Fotosynteesi ja hengitys ovat kaksi suurta kasvien kasvuprosessia, jotka ovat avain terveille kasveille ja laadukkaille satoille.
Fotosynteesin aikana fotosynteettiset lehdet ja kantasolut käyttävät auringon energiaa yhdistääkseen ilmasta peräisin olevan hiilidioksidin (CO2) juurisolujen imemään veteen, jolloin syntyy sokeria glukoosin muodossa. Tätä glukoosia käytetään moniin aineenvaihduntaprosesseihin kaikissa kasvin osissa, mukaan lukien selluloosan ja tärkkelyksen tuotanto.
Glukoosi on myös keskeinen polttoaineen lähde juurisoluhengitykselle, prosessille, joka on pohjimmiltaan käänteinen fotosynteesiin.
Hengityksen aikana hengittävät juurisolut polttavat lehdistä kulkeutuvaa glukoosia. Glukoosi muunnetaan soluenergiaksi (kutsutaan adenosiinitrifosfaatiksi tai ATP:ksi) ja sitä käytetään aineenvaihduntaprosesseihin, ensisijaisesti veden ja ravinteiden ottamiseen.
Ilman happea hengitys ei tapahdu. Happi on lopullinen elektronin vastaanottaja. Aerobista hengitystä tarvitaan glukoosin muuttamiseksi ATP:ksi.
Happi on laadukkaiden satojen rajoittava tekijä
Juurisolujen käytettävissä oleva hapen määrä liittyy terveiden kasvien kasvunopeuksiin ja satotuotteisiin. Ilman riittävää happea sokerimäärä, jonka juurisolut voivat polttaa, sekä veden ja ravinteiden määrä, jotka ne voivat imeä, ovat rajallisia.
Kasvin veden ja ravinteiden oton hidastuminen rajoittaa suoraan sen yleistä kasvunopeutta sekä hedelmien satoa ja laatua. Heikentyneet kasvit ovat alttiimpia taudeille ja vähemmän kestäviä ympäristön rasituksille, kuten korkeille lämpötiloille lämpiminä kuukausina.
Juurivyöhykkeen hapetus on yleinen käytäntö kasvihuoneissa. Tämä on vielä tärkeämpää lämpimämmässä ilmastossa, koska vedessä on vähemmän liuennutta happea (DO) korkeammissa lämpötiloissa.
Lisäksi kasteluvettä uudelleen käyttävien viljelijöiden on parannettava veden laatua jokaisen kastelun jälkeen.
Ulkokasvien viljely ja veden ilmastus
Kasvihuoneviljelijöiden lisäksi myös erikoistuneiden peltokasvien viljelijät hyötyvät ilmastavasta kasteluvedestä.
Kaivovedestä ja kaivovettä sisältävistä säiliöistä puuttuu usein riittävästi happea kasvien terveyden ylläpitämiseksi. Jos säiliössä on orgaanisia yhdisteitä, yleensä tuulen puhaltamia lehtiä ja siemeniä, lintujen ulosteita, taudinaiheuttajia ja leviä, veden biokemiallinen hapenkulutus (BOD) on korkea.
Tämä tarkoittaa, että mikro-organismit tarvitsevat enemmän liuennutta happea hajottaakseen läsnä olevia orgaanisia komponentteja. Hapetusmenetelmät ovat avainasemassa hyväksyttävän DO:n saavuttamiseksi BOD:n vähentämiseksi ja kasvien juurien terveyden edistämiseksi.
Lisäksi uusi 2022-tutkimus vahvistaa, että korkeammat maaperän happipitoisuudet (superhapetetun veden käsittelystä) edistävät maaperän hyödyllisiä mikrobitoimintoja, kuten maaperän mineralisaatiota ja ravinteiden muuntamista, mikä parantaa satoa, vedenkäytön tehokkuutta ja maaperän hedelmällisyyttä.
Käytettäessä säiliössä olevaa vettä tai suoraan lähteestä saatua vettä, korkealaatuinen ja happipitoinen kasteluvesi on välttämätöntä juurien kehittymiselle ja kasvien kasvulle.
Happi ja sairaudet
Happi on myös avainasemassa sairauksien, kuten Pythium-lajin tai Phytophthora-infektioiden, vähentämisessä ja tukahduttamisessa. Erittäin korkeat liuenneen hapen tasot edistävät hyödyllisten mikro-organismien, kuten mykorritsan, kasvua ja tukahduttavat anaerobisia patogeenejä.
Jos liuenneen hapen määrä on alhainen juurivyöhykkeellä, tämä voi vaikuttaa juurien ja kasvien morfologiaan, aineenvaihduntaan ja kasvuun.
Nämä poikkeamat vaikuttavat kielteisesti kasvien kasvuun ja tekevät niistä alttiimpia taudeille.
Happiteknologiat
Viime aikoihin asti viljelijöillä oli valittavana muutamia perinteisiä veden ilmastusmenetelmiä, mutta nämä menetelmät toimivat melko huonosti.
Hajottajien hapensiirtotehokkuus on 1-2%, ja venturi- ja sparger-järjestelmien hapensiirtotehokkuus on noin 20-40%. Vaikka venturilla ja misterillä on korkeat siirtonopeudet, ne ovat tehottomia ja epätaloudellisia viljelijöille.
