недостатки могут включать хлороз и кончики коричневых или оранжевых листьев, снижение роста плодов и некроз. Иногда дефицит меди проявляется как аномально темно-зеленый рост.

**Молибден (Mo) ** используется растениями, чтобы катализировать окислительно-восстановительные реакции с различными формами азота. Без достаточного молибдена растения могут проявляться симптомы дефицита азота, хотя азот присутствует. Молибден биологически недоступен при рН менее 5.

Наличие многих из этих питательных веществ зависит от pH (см. раздел 6.4 о наличии в зависимости от pH), и, хотя питательные вещества могут присутствовать, они могут быть непригодны для использования из-за качества воды. Более подробную информацию о недостатках питательных веществ, не относящихся к данной публикации, см. в разделе «Дальнейшее чтение» для иллюстрированных руководств по идентификации.

Аквапоники источников питательных веществ

Азот поступает на аквапонные растения в основном в виде нитратов, превращаемых из аммиака рыбных отходов путем бактериальной нитрификации. Некоторые другие питательные вещества растворяются в воде из рыбных отходов, но большинство остаются в твердом состоянии, недоступном для растений. Твердые рыбные отходы разбиваются гетеротрофными бактериями; это действие высвобождает необходимые питательные вещества в воду. Лучший способ обеспечить, чтобы растения не страдали недостатками, это поддерживать оптимальный уровень рН воды (6-7) и кормить рыбу сбалансированным и полным питанием, а также использовать соотношение скорости корма, чтобы сбалансировать количество корма для рыб к растениям. Однако со временем даже идеально сбалансированная аквапонная система может стать дефицитом некоторых питательных веществ, чаще всего железного калия или кальция.

Недостатки в этих питательных веществах являются результатом состава корма для рыб. Кормовые гранулы (обсуждаемые в главе 7) являются полноценным кормом для рыбы, что означает, что они обеспечивают все, что нужно для выращивания рыбы, но не обязательно все необходимое для роста растений. Рыбе просто не нужно то же количество железа, калия и кальция, что растения требуют. Таким образом, могут возникать недостатки в этих питательных веществах. Это может быть проблематичным для растениеводства, однако существуют решения для обеспечения надлежащего количества этих трех элементов.

Как правило, железо регулярно добавляется в качестве хелатного железа в аквапонную систему для достижения концентрации около 2 мг/л. Кальций и калий добавляются при буферизации воды до правильного pH, так как нитрификация является подкисляющим процессом. Они добавляются как гидроксид кальция или гидроксид калия, либо как карбонат кальция и карбонат калия (более подробную информацию см. в главе 3). Выбор буфера может быть выбран в зависимости от типа растения, выращиваемого, так как листовым овощам может потребоваться больше кальция, а плодоовощным растениям больше калия. Кроме того, в главе 9 обсуждается, как производить простые органические удобрения из компоста для использования в качестве добавок к рыбным отходам, обеспечивая, чтобы растения всегда получали нужное количество питательных веществ.

• Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *