SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU FAKULTET AGROBIOTEHNIČKIH ZNANOSTI OSIJEK Petra Majstorović Preddiplomski sveučilišni studij Poljoprivreda Smjer Bilinogojstvo Biofortifikacija paprike selenom Završni rad Osijek, 2018.
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU FAKULTET AGROBIOTEHNIČKIH ZNANOSTI OSIJEK Petra Majstorović Preddiplomski sveučilišni studij Poljoprivreda Smjer Bilinogojstvo Biofortifikacija paprike selenom Završni rad Povjerenstvo za ocjenu završnog rada: 1. prof. dr. sc. Zdenko Lončarić, mentor 2. izv. prof. dr. sc. Tomislav Vinković, član 3. doc. dr. sc. Vladimir Ivezić, član Osijek, 2018.
TEMELJNA DOKUMENTACIJSKA KARTICA Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Fakultet agrobiotehničkih znanosti Osijek Preddiplomski sveučilišni studij Poljoprivreda, studij Bilinogojstvo Završni rad Petra Majstorović Biofortifikacija paprike selenom Sažetak: Selen je esencijalni element koji je izrazito važan, tj. neophodan za ljude, kao antioksidans štiti stanice od oksidativnog stresa te sudjeluje u imunološkim reakcijama organizma. Zbog velikog utjecaja na zdravlje, a malog unosa prehranom u Hrvatskoj, Europi i širom po svijetu, značajna su istraživanja utjecaja biofortifikacije na koncentraciju selena u konzumnim dijelovima biljaka. Cilj ovog rada je istraživanje utjecaja agronomske biofortifikacije paprike na koncentraciju selena u plodu. Na pokusnim parcelicama obavljena su 2 tretmana; bez aplikacije selena i aplikacija selena predsjetveno po površini tla u količini 10 g Se ha -1 u obliku natrijevog selenata (Na 2SeO 4). Izmjerene koncentracije mikroelemenata i toksičnih elemenata u tlu su ispod granice maksimalno dopuštenih koncentracija, što znači da je analizirano urbano vrtno tlo povoljno za poljoprivrednu proizvodnju. Poljskim je pokusom utvrđeno da biofortifikacija paprike selenom ne utječe na prinos ploda paprike, ali je povećana koncentracija selena u plodu s 27,5 µg kg -1 na 329,1 µg kg -1 suhe tvari, a koncentracije selena u stabljici i listu paprike bile su još veće. Najznačajniji učinak biofortifikacije je sedmerostruko povećanje koncentracije selena (s 4,98 na 34,60 µg kg -1 ) u svježem plodu paprike za proizvodnju ajvara, što znači da konzumiranje 100 g biofortificiranog ploda paprike osigurava 6,3 % dnevno potrebnih količina selena (3,46 od potrebnih 55 µg Se dnevno). Ključne riječi: pothranjenost, selen, biofortifikacija, paprika 20 stranica, 5 tablica, 1 grafikon, 27 literaturnih navoda Završni rad je pohranjen: u knjižnici Fakulteta agrobiotehničkih znanosti Osijek i u digitalnom repozitoriju završnih i diplomskih radova Fakulteta agrobiotehničkih znanosti Osijek BASIC DOCUMENTATION CARD Josip Juraj Strossmayer University of Osijek Faculty of Agrobiotechnical Sciences Osijek Undergraduate university study Agriculture, course Horticulture BSc Thesis Biofortification of pepper by selenium Summary: Selenium is an essential element which is extremely important, essential for humans, as an antioxidant it protects cells from oxidative stress and participates in immune reactions of the human organism. Due to its great influence on health, and low intake through nutrition in Croatia, Europe and the world, there is an increased in research of the influence of biofortifications on the concentration of the selenium in the edible plant parts. The aim of this paper was to determine influnce of the agronomic biofortification of the pepper on the selenium concentration in the fruit. Two treatments were performed, each on 4 field plots; one with no application of selenium and one with an application of 10 g Se ha -1 selenium on the soil surface before sowing, in the form of sodium selenate (Na 2SeO 4). Determined concentrations of microelements and toxic elements in the soil are below the limits of maximum permissible concentrations, which means that urban garden soil is suitable for agricultural production. The field experiment showed that pepper biofortification did not affect fruit yield but increased selenium concentrations in fruit from 27,5 μg kg -1 to 329,1 μg kg -1 dry matter, and the selenium concentrations in stalk and leaf were even higher. The most significant effect of biofortification is the seven-fold increase in selenium concentrations (from 4.98 to 34.60 μg kg -1 ) in fresh fruit of pepper, which means that consuming 100 g of fresh biofortified pepper provides 6.3 % of the daily required amount of selenium (3,46 of the required 55 μg per day). Keywords: malnutrition, selenium, biofortification, pepper 20 pages, 5 tables, 1 figure, 27 references BSc Thesis is archived in Library of Faculty of Agrobiotechnical Sciences Osijek and in digital repository of Faculty of Agrobiotechnical Sciences Osijek.
