Биос в экологии – это совокупность всех живых организмов на Земле и их взаимодействий с окружающей средой. Он включает в себя разнообразные экосистемы, где живут растения, животные, грибы, микроорганизмы, а также анализирует их роли в поддержании биосферы и устойчивости природных процессов.
Являясь важной частью научных исследований, биос помогает понять, как организмы влияют друг на друга и на климатические условия, а также как антропогенные факторы, такие как загрязнение и изменение климата, воздействуют на живую природу. Изучение биоса имеет решающее значение для разработки стратегий по охране окружающей среды и сохранению биоразнообразия.
Фитоценоз в биорегенеративной системе жизнеобеспечения Биос-3: опыт и перспектива использования Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»
Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Басов А. С., Засядько М. И., Мануковский Н. С., Ковалёв В. С
Изучены продуктивные особенности фитоценоза в процессе тестирования биорегенеративной системы жизнеобеспечения БИОС-3, а В рамках компьютерного моделирования. В ходе эксперимента количество съедобной сырой биомассы растений составило 945.7 г в сутки, что оказалось недостаточным для удовлетворения суточных энергетических и питательных потребностей испытателя. Продуктивность фитоценоза использовалась как добавление к основному рациону, который поступал из запасов.
Основной целью моделирования было уменьшение различий между содержанием нутриентов и установленными стандартами питания. Исследования показали, что продукция рассматриваемого фитоценоза способна обеспечить дневные энергетические потребности испытуемого, однако отмечаются нерегулярности в содержании нутриентов. Итоги моделирования указывают на необходимость внесения изменений в видовое разнообразие фитоценоза в системе БИОС-3. Производственные характеристики фитоценоза анализируются в процессе тестирования биорегенеративной системы жизнеобеспечения БИОС-3 и с использованием компьютерного моделирования.
В ходе эксперимента было получено 945.7 г / день влажной съедобной растительной биомассы, что не соответствует суточным потребностям экипажа в энергии и питательных веществах. Продукты фитоценоза продавались как дополнение к питательной пище из запасов. Цель симуляции заключалась в минимизации расхождений между производством питательных веществ и нормами питания. Результаты показывают, что продукция модельного фитоценоза может обеспечить суточное потребление энергии экипажа, но при этом сохраняются дисбалансы в питательных веществах. Результаты симуляции приводят к выводу, что необходимо скорректировать видовой состав фитоценоза в BIOS-3.
Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Басов А. С., Засядько М. И., Мануковский Н. С., Ковалёв В. С
Расчёт антиоксидантного потенциала источников пищи в биорегенеративной системе жизнеобеспечения
Процесс интеграции продуктов из чуфы в суточный рацион для применения в биорегенеративной системе обеспечения жизнедеятельности
Моделирование суточного набора продуктов для использования в биорегенеративной системе жизнеобеспечения
Проектирование элементов биорегенеративной системы обеспечения жизнедеятельности, предназначенной для космических миссий
Определение биохимических характеристик нового вида фаршей на основе пищевой рыбы с добавлением растительных компонентов для функционального питания
i Не удается отыскать необходимую информацию? Воспользуйтесь услугой подбора литературы.
Текст научной работы на тему «Фитоценоз в биорегенеративной системе жизнеобеспечения Биос-3: опыт и перспектива использования»
ФИТОЦЕНОЗ В СИСТЕМЕ БИОРЕГЕНЕРАЦИИ ЖИЗНЕУСТРОЙСТВА БИОС-3: ПРАКТИКА
И ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Сибирский государственный университет науки и технологий, названный в честь академика М.Ф. Решетнева, Институт информатики и телекоммуникаций, кафедра ЗЭС,
г. Красноярск, студент Засядько М.И. Сибирский государственный университет науки и технологий, названный в честь академика М.Ф. Решетнева, Институт информатики и телекоммуникаций, кафедра ЗЭС,
Красноярск, студент Мануковский Н.С. Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф.Решетнева, Институт информатики и телекоммуникаций, кафедра ЗЭС, Красноярск, Научный руководитель, доцент, кандидат биологических наук.
