Штучні біологічні системи для наземного та космічного землеробства: рослинномікробні комплекси та механізми адаптації

Автор(и)

  • Н. І. Адамчук-Чала Інститут агроекології і природокористування НААН, Україна https://orcid.org/0009-0002-2743-002X
  • С. Субраманіан Університет Макґілла, Канада
  • М. Лефсруд Університет Макґілла, Канада
  • Є. Чала Університет Макґілла, Канада https://orcid.org/0009-0007-0286-3597

DOI:

https://doi.org/10.33730/2310-4678.1.2026.359990

Ключові слова:

вирощування в контрольованому середовищі, гідропонне живлення, біорегенеративні системи життєзабезпечення, ультраструктура хлоропластів, фотосинтетичний метаболізм, реакції на гравітаційні чинники, ризосферні взаємодії, застосування біодобрив

Анотація

У статті проаналізовано сучасний стан розвитку штучних біологічних систем (ШБС) для контрольованого землеробства на Землі та в умовах космічних польотів. Розглянуто потенціал рослинномікробних комплексів (РМК) у гідропонних і субстратних системах, а також механізми адаптації рослин до мікрогравітації та модифікованих фізичних умов. Узагальнено результати експериментів, виконаних у наземних лабораторіях, на орбітальних комплексах і в мікрогравітаційних культиваційних модулях. Показано, що мікрогравітація суттєво впливає на ультраструктуру хлоропластів, фотосинтетичний апарат, цитоскелет і гормональну регуляцію рослин. Доведено, що включення біодобрив і мікробних інокулянтів підвищує адаптивні можливості культур у контрольованих середовищах. Визначено ключові напрями оптимізації технологій для сталого вирощування рослин у системах біорегенеративного забезпечення життєдіяльності.

