DEnzero 2014/4. Debrecen január december 31.

Átírás

1 Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP A-11/1/KONV DEnzero 2014/4. Debrecen január december 31. Cellulóz Farming Munkacsoport

2 Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP A-11/1/KONV A HAZAI BIOMASSZA ELLÁTÓ LÁNC ÚJ ALTERNATÍVÁI ÉVELŐ LÁGYSZÁRÚ SZÁNTÓFÖLDI NÖVÉNYEKKEL Cellulóz Farming munkacsoport célkitűzései Kutatási projekt fő célja, hogy a hazai szántóföldi biomassza előállítási programok keretében, egy új alternatívát kínáljunk az évelő, lágyszárú energia és/ vagy biomassza növények körében. Elsősorban hazai klímát jól tűrő, kertjeinkben már adaptálódott Arundó (Arundo donax L. olasz nád) ökotípusokkal és egyéb Malvaceae-fajokkal, pl.: Sida sp. (Sida hermafrodita - amerikai selyemmályva) végzünk biológiai, genetikai és biotechnológiai kutatásokat. A felsorolt, marginális területeken termeszthető, bioipari feldolgozásra alkalmas, speciális cellulóz-összetételű, évelő, lágyszárú energianövények ideális kiszolgálói, illetve kiegészítői lehetnek a hazai megújítható energiabázisnak. Hazai cellulóz farming genetikai potenciál szélesítésével kapcsolatos kutatások eredményei A mérsékelt kontinentális klímájú térségekben az olasznád jövőbeli nemesítésének egyik legfontosabb gyakorlati célja a télállóság növelése, így Magyarország számára is. Az Alaptörvény kimondja az ország GMOmentességét, ezért nincs lehetőség, ún. transzgénikus olasznád fajták előállítására sem. Ennek hiányában két módszertani lehetőség áll előttünk. Az egyik elképzelés szerint az un. hideg-toleráns olasznád fajtákat in vitro (steril tenyészetekben történő) mutáns-szelektálással lehetne előállítani. A másik lehetőség, a térségünkben adaptálódott, télállóbbnak tekinthető egyedek ökotípus szelekciója. A Balaton környéki utak, vasútvonalak mentén, kertekben, közterületeken végzett helyszíni bejárások során megfigyeltük, hogy az előző évi szárak rügyei nem fagytak vissza a tél folyamán, hanem 2013-ban újra kihajtottak. Az oldalhajtás fejlesztésről, eddig csak a mediterrán és a szubtrópusi, trópusi országokban volt tudomásunk. A védett helyen áttelelt, olasznád másodéves oldalhajtásainak alvó és hónaljrügyeiből készített egyrügyes dugványok és a tőosztással begyűjtött anyagnövények nemesítési és szaporítási alapanyagként szolgálnak a kutatásaink során. Kovács Zoltán, elhunyt dísznövény nemesítő által begyűjtött és más helyről származó magok keverékéből, 2010-ben a Debreceni Egyetem, Biomassza Bemutató Kertjében kísérleti sida állományt telepítettünk. Az összesen 180 db tőből álló ültetvény lehetőséget nyújt a szaporítóanyag beszerzéséhez és nemesítéséhez. A vadnövény termesztett állományából hagyományos nemesítési módszerekkel, új fajtákat lehet előállítani. A telepített állományban különböző szárszín változatokat és eltérő színű portokokat figyeltünk meg, amely tövek vegetatív szaporításával megtartották tulajdonságaikat. Egy másik jelentős nemesítési program lehet a sida fajok poliploidizálása. A szelektált és előállított poliploid sida vonalak genetikai és fiziológiai vizsgálatát folyamatosan végezzük.

3 DEnzero TÁMOP A-11/1/KONV A szaporító anyag hatékonyabb előállításával kapcsolatos kutatások eredményei Az olasznád szélesebb körű elterjedését, ipari termesztését és feldolgozását napjainkig három fő körülmény akadályozza meg. Az egyik tényező az olcsó, programozható és garantált tömegszaporítási módszerek hiánya, a másik körülmény a generatív ciklus hiányára visszavezethető korlátozott nemesítési lehetőség, a harmadik tényező az ipari léptékű termesztési tapasztalat hiánya és/vagy nem kielégítő volta. A legújabb kutatások ismeretében úgy tűnik, hogy nemzetközi kooperációk keretében jó esély van mindhárom korlátozó nehézség megoldására. A készített dugványok meggyökereztetésével, a hagyományos, szárdugványozási folyamat révén további dugványokat és szaporítóanyagot hoztunk létre. Különböző fertőtlenítési eljárások kidolgozásával sikerült steril hajtástenyészeteket létrehozni, amely az arundó in vitro szaporításához szolgált alapanyagként. (1. ábra) 1. ábra: Télállónak tekinthető anyatövek begyűjtése, kiindulási alapanyagok és szaporítása A kísérleteink során megállapítható, hogy a zölddugványozás a nyári időpontban, az in vitro tenyészetindítás, pedig az ősz végi időpontban volt nagyobb hatékonyságú volt. A tenyészetindításhoz a talajtól leginkább távolabb eső, minél vékonyabb oldalhajtások voltak az optimálisak. Az in vitro szárdugványozással a vizsgált anyatő második éves, áttelelt alvó és oldalrügyeiből potenciálisan db hajtás nyerhető, további zölddugványozással akár palánta állítható elő. Összességében 1 db in vitro hajtásból, hónapos nevelés alatt, db hajtás állítható elő az 2. ábrán látható in vitro szár- és zölddugványozással.

4 Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP A-11/1/KONV ábra: Arundó szaporítási lehetőségei a hagyományos és in vitro szárdugványozás útján A hatékony szaporítóanyag előállítás másik lehetősége a kalluszok indukálásával történő, in vitro szaporítás (2. ábra). A kalluszok folyamatosan, hosszú ideig fenntarthatóak, így a palántákat folyamatosan, akár egész évben elő lehet állítani. Sida esetében a magok, az arundó esetében a kalluszok kiváló alapanyagként szolgálnak a mutációs nemesítéshez, az elindított kutatásokat az MTA Atommagkutató Intézetben (Debrecen) és a Nemzetközi Atomenergiaügynökségnél (International Atomic Energy Agency, Ausztria, Bécs) végezzük. Magbiológiai és növény-egészségügyi kutatások eredményei A vad növényekhez hasonlóan, a Sida magok csírázási százaléka igen alacsony, elhúzódó, és évjáratoktól függő. A negyven éve Lengyelországban, Ukrajnában és az USAban megkezdett magbiológia kutatások eddig nem vezettek elfogadható gyakorlati eredményre. Sida magbiológiai kutatásaink a magok csírázási százalékának javítására és a magok belső fertőzéseinek molekuláris útón történő azonosítására irányulnak. A magok begyűjtése és tisztítása után, desztillált vízben tömegük alapján frakcionáljuk. A léha (csiraképtelen) magok kiszelektálása után, a forró vizes hőkezelést követően, évjárattól és szedési időponttól függően, a kezelt magok csírázása akár 80%-os is lehet (3. ábra). A kidolgozott eljárásnak köszönhetően a magok kelési százaléka megnőtt, azonban a begyűjtött magok % a frakcionálással kidobásra kerül.

5 DEnzero TÁMOP A-11/1/KONV ábra: Sida magok frakcionálása és hőkezelése (balra), a különböző hőmérsékleten hőkezelt magok csíráztatása szűrőpapíron (középen), életképes sida csíranövény a földben (jobbra) Új palántanevelési technológiák eredményei Sida termesztéséhez a szakirodalomban jelenleg a szántóföldi gépekkel végzett vetés ajánlott, hektáronként db vetőmag szükséglettel. Továbbá problémát jelent, hogy a magok csak korlátozott mértékben állnak rendelkezésre, illetve a telepítés költsége a magok alacsony csírázási százaléka miatt igen drága. Kutatócsoportunk különböző munkaerő és költséghatékony sida palántanevelési technológiák kutatását végzi. Az ültetési időpont és a növénynevelő közeg (tálcás és szántóföldi) függvényében különböző palántanevelési technológiák gazdaságosságát is vizsgáljuk (4.-5. ábra). 4. ábra: Sida palántanevelési technológiák, balra tálcás palánták, jobbra ultra sűrű telepítésű, Dajka-tálcás módszerrel előállított szabadföldi palánták

