BIOFUMIGACJA - chem.pg.gda.pl · przechowywane produkty. Szkodniki magazynowe szybko si rozmnaaj. I...

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


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.



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.



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


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


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


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.


Schemat przebiegu procesu biofumigacji

GLS - glukozynolany ITC - izotiocyjaniany


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�.



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


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


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.


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


M�czk� r�cznie rozprowadzono po polu,

a nast�pnie na 6 dni przed zasadzeniem

cukinii pole zwil�ono.


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.


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�.


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.


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.


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!


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.



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


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


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


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.


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


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


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


25


BIOFUMIGACJA - chem.pg.gda.pl · przechowywane produkty. Szkodniki magazynowe szybko si rozmnaaj. I...

Documents

Transcript of BIOFUMIGACJA - chem.pg.gda.pl · przechowywane produkty. Szkodniki magazynowe szybko si rozmnaaj. I...