Сибирское отделение РАН, Институт биофизики, Лаборатория биосинтеза фототрофных организмов, Красноярск, ведущий научный сотрудник
Ковалёв В.С. Институт биофизики СО РАН, Лаборатория управляемого биосинтеза фототрофов, Красноярск, Старший научный сотрудник, кандидат биологических наук
ФИТОЦЕНОЗ В СИСТЕМЕ БИОРЕГЕНЕРАЦИИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ BIOS-3: ОПЫТ
И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Institute of Informatics and Telecommunications, chair of CES,
Красноярск, студент Засядко М.
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Institute of Informatics and Telecommunications, chair of CES,
Красноярск, студент Мануковский Н.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени Решетнева, Институт информатики и телекоммуникаций, кафедра CES, Красноярск, Научный руководитель, доцент, кандидат биологических наук.
Institute of Biophysics SB RAS, Laboratory of Controlled Biosynthesis of Phototrophic Organisms,
Красноярск, Старший научный сотрудник Ковалёв В. Институт биофизики Сибирского отделения РАН, Лаборатория контролируемой биосинтеза фототрофных организмов, Красноярск, Старший научный сотрудник, Кандидат биологических наук
Рассмотрены продукционные характеристики фитоценоза при испытании биорегенеративной системы жизнеобеспечения БИОС-3 и в компьютерной модели. В эксперименте продукция съедобной сырой биомассы растений составляла 945.7 г/сутки, что не покрывало суточные потребности испытателя в энергии и нутриентах. Продукция фитоценоза была реализована как дополнение к полноценной пище, поступавшей из запасов.
Основной целью моделирования было снижение различий между продуктами нутриентов и пищевыми нормами. Исследования показали, что продукция модельного фитоценоза может обеспечить суточные энергетические потребности человека, однако при этом наблюдаются недочёты в содержании нутриентов.
Итоги моделирования указывают на необходимость внесения изменений в видовой состав фитоценоза в БИОС-3.
The production characteristics of the phytocenosis are examined when testing the bioregenerative life support system BIOS-3 and in a computer model. In the experiment, the production of wet edible plant biomass was 945.7 g / day, which did not cover the daily requirements of the crewman for energy and nutrients. Phytocenosis products were sold as an addition to nutritious food from stocks.
Целью данной симуляции было сведение к минимуму различий между производством питательных веществ и стандартами питания. Исследование показывает, что производство модельного фитоценоза способно обеспечить суточные энергетические потребности члена экипажа, однако при этом сохраняются дисбалансы в питательных веществах.
The simulation results lead to the conclusion that it is necessary to adjust the species composition of the phytocenosis in BIOS-3..
Основные термины: фитосообщество, продуктивность, питательное вещество, несоответствие, имитация.
Keywords: phytocenosis, production, nutrient, imbalance, modeling.
Комплекс БИОС-3 представляет собой биорегенеративную систему жизнеобеспечения космического назначения, расположенную в герметичном корпусе из нержавеющей стали, размерами 14x9x2.5 м. Корпус разделён перегородками на четыре равных отсека, два из которых заняты фитотронами общей площадью 39.4 м2. Третий отсек предназначен для размещения микроводорослевых культиваторов. В четвёртом отсеке располагаются каюты для испытателей, а также бытовое и вспомогательное оборудование. Комплекс БИОС-3 принадлежит Институту биофизики СО РАН.
В 1977 году прошло длительное четырёхмесячное тестирование БИОС-3. На первом этапе эксперимента состав экипажа состоял из трёх участников, а на следующих двух этапах его численность была уменьшена до двух человек. Одной из ключевых целей испытания являлась проверка возможности увеличения замкнутости круговорота веществ за счёт повышения доли регенерируемых ингредиентов в рационе участников. Планировалось, что биомасса растений будет составлять от 70 до 75% общего объёма питания [2]. Однако, эта задача осталась невыполненной.
Источниками внутрисистемных растительных ингредиентов питания являлась съедобная биомасса фитоценоза, состоящего из одиннадцати видов растений: пшеницы, чуфы, свеклы, моркови, редиса, лука, укропа, капусты листовой, огурцов, картофеля и щавеля. Чуфа была включена в фитоценоз как источник жиров, в частности, полиненасыщенных жирных кислот [4]. Наибольшие доли посевной площади были отведены пшенице и чуфе — 44.5% и 33.7%, соответственно. Помимо внутрисистемных растительных ингредиентов в рационе питания испытателей находилась пища, получаемая из запасов.
Анализ обеспечения экипажа белками, жирами, углеводами, жизненно важными аминокислотами, полиненасыщенными жирными кислотами, витамином С, тиамином и рибофлавином осуществлялся путём сопоставления фактического потребления этих веществ с нормативами [2]. В данной книге отсутствует прямая ссылка на источник информации о нормативах. Можно предположить, что данными воспользовались из работы [5], которая упоминается в тексте и включена в библиографию.
Стоит отметить, что нормативы потребления нутриентов, предложенные А.А. Покровским, разработаны для различных групп населения, не учитывая особенности космического проживания.
В 2011 г. опубликованы стандарты потребления нутриентов, разработанные специально для космонавтов [9]. Количество контролируемых нутриентов и их нормативные значения в работах Покровского [5] и [9] существенно отличаются.
В новом документе НАСА № 70024 [9> введены стандарты, касающиеся нормального уровня суточного потребления воды, белков, жиров, углеводов, клетчатки, кальция, фосфора, натрия, меди, селена, витамина А, а также насыщенных жиров и животного белка. При этом существует другая методика оценки «обеспеченности экипажа»: теперь она происходит не через сравнение фактических данных с нормативными, а за счёт проверки, находится ли фактическое потребление нутриента в пределах установленного диапазона. Если же фактические или расчетные значения выходят за границы этих норм, это расценивается как пищевой дисбаланс. Суточные нормы для таких элементов, как железо, магний, калий, цинк, марганец, витамины С, тиамин, рибофлавин, ниацин, пантотеновая кислота (витамин В5), витамин В6, фолиевая кислота, витамин В12, витамин Е, витамин Д, витамин К и омега-6 жирные кислоты, четко указаны в документе НАСА № 70024. Данная особенность новых стандартов создает некоторые трудности в точной оценке фактической или расчетной обеспеченности испытуемого этими веществами [13].
В Институте биофизики СО РАН разработана технология окисления экзометаболитов человека и проведено экспериментальное моделирование включения продуктов окисления в массообмен биорегенеративной системы жизнеобеспечения [24]. Внедрение данной технологии в БИОС-3 позволило бы приблизить степень замыкания круговорота веществ к 100%. При этом, практически вся пища в будущем эксперименте должна быть внутрисистемной.
Основными задачами данного исследования были анализ пищевой ценности фитоценоза, проведенного в эксперименте 1977 года, с учетом современных диетических норм для космонавтов, а также компьютерное моделирование пищевого потенциала фитоценоза в рамках проекта БИОС-3.
Подходы к вычислениям и моделированию
Расчёт и моделирование проводили в среде Excel 2007. Суточную продукцию i-го нутриента по
по формуле определяли результаты эксперимента в БИОС-3 на одного участника испытаний:
М^ = £У=1 т^пи£гоуа00сг) (1) где ingj — суточная продукция _|-го ингредиента по результатам эксперимента в БИОС-3 [2];
Целочисленные переменные / и V имели значения в следующих интервалах:
В этой работе использовались и=30 (Табл. 2), у=11 (Табл. 1), сг=2. Предполагалось, что дневное потребление ингредиентов и питательных веществ соответствует их суточному производству в фитотроне.
нах БИОС-3. Содержание нутриентов в ингредиентах находили в открытых базах данных: [11, 21, 25]. Данные о содержании нутриентов в клубеньках чуфы в данных базах отсутствуют. Поэтому информацию о химическом составе клубеньков чуфы собирали из разных источников [2, 3, 6, 8, 10, 17, 23].
