Přehnojování kukuřice vede ke snížení výtěžnosti bioetanolu z listů a stonků

Výzkumníci z Rice University zjistili, že přehnojování kukuřice má negativní vliv nejen na životní prostředí, ale také na výrobu bioetanolu a výsledky jejich pokusu ukázaly proč tomu tak je. Zobecnění jejich výsledku by se dalo vyjádřit slovy: méně je někdy více.

Novinka z Rice university, která se objevila 25. února 2011 v internetové mutaci časopisu Americké společnosti pro chemii (American Chemical Society) nazvaného Environmental Science and Technology, ukazuje, jak mohou pěstitelé ušetřit peníze za hnojiva, zlepšit svou produkci suroviny pro výrobu etanolu a zároveň omezit poškozování životního prostředí.

Tento výzkum je jedním z celé řady studií, které jsou na celém světě prováděny, aby pomohly průmyslu, který v posledních letech dramaticky roste, protože je třeba nejen v Americe uspokojit potřebu po energii a zároveň omezit závislost na fosilních palivech.

Tým výzkumníků vedený postgraduální studentkou Morgan Gallagherovou zjistil v pokusu provedeném v rámci její doktorandské práce, že nejen kukuřičné zrno může být vhodnou surovinou pro výrobu etanolu, ale i celulózu ve zbývajících částech rostliny (stoncích a listech) lze využít jako další důležitou surovinu. Jenže tyto různé části rostlin odpovídají (z pohledu výtěžnosti bioetanolu) naprosto odlišně na hnojení dusíkem.

Výzkumníci při svém pokusu zjistili, že velmi štědré používání dusíkatých hnojiv, které má za cíl maximalizaci výnosů zrna z kukuřičného pole, vede jen minimálně ke zvýšení celkové využitelnosti celulózy z listů a stonků. Pokud je zrno používáno pro potravinářské účely a celulóza ze zbývající rostlinné hmoty (listů a stonků) je zpracována na biopalivo, tak zvětšení dávky dusíkatého hnojení zvyšuje obtížnost získávání etanolu z kukuřičných listů a stonků.

Příčinou je skutečnost, že nadbytek dusíkatého hnojení urychluje biochemické procesy uvnitř rostlin, které vedou k bohatší tvorbě ligninu, jehož chemicky značně odolné molekuly brání snadné výrobě bioetanolu a snižují výtěžnost.

Tyto výzkumy jsou důležité pro budování udržitelné ekonomiky s pomocí produkce biopaliv. Rostliny zužitkují část dusíku pocházejícího z hnojiv, aby vytvořily molekuly látek, které potřebují pro svůj růst a fungování. Ale pro mnoho rostlin je již poměrně malá dávka dusíku až dost velká. Již dlouho se ví, že používání příliš velkých dávek umělých hnojiv při pěstování rostlin má negativní dopad na životní prostředí. Nyní bylo prokázáno, že je to špatné i pro kvalitu suroviny na výrobu biopaliv.

Zatímco farmáři mají před sebou jednoznačný a jasný stimul směřující k maximalizaci výnosu zrna, tak vědci ukazují odlišnou cestu vedoucí k většímu zisku, pokud budou zbytky kukuřice sklizeny a použity pro produkci etanolu.

Studie vedená ve spolupráci s W.K. Kellogg Biological Station z národní vědecké nadace na Michigan State University (MSU) ukázala, že používání většího množství dusíkatých hnojiv sice rychle zvyšuje obsah žádaných látek v kukuřičném zrnu a zrno dosáhne rychleji maxima své hmotnosti. Ale kilogramy zrna nejsou všechno, množství celulózy ve stoncích a listech, které mají být surovinou pro produkci etanolu, se zvyšuje jen o málo a mnohem pomaleji než jak probíhá nárůst množství škrobu v zrnech, ale navíc rychleji ztrácí na kvalitě.

„Dříve se jednoduše předpokládalo, že reakce rostlin na hnojení a produkce celulózy ve stoncích a listech funguje podobně jako nárůst produkce škrobu v zrnu, ale nyní už víme, že tento předpoklad neplatí, nebo minimálně že neplatí pro kukuřici,“ tvrdí Gallagherová. Štědré hnojení dusíkem má navíc jednu zásadní nectnost - podporuje produkci ligninu během růstu rostliny, protože bez ligninu by rostlina neměla potřebnou stabilitu a pevnost stonku. Produkce ligninu pak jde na úkor produkce využitelné celulózy. Výzkumníci objevili, že podíl ligninu se s rostoucím dusíkatým hnojením zvyšoval téměř dvojnásobně. S narůstajícími dávkami dusíku se tak výrazně snižuje kvalita listů a stonků kukuřice, které mají sloužit jako surovina pro výrobu biolihu.

Lignin obsažený v rostlinném těle se rozkládá velmi pomalu prostřednictvím působení bakteriálních enzymů a je drahé jej odstranit třeba kombinovanou mechanicko-chemickou cestou, což výrazně omezuje produkci etanolu z celulózy. Ideální rostlina, která by měla být využívána pro produkci etanolu z celulózy, by neměla neobsahovat žádný lignin – jenže nelze mít rostliny bez ligninu, protože takové by byly příliš křehké a padaly by vlastní vahou či působením větru. Rostliny lignin potřebují, aby si zachovaly svou stavbu. To co chceme získat, je trvale příznivý obsah ligninu ve stonku a listech v poměru k obsahu celulózy, a to po celou dobu dozrávání. A omezení přehnaného dusíkatého hnojení tomu napomáhá. Pokud budeme porovnávat kilogramy celulózy ve stoncích a listech a kilogramy škrobu v kukuřičných zrnech tak zjistíme, že dynamika jejich růstu v čase je odlišná. Nerostou ve stále stejném poměru.

Omezení přehnaného dusíkatého hnojení pomůže i životnímu prostředí. Jsou obecně známé problémy spojené se splavováním dusíku pocházejícího z hnojiv do povrchových vod i jeho pronikání do spodních vod. Například v USA znají velmi dobře spojení mezi nadměrným dusíkatým hnojením v Mississippském povodí a „mrtvou zónou“ v Mexickém zálivu. Splavování nitrátů a jejich vyluhování do zdrojů pitné vody může být spojeno i s množstvím zdravotních problémů obyvatelstva.

Zlepšení výnosu a výtěžnosti suroviny pro produkci etanolu z celulózy obsažené v rostlinných zbytcích (listech a stoncích) může ponechat více kukuřičného zrna pro potravinářské účely. Pokud na světě existuje miliarda lidí trpících podvýživou, tak může být i docela vážnou etickou otázkou, zda využívat zrno kukuřice pro výrobu paliva nebo raději k produkci potravin.

Výzkumníci věří, že jejich objev bude možné aplikovat i na ostatní plodiny pěstované pro produkci etanolu. Nyní mají v plánu ověřit, zda existuje stejný mechanismus a podobné účinky dusíkatého hnojení na proso prutnaté (Panicum virgatum), které je v USA rovněž hojně pěstováno jako surovina pro produkci biopaliv.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost