Uživí nás Země?

Díky používání umělých hnojiv a pesticidů, rozvoji zemědělského výzkumu, ale i průmyslu se zatím vždy dařilo výživu rostoucího počtu obyvatelstva Země více méně zajistit. Hladem a chronickou podvýživou však přesto v rozvojových zemích stále trpí okolo 1 miliardy lidí. Do roku 2050 se má počet obyvatel Země ze současných 7 miliard zvýšit až na 9,1 miliardy. Uživí se další 2 až 3 miliardy? Navíc v době, kdy svět bude muset řešit další problémy spojené s energetikou, ekonomikou, životním prostředím a změnou klimatu?

O schopnosti Země uživit neustále rostoucí počet lidí se diskutuje od dob Sokratových. Již mnohokrát se hovořilo o tom, že naše planeta bude brzy přelidněna, což povede k hladomoru nebývalých rozměrů. Dosud se tyto předpovědi nesplnily, včetně předpovědi Thomase Malthuse. Malthuse se domníval, že svět spěje k hladomoru, protože se lidstvo rozmnožuje geometrickou řadou, zatímco výroba potravin může růst jen řadou aritmetickou. Nesplnily se ani předpovědi novodobého následovníka Malthuse, Paula Ehrlicha. Ten se v polovině 70. let domníval, že tehdejší počet 3,5 miliardy představuje limit a že uživit až 6 miliard bude zcela nemožné. Přesto v 60. letech představovala průměrná denní dávka potravin 2 360 kalorií, v 90. letech to bylo 2 740 kalorií. Přitom však mezi zeměmi existují velké rozdíly. Zatímco ve vyspělých zemích Severní Ameriky a Evropy lidé trpí spíše nadváhou, obezitou a s tím souvisejícími nemocemi, asi jedna šestina světového obyvatelstva v rozvojových zemích trpí hladem a chronickou podvýživou. Vyskytují se i lokální hladomory, které musí řešit OSN a jiné mezinárodní organizace.

Vysoké ceny začátku 21. století nevěstí nic dobrého

V prvním desetiletí 21. století se situace začíná zhoršovat. Důvodem jsou kromě jiného vysoké ceny potravin, které dosáhly své až dosud nejvyšší úrovně. Mezi deseti nejvíce postiženými zeměmi jsou Egypt, Maroko, Alžírsko, Hong‑Kong, Bangladéš a Srí Lanka, do dvacítky zemí patří i Tunisko, Rumunsko a Ukrajina. Vysoké ceny potravin má na svědomí řada důvodů, mezi nimi i finanční krize z roku 2008, extrémní vlivy počasí ve formě sucha nebo naopak povodní, vysoká cena ropy, spekulace na trhu, ale také přeměna potravinových plodin na biopaliva pro pohon dopravních prostředků. Sucha jsou příčinou hladomoru v Súdánu, Somálsku a Keni (vedle politických nepokojů). Ceny rostou i proto, že se zvyšuje poptávka po obilí pro výkrm dobytka, což souvisí s růstem životní úrovně středních vrstev v Číně a Indii, kde se zvyšuje poptávka po živočišných produktech. Vyšší sklizně v jiných částech světa mohou sice ceny poněkud snížit, ale pravděpodobně jen dočasně. Počasí se totiž stává stále více nepředvídatelným.

Pomohla umělá hnojiva a pesticidy

Dvacáté století přineslo lidstvu celou řadu vymožeností a inovací, od hromadné výroby automobilů a televizorů, až po křemíkové čipy. S pravděpodobně nejdůležitější novinkou ale přišel v roce 1909 Fritz Haber. On byl první, kdo získal dusík ze vzduchu k výrobě čpavku. Ten je klíčovou složkou k výrobě umělých hnojiv, která pak umožnila udržet výrobu potravin v souladu s rostoucím počtem obyvatel. Technologický proces Haber‑Bosch pomohl nakrmit více lidí než cokoliv jiného.