Определение пищевых дисбалансов проводилось через сравнение суточного поступления нутриентов в ходе эксперимента с установленными нормами их потребления [9]. Также можно установить пищевые дисбалансы относительно допустимых границ суточного потребления нутриентов [15].
При моделировании пищевого потенциала растений в БИОС 3 использовали целевую функцию, с помощью которой минимизировали расхождение между расчётным и стандартным потреблением
A20-Mg) + abs («00-«) + abs (Н-^)
V 420 ) 4700 ) 11 /
abs + abs (90-vi*aminC) + .
Система “БИОС”
Система «БИОС» представляет собой установку для очистки сточных вод, образующихся в результате хозяйственной деятельности и схожих по составу производственных стоков. Она предназначена для жилых домов, объектов малоэтажной застройки, коттеджных комплексов, гостиничных и санитарных учреждений, расположенных в районах, где подключение к централизованным канализационным сетям нецелесообразно или отсутствует вообще.
Станция глубокой биологической очистки «БИОС» состоит из секций механической и биологической очистки стоков. В секции механической очистки сточных вод (септик) происходит очистка водного потока от крупных взвесей (песка и других нерастворимых включений). Главной целью использования септика является очистка воды для дальнейшей очистки стока.
Следующий этап — биологическая очистка сточных вод, основанная на способности микроорганизмов перерабатывать некоторые загрязнители в качестве корма. Процесс биологической очистки осуществляется в две фазы: без кислорода (анаэробная) и с растворенным кислородом (аэробная). Очищенная жидкость направляется в ближайший водоток. Если необходимо, сточные воды могут быть собраны в накопительный резервуар и перекачаны в водоем с использованием насоса любого типа.
Станция биологической очистки «БИОС» обеспечивает очистку сточных вод до значений, соответствующих установленным нормативам по предельно допустимым концентрациям загрязняющих веществ в водоемах (СанПиН 2.1.5.980, ГН 2.1.5.1315, ГН 2.1.5.1316), что позволяет сбрасывать очищенные сточные воды непосредственно в водоемы для рыбоводства, хозяйственно-бытового и рекреационного использования, или на рельеф (в дренажные канавы, придорожные кюветы и т.п.).
В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных и анаэробных условиях. В результате этих процессов происходит распад органических веществ с образованием более простых низкомолекулярных соединений, которые подвергаются дальнейшему окислению. Как показывает опыт, биохимическому окислению легко поддаются органические соединения алифатического ряда (сложные эфиры, кислоты); легко окисляются также бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлорогидриды, ацетон, глицерин, анилин и ряд других веществ. При длительной адаптации микроорганизмов достигается распад даже таких устойчивых соединений, как толуол, ксилол, углеводороды нефти, хлорзамещенные углеводороды и др. Биологический метод очистки стоков (биологическая очистка стоков) в отличии от физико-химических способов очистки (хлорирование, озонирование, отдувка аммиака воздухом, ионный обмен, электролиз, обратный осмос и д.р.) не требует дорогостоящих и дефицитных реагентов, не приводит к увеличению солесодержания стоков, а объем осадков при этом не увеличивается.
Преимущества системы «БИОС»:
- корпус установки выполнен из полимерного материала, что обеспечивает защиту от коррозии и делает его устойчивым к химическим веществам;
- срок эксплуатации корпуса системы очистки превышает 50 лет;
- легкость в монтаже и обслуживании;
- низкие затраты на эксплуатацию;
- высокая эффективность очистки воды.
Для полного обеззараживания очищенных вод (после установки "БИОС") рекомендуем использовать систему ультрафиолетового обеззараживания воды от "Бородино-Юг".
Общее
число
Производи-
способность,
м 3 /сут
Число
блоков
Паспорт на систему “БИОС”
Живые организмы (биос)
Первоначально микроорганизмы обуславливают колонизацию почвообразующих пород, в ходе своей активности они выделяют ферменты и другие сопутствующие вещества. Биоценозы (стабильные сообщества) способны воздействовать на процессы почвообразования, задавая им определённое направление. Однако не все микроорганизмы могут устраиваться и существовать на различных типах горных пород.