Koska veden kyky sitoa liuennutta happea heikkenee lämpötilan noustessa, monet viljelijät käyttävät vesijäähdytysjärjestelmiä perinteisissä ilmastusjärjestelmissään. Jäähdytysjärjestelmät kuluttavat paljon energiaa ja lisäävät merkittävästi käyttökustannuksia, mikä vähentää kestävyyttä ja taloudellisuutta, etenkin kun energiakustannukset nousevat jatkuvasti.
Nanokuplatekniikka
Nanobubble-teknologia on kestävä, kustannustehokas tapa lisätä liuennutta happea juurivyöhykkeellä optimaaliselle tasolle. Moleaerin patentoidun teknologian hapensiirtonopeus on yli 85 %, jolloin viljelijät voivat tehokkaasti lisätä liuennutta happea käyttämällä vähemmän resursseja.
Nanokuplat tarjoavat myös todistetusti kemikaalittoman menetelmän veden ja kastelulinjojen tehokkaaseen desinfiointiin, veden välityksellä leviävien juurisairauksien ja biofilmin kertymisen estämiseen. Nämä edut parantavat veden laatua, lisäävät kasvien elinvoimaa ja vähentävät riippuvuutta kemiallisista sovelluksista.
Nanobubble Superoxygenation
Suuremman kaasunsiirtonopeuden ansiosta nanokuplageneraattori voi nopeasti ja tehokkaasti lisätä liuenneen hapen määrää. Viljelijät voivat asettaa nanokuplageneraattorin kohdistamaan liuenneen hapen optimaalisen hapen hyödyntämisen viljelykasveilleen. Moleaerin teknologian avulla viljelijät voivat nostaa DO-tasoja juurivyöhykkeellä vähintään 50–100 prosenttia, mikä säilyttää tasaiset pitoisuudet myös lämpimässä vedessä.
Tällä tasolla juurisolut imevät tehokkaammin vettä ja ravinteita. Kun juurisolut pystyvät imemään mahdollisimman paljon vettä ja ravinteita, saavutetaan maksimaalinen juurikehitys, kasvien kasvu ja sato.
Nanokuplat vähentävät myös taudinaiheuttajia ja biofilmiä
Tehokkaan hapetuksen lisäksi nanokuplateknologia tuottaa nanokuplia, joilla on ainutlaatuiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Näiden ominaisuuksien ansiosta nanokuplat vähentävät vesivälitteisiä taudinaiheuttajia ja biofilmiä.
Nanokuplat ovat neutraalisti kelluvia, mikä tarkoittaa, että ne pysyvät nesteessä sen sijaan, että ne nousevat pintaan ja puhkeavat kuin suurempia kuplia. Kasteluveden virratessa nanokuplat liikkuvat jatkuvasti ja satunnaisesti vesijärjestelmän osien läpi Brownin liikkeen avulla.
Niitä houkuttelevat pinnat, kuten kasteluputkien seinämät, joissa ne kuluvat ja hankaavat biofilmiä, matriisia, joka muodostuu useimmille veden kanssa kosketuksiin joutuville pinnoille. Biofilmit sisältävät taudinaiheuttajia ja voivat tukkia kastelupäästöt, kun ne kerääntyvät.
Biofilmin väheneminen rajoittaa patogeenien leviämistä ja pidentää kastelujärjestelmien käyttöikää. Lisäksi viljelijät voivat vähentää kemiallisia sovelluksia biofilmin poistamiseen.
Ilman kemikaaleja nanokuplat voivat myös liuottaa bakteerisoluja ja hapettaa patogeenejä vedessä. Kun nanokuplat kohtaavat epäpuhtauksia, ne puhkeavat ja tuottavat reaktiivisia happilajeja (ROS). Reaktiiviset happilajit ovat mietoja hapettimia, kuten vetyperoksidi tai kloori.
Kuten Massachusettsin yliopiston ja Arizonan osavaltion yliopiston tutkijat äskettäin selittivät, "nanokuplilla syntyvä ROS voi olla lupaavimmin vedenkäsittelyssä, koska se mahdollistaa siirtymisen pois kemiallisista hapettimista (kloori, otsoni), joiden käsittely on kallista, vaarallisia ja tuottaa haitallisia sivutuotteita samalla kun se auttaa saavuttamaan tärkeitä hoitotavoitteita (esim. orgaanisten kontaminanttien, patogeenien, biofilmien tuhoaminen).
Viljelijät, jotka käyttävät nanokuplateknologiaa patogeenien ja biofilmien vähentämiseen
Viljelijät ovat havainneet, että vesivälitteisten patogeenien, kuten Pythium ja Phytophthora, määrä on vähentynyt merkittävästi nanokuplilla täytetyssä kasteluvedessä.
Hollantilainen tutkimusorganisaatio NovaCropControl tutki kasvihuonetomaatin viljelykasveja, jotka oli kasteltu nanokuplalla täytetyllä kasteluvedellä. He havaitsivat 80 prosentin laskun Pythium-pitoisuuksissa, jotka ovat yleinen vesivälitteinen patogeeni, joka vaikuttaa juurien terveyteen.
Toinen tutkimus tehtiin Delphi-instituutissa Alankomaissa, ja siinä tarkasteltiin mansikkakasveja. Tutkijat havaitsivat, että Pythium-määrät vähenivät 74 prosenttia, Phytophthora-taudit vähenivät ja juurien laatu oli yleisesti terveellisempää.