BIOFUMIGACJA alternatywna metoda ochrony ro�lin
Anna Piekarska, Agnieszka Bartoszek, Jacek Namie�nik
POLITECHNIKA GDA�SKA
WYDZIA� CHEMICZNY
VI Mi�dzynarodowa Konferencja Naukowa- Toksyczne substancje w �rodowisku, Kraków, 6-8.09.2010
wtorek, 14 wrze�nia 2010
W dobie rosn�cego zainteresowania ekologi� i zdrowym trybem �ycia coraz cz��ciej buntujemy si� przeciwko syntetycznym zwi�zkom chemicznym dodawanym do �ywno�ci i stosowanym w rolnictwie.
Du�e kontrowersje od dawna budzi stosowanie syntetycznych pestycydów w ochronie upraw, zw�aszcza ro�lin jadalnych, dlatego poszukuje si� bardziej ekologicznych technologii, w�ród których na szczególn� uwag� zas�uguje biofumigacja.
Podstawowe poj�cia
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Tradycyjna fumigacja polega na zwalczaniu szkodników
i patogenów za pomoc� truj�cych substancji
stosowanych w postaci gazów i dymów (fumigantów).
Ze wzgl�du na ochron� �rodowiska odchodzi si� od
u�ywania syntetycznych fumigantów na rzecz ich
naturalnych odpowiedników. Wykorzystanie lotnych
zwi�zków o dzia�aniu antybiologicznym naturalnie
wyst�puj�cych w ro�linach nazywane jest
biofumigacj�.
Substancje te nie tylko niszcz� niepo��dane grzyby,
bakterie, paso�yty i szkodniki, ale cz�sto równie�
korzystnie wp�ywaj� na biologiczn� jako�� gleby.
Podstawowe poj�cia
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Poj�cia biofumigacji u�ywa si� g�ównie
w odniesieniu do ro�lin z rodziny
kapustowatych, do której nale�y bardzo
wiele ro�lin uprawnych:
� liczne warzywa (kapusta, rzodkiew,
rzepa, brukiew, kalafior),
� ro�liny oleiste (rzepak, rzepik,
lnianka, gorczyca),
� ro�liny ozdobne (lewkonia),
� zielarskie (rukiew, tasznik).
Rodzina ro�lin kapustowatych zawdzi�cza swoje biobójcze
w�a�ciwo�ci obecno�ci glukozynolanów i mirozynazy.
Podstawowe poj�cia
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Glukozynolany
Glukozynolany to zwi�zki organiczne, wyst�puj�ce w ró�nych ilo�ciach, zarówno w korzeniach, li�ciach, p�dach jak i nasionach ro�lin z rodziny kapustowatych.
Ogólny wzór glukozynolanów
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Ró�nice w zawarto�ci glukozynolanów w poszczególnych cz��ciach ro�lin z rodziny kapustowatych
A.Thaliana (rzodkiewnik)
li�cie wewn�trzne > li�cie zewn�trzne
B.vulgaris (gorczycznik)
nasiona > li�cie
m�ode li�cie > stare li�cie
B.napus (rzepak)B
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Mirozynaza
Struktura mirozynazy
Hydroliza glukozynolanów jest mo�liwa dzi�ki enzymowi o zwyczajowej
nazwie mirozynaza, nale��cemu do �-tioglukozydaz (EC 3.2.3.1).
Mirozynaza katalizuje rozpad
wi�za tioglukozydowych do
n i e s t a b i l n e g o p r o d u k t u
przej�ciowego, który mo�e
przekszta�ci� si� w ró�ne
produkty kocowe w zale�no�ci
od �rodowiska reakcji.
http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1E70
wtorek, 14 wrze�nia 2010
W nienaruszonej komórce ro�liny, glukozynolany s� oddzielone od mirozynazy, która znajduje si� w tzw. komórkach mirozynowych.
