Европе нужен выгодный урожай для биотоплива!

Итальянские ученые изучили преимущества неприхотливого топинамбура. Оказывается, это в своем роде просто незаменимая культура для производства возобновляемой энергии

В своей научной работе команда итальянских ученых факультета сельскохозяйственных и лесных наук (DAFNE), Университет Тушия, рассказывает, чем так хорош и важен топинамбур.

В последнее время биотопливо стало стратегическим направлением для сокращения выбросов от транспортных средств. Но одновременно производство биотоплива все чаще упоминается в контексте его негативных последствий, так как основные культуры для этих целей, такие как, скажем, рапс, пшеница или соевые бобы, требуют высокоинтенсивных агропрактик и плодородных почв, отмечают авторы. (Биотопливо - это источники энергии на основе углерода, полученные из биологического материала).

В то время как Комиссия ЕС совсем недавно классифицировала биотопливо как продукт с низким уровнем косвенного изменения в землепользовании, получаемый из культур, выращенных на маргинальных землях с малым привлечением ресурсов.

По этой причине лишь немногие культуры в Европе могут достичь высоких урожаев при указанных требованиях.

Топинамбур – это корма для сельхозживотных, биотопливо и даже фруктовое пиво

С этой точки зрения топинамбур (Helianthus tuberosusL.), безусловно, является видом, заслуживающим внимания, поскольку он обладает всеми атрибутами, необходимыми для достижения целей обновленной Директивы ЕС по возобновляемым источникам энергии (RED II).

Топинамбур широко адаптирован к разнообразной и часто малоурожайной для других культур среде, обладает высокой приспособляемостью.

Это многоцелевая культура, используемая для потребления человеком в пищу (непосредственно в клубнях или для получения подсластителей), для фармацевтических целей, для производства биомассы и биоэнергии (биоэтанол и биогаз).

Кроме того, аналогично другим растениям Asteraceae, таким как цикорий и сафлора, топинамбур имеет потенциал в качестве кормовой культуры.

Интересно, что благодаря инновациям в пивоваренной промышленности, клубни используются для производства сладкого и фруктового пива.

Стебли и клубни топинамбура отличаются высоким содержанием инулина с потенциалом для производства этанола для использования в качестве биотоплива.

В частности, органические соединения (такие как инулин и целлюлоза) и сахара обрабатываются для получения этанола путем ферментации и дистилляции.

За последние 20 лет была проделана значительная работа по улучшению преобразования биомассы в топливо. Тем не менее, биотопливо первого поколения (биоэтанол и биодизель, полученные из пищевых культур) добывается только из нескольких культур с различной эффективностью преобразования солнечной радиации в химическую энергию (биомассу).

В частности, биотопливным сырьем являются, в основном, рапс, масличные пальмы и соевые бобы - для биодизеля; и сахарный тростник, кукуруза, сахарная свекла и сладкое сорго для биоэтанола.

Кроме того, не вся биомасса является пригодной для сбора (т.е. биомасса растительного покрова под землей обычно остается в почве), таким образом чистое улавливание углерода снижается, а неэффективность переработки возрастает.

По этим причинам виды растений для систем производства биотоплива следующего поколения, как ожидается, преодолеют некоторые из этих ограничений, особенно если они имеют урожайную подземную биомассу (то есть корни или клубни).

Кроме того, поскольку интенсивное сельскохозяйственное землепользование уже внедрено в большинстве регионов мира, биоэнергетические культуры должны быть экологически устойчивыми, чтобы избежать дополнительной нагрузки на биоразнообразие сельского хозяйства, почву и водные ресурсы.

Ученые ищут биоэнергетические культуры будущего

Исследования ведутся в направлении систем производства энергии из биотоплива нового поколения с меньшим воздействием на окружающую среду, большей производительностью и большей отдачей от инвестиций, а также с учетом снижения конкуренции за использование земли с пищевыми и кормовыми культурами.

Лигноцеллюлозная биомасса из выделенных биоэнергетических культур и сельскохозяйственных отходов считается устойчивым ресурсом для производства биоэнергии, но гидролиз с использованием целлюлолитических ферментов является более трудоемким и дорогостоящим методом, чем использование биомассы на основе крахмала или патоки.

В этом отношении, среди наиболее привлекательных биотопливных систем следующего поколения интересны водоросли и топинамбур, производящий клубень, который также можно выращивать и собирать с использованием существующей инфраструктуры и механизмов, используемых для аналогичных культур (клубнеплодных растений).