Sadržaj 1. UVOD... 1 1.1. Pregled literature... 2 1.1.1. Selen - oblici u tlu, koncentracije i bioraspoloživost... 2 1.1.2. Selen u biljkama... 4 1.1.3. Selen u prehrani... 4 1.1.4. Biofortifikacija... 5 1.2. Cilj istraživanja... 6 2. MATERIJAL I METODE... 7 2.1. Lokalitet poljskog pokusa i analize tla... 7 2.1.1. Reakcija (ph vrijednost) tla... 7 2.1.2. Sadržaj organske tvari (humusa) u tlu... 8 2.1.3. Koncentracija lakopristupačnog kalija i fosfora ekstrahiranog AL-metodom... 8 2.1.4. Sadržaj karbonata u tlu... 9 2.1.5. Ukupne koncentracije Se i teških metala u tlu... 9 2.2. Gnojidba i uzgoj paprike... 10 2.3. Agronomska biofortifikacija paprike... 10 2.4. Analiza biljnog materijala... 11 2.5. Statistička obrada podataka... 11 3. REZULTATI I RASPRAVA... 12 3.1. Osnovna agrokemijska svojstva tla... 12 3.2. Ukupne koncentracije esencijalnih i beneficijalnih mikroelemenatau tlu... 13 3.3. Ukupne koncentracije štetnih elemenata u tlu... 14 3.4. Utjecaj biofortifikacije na prinos ploda paprike... 16 3.5. Utjecaj biofortifikacije na koncentraciju selena u plodu, stabljici i listu paprike... 16 4. ZAKLJUČAK... 18 5. POPIS LITERATURE... 19
1. UVOD Paprika (Capsicum annuum L.) je jednogodišnja zeljasta biljka koja pripada porodici pomoćnica (Solanaceae). Spada u grupu najznačajnijih povrtnih kultura zbog svoje visokonutritivne i hranjive vrijednosti. Ističe se visokim sadržajem vitamina (posebno vitamin C), pigmenata, mineralnih soli i drugih nutrijenata (Parađiković, 2009.). Smatra se da paprika potječe iz Južne Amerike što potvrđuju ostaci u Peruu stari 3-4 tisuće godina. Uzgaja se zbog plodovitog dijela, šuplje bobe, koja se bere u tehnološkoj zriobi. Najveća iskoristiva hranidbena vrijednost je kada se koristi u svježem obliku, kao sama salata ili u kombinaciji s drugim povrćem (Lešić i sur., 2002.). Bogatstvo vitaminima i mineralima čine papriku jednom od najznačajnijih namirnica. Njena niska kalorična vrijednost i visok sadržaj vode zajedno s ostalim povrćem utječe na kondiciju čovjeka, a time i na radnu sposobnost. Paprika je jako dobar izvor kalija (165-435 mg/100g svježeg jestivog dijela), sadrži i druge važne minerale kao što su sumpor (91 mg/100g), magnezij (12 mg/100g), fosfor (17 mg/100g), natrij (0,5-13 mg/100g). Paprika je vrlo rentabilna kultura za uzgoj te ju možemo koristiti u sirovom, konzerviranom i termički obrađenom stanju (Matotan, 1994.). Prosječan prinos paprike u Republici Hrvatskoj iznosi oko 15,2 t/ha, a uzgaja se na 1.023 ha (Statistički ljetopis RH, 2017.). Selen pripada grupi elemenata u tragovima, a neophodan je (esencijalan) za ljude i životinje, dok je za biljke koristan (beneficijalan), ali ne i neophodan. Selen sudjeluje u zaštiti organizma od oksidacijskih oštećenja, ima antivirusnu ulogu te pozitivno djeluje na reprodukciju kod muškaraca i žena (Rayman, 2012.). Unos selena prehranom varira u cijelom svijetu no većinom je nedostatan, posebice u Europi te Kini na istočnim područjima, što rezultira pothranjenošću ljudi selenom. Mikronutricionalna pothranjenost zvana skrivena glad je jedna od većih zdravstvenih problema u svijetu. Das i sur. (2018.) navode kako od 2012. do 2014. godine oko 11,3 % svjetske populacije pati od pothranjenosti selenom. 1
Kako bi selen djelovao kao antioksidans, štitio kardiovaskularni sustav i djelovao antagonistički prema teškim metalima, preporučeno je da unos selena za muškarce i žene od 25 do 50 godina starosti treba biti 55-70 µg po danu. Smanjeni unosa selena i ostalih esencijalnih elemenata, tj. pothranjenost možemo djelomično ili u potpunosti neutralizirati biofortifikacijom usjeva. White i Broadley (2009.) definiraju biofortifikaciju kao povećanje koncentracije, ne samo selena već i drugih važnih esencijalnih elemenata za ljudsko zdravlje, a razlikujemo genetsku i agronomsku biofortifikaciju. Povećanjem koncentracije i bioraspoloživosti selena uspješno povećavamo njegovu zastupljenost u ljudskoj prehrani. Nužno je znati i pratiti promjene povećanja selena jer u visokim koncentracijama djeluje toksično na ljude. Postupak biofortifikacije je predložen kao alternativni pristup popravljanju nacionalne ishrane mineralima (Das i sur., 2018.). 