Produkty enzymatycznej hydrolizy glukozynolanów
Wskutek uszkodzenia mechanicznego lub ataku szkodników, dochodzi do kontaktu mirozynazy z glukozynolanami. W wyniku hydrolizy powstaje niestabilny produkt przej�ciowy, z którego samorzutnie tworz� si� izotiocyjaninany, o najsilniejszych w�a�ciwo�ciach biobójczych, oraz mniej korzystne nitryle, tiocyjaniany i epitionitryle, syntetyzowane pod wp�ywem dodatkowych czynników.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Schemat przebiegu procesu biofumigacji
GLS - glukozynolany ITC - izotiocyjaniany
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Zwalczanie szkodników
W�a�ciwo�ci antybiologiczne wykazuj� tylko produkty hydrolizy
glukozynolanów, g�ównie izotiocyjaniany.
Pomidory zaatakowane przez bakterie
Wyniki wielu bada pokaza�y, �e izotiocyjaniany hamuj� rozwój bakterii i grzybów, które s�g�ówn� przyczyn� �ó�kni�cia li�ci, ale tak�ezaburze w rozprowadzaniu sk�adników od�ywczych, co przyczynia si� do gnicia owoców, �odyg i korzeni. W efekcie kocowym powoduje to �mier� ro�lin i obni�enie wydajno�� upraw.
Poniewa� atakowane s� wewn�trzne cz��ci ro�lin, utrudnia to stosowanie tradycyjnych �rodków ochrony. Natomiast biofumigacja mo�e kompleksowo chroni� ca�� ro�lin�.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Zwalczanie szkodników
Szkodniki takie jak nicienie, stonki czy wo�ki s� paso�ytami ro�lin o znaczeniu gospodarczym, w uprawie których mog� powodowa� olbrzymie straty.
Zwalczanie szkodników za pomoc� biofumigacji daje mo�liwo�� ograniczenia tych strat, a ponadto nie nara�a konsumentów na szkodliwe dzia�anie syntetycznych pestycydów, co jest szczególnie istotne w przypadku ro�lin jadalnych.
S�kowacenie korzenia to choroba wywo�ana przez patogeny
wtorek, 14 wrze�nia 2010
W magazynach i spichrzach wyst�puje wiele szkodników, które mog� w ci�gu stosunkowo krótkiego czasu ca�kowicie zniszczy� przechowywane produkty. Szkodniki magazynowe szybko si� rozmna�aj�. I tak na przyk�ad jedna para wo�ków po 6 pokoleniach mo�e wytworzy� 8.168.200 osobników, z których ka�dy zjada dziennie oko�o 0.5 mg ziarna. Chrz�szcze wo�ka zbo�owego �yj� przeci�tnie pó� roku, a wi�c sumarycznie w ci�gu swego �ycia osobniki potomne mog� zje�� ponad 600 kg ziarna zbó�!
http://www.pest.pl/index.php?goto=19
Zwalczanie szkodników
Ocenia si�, �e straty przechowywanych produktów rolniczych w skali �wiatowej powodowane tylko przez szkodniki magazynowe wynosz� oko�o 10%. Stanowi to ilo�� �ywno�ci, wystarczaj�c� do wy�ywienia przynajmniej 300 mln ludzi.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Próby wykorzystania w rolnictwie
Naturalne w�a�ciwo�ci biobójcze ro�lin z rodziny kapustowatych mog� by� potencjalnie wykorzystane w ochronie upraw na wi�ksz� skal�, dlatego w wielu o�rodkach naukowych prowadzone s� szeroko zakrojone badania nad biofumigacj�.
Proponowane jest stosowanie preparatów otrzymanych z wybranych ro�lin przez ich
wysuszenie i sproszkowanie.
Innym sposobem wprowadzenia glukozynolanów do gleby jest zasadzenie ro�lin z rodziny kapustowatych na chronionym polu (przed upraw� w�a�ciwych warzyw), a nast�pnie ich zaoranie po kilku miesi�cach. Przy okazji pos�u�� jako nawóz naturalny.
d
wtorek, 14 wrze�nia 2010
M�czk� r�cznie rozprowadzono po polu,
a nast�pnie na 6 dni przed zasadzeniem
cukinii pole zwil�ono.
Próby wykorzystania w rolnictwie
W jednym z do�wiadcze wykorzystano odt�uszczon� m�czk z gorczycy
etiopskiej (Brassica carinata) zawieraj�c� glukozynolany oraz odpowiedni�
ilo�� mirozynazy.
