Італійські вчені вивчили переваги невибагливого топінамбуру. Виявляється, це просто незамінна культура для виробництва відновлюваної енергії.
У своїй науковій роботі команда італійських вчених факультету сільськогосподарських та лісових наук (DAFNE), Університет Тушія, розповідає, чим такий гарний і важливий топінамбур.
Останнім часом біопаливо стало стратегічним спрямуванням для скорочення викидів від транспортних засобів. Але водночас виробництво біопалива все частіше згадується у контексті його негативних наслідків, оскільки основні культури для цих цілей, такі як, скажімо, ріпак, пшениця чи соєві боби, потребують високоінтенсивних агропрактик та родючих ґрунтів, зазначають автори. (Біопаливо - це джерела енергії на основі вуглецю, отримані з біологічного матеріалу).
У той час як Комісія ЄС нещодавно класифікувала біопаливо як продукт з низьким рівнем непрямої зміни в землекористуванні, що отримується з культур, вирощених на маргінальних землях з малим залученням ресурсів.
З цієї причини лише небагато культур у Європі можуть досягти високих урожаїв при зазначених вимогах.
Топінамбур - це корми для сільгосптварин, біопаливо і навіть фруктове пиво.
З цього погляду топінамбур (Helianthus tuberosusL.), безумовно, є видом, що заслуговує на увагу, оскільки він має всі атрибути, необхідні для досягнення цілей оновленої Директиви ЄС з відновлюваних джерел енергії (RED II).
Топінамбур широко адаптований до різноманітного і часто маловрожайного для інших культур середовища, має високу пристосовність.
Це багатоцільова культура, яка використовується для споживання людиною в їжу (безпосередньо в бульбах або для отримання підсолоджувачів), для фармацевтичних цілей, для виробництва біомаси та біоенергії (біоетанол і біогаз).
Крім того, аналогічно іншим рослинам Айстрові, Таким як цикорій і сафлора, топінамбур має потенціал як кормової культури.
Цікаво, що завдяки інноваціям у пивоварній промисловості, бульби використовуються для виробництва солодкого та фруктового пива.
Стебла та бульби топінамбуру відрізняються високим вмістом інуліну з потенціалом для виробництва етанолу для використання як біопаливо.
Зокрема, органічні сполуки (такі як інулін та целюлоза) та цукру обробляються для отримання етанолу шляхом ферментації та дистиляції.
За останні 20 років було проведено значну роботу з поліпшення перетворення біомаси на паливо. Тим не менш, біопаливо першого покоління (біоетанол і біодизель, отримані з харчових культур) видобувається лише з кількох культур з різною ефективністю перетворення сонячної радіації на хімічну енергію (біомасу).
Зокрема, біопаливною сировиною є переважно ріпак, олійні пальми та соєві боби — для біодизеля; і цукрова тростина, кукурудза, цукрові буряки та солодке сорго для біоетанолу.
Крім того, не вся біомаса є придатною для збору (тобто біомаса рослинного покриву під землею зазвичай залишається у ґрунті), таким чином чисте вловлювання вуглецю знижується, а неефективність переробки зростає.
З цих причин види рослин для систем виробництва біопалива наступного покоління, як очікується, подолають деякі з цих обмежень, особливо якщо вони мають урожайну підземну біомасу (тобто коріння чи бульби).
Крім того, оскільки інтенсивне сільськогосподарське землекористування вже запроваджено у більшості регіонів світу, біоенергетичні культури мають бути екологічно стійкими, щоб уникнути додаткового навантаження на біорізноманіття сільського господарства, ґрунт та водні ресурси.
Вчені шукають біоенергетичні культури майбутнього
Дослідження ведуться у напрямі систем виробництва енергії з біопалива нового покоління з меншим впливом на навколишнє середовище, більшою продуктивністю та більшою віддачею від інвестицій, а також з урахуванням зниження конкуренції за використання землі з харчовими та кормовими культурами.
Лігноцелюлозна біомаса з виділених біоенергетичних культур та сільськогосподарських відходів вважається стійким ресурсом для виробництва біоенергії, але гідроліз з використанням целюлолітичних ферментів є більш трудомістким та дорогим методом, ніж використання біомаси на основі крохмалю або патоки.
У цьому відношенні серед найбільш привабливих біопаливних систем наступного покоління цікаві водорості та топінамбур, що виробляє бульбу, який також можна вирощувати та збирати з використанням існуючої інфраструктури та механізмів, що використовуються для аналогічних культур (бульбоплідних рослин).