Посилання

  1. Korsa, G., Ayele, A., Haile, S., & Alemu, D. (2025). Hydroponic farming: Innovative solutions for sustainable and modern cultivation techniques. In Agricultural Sciences. IntechOpen. doi: 10.5772/intechopen.1008336.
  2. Rajaseger, G., Chan, K. L., Tan, K. Y., Ramasamy, S., Khin, M. C., Amaladoss, A., & Haribhai, P. K. (2023). Hydroponics: Current trends in sustainable crop production. Bioinformation, 19(9), 925–938. doi: 10.6026/97320630019925.
  3. Rathore, V., & Nema, S. K. (2025). A nitrogen alternative: Use of plasma-activated water as a nitrogen source in hydroponic solution for radish growth. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 45(4), 1103–1123. doi: 10.1007/s11090-025-10569-w.
  4. Fitter, A. H., & Hay, R. K. M. (2002). Environmental physiology of plants (3rd ed.). Academic Press.
  5. Fussy, A., & Papenbrock, J. (2022). An overview of soil and soilless cultivation techniques — Chances, challenges, and the neglected question of sustainability. Plants, 11(9), 1153. doi: 10.3390/plants11091153.
  6. Lohar, A., Thapa, A., & Tamang, A. (2025). Hydroponic cultivation in horticultural crops: Technological advances, nutrient management and production efficiency. Journal of Advanced Agricultural Research, 1(3), 14–26. doi: 10.65525/jaar.v1i3.14.
  7. Austria, A. C. H., Fabros, J. S., Sumilang, K. R. G., Bernardino, J., & Doctor, A. C. (2023). Development of an IoT smart greenhouse system for hydroponic gardens. International Journal of Computing Sciences Research, 7, 2111–2136. doi: 10.25147/ijcsr.2017.001.1.149
  8. Savvas, D., & Gruda, N. (2018). Application of soilless culture technologies in the modern greenhouse industry — A review. European Journal of Horticultural Science, 83(5), 280–293. doi: 10.17660/eJHS.2018/83.5.2.
  9. Mihrete, T. B. (2025). Crop substrates for sustainable hydroponic farming. In Hydroponic farming — A modern agriculture technique. IntechOpen. doi: https://www.intechopen.com/chapters/1193876.
  10. Buckner, A., Lang, S., & Loureiro, R. (2025). Physiological and transcriptional responses of Arabidopsis thaliana to simulated lunar and Martian regolith substrates. arXiv. Retrieved from https://arxiv.org/abs/2505.13583 ПРЕПРИНТ.
  11. De Micco, V., Amitrano, C., Mastroleo, F., Aronne, G., Battistelli, A., Carnero-Diaz, E., & Leys, N. (2023). Plant and microbial science and technology as cornerstones to bioregenerative life support systems in space. npj Microgravity, 9, 69. doi: 10.1038/s41526-023-00317-9.
  12. Cowles, J. R., Lemay, R., & Jahns, G. (1988). Microgravity effects on plant growth and lignification. Astrophysical Letters and Communications, 27, 223–228. Retrieved from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11539286/.
  13. Halstead, T. W., & Dutcher, F. R. (1987). Plants in space. Annual Review of Plant Physiology, 38, 317–345. doi: 10.1146/annurev.pp.38.060187.001533.
  14. Kordyum, E. L. (1994). Effects of altered gravity on plant cell processes: Results of recent space and clinostatic experiments. Advances in Space Research, 14(8), 77–85. doi: 10.1016/0273-1177(94)90388-3.
  15. Ruyters, G., Spiero, F., Legué, V., & Palme, K. (2014). Plant biology in space. Plant Biology, 16(Suppl. 1), 1–3. doi: 10.1111/plb.12129.
  16. Kordyum, E., & Hasenstein, K. H. (2021). Plant biology for space exploration — Building on the past, preparing for the future. Life Sciences in Space Research, 29, 1–7. doi: 10.1016/j.lssr.2021.01.003.
  17. De Pascale, S., Arena, C., Aronne, G., De Micco, V., Pannico, A., Paradiso, R., & Rouphael, Y. (2021). Biology and crop production in Space environments: Challenges and opportunities. Life Sciences in Space Research, 29, 30–37. doi: 10.1016/j.lssr.2021.02.005.
  18. National Aeronautics and Space Administration. (2000, December). Seed-to-seed success in space. Space Life Sciences Research Highlights. Retrieved from https://taskbook.nasaprs.com/tbp/SBArchives/2000%20red%20banner/Musgrave--seed%20to%20seed%20space%20Musgrave.pdf.
  19. Musgrave, M. E. (2007). Growing plants in space. CAB Reviews: Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources, 2(065). doi: 10.1079/PAVSNNR20072065.
  20. Barker, R., Kruse, C. P. S., Johnson, C., Saravia Butler, A., Fogle, H., Chang, H.-S., … Gilroy, S. (2023). Metaanalysis of the space flight and microgravity response of the Arabidopsis plant transcriptome. npj Microgravity, 9(1), 21. doi: 10.1038/s41526-023-00247-6.
  21. Lewis, N. G. (1994). Effect of microgravity on plant growth (NASA-CR-196004). Retrieved from https://ntrs.nasa.gov/citations/19940030751.
  22. Zabel, P., Bamsey, M., Schubert, D., & Tajmar, M. (2016). Review and analysis of over 40 years of space plant growth systems. Life Sciences in Space Research, 10, 1–16. doi: 10.1016/j.lssr.2016.06.004.
  23. Berg, G., Kusstatscher, P., Abdelfattah, A., Cernava, T., & Smalla, K. (2021). Microbiome modulation — Toward a better understanding of plant microbiome response to microbial inoculants. Frontiers in Microbiology, 12, 650610. doi: 10.3389/fmicb.2021.650610.
  24. Croce, R., & van Amerongen, H. (2011). Light-harvesting and structural organization of Photosystem II: From individual complexes to thylakoid membrane. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 104(1–2), 142–153. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2011.02.015.
  25. Adamchuk-Chala, N., & Chala, Y. (2023). Greening of barley seedlings under changed gravity conditions. Scientific Collection “InterConf+”, 40(183), 376–391. doi: 10.51582/interconf.19-20.12.2023.036.

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-02-17

Номер

№ 1 (2026)

Розділ

Статті

Ліцензія

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).