Antal Gabriella1, – Kurucz Erika2, – Domokosné Szabolcsy Éva3, – Fári Miklós Gábor4
Biogenerációs növények kutatása és a bioipari farmok jövője Magyarországon: áttekintés Research on biogeneration crops and future of bioindustrial farms in Hungary
[email protected] Botanikai, Növényélettani és Növényi Biotechnológiai Tanszék, Debreceni Egyetem MÉK, PhD hallgató 2Mg. Botanikai, Növényélettani és Növényi Biotechnológiai Tanszék, Debreceni Egyetem MÉK, PhD hallgató 3Mg. Botanikai, Növényélettani és Növényi Biotechnológiai Tanszék, Debreceni Egyetem MÉK, egyetemi adjunktus 4Mg. Botanikai, Növényélettani és Növényi Biotechnológiai Tanszék, Debreceni Egyetem MÉK, egyetemi tanár 1Mg.
A biogenerációs növények fogalma és jelentősége
Környezetvédelmi és mezőgazdasági szakértők 2010-ben kiszámították, hogy Európa, az USA, Afrika, Kína, India és Dél-Amerika térségében mintegy 320-702 millió hektár ún. marginális terület található. Ezeken vagy felhagytak már a mezőgazdasági termeléssel, vagy olyan alacsony a talaj termőképessége, hogy jövedelmező mezőgazdasági termelésre - jelen állapotukban - alkalmatlanok. Amennyiben a füves pusztákat, szavannákat, bokros természetes vegetációkat - az ún. LIHD-területeket - is energiatermelőként hozzászámítják, az un. marginális területekhez, akkor ezek együtt 1.107-1.411 millió hektárt tesznek ki. Ezeken a területeken hagyományos növénykultúrákat és agrotechnikákat felhasználva - a biomasszára alapozott agro-(bio)-üzemanyag termeléssel a jelenlegi folyékony üzemanyag világ-szükséglet 26-55%-át lehetne elméletileg megtermelni. Egyetértés van a felelősen gondolkodó szakemberek és nem szakemberek körében: a természet évmilliók alatt felépített javait már nem lehet tovább pusztítani; még az energiaínség jelen intenzív korszakában sem (MártonFári, 2011). A célok elérése érdekében új generációs növényekre, új generációs technológiákra és fenntartható agráripari, zöld kémiai rendszerekre van szükség. Ezek a jövő növényei, azaz a biogenerációs növények. A „biogenerációs növények”(„biogeneration crops”) szókapcsolat egy eddig nem alkalmazott elnevezés. A biotechnológiai módszerek integrált alkalmazásával előállított, új generációs termesztett növényeket, és azok szaporító anyagát kívánja kifejezni („biotechnology” and „new generation” = „bio+generation”). A biogenerációs növények a jövő növényei; az agrár- és biotech innovációra épülő, fenntartható jövő bioipari farmjain fognak elterjedni. Ennek a folyamatnak a kezdetén tartunk; a fejlődés legfőbb mozgató rugója a közgazdasági alapokon nyugvó, megújítható források iránti kielégítetlen alapanyag-kereslet és energia igény. Agrárközgazdászok felhívták a tudományos körök figyelmét arra, hogy a természetes vegetáció további károsítása csak akkor kerülhető el, ha csupán a 320-702 millió hektárnyi marginális agro-ökoszisztémákon állítják majd elő azt az energiamennyiséget, amelyet a világ igényel. Ennek érdekében - állapították meg amerikai tudósok 2009ben - a rendelkezésre álló leghatékonyabb biológiai, genetikai és egyéb nemesítési módszerek felhasználására van szükség. Továbbá új, és adekvát mezőgazdasági-földművelési módszereket kell majd kifejleszteni. Kiszámítható, és tervezhető prognózis tehát az, hogy a következő ötven évben a mindenkori legfejlettebb technikák összességével fogják majd előállítani, szaporítani és termelni a jövő biomassza és energia növényeit (Márton-Fári, 2011). A biomassza kérdésköre ugyanakkor közvetlenül összefügg a termesztett növényfajok genetikai felépítésével, melyek GMO vonatkozásait jelen tanulmányunkban később részletezzük. Az emberiség éves energia fogyasztása jelenleg 15 TW, mely 2030-ra eléri a 20 TW/évet. A légköri széndioxid megkötésén kívül a fotoszintetikus fényenergia-átalakítás természetes és mesterséges folyamatát éppen ezért energiatermelési szempontok figyelembe vételével is tanulmányozzák világszerte. E kutatások központi területe jelenleg a biomassza, és a fotoszintetikus alapú hidrogéntermelés (H2 termelésre optimalizált természetes, félmesterséges, és mesterséges rendszerek, továbbá folyékony üzemanyag termelése természetes fotoszintetikus folyamatokkal). A szántóföldi növénytermelés leginkább egyéves növényeken alapul, ami azért nem csökkenti a CO2-szintet, mert
15
szakértők szerint az intenzív talajművelés több CO2–ot mobilizál, mint a biológiai megkötés. Sajnos az élelmiszerhiány elkerülésére nem sokat lehet változtatni a jelenleg termelt mezőgazdasági haszonnövények spektrumán. Ha évelő növény kultúrákkal valósítjuk meg a célzott biomassza termelést, a földalatti részek jelentősen növelik a talaj szerves anyag felhalmozását, ezáltal a szén-mérleget illetően jelentős egyensúlyt biztosítva. Ebben az átmeneti időszakban minden lehetőséget meg kell ragadni, hogy a pozitív tendenciák kialakuljanak és elkerüljük a környezeti katasztrófát. A GMO-technológiák használatát nem adhatjuk fel, hiszen segítségével árnyaltabbá és hatékonyabbá tehetjük a “zöld” korszak fenntarthatóságát. E nélkül mind az élelmiszertermelés, mind az igazi zöld-biomasszán alapuló energiatermelés szempontjából a leghatékonyabb eszközrendszert adnánk fel (Márton-Fári, 2011).
Bioipari farmok és biofinomítók
A bioipari farmok az új, biofinomítókra épülő zöldkémiai ipar részére állítanak elő alapanyagot. Követelmény, hogy miközben ezek a farmok nem csökkentik az emberi tápláléklánc primer inputját, továbbá nem vonnak el területet az élelmiszer- és takarmány előállító mezőgazdaságtól, ugyanakkor környezetbarát módon nagy hozzáadott értékű, piacképes ipari alapanyagot és/vagy nagyon széles skálán mozgó végterméket képes előállítani fenntartható módon a 21. századi ember számára. A megújítható, nagyrészt célzott, iparszerű termelésből származó növényi biomassza iránti globális kereslet a következő évtizedekben eddig nem látott szintet ér majd el. A fosszilis eredetű kőolajat és földgázt feldolgozó petrolkémiai ipar termelése 330 millió tonna alapanyag évente (pl. metanol, etanol, butadién, benzol, toluol és xilol). Ezeket a kémiai építőkockákat általában polimerek és egyéb műanyagok gyártásához használják fel. A nem energia célú petrolkémiai ipar a világ kőolajtermelésének mintegy 16%-át, a teljes fosszilis energiahordozók (kőolaj, földgáz és szén) mennyiségének mintegy 9%-át hasznosítja. A bioüzemanyagon és alapanyagokon kívüli bioalapú kémiai ipar évi termelése 50 millió tonna, mely fő termékei a nem élelmezési célú keményítő, a cellulóz-rost és egyéb cellulóz-származék, növényi olajok, zsírsavak, továbbá fermentálásból kapott etanol és citromsav. Napjainkig a történelmileg alacsony fosszilis energiahordozó árak mellett a bioalapú kémiai ipar és polimer-gyártás jövedelmezősége nem volt versenyképes. A következő évtizedben a bioalapú kémiai ipar fellendülése várható, kezdetben mintegy 10-15 milliárd USD évi piaccal. Globális értelemben kijelenthető, hogy a bioenergia alapanyagok és a bioüzemanyag termékek iránti kereslet a biofinomítók egyre növekvő igényével (zöld kémia) párhuzamosan fog bekövetkezni. Ez a folyamat a növénytermesztési, vegyipari, műszaki-mérnöki és biotechnológiai kutatás-fejlesztés számára alapjaiban új stratégiák kidolgozását és azok eddigieknél gyorsabb ütemű – nemzetközi együttműködéseken alapuló - fejlesztését követeli meg, figyelembe véve a környezetvédelem az üzleti haszon és a biobiztonság szempontjait is. Ezen célokat már számos, hazánk adottságaival összevethető, fejlett mezőgazdasági kultúrájú ország nemzeti innovációs programjának tengelyében meg is találjuk (Dánia, Hollandia, Izrael, stb.). A bioipari farmok fenti célt jelenleg két fő megközelítési formában tudja elérni.
Cellulóz bioipari farm (CBF)
A CBF termelése az un. marginális területeken előállítható, elsősorban a pozitív széndioxid mérlegű új generációs, un. dedikált cellulóztermelő növények nyersanyagának feldolgozására alapoz, mint az óriás termetű évelő félcserjék (Semi-shrub - SSH fajok), és az óriás termetű évelő rizómás fűfélék (Perennial Rhizomatous PRG-fajok). Másodsorban a széndioxid semleges évelő fás szárú, dedikált lignocellulóz fajokra (Dedicated lignocellulose - DLC fajok, akác, nyár, fűz). Az így kapott olcsó, nagy tömegű, koncentráltan és gazdaságosan
16
előállítható bioipari nyersanyagot főtermékként például keményítőre, amilózra (25-35%), és glükóz frakciókra (65-75%) hidrolizálják a zöldkémiai technológiákkal (pld. párhuzamosan enzimatikus biológiai átalakítással és mikrobiális fermentációs folyamatokkal). A nem élelmiszer, takarmány eredetű keményítőből nélkülözhetetlen kémiai építőkockákat, pl. a politejsavat (PLA) és más szubproduktumokat, továbbá széles skálán mozgó végtermékeket lehet előállítani a felhasználó iparok számára. A folyamat során a keletkező melléktermékeket egyrészt a folyamat energia mérlegének növelésére lehet felhasználni (szárítás, hevítés, stb.), másrészt a földterületek termékenységének javítására. A CBF-rendszer zöld jellege abban is megtestesül, miszerint az SSH és PRG fajok a talaj termékenységének javítását, helyreállítását a rizoszféra útján, új felismeréseken alapuló, komplex biológiai rendszerükkel képesek segíteni. Az iparilag szennyezet területeken az SSH és az PRG fajok egy része képes eltávolítani a nehézfémeket és más toxikus anyagokat. Az SSH, PRG és DLC biomassza alapanyagok terén egyéb, koncentrált nagyipari felhasználói igények generálódnak (pl. bioüzemanyagok). Az eddig nem felhasznált, és nem Natura-2000 területek új kiegyensúlyozott talajerő, műtrágya utánpótlási igényt / piacot generálnak, mely részben kielégíthető a biomassza égetése során keletkezett hamu feldolgozásából, részben a CBF szubproduktumokból. A CBF integrált rendszerben fejleszthető a legmegfelelőbb formában. A technológiagenerálás területen nagy nemzetközi mozgás tapasztalható; a nyersanyag input területén nincs konkurens hazai és közép-európai szereplő; a feldolgozás területén a folyamat megakadt: a búzából kiinduló termelési terv nem kapott támogatást (Balatonfűzfő).
Alga bioipari farm (ABF)
Az ABF termelése ugyancsak nem érinti az élelmiszertermelő láncot, nem igényel kiterjedt jó minőségű területet. A pozitív széndioxid mérlegű új generációs algatermesztési technológiák növekvő hatékonysággal lehetővé teszik bioipari építőkockák előállítását, a keményítőre szelektált algatörzsektől az olajtermelőkig egyaránt. Az így kapott bioipari nyersanyagból széles skálán mozgó végtermékeket lehet előállítani a felhasználó iparok számára (pl. bioüzemanyagok, politejsav - PLA). A folyamat során a keletkező melléktermékeket egyrészt a folyamat energia mérlegének növelésére lehet felhasználni, másrészt a földterületek termékenységének javítására és/vagy takarmányipari adalékként. Az ABF-rendszer zöld jellege abban is megtestesül, miszerint a koncentrált nagyipari felhasználói igényektől a kisebb felhasználókig létrehozhatók ABF farmok. A rendszer üzemeltetése folyamatos és precíziós tápanyag szolgáltatást igényel. Az ABF integrált rendszerben fejleszthető a legmegfelelőbb formában. A technológia-generálás területen nagy nemzetközi mozgás tapasztalható, az ABF nyersanyag input és feldolgozás oldalon ugyanakkor tőkeerős hazai és Közép-európai szereplő.
Hazai biofinomító példa
A Balatonfűzfőn tervezett Első Magyar Biofinomító projekt egy terméket tervezett előállítani: 100 e tonna búzából 20 e tonna politejsavat (2008-2009). Az előkészítő szakasz költsége 200 millió forint volt, saját projekt céggel. Az ipari termelés beindításához 28 milliárd forint beruházási költségvetést készült (2010). Befektető hiányában a Bakonyi Árpád csoport tervei nem valósultak meg (2012). A politejsavat (PLA) az USA-ból, Olaszországból és Kínából importálják.
Nemzetközi biofinomító példa
17
17
A Mossi-Ghisolfi (MG) vegyipari csoport a világ legnagyobb PET előállítója. Az MG tagja a Chemtex srl, mely öt évnyi előkészületek után 2013-ban felavatta a világ első ipari léptékű cellulóz etanol üzemét Crescentino-ba. Az üzem 40 e tonna biomasszából nyert cellulózból 10 e tonna etanolt állít elő évente (PROEZA-technology). Az alapanyag beszerzését a Chemtex Agro srl szervezi. Az enzimet a dániai központú multinacionális Novozyme cég fejlesztette ki és szállítja. Az MG projekthez a - Debreceni Egyetem területén 2012-2013-ban szerződéssel működő magyar start-up cég, a MOP Biotech Kft (Nyíregyháza) szállította a 4,5 millió db olasznád biogenerációs palántát. Ez a dedikált évelő rizómás óriás fűféle kiváló cellulóz alapanyagot termel Olaszországban, amely hozam átlagosan eléri a 25 száraztonna / év mennyiséget. Kínában, Nanning város határában 2015-ben avatja fel a MG csoport a 200 e tonna búzaszalmát feldolgozó második generáció bioetanol üzemét.
Agrárinnovációs prioritások a biogenerációs növények és a biofinomítók korában
A nitrogén kérdés
Úgy tűnik, hogy a mérsékelt égövi mezőgazdaságában a jövő kiemelkedő lehetősége a légköri nitrogén megkötése új típusú asszociatív mikroba-növény konzorciumokkal, és/vagy speciálisan fejlesztett szimbiontákkal. Ezen kutatási vonal leginkább figyelemre méltó úttörője a német-cseh-brazil talaj mikrobiológus, a Nobel-díjra is jelölt Johanna Döbrereiner (1924-2000). Döbrereiner és munkatársai, a múlt század hetvenes és nyolcvanas éveiben a trópusi talajokban és növényekben olyan, korábban ismeretlen asszociatív biológiai nitrogén megkötési mechanizmusokat írtak le, pl. az ARA (Acetilene Reduction Assay). A módszer segítségével - részben, illetve teljesen - megoldották a brazil cukornád ültetvények és szója megafarmok mikrobiális nitrogén ellátását, ipari kemikáliák felhasználása nélkül (Azorhizophilus paspali, Beijerinckia fluminenesis, Herbaspirillum seropedicae, Gluconoacetobacteria diazotrophicus, stb.). Szakirodalmi adatok szerint Brazília a nemzeti cukornád-etanol termelés megháromszorózódását köszönheti pl. a Gluconoacetobacteria diazotrophicus tevékenységének. E baktérium segítségével számos brazil cukornád fajta a teljes nitrogén felhasználás 30-50%-át biztosítja a biológiai nitrogén megkötésből (Nannipieri, P., 2001). Hasonló módon, fenti kutatási irány óriási globális jelentőségére hívja fel a figyelmet Sir Gordon Conway, az Imperial College emeritus professzora, a Rockefeller Foundation korábbi elnöke (1998-2004), a fenntartható mezőgazdaságot és az afrikai élelmiszer-termelés jövőjét kutató, un. „Montpellier Panel” elnöke Conway, G., 2012. Érdekesség, hogy az ELTE Növényszervezettani Tanszék korábbi professzora, Gyurján István és munkatársai a múlt század utolsó két évtizedében már intenzíven kutatták ezt a kérdést az in vitro növényi rendszerek mesterséges alga-növény szimbiózisának kialakítására. A Japan International Research Center for Agricultural Sciences (JIRCAS, Ibaraki) és a kolumbiai Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT, Cali) kutatói – mintegy harmincévi előzmények után - a közelmúltban részletesen jellemezték egyes trópusi és mérsékelt égövi fűfélék rizoszférájában megfigyelhető, a gyökerek által kiválasztott anyagok által vezérelt, un. biológiai nitrifikiáció-gátlás (BNI, Biological Nitrification Inhibition) folyamatát. A BNI kutatások kimutatták, hogy bizonyos, gyökér által kiválasztott inhibitorok képesek meggátolni a talajbaktériumok nitrifikálását (Subbarao, G. V. et al. 2006, 2007, 2009, Subbarao, G.V., 2009) A BNI jelentősége világméretekben azzal függ össze, hogy a mezőgazdaság által felhasznált nitrogén műtrágya nitrogénjének egy részét a talajbaktériumok a nitrifikáció során nitrogénoxiddá (N2O) alakítják, mely így kikerül a levegőbe. Az N2O széndioxid káros üvegházi gáz (GHG) hatása mintegy 300szorosa a széndioxidnak. A múlt század hetvenes évei óta a nitrogén műtrágya felhasználása hétszeresére nőtt. Ennek köszönhetően a klímaváltozás okainak, problémájának nemzetközi megítélésében a gyökerek által végzett potenciális biológiai nitrifikáció-gátlás az elsőszámú új lehetőségek sorába lépett. Az említett IRCAS-CIAT kooperáció egyik legértékesebb új eredménye olyan komponensek leírása volt, mely anyagok jelentősek a BNI folyamatokban. Ilyen pl. a Brachiaria humidicola gyökerei által kiválasztott brachialacton, vagy a Sorghum bicolor által kiválasztott sorgoleon. Jelentős BNI
18
aktivitása van a Brachiaria humidicola, a B. decumbens, a Sorghum bicolor, a Menitis minutiflora, a Panicum maximum, a Lolium perenne var. multilorum, az Arachis hypogaea, az Andropogon gayanus és a B. Byzantha fajoknak. Meg kell említeni, hogy csak Dél-Amerikában a Brachiaria sp. termőterülete megközelíti a 80 millió hektárt. A mérések szerint a többi egyéves gabonaféle, mint pl. a kukorica, a búza, a zab és a rizs nem rendelkeznek BNI-aktivitással. Intenzív nemzetközi kooperáción alapuló kutatások hivatottak arra, hogy a BNI-hatásmechanizmust feltérképezzék a mérsékelt klíma többi gazdasági növénye körében is. Továbbá, cél az, hogy egyéb gazdasági növényekre is kiterjesszék a szóban forgó nitrifikáció-gátló anyagok termeltetését, részben hagyományos, részben molekuláris nemesítéssel (Subbarao, G. V. et al. 2012). A BNI jelentősége a bioenergia-növények körében is nagy figyelmet érdemel: nincs ismeretünk arról, hogy pl. a mérsékeltövi energianád fajok milyen BNI aktivitással jellemezhetők. Kijelenthető, hogy mind az asszociatív biológiai nitrogénkötés, mind pedig a biológiai nitrifikáció-gátlás kutatása és használata a hazai mezőgazdaság jövőképében - fájdalom - még nem kapott helyet.
A víz kérdése és a szennyezett talajok remediációja
A jövőben a víz stratégiai jelentőségét senki sem kérdőjelezheti meg. A növények vízhasznosítási hatásfokának tanulmányozása (Water Use Efficiency, WUE) az egyik elkerülhetetlen kutatási irány világszerte. A fő kérdés az, hogy kevesebb vízből hogyan lehet a jelenleginél több szénhidrátot és fehérjét elállítani, és/vagy több légköri széndioxidot a levegőből megkötni? A probléma a bioipari (non food crops - NFC) növények körében éppen úgy alapvető stratégiai kérdés, mind a FOC (food crops) és a FEC (feed crops) növényeknél. Kijelenthető, hogy a növényi biotechnológia, a botanika és a növényélettan összefonódása - a hagyományos és a molekuláris módszerek kombinálásával - új kutatási és fejlesztési perspektívákat teremt ezen a területen. A víz okszerű használata a hazai mezőgazdaság jövőképében napjainkban ismét központi helyet kapott (Popp et al., 2014). 2010. október 4-én a Nyugat-Magyarországon lévő timföldgyár iszaptároló gátja átszakadt és kb. 600-700.000 m3 toxikus vörös iszap árasztotta el a környező településeket. A katasztrófa következtében több ember meghalt, mások megsérültek, és házak lakhatatlanná váltak. A Nemzeti Katasztrófavédelmi Igazgatóság közleménye szerint az alumíniumgyártás során melléktermékként felhalmozódó vörös iszap nehézfémeket tartalmaz, mely az emberi szervezetbe jutva mérgező. Ez a finom textúrájú, erősen alkalikus kémhatású, vas-oxidban gazdag vörös iszap jelentősen megnövelheti a fémek kötődését és csökkentheti az oldott fém koncentrációt a nehézfémszennyezett talajokban, ezáltal csökkenti a növények számára a felvehetőséget. Laboratóriumi oszlop kimosódási vizsgálatok azt mutatták, hogy vörös iszap hozzáadással drasztikusan csökkenteni lehet a kifolyó szennyvizek nehézfém tartalmát súlyosan szennyezett bánya talajok és használaton kívüli meddő bányák esetében. Ugyanakkor a vörös iszap képes volt csökkenteni a növények nehézfém felvételét is. Két szennyezett talaj 2% vörös iszappal történő kiegészítése csökkentette a Cd, Zn, Cu, és Ni felvételét olajrepce, borsó, búza és saláta fajok esetében. Vörös iszap esetében a fő problémát a magas pH, só és nehézfém tartalom jelenti. Fiatal árpa növények hajtás tömegét 25%-kal csökkentette a normál talajhoz adott 5% vörös iszap kiegészítés. Ugyanakkor a vörös iszapon csökkent a retek magvak csírázása is a normál talajhoz viszonyítva. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a vörös iszappal szennyezett talajok kedvezőtlenek, illetve veszélyesek lehetnek ehető növények termesztésére. Mindezeket összevetve kísérleteket folytattunk szomatikus embriógenezissel előállított olasznád (Arundo donax L.), mint gazdaságilag nagy potenciállal rendelkező energianövénynek nehézfém, só és alkalikus pHtoleranciájának vizsgálatával és remediációs (helyreállító) képességének tanulmányozásával, vörös iszappal szennyezett talajmintákban (Alshaal, T. et al. 2013a, b). Elsősorban a biomassza produkcióját és elemfelvételét, valamint a talaj biokémiai paramétereit tanulmányoztuk. Tenyészedényes kísérletünkben tiszta vörös iszapot,
19
19
vörös iszappal szennyezett kolontári talajt, vörös iszap és normál kolontári talaj 1:1 arányú keverékét és normál kolontári talajt használtunk. Eredményeink azt mutatták, hogy az olasznád betakarítását követően a vörös iszap és a vörös iszappal szennyezett talajok elektromos vezetőképessége 37,1 illetve 4,1%-kal csökkent. Tiszta vörös iszap esetében a pH 1,0%-kal csökkent. A talajminták hozzáférhető Cd, Pb, Co, Ni és Fe koncentrációja szintén lecsökkent az olasznád ültetés után. Ugyanakkor a vörös iszapon nevelt növényekben jelentősen megemelkedett a Fe és Ni koncentráció, bár sehol sem érte el a toxikus szintet. A betakarított olasznád növények biomassza produkciójában nem tapasztaltuk a vörös iszap gátló hatását, sőt 40,4% és 47,2%-kal magasabb értékeket kaptunk a vörös iszapon és a vörös iszap: normál talaj keveréken, mint a tiszta kolontári talajon. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a biotechnológiai úton szaporított olasznád képes helyreállítani a vörös iszappal szennyezett talajt, ezzel együtt fejlődésüket nem befolyásolja negatívan ez a komplex abiotikus stresszhatás (Alshaal, T. et al. 2013a, b, Elhawat, N. et al. 2014).
A fehérje kérdés – zöld fehérjemalmok (Prote-O-Mill program)
A magyar, az európai és a világ mezőgazdaság, a hús-, zsír- és tejtermelés egyik legégetőbb kérdése az un. „fehérje probléma” megoldatlansága. A kérdést szinte mindenki ismeri, erről, vagy arról az oldalról. Azt ugyanakkor kevesen gondolják végig, hogy Magyarország továbbra is stratégiailag kiszolgáltatott a trópusok és az USA (transzgénikus) szójafehérje termelésének. Az állattenyésztés és az emberi fogyasztás számára termelhető növényi fehérjék kutatása szélesebb körű összefogást igényel, mint azt ma látjuk. A biotechnológia, a botanika és a növényélettan hagyományos és molekuláris módszerei segítségével új, a biofinomítók érdeklődésének középpontjában található perspektívák kínálkoznak. Ebben pl. a levélfehérje újszerű termelése és hasznosítása, továbbá az algák (molekuláris) nemesítése és újszerű termesztése kaphatnak kiemelkedő jelentőséget. A fehérje bázis biztosítása, és a fehérje biztonság a hazai mezőgazdaság jövőképében - az ígéretek szintjén - központi helyet kapott. Ezen a területen az első szabadalmakat 1926 és 1928 között a “biotechnológia” névadó apja, Ereky Károly gépészmérnök jegyezte be Magyarországon, Angliában, Németországban, Franciaországban és Kanadában (Ereky, 1926a, b, 1927, 1933, Ereky – Enesi Dorner, 1943). Ezt követően Angliában a legendás tudós, Norman W. Pirie Cambridge-ben végzett úttörő kutatásokat, a II. Világháború alatt és azt követő évtizedekben. Londonban a The Science Museumban az Ereky Károllyal folytatott levelezés is fennmaradt. A később “ZÖLD ATOM” kifejezéssel is illetett levélfehérje-koncentrátum (LPC) előállító technológia világszerte újból kutatásfejlesztés tárgyát képezte, különböző intenzitással. Magyarországon két 1970-1974 között két lucerna biofinomító üzem épült fel, a három szabadalommal is védett VEPEX technológia néven (Ács, és Tamási, Magyarország). Ez a technológia magába foglalta a barna léből tovább tenyésztett élesztő előállítását, Single-Cell-Protein néven. Az eljárás a később bekövetkezett olajválság miatti magas energiaárak miatt nem volt gazdaságos. A múlt század végén Franciaországban megvalósították a FRALUPRO projektet (1997-2000), amelynek szakmai részleteit, az eljárását részletesen nem ismerjük. További, azt LPC-technológiára vonatkozó újabb szabadalmakat, know-howkat ismerünk az USA-ban, Dániában és Ausztriában. Magyarországon a Tedej Rt. és a Debreceni Egyetem szabadalmaztatta a lucerna frakcionált betakarítási eljárást (2002), illetve kidolgozták egy lucernára alapozott új, folyamatos üzemű, költségtakarékos zöld préslé flokuláltatási és LPC gyártási technológiát (2002-2004). A magyar kísérleti berendezés teljesítménye 1 m3/óra préslé feldolgozása volt. Koncepciónk vázlata - fenti adottságokra építve - a következő. Részletesen fel kell kutatni, és elemzi azokat a biológiai, energetikai, technikai és ökonómiai szűk keresztmetszeteket, amelyek ismeretében a legkorszerűbb technológiákat integrálva képes egy széndioxid-semleges decentralizált fehérje zöld biofinomítót beilleszteni a mezőgazdasági üzemi környezetbe. Ez a modell szakítani képes azzal a korábbi vízióval, hogy zöld növényi biomasszán alapuló fehérje biofinomítókat
20
kizárólag nagyipari, esetenként giga-méretű dimenzióban lehet csak gazdaságosan megvalósítani. További áttörésként azt könyvelhetjük majd el, hogy a jelenlegi, egyéb, magas fehérjetartalmú hüvelyes magvas termények egyoldalúan favorizált európai álláspontja mellé felsorakoztatható a megújítható zöld növényi biomassza is, összhangban Ereky Károly korát megelőző víziójával. Ez különösen a klímaváltozásnak fokozottan kitett régiókban, országokban van jelentősége, mint pl. a Kárpát-medencében, ahol a szójatermesztés limitált felületű, (maximum 80-100 e ha), a száraz nyarakon az egyéb hüvelyes magvú fajok alacsony termésátlagot hoznak. A kutatások olyan új eredményeket generálhatnak, amelyeket Európa, és a világ más térségeiben is sikerrel lehet majd alkalmazni. Azt kell elérni, hogy alacsony beruházási költséggel, biomassza alapú környezetbarát és fenntartható technológiákkal nagy hozzáadott értékű terméket tudjon előállítani az általunk megálmodott decentralizált fehérje, a zöld biofinomító.
A széndioxid kérdés
Az un. „széndioxid probléma” megoldása az emberiség jövőjének egyik legnagyobb jelentőségű innovációja, igazi tudományos-technológiai kihívás. A mezőgazdasági növények (FOC, FEC és NFC fajok) termesztésnek további globális jelentősége az, hogy a növények képesek a légköri széndioxidot megkötni, részben a talajban, gyökerekben tárolni, részben pedig a föld feletti szervekben felhalmozni. A jövőben az un. élő „szénhidrátbankok” kutatása határozza meg a zöld kémia fejlesztésének fő irányát. Azok kerülnek majd technológiailag vezető pozícióba, akik képesek lesznek un. széndioxid-semleges, és/vagy széndioxid-negatív fajokat, fajtákat és technológiákat életre hívni. Kijelenthető, hogy a növényi biotechnológia, a botanika és a növényélettan összefonódása - a hagyományos és a molekuláris módszerek kombinálásával - új kutatási és fejlesztési perspektívákat teremt ezen a területen. A biológiai légköri széndioxid megkötés biofinomítókkal összefüggő kutatása és az okszerű széndioxid-barát technológiák elterjesztése a hazai mezőgazdaság jövőképében még nem kaptak központi helyet. Az előző pontokban említett témakörökön kívül, a szaporítóanyag hatékony előállítása és hazai genetikai forrás szélesítése területén további kutatásokat végzünk. A korábban említett biogenerációs növényfajok közül elsősorban évelő lágyszárú fajokkal, évelő rizómás fűfélékkel (kínai nád, olasznád) és az évelő félfás mályvaféléket (amerikai selyemmályva, Kitaibel mályva, stb.) végzünk kutatásokat. Az olasznád és az amerikai selyemmályva esetén kutató csoportunk sikeresen dolgoztunk ki hagyományos és in vitro szaporítási módszereket (Antal et al. 2012; Antal – Fári, 2013; Antal et al. 2014; Kurucz – Fári, 2013; Kurucz et al. 2014), amely megalapozhatja a növények ipari méretű előállítását és termesztését. A mérsékelt övi kontinentális éghajlaton (Magyarország számára is), a jövő biomassza növényeinek nemesítési célja a télállóság növelése. Magyarország alaptörvénye kimondja az ország GMO mentességét, ezért nincsen lehetőség télálló, transzgénikus vonalak előállítására. Ennek hiányában in vitro növényi kultúrák mutációs nemesítésének és hazai körülményekre adaptálódott télálló egyedek szelekciós nemesítésének alapjait fektetjük le (Antal et al, 2014, Kurucz et al, 2014).