Где-то им не подходит кислотность среды, где-то — набор химических компонентов и их сочетание, где-то — чрезвычайная плотность пород и другие факторы. В результате поселения микроорганизмов на поверхности горных пород процесс почвообразования не начинается. Для этого нужны благоприятные стечения обстоятельств (климат, физико-химические условия и отсутствие физических воздействий).
Изучением роли живых организмов в процессе образования почвы занимался российский ученый В. Р. Вильямс. Он доказал, что для запуска и поддержания процесса почвообразования необходимо одновременное протекание большого (геологического) и малого (биологического) круговоротов веществ.
Обычно первыми на обнажённых горных породах поселяются автотрофные бактерии и водоросли, которые получают энергию через синтез первичного органического вещества под воздействием солнечного света. Эти организмы играют важную роль в циклах углерода, азота, серы, фосфора, кислорода и многих других элементов. Жизнедеятельность микроорганизмов имеет ключевое значение для процесса почвообразования.
В дальнейшем именно живые организмы почвы «отвечают» не только за синтез химических веществ (в том числе питательных), но и за процессы деструкции (разложения) отходов. Поэтому при грамотном использовании почв как биологического тела должна происходить постоянная борьба за увеличение емкости биологического круговорота, вовлечение новых питательных веществ и ускорения процессов разложения отходов.
Организмы в природе вырабатывают, преобразуют и разлагают как минеральные, так и органические вещества в земле и горных образованиях, что способствует формированию оптимальных условий для роста определенных видов растений, способных адаптироваться к специфическим условиям окружения. Микроорганизмы включают в себя бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли, простейшие, а также фитофагов и зоофагов.
Чем выше в почвах концентрация микроорганизмов, тем, как правило, интенсивнее биологические процессы. Однако существуют и разумные пределы их количества, а также очень важен их состав.
Наличие патогенных микроорганизмов в почве не только значительно ухудшает экологическую ситуацию в почвенном слое, но и может привести к полному исчезновению растительности или распространению патогенов через урожай, что угрожает здоровью потребителей (животных и людей). Климат является одним из самых заметных факторов, влияющих на образование почвы.
Он способен оказывать как прямое, так и косвенное влияние. К прямым климатическим факторам, влияющим на почвенные процессы, можно отнести уровень и силу солнечного излучения, объем и частоту осадков, а также их химическую природу и состав газов в атмосфере.
К косвенным климатическим параметрам, влияющим вначале на биос и лишь потом на почвенные процессы, относят почвенные микро- и макроорганизмы, растительные ассоциации. Однако не менее важны и метеорологические параметры, ведь климат — это многолетний режим погоды, а погодные условия могут меняться довольно значительно даже в пределах одного сезона на одной территории и оказывать далеко не всегда только благотворное влияние.
Часто стихийные метеорологические явления могут вызвать вымораживание, вымывание или сдувание плодородного слоя почвы, формировавшегося на протяжении десятков или даже сотен лет. Для нормального существования и работы почвенных процессов критически важен такой климатический параметр, как сумма активных температур — это время, когда температура воздуха превышала 10°С.
Именно эта величина критическая для жизнедеятельности живых организмов, запускающих все остальные процессы в почве. Метеорологические параметры в наибольшей степени могут изменить экологический статус почвенного покрова за счет эрозии, выдувания (дефляции) и режима увлажнения почвенной толши. На почвенных и климатических картах почти везде совпадают границы изменения характеристик (и климатических, и почвенных), что демонстрирует очевидную взаимосвязь этих сред. Таким образом, наиболее значимые для почвообразования процессы: интенсивность и количество осадков, скорость и направление ветра, сезонность или ее отсутствие, континентальность или приморское положение, наличие и высота снежного покрова, суточный и сезонный ход температур, глубина промерзания и оттаивания почвенного слоя и другие характеристики.