Světové zemědělství musí zajistit nejen dostatečnou produkci potravin, ale musí také omezovat posklizňové ztráty v rostlinné výrobě a omezovat úhyn dobytka. Hmyzí škůdci způsobují ztráty na výrobě potravin ve výši 25‑35 % a nebezpečný hmyz napadá miliony kusů dobytka a snižuje jeho užitkovost. V boji proti škůdcům se od poloviny 40. let používaly zejména pesticidy, které spolu s umělými hnojivy a zaváděním nových odrůd přispěly ke zvýšení výroby potravin po druhé světové válce. Ke hmyzu nebo plevelům se ale dostávalo jen malé množství pesticidů a jejich přebytečné množství kontaminovalo půdu a vodu. Totéž platí i o nadměrném používání umělých hnojiv. Odhaduje se, že dusíkové znečištění stojí každého Evropana ročně 1 000 dolarů, z toho 40 % se týká nápravy škod v zemědělství. Protože zemědělci aplikují umělá hnojiva velmi štědře, 40 až 70 % dusíku se odplavuje do vodotečí a do moří, kde dusík podporuje růst řas. Ty zase dusí vodní život. Proto vědci vyzývají zemědělce, aby používali dusíkatá hnojiva efektivněji. Allen Good z University of Alberta v Edmontonu, který v únoru 2011 zorganizoval summit k problematice „samosehnojících“ obilovin, prohlásil, že rostoucí škody z umělých hnojiv, spolu s nebezpečím změny klimatu, si vynutí vynaložit do zemědělství takové zdroje, které by představovaly ekvivalent výdajů vynaložených na dobývání Měsíce. Úspěch se podle něj ale může dostavit až po 10‑15 letech.

Problémy související s nadměrným používáním pesticidů a umělých hnojiv, spolu s obavami o zhoršování životního prostředí, z odolnosti rostlin vůči pesticidům, z obav před chemickými rezidui v potravinách způsobujících rakovinu, ze snižování biodiverzity ap., vedly k potřebě hledat nové strategie a technologie. Částečné řešení nabídlo využívání jaderné vědy a techniky v rostlinné a živočišné výrobě.

Využití ionizujícího záření a radioizotopů v zemědělství a potravinářství

Aplikace jaderné vědy a techniky v zemědělství a potravinářství v mezinárodním měřítku koordinují a podporují Mezinárodní agentura pro atomovou energii ve Vídni (MAAE) a Organizace OSN pro výživu a zemědělství FAO (Food and Agricultural Organisation). Zdravotní aspekty sleduje i Světová zdravotnická organizace WHO (Wealth World Organisation). Velký podíl na šíření nových metod má i laboratoř MAAE v rakouském Seibersdorfu.

Mezi hlavní metody využívání ionizujícího záření (IZ) a radioizotopů (RI) v zemědělství a potravinářství patří zejména:

· mutační šlechtění rostlin
· kontrola a likvidace škůdců
· snižování posklizňových ztrát
· rozvoj využívání biologických hnojiv s využitím bakterií Rhizobia
· radiační ošetřování potravin.

Radiační šlechtění

Za posledních několik desetiletí bylo vyšlechtěno přes 1 800 užitečných mutantů rostlin, většina z nich pomocí radiačních metod. Po ozáření semen jsou k dispozici např. rostliny s vyššími výnosy, vyšší jakostí, odolnější vůči nemocem, teplu, suchu, mrazu, atd. Nové odrůdy se dnes pěstují na milionech hektarů po celém světě. Nová technologie příznivě ovlivnila pěstování rýže, pšenice, ječmene, fazolí, bavlny, podzemnice olejné, ovocných stromů a dalších potravinářských i nepotravinářských rostlin. V USA a v Evropě existuje více než 200, resp. 100 komerčních společností, které ozařují semena rostlin.

