Uprawa ryżu odpowiada za około 12% antropogenicznych emisji metanu, gazu cieplarnianego znacznie potężniejszego niż dwutlenek węgla, choć utrzymującego się w atmosferze krócej. Powodem jest charakterystyczny sposób sadzenia ryżu w zalanych polach. W warunkach beztlenowych bakterie rozkładają związki organiczne wydzielane przez korzenie roślin, wytwarzając przy tym metan.Z kolei globalne ocieplenie i rosnąca liczba ludności sprawią, że popyt na ryż będzie się zwiększał, co może prowadzić do dalszego wzrostu emisji metanu. Już teraz emisje ryżu w wielu krajach odpowiadają za istotną część śladu węglowego całego sektora rolniczego.
Badacze z Hunan Agricultural University (Chiny) oraz Swedish University of Agricultural Sciences (Szwecja) – w tym m.in. mikrobiolożka dr Anna Schnürer – od lat próbują ustalić, które substancje chemiczne najintensywniej napędzają proces powstawania metanu w polach ryżowych. Wcześniejsze eksperymenty skupiały się na fumaranie, organicznym kwasie karboksylowym stanowiącym „pożywkę” dla bakterii metanogennych. Najnowsze wyniki pokazują jednak, że wpływ na redukcję metanu może mieć również etanol, który z kolei hamuje niektóre procesy metaboliczne prowadzące do powstawania tego gazu.
Tradycyjne krzyżowanie zamiast GMO
Naukowcy pierwotnie pracowali nad genetycznie modyfikowaną odmianą ryżu SUSIBA2, cechującą się zmniejszoną emisją metanu. Jednak postanowili sprawdzić, czy można uzyskać podobny efekt przy użyciu klasycznej metody krzyżowania. Kluczowe okazało się znalezienie i połączenie odmian charakteryzujących się niskim poziomem fumaranu i wysokim poziomem etanolu w wydzielinach korzeni.
„Sedno tego badania polega na tym, że naukowcy nie korzystają z inwazyjnych metod inżynierii genetycznej czy edycji genów, ale stosują tradycyjne krzyżowanie, by stworzyć odmianę ryżu o niższej syntezie metanu” – komentuje w „New Scientist” prof. Johannes le Coutre z University of New South Wales w Sydney.
W rezultacie powstała nowa odmiana, pochodząca od wysokowydajnej linii ryżu Heijing, który charakteryzuje się niskim poziomem fumaranu oraz podwyższoną produkcją etanolu. Testy polowe tej krzyżówki w Chinach przeprowadzono przez dwa lata.
„Uzyskaliśmy plony powyżej 8 ton ryżu z hektara, podczas gdy średnia światowa wynosi niewiele ponad 4 tony” stwierdzają badacze w rozmowie z „Bangkok Post”. Najważniejszym odkryciem jest jednak to, że nowa odmiana emituje aż o 70% mniej metanu w porównaniu z oryginalną odmianą wyjściową o wysokim plonowaniu.
Jak działa mechanizm redukcji metanu?
Fumarany są metabolizowane przez mikroorganizmy w glebie zalanej wodą, co stanowi jeden z głównych szlaków prowadzących do powstawania metanu. Jeśli w wydzielinie korzeni jest mniej fumaranu, znajdujące się w wodzie bakterie i archeony wytwarzają mniej tego gazu. Dodatkowo wysoka koncentracja etanolu w ryzosferze (strefie wokół korzeni) powoduje zahamowanie produkcji metanu. Naukowcy zauważyli, że etanol działa jak „bloker” pewnych procesów fermentacyjnych, a zarazem wpływa na zmniejszenie produkcji fumaranu wewnątrz samej rośliny.
„Odkryliśmy, że fumaran i etanol to dwie główne wydzieliny ryżu, które odgrywają kluczową rolę w regulacji emisji metanu” – podkreślają autorzy artykułu w „Molecular Plant”. Przywołane w publikacji dane z wieloletnich badań terenowych wskazują, że zastosowanie opracowanej technologii hodowlanej może istotnie ograniczyć wpływ ryżu na ocieplenie klimatu.
