Сучасні підходи до створення штучних біогеоценозів

Размещено на http://www.allbest.ru/

біогеоценоз антропогенний рослина екосистема

СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО СТВОРЕННЯ ШТУЧНИХ БІОГЕОЦЕНОЗІВ

Антропогенний вплив спричинив глобальну трансформацію навколишнього середовища. Екологічні наслідки техногенезу вийшли за регіональні й державні кордони, стали потужним ландшафтоутворювальним і геополітичним фактором. На думку К. Віктор [1], людство впритул підійшло до тієї межі, за якою зміни навколишнього середовища можуть прийняти катастрофічний і незворотний характер, а тому вирішення двох головних проблем -- продовольчої і природоохоронної -- можливе лише на основі всебічного вивчення законів організації і функції біогеоценозів як основних компонентів біосфери. Насамперед необхідні детальні дослідження штучних біогеоценозів для модельного вивчення їх як об'єктів управління [2, 3]. Підходи до моделювання екосистем, що нині існують, не дають змоги повною мірою проаналізувати їх складові, а саме ґрунт, добрива і рослину, у взаємозв'язку із зовнішнім середовищем як адаптивну цілеспрямовано розвинуту систему, оскільки пристосованість ґрунту і рослинних угруповань до певних біогеоценозів важко піддається апроксимації [4, 5]. Крім того, нестаціонарність природних біоекосистем не уможливлює параметричну ідентифікацію процесів їх функціонування і структуроутворення з використанням наявної теорії моделювання.

Пошуки моделі для виявлення зв'язку в природі -- актуальне завдання, вирішення якого дасть змогу прогнозувати будь-які зміни в екосистемі під впливом різних факторів зовнішнього середовища. При цьому виникають також і певні труднощі, а саме:

відсутність даних щодо того, який набір параметрів найповніше характеризує біогеоценоз;

динамічна взаємодія багатьох чинників;

неоднорідність походження екосистем.

Тому навіть незначні порушення зв'язку між ґрунтом, рослинами і факторами навколишнього середовища ускладнюють формалізацію біогеоценозу. Зокрема, побудові формальних зв'язків між середовищем і властивостями Ґрунтів заважає динамічність деяких ґрунтових показників, таких, як кислотність, щільність, вміст гумусу, обмінних основ і рухливих форм різних сполук.

З нашого погляду, створення і дослідження штучних екосистем можна здійснити при використанні як модельних об'єктів замінників Грунту із заданими фізико-хімічними і біологічними параметрами та рослин різного екотипу. Найперспективніші для цього інертні волокнисті субстрати. Для їх впровадження як одного із компонентів штучного біогеоценозу потрібно розробити основні підходи до формування складу субстрату, його конструкційних особливостей, які визначають доцільність застосування того або іншого набору інгредієнтів для вирощування рослин різних екотипів і морфоструктур. При створенні замінників ґрунту відбирають волокнисті матеріали органічної і мінеральної природи, що пов'язано з практично необмеженими джерелами сировини та простою технологією виготовлення субстратів. Використання різних волокон у комбінації із зв'язником та біологічно активними сполуками дає змогу отримувати безліч варіантів штучних ґрунтів, які істотно різняться за водно-повітряним режимом, іонообмінними властивостями і забарвленням. Можливість змоделювати при конструюванні штучних Ґрунтів фізико-хімічні і біологічні процеси передбачає розроблення збалансованих за хімічним складом органо-мінеральних добрив пролонгованої дії та проведення детального аналізу їх взаємодії із замінниками ґрунту і рослинами в межах біогеоценозу.

Стерильність субстратів і наявність керованих фізичних й хімічних параметрів дає змогу застосовувати їх як елемент штучного біогеоценозу для умов невагомості. Нині особливої актуальності набувають розробки, пов'язані зі створенням біологічних систем життєзабезпечення людини під час тривалого перебування у космічному польоті, які неможливо вирішити без дослідження структурно-функціональної організації замкнутої екосистеми та аналізу взаємодії зовнішнього середовища з усіма ланками, що її формують, а саме замінником ґрунту, добривами і рослинами. Попередні результати космічних досліджень довели існування двох можливих факторів, що спричинюють пригнічення росту і розвитку рослин:

недосконалість технології культивування різних видів у невагомості та відсутність оптимальних для цих умов замінників ґрунту;

токсична дія мікродомішок атмосфери космічних апаратів на рослини.