Boj proti škůdcům

Největší škody způsobuje octomilka ovocná, která napadá na 260 druhů ovoce a zeleniny v 82 zemích. Velké ztráty v živočišné výrobě způsobuje moucha tse‑tse a také parazit Cochlyomia hominivorax (C. h.), který klade vajíčka do otevřených ran dobytka. Larvy se pak živí masem zvířat a tím trpí a často hynou miliony kusů dobytka. Ozařováním hmyzích samečků a jejich vypouštěním do přírody se podařilo v mnoha zemích zcela vyhubit octomilku ovocnou, mouchu tse‑tse a mouchu druhu C. h. Díky tomu se zvýšily výnosy a jakost ovoce a zeleniny, snížila úmrtnost dobytka a zvýšila jeho užitkovost. Rostly též příjmy zemědělců, zejména v rozvojových zemích. Kolem roku 2006 bylo ve světě v provozu na 30 sterilizačních zařízení a další se budují. Každý týden bylo možné vyprodukovat na 4 miliardy sterilních samečků. Návratnost vynaložených prostředků je cca 10 dolarů na jeden investovaný.

Díky aplikaci IZ a RI se rovněž snižují posklizňové ztráty ničením škůdců, například ve skladech. V rámci radiačního ošetřování potravin se podařilo prodlužovat dobu skladovatelnosti ovoce a zeleniny, oddalovat dozrávání, uchovávat nutriční hodnoty a vitamíny, ničit mikroorganismy v mase, v masných výrobcích, v dětské výživě, atd. Americký Úřad po potraviny a léky (FDA) dospěl k závěru, že ozařování potravin přispívá ke zlepšení zdravotního stavu obyvatelstva snížením rizika onemocnění z konzumace potravin, včetně bakterií E. coli. Ozářené potraviny konzumují například kosmonauti, pacienti v nemocnicích, vojáci a děti ve školních jídelnách v USA. Radiační ošetřování potravin bylo díky jeho zdravotní nezávadnosti povoleno ve 40 zemích a je podporováno jak Světovou zdravotnickou organizací, tak lékařskými organizacemi v jednotlivých zemích.

Bakterie Rhizobia

Díky stopovací technice s využitím izotopu dusíku N¹⁵ lze identifikovat bakterie Rhizobia, které jsou schopné fixovat dusík z atmosféry v kořenovém systému luštěnin a následných plodin. Semena se uměle naočkují bakteriemi v kapalné formě. Naočkování semen tímto biohnojivem zvýšilo průměrné výnosy více než dvojnásobně a návratnost vynaložených prostředků byla 100 dolarů na jeden investovaný. Uvedená metoda se s úspěchem využila v Bangladéši, Číně, Indii, Malajsii, Pákistánu, Thajsku, Vietnamu, na Srí Lance a na Filipínách. Jen laboratoř v Zimbabwe je schopna vyprodukovat za rok na 300 000 balíčků s bakteriemi Rhizobia, přičemž jeden stačí na zpracování 50 kg semen. Jaderná technika se uplatňuje i při produktivním využívání zasolených půd, při hospodárném využívání vody a půdy.

„Potravinová bublina“ a způsoby jejího řešení

K potravinové krizi a způsobům jejího řešení se v krátkém interview vyslovil Lester Brown, prezident Earth Policy Institute v časopise New Scientist, 2011, č. 2798, s. 27 /7/:

„Co je „potravinová bublina“? Je to výroba potravin, která se rozšiřuje na úkor udržitelného využívání vody a půdy. Nyní se ale musíme spíše obávat „vodní bubliny“. Světová banka uvádí, že 15 % Indů (175 milionů) spotřebovává obilí, které bylo vypěstováno při nadměrné spotřebě vody, což znamená, že voda z vodonosných vrstev se využívá rychleji než může být doplňována. V Číně se to může týkat 130 milionů lidí. Saudská Arábie si zabezpečuje nezávislost na dovozu pšenice používáním vody z podzemních zdrojů, které se ale nedoplňují. Ročně se zde sklízí 3 miliony tun, ale v roce 2008 saudské úřady prohlásily, že je tento zdroj vody již téměř vyčerpán a v roce 2012 by mohla být poslední taková sklizeň. Jedná se sice o extrémní příklad, ale polovina světového obyvatelstva žije v zemích, kde klesá hladina spodních vod. Také Indie a Čína ztratí možnost výroby obilí v důsledku vyčerpávání vodních zdrojů. Nevíme ale, kdy nebo jak náhle k tomu dojde. V mnoha zemích je voda k zavlažování zdarma nebo za nízkou cenu, takže se s ní jedná, jako by šlo o bohatý zdroj. Ve skutečnosti je ale voda velmi vzácná a podle toho by se měla oceňovat.

Bude pokles výroby obilí znamenat velký problém? Ano. U dnešní večeře bude u stolu dalších 219 000 lidí, kteří zde ještě včera nebyli. To ale není vše. Jsou zde ještě miliardy lidí, které zvyšují potravní řetězec tím, že konzumují živočišné produkty, které vyžadují velkou spotřebu obilí. Navíc se ještě část obilí používá k výrobě etanolu k pohonu automobilů. Například v roce 2010 bylo v USA vyprodukováno přes 400 milionů tun obilí, ale 119 milionů z toho se použilo právě k výrobě etanolu!

Musíme rovněž nově definovat, co je to bezpečnost. Skutečnými hrozbami nejsou nějaké ozbrojené supermocnosti, ale nedostatek vody, potravin, změna klimatu a rostoucí počet neúspěšných států.

Co může udělat jedinec? Lidé ode mne očekávají, že řeknu: Vyměňte žárovky, recyklujte noviny, atd, ale já říkám: Musíme změnit světovou ekonomiku, zvláště v oblasti energetiky.“

Co radí poradci

Poradní skupina pro mezinárodní výzkum v zemědělství CGIAR (The Consultative Group on International Agricultural Research) doporučuje čtyři prioritní řešení:

· zlepšit hospodaření s vodou
· realizovat zemědělskou výrobu bez orání
· používat vysoce kvalitní osiva
· zvyšovat hektarové výnosy

Hospodaření s vodou

Podle FAO se musí zavlažované plochy do roku 2025 rozšířit o 11 %, a nahradit staré zavlažovací systémy, které vysychají. Existuje několik způsobů jak zachytit více vody. Je to například mulčování půdy a budování teras a podzemních nádrží. V částech Číny nebo Keni umožňují vodní nádrže plodinám překonat období sucha, které následuje po lijácích.

Zemědělství bez orby

Po tisíce let zemědělci převraceli horní část půdy, aby usmrtili semena plevelů. Tato praxe je drahá, poškozuje půdu a uvolňuje skleníkové plyny. Většina pěstitelů kukuřice a soji v obou Amerikách nyní opouští orání půdy a přechází na „kultivaci“ půdy spočívající v zarovnávání brázd a používání herbicidů proti plevelům. Poté následuje zasetí geneticky upravených semen odolných vůči herbicidům. Plevel se dá ale zahubit i organickými zbytky, jako je sláma, nebo střídáním plodin. Tento způsob hospodaření se označuje jako „conservation agriculture“. Kromě toho, že šetří půdu, živiny a energii, snižuje i ztráty vody. V Mexiku se tyto metody zkoušejí na experimentálních plochách a zkušenosti ukazují, že lze docilovat srovnatelných výsledků jako u tradičního zemědělství v dobrých letech a dokonce lepších výsledků v době sucha.

Použít kvalitnějšího osiva.

Kdyby se výnosy zvýšily o 25 %, pak by produkce potravin v Africe vzrostla více, než kdyby se zdvojnásobily zavlažované plochy. Zajímavý je poznatek, že výnosy nových druhů kukuřice se zvyšují dvakrát rychleji než u pšenice a rýže. Je to dáno tím, že kukuřici množí hlavně soukromé společnosti, které ročně vynakládají 1,5 miliardy dolarů, zatímco pšenici a rýži množí většinou vládní laboratoře s ročními výdaji jen kolem 350 milionů dolarů.

