των Chiara Perruchon, Ευαγγελία Παπαδοπούλου, Δημήτρη Καρπούζα
Νέα ερευνητικά δεδομένα από το πρόγραμμα FRIDA (ΕΛΙΔΕΚ – Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας) δείχνουν ότι οι επαναλαμβανόμενες εφαρμογές του ίδιου παρεμποδιστή μπορεί να μειώνουν την αποτελεσματικότητά του, αναδεικνύοντας τη σημασία της εναλλαγής στη χρήση τους ως βασική πρακτική για τη διατήρηση υψηλών αποδόσεων, τη μείωση του κόστους και της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης.
Το άζωτο (N) είναι ένα από τα σημαντικότερα θρεπτικά στοιχεία για την ανάπτυξη των φυτών. Συμβάλλει στη δημιουργία πλούσιου φυλλώματος, υγιούς ριζικού συστήματος και υψηλότερων αποδόσεων. Αν και αποτελεί το πιο άφθονο στοιχείο στη Γη, βρίσκεται κυρίως στην ατμόσφαιρα, και μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες στο έδαφος. Για το λόγο αυτό, η προσθήκη αζωτούχων λιπασμάτων στα γεωργικά εδάφη θεωρείται απαραίτητη για την καλλιέργεια και η χρήση τους έχει αυξηθεί εντυπωσιακά τις τελευταίες δεκαετίες. Χαρακτηριστικό είναι ότι η παγκόσμια κατανάλωση συνθετικών αζωτούχων λιπασμάτων εκτινάχθηκε από 11.8 εκατομμύρια τόνους (11.8 Tg) το 1961 σε 108 εκατομμύρια τόνους (108 Tg) το 2017. Αντίστοιχα, η μέση χρήση αζώτου ανά εκτάριο καλλιεργήσιμης γης αυξήθηκε από 8,46 κιλά/ haτο 1961 σε 69,71 κιλά/haτο 2017
Ωστόσο, δεν απορροφάται όλο το άζωτο από τα φυτά. Υπολογίζεται ότι, ανάλογα με τις εδαφοκλιματικές συνθήκες, έως και το 50% του αζώτου που εφαρμόζεται με τη λίπανση χάνεται στο περιβάλλον. Αυτό σημαίνει οικονομική απώλεια για τον παραγωγό, αλλά και σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η ρύπανση των υδάτων και οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Το άζωτο από τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις χάνεται κυρίως μέσω της εξάτμισης της αμμωνίας (NH3), της έκπλυσης των νιτρικών (NO3−) εκτός της ριζικής ζώνης και της απονιτροποίησης, κατά την οποία τα νιτρικά μετατρέπονται σε αέριες μορφές αζώτου. Αφού εφαρμοστούν, τα περισσότερα αζωτούχα λιπάσματα μετατρέπονται σε ιόντα αμμωνίου (NH4+), τα οποία αφομοιώνονται εύκολα από τα φυτά. Όμως, όταν χρησιμοποιείται ουρία, παράγεται ως ενδιάμεσο προϊόν αμμωνία, η οποία μπορεί εύκολα να εξατμιστεί. Το pH του εδάφους είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει τις απώλειες αζώτου.
