Chemia dla rolnictwa i likwidacji głodu. Pierwsza część nowego cyklu: “Nauki Rolnicze XXI wieku”

Rozpoczynamy serię artykułów popularnonaukowych z cyklu: „Nauki rolnicze XXI wieku”. Nowy cykl ma na celu przybliżenie problemów, z jakimi mierzy się współczesne rolnictwo oraz jakie kroki podejmuje, by sprostać nowym wyzwaniom. Zapraszamy do śledzenia cotygodniowych artykułów przygotowanych przez naukowców z Wydziału Agrobioinżynierii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie. Poniżej: kilka słów wstępu od Dziekan wydziału – prof. dr hab. Barbary Kołodziej oraz pierwszą część cyklu.

Chemia dla rolnictwa i likwidacji głodu

Wszystko zaczęło się od Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa, który poukładał pierwiastki według ich właściwości fizycznych i chemicznych. Tak uporządkowana chemia pierwiastków stała się inspiracją dla naukowców z różnych dziedzin, w tym w dziedzinie chemii rolnej. Nauka ta jest „sprzymierzeńcem w walce z głodem jawnym i ukrytym”.  Bowiem zdrowa, zasobna gleba oraz odpowiednie nawożenie, to przepis na zdrową roślinność i zrównoważoną żywność, gwarantującą zdrowie człowieka.

Chemia to nauka o pierwiastkach i związkach chemicznych. Chemia żywi, leczy, ubiera oraz zabija, a zależy to od: „dawki, czasu i miejsca zastosowania substancji chemicznych”.  Ze względu na swój interdyscyplinarny charakter, chemia jako nauka, znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach działalności człowieka, m.in. w badaniach i rozwoju szeroko rozumianego rolnictwa, w tym ważnej nauki zwanej wcześniej chemią rolniczą, a dziś chemią rolną. Chemia rolna ma ogromne zasługi w kształtowaniu jakości i wielkości plonów roślin, które wpływają na cały łańcuch troficzny, żyjący w środowisku przyrodniczym. Nauka ta obejmuje trzy działy, wzajemnie ze sobą powiązane, a mianowicie: i) chemiczne podstawy żywienia roślin, ii) chemiczne podstawy żyzności gleby, iii) chemię nawozów mineralnych i organicznych.

Nieocenione zasługi w rozwoju chemii rolnej i teorii odżywiania się roślin, miał Justus van Liebig, który w 1840 roku sformułował tzw. prawo minimum: „w wyniku niedoboru lub braku jednego koniecznego składnika mineralnego, nawet przy obecności wszystkich pozostałych, gleba staje się jałowa dla wszystkich roślin, dla których ten jeden składnik jest niezbędny” (patrz rys. 1).

Rys.1. Prawo minimum Liebiga

Teoria mineralnego żywienia roślin przyczyniła się w decydującym stopniu, zarówno do rozwoju badań w zakresie chemicznych podstaw żyzności gleb, jak i do postępu w chemii nawozów. Nawozy mineralne wraz z nawozami organicznymi, są podstawowym czynnikiem plonotwórczym i spełniają zasadniczą rolę w zwiększaniu produkcji roślinnej dla zwiększającej się ciągle populacji ludzkiej na świecie.

Z całej tablicy pierwiastków Mendelejewa tylko kilkanaście jest niezbędnych dla wzrostu i rozwoju roślin (patrz poniższy rys. 2). Regulują to trzy kryteria niezbędności, a mianowicie: i) bez tych pierwiastków roślina nie zdołałaby przejść przez cały cykl wegetatywny i generatywny, ii) pierwiastki te pełnią specyficzną rolę w roślinach, tzn. nie mogą być zastąpione żadnymi innymi pierwiastkami, iii) pierwiastki te oddziałują bezpośrednio na wzrost i rozwój roślin, a nie tylko pośrednio, poprzez poprawę właściwości gleby.

                                                    gleba                                             nawozy

Rys. 2. Hierarchia składników w żywieniu roślin uprawnych – schemat (wg J. Potarzyckiego 2012)

„Trio chemiczne – NPK”, znajdujące się u podstawy przedstawionej hierarchii, zapewnia stabilność układu żywieniowego dla roślin. Składniki drugoplanowe, mikroelementy i składniki korzystne, działają tylko wtedy, jeśli zapewnimy roślinom solidną podstawę, i to w odpowiednich proporcjach. Tymczasem gleby polskie, to syndrom „nieodpowiednio zaopatrzonej lodówki”, z której rośliny „wyciągają” co roku składniki pokarmowe, i którą trzeba co roku uzupełniać oraz ciągle monitorować. Idąc dalej tym tropem, możemy sparafrazować prawo minimum Liebiga i powiedzieć, że składniki w minimum decydują nie tylko o wielkości i jakości plonów roślinnych oraz ich surowców, ale także o zdrowiu, niedożywieniu, czy wręcz głodzie dalszych ogniw łańcucha troficznego. Ostatnim ogniwem tego łańcucha jest człowiek.

„Silent hunger – cichy głód” … FAO (2010) opisuje jakościowe niedożywienie za pomocą terminu “cichy głód”, a Ziegler (2013) woli nazywać go “niewidzialnym głodem”, ponieważ nie jest łatwo go wykryć na pierwszy rzut oka przez osobę świecką i lekarza. „Silent hunger” to przede wszystkim niedobory żelaza, jodu, cynku i innych minerałów, a także witaminy A w organizmie człowieka. Liczy się zatem nie tylko ilość, ale także jakość spożywanych produktów. Dodatkowo ważna jest zarówno jakość zdrowotna żywności (brak substancji szkodliwych i zanieczyszczań), jak i jej wartość odżywcza (zawartości w niej niezbędnych dla organizmu składników, w ich wzajemnych proporcjach i biodostępności). Obydwa te parametry są ze sobą powiązane, gdyż z jednej strony, nieodpowiednia podaż składników odżywczych zwiększa wrażliwość organizmu na substancje szkodliwe i patogeny, z drugiej zaś strony, ostre i przewlekle zatrucia, związane z nieodpowiednią jakością spożywanych produktów, pogarszają wykorzystanie składników odżywczych i prowadzą do niedożywienia. Dlatego w nowej piramidzie żywieniowej Polaków uwzględniono większy udział warzyw i owoców, jako źródło składników mineralnych i witamin w diecie oraz wprowadzono orzechy jako przekąski i przyprawy, które są bogate w biopierwiastki, konieczne do prawidłowego, zdrowego funkcjonowania organizmu człowieka.

Spójrzmy zatem łaskawszym okiem na dwie nauki ze sobą powiązane: chemia w służbie chemii rolnej, dla rolnictwa, dla bezpieczeństwa żywnościowego i dla zdrowotności społeczeństwa. Pan D. I. Mendelejew byłby usatysfakcjonowany.

Tekst: Prof. dr hab. Aleksandra Badora
Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej
Wydział Agrobioinżynierii

Źródła:

Badora A., Kud K. i in. 2020. Nowe style konsumpcji. Wyd. Difin, Warszawa, 144 strony.

Dróżdż -Afelt J.M., Koim-Puchowska B., Menka A. 2019. Wybrane pierwiastki śladowe w organizmie człowieka. Kosmos vol. 68, 3; 503-512.

Emsley J. 1997. Chemia – przewodnik po pierwiastkach. Wyd. PWN, Warszawa, 254 strony.

Fotyma M. 2010. Chemia zażegnała widmo głodu na świecie. Żywność – Nawozy. CHEMIK, 64, 7-8, 499-510.

Karas. M. 2020. Z historii odkrycia pierwiastków ziem rzadkich. Kwartalnik Historii Nauki i Techniki, T. 65, nr 4; s. 101–121.

Ostrowska A. 2005. Interpretacja wyników składu mineralnego roślin. Postępy Nauk Rolniczych, 4; 119-131.

Potarzycki J. 2012. Stosowanie nawozów z Lubonia – od teorii do praktyki. Wyd. PWRiL. ISBN978-83-09-01138-5; 100 stron.

Puchała Cz. 2013, Zielona chemia i możliwości wykorzystania jej zasad. CHEMISTRY, ENVIRONMENT, BIOTECHNOLOGY, XVI, 7-15.

Ziegler J. 2013. Geopolityka głodu. Wyd. Instytut Wydawniczy Książka i Prasa, Warszawa, 370 stron.