Naučit plodiny vázat vzdušný dusík

Před 60 miliony let luštěniny vstoupily do symbiotického vztahu s půdními bakteriemi schopnými fixovat atmosférický dusík. Luštěniny si díky tomu začaly vytvářet vlastní hnojivo. 20. dubna 2011 se v Seattlu sešla skupina dvaceti výzkumníků na schůzce zorganizované nadací Billa a Melindy Gatesových, aby diskutovali o věci, která je považována za neuskutečnitelný sen – totiž naučit tomu všechny potravinové plodiny. Pokud bude tento výzkum úspěšný, bude třeba méně umělých hnojiv. Zkoumají se tři cesty, jak toho dosáhnout:

· přimět obilniny vytvářet symbiotický vztah s bakteriemi Rhizobia, jak je tomu u luštěnin
· kolonizovat kořeny obilnin jinými druhy bakterií, které rovněž fixují dusík z atmosféry
· přenést geny bakterií produkujících dusíkaté hnojivo přímo do pěstovaných plodin

Fabienne Maillet z francouzské laboratoře v Castanet – Tolosan, zkoumající interakce rostlin a mikroorganismů, prokázal, že chemická signální síť, kterou luštěniny používají ke komunikaci s bakteriemi Rhizobia, je podobná té, kterou obilniny používají ke komunikaci s půdními houbami již 400 milionů let. Půdní houby dodávají kořenům rostlin jiné důležité živiny. Vypadá to tak, že bakterie Rhizobia „ukradly“ starodávný signál hub ke komunikaci s rostlinami a využily tento trik jak se dostat do luštěnin a vytvořit si vlastní způsob fixace dusíku. Vše nasvědčuje tomu, že všechny ostatní rostliny mají v sobě rovněž zakódovaný mechanismus k vývoji symbiotického partnerství. Počátkem roku 2011 potvrdili biologové tento princip u jedné neluštěninové rostliny, který se vyvinul v partnerství s bakteriemi Rhizobia. Jedná se o malý tropický strom Parasponia.

Prioritou bude přimět obilniny, aby poznaly a přijaly bakterie Rhizobia a klíčovým faktorem k tomu má být kolonizace kořenů. Dalším krokem pak bude tvorba hlízek (nodulů), které poskytnou bakteriím vhodné prostředí. Ray Dixon z John Innes Centre v Norwich, Spojené království, je přesvědčen o tom, že mechanismus fixace dusíku je možné úspěšně vložit do rostlin tím, že existující organely, například chloroplasty, získají novou úlohu při fixaci dusíku. Dvacet let po svém vzniku začíná tato idea nést ovoce. V rámci nedávné komerčně citlivé studie vložili Dixon a společníci dusík fixující geny do chloroplastů řas.

Nápad z Brém

V Seattlu přednesla svůj příspěvek i Barbara Rheinhold‑Hurek z univerzity v Brémách o třetím možném způsobu fixace dusíku, a to nalezení bakterií v rostlinách fixujících dusík, které ale nepotřebují vytvářet hlízy, které by ho předávaly hostitelské rostlině. První taková rostlina byla objevena v roce 1986 a od té doby se zkoumá, jakým způsobem bakterie rodu Azoarcus fixuje dusík v trávě původem z Pákistánu. Téměř všechny bakterie fixující dusík (diazotrofické bakterie), které až dosud výzkumnice identifikovala, nalezla v trávách. Z nich nejproduktivnější byla brazilská cukrová třtina. Bakterie v ní vytvářejí tolik dusíku, že vyžaduje asi jen čtvrtinu umělých hnojiv, která se obvykle aplikují.

V současné době se zkoumají všechny tři varianty, aby pomohly zemědělcům zvýšit produkci potravin při minimalizaci ekologických škod.