Σε αλκαλικά εδάφη, η αμμωνία (NH3) τείνει να εξατμίζεται πιο εύκολα, ενώ σε χαμηλότερες τιμές pH μετατρέπεται σε ιόντα αμμωνίου (NH4+), τα οποία είναι πιο σταθερά στο έδαφος. Τα αμμωνιακά ιόντα μπορούν να απορροφηθούν από τα φυτά, αλλά συχνά μετατρέπονται μέσω της νιτροποίησης – μιας μικροβιακής διεργασίας – σε νιτρικά (NO3-).Τα νιτρικά απορροφώνται επίσης από τις καλλιέργειες, όμως λόγω του αρνητικού τους φορτίου, εμφανίζουν υψηλή κινητικότητά στο έδαφος και συχνά χάνονται μέσω έκπλυσης. Επιπλέον, μέσω απονιτροποίησης συγκεκριμένοι μικροοργανισμοί μπορούν να τα μετατρέψουν σε αέριες μορφές αζώτου, όπως το στοιχειακό άζωτο (N2) ή το υποξείδιο του αζώτου (N2Ο), που διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα. Η ισορροπία μεταξύ αυτών των διαδικασιών εξαρτάται από πολλούς παράγοντες (π.χ. υγρασία, θερμοκρασία, οργανική ουσία, pH), γεγονός που καθιστά δύσκολο να προβλεφθεί πόσο από το εφαρμοζόμενο άζωτο θα αξιοποιηθεί από τα φυτά και πόσο θα χαθεί στο περιβάλλον.
Για να περιοριστούν οι απώλειες αζώτου και να αυξηθεί η αποδοτικότητα της λίπανσης, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες που ωφελούν τόσο το εισόδημα του παραγωγού όσο και το περιβάλλον. Μία από τις πιο σημαντικές είναι η χρήση πρεμποδιστών νιτροποίησης (ΠΝ), δηλαδή ουσιών που επιβραδύνουν τη μικροβιακή μετατροπή των αμμωνιακών ιόντων (NH4+) σε νιτρικά (NO3-). Οι παρεμποδιστές αυτοί παρατείνουν τον χρόνο κατά τον οποίο το άζωτο του λιπάσματος παραμένει διαθέσιμο στο έδαφος για απορρόφηση από τα φυτά από 6–8 εβδομάδες σε 8–16 εβδομάδες. Αυτό οδηγεί σε καλύτερη αξιοποίηση του αζώτου και, έμμεσα, σε αύξηση των αποδόσεων σε κηπευτικά και σιτηρά κατά 2–4.5%.2. Η σημασία τους φαίνεται και από τα οικονομικά στοιχεία: η παγκόσμια αγορά παρεμποδιστών νιτροποίησης αποτιμήθηκε σε περίπου 1.6 δισεκατομμύρια δολάρια το 2023 και αναμένεται να ξεπεράσει τα 2.6 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2030.3 Παρά τη ραγδαία ανάπτυξη όμως, η παγκόσμια χρήση βασίζεται κυρίως σε τρεις μόνο ουσίες: dicyandiamide (DCD), 3,4-dimethylpyrazole phosphate (DMPP) και nitrapyrin.
Στην πράξη, η συνεχής εφαρμογή του ίδιου παρεμποδιστή μπορεί με τον καιρό να μειώσει την αποτελεσματικότητά του. Παρόμοια φαινόμενα παρατηρούνται και σε άλλες περιπτώσεις χρήσης χημικών ουσιών, όπως στα γεωργικά φάρμακα ή στα αντιβιοτικά. Η μείωση της αποτελεσματικότητας οφείλεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς: (1) τη βιοαποδόμηση και (2) την ανάπτυξη ανθεκτικότητας στους μικροοργανισμούς-στόχους. Η βιοαποδόμηση είναι η διαδικασία κατά την οποία μικροοργανισμοί του εδάφους, όπως βακτήρια και μύκητες, διασπούν οργανικές ενώσεις σε απλούστερες ουσίες. Με αυτόν τον τρόπο τις αξιοποιούν ως πηγή άνθρακα, αζώτου ή ενέργειας, με αποτέλεσμα η χημική ουσία να «εξαφανίζεται» από το περιβάλλον στο οποίο εφαρμόστηκε. Αυτό καθιστά την εφαρμογή αναποτελεσματική, οδηγώντας σε οικονομικές απώλειες για τον παραγωγό και σε επιπλέον απώλειες αζώτου στο περιβάλλον. Σε αντίθεση με τα φυσικά προϊόντα που αποσυντίθενται πιο εύκολα, οι συνθετικές ενώσεις συχνά δεν αναγνωρίζονται από τα κοινά ένζυμα του εδάφους και ως εκ τούτου παραμένουν περισσότερο χρόνο στα εδαφικά οικοσυστήματα. Όμως, όταν εφαρμόζονται επανειλημμένα στο ίδιο χωράφι, μπορεί να ευνοήσουν την ανάπτυξη μικροοργανισμών που τυχαία διαθέτουν την ικανότητα να τις διασπούν. Αντίστοιχα, η μακροχρόνια χρήση του ίδιου παρεμποδιστή μπορεί να οδηγήσει σε μικροοργανισμούς που δεν επηρεάζονται πλέον από αυτόν, λόγω τροποποιήσεων του στόχου της δράσης τους έναντι του μικροοργανισμού.