Чому топінамбур справді потрібен Європі
Характеристики, які роблять топінамбур гідною енергетичною культурою, включають: швидке зростання, високий вміст вуглеводів, відповідну загальну кількість сухої речовини на одиницю площі, здатність використовувати багаті поживними речовинами стічні води, стійкість до патогенів/толерантність, здатність легко зростати з мінімальними зовнішніми витратами виробництва на маргінальних землях.
Цей останній аспект обіцяє стати ключовим для майбутнього біопалива у Європі.
Як передбачено переглянутою Директивою щодо відновлюваних джерел енергії (RED), прийнятою Європейським парламентом та Радою (Директива 2018/2001), Комісія ЄС нещодавно ухвалила делегований акт, який встановлює критерії як для визначення важливих непрямих змін у землекористуванні.
ILUC – небезпечна сировина, для якої спостерігається значне непряме розширення виробничих площ на землях з високовуглецевими запасами, та сертифікація біопалива з низьким ризиком ILUC, біорідин та палива з біомаси.
Сертифікація може бути надана, якщо паливо відповідає наступним кумулятивним критеріям:
(i) відповідність критеріям стійкості, що передбачає, що сировину можна вирощувати тільки на землях, що не використовуються, не багатих запасами вуглецю;
(ii) використання додаткової сировини в результаті заходів щодо підвищення продуктивності на землях, що вже використовуються, або вирощування сільськогосподарських культур на площах, які раніше не використовувалися для обробітку сільськогосподарських культур (невикористовувані землі), за умови, що земля була закинута або сильно деградувала, або врожай був вирощений дрібним фермером;
(iii) переконливі докази того, що два попередні критерії виконані.
Очевидно, що відповідно до вимог Директиви, така додаткова сировина повинна відповідати вимогам для виробництва палива з низьким рівнем ризику, лише якщо вона отримана стійким чином.
З цієї причини топінамбур – багатообіцяючий кандидат, який легко зможе замінити такі культури, як кукурудза та цукрові буряки.
Біомаса для біопалива, що стрімко зростає
Кінетика зростання частин рослини свідчить про його здатність виробляти оптимальний врожай у Європі.
Від двох третин до трьох чвертей сухої речовини повітря представлено стеблами та гілками, у той час як листя та квіти містять нижчий відсоток. Пропорція розподілу сухої ваги залежить від багатьох факторів: сорту, часу посадки, кліматичних умов і умов зростання.
Понад 50% від загальної маси рослин знаходиться у стеблі.
Існує дві фази зростання стебла. Протягом перших п'яти місяців спостерігається лінійне збільшення висоти та ваги стебла. Після цього періоду висота стебла досягає свого максимуму і залишається незмінною, а його вага зменшується.
Максимальне зростання та вага рослини змінюються залежно від умов навколишнього середовища та генотипу. У ранніх сортів кінцева висота сягає 140 див, тоді як в пізніх сортів кінцева висота становить близько 280 див.
Отже, наприкінці вегетаційного періоду кількість сухої речовини в стеблах пізніх сортів була приблизно вдвічі більшою, ніж у ранніх сортах. Таким чином, загальна біомаса сортів пізнього дозрівання вище, ніж сортів раннього дозрівання. Моделювання показало, що у пізніх сортів більш тривале збереження оптимальної площі листя дозволяє краще засвоювати суху речовину.
Безпроблемний топінамбур
Завдяки своїй стійкості до посухи та засолення, топінамбур можна культивувати в ґрунтах, непридатних для інших коренеплодів та бульбоплодів. Він добре росте у ґрунтах з рН від 4,4 до 8,6.
Якщо важкі глинисті і гідроморфні ґрунти можуть утруднити збирання бульб, топінамбур можна культивувати для отримання стебел.
У цілому нині, врожайність, розмір і форма бульб залежить від типу грунту. У той час як легковажні суглинні ґрунти дають великі бульби, важкі ґрунти забезпечують хорошу врожайність у посуху, завдяки кращим вологоутримуючим властивостям глинистих ґрунтів.
Щодо температури вирощування, то для більшості різновидів топінамбуру потрібен вегетаційний період не менше 125 безморозних днів.
Загалом для отримання оптимального врожаю необхідні температури вирощування в діапазоні 6–26 °C.
Рослина має помірну стійкість до заморозків. Під час раннього зростання врожай переносить температуру до -6°C, хоча низькі температури спричинюють листовий хлороз. Що стосується осіннього збирання врожаю, заморозки з -2,8°С до -8,4°С запускають механізм акліматизації бульб до холоду. Це покращує їх смак через перетворення інуліну на фруктозу.