Vylepšit mechanismus fotosyntézy

Rostliny ukradly princip fotosyntézy bakteriím před více než miliardou let, přičemž v každé jednotlivé rostlině, ať již jde o mech nebo o sekvoj, je mechanismus stejný. Některé fotosyntetizující bakterie ale dovedou přeměňovat oxid uhličitý na potravu mnohem efektivněji, než to dovede většina rostlin. Pokud by se podařilo zdokonalit mechanismus fotosyntézy u potravinových rostlin, bude to mít stejný nebo ještě větší význam pro výživu lidí než zelená revoluce v 60. letech minulého století.

Teprve budoucnost ukáže, zda navrhovaná opatření a výzkumy pomohou zajistit dostatek potravin pro rostoucí počet obyvatel Země.

Zdroje:

National Geographic, 1998, říjen, s. 58 – 66

Food flashpoint rocked Egypt, New Scientist, 2011, č. 2799, s. 6

Food revolution, New Scientist, 2011, č. 2800, s. 3

Food crops to fix fertilizer from air. New Scientist, 2011, č. 2811, s. 5

Václav Vaněk: Bez jádra to nepůjde. Kap. 6.4: Využití jaderné vědy a techniky v zemědělství a Kap. 6.5: Radiační ošetřování potravin. Vydal ČEZ, a.s. 2008

One Minute with Lester Brown: New Scientist, 2011, č. 2798, s. 27

Debore McKenzie: Feeding the 9 billion. New Scientist, 2011, č. 2735, s. 8‑9

Andy Coghlan: Food crops to fix fertilizer from air. New Scientist, 2011, č. 2811, s. 8‑9

O využití ionizujícího záření a radionuklidů jsme již psali v http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/542-velke-davky-zareni

---

Borlaugův paradox

Intenzifikace zemědělství je dnes velice módní myšlenkou. Koncem ledna 2011 byla z podnětu britské vlády vypracována studie, v níž se dospělo k závěru, že jedinou cestou k zajištění výživy světového obyvatelstva je vyprodukovat více potravin ze stejné výměry půdy. Někteří vědci se ale domnívají, že je to chybný závěr. Již dnes se totiž vyprodukuje tolik potravin, aby byla zajištěna výživa deseti miliard lidí. Ovšem za podmínky, že by se s potravinami tolik neplýtvalo. Existuje však jiný důvod pro intenzifikaci zemědělství. Je jí záchrana deštných pralesů. Na klimatické konferenci v Cancúnu v prosinci 2010 požadovali četní delegáti, aby investice do zemědělství byly zahrnuty do programu REDD, což je fond, z něhož budou placeny země v tropickém pásmu, které budou chránit své pralesy aniž by uvolňovaly emise CO₂. S pokračující poptávkou po potravinách budou ale zemědělci, kteří dnes nejvíce ničí pralesy, patrně i nadále pokračovat v kácení velkého počtu stromů. V Brazílii připadá na jeden hektar pastvin pouze jedno zvíře. Pokud by zde byla na jeden hektar zvířata dvě, mohly by být zachráněny amazonské deštné pralesy. Strategie brazilské vlády vychází právě z tohoto předpokladu a Světová banka, která fond REDD spravuje, je téhož názoru. Myšlenka, že intenzifikace zemědělství snižuje tlak na půdu, se někdy označuje jako Borlaugův paradox po Normanu Borlaugovi, který je považován za pionýra zelené revoluce. Protiargument spočívá v tom, že zemědělci nekácí pralesy proto, aby zajistili výživu lidí, ale proto, aby získali větší příjmy. Takže pomoc zemědělcům, aby byli efektivnější a produktivnější, zejména těm, kdo žijí v blízkosti pralesů, nesníží riziko odlesňování, ale naopak toto riziko spíše zvýší.

Zdroj: Fred Pearce: The Borlaug paradox: New Scientist, 2011, č. 2798, s. 26