Рельеф представляет собой конфигурацию земной поверхности, которая играет ключевую роль в определении множества характеристик, необходимых для образования почвы. Например, рельеф влияет на экспозицию склонов, то есть на их ориентацию относительно солнца; от формы и угла наклона склонов зависит количество почвы, которое может удерживаться на них при действующей силе тяжести.
Если на склоне присутствуют углубления и впадины, то именно они, вероятнее всего, станут первыми местами формирования почв, а затем этот процесс распространится и на другие участки склона. Рельеф также определяет параметры формирования воздушных потоков и наличие зон с тенью от ветра, а также объем и задержку осадков на склонах.
В целом протекание этих процессов на равнинах и в горах сильно различается, соответственно мощность почв и их качество также будут сильно зависеть от условий рельефа. Возраст почв определяется типом климата и интенсивностью биологических процессов.
В. В. Докучаев разработал методику для определения возраста почв, которая включает несколько этапов: сначала необходимо выяснить возраст физико-географической территории, на которой расположены интересующие почвы, затем провести исследование процессов, происходящих на этих почвах, и лишь после этого можно сформировать представление о их возрасте. Так, изучая биохимические процессы и накопление гумуса в черноземах, наиболее плодородных почвах степного региона, ученый пришел к выводу, что возраст украинских черноземов составляет около 4-4,5 тысяч лет.
Однако наиболее ценная часть этих почв — гумусовый горизонт (хоть и очень мощный, местами более 70 см) — подвергается постоянной опасности разрушения и смыва или сноса, так как это верхняя и наиболее мягкая часть почвенного покрова, она легко поддается разрушительной деятельности ветра, атмосферных осадков, интенсивному вытаптыванию и другим воздействиям. Исследователь предложил выделять почвы молодые, маломощные, с плохо проработанными почвенными слоями, и зрелые, которые могут и не иметь очень мощного профиля, но генетические горизонты в них хорошо развиты, сформированы и выражены.
Деятельность человека, связанная с хозяйством, считается самым недавним фактором, влияющим на образование почв. Вероятно, первые ее проявления появились около 10—12 тысяч лет назад, когда человечество начало оседлый образ жизни.
В результате внимательного отношения к почвам на «своих» территориях в различных частях мира накопился значительный опыт в сохранении почвенной структуры и увеличении их плодородия. При миграции определенных групп людей в другие области становилось очевидным, что устоявшиеся методы обработки и улучшения почв не всегда соответствуют новым природным условиям. К тому же антропогенное воздействие часто оказывается разрушительным, что не только ухудшает почвенное покрытие, но и приводит к его деградации и даже полному разрушению. Парадоксально, но иногда такие негативные последствия возникали именно из стремления повысить плодородие. Однако именно данный отрицательный опыт стал толчком к прогрессу, побудив изучать причины и следствия возникающих проблем, проводить систематические наблюдения за почвами и разрабатывать новые подходы к их рекультивации и мелиорации, а Внедрять современные методы сельского хозяйства.
- — экологические функции почвы;
- — изучение почвенных процессов с использованием физических, химических и биологических методов;
- — экосистемные функции почвы в их естественном состоянии и в различных почвенных типах;
- — зонально-региональные различия в экологической роли почвы.
- — новая концепция защиты почвы, опирающаяся на философско-методологический подход;
- — правовая основа для охраны почвы;
- — Красные книги почвенных ресурсов на уровне мировой и региональной шкалы.
Классификация земельных ресурсов проводится для промышленности, для градостроительства, для лесо- и землепользования, в других целях. Основные виды землепользования изложены в Земельном кодексе РФ [1] [2] .
Земельный ресурс Российской Федерации:
- — участки для сельского хозяйства;
- — участки лесного фонда: леса и земельные участки населенных пунктов;
- — участки водного фонда: территории, покрытые водоемами, а также занятые гидротехническими и другими сооружениями;
- — запасы земель: которые принадлежат государству или муниципальным образованием;
- — земли, относящиеся к населённым пунктам;
- — земли для промышленности, энергетических нужд, транспорта, связи, радиовещания, информатики и других похожих целей;
- — земли, находящиеся под охраной особых природных территорий.
