Выращивание низших растений

Неоднократно предпринимались, особенно в Японии и США, серьезные попытки крупномасштабного производства органического материала в искусственных условиях, в которых на протекание процессов фотосинтеза можно оказывать большее воздействие. Исследования проводились преимущественно с крошечными одноклеточными растениями - разновидностями морских водорослей. Эти удивительные, отличающиеся высокой продуктивностью организмы широко распространены в прудах. При сильном солнечном освещении они придают воде темно-изумрудный цвет, В естественных водоемах находятся в огромных количествах такие их разновидности, как хлорелла и сценедесмус. Каждый такой одноклеточный организм в отдельности имеет характерную овальную форму длиной около 10 мкм. При выращивании в атмосфере CO₂ и в благоприятной питательной среде клетка в процессе митоза делится на две, а иногда на четыре дочерние клетки в течение примерно 12 ч, то есть за один световой день. Скорость размножения настолько велика, что через месяц из каждой клетки образуется до 10 млрд. клеток. Для всех видов исследованных до сих пор морских водорослей до некоторой степени характерно рассмотренное насыщение в процессе фотосинтеза, которое обычно наступает при интенсивности радиации от 50 до 100 ^Вт/_м². Используя медленные стадии фотосинтеза, которые протекают и в темноте, путем чередования периодов экспозиций при высокой и при низкой интенсивности освещения, в этих организмах можно устранить эффект светонасыщения. В "темные" периоды реакции синтеза продолжаются за счет энергии, запасенной в "светлые" периоды. Среднюю интенсивность освещения живущих в воде клеток можно уменьшить, перемешивая их так, чтобы отдельные водоросли сначала подвергались воздействию освещения вблизи поверхности, а затем погружались в глубину.

Водоросли, живущие в такой среде, нужно обеспечивать питательными солями, которые обычные растения получают из почвы. Чтобы создать условия для протекания химических реакций, необходимо также пропускать через воду углекислый газ или обогащенный им воздух. Для непрерывного развития водорослей в воду добавляют основные питательные соли (нитраты, фосфаты, сульфаты и небольшие, но достаточные количества таких элементов, как железо и магний), причем со скоростью, соответствующей скорости потребления их растениями. При крупномасштабном выращивании водорослей иногда среду непрерывно подпитывают солями, извлеченными из сточных вод. Поскольку отходы, поступающие через бытовую канализацию, содержат входившие в состав пищи органические вещества, они вполне подходят для питания растений, по крайней мере в период подкормки. Подобно тому как эти отходы применяют в ряде областей для удобрения почвы, их использовали и для подкормки водорослей.

Все сточные воды содержат бактерии, а сосуществование водорослей и бактерий благоприятно для тех и других. Бактерии также являются микроорганизмами, часто даже более мелкими, чем одноклеточные водоросли. Большинство бактерий развивается в кишечниках людей и животных и выделяется вместе с экскрементами. В почве, воде и воздухе обитает бесчисленное множество других бактерий. Их основные экологические функции сводятся к обеспечению растений и животных азотсодержащими веществами в удобном для них виде; они образуют эти вещества, захватывая азот из атмосферы или превращая в более простые соединения сложные органические вещества, содержащиеся в остатках растений и отходах животных. Бактерии, содействующие росту растений, относят к типу аэробных, или потребляющих кислород, бактерий. Они превращают содержащиеся в сточных водах органические вещества в другие, необходимые для роста водорослей, а именно в углекислый газ, воду, нитраты, фосфаты и другие питательные вещества. В свою очередь водоросли выделяют необходимый для бактерий кислород. Колонии сосуществующих таким образом бактерий и водорослей выращивались круглогодично в открытых искусственных резервуарах в различных частях земного шара. Даже в северной Европе результаты ускоренного выращивания водорослей на открытом воздухе были весьма успешными.

Непрерывное выращивание водорослей с использованием отходов и одновременная очистка воды от нечистот и вредных примесей призваны сыграть важную роль в жизни людей. Действительно, этот способ обеспечивает разложение и повторный синтез органических веществ, которые иначе все равно разлагаются естественным образом. Мы не можем даже в простейшем виде дать уравнения процессов, приводящих такую систему к устойчивому состоянию, поскольку при этом необходимо учитывать концентрацию и характер отходов, активность бактерий и водорослей, интенсивность солнечной радиации, температуру и другие факторы. Однако возможности такой системы проверены во многих достаточно солидных экспериментах. Урожай водорослей можно периодически собирать, поддерживая их концентрацию приблизительно постоянной. Водоросли получают, пропуская среду, в которой они обитают, через центрифугу (напоминающую центрифугу бытовой стиральной машины). Было показано, что отношение энергии, которую можно выделить из высушенных водорослей, к количеству солнечной энергии, падающей на резервуары, где выращиваются водоросли, приближается к 8%, то есть к. п. д. такой системы имеет величину, близкую к максимальному теоретическому значению. Это соответствует примерно 30 ^кг/_м² сухого материала за год, но при продолжительной работе системы эта величина падает до 10-15 ^кг/_м², то есть приближается к годовой продуктивности более высокоорганизованных растений.