فتوسنتز و تنفس دو فرآیند اصلی رشد گیاه هستند که کلیدی برای گیاهان سالم و محصولات با کیفیت هستند.
در طول فتوسنتز، برگ ها و سلول های بنیادی فتوسنتزی از انرژی خورشید برای ترکیب دی اکسید کربن (CO2) از هوا با آب جذب شده توسط سلول های ریشه استفاده می کنند تا قند را به شکل گلوکز بسازند. این گلوکز برای بسیاری از فرآیندهای متابولیکی در تمام قسمت های گیاه از جمله تولید سلولز و نشاسته استفاده می شود.
گلوکز همچنین منبع سوخت کلیدی برای تنفس سلول ریشه است، فرآیندی که اساساً برعکس فتوسنتز است.
در طول تنفس، سلول های ریشه در حال تنفس، گلوکز انتقال یافته از برگ ها را می سوزانند. گلوکز به انرژی سلولی (به نام آدنوزین تری فسفات یا ATP) تبدیل می شود و برای هدایت فرآیندهای متابولیک، در درجه اول جذب آب و مواد مغذی استفاده می شود.
بدون اکسیژن، تنفس اتفاق نمی افتد. اکسیژن گیرنده نهایی الکترون است. تنفس هوازی برای تبدیل گلوکز به ATP لازم است.
اکسیژن عامل محدود کننده محصولات با کیفیت است
مقدار اکسیژن موجود به سلول های ریشه با سرعت رشد گیاه سالم و عملکرد محصول مرتبط است. بدون اکسیژن کافی، مقدار قندی که سلول های ریشه می توانند بسوزانند و مقدار آب و مواد مغذی که می توانند جذب کنند محدود است.
کاهش سرعت جذب آب و مواد مغذی توسط گیاه مستقیماً سرعت رشد کلی و عملکرد و کیفیت میوه آن را محدود می کند. گیاهان ضعیف شده بیشتر مستعد ابتلا به بیماری ها هستند و در برابر تنش های محیطی مانند دماهای بالا در ماه های گرمتر مقاومت کمتری دارند.
اکسیژن رسانی به ناحیه ریشه یک روش معمول در گلخانه ها است. این موضوع در آب و هوای گرمتر اهمیت بیشتری دارد، زیرا اکسیژن محلول (DO) کمتری در آب در دماهای بالاتر وجود دارد.
علاوه بر این، پرورش دهندگانی که از آب آبیاری مجدد استفاده می کنند باید پس از هر آبیاری کیفیت آب را بهبود بخشند.
کشت محصول در فضای باز و هوادهی آب
علاوه بر گلخانه داران، پرورش دهندگان محصولات زراعی تخصصی نیز از آب آبیاری هوادهی بهره می برند.
آب چاه و مخازن حاوی آب چاه اغلب فاقد اکسیژن کافی برای حفظ سلامت گیاه هستند. اگر ترکیبات آلی در مخزن وجود داشته باشد، معمولاً از برگها و دانهها، فضولات پرندگان، عوامل بیماریزا و جلبکها، نیاز بیوشیمیایی اکسیژن (BOD) آب بالا خواهد بود.
این بدان معنی است که میکروارگانیسم ها برای تجزیه اجزای آلی موجود به اکسیژن محلول بیشتری نیاز دارند. روش های اکسیژن رسانی کلیدی برای دستیابی به یک DO قابل قبول برای کاهش BOD و ارتقای سلامت ریشه گیاه هستند.
علاوه بر این، یک مطالعه جدید در سال 2022 تأیید می کند که سطوح بالاتر اکسیژن خاک (از تصفیه آب فوق اکسید شده) فعالیت های میکروبی مفید خاک مانند معدنی شدن خاک و تبدیل مواد مغذی را افزایش می دهد که باعث بهبود عملکرد محصول، کارایی مصرف آب و حاصلخیزی خاک می شود.
چه استفاده از آب ذخیره شده در یک مخزن یا مستقیماً از یک منبع، آب آبیاری با اکسیژن بالا و با کیفیت برای رشد ریشه و رشد گیاه ضروری است.
اکسیژن و بیماری
اکسیژن همچنین برای کاهش و سرکوب بیماری هایی مانند گونه های Pythium یا عفونت های Phytophthora کلیدی است. سطوح بالای اکسیژن محلول باعث رشد میکروارگانیسم های مفید مانند میکوریزا و سرکوب پاتوژن های بی هوازی می شود.
اگر سطح اکسیژن محلول در ناحیه ریشه کم باشد، این می تواند بر مورفولوژی ریشه و گیاه، متابولیسم و رشد تأثیر بگذارد.
این انحرافات بر رشد گیاه تأثیر منفی می گذارد و آنها را مستعد بیماری می کند.
فناوری های اکسیژن رسانی
تا همین اواخر، پرورش دهندگان چند روش سنتی هوادهی آب را برای انتخاب داشتند، با این حال، این روش ها عملکرد نسبتاً ضعیفی داشتند.
دیفیوزرها بازده انتقال اکسیژن 1-2% و سیستمهای ونتوری و اسپارگر دارای راندمان انتقال اکسیژن تقریباً 20-40% هستند. اگرچه ونتوریس و میستر نرخ انتقال بالایی دارند، اما برای پرورش دهندگان ناکارآمد و غیراقتصادی هستند.
از آنجایی که توانایی آب در نگهداری اکسیژن محلول با افزایش دما کاهش می یابد، بسیاری از پرورش دهندگان از سیستم های خنک کننده آب در سیستم های هوادهی سنتی خود استفاده می کنند. سیستم های خنک کننده انرژی زیادی مصرف می کنند و هزینه های عملیاتی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند و باعث کاهش پایداری و اقتصادی می شوند، به ویژه با ادامه افزایش هزینه های انرژی.
