На страже продовольственной безопасности планеты

Вертикальные фермы с динамическим LED-освещением дают возможность повысить содержание наиболее ценных веществ в выращиваемых культурах. Фото с сайта www.future-agro.ru

Россия может стать крупнейшим экспортером безопасных продовольственных товаров на международном рынке. Такого мнения придерживается лауреат Нобелевской премии 2007 года в сфере экологии, профессор Риккардо Валентини. Однако без непрерывного усовершенствования технологий и притока профессиональных кадров не обойтись. Эту задачу должен решить Научный центр мирового уровня (НЦМУ) «Агротехнологии будущего». Он был создан во второй половине 2020 года и работает на базе консорциума во главе с Российским государственным аграрным университетом – МСХА имени К.А. Тимирязева (РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева). В этом году профессор Валентини присоединился к команде НЦМУ, так как считает, что центр обладает необходимыми возможностями для анализа ситуации и выработки решений на перспективу, которые помогут и крупному бизнесу, и мелким фермерам. Особое внимание ученый уделяет проблеме изменения климата, а в НЦМУ работает в качестве ведущего научного сотрудника в области IT-систем агроэкологического мониторинга.

Центр привлекает к работе наиболее компетентных специалистов в сфере агротехнологий. «За год существования под эгидой научного центра над исследованиями международного уровня работают более 435 сотрудников, около 184 из них являются заслуженными учеными в своих областях. При этом доля молодых ученых составляет более 50%. Более 36% исследований центра проводится под руководством молодых перспективных исследователей, разработано 18 образовательных и исследовательских программ, привлечено более 90 млн внебюджетных рублей для финансирования исследований НЦМУ, подготовлено 36 заявок на правовую охрану результатов интеллектуальной деятельности и 62 статьи в научных изданиях первого и второго квартилей, индексируемых в международных базах данных Scopus и (или) Web of Science Core Collection, соавторами которых являются работники центра», – отметил инициатор создания НЦМУ «Агротехнологии будущего» доктор сельскохозяйственных наук, доктор экономических наук, академик РАН, ректор ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева», профессор Владимир Трухачев.

Организация выбрала пять основных направлений деятельности:

– агробиотехнологии управления плодородием почв РФ для высокопродуктивного земледелия с минимальным экологическим риском;

– ускоренная селекция высокоурожайных и устойчивых сортов и гибридов растений, которые обладают заданными характеристиками качества;

– новые цифровые технологии в сельском хозяйстве;

– технологии переработки и валоризации малоценного сельскохозяйственного сырья, а также отходов агропромышленного комплекса;

– создание безопасных, качественных, функциональных кормов и продуктов питания.

И первые результаты уже есть. Например, селекционеры вывели гибридные комбинации белокочанной капусты, которые не имеют аналогов в мире. Они содержат гены устойчивости к распространенным заболеваниям. Также впервые в России были разработаны образцы лука репчатого с устойчивостью к пероноспорозу (ложной мучнистой росе). Консорциум дал дополнительные стимулы изысканиям, которые позволяют превращать традиционно слабые стороны земледелия на больших полях с повышенной неоднородностью почвенных и агроклиматических условий в преимущества. Это достигается сочетанием мониторинга с интеллектуальными системами поддержки принятия экологически сбалансированных решений по выбору наилучших агротехнологий из доступных. В то же время учитываются глобальные изменения климата, тренд на сокращение выбросов парниковых газов, а также повышение разнообразия и качества сельхозпродукции.

Специалисты определили архитектуру трех взаимосвязанных цифровых платформ для российского агропромышленного комплекса: управления, совместного использования данных дистанционного зондирования земли, информационно-аналитической поддержки научно-исследовательской деятельности. Теперь апробируются математические модели и методы обработки данных в этой связке.

Ведется работа по организации идентифицированного генофонда и платформы для геномной селекции. В центре внимания пшеница мягкая, овес, ячмень, а также груша. Создаются конвейеры сортов бобовых культур с заданными свойствами.

Масштабные исследования идут и по направлению агробиофотоники, которое изучает влияние света на развитие растений. Один из практических результатов – опытно-промышленная установка РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева и ФИЦ биотехнологии РАН. Она представляет собой вертикальную ферму с динамическим LED-освещением, с возможностью максимальной автоматизации. Применение ручного труда необходимо только на стадии посадки и сбора урожая.

ФИЦ биотехнологии РАН разработал базовую технологию управляемой вегетации картофеля с вариациями по освещению. Она от 5 до 6 раз в год дает мини-клубни семенного картофеля в условиях вертикальной фермы с динамическим освещением. Применение различных режимов освещения на стадии получения исходного семенного материала может повышать продуктивность сортов на 20–40%, а методы иммунодиагностики фитопатогенов помогают выявлять скрытое бессимптомное инфицирование и оперативно реагировать.

Вертикальные фермы, или, как их еще называют, сити-фермы – установки интенсивного культивирования, где используется искусственный свет исключительно на основе светоиспускающих диодов (LED). Эти диоды дают широкие возможности по регулированию количества и качества света в зависимости от потребностей растений. Современные информационные технологии позволяют получать алгоритмы развития растений и вырабатывать своего рода световые рецепты их выращивания, проводить тонкую настройку биохимических процессов. Так можно ускорить формирование биомассы или активизировать в ней биосинтез наиболее ценных для нас веществ, целевых функциональных соединений, допустим лекарственных или эфирных масел. Например, дальний красный свет активирует ростовые процессы, что заставляет растения более активно фотосинтезировать. Ведь они – саморегулирующиеся системы, воздействие на один процесс влечет за собой череду изменений и в других.

Меняя спектральный состав света, можно не только повысить содержание полезных веществ, но и снизить содержание вредных, подчеркнул заведующий кафедрой физиологии растений РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева, доктор биологических наук, профессор Иван Тараканов: «Если мы изменим спектральный состав света, мы можем усилить восстановление нитратов. Превращаясь в другие формы, они входят в состав органических молекул и не представляют опасности».

В качестве базовых культур в подобных проектах НЦМУ используются салат, базилик, томат и семенной картофель. На практике в сити-фермах наиболее выгодно выращивать продукцию с высокой добавленной стоимостью, увеличение содержания ценных веществ в которой даже на небольшой площади посадки даст хороший результат. Потому что эти вертикальные сооружения достаточно энергоемкие и дорогостоящие. Зато их можно легко разместить в городской среде, допустим рядом с рестораном или в подъезде жилого дома. «Все зависит от габаритов и от мощности, на которые нужно выходить. Один из вариантов – он уже сейчас апробирован – это использование 40-футовых морских контейнеров под такую начинку. То есть внутри этого контейнера размещается изолированная система интенсивного культивирования с использованием гидропоники и искусственного освещения на основе светодиодных облучателей. В течение 3–4 недель из такого контейнера можно получить до 400 кг биомассы базилика», – сказал профессор Тараканов. Много места не занимает, и система может быть многоярусной.

Гибкость с точки зрения установки позволяет размещать сити-фермы в непосредственной близости от точек сбыта продукции, за счет чего можно экономить на доставке. И это особенно важно для скоропортящейся продукции. Оснащать подобными фермами можно и отдаленные точки, например буровые платформы или военные гарнизоны. Кроме того, у технологии большой потенциал по поддержке освоения новых территорий, исследования Арктики и Антарктики. Так, вахтовики получат доступ к продукции, которую зачастую нерентабельно или в какой-то период просто невозможно доставить авиацией.