Оборудование 26 марта 2026

Применение мелкопузырьковых технологий в сельском хозяйстве

Текст: Н.Г. Оганян, канд. хим. наук; В.И. Добровольский, канд. техн. наук (оба — ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»)

Мелкопузырьковые технологии (Fine Bubble Technology) – это инновационное направление, которое активно исследуется учеными разных стран, с целью расширения их практического применения в различных областях жизнедеятельности человека. Учеными экспериментально доказано, что при использовании мелкодисперсных пузырьков наблюдается значительное повышение эффективности существующих технологий. Уже сегодня есть богатый опыт их применения в производстве продуктов питания, питьевой воды, косметики, новых функциональных материалов, солнечных батарей, полупроводников, жидких кристаллов, в медицине и фармацевтике, в сельском хозяйстве, в процедуре очистки, смыве почв, очистке сточных и природных вод и т.д.

В статье освещается международный опыт применения мелкопузырьковых технологий применительно к сельскому хозяйству.

Неустойчивое сельское хозяйство и рыболовство, связанные с загрязнением окружающей среды, глобальным потеплением и высоким спросом на энергию, требуют эффективных механизмов для обращения этих тенденций вспять. Чтобы обратить вспять эти тенденции без ущерба для сельскохозяйственной и рыбохозяйственной продукции требуются эффективные и действенные передовые технологии, не требующие использования химических веществ и способствующие повышению энергоэффективности с одновременным увеличением производительности. К числу таких технологий относятся мелкопузырьковые технологии (Fine Bubble Technology, FBT), предполагающие аэрацию мелкими пузырьками (Fine Bubbles, FBs), обладающими уникальными свойствами, включая перенос газа, оксигенацию и озонирование, высокий дзета-потенциал в сочетании с броуновским движением и относительно длительная стабильность в воде. Эти характеристики делают FBT передовой технологией для обеспечения экологической устойчивости.

FBs технология стала действительно новаторским решением для устранения критических проблем, связанных с изменением климата, экологической устойчивостью, стоимостью и энергоэффективностью в производственных процессах. Они уже внедрены во многих странах для улучшения качества воды, ускорения прорастания семян, ускорения роста и повышения урожайности растений, сокращения использования химикатов и продления срока годности продукции за счёт оптимизации уровня кислорода и улучшения здоровья растений и микроорганизмов. Мелкие пузырьки, также известные как нанопузырьки или ультрамелкие пузырьки, увеличивают содержание растворённого кислорода, создают условия, неблагоприятные для патогенов, и даже могут способствовать биоремедиации загрязнённых почв. Области применения включают очистку поливной воды, промывку продукции, стимуляцию роста семян и создание более благоприятных условий для гидропонных и аквакультурных систем.

Что же такое Fine Bubble?

fine bubble (мелкодисперсный пузырь) - пузырь с объемным эквивалентным диаметром менее 100 µм. Примечание: 100 µм можно также представить в виде 1 х 10-4 м.
ultrafine bubble (ультрадисперсный пузырь) - пузырь размером менее 1 мкм. Примечание: Нанодисперсные являются частью ультрадисперсных пузырьков.
Microbubble (микродисперсный пузырь) - пузырь с объемным эквивалентным диаметром от 1мкм до 100 мкм.

Использование мелкодисперсных пузырьков в сельском хозяйстве.

Основные тенденции применения в сельском хозяйстве это:

Улучшение орошения и полива. Мелкие пузырьки увеличивают концентрацию растворенного кислорода в воде, что способствует росту корней, предотвращает их заболевания и улучшает общее состояние растений.
Улучшение прорастания семян. FBT стимулирует прорастание семян за счёт увеличения массопереноса газов и образования свободных гидроксильных радикалов (•ОН), что может привести к активации фитогормонов, таких как гиббереллин.
Повышение урожайности и качества сельскохозяйственных культур. Улучшая водные и почвенные условия, FBT может привести к повышению урожайности, повышению устойчивости растений и повышению качества продукции.
Сокращение использования химикатов. Для мытья продукции можно использовать мелкопузырчатую воду, которая помогает удалить грязь, мусор и микробную нагрузку, тем самым повышая безопасность и потенциально снижая потребность в пестицидах.
Борьба с вредителями и болезнями. Повышенные аэробные условия и воздействие пузырьков на клеточные мембраны делают среду менее благоприятной для патогенов и могут контролировать распространение корневых болезней.
Продление срока годности. Мелкопузырчатая вода может помочь продлить срок годности свежих продуктов, подавляя рост микроорганизмов на поверхности.
Биоремедиация. FBT открывает возможности для обработки почв, загрязненных тяжелыми металлами, такими как кадмий, путем создания условий, способствующих биоремедиации.
Аквакультура. Мелкопузырьки используются в рыболовстве для увеличения плотности посадки и повышения выживаемости водных организмов.

Как это работает?

Увеличение содержания растворенного кислорода. Мелкие пузырьки стабильны в воде и могут значительно увеличить количество растворенного кислорода, что жизненно важно для жизни растений и микроорганизмов.
Физические и химические эффекты. Взрыв мелких пузырьков может приводить к образованию свободных гидроксильных радикалов (-OH), которые оказывают различное воздействие на биологические системы. Высокая концентрация газа также может изменять функции клеточных мембран и влиять на синтез ферментов.
Улучшение свойств воды. Введение мелких пузырьков изменяет физические и химические свойства воды, что приводит к таким преимуществам, как повышение прозрачности воды и уменьшение запаха.

Исследования в мире

Ученые и исследователи из ЮНЕП (Институт окружающей среды для устойчивого развития Тунцзи, Факультет наук об окружающей среде и инженерии, Университет Тунцзи, Шанхай, Китай), Министерства природных ресурсов и изменения климата, Департамент рыболовства (Малави, восточная Африка) и Факультета наук об окружающей среде и инженерии (Университет Дунхуа, Шанхай, Китай) пришли к выводу, что опубликованные данные о применении FBT в сельском хозяйстве и рыболовстве убедительно обосновывают FBT как основополагающую технологию для устойчивых и надежных систем производства продуктов питания с минимальным воздействием на окружающую среду. Результаты указывают на потенциал FBT в сокращении использования удобрений примерно на 20%, выбросов метана при выращивании риса-сырца примерно на 20%, снижении использования пестицидов и фармацевтических препаратов, экономии энергии за счет повышения эффективности орошения, прорастания семян и увеличения плотности посадки в рыбных хозяйствах. FBT также предлагает варианты для управления почвами, загрязненными кадмием. Несмотря на трудности, связанные с созданием мелких пузырей и связанными с этим расходами, преимущества FBT, включая положительные экономические показатели, на которые указывает соотношение выгод и затрат больше единицы, станут движущей силой дальнейшей оптимизации FBT с целью повышения ее внедрения и коммерциализации для создания устойчивых и надежных систем производства продуктов питания.

Учеными показано, что использование FBT:

Снижает расход удобрений на 20% при сохранении урожайности.
Снижает выбросы метана при выращивании риса-сырца на 20%.
Повышает эффективность систем орошения для экономии энергии.
Улучшает физиологию растений, помогая им противостоять стрессам, в том числе засухе.

Ученые из США (Кафедра гражданского и экологического строительства Технологического института Нью-Джерси, Ньюарк, Нью-Джерси) и Китая (Школа экологического и городского строительства Технологического университета Циндао, Циндао) исследовали характеристики NBs в водопроводной воде и их влияние на раннее прорастание томата, химические свойства почвы, ферментативную активность и электрохимические свойства корней растений, чтобы раскрыть механизм стимулирования нанопузырьков (nanobubbles, NBs) на рост растений. Было обнаружено, что кислородные нанопузырьки (ОNBs) увеличивают всхожесть семян на 10 % и рост растений на 30–50 % (например, стебель и диаметр), тогда как азотные нанопузырьки (NNBs) оказали существенное стимулирование (7–34 %) только по высоте растений. Кроме того, по сравнению с контрольной группой, орошение ОНБ увеличило активность пероксидазы на 500–1000 % в листьях томата, что может увеличить экспрессию генов пероксидазы и способствовать пролиферации клеток и росту растений. Более того, электроимпедансная спектроскопия (ЭИС) показала, что ОNBs могут снижать межфазное сопротивление за счет увеличения активной площади поверхности и электропроводности корня.