У зв'язку з цим виникає нагальна потреба у вивченні закономірностей життєдіяльності вищих рослин у штучно створених біогеоценозах при імітованій мікрогравітації для розкриття механізмів їх самоконтролю і саморегуляції в умовах невагомості та створення теоретичних передумов космічної біотехнології.

З урахуванням вищевикладеного проведення різнобічних досліджень процесів структуроутворення штучних біогеоценозів із використанням комплексного підходу до їх організації на фізичному, хімічному і біологічному рівні дає можливість не лише зрозуміти механізми складної взаємодії і взаємозалежності всіх складових екосистеми, а й розробити інформаційно-ресурсні концептуальні моделі для аналізу та ідентифікації функціонування біологічних систем за певних умов зовнішнього середовища, у тім числі й екстремальних, зокрема мікрогравітації. Крім того, волокнисті замінники ґрунту перспективні для вирощування рослин на територіях, забруднених важкими металами, у непридатних для рослинництва зонах -- пустелях, гірській місцевості, для вивчення замкнутих екосистем, а у майбутньому -- для освоєння космічного простору.

Формування структурно-функціональних основ штучних біогеоценозів, а також аналіз усіх існуючих живих систем можна здійснити лише за умов детального дослідження трьох рівнів їх організації, а саме: організменного, популяційного й екосистемного [2]. У межах цих систем відбуваються всі біохімічні, фізіологічні, біогеоценотичні, біофізичні, біогеохімічні та інші процеси, які забезпечують існування й еволюцію біосфери. Модельний підхід до створення штучних біогеоценозів дає змогу не лише спостерігати зміни, які відбуваються у часі і просторі функціональної організації будь-якої екобіосистеми, а й дослідити розвиток їх структури і диференціацію біотичних блоків, проаналізувати матеріально-енергетичний та інформаційний взаємозв'язок усіх складових компонентів, простежити механізми самоконтролю і саморегуляції.

Вивчення особливостей функціонування культурбіогеоценозів під впливом факторів навколишнього середовища, визначення порогів чутливості екосистеми до зовнішніх збуджень, пошук шляхів підвищення їх адаптаційної здатності передбачає поліпшення умов існування людини і має, безперечно, величезне теоретичне і прикладне значення. Крім того, розробка теоретичних аспектів побудови штучних біогеоценозів надає можливість здійснити доцільне моделювання біогеоценотичних процесів і провести їх математичний опис у межах еволюційних перетворень біогеоценотичних систем. На сьогодні екологічний прогноз не здатний передбачити та оцінити наслідки антропогенного впливу на біосферу та всі її системи, оскільки питанням технічного оснащення і математичного забезпечення приділялось дуже мало уваги [3]. Перед біогеоценологією встають надзвичайно важливі наукові і практичні проблеми, пов'язані з моделюванням і прогнозуванням природних екологічних процесів як в окремих екосистемах, так і біосфері загалом, дослідженням впливу зовнішнього середовища на ці процеси, створенням штучних біогеоценозів із керованими властивостями, пошуком методів управління екологічними процесами для оптимізації структурно-функціональної організації екосистем різного рівня складності. Розумний вплив на природні системи можливий тільки за умов досконало продуманої, детально розрахованої і бездоганно спланованої еталонної системи [4, 5]. Отже, лише всебічний науковий аналіз природних систем і впровадження сучасних методів дослідження особливостей їх будови дасть змогу розробити штучні біогеоценози для ґрунтовного вивчення антропогенних процесів.

У зв'язку з цим метою нашої роботи було створення структурно-функціональних основ формування модельних біогеоценозів із залученням методів системного аналізу процесів, що відбуваються у штучній екосистемі під впливом життєдіяльності рослин і факторів зовнішнього середовища. На думку М.А. Голубця [3], пізнання структурно-функціональної організації екосистеми різного типу має починатися з найпростішої і зручної для вивчення системи -- індивідуальної консорції. Тому свою науково-дослідну роботу ми переважно зосередили на вивченні всіх компонентів змодельованого культурбіогеоценозу -- замінників грунту, органомінеральних добрив, біологічно активних сполук і рослин різного екотипу -- з детальним аналізом фізико-хімічних, біохімічних, біофізичних, мікробіологічних, молекулярно-біологічних процесів формування штучної екосистеми та дослідженням її дієздатності в умовах закритих систем, у тім числі в умовах невагомості.