Efektem dzia�ania takiego preparatu by�o wyrane zahamowanie rozwoju
szkodników guzaka po�udniowego (Meloidogyne incognita). Dodatkowo
uzyskano popraw� jako�ci badanej gleby. Zastosowanie biofumigacji
spowodowa�o zwi�kszenie plonu cukinii o 14% w porównaniu z upraw�, w której
wykorzystano syntetyczny preparat ochronny.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
W �wietle niedawnych bada okaza�o si� jednak, �e mo�na temu zjawisku �atwo zaradzi� odpowiednio rozplanowuj�c uprawy. I tak naprzemienna uprawa truskawek, broku�ów i kapusty warzywnej zwi�kszy�a plon tych owoców o 18-44% w porównaniu ze zwyk�� pojedyncz� upraw�.
Próby wykorzystania w rolnictwie
Ogrodnicy wiedz�, �e uprawa truskawek na jednym polu przez 10 lat powoduje ich gorszy wzrost i zmniejszenie plonów. Uprawiane w ten sposób truskawki tworz�o 50% mniej owoców w porównaniu z truskawk�uprawian� na danym polu przez dwa lata.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Tak�e w ochronie tej wa�nej dla wy�ywienia ludzko�ci uprawy biofumigacja mo�e sta� si� cennym
podej�ciem. Badania nad zastosowaniem biofumigacji w ochronie ziemniaków dowiod�y jej skuteczno�ci. Przed chorobami najlepiej chroni�y preparaty z gorczycy, przed atakiem grzybów Rhizpous - z rzepaku, a przed m�twikami Globodera rostochiensis – z rze�uchy, kalafiora i kapusty.
Próby wykorzystania w rolnictwie
Ziemniaki s� podstaw� wy�ywienia w wielu krajach. Ich
uprawa na �wiecie obejmuje 18 mln ha. W naszym kraju
te� jest to jedna z najwa�niejszych upraw. �rednie
spo�ycie w Polsce wynosi 120-135 kg ziemniaków na
osob�.
S� one tak istotne, �e ONZ og�osi�a rok 2008 Mi�dzynarodowym Rokiem Ziemniaka!
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Jednak podczas bada odkryto tak�eniekorzystne dzia�anie izotiocyjanianów na kie�kowanie nasion ogórka.
Dlatego nie zawsze mo�na wysiewa� nasionabezpo�rednio po wprowadzeniu do gleby suszonych li�ci lub soku z ro�lin z rodziny kapustowatych.
Polskie badania wykaza�y tak�e ochronny wp�yw sproszkowanych li�ci chrzanu oraz kapusty czerwonej i w�oskiej na uprawy ogórka. Zaobserwowano znaczne zahamowanie rozwoju grzybów Fusarium culmorumoraz Alternaria alternata odpowiedzialnych za zgorzel siewek.
Próby wykorzystania w rolnictwie
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Mechanizmy obronne szkodników
Zastosowanie ro�lin z rodziny kapustowatych ma te� istotne ograniczenia. Okaza�o si�, �e niektóre owady, �eruj�ce g�ównie na nich, wytworzy�y system neutralizowania szkodliwego wp�ywu izotiocyjanianów.
Larwy bielinka (Pieris sp.), które �ywi� si� wy��cznie ro�linami z rodziny kapustowatych, syntetyzuj� nitrylospecyficzne bia�ka, przez co glukozynolany s� hydrolizowane przez mirozynaz� do nitryli, a nie do toksycznych izotiocyjanianów.
Schemat reakcji rozk�adu glukozynolanów do nitryli przez larwy bielinka Pieris rapae
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Z kolei mszyca kapu�cianka (Brevicoryne brassica) i kapustnica
wielo�erna (Lipaphis erisimi) potrafi� wykorzystywa� glukozynolany zawarte
w ro�linach, na których �eruj�, do obrony przed atakami innych szkodników.
Za pomoc� w�asnej mirozynazy hydrolizuj� glukozynolany, a uwalniane
izotiocyjaniany dzia�aj� synergistycznie z E-�-farnezenem, feromonem, który
sygnalizuje innym mszycom nadchodz�ce niebezpieczestwo.