В результате было получено, что:

Кислородные нанопузырьки повысили как всхожесть, так и рост растений, на 10% и на 30–50% соответственно.
Разбавленные азотные нанопузырьки повысили только всхожесть семян.
За стимулирование роста растений кислородными нанопузырьками отвечают активные формы кислорода.
Частота полива влияла на электропроводность почвы, и не влияла на pH и содержание органических веществ.
Активность пероксидазы в листьях томатов увеличилась после воздействия нанопузырьков.

Описанное выше исследование предоставляет важную информацию о влиянии NBs на прорастание семян томатов, ранний рост растений и свойства почвы при поливе. Результаты показали, что тип используемых NBs может оказывать значительное влияние на рост растений, при этом NBs ускоряют рост на 30–50% по сравнению с контрольной группой без NBs. Результаты также показывают, что, хотя NBs могут ускорить прорастание семян на 10%, они не влияют на содержание хлорофилла в листьях томатов.

Отличный результат был получен японскими исследователями при орошении томатов черри, клубники «Бенихоппе», шпината, дыни и другие культуры мелкодисперсными пузырьками.

Бум пузырьков

Исследования на столько поражали своими результатами, что уже в начале 2014 года начался настоящий бум пузырьков.

Всего за одно десятилетие использование технологий мелкодисперсных пузырьков резко возросло. Согласно проведенному Ассоциацией FBIA (Fine Bubble Industries Association) предварительному исследованию рынка общий объем бизнеса в этой области, включая услуги по управлению и эксплуатации, объекты и сопутствующие системы, связанные с основными продуктами, составил 20 миллионов долларов США в 2010 году, предполагалось, что к 2020 году он вырастет до 4,3 миллиардов долларов США, а к 2030 году — до 8,5 миллиардов долларов США. Хотя интерес к FBTs не нов, отличие насущного оптимизма заключалось в том, что эта инновационная технология в последнее время привлекает к себе большое внимание, а ее потенциал стал гораздо очевиднее.

В публикации, как пример, действующий в то время председатель FBIA д-р Акира Ябэ приводит примечательный случай в заливе Исахая в Нагасаки (Япония), где высокий уровень загрязнения воды приводил к гибели моллюсков. Использование мелкопузырчатой очистки в заливе Исахая не только улучшило качество воды, но и повысило выживаемость моллюсков: «Потенциал мелкопузырчатой очистки воды огромен, особенно в развивающихся странах, страдающих от загрязнения и нехватки воды. Я уверен, что технологии мелкопузырчатой очистки воды получат широкое распространение в ближайшее время». Только в Японии, если рассчитывать мировой масштаб бизнеса, исходя из доли Японии в мировом секторе водоснабжения, то объём мирового рынка FBTs составил 1,26 млрд долларов США в 2010 году и, как ожидается, достигнет 44,3 млрд долларов США в 2020 году и 126,7 млрд долларов США в 2030 году.

Доктор Боб Карр из NanoSight Ltd., британской компании, которая занимается измерением мельчайших пузырьков, видит очень светлое будущее для новой технологии: «Мелкие пузырьки кажутся чрезвычайно интересной и захватывающей новой технологией, и таков темп роста интереса к очень широкому спектру ее применения, что мы надеемся, что сможем проектировать и разрабатывать приборы для использования во многих отраслях в этой области».

