Μάριος Δούρος1, Ελισάβετ Λακαφώση1, Ζωζεφίνα Αντωνάτου1, Δήμητρα Ξενοπούλου2,Έλενα Νικολοπούλου3
1Μαθητές ΓΕΛ, 2Καθηγήτρια Βιολογίας M.Sc, 3Καθηγήτρια Βιολογίας Ph. D
1,2,3Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών
mariosdouros3@gmail.com, e.lakafosi@e-ursulines.gr, z.antonatou@e-ursulines.gr
dxenopoulou@gmail.com, elena.nikolopoyloy@gmail.com
Η ποικιλία ραπανιού Burro gigante, ξεχωρίζει για το μεγάλο μέγεθος ριζών, τη γλυκιά γεύση του ριζώματος και το σύντομο χρόνο συγκομιδής, καθώς απαιτούνται μόλις 40 ημέρες από τη σπορά. Δεδομένης της υψηλής διατροφικής αξίας του, πλούσιο σε βιταμίνες, φυτοχημικά με αντιοξειδωτικές ιδιότητες και ανόργανα συστατικά, η παρούσα εργασία έχει σκοπό τη διερεύνηση των κατάλληλων συνθηκών για βελτιστοποίηση της καλλιέργειας και επίτευξη του μέγιστου ρυθμού παραγωγής. Στόχος η εξοικονόμηση πόρων, με χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας (Στόχος 7) και η διασφάλιση βιώσιμης κατανάλωσης και μεθόδων παραγωγής (Στόχος 12) για βελτίωση της ποιότητας ζωής, ώστε τελικά να καταφέρουμε να «παράγουμε περισσότερα και καλύτερα, με όσο το δυνατόν λιγότερα». Χρησιμοποιήθηκαν 2 θερμοκήπια χωρισμένα σε δύο ομάδες: φωτιζόμενα από λαμπτήρα LED ψυχρού λευκού φωτισμού και από λαμπτήρα ερυθρού (90%)-κυανού (10%). Σε κάθε ομάδα ένα θερμοκήπιο περιείχε τυπικό εδαφικό μίγμα και ένα μίγμα προϊόν κομποστοποίησης. Καταγράφηκε η φυτική ανάπτυξη και ακολούθησε συγκριτική μελέτη για διεξαγωγή συμπερασμάτων. Η μελλοντική προέκταση της εργασίας προβλέπει το σχεδιασμό και υλοποίηση εικονικής προσομοίωσης για χρήση του συγκεκριμένου πειραματικού μοντέλου στον πλανήτη Άρη, για διερεύνηση της πιθανότητας καλλιέργειας σε άλλο πλανήτη.
Λέξεις κλειδιά: εναλλακτικές πηγές ενέργειας, θερμοκήπια, κομποστοποίηση
Εισαγωγή
Mία σύγχρονη, επίκαιρη και παγκόσμια πρόκληση στην προσπάθεια δημιουργίας ενός καλύτερου κόσμου είναι η διασφάλιση της βιώσιμης κατανάλωσης και των μεθόδων παραγωγής, που αποτελούν τον 12ο στόχο Βιώσιμης Ανάπτυξης του ΟΗΕ (United Nations-Department of Economic and Social Affairs). Η επίτευξη της θα συμβάλλει σημαντικά στη βελτίωση της ποιότητας ζωής, μέσω μείωσης της χρήσης πόρων και της υποβάθμισης και αύξησης του καθαρού κέρδους, ώστε τελικά να καταφέρουμε να «παράγουμε περισσότερα και καλύτερα, με όσο το δυνατόν λιγότερα». Στο πλαίσιο αυτό, εξίσου σημαντικός είναι και ο 7ος στόχος Βιώσιμης Ανάπτυξης του ΟΗΕ για εξοικονόμηση πόρων, με χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου συνδέεται και με την ποιότητα της διατροφής, καθώς είναι «ώρα να ξανασκεφτούμε το πώς καλλιεργούμε και καταναλώνουμε την τροφή μας». Σημαντικοί στόχοι προς επίτευξη της βιώσιμης διαχείρισης, είναι η μείωση των απωλειών τροφίμων στην αλυσίδα παραγωγής, η υιοθέτηση περιβαλλοντικά ορθής διαχείρισης χημικών που καταλήγουν στο έδαφος και η ουσιαστική μείωση παραγωγής αποβλήτων, μέσω επαναχρησιμοποίησης. Εάν αξιοποιηθεί σωστά η γεωργία θα μπορεί να παρέχει θρεπτική τροφή για όλους, εξασφαλίζοντας εισοδήματα και προστατεύοντας ταυτόχρονα το περιβάλλον.