У природному середовищі деякі організми (мікроорганізми, комахи та ссавці) взаємодіють із рослинами топінамбуру, у тому числі шість різних сімейств бджіл та джмелі.
Багато фітофаги та мікроорганізми були зареєстровані на топінамбурі, але дуже з них можуть серйозно зашкодити культурі.
В цілому, надземна частина рослини менше схильна до хвороб, тоді як бульби під час пізнього росту і зберігання більш сприйнятливі. Найбільш шкідливими патогенними мікроорганізмами є Sclerotinia sclerotiorum та Sclerotinia rolfsii, що викликають гнилі.
Першому сприяють надмірне добриво азотом, низький рН ґрунту або гідроморфні ґрунти, а другому – вологість у поєднанні з високими температурами.
Також іржа, що викликається Puccinia helianthi, і борошниста роса, що викликається Erisyphe chicoracearum, вражають топінамбур, але вони не здатні обмежити врожай, як і плямистість листя через Alternaria helianthi.
При зберіганні бульб, особливо коли вони пошкоджені при збиранні врожаю, можуть виявитися хвороби, що викликаються Botrytis cinerea, Rhizopus nigricans, Fusarium и Pennicillum spp.. Однак процедури, що виморожують, ефективно контролюють ці захворювання
Що стосується комах, то це переважно попелиці, але їх вплив незначний.
Рослина є витривалою і сильною, так що топінамбур може стати дуже конкурентоспроможним бур'яном сам по собі. Що стосується інших бур'янів, що швидко ростуть, боротьба з ними необхідна тільки під час посіву до закриття пологу. Можна застосовувати як хімічну, і механічну (підживлення, розпушування тощо. буд.) прополку.
Після того, як топінамбур влаштувався в полі, його досить важко вивести, оскільки бульби або їх частини залишаються у землі, чудово зимуючи у ґрунті.
Селекція топінамбуру
Цінні біологічні та біохімічні властивості топінамбуру лежать в основі його універсального використання у харчовій та промисловій промисловості, що обумовлює необхідність генетичного покращення врожаю.
Основна увага у селекції приділяється врожайності бульб та вмісту інуліну для харчових продуктів та кормів, а останнім часом у фокусі нарощування біомаси для виробництва біопалива.
Однак, через традиційно обмежене використання топінамбуру до цього часу було досягнуто досить слабкого прогресу в селекції. Інвестиції в селекційні розробки також є непостійними і залежать від попиту галузевиків у кожній країні.
Відродження інтересу до топінамбуру в 1970-х і 1980-х роках, пов'язане з енергетичною кризою і нестачею продовольства, вселило надію на те, що можна зробити більш скоординовані та інтенсивні дії для розробки нових сортів, що відповідають потребам.
З того часу було зафіксовано значне розширення посівних площ під культурою, особливо в останнє десятиліття та в азіатських країнах.
Враховуючи поточні зміни клімату, необхідність пошуку нових стійких джерел енергії та скорочення площ, призначених для виробництва продуктів харчування, інвестиції в селекцію топінамбуру видаються значною мірою виправданими.
США також може бути цікавий топінамбур
На сьогоднішній день найбільш поширеними культурами, що використовуються для виробництва етанолу, є кукурудза, цукрова тростина, солодке сорго та цукрові буряки. Тим не менш, ці види залежать від родючих сільськогосподарських угідь і, як правило, потребують значних зовнішніх ресурсів (тобто вода, пестициди, добрива) для досягнення високих урожаїв.
Сполучені Штати та Бразилія є найбільшими світовими виробниками біоетанольного палива. На їхню частку припадало близько 84% світового виробництва біоетанолу у 2018 році.
Зернові та цукрова тростина є домінуючою сировиною для виробництва етанолу в цих країнах.
Очікується, що на виробництво етанолу у 2027 році припадатиме 15 та 18% світового виробництва кукурудзи та цукрової тростини.
Сполучені Штати як Європа використовують в основному крохмаль із кукурудзи та пшениці для виробництва біоетанолу, у той час як у Бразилії переробляють цукрову тростину. Загалом у цукрової тростини врожай етанолу вищий, ніж у кукурудзи та інших культур, таких як топінамбур.
Тим не менш, цукрова тростина ідеальна у тропічному та субтропічному, але не в помірному кліматі. Тому томінабур може зайняти місце поряд із кукурудзою у виробництві американського етанолу.