Дроны с красным светом активизируют фотосинтез у культурных растений

Лазер красного спектра повышает урожайность и масличность сельскохозяйственных культур, особенно если повесить его на беспилотник.

Компания «Новбиотех» (резидент «Сколково») разработала уникальную технологию стимуляции роста растений неионизирующим лазерным излучением. Это особенно актуально в условиях запроса общества на экологически чистые продукты и тренда на органическое земледелие, ведь предлагаемая технология не оказывает токсического воздействия ни на растения, ни на окружающую среду. Укрепление иммунитета растений за счет лазера позволяет снизить количество удобрений, гербицидов и пестицидов, а значит, меньше этих веществ попадает в грунтовые воды, загрязняя источники питьевой воды. А еще благодаря дрону используется меньше сельхозтехники и горюче-смазочных материалов, соответственно, выбросов в атмосферу тоже становится меньше.

Распределить равномерно

Руководит проектом Наталья Севостьянова, которая успевает совмещать инновационную предпринимательскую деятельность с научной работой: она доктор биологических наук, в прошлом профессор кафедры биологии и биологической химии Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого. Именно в университете родился ее интерес к лазерам и начались исследования в области стимуляции растений лазерным излучением. «Интерес к лазерам еще в аспирантуре мне привил мой научный руководитель,— рассказывает Наталья.— Мы облучали лазером сельскохозяйственных животных и смотрели, как меняются их рост, иммунитет, товарные качества продукции переработки. В 2003 году я окончила Лазерную академию наук в Калуге и после этого некоторое время работала в Санкт-Петербурге: вместе с учеными Санкт-Петербургского института биорегуляции и геронтологии мы моделировали старение и изучали, как ткани животных реагируют на воздействие лазера».

Вернувшись в Великий Новгород, в родной университет, Наталья Севостьянова с коллегами — инженерами, экономистами и студентами — решила изучить влияние лазера на растения. В советское время проводились похожие эксперименты, но тогда все это представляло чисто научный интерес: лазеры были громоздкими, энергоемкими и никак не могли быть использованы в сельском хозяйстве.

Наталья с коллегами начинали с семян, наблюдали, как после обработки лазером они прорастают, как укрепляется растение. В 2019 году совместно со студентами провели полевые испытания в одном из новгородских фермерских хозяйств. Обрабатывали капусту и заметили, насколько ускоряется завязывание кочана. Эксперимент удался, но обнаружились недостатки, связанные с тем, что лазерная установка была стационарной. На небольшой площади, где проводились испытания, она в принципе неплохо работала, но если обрабатывать большое поле, то растения, которые находятся ближе к источнику излучения, получают больше света, а те, что подальше,— намного меньше. Неравномерное покрытие не всегда дает желаемый результат.

Кстати, такие стационарные лазеры, только гелий-неоновые, установленные на тракторах, использует в Краснодарском крае НПФ «Биолазер». По опыту конкурентов и результатам собственных испытаний Наталья Севостьянова решила отказаться от боковой обработки, перейти на другой тип лазера и поместить источник излучения в более выигрышное положение по отношению к поверхности, которая поглощает свет, то есть поднять лазер в воздух, или, другими словами, установить на беспилотный летательный аппарат. Обработка происходит вертикально и бесконтактно. Так растения и свет получают равномерно, и травматизации не происходит, при этом площадь обработки может варьироваться. Плюс беспилотника еще и в том, что с его помощью можно проводить обработку в труднодоступных местах, куда самоходная техника зайти не может, например, в случае подтоплений. Со своим решением компания «Новбиотех» участвовала в 2020 году в конкурсе технологических проектов Startup Village, вышла в финал и получила грант от Фонда содействия инновациям.

Красный свет и обменные процессы

В основе технологии лежит реакция как семян, так и собственно растений на свет. Научно доказано, что растения хорошо реагируют на красный свет, испускаемый полупроводниковыми лазерами, поэтому в «Новбиотехе» выбрали лазер красного спектра с длиной волны 630–680 нм. Рецепторы на листовой пластине поглощают кванты света, их энергия передается внутрь растительной клетки и запускает синтез АТФ (аденозинтрифосфат — вещество, играющее основную роль в обмене энергии в клетках живых организмов.— “Ъ”). АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. «Для того чтобы запустить синтез энергии, или фотосинтез, необходимо потребление углекислого газа и воды. При воздействии лазером фотосинтез активируется, растение начинает поглощать больше этих веществ и синтезировать больше биологически активных молекул в белке, которые являются природными катализаторами всех обменных процессов,— объясняет гендиректор "Новбиотеха".— Запустились обменные процессы, значит, ускорились рост и созревание, выросла урожайность, снизилось количество свободной воды, повысилось содержание сухого вещества, то есть тех полезных питательных веществ, которые важны для нас как для конечных потребителей».

«Наша лазерная стимуляция оказывает иммуномодулирующее воздействие. Мембраны клеток становятся более устойчивыми к проникновению различных патогенов, как следствие, снижается количество гнили. Все как у людей: чем крепче растение, тем меньше оно болеет»,— отмечает Наталья Севостьянова.

Обработку можно начинать прямо с семян — в них тоже важно активировать обменные процессы. «Перед посевом семена должны немножечко полежать, чтобы запущенные в них процессы позволили семени окрепнуть»,— подчеркивает Наталья Севостьянова. Следующая фаза роста, подходящая для облучения лазером,— это всходы, лучше всего на стадии трех листьев. «Фаза роста три листа оптимальна, потому что в этот момент растение формирует корневую систему, начинает потреблять больше питательных веществ,— продолжает специалист.— Появляется листовая пластина, активируется клеточное дыхание, и происходит процесс поглощения всего, что можно взять. Это как если бы человеку с двумя руками дали еще две руки — он же больше возьмет! То же самое с растениями».