Η ποικιλία ραπανιού Burro gigante, είναι μια παλιά ποικιλία προερχόμενη από τη Σαρδηνία και ξεχωρίζει για το μεγάλο μέγεθος ριζών, τη γλυκιά γεύση και το σύντομο χρόνο συγκομιδής, καθώς απαιτούνται μόλις 40 ημέρες από τη σπορά. Χαρακτηριστικό της είναι η μεγάλη κόκκινη ρίζα με τη λευκή σάρκα, ενώ είναι πλούσια σε βιταμίνη C, ανόργανα συστατικά όπως μέταλλα και οργανικές ουσίες με αντιοξειδωτικές και διουρητικές ιδιότητες.
Η ερευνητική μας ομάδα, λαμβάνοντας υπόψιν την υψηλή διατροφική αξία της ποικιλίας Burro gigante, σχεδίασε και κατασκεύασε μία πειραματική διάταξη – θερμοκήπιο, στην οποία καλλιεργήθηκαν σπόροι Burro gigante, με σκοπό τη διερεύνηση των κατάλληλων συνθηκών για βελτιστοποίηση της καλλιέργειας και επίτευξη του μέγιστου ρυθμού παραγωγής. Η πορεία της παρούσας ερευνητικής εργασίας σχεδιάστηκε βασιζόμενη στα εξής σημεία:
- Επαναχρησιμοποίηση οργανικών αποβλήτων για παρασκευή compost ως εδαφοβελτιωτικό
- Μελέτη της επίδρασης διαφορετικών ακτινοβολιών (ψυχρό λευκό και κόκκινο φως) στο ρυθμό παραγωγής για την επίτευξη του μέγιστου ρυθμού
- Μελέτη χρήσης φωτοκυψελών με χρώση από ανθοκυανίνες (συνεργασία με άλλη ερευνητική ομάδα του σχολείου) με τελικό στόχο την ενεργειακή αυτονομία της γεωργικής μονάδας και τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα (United Nations)
Υλικά-Μέθοδοι
Κατασκευή θερμοκηπίου – Σπορά –Πορεία Βλάστησης
Η πορεία της ερευνητικής εργασίας παρουσιάζεται συνοπτικά στο σχήμα 1. Έπειτα από βιβλιογραφική ανασκόπηση, ώστε να επιλεχθεί μία φυτική ποικιλία με μεγάλη θρεπτική αξία, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε η πειραματική διάταξη – θερμοκήπιο.
Σχήμα 1: Σχηματική απεικόνιση της πειραματικής πορείας της εργασίας, κατά το χρονικό διάστημα 5 μηνών.
Το θερμοκήπιο χωρίστηκε σε δύο τμήματα, που στο κάθε ένα υπήρχαν 3 πλαίσια (75*56cm) στα οποία έγινε η σπορά (Εικόνα 1).
Εικόνα 1: Κατασκευή θερμοκηπίου και σπορά.
Σε κάθε πλαίσιο φυτεύτηκαν 20 σπόροι σε 5 θέσεις, ώστε η ενδιάμεση απόσταση μεταξύ τους να είναι επαρκής για την ανάπτυξη των ριζικών συστημάτων. Στο ένα τμήμα του θερμοκηπίου χρησιμοποιήθηκε τυπικό εδαφικό υπόστρωμα εμπορίου, ως δείγμα ελέγχου (control), ενώ στο δεύτερο χρησιμοποιήθηκε compost που είχε νωρίτερα παραχθεί στο εργαστήριο από οργανικά απόβλητα φρούτων της μαθητικής κοινότητας (Εικόνα 2).
Εικόνα 2: Φύτρωση σπόρων σε τυπικό εδαφικό υπόστρωμα (control) και σε compost.
Τα φυτά ποτίζονταν με συχνό ρυθμό και στην πορεία χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές συνθήκες φωτισμού: η πρώτη με λαμπτήρα LED ψυχρού λευκού φωτισμού (7000Κ) και η δεύτερη με λαμπτήρα ερυθρού (640nm) και κυανού (450nm) φωτισμού σε αναλογία 90% και 10%, αντίστοιχα (Εικόνα 3).
Η πρώτη παρατήρηση αφορούσε την πορεία της βλάστησης. Σε χρονικό διάστημα 10 ημερών μετά τη σπορά έγινε καταμέτρηση των σπόρων που βλάστησαν και σύγκριση.