Javaslat Országos Biomassza Kutatási-Fejlesztési Bizottság (OBKFB) létrehozása
A nagy felületen és nagy tömegben termelhető energetikai célra telepített növények közül Magyarországon eddig az első generációs biomassza növények ismertek, mint pl. az energiafű és a faültetvények. Magyarországon a közvetlen eltüzelést, biogáz-termelést és a kialakulóban lévő lignocellulóz alapú bioetanol ipart kiszolgáló, évelő energiaültetvények átgondolt tervezése a teljes input-output rendszerben (fenntarthatóság, nyersanyag-előállítás, előállítás logisztikája, feldolgozás, felhasználás infrastruktúrája, környezeti és egészségügyi vonatkozások, agroüzemanyagok keverési stratégiája) szükséges. Megfelelő támogatás esetén az un. bio generációs (cellulóz-farming)
21
21
biomassza növényfajok és fajták előállítása terén Magyarország a jövő biomassza-iparában nemzetközileg elismert szerepet játszhat. A jelenlegi adatok összegzése szerint a régi és új generációs biomassza növények összes felülete – falufűtési programok indításával együtt - 2020-2025-ig elérheti a 350-420 e ha felületet, melynek a fele, mintegy 165-210 e ha marginális területekre kerülhet, az un. „biomassza dilemma” vezető képviselői által is remélt, új generációs biomassza növények közelgő elterjedésének köszönhetően (Nemzeti Fejlesztési Minisztérium, 2012). Annak érdekében, hogy ezek a ma még nagy keretekben mozgó számok pontosan tervezhetők, és közgazdaságilag is maradéktalanul megalapozottak legyenek, az USA-ban 10 éve működő BRDR-hez hasonló felépítésű innovációs szervezet hazai életre hívása ajánlható. Felismerhető, hogy egy ilyen szervezet jelentősége a 2014-2020 közötti évek stratégiai tervezésének időszakában különösen nagy jelentőséget kap. Ez a koordináció a decentralizált közösségi (pl. önkormányzati körben) szinten is kiemelt nemzetstratégiai és vidékfejlesztési jelentőséggel bír, pl. a Darányi Ignác Terv keretében. Határozott politikai akarat és gyors döntés nélkül azonban egy ilyen szervezet - Magyarország jelenlegi széttagolt érdekrendszerében - nem fog létrejönni. Ez a szervezet hatékonyan megoldaná az egyes állami intézmények és a magánszektor között a biomassza-ipar 7 részterületére bontható koordinációs nehézségeket, mely napjainkban még szinte áttekinthetetlen, ezáltal alacsony költség-hatékonyságú. Az állandó megbízatással, önálló szervezeti-működési szabályzattal és állami feladatkörrel megszervezett „Országos Biomassza KutatásiFejlesztési Bizottság / Testület - OBKFB” Magyarország jövőbeli bio-üzemanyag iparának stratégiai irányító szerve, fóruma lenne, mely hatékonyan szolgálná az ország energiafüggés-csökkentés és GHG kibocsátás-csökkentés nemzeti ügyeit. Ezzel elkerülhető lenne a biomassza szektorra jellemző széttagoltság, integráció-hiány, párhuzamosság, dezinformáltság, stb. Az USA-ban kialakított modellhez, a BRDR-hez hasonló felépítésű és működtetésű szervezet életre hívása Magyarországon különösen gyümölcsöző lenne. Hatékonyan megoldaná az egyes állami intézmények és a magánszektor közötti biomassza-ipari koordinációs nehézségeket, amely napjainkban még szinte áttekinthetetlen. A múlt század nyolcvanas éveiben Magyarországon már működött egy intézményközi biomassza-ipari szakértői csoport, mely azonban újabb feladatok, és szervezeti keretek megteremtése nélkül később feloszlott. Egy ilyen új szervezet – akár a BRDB hét részlegénél is továbbképzett, nyelveket beszélő, nemzetközileg kompetens fiatal szakembergárdával – biztos siker lenne; alkotó módon szolgálnánk az önkormányzatok, a vidék, a decentralizált ipari felhasználók és az ország energiafüggés-csökkentésének és GHG kibocsájtás csökkentés nemzeti ügyét.
Köszönetnyílvánítás
A kutatásokat a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 számú projekt támogatta, mely az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. A szerzők ezúton fejezik ki köszönetüket az Ereky Károly Biotechnológiai Alapítványnak, a kutatásokban résztvevő valamennyi korábbi és jelenlegi munkatársuknak, Bradács Zsuzsának, Kaprinyák Tündének, Koroknai Juditnak, Kovács Ágnesnek, Szakadát Gyulának, Dr. Tarek Alshaalnak, Tóth Csabának, Nevien Elhawatnak, Dr. Hassan El Ramadynak és további szakmai közreműködőnek, Paluska Ferencnek, idősebb és fiatalabb Kertész Tamásnak áldozatos munkájukért. A szerzők ezúton köszönik meg az USA-ban élő Prof. Márton László, Dr. Czakó Mihály kutatóknak 2004. szeptember és 2013. május vége között nyújtott szakmai segítségüket, továbbá Dr. Tóth Endrének és Szarvas Pálnak a korábbi építő együttműködésüket.