6 Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP A-11/1/KONV ábra: Második éves sida palánták teleltetés után, nagylégterű fóliasátorban (balra), teleltetett tápkockás sida palánta kihajtása (középen), szántóföldön, dajkatálcás módszerrel szaporított, takarás nélkül áttelelt és kihajtott sida palánta (jobbra) Telepített kísérleti állományok jellemzése, az új eredmények bemutatása Az ipari léptékű, magyarországi termesztés megalapozásához nem elégséges a külföldi tapasztalatok összegyűjtése és adaptálása, hazai környezetben folyó kísérletekre alapozó tapasztalatokra van szükséges. A hazai üzemi arundó és sida termesztést megalapozó termesztéstechnológiai elemek vizsgálatával több éve foglalkozunk. A program keretében vizsgáltuk a szaporítóanyag minőségének (mag és a palánta típusa, fejlettsége, előállítási módja) és az ültetési időpontnak a hatását az ültetvény első és későbbi éves biomassza hozamára. Ennek keretében 2013 augusztusában és március végén különböző fejlettségű, arundó és sida palántákat telepítettünk a Debreceni Egyetem, Biomassza Bemutató Kertben (6. ábra). A sida esetében a hazai szakirodalomban ajánlott szántóföldi magvetés körülményeinek a kutatását is végezzük, kezelt és nem kezelt magok esetében. A kiültetett állomány morfológiai tulajdonságait és fejlődésüket folyamatosan nyomon követjük. A korábbi évek tapasztalatai alapján elmondható, hogy az egyik legnagyobb problémát az ültetvény záródásáig a gyomok jelentenek, ezért az idei évben a hagyományos (pree- és posztemergens) gyomirtási módszerek mellett, költség és környezetkímélő technológiák kutatását és fejlesztését is végezzük a telepített állományokban.

7 DEnzero TÁMOP A-11/1/KONV ábra: augusztusi (balra) és március végi (jobbra) telepített arundó és sida állományok a Debreceni Egyetem, Biomassza Bemutató Kertben A projekt ideje alatt eddig megjelent legfontosabb publikációk T. Alshaal, É. Domokos-Szabolcsy, L. Márton, M. Czakó, J. Kátai, P. Balogh, N. Elhawat, H. El-Ramady, A. Gerőcs, M. G. Fári (2013): Restoring Soil Ecosystems and Biomass Production of Arundo donax L. under Microbial Communities-Depleted Soil, BioEnergy Research, 11: (IF: 4.250) T. Alshaal, É. Domokos-Szabolcsy, L. Márton, M. Czakó, J. Kátai, P. Balogh, N. Elhawat, H. El-Ramady, M. G. Fári (2014): Phytoremediation of bauxite-derived red mud by giant reed, Environmental Chemistry Letters, 7: (IF: 1.623) E. Kurucz, M. G. Fári (2013): Improvement of germination capacity of Sida hermaphrodita (L.) Rusby by seed priming techniques, International Review of Applied Sciences and Engineering 2, M.G. Fári, G. Antal, T. Alshaal, N. Elhawat, H. El Ramady, E. Kurucz, and É. Domokos-Szabolcsy (2013): Biotechnology of biomass supply chain: Central European perspective, 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, Fári M.G., Márton L. (2013): In vitro szomatikus növénybiotechnológiai módszerek a biofinomítók, a bioenergia és a bioüzemanyagok korában, XIX. Növénynemesítési Tudományos Napok, Március 7, Keszthely, Magyarország, 61.

8 Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP A-11/1/KONV Cellulóz Farming Munkacsoport tagjai Prof. Dr. Fári Miklós Gábor Antal Gabriella Kurucz Erika Elhawat Nevien Adel