Εικόνα 3: Ανάπτυξη σε ψυχρό λευκό και σε ερυθρό (90%) / κυανό (10%) φωτισμό.
Μετρήσεις
Στην πορεία της ερευνητικής εργασίας και ανά διάστημα 10 ημερών, πραγματοποιούνταν λήψη βλαστών από το σύνολο των διαφορετικών πειραματικών συνθηκών (control/ compost – λευκό/ ερυθρό φως). Σε κάθε βλαστό ακολουθούσε υπολογισμός του μήκους του ριζώματος και του μήκους του βλαστού. Για κάθε πειραματική συνθήκη λαμβάνονταν 5 διαφορετικές μετρήσεις, ώστε να ακολουθήσει υπολογισμός μέσων τιμών. Η στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων και η ανάλυση των δεδομένων ολοκληρώθηκε με χρήση του προγράμματος Excel.
Αποτελέσματα
Σύγκριση ποσοστού Φύτρωσης
Στον πίνακα 1 παρουσιάζεται το ποσοστό φύτρωσης των σπόρων στα δύο διαφορετικά εδαφικά υποστρώματα (56,6% control / 85% compost), η γραφική παράσταση του οποίου απεικονίζεται στο Διάγραμμα 1. Το ποσοστό αντιστοιχεί στη μέση τιμή φύτρωσης σπόρων σε 3 πλαίσια ως προς τους συνολικούς αριθμούς που φυτεύτηκαν.
Πίνακας 1: Ποσοστό φύτρωσης ανάλογα με τον τύπο του εδαφικού υποστρώματος.
Διάγραμμα 1: Ποσοστό φύτρωσης ανάλογα με τον τύπο του εδαφικού υποστρώματος.
Σύγκριση πορείας Βλάστησης
Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι μέσες τιμές 5 φυτών (αναλυτικά μετρήσεις και υπολογισμοί στους πίνακες 3,4) του μήκους ριζώματος και βλαστού, ανά εδαφικό υπόστρωμα και για όλες τις πειραματικές συνθήκες. Επιπλέον στο διάγραμμα 2 παρουσιάζονται ενδεικτικές μετρήσεις του μήκους της ρίζας και του βλαστού, με χρήση χαρτιού με σύστημα αξόνων (μιλιμετρέ).
Πίνακας 2: Επίδραση του φωτισμού στη μέση τιμή του μήκους του βλαστού και του μήκους του ριζώματος.
|
Λευκό |
||||||
|
Control |
Compost |
|||||
|
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
|
|
#1 |
4,1 |
7,5 |
13 |
3,8 |
8,8 |
15,8 |
|
#2 |
4,6 |
7 |
14 |
5 |
9 |
16 |
|
#3 |
3,5 |
6,5 |
11 |
4,2 |
9,2 |
16,2 |
|
#4 |
3,8 |
6,8 |
12 |
4,6 |
10 |
16,6 |
|
#5 |
4 |
7,2 |
12,5 |
4,4 |
9,5 |
16,4 |
|
mean |
4 |
7 |
12,5 |
4,4 |
9,3 |
16,2 |
|
Κόκκινο |
||||||
|
Control |
Compost |
|||||
|
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
|
|
#1 |
4,5 |
8,5 |
14,1 |
6 |
10,6 |
17,6 |
|
#2 |
4,7 |
8,6 |
14,3 |
5,4 |
9,6 |
17,3 |
|
#3 |
5,4 |
8,8 |
14,8 |
5,7 |
10 |
17 |
|
#4 |
5,2 |
8,7 |
14,5 |
5,6 |
9,8 |
17,2 |
|
#5 |
4,9 |
8,9 |
15 |
5,8 |
10,5 |
17,4 |
|
mean |
5 |
8,7 |
14,6 |
5,7 |
10,1 |
17,3 |
Πίνακας 3: Συνολικά δεδομένα και υπολογισμός μέσης τιμής για το μήκος του βλαστού, ανά εδαφικό υπόστρωμα και συνθήκες φωτισμού.