„Nasze ustalenia pokazują, że odmianę ryżu o niskiej emisji metanu i wysokim plonowaniu można wyhodować przy użyciu tradycyjnych metod krzyżowania, jeśli tylko wiadomo, jakich cech szukać” – mówiła dr Schnürer, cytowana przez „Bangkok Post”. Badaczka dodała, że komercjalizacja takiego ryżu będzie możliwa po uzyskaniu odpowiednich pozwoleń w Chinach, a zachęty rządowe dla rolników mogłyby odegrać kluczową rolę we wprowadzaniu nowej odmiany na rynek.
Alternatywne strategie ograniczania metanu z upraw ryżu
Prace nad redukcją emisji z pól ryżowych nie są nowe. Istnieją co najmniej trzy inne sposoby na obniżenie emisji metanu podczas uprawy ryżu: zmiana sposobu nawadniania pól, usuwanie słomy ryżowej i wykorzystywanie odpowiednich nawozów.
Jedną z metod jest tzw. naprzemienne osuszanie i zalewanie pól. Polega ona na kilkukrotnym wypuszczaniu wody z pola w trakcie wegetacji ryżu, co ogranicza powstawanie warunków beztlenowych sprzyjających rozwojowi mikroorganizmów metanogennych. Technika ta – według ekspertów z International Rice Research Institute (IRRI) – może zmniejszyć emisje metanu nawet o 50–64%.
Druga strategia koncentruje się na zarządzaniu resztkami pozostałymi po zbiorach, zwłaszcza słomą. Jeśli pozostawimy słomę w zalanym polu, rozkłada się ona w warunkach beztlenowych, dostarczając materii organicznej mikroorganizmom metanotwórczym. Stąd część rolników decyduje się na jej spalanie lub usunięcie. Problem w tym, że spalanie zanieczyszcza powietrze, dlatego organizacje badawcze i rządy coraz częściej promują zbiór i przerób słomy na paszę, ściółkę czy nawet surowiec do produkcji artykułów zastępujących plastik.
Wreszcie, zastosowanie nawozów, które hamują działalność bakterii i archeonów w glebie lub modyfikują dostępność węgla dla mikroorganizmów, również potrafi obniżyć emisję metanu. Przykładem może być dodatek siarczanu amonu zamiast popularnego i tańszego mocznika. Z kolei naukowcy wspomniani w „Bangkok Post” testowali też wpływ związku o nazwie oksantel (używanego m.in. w leczeniu pasożytów jelitowych u ludzi). Aplikacja oksantelu do gleby pozwalała zmniejszyć emisję metanu o 60% bez uszczerbku dla plonów.
Szansa i wyzwanie dla światowego rolnictwa
Najnowsze dokonania chińsko-szwedzkiego zespołu badawczego dają nadzieję na przełom w skali globalnej. Ryż to podstawowe źródło kalorii dla ponad 3,5 miliarda ludzi, a rosnący popyt na żywność w krajach rozwijających się może istotnie podnosić światowe emisje metanu. Upowszechnienie takiej odmiany może pomóc utrzymać wysoką produkcję ryżu przy znacząco obniżonym śladzie węglowym.
„Konieczne będą odpowiednie zachęty rządowe, by zmotywować rolników do rezygnacji z dotychczasowych odmian i podjęcia ryzyka związanego z wprowadzeniem nowych rozwiązań. Pomóc mogłyby także kampanie edukacyjne, a nawet wsparcie finansowe” – sugeruje dr Schnürer.
W krajach Azji Południowo-Wschodniej, gdzie ryż jest uprawiany głównie na niewielkich, rodzinnych gospodarstwach, wdrożenie nowego materiału siewnego może być szczególnie trudne. Niemniej jednak, według badaczy, innowacyjne odmiany krzyżówkowe mają tę zaletę, że nie są genetycznie modyfikowane – co w wielu państwach przyspiesza proces akceptacji administracyjnej i sprzyja lepszemu odbiorowi społecznemu.