Motyl tantni� krzy�owiaczek
(Plutella xylostella) �ywi�cy
si� ro�linami krzy�owymi,
usuwa siark� z glukozynolanów
za pomoc� sulfatazy, przez co
przestaj� by� one substratem
dla mirozynazy.Schematyczne przedstawienie mechanizm dzia�ania ro�linnej mirozynazy (A) oraz
sulfatazy pochodzenia mikrobiologicznego (B) na glukozynolany
Mechanizmy obronne szkodników
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Takie wi�c mo�na wnioskowa�, �e ro�liny z rodziny kapustowatych mog�by� wykorzystane do hamowania rozwoju patogennych drobnoustrojów,
atakuj�cych inne uprawy.
Z kolei do ich ochrony mo�na wykorzysta�ro�liny psiankowate, m.in. papryk�(Capsicum annum), poniewa� zawiera ona inne zwi�zki, które przeciwdzia�aj�
�erowaniu szkodników.
Ograniczenia
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Podsumowanie
Ze wzgl�du na rosn�ce zapotrzebowanie na �ywno��, ograniczon� powierzchni� gleby dost�pnej pod upraw� oraz jej pogarszaj�c� si� jako��, choroby oraz ataki szkodników, niezb�dne sta�o si� chemiczne wspomaganie rolnictwa.
Mo�liwo�� biodegradacji i brak toksyczno�ci dla ludzi pozwala na wykorzystanie produktów degradacji glukozynolanów jako biofumigantów w zwalczaniu szkodników w rolnictwie, szczególnie upraw ro�lin jadalnych. Wyniki bada prowadzonych pod tym k�tem zach�caj� do kontynuowania prac w kierunku upowszechnienia stosowania biofumigacji w ochronie upraw ro�linnych.
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Wykorzystanie produktów hydrolizy glukozynolanów w ochronie ro�lin ma wiele zalet:
bezpieczestwo stosowania,
dost�pno�� i niski koszt stosowania biofumigantów,
pozytywne oddzia�ywanie na organizm cz�owieka w przypadku dostania si� tych zwi�zków do �ywno�ci, w przeciwiestwie do syntetycznych pestycydów
mo�liwo�� biodegradacji przy jednoczesnym wykorzystaniu jako ród�a �atwo przyswajalnego w�gla i azotu dla upraw,
zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery w wyniku ograniczenia
produkcji syntetycznych pestycydów.
Dodatkowe zalety biofumigacji
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Celem projektu jest opracowanie technologii wykorzystania kapusty w fitoremediacji gleby na terenach zdegradowanych oraz
uzyskanych z niej preparatów w procesach biofumigacji.
Badania nad wykorzystaniem kapusty bia�ej w ochronie upraw s� równie� prowadzone w ramach projektu AGROBIOKAP, w którym udzia� bior�: Politechnika Gdaska, Instytut Chemii Przemys�owej w Warszawie oraz Uniwersytet Rolniczy w Krakowie.
Projekt AGROBIOKAP
wtorek, 14 wrze�nia 2010
Badania s� skoncentrowane na okre�leniuprzydatno�ci kapusty jako surowca do produkcji biopreparatu, który móg�by s�u�y� do ochrony upraw na drodze biofumigacji oraz na opracowaniu wydajnej i przyjaznej �rodowisku technologii jego uzyskiwania na skal� przemys�ow� z uwzgl�dnieniem maksymalnego zagospodarowania pozosta�ej biomasy kapusty.
Opracowanie i wdro�enie prostej, niskoenergetycznej i niemal�e bezodpadowej, a tak�e ekonomicznej technologii oczyszczania gleb dodatkowo przyczyni si� do stymulacji rozwoju rolnictwa ekologicznego oraz ograniczenia zagro�e zdrowotno�ci spo�eczestwa zwi�zanych z post�puj�cym zanieczyszczeniem �rodowiska i pogorszeniem jako�ci zdrowotnej �ywno�ci.
Projekt AGROBIOKAP
wtorek, 14 wrze�nia 2010
25
wtorek, 14 wrze�nia 2010