Felhasznált szakirodalom
22
Alshaal, T., Domokos-Szabolcsy É., Márton L., Czakó M., Kátai J., Balogh P., Elhawat, N., El-Ramady, H., Gerőcs A., Fári M. (2013a): Restoring Soil Ecosystems and Biomass Production of Arundo donax L. under Microbial Communities-Depleted Soil. Bioenergy Research, 7(1): 268-278 p. (IF: 3,398). Alshaal, T., Domokos-Szabolcsy É., Márton L., Czakó M., Kátai J., Balogh P., Elhawat, N., El-Ramady, H., Fári M.G. (2013b): Phytoremediation of bauxite-derived red mud by giant reed. Environmental Chemistry Letters, 11 (3): 295-302 p. (IF: 1,906). Antal G., Kurucz E., Fári M. G., Popp J. (2014): Tissue culture and agamic propagation of winter-frost tolerant ‘Longicaulis’ Arundo donax L. Environmental Engineering and Management Journal (in press). Antal, G., Fári, M. G. (2013). Spontaneous viviparia and nodal shoot formation after winter season in giant reed (Arundo donax L.), “Plants for the future” Conference, Plant biotechnology for the future of agriculture in the Central European region conference, 30th September - 2nd October, Cluj-Napoca, Romania, pp. 37-38. Antal, G., Kurucz, E., Fári, M.G. (2014). Utilization of marginal lands with biomass plants: researching biotechnological, ecological and economic aspects. The 11th International Conference of ESSS, Climate Changes and Sustainable Development of Natural Resources, 4-7th May, 2014, Cairo, Egypt. pp. 83-84. Conway, G., (2012): One Billion Hungry: Can We Feed the World?, Comstock Pub. Associates, 456 p. Elhawat N., Alshaal T., Domokos-Szabolcsy É., El-Ramady H., Márton L., Czakó M., Kátai J., Balogh P., Sztrik A., Molnár M., Popp J., Fári M. G. (2014): Phytoaccumulation potentials of two biotechnologically propagated ecotypes of Arundo donax in copper-contaminated synthetic wastewater, Environmental Science and Pollution Research 21 (12):7773-7780. doi: 10.1007/s11356-014-2736-8 (IF: 2.757). Ereky K. (1926a): Eljárás zöldnövény-pép előállítására és konzerválására. Lajstromszám: 92680 Magyar szabadalom. Magyar Királyi Szabadalmi Bíróság, Régi magyar osztályozás. IV/e. 1926. 05. 07. Ereky K. (1926b): Process for the manufacture and for the preservation of green fodder pulp or other plant pulp and dry product made thereform. Br. Patent, No. 270, 629. Ereky K. (1927): Gép főleg zöldnövénypép előállítására. E03869 számú Magyar szabadalom. Magyar Királyi Szabadalmi Bíróság, Régi magyar osztályozás: IV/e. Lajstromszám: 95006, 1927. 06. 08. Ereky K. (1933): Gép főleg zöldnövénypép előállítására. E04602 számú Magyar szabadalom. Pótszabadalom a 95006 számú törzsszabadalomhoz. Magyar Királyi Szabadalmi Bíróság, Régi magyar osztályozás: IV/e. Lajstromszám: 110347, 1933. 03. 23. Ereky K., Enesei Dorner B. (1943): Eljárás vitamindús készítmények előállítására, növényi anyagok, különösen a fűszerpaprika vitamintartalmának és fűszerező értékének megóvásával. E05880 számú Magyar szabadalom. Magyar Szabadalmi Bíróság, Régi magyar osztályozás: IV/e. Lajstromszám: 134877. 1943. 02. 03. Erika Kurucz, É. Domokos-Szabolcsy, G. Antal, T. Kaprinyák, T. Alshaal, N. Elhawat, N. Abd Alla, H. ElRamady, M. G. Fári (2014): Biotechnology assisted breeding of endangered Virginia Mallow (Sida hermaphrodita L.) in Central Europe. 11th International Conference of Egyptian Soil Science Society, 4-7 May 2014, Kafrelsheikh, Egypt., pp. 81-82. Kurucz E., Antal G., Fári M. G., Popp J. (2014): Cost-effective mass propagation of Virginia Fanpetals (Sida hermaphrodita L. Rusby) from seeds. Environmental Engineering and Management Journal (in press). Kurucz E., Fári M.G. (2013). Improvement of germination capacity of Sida hermaphrodita (L.) Rusby by seed priming techniques. International Review of Applied Sciences and Engineering, Vol. 4(2), pp. 137-142.
23
23
Márton L. – Fári M. (2011): A GM technika lehetséges szerepe a jövő biomassza-növényeinek előállításában, szaporításában és feldolgozásában. In: Genetikailag módosított előlények (GMO-k) a tények tükrében. Magyar Fehér Könyv. BALÁZS E., DUDITS D., SÁGI L., Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesület, Dudits Dénes, Szeged, pp. 66-71. Nannipieri, P. (2001): Johanna Döbereiner. Biology and Fertility of Soils, 33 (1): 2. Nemzeti Fejlesztési Minisztérium (2012): Nemzeti energiastratégia 2030, Magyarország Popp, J., Lakner, Z., Harani-Rákos, M., Fári M.G. (2014): The effect of bioenergy expansion: Food, energy, and environment, Renewable and Sustainable Energy Reviews 32: pp. 559-578. (IF: 5.510). Subbarao, G. V., Nakahara, K. , Hurtado, M. P., Ono, H., D. E. Moreta, A. F. Salcedo, A. T. Yoshihashia, T. Ishikawaa, M. Ishitanib, M. Ohnishi-Kameyamac, M. Yoshidac, M. Rondonb,d, I. M. Raob, C. E. Lascanob,e, W. L. Berryf and O. Itoa. (2009): Evidence for biological nitrification inhibition in Brachiaria pastures, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106 (41): 17302–17307 p. Subbarao, G.V. (2009): Biological nitrification inhibition by Brachiaria humidicola roots varies with soil type and inhibits nitrifying bacteria, but not other major soil microorganisms, Soil Science and Plant Nutrition, 55: 725733 p. Subbarao, G.V., Ishikawa T., Ito O., Nakahara K., Wang H. Y., Berry W. L. (2006): A bioluminescence assay to detect nitrification inhibitors released from plant roots: a case study with Brachiaria humidicola, Plant and Soil, 288: 101-112 p. Subbarao, G.V., Sahrawat, K. L., Nakahara, K., Ishikawa, T., Kudo, N., Kishii, M., Rao, I.M., Hash, C.T., George, T.S., Srinivasa, R. P., Nardi, P., Bonnett, D., Berry, W., Suenaga, K., Lata, J.C. (2012): Biological nitrification inhibition (BNI) – A novel strategy to regulate nitrification in agricultural systems. Advances in Agronomy, 114: 249–302 p. Subbarao, G.V., Wang H. Y., Ito O., Nakahara K., Berry ., W. L.(2007): NH4+ triggers the synthesis and release of biological nitrification inhibition compounds in Brachiaria humidicola roots, Plant and Soil, 290: 245-257 p.
24
