Nanokuplatekniikan mahdollisuudet kasvihuoneviljelyssä

1 Johdanto

Kasvihuonetuotannossa kasvien juuriston hyvinvointi ja kastelujärjestelmän mikrobiologinen tasapaino ovat keskeisiä tekijöitä sadon määrän ja laadun kannalta. Tässä tutkimuksessa selvitettiin happinanokuplaveden lisäyksen vaikutuksia kasvihuoneolosuhteissa käytettävään kasteluveteen ja kasvien fysiologiseen tilaan sekä Pythium-suvun aiheuttamien juuristotautien esiintyvyyteen.  

Tutkimus toteutettiin kahdella rinnakkaisella kasvatuslinjalla: tutkimuslinjalla, jossa kasteluveteen lisättiin happinanokuplia nanokuplalaitteen avulla, sekä verrokkilinjalla ilman laitetta. Näytteitä otettiin säännöllisesti kasvukauden aikana kasteluvedestä, ja kasveista. Tutkimuksen hypoteesi oli se, että happinanokuplaveden käyttö lisää kasteluveden liuenneen hapen määrää ja parantaa kasvualustan hapetusta, mikä edistää kasvien juuriston kehitystä ja vähentää kasvitautien esiintyvyyttä. Tavoite oli osoittaa 20 % tehostuminen kasvussa. 

Tutkimus tuotti uutta tietoa nanokuplatekniikan soveltamisesta kasvihuonetuotannossa ja sen mahdollisuuksista kestävän, kemikaalivapaan tuotannon tukemisessa. Tulosten avulla arvioitiin nanokuplien vaikutuksia kasvihuoneympäristön biologiseen tasapainoon ja kasvien terveyteen.  

2 Aineisto ja menetelmät 

2.1 Happinanokuplat 

Nanokuplat tai ultrapienet kuplat ovat vedessä olevia pieniä kaasukuplia, joiden koko on alle 1 µm. Nanokuplilla on pitkä elinikä vedessä ja suuri kokonaispinta-ala, mikä tehostaa kaasujen liukenemista ja vaikuttaa veden fysikaaliskemiallisiin ominaisuuksiin. Nanokuplien muodostuminen näyttää olevan yleistä, koska niitä on löydetty sekä luonnonvesistä, että eri menetelmillä käsitellystä vedestä tai vesiliuoksista. Nanokuplien muodostumista ja ominaisuuksia kuvataan yksityiskohtaisesti Tammisen artikkelissa (2024, 68–78). 

Nanokuplat syntyvät, kun liuoksen olosuhteet, esimerkiksi koostumus, paine tai lämpötila, muuttuvat nopeasti. Tällöin veteen liuenneen kaasun liukoisuus (“mahtuminen”) veteen muuttuu paikallisesti. Hetkeksi vesi voi olla tietyssä kohdassa ylikylläistä: kaasua on silloin enemmän kuin mitä siihen sillä hetkellä ehtii liueta. Kun muutos tapahtuu nopeasti, ylimääräinen kaasu ei ehdi poistua muuten kuin muodostamalla hyvin pieniä kuplia, eli nanokuplia. Nanokuplien pienen koon takia niillä on joko pieni nousunopeus tai niiden liikettä hallinnoi Brownin liike (lämpöliike). Tällöin ne pysyvät liuoksessa pitkiäkin aikoja. Kun veden kaasupitoisuus on pienempi kuin kyllästymispiste, pienet kaasukuplat liukenevat nopeasti. Kun vesi on kaasun suhteen kylläinen, nanokuplien koko ei juuri muutu. Ylikylläisessä liuoksessa kuplien koko kasvaa. Kun vesi on liuenneen kaasun suhteen kylläinen ja olosuhteet pysyvät vakiona, esim. vesiputkessa, nanokuplien liukenemisesta johtuva koon pieneneminen on olematonta. Tällöin nanokuplat voivat olla stabiileja pitkiäkin aikoja. Tätä nanokuplien stabiiliutta voidaan hyödyntää esimerkiksi kaasuvarastona kasteluvesissä. Tällöin kasveille voidaan siirtää veden mukana tasaisemmin niiden tarvitsemaa happea. Voi olla myös mahdollista käyttää nanokuplia vesijohtojen biofilmien ja edelleen vesivälitteisten kasvitaudinaiheuttajien hallintaan. (Tamminen 2024, 75–76) 

2.2 Kasvihuone 

Tässä tutkimuksessa nanokuplia tuottavaa laitetta tutkittiin kasvihuoneympäristössä, jossa laite tuotti happinanokuplia kasvihuoneen kiertokasteluveteen. Kasvihuoneen kasteluvesi oli kunnallista talousvettä, joka johdettiin ensin lannoitesekoittajasäiliöön, jossa veteen sekoitettiin tarvittavat ravinteet.  

Kasvit esikasvatettiin (n. 3 vko) kasvulavalinjaston alkupäässä, missä kasteluun käytettiin lannoitesekoittajalta tulevaa tuoretta vettä, jota ei kierrätetty. Kasvit siirtyivät lavalinjastolla loppukasvatukseen (n. 3 vko), jonka aikana kasteluvesi kierrätettiin. Vedenkulutus ja haihtuma korvattiin lannoitesekoittajalta tulevalla vedellä. Eli osa loppukasvatuksen kasteluvedestä oli kiertovettä ja osa tuoretta vettä lannoitesekoittajalta.  

Jokaisella kasvulavalinjalla oli oma kastelukanavisto. Loppukasvatuskauden kasteluvesi kierrätettiin kiertovesikaivon ja -kanavan avulla. Tällöin oli mahdollista asentaa nanokuplalaite yhteen lavakohtaiseen kiertovesikaivoon ja käyttää viereisiä lavoja (ilman nanokuplalaitetta) verrokkeina.  

Tutkimuksen aikana nanokuplalavalla ja vähintään yhdellä verrokkilavalla kasvoi sama kasvi, joka oli useimmiten jääsalaatti.  

2.3 Nanokuplalaitteen asennus ja käyttöönotto 

Nanokuplalaitteisto koostui happigeneraattorista, kiertovesipumpusta, nanokuplageneraattorista ja ohjauskeskuksesta. Laitteisto toteutettiin siten, että se voitiin asentaa salaattilavan alle, kiertovesikaivon yhteyteen. Laitteisto asennettiin käsittelemään kiertovesikaivossa olevaa vettä (n. 1000 l). Laitteen toimintaa ohjattiin aluksi liuenneen hapen pitoisuuden perusteella, mutta ohjaustapa päivitettiin myöhemmin aikaperusteiseksi. Laitteisto ajastettiin olemaan päällä 10 min ja tämän jälkeen pois päältä 20 min. Tätä ohjaussykliä toistettiin vuorokauden ympäri koska myös kiertokastelu toimi keskeytyksettä. 

Nanokuplalaite asennettiin kasvihuoneeseen keväällä 2025. Asennuskohta oli tutkimuslavan loppukasvatusvaiheen kasteluveden kiertovesikaivo. Käyttöönottovaiheessa keväällä 2025 ja myöhemmin syksyllä 2025 haasteita aiheuttivat muun muassa kasvihuoneella olleet sähkökatkot ja koko kasteluvesijärjestelmän toiminnassa havaitut poikkeamat.  

Tutkimuksen luotettavuuden vuoksi tutkimuskasvulavaa (nanokuplalaite) ja verrokkikasvulavaa (ei laitetta) haluttiin seurata koko noin kolmen viikon kasvusyklin ajan eli sen noin kolmen viikon ajan, jolloin molemmille kasvulavoille johdettiin kiertokasteluvettä. Ja vielä siten, että nanokuplalaite toimi normaalisti, yhtäjaksoisesti ja suunnitellusti koko tämän noin kolmen viikon ajan. 

Tällaista yhtenäistä kolmen viikon jaksoa jouduttiin odottamaan jonkin aikaa ja ensimmäiset näytteenotot laitteen asennuksen jälkeen onnistuivat vasta kesäkuun lopulla ja seuraavat vasta loppusyksyllä 2025. Häiriöiden vuoksi nanokuplalaitetta päivitettiin tutkimuksen aikana vikasietoisemmaksi ja myös kasvihuoneella panostettiin järjestelmien parempaan luotettavuuteen.

2.4 Kasvit ja kasteluvesi 

Tutkimus toteutettiin tutkimuslinjalla, jossa kasteluveteen lisättiin happinanokuplia, ja verrokkilinjalla. Molemmissa linjoissa käytettiin samaa kasvualustaa, kasvilajia ja ravinneohjelmaa. Näytteitä otettiin molemmista linjoista ennen ja jälkeen nanokuplalaitteen asennusta, näytteelle otettiin aina myös verrokkinäyte. Näytteitä otettiin kasteluvedestä ja kasveista.  

Näytteenottoajankohta sovittiin sekä kasvihuoneen kanssa että siten, että analyyseihin menevät näytteet olivat mahdollisimman tuoreita (analyysi- ja kuljetusaikataulut). 