ПЕРСПЕКТИВНИХ ДЛЯ формування Штучних БІОГЕОЦЕНОЗІВ

Як зазначалось, організація структури штучного біогеоценозу передбачає детальне дослідження всіх ланок, що його формують: ґрунту з керованими параметрами, системи добрив і рослин у взаємодії з умовами зовнішнього середовища. Модельний підхід до вивчення структуроутворення біологічних систем дає змогу розробити механізми керування обмінними процесами рослин і прогнозувати поведінку екосистеми за будь-яких умов, у тім числі й екстремальних.

Метод вирощування рослин без ґрунту відомий ще з XIX ст. Німецький вчений V. Іле досліджував вплив мінеральних речовин на ріст і розвиток рослин, застосовуючи штучні живильні середовища. Можливість культивування овочів без грунту на живильних розчинах встановлена багатьма дослідами. Завдяки роботам Д.І. Прянишникова [6| метод водних і піщаних культур широко увійшов у практику лабораторних досліджень. Перше практичне застосування цього методу було здійснене у 1921 р. на сільськогосподарській дослідній станції Род-Айленд (СІІІА). У напіввиробничих умовах теплиць метод водних культур у 1929 р. вперше використав учений Каліфорнійського університету \У. Сегіко |7|, назвавши його "гідропоніка", що в перекладі означає "робота з водою".

У СРСР досліди з вирощування овочів на водних розчинах мінеральних солей у 1939 р. розпочали наукові співробітники Ленінградського університету В.А. Чесноков і О.Н. Бодарина (цит. за: [8]), які розробили і запропонували для практичного застосування свій живильний розчин.

З 1956 р. розгорнулася велика науково-дослідна робота з вивчення особливостей вирощування рослин у теплицях на різних твердих нейтральних субстратах -- гравії, піску, гранітному щебені, керамзиті, вермикуліті. Слід зауважити, що термін "гідропоніка" можна з повним правом віднести лише до водної культури. Вирощування рослин на ґрунтових субстратах, гранульованих мінеральних і синтетичних матеріалах стоїть ближче до звичайної ґрунтової культури, ніж до водної, оскільки в природних ґрунтових системах циркулюють розчини, подібні за хімічним складом до застосованих живильних середовищ, тому всі ці методи культивування вірогідніше назвати рослинництвом без грунту [8].

Нині існує велика кількість методів вирощування рослин без ґрунту, які різняться за структурою, способом подачі живильного розчину, системою закріплення рослин, а також конструкційним рішенням окремих вузлів культиваційних пристроїв. Для їх систематизації залежно від складу середовища і способу живлення був запропонований поділ на три групи: гідропоніку, аеропоніку й агрегатопоніку [9].

Гідропоніка включає метод водних культур, який широко застосовується у лабораторній практиці при вивченні процесів мінерального живлення рослин. Громіздкість і малий ступінь надійності в експлуатації не дають змоги широко запровадити його у виробництво.

Особливість аеропоніки полягає в тому, що рослини вирощують у невеликому об'ємі гранульованого субстрату; корені вільно звисають і можуть періодично зволожуватися живильним розчином. Через свою невисоку надійність цей метод також дуже обмежено використовується, головним чином для поліпшення газового режиму коренів. Він включає аероагрегатні та аерозольні культури, до яких можна віднести і різновиди повітряної культури [10].