|
Λευκό |
||||||
|
Control |
Compost |
|||||
|
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
|
|
#1 |
1,5 |
3,1 |
4,8 |
2,8 |
3,8 |
5,5 |
|
#2 |
2,5 |
3,7 |
5,6 |
3,5 |
4,6 |
6,3 |
|
#3 |
1,8 |
3,3 |
5 |
3 |
4 |
5,8 |
|
#4 |
2,2 |
3,5 |
5,4 |
3,1 |
4,2 |
5,9 |
|
#5 |
2 |
3,4 |
5,2 |
3,2 |
4,4 |
6,1 |
|
mean |
2 |
3,4 |
5,2 |
3,1 |
4,2 |
5,9 |
|
Κόκκινο |
||||||
|
Control |
Compost |
|||||
|
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
30/10/2023 |
10/11/2023 |
30/11/2023 |
|
|
#1 |
1,2 |
3,8 |
6,1 |
3 |
4,5 |
6,6 |
|
#2 |
1,3 |
3,7 |
6,3 |
3,6 |
5 |
7 |
|
#3 |
1 |
3,5 |
6 |
3,8 |
5,2 |
7,2 |
|
#4 |
1,4 |
4,2 |
6,4 |
3,4 |
4,8 |
6,9 |
|
#5 |
1,6 |
4 |
6,6 |
3,2 |
4,6 |
6,8 |
|
mean |
1,3 |
3,8 |
6,3 |
3,4 |
4,8 |
6,9 |
Πίνακας 4: Συνολικά δεδομένα και υπολογισμός μέσης τιμής για το μήκος του βλαστού, ανά εδαφικό υπόστρωμα και συνθήκες φωτισμού.
Διάγραμμα 2: Επίδραση φωτισμού στη μέση τιμή του μήκους βλαστού και του μήκους ριζώματος
Συζήτηση
Στην πειραματική διάταξη και κατά τη διαδικασία βλάστησης των σπόρων παρατηρήθηκε φωτοτροπισμός, με κάμψη των φυτών προς την πηγή του φωτός. Η χρήση του compost ως εδαφικό υπόστρωμα συνέβαλε σημαντικά στην ενεργοποίηση των φυτικών εμβρύων, την έναρξη των κυτταρικών διαιρέσεων και κατά συνέπεια στη φύτρωση των σπόρων της ποικιλίας Burro gigante. Παρατηρήθηκε σημαντικά αυξημένο ποσοστό φύτρωσης με χρήση compost (85%), συγκριτικά με τη χρήση τυπικού εδαφικού υποστρώματος (56.5%).
Η διαδικασία της φωτομορφογένεσης επηρεάστηκε από το είδος του φωτισμού που χρησιμοποιήθηκε, καθώς παρατηρήθηκε αυξημένο μήκος ριζώματος και βλαστού στους σπόρους που αναπτύχθηκαν υπό την επίδραση ερυθρού-κυανού φωτισμού, συγκριτικά με τους σπόρους που αναπτύχθηκαν παρουσία ψυχρού λευκού φωτός.
Συμπεράσματα
Ένας από τους στόχους της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν ο έλεγχος της υπόθεσης επαναχρησιμοποίησης άχρηστων τροφικών οργανικών αποβλήτων, ως εδαφοβελτιωτικά προς αντικατάσταση ανόργανων χημικών που χρησιμοποιούνται, τα οποία επιβαρύνουν σημαντικά το έδαφος (Teresa Hernández et al., 2016). Πράγματι, παρατηρήθηκε σημαντική θετική επίδραση του εδαφοβελτιωτικού compost στο ποσοστό φύτρωσης των σπόρων της ποικιλίας Burro gigante. Η ανακύκλωση οργανικών υπολειμμάτων τροφής συμβάλλει επίσης στον περιορισμό του αποτυπώματος του άνθρακα, που αποτέλεσε ένα επόμενο σημείο μελέτης της παρούσας εργασίας. Η ποικιλία Burro gigante επιλέχθηκε τόσο λόγω της υψηλής διατροφικής αξίας, όσο και λόγω της ευκολίας στη χρήση της ως ένα πειραματικό μοντέλο με σύντομο κύκλο ζωής και εύκολη διάκριση των φύλλων και του υποκοτύλιου (Samuolienė, G. et al., 2011).