Уже сегодня достаточно расширился спектр применения свойств FBTs для бизнеса, в том числе в секторе продуктов питания, которые получат выгоду от технологии мелкодисперсных пузырьков, и не только в производстве газированных напитков. Совместное исследование, проводимое MTEC и Университетом Касетсарт (KU) в Таиланде, пришло к выводу, что свежие овощи, промытые мелкопузырчатой водой, более устойчивы к пищевым патогенам, чем овощи, промытые обычной водой. Также сделан вывод о том, что использование пузырьковой технологии при выращивании овощей может эффективно продлить срок годности продукции. Руководитель исследования, доктор Ванни Чинсирикул из Национального центра технологий металлов и материалов в Таиланде, сообщает, что промывание свежих овощей мелкопузырчатой водой демонстрирует большой потенциал. «Мытье свежих овощей — важный этап для удаления грязи и мусора, улучшения внешнего вида товара, снижения температуры продукта (предварительного охлаждения) и ограничения развития физиологических изменений», — говорит доктор Чинсирикул. «Мытьё также снижает микробную нагрузку на поверхность поступающей продукции и количество остаточных пестицидов, что влияет на качество, срок годности и безопасность продукта». Какие ещё применения FBTs можно найти в пищевой промышленности? Список расширяется из-года в год.

По мнению пользователей, FBT технологии могут в ближайшем будущем найти еще более широкий спрос в целом ряде отраслей и вопрос их стандартизации и проблемы измерений уже сегодня имеют важное значение для устранения технических барьеров при производстве, внедрении, в том числе предотвращения бесконтрольного его использования, и торговле в ближайшем будущем.

С этой целью в 2013 году, по инициативе «Fine Bubble Industries Association(FBIA)» (Япония), в Международной организации по стандартизации (ИСО) был создан технический комитет ИСО/ТК 281 «Fine Bubble technology. Председательствует в ТК с момента организации до декабря 2025 г. представитель «Malvern Corporation» доктор Стефен Вард-Смит (Dr. Stephen Ward-Smith, Великобритания), секретариатом руководит FBIA (Япония). На сегодняшний день в состав комитета входят 10 полноправных членов (Австралия, Великобритания, Индия, Индонезия, Китай, Россия, Словения, США, Южная Корея и Япония) и 12 наблюдателей (Аргентина, Вьетнам, Германия, Иран, Нидерландыв, Новая Зеландия, Польша, Сингапур, Узбекистан, Финляндия, Франция, Чехия). Комитет собирается два раза в год. Перед началом заседаний традиционно проводится симпозиум для продвижения идей по применению экологически чистой FBs технологии.

ФГУП «ВНИИФТРИ», в лице начальника научно-исследовательского отделения физико-химических и электрических измерений, канд. техн. наук Владимира Ивановича Добровольского (с правом голоса) и заместителя начальника научно-исследовательского отделения физико-химических и электрических измерений, канд. хим. наук Нарине Гарегиновны Оганян (эксперт), входит в состав ИСО ТК 281 в качестве официального полномочного представителя России (ГОСТ Р), поскольку занимается вопросами, связанными с измерениями в области наночастиц и обладает соответствующими необходимыми техническими средствами.

Заключение

Таким образом, FBT может предложить потенциальные решения для устойчивых систем сельского хозяйства и рыболовства, учитывая возросшую потребность в методах, направленных на создание более чистых производственных систем. Нужно отметить, что FBT - хоть и новое направление, но уже экспериментально доказало свою эффективность при применении в практических целях. Естественно, что, как и любая технология, она тоже имеет свои ограничения и требует предварительных исследований для получения оптимальных условий применения к тем или иным исследуемым объектам.

Не смотря на результаты исследований и более чем двадцатилетний положительный опыт применения FBTs в качестве экологически чистых технологий в сельском хозяйстве и экосистемах, до сих пор не увенчались успехом попытки создать зеркальный комитет ISO/TC 281 в стране для поддержки, производства, внедрения и развития FBTs в различных областях экономики России. Тем не менее, ФГУП «ВНИИФТРИ» продолжает принимать участие в разработках стандартов в рамках деятельности ISO/TC 281 как держатель Государственного первичного эталона единиц параметров аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов – ГЭТ 163 и планирует организовать создание зеркального технического комитета ISO/TC 281 в России и странах СНГ (ТК и МТК), в состав которых могут войти представители всех заинтересованных отраслей экономики. Организация зеркального комитета поможет защитить российский рынок от фальсификаций FBs продукций и их применений, поддержать интересы российских предпринимателей и исследователей на межгосударственном и внутреннем рынке в данной сфере деятельности.