Kasvi ja vesinäytteistä tehdyt analyysit: 

• Kasvi 

• Kasvianalyysi, Hortilab: N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, B, Cu, Mn, Zn, kuiva-aine, NO3 

• Ravintosisältö, KVVY: Na, NaCl, energiasisältö (kJ+kcal), hiilihydraatit, rasva (Mojonnier), rasvahapot, kokonaissokeripitoisuus, laktoosi, typpi proteiinina, kosteus, tuhka 

• Kasteluvesi, Hortilab (interventio, verrokki, lannoitesekoittaja) 

• Johtokyky, pH, alkaliteetti, permanganaattiluku, nitraattityppi, ammoniumtyppi, P, K, Ca, Mg, S, Fe, B, Cu, Mn, Zn, Mo, Na, Cl, Al, Si 

2.5 Pythium-sieni 

Tutkimuksessa mukana olleella kasvihuoneella oli viljelijä itse havainnut kasvituohoja, jotka viittasivat Pythium-sienen esiintymiseen. Pythium-sukuiset munasienet ovat edelleen kasvihuoneviljelyssä ja juurikkaiden viljelyssä merkittävimpiä patogeeneja eli taudinaiheuttajia, jotka elävät maassa tai kasvualustassa ja voivat kasvaa sekä lisääntyä erilaisissa kasvijätteissä. Ne aiheuttavat taimipoltetta sekä erilaisia tyvi- ja juuristotauteja viljellyillä kasveilla sekä luonnonkasveilla (Suomen Lajitietokeskus; Tahvanainen & Finni 2021, 18). 

Viljelijän toiveesta tutkimukseen otettiin mukaan Pythium-analyysi, joka tehtiin Luken kehittämällä menetelmällä. Menetelmä on erityisen käyttökelpoinen ruukkusalaatti- ja kurkkuviljelmillä sekä sokerijuurikkaan tuotannossa (Tahvanainen & Finni 2021, 18–19). 

Pythium-analyysi tehtiin kasteluvesitestinä, missä menetelmään kuuluvaa seulottua, pastöroitua ja lannoitettua turvetta, johon on lisätty Pythium-sienen taudinaiheuttamiskyvyn esiin tuovaa ainetta, kasteltiin kasvihuoneelta näytteenoton yhteydessä talteenotetulla kierrätetyllä kasteluvedellä. Analyysin tekivät Tutkimuskeskus WANDERin tutkijat. 

Lisäksi WANDERin laboratoriossa tutkittiin kasteluveden mahdollista Pythiumia maljausmenetelmällä (suodatus, maljaus, mikroskopointi). 

2.6 Aistinarvio 

Elintarvikkeiden laatua voidaan tutkia myös aistinvaraisesti. Aistinvarainen tutkimus voidaan tehdä joko laboratoriossa tai kysymällä kuluttajien mieltymyksiä. Aistittavia asioita ovat yleensä ulkonäkö, haju, maku ja rakenne. 

Tässä tutkimuksessa aistinarviolla tullaan arvioimaan nanokuplavedellä kasteltujen jääsalaattien laatua verrattuna normaalikastelulla tuotettuihin tuotteisiin. Aistinarvio toteutetaan toukokuussa 2026. Näytteet otetaan tutkimuslinjastolta, verrokkilinjastolta ja mahdollisesti lisäksi kokonaan toiselta kasvihuoneelta. Aistinarvioon käytetään analyyttistä laboratoriomittausta, jossa koulutettu raati arvioi laadullisesti eroja eri tavoin kasvatettujen marjojen ja vihannesten välillä. Raati koostuu Satakunnan ammattikorkeakoulun henkilökunnasta, joka on koulutettu maistamaan perusmakuja: makeaa, suolaista, karvasta, hapanta ja umamia. Aistinarvio perustuu kansainvälisiin standardeihin ISO 5495:2005 ja ISO 10399:2017 ja sen luotettavuutta voidaan arvioida tilastollisesti. 

3 Tulokset ja niiden tarkastelu 

Koska tutkimus on vielä meneillään, tulokset eivät ole lopulliset.  

3.1 Kasvit ja kasteluvesi 

Happinanokuplien lisääminen kiertokasteluveteen tavoittelee kasvun tehostumista. Tässä tutkimuksessa saadut tulokset kasvi- ja kasteluvesinäytteistä näyttivät osittain tukevan tätä hypoteesia.

Kasvin kuiva-ainepitoisuus näytti nousevan kesäkuukausina molemmilla linjoilla ja tutkimuslinjalla, johon nanokuplalaite oli asennettu 05/2025, pitoisuus jäi kesän jälkeenkin hivenen korkeammaksi kuin verrokkilinjalla (Kuva 5). Kasvin alkuainepitoisuuksissa vastaavaa nousua ei havaittu, päinvastoin, interventiolinjalla esimerkiksi kasvin typpipitoisuus oli alempi kuin verrokkilinjalla (Kuva 6). Käyttääkö kasvi typen tehokkaammin, vai eikö se saa sitä kasteluvedestä yhtä hyvin kuin verrokkilinjalla. Tulokset olivat samansuuntaisia fosforilla. (Kuva 7) 

Kasvinäytteistä on analysoitu myös ravintosisältöä eli esimerkiksi energiasisältöä, hiilihydraatteja ja sokereita. Tällainen analyysi on toteutettu tähän mennessä vain ennen nanokuplalaitteen asennusta otetuista näytteistä. Asennuksen jälkeinen tilanne tullaan analysoimaan loppututkimuksen aikana. 