Η επίδραση της ποσότητας και της ποιότητας του φωτός σε μία γεωργική μονάδα είναι σημαντικός παράγοντας για τη διαδικασία της φωτομορφογένεσης, μέσω επίδρασης ακτινοβολιών κατάλληλου μήκους κύματος στους φωτοϋποδοχείς του φυτικού οργανισμού (Yorio, N. C., et al., 2001). Οι φωτοσυνθετικοί υποδοχείς, οι χλωροφύλλες και τα καροτενοειδή απορροφούν στα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο ερυθρό και στο κυανό . Η παροχή σε μία ελεγχόμενη καλλιέργεια επιδρά στην φυτική παραγωγή σε διάφορα φυτικά είδη, όπως είναι το ραπανάκι (Yorio, N. C., et al., 2001). Επόμενος στόχος της πειραματικής προσέγγισης ήταν η διερεύνηση της επίδρασης του φωτισμού στο ρυθμό παραγωγής της ποικιλίας Burro gigante. Στα πλαίσια αυτά επιλέχθηκε η καλλιέργεια των σπόρων σε συνθήκες ψυχρού λευκού φωτός, στο οποίο περιέχεται και ακτινοβολία με μπλε και κόκκινα μήκη κύματος. Η ποσότητα ωστόσο της ενέργειας στο ερυθρό δεν είναι συγκρίσιμη με την μονοχρωματική εκπομπή ερυθρού (90%) και κυανού (10%) που χρησιμοποιήθηκε στη δεύτερη σειρά πειραματικών μετρήσεων. Η επιλογή των συγκεκριμένων αναλογιών στηρίχτηκε σε βιβλιογραφική αναζήτηση δεδομένων από δημοσιευμένες επιστημονικές εργασίες (Yorio, N. C.,et al., 2001). Τα αποτελέσματα, σε συμφωνία με δημοσιευμένα επιστημονικά δεδομένα (Mickens, M. A., 2012) έδειξαν θετική επίδραση του ερυθρού-κυανού φωτισμού στην ανάπτυξη των βλαστών της ποικιλίας Burro gigante.
Η παράλληλη ερευνητική εργασία της δεύτερης ομάδας του σχολείου, με θέμα τη χρήση φωτοκυψελών με χρώση από ανθοκυανίνες, σχεδιάζεται να τεθεί σε εφαρμογή στην παρούσα πειραματική διάταξη – μοντέλο γεωργικής μονάδας, ώστε να επιτευχθεί η λειτουργία του θερμοκηπίου εξολοκλήρου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπρόσθετα, στις μελλοντικές προεκτάσεις της εργασίας προβλέπονται τα εξής δύο βήματα: α. παραγωγή compost με σύνθεση που θα στοχεύει τις ανάγκες σε θρεπτικά συστατικά της ποικιλίας Burro gigante και β. η υλοποίηση εικονικής προσομοίωσης για χρήση του συγκεκριμένου πειραματικού μοντέλου στον πλανήτη Άρη, για διερεύνηση της πιθανότητας καλλιέργειας σπόρων υψηλής διατροφικής αξίας σε άλλο πλανήτη, σύμφωνα με σύγχρονα επιστημονικά προγράμματα (Mickens, M. A., 2012).
Ευχαριστίες
Η παρούσα εργασία υλοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικών Επιστημών της Ελληνογαλλικής Σχολής Ουρσουλινών, έπειτα από την έγκριση της Γενικής Διεύθυνσης και της Διεύθυνσης του Λυκείου. Οι μαθητές – συγγραφείς θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους Διευθυντές για την υποστήριξη και τις επιβλέπουσες Καθηγήτριες Βιολογίας κ. Δήμητρα Ξενοπούλου και κ. Έλενα Νικολοπούλου, για την καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές τους καθ’ όλη τη διάρκεια της ερευνητικής πορείας.
Αναφορές
Mickens, M. A. (2012). Comparative study of lettuce and radish grown under red and blue light-emitting diodes (LEDs) and white fluorescent lamps.
Samuolienė, G., Sirtautas, R., Brazaitytė, A. et al. (2011). The impact of red and blue light-emitting diode illumination on radish physiological indices. cent.eur.j.biol. , 6, pp. 821-828. doi:https://doi.org/10.2478/s11535-011-0059-z
Teresa Hernández, Carmen Chocano, José-Luis Moreno, Carlos García. (2016, July). Use of compost as an alternative to conventional inorganic fertilizers in intensive lettuce (Lactuca sativa L.) crops—Effects on soil and plant. Soil and Tillage Research, 160, pp. 14-22. doi:https://doi.org/10.1016/j.still.2016.02.005
United Nations. (n.d.). Key aspects of the Paris Agreement. Retrieved from https://unfccc.int/most-requested/key-aspects-of-the-paris-agreement
United Nations-Department of Economic and Social Affairs. (n.d.). Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development. Retrieved from https://sdgs.un.org/2030agenda
Yorio, N. C., Goins, G. D., Kagie, H. R., Wheeler, R. M., & Sager, J. C. (2001). Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation. HortScience : a publication of the American Society for Horticultural Science, 36(2), pp. 380-383.