Найбільш поширена агрегатопоніка. Суть її полягає в тому, що рослини вирощують на гранульованих субстратах, в які періодично додають живильний розчин. Серед методів вирощування рослин без ґрунту агрегатопоніка найближче стоїть до ґрунтової культури, її можна розглядати як ґрунтову модель [11-- 16]. Проте на відміну від природного ґрунту гранульовані субстрати мають у сотні разів меншу питому поверхню і значно менше сорбують легкодоступні для рослин мінеральні речовини. Агрегатопоніка включає такі технологічні процеси: органокульту-ра -- культивування на природних органічних субстратах (торф, мох, тирса); літокультура -- вирощування на твердих мінеральних або синтетичних матеріалах; аерогідролітна культура, яка об'єднує позитивні властивості всіх трьох методів вирощування рослин без ґрунту. До них належить і ґнотова культура -- вирощування рослин на тонких гідрофільних плівках, що зволожуються внаслідок капілярного підняття води і розчину [17--19].

У сучасних умовах світового промислового рослинництва захищеного ґрунту розробка і застосування штучних субстратів як замінників ґрунтів здійснюється у декількох напрямах. З одного боку, субстратами є високомолекулярні органічні сполуки типу спіненого полістиролу [20], поліуретану, поліпропілену [21], термопластичних полімерів, а також іонообмінники -- іонітні смоли [22--24]. З іншого боку, як ґрунтозамінники успішно застосовують гранульовані матеріали неорганічного походження -- перліт, вермикуліт, керамзит, базальтовий гравій, пісок, гранітний щебінь, вулканічні шлаки, доломітовий вапняк [25--33], цеоліт [34, 35].

Можлива велика варіабельність складу ґрунтосумішей внаслідок поєднання синтетичних і мінеральних матеріалів. Зокрема, на основі гранульованих іонообмінних матеріалів синтетичного і природного походження з додатковим внесенням макро- і мікроелементів розроблено штучний ґрунт "Біон" [36, 37].

Проте субстрати, отримані з вищеперерахованих матеріалів, мають деякі істотні вади: низька сорбція біогенних елементів, незначна буферність, недостатня водопоглинальна здатність, тенденція до засолення [38--50]. Так, при тривалому використанні щебеню і гравію спостерігається засолення, підвищення токсичності субстратів у результаті накопичення в них органічних за-лишків і продуктів життєдіяльності мікроорганізмів [51, 52]. Керамзит і перліт не мають достатньої механічної міцності, а внаслідок їх високої пористості накопичуються мінеральні солі. Крім того, перліт містить велику кількість іонів натрію, здатних вимиватися розчином, що призводить до підлуговування кореневого середовища [53, 54].

Серед синтетичних матеріалів найперспективнішим є поліуретан. Велика пористість пресованого поліуретану внаслідок чергування ділянок з відносно низькою і високою щільністю підвищує капілярні властивості матеріалу і позитивно позначається на рості й розвитку рослин [55, 56]. Полівінілформаль завдяки оптимальному поєднанню фізичних властивостей -- монолітності, гідрофільності, малої об'ємної маси і відсутності закритих пор -- можна застосовувати як субстрат для вирощування багатьох видів рослин [57, 58]. Сечовиноформальдегідні пінопласти також мають відкриту пористу структуру і низьку об'ємну масу (торгові марки субстратів, що випускаються промисловістю, -- гігромуль, піатерм (Німеччина), флорамуль (СІЛА)) [45, 59, 60].

Для вирощування вигоночних культур у рослинництві закритого грунту використовують різноманітні плетені й неплетені матеріали промислового виробництва (так званий агротекстиль) із додаванням пластмаси [61, 62]. Для культивування рослин застосовують також блоки із поліефірних і поліетилефірних волокон [63, 64|.

У більшості країн світу основою тепличного субстрату є різні види торфу та інші органічні матеріали [65--67|. В овочівництві закритого грунту деяких європейських країн (Україна, Фінляндія, Нідерланди, Польща) широкого використання для культивування рослин набув верховий торф з мінеральними солями. У Німеччині при створенні ґрунтових сумішей застосовують низинний і верховий торф, пінисту формальдегідсечовину (пінопласт типу N0), морський мул, компост із соснової кори. Субстрат з удосконаленими фізичними властивостями отримують у разі поєднання низинного торфу, сухої соснової кори і сечови-ноформальдегідної піни. У Болгарії для вирощування розсади впровадили суміші із перегнійної і дернової землі з додаванням 20 % перліту. В Австрії для упорядкування ґрунтів використовують як сфагновий (із незначним ступенем розкладання), так і низинний торф (рН 3,0--4,5). Постійний ріст цін на паливо викликав підвищений інтерес до застосування різаної соломи і солом'яних тюків, особливо при вирощуванні огірків [68, 69]. Такий субстрат унаслідок поступової деструкції соломи забезпечує сприятливі режими живлення і температури, але його впровадження стримують значні витрати праці при підготовці до використання (попередній полив, внесення мінеральних добрив, прополювання у разі повторного використання). Разом із торфом і солом'яними тюками в овочівництві закритого ґрунту застосовують відходи деревообробної промисловості, а також буре вугілля і міське сміття [70, 71].