Kasteluvesinäytteissä alkuainepitoisuuksissa näytti olevan enemmän vaihtelua. Osa analysoitujen muuttujien pitoisuuksista oli tutkimuslinjan kasteluvedessä alhaisempia kuin verrokkilinjalla tai lannoitesekoittajalla (Kuva 8), osa taas päinvastoin korkeampia kuin verrokkilinjan tai lannoitesekoittajan näytteissä (Kuva 9). Loppututkimuksen aikana on tarkoitus ottaa lisää näytteitä, jolloin tulosten luotettavuus paranee. 

Nanokuplien vaikutusta kasvien kasvun tehostumiseen pitää analysoida tarkemmin useampien näytteiden ja näytteenottojen avulla. Näytteenottoja tullaan tekemään lisää loppututkimuksen aikana. Myös kasvin ravintosisällön analysointi nanokuplalaitteen asennuksen jälkeen tuo tärkeää lisätietoa tuloksiin. Voidaanko olettaa, että koska tutkimuslinjan kasvin kuiva-ainepitoisuus oli korkeampi, mutta ravinnepitoisuus alhaisempi kuin verrokkilinjan kasvilla, tutkimuslinjan kasvissa on enemmän esimerkiksi sokereita. Nanokuplat ominaisuuksiensa puolesta voivat myös alentaa veden haihtumista kasvin lehdistä, millä voi olla vaikutusta ravinteiden kulkeutumiseen kasteluvedestä kasviin. 

3.2 Pythium-sieni 

Happinanokuplien lisääminen kiertokasteluveteen tavoittelee kasvun tehostumisen lisäksi mahdollisesti kasvitautien ennaltaehkäisyä. Kasvitautien, erityisesti Pythium-sienen kohdalla tulokset ovat vielä epävarmoja. 

Tehtyjen analyysien perusteella vesinäytteistä löytyi Pythium-sientä vain vähäisiä määriä, sekä ennen että jälkeen nanokuplalaitteen asennusta. Kasteluvesikokeessa Pythiumia havaittiin hyvin vähän, jos ollenkaan. Pythium myös näytti maljaviljelyssä jäävän herkästi muiden voimakkaampikasvuisten sienten ja homeiden kasvustojen alle.  

Analyysien toimivuutta, luotettavuutta ja esimerkiksi kasteluvesitestin olosuhteita on pohdittu tutkimuksen aikana, koska puutarhan mukaan Pythium-sientä heillä kuitenkin esiintyy. Kasteluvesitesti tehtiin laboratorio-olosuhteissa, joissa ei saavuteta samoja lämpötila-, kosteus ja hiilidioksidiolosuhteita. Tutkimuksen jatkuessa testiolosuhteita voidaan vielä varioida. 

4 Yhteenveto 

Tutkimuksessa tarkasteltiin happinanokuplien lisäämisen vaikutuksia kasvihuoneen kiertokasteluveteen ja kasveihin. Lisäksi tutkittiin nanokuplaveden mahdollista vaikutusta Pythium-suvun aiheuttamien juuristotautien esiintyvyyteen.  

Tutkimus toteutettiin kahdella rinnakkaisella linjalla; tutkimuslinjalla kasteluveteen lisättiin happinanokuplia nanokuplalaitteella ja verrokkilinjalla toimittiin ilman laitetta. Näytteitä otettiin vedestä ja kasveista ennen ja jälkeen asennuksen. Nanokuplalaite asennettiin keväällä 2025.  

Koska tutkimus on vielä kesken, tulokset ovat alustavia. Kasvin kuiva-ainepitoisuus vaikutti jäävän nanokuplalinjalla kesän jälkeen hieman verrokkia korkeammaksi, kun taas alkuainepitoisuuksissa (esim. typpi ja fosfori) nähtiin joissain tapauksissa tutkimuslinjalla alempia arvoja. Kasteluveden pitoisuuksissa oli enemmän vaihtelua, minkä vuoksi tarvitaan lisää näytteitä ja tarkempaa analyysiä, myös ravintosisällöstä nanokuplalaitteen asennuksen jälkeen. Pythiumin osalta löydökset olivat toistaiseksi vähäisiä sekä ennen että jälkeen laitteen asennuksen. Toukokuussa 2026 tutkimuksessa toteutetaan aistinvarainen arviointi, jossa verrataan nanokuplavedellä kasteltujen jääsalaattien laatua verrokkisalaatteihin koulutetun raadin ja ISO-standardien mukaisesti.