Στο πλαίσιο αυτό, υλοποιείται στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, ένα ερευνητικό πρόγραμμα με την ονομασία FRIDA, στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας και Ιολογίας του Τμήματος Περιβάλλοντος. Στόχος του είναι, μεταξύ άλλων, να διερευνήσει τη δυνατότητα βιοαποδόμησης των παρεμποδιστών νιτροποίησης. Το FRIDA - FRom Inhibition to aDAptation: Exploring the interplay between nitrification inhibitors and the soil microbiome towards a sustainable agriculture («Από την αναστολή στην προσαρμογή: Διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των παρεμποδιστών νιτροποίησης και των μικροοργανισμών του εδάφους με στόχο μια βιώσιμη γεωργία») είναι ένα διετές έργο που χρηματοδοτείται από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας (ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ. Αριθμός έργου 7840).
Για τις ανάγκες του προγράμματος FRIDA, συλλέχθηκαν διαφορετικά εδάφη: με προηγούμενο ιστορικό εφαρμογής παρεμποδιστών νιτροποίησης, καθώς και εδάφη όπου δεν είχαν χρησιμοποιηθεί ποτέ παρεμποδιστες. Τα εδάφη αυτά υποβλήθηκαν σε εργαστηριακό πείραμα με επαναλαμβανόμενες εφαρμογές των παρεμποδιστών, σε δόσεις αντίστοιχες με εκείνες που εφαρμόζονται στις καλλιέργειες. Συνολικά έγιναν επτά εφαρμογές μέσα σε 3,5 χρόνια (Σεπτέμβριος 2022 – Μάρτιος 2025), με ενδιάμεσες φάσεις στέρησης θρεπτικών ώστε να ενισχυθεί η πιθανότητα εμφάνισης μικροοργανισμών με ικανότητα αποδόμησης. Η αρχική υπόθεση ήταν ότι η βιοαποδόμηση θα εμφανιζόταν πιο εύκολα σε εδάφη με προηγούμενη έκθεση σε ΠΝ, καθώς εκεί πιθανόν να είχαν ήδη επιλεγεί οι «κατάλληλοι» μικροοργανισμοί. Όμως, τα αποτελέσματα ήταν ανατρεπτικά. Η πλήρης αποδόμηση του παρεμποδιστή DMPP παρατηρήθηκε μέσα σε 28–35 ημέρες σε δείγματα εδάφους από ορυζώνα, όπου ο συγκεκριμένος ΠΝ δεν είχε χρησιμοποιηθεί ποτέ εκτός εργαστηρίου. Μόλις επτά εφαρμογές σε εργαστηριακές συνθήκες ήταν αρκετές για να επιλεγούν μικροοργανισμοί ικανοί να το διασπούν. Το εύρημα αυτό μας οδηγεί σε έναν προβληματισμό: αν η διαδικασία μπορεί να συμβεί τόσο γρήγορα στο εργαστήριο, τι μπορεί να συμβεί σε χωράφια όπου ο ίδιος ΠΝ εφαρμόζεται συστηματικά εδώ και δεκαετίες;
Αν και στη μελέτη μας οι περισσότεροι ΠΝ εμφάνισαν ανθεκτικότητα στη βιοαποδόμηση, το γεγονός ότι παρατηρήθηκε σε ένα μόνο έδαφος αρκεί για να σημάνει προειδοποίηση. Ιδιαίτερα αν λάβουμε υπόψη ότι οι εναλλακτικές λύσεις είναι σήμερα περιορισμένες, γίνεται σαφές ότι απαιτείται μεγαλύτερη προσοχή και περαιτέρω έρευνα.