Дрон с лазером на борту облетает поля ночью. Почему? Разве растения ночью не должны отдыхать? Оказывается, известный нам из школьной программы фотосинтез, который преобразует энергию света в энергию химических связей, протекает круглые сутки, просто у него есть разные фазы. Днем рецепторы, находящиеся на листовых пластинах, воспринимают ультрафиолетовый свет. Ночью, наоборот, работает красная часть спектра. «Мы не светим всю ночь на растение, а обрабатываем кратковременно, оказывая непродолжительное импульсное воздействие,— объясняет Наталья.— Это позволяет переключить фотосистему растения, улучшить его адаптацию, сделать более устойчивым к условиям окружающей среды, активировать генетический потенциал».

Оптимизация и баланс

Но тут важно соблюсти баланс, чтобы не навредить, поэтому такие параметры, как кратность и продолжительность обработки, в «Новбиотехе» подбирали вручную. «Мы ориентируемся на конечные данные, которые получаем после сбора урожая,— рассказывает Наталья.— Урожайность нам сообщают хозяйства, в которых мы проводим испытания, либо научно-исследовательский институт, с которым мы заключили договор об исследовании конечного материала. Рапс, пшеница, зеленая масса сдаются в аккредитованные лаборатории, и они дают свое заключение. На основании этих заключений мы делаем выводы о правильности выбранных параметров обработки. При этом хозяйство, которое высадило культуру, должно соблюдать технологию возделывания, обеспечивать правильный уход, ведь иначе никакой лазер не поможет. Если почва обедненная, то сколько ты над посадками ни летай, получить хороший результат будет сложно».

«Для каждой культуры мы применяем свое определенное расстояние от земли, так что наш беспилотник летает на высоте от 10 до 18 м,— говорит Наталья Севостьянова.— И мы смотрим, как культура на это отзывается. При обработке с одной высоты повышается урожайность (в Ставропольском крае для озимой пшеницы она выросла на 13–15%, в Новгородской области для яровой — на 10–13%), а с другой высоты возрастает масличность, если это масличная культура». Так было в 2022 году с рапсом. На одной из высот урожайность выросла не так значительно, как в других группах, зато масличность увеличилась на 10%. Для масложировой промышленности это очень ценно. У картофеля после обработки лазером повышается количество крахмала и, соответственно, выход технического крахмала, который производят на перерабатывающих заводах. У свеклы становится больше углеводов, и если это сахарная свекла, то можно получить большее количество сахара. «Мы заметили, что плоды богатых углеводами культур получаются более сочными, с более ярким вкусом за счет повышения количества сахаров»,— подытоживает эксперт.

Дрон, лазер, Турция и Бразилия

Разработанное инженерами «Новбиотеха» устройство представляет собой основу, на которой закреплен полупроводниковый лазер. Основа с лазером крепится на стабилизатор, который устанавливается на беспилотный летательный аппарат. Стабилизатор — деталь очень важная, он позволяет контролировать угол падения луча лазера на поверхность, ведь отклонение не должно превышать 6°. Установка может работать как от своего аккумулятора, так и от аккумулятора беспилотника.

Беспилотники предоставил Санкт-Петербургский федеральный исследовательский центр РАН, но в принципе можно использовать любой БПЛА, обладающий определенной грузоподъемностью. Лазеры закупают за границей, а установку собирают в Санкт-Петербургском федеральном исследовательском центре и новгородском опытно-конструкторском бюро «Планета». Уже есть договоренность, что ОКБ «Планета» будет и дальше производить это оборудование. «Чтобы от пилотных испытаний перейти к полномасштабному оказанию услуг, нужны другие мощности производства,— подчеркивает Наталья.— Мы стремимся снизить стоимость установки и, соответственно, обработки, чтобы она стала доступной широкому кругу сельхозпроизводителей. Возможно, в дальнейшем к "Планете" присоединятся другие компании, которые будут осуществлять мелкосерийное производство».

В компании планируют не столько продавать свои установки, сколько оказывать услуги по лазерной обработке посадок. «Дорожная карта, которую мы разработали, подразумевает до 2026 года выход на продажу оборудования за рубежом и франшизу на территории России,— говорит Наталья.— В России мы рассчитываем работать с компаниями и хозяйствами, у которых есть дроны. В сельском хозяйстве много беспилотников, которые, например, опрыскивают растения. Их можно сделать более универсальными: снял канистру с раствором, поставил наш стабилизатор — дрон летит и облучает. За счет оптимизации использования оборудования удастся повысить рентабельность».

Услуга удобнее еще и потому, что хранить оптику и ухаживать за ней сложно и затратно. К тому же тут важно контролировать параметры обработки, и специалисты «Новбиотеха» сделают это более качественно.

За рубежом уже ждут оборудование «Новбиотеха». У компании подписано два соглашения от производителя органической продукции в Турции на пилотные испытания, которые предполагается провести в ближайшее время. Заинтересованность в технологии проявила Бразилия, где важной сельхозкультурой выступает соя, и сейчас этот вопрос прорабатывается. Технологию «Новбиотеха» хочет купить эстонская компания, производитель биоудобрений, которая располагает хорошей клиентской базой в Европе и Латинской Америке.

Но пока есть определенные трудности. Сейчас в компании две установки. Увеличить их число быстро не получается из-за задержки с поставками оборудования и комплектующих, ведь лазеры с необходимыми «Новбиотеху» характеристиками в России не производятся. «Проблема в лазерах, проблема в финансировании,— рассказывает Наталья.— Мы все-таки стартап и развиваемся на грантовые деньги, на деньги бизнес-ангела, однако хотим как можно быстрее перейти к масштабированию и начать полноценно зарабатывать».

Елена Туева