Почему топинамбур действительно нужен Европе

Характеристики, которые делают топинамбур достойной энергетической культурой, включают: быстрый рост, высокое содержание углеводов, соответствующее общее количество сухого вещества на единицу площади, способность использовать богатые питательными веществами сточные воды, устойчивость к патогенам / толерантность, способность легко расти с минимальными внешними издержками производства и на маргинальных землях.

Этот последний аспект обещает стать ключевым для будущего биотоплива в Европе.

Как предусмотрено пересмотренной Директивой по возобновляемым источникам энергии (RED), принятой Европейским парламентом и Советом (Директива 2018/2001), Комиссия ЕС недавно приняла делегированный акт, устанавливающий критерии как для определения важных косвенных изменений в землепользовании.

ILUC - опасное сырье, для которого наблюдается значительное косвенное расширение производственных площадей на землях с высокоуглеродистыми запасами, и сертификация биотоплива с низким риском ILUC, биожидкостей и топлива из биомассы.

Сертификация может быть предоставлена, если топливо соответствует следующим кумулятивным критериям:

(i) соответствие критериям устойчивости, что подразумевает, что сырье можно выращивать только на неиспользуемых землях, не богатых запасами углерода;

(ii) использование дополнительного сырья в результате мер по повышению продуктивности на уже используемых землях или выращивания сельскохозяйственных культур на площадях, которые ранее не использовались для возделывания сельскохозяйственных культур (неиспользуемые земли), при условии, что земля была заброшен или сильно деградировала, или урожай был выращен мелким фермером;

(iii) убедительные доказательства того, что два предыдущих критерия выполнены.

Очевидно, что в соответствии с требованиями Директивы такое дополнительное сырье должно отвечать требованиям для производства топлива с низким уровнем риска, только если оно получено устойчивым образом.

По этой причине топинамбур – многообещающий кандидат, который легко сможет заменить такие культуры, как кукуруза и сахарная свекла.

Стремительно растущая биомасса для биотоплива

Кинетика роста частей растения указывает на его способность производить оптимальный урожай в Европе.

От двух третей до трех четвертей сухого вещества воздуха представлено стеблями и ветвями, в то время как листья и цветы содержат более низкий процент. Пропорция распределения сухого веса сильно зависит от многих факторов: сорта, времени посадки, климатических условий и условий роста.

Более 50% от общей массы растений находится в стебле.

Существует две фазы роста стебля. В течение первых пяти месяцев наблюдается линейное увеличение высоты и веса стебля. После этого периода высота стебля достигает своего максимума и остается неизменной, а его вес уменьшается.

Максимальный рост и вес растения меняются в зависимости от условий окружающей среды и генотипа. У ранних сортов конечная высота достигает 140 см, в то время как у поздних сортов конечная высота составляет около 280 см.

Следовательно, в конце вегетационного периода количество сухого вещества в стеблях поздних сортов было примерно в два раза больше, чем в ранних сортах. Таким образом, общая биомасса сортов позднего созревания выше, чем сортов раннего созревания. Моделирование показало, что у поздних сортов более длительное сохранение оптимальной площади листьев позволяет лучше усваивать сухое вещество.

Беспроблемный топинамбур

Благодаря своей устойчивости к засухе и засолению, топинамбур можно культивировать в почвах, непригодных для других корнеплодов и клубнеплодов. Он хорошо растет в почвах с рН от 4,4 до 8,6.

Если тяжелые глинистые и гидроморфные почвы могут затруднить уборку клубней, в таких условиях топинамбур можно культивировать для получения стеблей.

В целом, урожайность, размер и форма клубней зависят от типа почвы. В то время как легковесные суглинистые почвы дают большие клубни, тяжелые почвы обеспечивают хорошую урожайность в засуху, благодаря лучшим влагоудерживающим свойствам глинистых почв.

Что касается температуры выращивания, то для большинства разновидностей топинамбура требуется вегетационный период не менее 125 безморозных дней

В общем, для получения оптимального урожая необходимы температуры выращивания в диапазоне 6–26 ° C.

Растение обладает умеренной устойчивостью к заморозкам. Во время раннего роста урожай переносит температуру до -6 ° C, хотя низкие температуры вызывают листовой хлороз. Что касается осенней уборки урожая, заморозки с -2,8 ° С до -8,4 ° С запускают механизм акклиматизации клубней к холоду. Это улучшает их вкус из-за превращения инулина во фруктозу.