Останнім часом замінниками ґрунту часто слугують різноманітні волокнисті матеріали: скловолокно, азбестові волокна, а також волокна, отримані з розплаву гірських порід [72, 73]. Розроблена в Данії в 1979 р. мінеральна вата (гродан) застосовується в Німеччині, Швеції, Великій Британії, Франції, Нідерландах, Швейцарії, Болгарії для гідропонного вирощування овочґв [74--78]. Гродан складається з діабазу або базальту, вапняку і коксу з додаванням фенолформальдегідної смоли як зв'язника. У цьому субстраті створюються оптимальні умови для життєдіяльності кореневої системи рослин -- високе водопоглипання, задовільна аерація [79-- 82|. Гродан випускають у вигляді матів, блоків, горщиків.

В Україні наукові співробітники Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського Г.В. Сандул і С.М. Свєшніков розробили вітчизняний мінераловатний субстрат гравілен [83].

При вирощуванні рослин як ґрунт використовують також волокнистий матеріал, що має просторову конфігурацію волокон [84]. Основними перевагами культивування рослин на мінераловатних субстратах порівняно з традиційними насипними ґрунтами є значне зменшення маси субстрату, його стерильність, ощадлива витрата води і мінеральних добрив, можливість застосування високоефективного краплинного поливу [85, 86].

Водночас вітчизняні і закордонні мінераловатні субстрати, що випускаються промисловістю, мають деякі вади, зокрема значну усадку при багаторазовій експлуатації і погіршення у зв'язку з цим водно-повітряного режиму, а також незадовільні санітарно-гігієнічні норми, внаслідок чого значно обмежується сфера їх впровадження.

З метою усунення швидкого утворення фітотоксичної мікрофлори і забезпечення збалансованого мінерального живлення при тривалому вирощуванні різних видів рослин застосовують комбіновані субстрати з інертних матеріалів: для пророщування насіння використовують мінеральну вату із додаванням перліту і вермикуліту [87]; для регулювання рН і поліпшення структури субстрату вносять фенол формальдегідну смолу типу "Оазіс" [88].

Нині для вирощування рослин запропоновані нові види штучних волокнистих субстратів. їх виготовляють із мінеральних і органічних волокон різного типу, таких, як нитки, тканини, неткані матеріали, відходи текстильної промисловості [89]. Як базовий компонент при виготовленні волокнистого субстрату пропонують брати іонообмінні волокна на основі целюлози [90, 91], поліакрилонітрильні волокна, до яких можна додавати мінеральні солі, поліпропіленові волокна |92, 93|, хімічно і мікробіологічно інертні волокна типу акрильних [94]. Доведено, що поліакрилонітрильні та поліамідні іонообмінні волокна найперспективні-ші для одержання штучних замінників ґрунту з тривалим терміном експлуатації завдяки високій поглинальній здатності.

Субстрати на основі подрібнених відходів текстильного виробництва успішно використовують при вирощуванні овочевих і декоративних культур [95].

Головною проблемою, що виникає при застосуванні синтетичних волокнистих матеріалів як кореневого середовища, є зростаюча згодом фітотоксичність і заростання поверхні субстрату синьозеленими водоростями. Для запобігання розвитку водних організмів волокнисті матеріали обробляють комплексами металів [96], а для надання волокнам бактерицидних властивостей вносять розчин метилтолуолсульфанату [97].

Проведений літературний і патентно-ліцензійний аналіз дав змогу навести коротку характеристику замінників ґрунту як одного з основних компонентів штучних біогеоценозів та визначити напрями їх впровадження.

Размещено на Allbest.ru