فناوری نانو حباب
فناوری نانو حباب یک روش پایدار و مقرون به صرفه برای افزایش اکسیژن محلول در ناحیه ریشه به سطوح بهینه است. فناوری ثبت اختراع Moleaer دارای نرخ انتقال اکسیژن بیش از 85 درصد است که به پرورش دهندگان این امکان را می دهد تا با استفاده از منابع کمتر اکسیژن محلول را به طور موثر افزایش دهند.
نانوحبابها همچنین یک روش ثابت شده بدون مواد شیمیایی برای ضدعفونی موثر آب و خطوط آبیاری، جلوگیری از بیماریهای ریشههای منتقله از آب و تجمع بیوفیلم ارائه میکنند. این مزایا باعث بهبود کیفیت آب، افزایش بنیه گیاه و کاهش وابستگی به کاربردهای شیمیایی می شود.
سوپراکسیژناسیون نانوحباب
سرعت انتقال گاز بالاتر به مولد نانوحباب اجازه می دهد تا به سرعت و به طور موثر سطح اکسیژن محلول را افزایش دهد. پرورش دهندگان می توانند مولد نانوحباب را به گونه ای تنظیم کنند که اکسیژن محلول را برای استفاده بهینه از اکسیژن برای محصولات خود هدف قرار دهد. فناوری Moleaer به پرورش دهندگان این امکان را می دهد تا سطوح DO را در ناحیه ریشه حداقل 50 تا 100 درصد افزایش دهند و غلظت ثابتی را حتی در آب گرم حفظ کنند.
در این سطح، سلول های ریشه در جذب آب و مواد مغذی کارآمدتر هستند. زمانی که سلول های ریشه قادر به جذب هر چه بیشتر آب و مواد مغذی باشند، حداکثر رشد ریشه، رشد گیاه و عملکرد محصول حاصل می شود.
نانوحباب ها عوامل بیماری زا و بیوفیلم را نیز کاهش می دهند
علاوه بر اکسیژن رسانی کارآمد، فناوری نانوحباب، نانوحباب هایی با خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فرد تولید می کند. از طریق این ویژگی ها، نانوحباب ها پاتوژن های موجود در آب و بیوفیلم را کاهش می دهند.
نانوحبابها بهطور خنثی شناور هستند، به این معنی که به جای اینکه به سطح بروند و مانند حبابهای بزرگتر بترکانند، در مایع معلق میمانند. همانطور که آب آبیاری جریان دارد، نانوحباب ها به طور مداوم و به طور تصادفی از طریق حرکت براونی در بخش هایی از سیستم آبی جابجا می شوند.
آنها جذب سطوحی مانند دیوارههای لولههای آبیاری میشوند، جایی که فرسوده میشوند و بیوفیلم را میشستند، ماتریکسی که در بیشتر سطوحی که با آب در تماس هستند تشکیل میشود. بیوفیلم ها پاتوژن ها را در خود جای می دهند و می توانند در هنگام انباشتگی قطره چکان های آبیاری را مسدود کنند.
کاهش بیوفیلم گسترش پاتوژن ها را محدود می کند و عمر سیستم های آبیاری را افزایش می دهد. علاوه بر این، پرورش دهندگان می توانند کاربردهای شیمیایی برای حذف بیوفیلم را کاهش دهند.
بدون استفاده از مواد شیمیایی، نانوحباب ها همچنین می توانند سلول های باکتریایی را حل کرده و پاتوژن ها را در آب اکسید کنند. هنگامی که نانوحباب ها با آلاینده ها مواجه می شوند، می ترکند و گونه های فعال اکسیژن (ROS) تولید می کنند. گونه های فعال اکسیژن اکسیدان های ملایمی مانند پراکسید هیدروژن یا کلر هستند.
همانطور که دانشمندان دانشگاه ماساچوست و دانشگاه ایالتی آریزونا اخیرا توضیح دادند، "ROS تولید شده با نانوحباب ممکن است بیشترین نوید را برای تصفیه آب داشته باشد، زیرا امکان دور شدن از اکسیدان های مبتنی بر شیمیایی (کلر، ازن) را فراهم می کند که درمان آنها پرهزینه است. خطرناک است، و محصولات جانبی مضر تولید می کند، در حالی که به دستیابی به اهداف مهم درمانی کمک می کند (به عنوان مثال، تخریب آلاینده های آلی، پاتوژن ها، بیوفیلم ها).
تولیدکنندگان از فناوری نانوحباب برای کاهش پاتوژن ها و بیوفیلم استفاده می کنند
پرورش دهندگان کاهش قابل توجهی در پاتوژن های موجود در آب مانند Pythium و Phytophthora در آب آبیاری تزریق شده با حباب نانو مشاهده کرده اند.
سازمان تحقیقاتی هلندی NovaCropControl مطالعه ای روی محصولات گوجه فرنگی گلخانه ای آبیاری شده با آب آبیاری نانوحباب انجام داد. آنها شاهد کاهش 80 درصدی سطح پیتیوم، یک پاتوژن معمولی در آب بودند که بر سلامت ریشه تأثیر می گذارد.
مطالعه دیگری در موسسه دلفی در هلند انجام شد و محصولات توت فرنگی را مورد بررسی قرار داد. محققان کاهش 74 درصدی در تعداد Pythium، موارد کمتر بیماری Phytophthora و کیفیت کلی ریشه سالمتر را دریافتند.