Цель проводимых исследований с точки зрения государства, общества и науки - обеспечение продовольственной безопасности страны за счет разработки экологически безопасных и энергоэффективных спектральных и лазерных технологий, способствующих увеличению продуктивности сельскохозяйственных растений и животных.

Актуальность проводимых исследований для науки и практической деятельности:

В соответствии со Стратегией научно-технического развития РФ до 2030 года одним из приоритетов является переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству. Это вызвано тем, что ведение интенсивного земледелия под воздействием техногенных факторов (удобрений, пестицидов, мелиорантов, орошения и др.) обострило экологические проблемы, проявляющиеся в загрязнении почв, воды, воздуха и болезнях животных. Кроме того, в настоящий момент наибольшие потери сельскохозяйственной продукции происходят в результате повреждения зерна, плодов и овощей различными заболеваниями.

В связи с этим, данный проект нацелен на создание новых экологически безопасных методов, технологий и технических средств для повышения продуктивности растений и животных, и сохранности сельскохозяйственной продукции.

Превосходство полученного результата над зарубежными достижениями:

Впервые получены универсальные технологии лазерно-оптической спектрометрии живых объектов с оригинальными методиками, собственным приборным обеспечением, обширной базой данных по получению обратной связи от сельскохозяйственных растений (зерновых, овощных, плодовых культур) и животных на основе инфракрасной, ультрафиолетовой, терагерцовой спектроскопии, рамановского рассеивания и др. Разработаны технологии лазерного воздействия разноспектральными источниками света и плазмолитами на растения для стимулирования их роста и сопротивляемости патогенам и вредителям.

Мировой уровень исследований подтвержден получением экспериментальных данных на лучших образцах высокоточного оборудования и публикациями в высокорейтинговых научных журналах первого и второго квартилей, индексируемых в международных базах научного цитирования Web of Science и Scopus.

Важность полученного результата для науки и социально-экономической сферы:

В данном проекте предлагается целый ряд уникальных решений, направленных на достижение поставленной цели.

К таким решениям относятся природоподобные технологии биофотоники - воздействия на растения и их продуктивность на клеточном и физиологическом уровне. Одним из способов реализации таких технологий является применение интеллектуальной системы светодиодного освещения, разработанной на основе полученных закономерностей влияния спектрального состава на растения и с учетом выявленных биологических механизмов. Технология позволяет управлять ростом и развитием растений на основе получения информации от сенсоров и датчиков, считывающих информацию с растений о их фазе развития, функциональном состоянии, показателях транспирации и др., что позволит снизить энергопотребление, повысить продуктивность растений и снизить потери от заболеваний.

Еще одним направлением повышения эффективности выращивания растений в закрытом грунте является применение фотоконверсионных покрытий. Предложена технология изготовления фотоконверсионной фторполимерной пленки для теплиц, которая основана на модификации фторполимера наночастицами, обладающими флуоресценцией в синей или красной области спектра. В результате процессов, воспроизводимых нанопокрытием обеспечивается фотоконверсия ультрафиолетового и фиолетового излучения в синюю и красную область видимого спектра наиболее важную для растений. Использование фотоконверсионных фторполимерных пленок способствует приросту биомассы от 20 до 55 %.

Для обеспечения сельскохозяйственного производства качественными семенами высоких репродукций разрабатываются методы неинвазивного контроля семян, которые обеспечивают необходимую сортовую чистоту по принципу идентификации семенного материала на основе установленных основных спектральных и люминесцентных характеристик здоровых и зараженных патогенной микрофлорой семян злаковых культур. Применение этого метода позволит отделять зерна, содержащие патогенную микрофлору, что значительно повысит качество семенного материала.

Снижения потери продукции в овощеводстве и садоводстве возможно проведением ранней диагностики патологий на растениях и плодах в процессе их вегетации и при закладке на хранение. Для этого в проекте разрабатываются гиперспектральные технологии, на основе разработанной методики дистанционного мониторинга и экспресс-диагностики функционального состояния растений, обеспечивающие определение здоровых, больных и травмированных растений и плодов, что позволяет своевременно реагировать на развитие заболеваний и снизить потери урожая.

Для стимулирования роста плодовых растений при посадке и снижения количества заболеваний в процессе их роста предложен новый метод обработки холодной плазмой саженцев и зон прививки плодовых культур с помощью портативного устройства. Ожидаемыми результатами являются увеличение скорости заживления прививок, повышение приживаемости привитых растений до 95% и увеличение качественного посадочного материала в промышленных насаждениях.

Повышения продуктивности в животноводстве можно добиться снижением уровня заболеваемости животных и повышением их продуктивного долголетия. Для этого разработаны методы количественной детекции объектов в непрозрачных средах. В молочном животноводстве применение данного метода позволит массово создавать комплекты проточных датчиков для автоматизированных доильных систем, контролирующих компонентный состав молока и определяющих примеси крови в молоке для проведения ранней диагностики воспалительных процессов вымени животных. Для определения заболевания коров маститом на ранних стадиях, разработан прототип тест-системы для регистрации высокомолекулярных биологически-активных соединений в молоке и других продуктах питания.

Предложена спектральная технология оценки состояния здоровья животных, основанная на бесконтактном дистанционном измерении температуры вымени и копыт крупного рогатого скота, так как именно там развиваются основные заболевания, которые приводят к снижению удоев и падежу скота.

Для оценки качества корма и его компонентности разработан метод бесконтактной оценки питательной ценности состава корма для коров, который заключается в измерении спектров флуоресценции и последующей статистической обработки полученных результатов. Проведены эксперименты по анализу тяжелых металлов в образцах соевого и рапсового шротов показавшие, что спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы позволяет определять концентрации на уровнях, требуемых в национальных нормативных документах.

Роль каждой организации-участника в достижении поставленных целей проекта:

Проект является мультидисциплинарным и реализуется консорциумом, в который входят ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (далее - ФНАЦ ВИМ), ФГБУН ФИЦ «Институт общей физики                                    им. А.М. Прохорова РАН» (далее – ИОФ РАН), ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет                           им. Н.И. Лобачевского» (далее – НИНГУ им. Н.И. Лобачевского), ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» (далее – СПбГУ) и ФГБНУ "Федеральный научный центр им. И.В. Мичурина" (далее – ФНЦ им. И.В. Мичурина). В проекте собраны компетенции для реализации полного цикла фундаментальных исследований применительно к сельскохозяйственным растениям и животным.

ФНАЦ ВИМ исследует влияние лазерных технологий на растения и животных и создает интегральные инженерно-технические решения для применения лазерных и спектральных технологий в сельскохозяйственном производстве, методы спектроскопии и лазерного облучения биологических объектов, методы и способы неинвазивного определения патогенной микрофлоры и наличия повреждений на семенах и растениях, методы определения физической спелости плодовых и овощных культур.

НИНГУ им. Н.И. Лобачевского устанавливает влияние на живые организмы лазерно-оптических источников излучения, что позволяет создать новые эффективные приемы по возделыванию сельскохозяйственных растений.

ИОФ РАН определяет физические свойства наноматериалов и создает на их основе фотоконверсионные покрытия, которые существенно повышают продуктивность растений в условиях закрытых грунтов и минимизируют энергопотребление, разрабатывает лазерно-оптические устройства, для мониторинга качества кормов и продуктов питания, методы получения плазмолитов направленного действия.

СПбГУ устанавливает признаки, указывающие на заражение семян патогенной микрофлорой с помощью лидарных технологий, и рамановской спектроскопии.

ФНЦ им. И.В. Мичурина обосновывает технологии применения спектроскопии в производстве садовых культур.