Е.Н. Кучерова ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛИРУЕМОГО ВЫДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ
На последнем мировом форуме по защите окружающей среды и развитию в целях выживания в зале заседания висела на стене огромная фотография Земли, сделанная из космоса. Корабль в черном безмолвии космоса, в котором, случись что, никто не придет на выручку. Портрет Земли из космоса кто-то из участников форума назвал «иконой времени».
Гру Харлем Брундтланд, председатель всемирной комиссии по окружающей среде, говорила: «Сегодня состояние окружающей среды беспокоит людей в большей степени, чем угроза войны. Деньги и ресурсы, высвобождающиеся в ходе разоружения, следует направить на предотвращение надвигающегося экологического кризиса».
На первой европейской конференции «Окружающая среда и здоровье» президент ФРГ Р. фон Вайцзеккер заявил: «Вопрос сохранения окружающей среды превратился в вопрос выживания человека и природы»
Фактическая ситуация в среде обитания начала сводиться к тому, что антропогенное давление на окружающие нас почву, водоёмы, воздух превращается в прямое средство самоудушения общества и уничтожения животного и растительного мира.
Экологическая ситуация в промышленности и сельскохозяйственном производстве характеризуется драматическим положением, обусловленным огромными неконтролируемыми выбросами токсических веществ, таких как диоксид серы, окислы азота, пыли, органические вещества, различные аэрозоли, промышленные неочищенные стоки и другие так называемые «отходы» производства, наносящие подчас невосполнимый ущерб природной среде и ее обитателям.
Положение в сельскохозяйственном производстве, по-видимому, ещё хуже. Прогрессивно снижается эффективность использования удобрений, что иллюстрируется следующими фактами. По данным работы1, в 1949 г для производства зерновой продукции в США было использовано 11 тысяч тонн азотных удобрений, в 1968 г на то же количество зерна было истрачено 57 тысяч тонн, тот есть эффективность уменьшилась в 6 раз. Для образования 1 кг зерна из почвы выносится 60 г действующих веществ, то есть 1 кг действующих веществ может дать 16 кг зерна. Средняя фактическая прибавка урожая составляет 5 кг на 1 кг действующих веществ, то есть коэффициент использования составляет - 30%. Реальный коэффициент использования, как сообщает журнал2, составляет: для азотных удобрений -30%, для калийных - 40%, для фосфорных - 12%.
Нерациональное использование удобрений и пестицидов привело к тому, что в ряде регионов стран СНГ (Россия, Казахстан, Узбекистан, Молдавия и др.) водоемы и почвенные субстраты оказались перенасыщенными отнюдь не безвредными веществами, которые, попадая в продукты питания животных и человека, оказывают токсическое действие.
Насыщение водоемов смываемыми с полей удобрениями способствует развитию вредоносной фауны, приводящей к распространению инфекционных заболеваний людей и животных3. Около 15% территории России относится к экологически неблагоприятным районам, где проживает две трети населения.
Наконец, интенсификация, например овощеводства, с целью получения высоких урожаев - путем введения многократных избытков минерального питания в почвенные субстраты, привела к получению часто просто вредных и токсичных продуктов питания вследствие перенасыщения их нитратами и другими не менее вредными веществами. Установление нормативов их содержания в настоящее время превратилось по существу в поднимающийся все выше достигнутый уровень, что нельзя считать нормальным.
1См.: ст. ГЛ. Ягодина//Химия. 1984. №3.
2Эко. 1988. №10
3 «А белый лебедь на пруду разносит белую беду», газета «Вечерняя Москва» от 9.08.1996г.
Вывод, который следует сделать из создавшегося положения, может быть только один: необходимо радикально пересмотреть подход к созданию любых новых химико-технологических и биолого-химических процессов, необходимо создавать не только экологически чистые технологические процессы во всех отраслях, но надо создавать природоохранные и природоспасательные химические технологии.
Поставив такую глобальную задачу, необходимо сразу изыски такие физико-химические процессы, которые в природе протек самопроизвольно, могут быть управляемы, являются экологичными наконец, биологически приемлемыми.
(Конечно же, в настоящее время основным энергопоставляющ процессом является быстрый процесс окисления - сжигание всех BHJJ топлива, однако, по общеизвестным причинам, его нельзя назва экологичным и, тем более, биологичным).
К таким в природе протекающим, наряду с окислением, процессам являющимся основой жизнедеятельности животных и растительны! организмов относятся диффузия, осмос и растворение, описываемы^ известными законами термодинамики Фика и Вант-Гоффа( Самопроизвольное протекание названных процессов обусловлено возрастанием энтропии системы «вещество-растворитель» при! выравнивании химических потенциалов в объеме макросистемы. Кроме того, к самопроизвольно протекающим процессам относятся также капиллярные явления и капиллярная конденсация.
Используя эти физико-химические процессы и закономерности их протекания, научившись управлять диффузией, осмосом и растворением, используя капиллярные свойства веществ, мы получим возможность создавать энтропийные машины, т.е. производить работу без использования внешних источников энергии, базируясь на запасенной веществом энергии.
Назначение таких энтропийных машин - контролируемое выделение химически или биологически активных веществ в среду действия, что и составляет существо процессов контролируемого выделения - технологии контролируемого выделения.
Термин «технология контролируемого выделения» (controlled release technology) впервые ввёл Р. Лангер, и по существу он отражает новое научно- техническое направление на стыке общей и физической химии, физики и физической химии полимеров.
Для осуществления управляемых взаимодействий в макросистеме «вещество - среда действия» в качестве основного регулятора механизма и скорости выделения могут быть использованы специфические свойства высокомолекулярных соединений. Так, для систем и устройств, функционирование которых основано на механизмах, осмоса предопределяющим фактором является проницаемость полимерных мембран по растворителю (частный случай - вода), определяемая эффективным коэффициентом проницаемости. Численное значение этого коэффициента для различных полимеров может изменяться в очень широких пределах – от 1 * 10-1 до 1*10-8см3*см/см2*час.
Применительно к системам, основным механизмом функционирования которых является диффузия, совокупность факторов, влияющих на скорость выделения, значительно больше - это набухание полимерной матрицы, ее пористость и характер пор, растворимость действующего начала, коэффициенты диффузии действующего начала и растворителя и др.
Имея в виду, что процесс растворения твердого вещества также является процессом самопроизвольным и регулируемым, можно утверждать, что системы контролируемого выделения - это макромолекулярные химические машины, работающие без внешних источников энергии и управляемые физико-химическими свойствами полимеров и выделяемого вещества.
Стимулом к развитию технологии контролируемого выделения и разработке полимерных систем управляемого выделения послужили, с одной стороны, их ресурсо- и энергосберегающий характер и, с другой, потребность различных отраслей техники, хозяйства, медицины в разработке средств дозирования химически и биологически активных веществ в малых количествах в течение длительного времени.
Необходимо также отметить, что в большинстве и природных, и искусственных химико-технологических, биологических, биохимических процессов реализуется нулевой порядок химических реакций, т.е. потребление и выделение химически или биологически активных веществ, накопление или расходование массы осуществляется с постоянной скоростью в некотором ограниченном, но достаточно длительном интервале времени.
Выполненные исследования и накопленный опыт применения позволили сформулировать основные признаки (свойства) технологии контролируемого выделения:
- возможность дозирования полезного вещества в интервале времён от нескольких часов до нескольких лет и более;
- возможность дозирования веществ в широком диапазоне скоростей и особо, в малых количествах, измеряемых десятитысячными и менее долями грамма в сутки;
- возможность программирования выделения активного вещества во времени и управление выделением с положительной и отрицательной обратными связями;
- отсутствие специальных источников энергии для функционирования систем (устройств) управляемого выделения;
указанные признаки ТКВ позволяют её назвать;
- энергосберегающей - вследствие отсутствия каких-либо внешних источников энергии для функционирования систем и устройств;
- ресурсосберегающей - вследствие обеспечения заданной дозировки действующего вещества в конкретную целевую точку (под растение, в орган животного, в почву, водоём и т.д.);
- экологически чистой - вследствие обеспечения дозирования действующих веществ в количествах, эквивалентных их потреблению (связыванию)
- средой действия и, соответственно, отсутствия неконтролируемых потерь (например, удобрений) в окружающую среду. Отсюда следует, что технология контролируемого выделения (ТКВ) является «биологичной» технологией, поскольку позволяет осуществить сбалансированную во времени подачу реагентов, поддерживать в равновесии донор акцепторную систему «дозатор-потребитель».
Современная цивилизация и биосфера уже не в состояв справляться с вредными отходами, образующимися в результ^ человеческой деятельности. Научно-техническая революция, быстг развитие производства и одновременное увеличение количес производственных отходов ведет к глобальным экологическим изменени Фактическое состояние экологической ситуации в промышленности сельском хозяйстве характеризуется огромными неконтролируемые выбросами. Нерациональное использование удобрений и пестицид привело к тому, что в ряде регионов страны водоемы и почвы оказали насыщенными вредными веществами, которые, попадая в пищу человека животных, оказывают токсичное действие.