В естественной среде некоторые организмы (микроорганизмы, насекомые и млекопитающие) взаимодействуют с растениями топинамбура, в том числе шесть различных семейств пчел и шмели.

Многие фитофаги и микроорганизмы были зарегистрированы на топинамбуре, но очень из них могут серьезно повредить культуре.

В целом, надземная часть растения меньше подвержена болезням, тогда как клубни во время позднего роста и хранения более восприимчивы. Наиболее вредными патогенными микроорганизмами являются Sclerotinia sclerotiorum и Sclerotinia rolfsii, вызывающие гнили.

Первому способствуют чрезмерное удобрение азотом, низкий рН почвы или гидроморфные почвы, а второму - влажность в сочетании с высокими температурами.

Также ржавчина, вызываемая Puccinia helianthi, и мучнистая роса, вызываемая Erisyphe chicoracearum, поражают топинамбур, но они не способны ограничить урожай, как и пятнистость листьев из-за Alternaria helianthi.

При хранении клубней, особенно когда они повреждены при уборке урожая, могут проявиться болезни, вызываемые Botrytis cinerea, Rhizopus nigricans, Fusarium и Pennicillum spp.. Однако вымораживающие процедуры эффективно контролируют эти заболевания

Что касается насекомых, то это, преимущественно, тли, но их влияние незначительно.

Растение является выносливым и сильным, так что топинамбур может стать очень конкурентоспособным сорняком сам по себе. Что касается других быстрорастущих сорняков, борьба с ними необходима только во время посева до закрытия полога. Можно применять как химическую, так и механическую (подкормку, рыхление и т. д.) прополку.

После того, как топинамбур обосновался в поле, его довольно трудно вывести, так как клубни или их части остаются в земле, прекрасно зимуя в почве.

Селекция топинамбура

Ценные биологические и биохимические свойства топинамбура лежат в основе его универсального использования в пищевой и промышленной промышленности, что обусловливает необходимость генетического улучшения урожая.

Основное внимание в селекции уделяется урожайности клубней и содержанию инулина для пищевых продуктов и кормов, а в последнее время в фокусе наращивание биомассы для производства биотоплива.

Однако, из-за традиционно ограниченного использования топинамбура до настоящего времени был достигнут довольно слабый прогресс в селекции. Инвестиции в селекционные разработки также непостоянны и зависят от спроса отраслевиков в каждой стране.

Возрождение интереса к топинамбуру в 1970-х и 1980-х годах, связанное с энергетическим кризисом и нехваткой продовольствия, вселило надежду на то, что можно предпринять более скоординированные и интенсивные действия для разработки новых сортов, отвечающих возникающим потребностям.

С тех пор было зафиксировано значительное расширение посевных площадей под культурой, особенно в последнее десятилетие и в азиатских странах.

Учитывая текущие изменения климата, необходимость в поиске новых устойчивых источников энергии и сокращение площадей, предназначенных для производства продуктов питания, инвестиции в селекцию топинамбура представляются в значительной степени оправданными

США тоже может быть интересен топинамбур

На сегодняшний день наиболее распространенными культурами, используемыми для производства этанола, являются кукуруза, сахарный тростник, сладкое сорго и сахарная свекла. Тем не менее, эти виды зависят от плодородных сельскохозяйственных угодий и, как правило, нуждаются в значительных внешних ресурсах (т. е. вода, пестициды, удобрения) для достижения высоких урожаев.

Соединенные Штаты и Бразилия являются крупнейшими мировыми производителями биоэтанольного топлива. На их долю приходилось около 84% мирового производства биоэтанола в 2018 году.

Зерновые и сахарный тростник являются доминирующим сырьем для производства этанола в этих странах.

Ожидается, что на производство этанола в 2027 году будет приходиться 15 и 18% мирового производства кукурузы и сахарного тростника.

Соединенные Штаты как Европа используют в основном крахмал из кукурузы и пшеницы для производства биоэтанола, в то время как в Бразилии перерабатывают сахарный тростник. В целом, у сахарного тростника урожай этанола выше, чем у кукурузы и других культур, таких как топинамбур.

Тем не менее, сахарный тростник идеален в тропическом и субтропическом, но не в умеренном климате. Поэтому томинабур может занять место рядом с кукурузой в производстве американского этанола.

(Источник: www.mdpi.com, Факультет сельскохозяйственных и лесных наук (DAFNE), Университет Тушия. Авторы: Франческо Россини, Мария Елена Провензано, Лилиана Кузманович, Роберто Руджери).