Η έρευνα προσπαθεί να δώσει λύσεις. Τα τελευταία χρόνια, πολλές προσπάθειες επικεντρώνονται στην ανακάλυψη νέων παρεμποδιστών νιτροποίησης, ώστε να εμπλουτιστεί η διαθέσιμη «φαρέτρα». Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε βιολογικής προέλευσης ουσίες, οι οποίες ενδέχεται να έχουν μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Παράλληλα, μελέτες όπως το ερευνητικό πρόγραμμα FRIDA συνεχίζουν να ερευνούν τους ήδη υπάρχοντες συνθετικούς παρεμποδιστές. Παρά τη μακροχρόνια χρήση τους, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά κενά γνώσης, όπως ο ακριβής μηχανισμός δράσης τους στους μικροοργανισμούς-στόχους, αλλά και οι ευρύτερες επιπτώσεις τους στη μικροβιακή κοινότητα του εδάφους. Η καλύτερη κατανόηση αυτών των μηχανισμών θα συμβάλει στη βελτίωση της αποτελεσματικότητάς τους και στη μείωση πιθανών ανεπιθύμητων επιπτώσεων, ώστε να καταστούν πιο αποτελεσματικά και πιο στοχευμένα εργαλεία για τους αγρότες.
Τι μπορεί να γίνει στην πράξη; Η καλύτερη στρατηγική είναι η πρόληψη. Η αύξηση της δόσης, ειδικά όταν παρατηρείται μείωση της αποτελεσματικότητας, δεν αποτελεί λύση. Αντίθετα, ενισχύει την «επιλεκτική πίεση» στους μικροοργανισμούς, επιδεινώνει το πρόβλημα και αυξάνει τον κίνδυνο αρνητικών επιπτώσεων στο περιβάλλον. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος είναι η εναλλαγή: να χρησιμοποιούνται περιοδικά διαφορετικοί παρεμποδιστές νιτροποίησης. Όπως συμβαίνει και με τα γεωργικά φάρμακα, η εναλλαγή πρέπει να καθιερωθεί ως κοινή γεωργική πρακτική. Με αυτόν τον τρόπο διατηρείται η αποτελεσματικότητα των ΠΝ σε βάθος χρόνου, εξασφαλίζεται καλύτερη αξιοποίηση του αζώτου, υψηλότερες καλλιεργητικές αποδόσεις, χαμηλότερο κόστος λίπανσης και μικρότερη ρύπανση του περιβάλλοντος. Ίσως να απαιτεί περισσότερη οργάνωση, αλλά σίγουρα αξίζει τον κόπο!
H Chiara Perruchon είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια και επιστημονική υπεύθυνη του έργου FRIDA- FRom Inhibition to aDAptation: Exploring the interplay between nitrification inhibitors and the soil microbiome towards a sustainable agriculture.
Ο Δημήτρης Καρπούζας είναι Καθηγητής Περιβαλλοντικής Μικτοβιολογίας και Βιοτεχνολογίας στο Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας.
Η Ευαγγελία Παπαδοπούλου είναι Επίκουρος Καθηγήτρια Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας, στο Τμήμα Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και Υπεύθυνη της ερευνητικής ομάδας υποδοχής της μεταδιδακτορικής ερευνήτριας Dr Chiara Perruchon.
Το έργο χρηματοδοτείτε από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας & Καινοτομίας -ΕΛΙΔΕΚ, με Αριθμό Έργου 7840.