С другой стороны, попадание в водоемы смываемых с поле! удобрений способствует развитию вредных микроорганизмов, приводящих распространению инфекционных заболеваний людей и животных.
Фактическая ситуация стала сводиться к тому, что антропогенно! воздействие на окружающую среду превращается в средство уничтожения биосферы.
Единственным выходом из создавшегося положения является переход к созданию новых экологически чистых технологических процессов.
Разработка систем контролируемого выделения (дозирования) применительно к выращиванию растений показала, что практически безотходные технологии существуют.
Автоматический питающий осмотический насос (АПИОН™) (рис. 1) представляет собой устройство для корневого питания растений, состоящее из полимерной емкости, полностью или частично изготовленной из полупроницаемой мембраны и специальных отверстий для массообмена с окружающей средой. Емкость заполняется удобрениями и специальными биологически активными добавками, обеспечивающими оптимальное развитие растений.
Механизм работы АПИОНа сводится к следующему:
при погружении АПИОНа в среду действия (почва, искусственный субстрат, вода) через мембрану вовнутрь поступает вода и растворяет питательные вещества;
в результате поступления воды внутри АПИОНа возникает гидростатическое давление, и образующийся раствор выдавливается через отверстия наружу - к корневой системе растений;
мембрана регулирует скорость поступления воды вовнутрь насоса и, соответственно, скорость поступления питательных веществ к корневой системе растений.
после окончания действия АПИОНа мембрана полностью разлагается.
Таким образом, главная суть новой технологии - непрерывное питание растений в течение всего вегетационного периода, постоянный подвод к корневой системе растений всего комплекса питательных веществ в требуемых количествах.
Технология контролируемого выделения разработана на кафедре химии Московского государственного индустриального университета.
Проведенные испытания показали, что применение новой технологии выращивания растений позволяет повысить урожайность овощных культур на 20-60%, плодовых и ягодных культур - на 15-40%, в том числе раннего урожая до 30 и более процентов.
Используя АПИОНы, Белинская Л.И. получила урожай моркови даже в это засушливое лето в 1,5 раза больше, чем в прошлом году с участка того же размера.
Павлов Н.Е. применял АПИОНы для подкормки слив сорта «». Рост побегов увеличился в 1,2 раза.
Бармашова Л.В. давно успешно применяет новый вид удобрения на своем садовом участке. Опыт применения удобрений переняли соседи и знакомые.
В данной работе приведен расчет экономической эффективности применения АПИОНов, сделанный коллективом кафедры химии Московского государственного индустриального университета под руководством д. х. н., профессора И.К. Григорьянца.
Расчёт экономической эффективности применения АПИОНов в ценах 2000г по результатам сборов продукции в Казахстане и Москве
(расчёт на гектар)
Уравнение для расчёта экономического эффекта (дополнительной прибыли) в общем виде можно представить в следующей форме:
Дополнит, прибыль =(ВрАП – Зоб Ап)-(ВКр -3Коб),
где: ВрАП - выручка от реализации продукции на АПИОНах,
Зоб Ап - общие затраты по новой технологии,
ВКр - выручка от реализации продукции по традиционной технологии,
3Коб - общие затраты по традиционной технологии.
Уравнение в таком виде не отражает всех возможных изменений эффективности технологического процесса, поскольку число переменных, влияющих на дополнительную прибыль, существенно выше. Его необходимо усложнить, чтобы ввести все возможные элементы затрат и выигрышей от изменений технологии и сезонных цен на продукцию по месяцам.
Выручка от реализации продукции для обоих технологически процессов Вр может быть представлена
где: n - число месяцев (или декад) сбора,
Цic - общая продуктивность растения в данном месяце (данной декаде), кг/раст,
Ц° - средняя сезонная отпускная цена хозяйства в данном месяце (данной декаде), руб/кг,
Np - число растений на гектаре*
Соответственно, в расчёт Вр для новой и традиционной технолог! необходимо закладывать продуктивность растений и число растений на raj отвечающие разным технологиям (индексы "АП" и "К").
Общие затраты за весь оборот по новой технологии будут] складываться из затрат на АПИОны, их установку - Зуст (операция установки совмещается с установкой рассады на место и может быть несколько дороже)** и постоянных затрат за вычетом стоимости операций, исключённых в новой технологии - Зискл (приготовление и анализ растворов | для подкормок, их дозирование, агрохиманализ, доставка навоза и его распределение и др.).
В число постоянных затрат – 3пост - входят: выращивание рассады, отопление и освещение теплиц, амортизация, заработная плата всех участников процесса и обслуживание, накладные, заложенная в расчёт прибыль, налоги и т.п.
 Соответственно:
где Муд — количество удобрений, расходуемых на 1 растение за оборот, кг/раст,
ЦуД - цена удобрений, руб/кг,
Зуст - затраты на установку рассады.
Соответственно, для строгого сравнения новой и традиционной технологий для расчета прибыли по второй (ПРк) необходимо использовать формулу с иными параметрами:
Дополнительная прибыль от применения новой технологии рассчитывается как разница прибылей технологии на АПИОНах и традиционной:
Дополнительная прибыль= ПРап – ПРк.
Главными факторами, позволяющими получить дополнительную прибыль в технологии на АПИОНах, являются: повышенная продуктивность растений в первый период сбора (раннее плодоношение) при высокой сезонной отпускной цене раннего урожая, общая повышенная продуктивность растений за весь оборот, возможность увеличения плотности посадки растений и снижение трудовых и материальных затрат (см. выше).
Ниже на примере работы двух хозяйств - в Петропавловске и Москве - приведён несколько упрощённый расчёт дополнительного экономического эффекта от применения АПИОНов. При этом в расчёт принят ранний урожай (продуктивность одного растения) за первые 30 суток, общий урожай за оборот, средние отпускные цены продукции для раннего периода сбора и остального периода. (Цены на продукцию, удобрения и АПИОНы -действующие в 2000 г.)
Общие затраты условно (без исключения затрат по новой технологии на приготовление растворов, подкормки, агрохиманализ и др.) приняты постоянными, т.е. дополнительная прибыль несколько занижена.
Казахстан. ОГУРЕЦ НИИОХ-412.
Фактический материал для расчета
Плотность посадки – 1,7 растений на кв.м., 17000 растений на га.
Оптовая цена АПИОНа-100-6 руб. за шт. Оптовая цена удобрений БХЗ – 12000 руб. за тонну.
Москва. АО ТОК «Косино». Томат «Фронтера» (1998 г.)
Фактический материал для расчета.
Плотность посадки – 3 растения на кв.м., 30000 растений на га.
Прикладные аспекты применения технологии контролируемого выделения
Наиболее важным результатом выполненных работ явились испытания АПИОНов новой конструкции при выращивании культур томата, баклажанов и перца в подмосковных хозяйствах. Работы выполнялись параллельно с оценкой кинетики выделения удобрений из АПИОНов в лабораторных условиях.
Для иллюстрации совместной работы АПИОНа и динамики набора урожая представляем графики (рис. 2) непрерывного дозирования питательных веществ и сбор урожая нарастающим итогом. АПИОНы были установлены одновременно с рассадой, работу их контролировали систематически. Средняя скорость дозирования за период вегетации составила 0,014-0,017 7час под каждым растением.
Контрольные растения подкармливали не реже одного раза в неделю.
Конкретным результатом данного опыта, важным для хозяйства, является увеличенный на 2 тонны сбор урожая томатов, выращенных на АПИОНах, в сравнении с контрольным участком, а также повышенный на 40% ранний урожай.
На рис. 3 и 4 представлены результаты по выращиванию перца и баклажанов в ТОК Протвино в теплице в искусственном субстрате.
Как следует из графиков набора урожая, в сравнении с традиционной технологией выращивание овощных культур на АПИОНах даёт существенный выигрыш по продуктивности растений и снижение расхода удобрений и трудозатрат, поскольку на весь вегетационный период используется только АПИОН и не проводятся систематические и трудоёмкие подкормки.
Применительно к конкретным культурам растений разработан марочный ассортимент АПИОНов с массой от 3 до 200 г и временем работы от 3 месяцев до 2,5 лет. В настоящее время налаживается опытно-промышленное производство. В целом полученные результаты позволяют утверждать, что проектирование, расчёт и испытания АПИОНов позволяют создавать осмотические насосы с заданными характеристиками, которые реализуются в технологическом процессе, а методика лабораторных испытаний АПИОНов позволяет контролировать и прогнозировать функционирование их в зоне корнеобитания. Таким образом, выполненное исследование позволяет утверждать:
технология контролируемого выделения, базирующаяся на
самопроизвольно протекающих физико-химических процессах,
позволяет создавать технологии, отвечающие кинетике природных
биологических процессов;
разработана теоретическая база расчёта полимерных устройств
контролируемого дозирования (выделения) биологически активных
веществ;
сформулирована основа синхронизации технических и биологических процессов.
|