1.1. Pregled literature 1.1.1. Selen - oblici u tlu, koncentracije i bioraspoloživost Selen je nemetal kojeg su otkrili Berzelius i Gahn. Istraživajući mogući izvor telura, pronašli su selen u mulju olovnih komora koje se koriste za proizvodnju sumporne kiseline. Kemijski je sličan teluru lat. Tellus ili zemlja, te je Berzelius, razmišljajuću o sličnosti ta dva elementa selenu dao ime mjesec jer se nakon taljenja brzo ohladi i oslobađa sjaj sličan sjaju mjeseca (Bagnall, 1973.). Esencijalan je za životinjsko i ljudsko zdravlje, ali toksičan u velikim količinama. Prema zahtjevima biljaka spada u korisne elemente zajedno s kobaltom, silicijem, aluminijem, natrijem i drugim elementima. Kofaktor je nekoliko enzima kao što je glutation peroksidaza koja štiti organizam od oksidacijskih oštećenja (Vukadinović i Lončarić, 1998.). Selen je sastavni dio selenoproteina koji imaju širok opseg pleiotropnog učinka, od antioksidativnog i protuupalnog efekta do produkcije aktivnog stimulirajućeg hormona tiroida koji je važan za reguliranje i stimuliranje hormona štitnjače. Kod ljudi je esencijalan 2
za reprodukciju, reducira rizik od autoimune tiroidne bolesti te djeluje antivirusno na organizam (Rayman, 2012.). Vulkanskim aktivnostima nastaju vulkanske stijene i metalni sulfidi koji su jedan od najčešćih izvora selena u prirodi. Koncentracija selena u biljci je refleksija koncentracije selena u tlu i njegove pristupačnosti. Prosječni sadržaj selena u zemljinoj kori je nizak (0,05-0,09 µg g -1 ). U magmatskim stijenama smanjenjem bazičnosti smanjuje se i koncentracija selena. Kod sedimentnih stijena selen je vezan za organske i glinovite frakcije, većinom je nađen u fosfatima, uljnom škriljevcu s velikom količinom organskog materijala, rudi urana itd. Koncentracija selena u tlu je varijabilna, kod većine tala je u rangu od 0,1-2 µg Se g -1 tla. Deficitom selena u tlima se smatraju područja s manje od 0,5 µg g -1 (Manojlović i Lončarić, 2017.). Selen u tlu možemo naći u mineralnom i organskom obliku. Ima 5 valentnih stanja; selenat, selenit, tioselenat, selenid i elementarni selen. Biljke teško usvajaju selenide i koloidni elementarni selen. Pristupačnost selena ovisi o različitim faktorima kao što su ph tla, koncentracija željeza i aluminija, količina kalcijevog karbonata i dr. U alkalnim tlima selenat (SeO4 2- ) je pristupačan u visokotopivom obliku te ga biljke efikasno apsorbiraju. Kod teških i neprozračnih tala sa kiselom rekacijom, selen je najviše prisutan u tlu u obliku selenida. Organski selen je prisutan u tlu u malim količinama kao rezultat degradacije organske tvari i bioloških aktivnosti. Rasprostranjenost selena na kopnenom području nije jednaka i njegova pristupčnost u tlima je većinom niska što utječe na prehranu bilja selenom te tako i na zdravlje. Selen je u tlima često u biljkama neraspoloživim oblicima i biljka više koristi sumpor za redoks reakcije. Suvišna akumulacija selena je toksična za većinu kritosjemenjača. Pogrešna inkorporacija selenocisteina i selenometionina u proteine remeti njihovu funkciju, izaziva oksidativni stres koji šteti normalnoj funkciji metabolizma te oštećuje strukturu stanice (White, 2018.). Današnja istraživanja pokazuju jako nisku koncentraciju selena na jugoistočnom europskom, tj. balkanskom području. Koncentracije u većini tala se kreću od 0,024-0,45 µg g -1. Niske koncentracije selena zabilježene su u Požeškoj kotlini u poljoprivrednim tima 0,020-0,048 µg g -1, u istočnoj Hrvatskoj u većini tala koncentracije se kreću od 0,090-0,520 µg g -1 (Manojlović i Lončarić, 2017.). 3
1.1.2. Selen u biljkama Selen nije esencijalni element za biljke iako može biti od koristi za njihov rast i razvoj u različitim okolinama (White, 2018.). Ugrađuje se u proteine koji izgrađuju organizam, a većina selenoproteina su važni enzimi koji su pronađeni i kod prokariota no nije dokazano njihovo esencijalno djelovanje na rast i razvoj (Birrigner i sur., 2002.). Selen pozitivno djeluje na biljke zbog njegovog antioksidativnog djelovanja što smanjuje vanjski stres. Prvo je bio znan kao toksični element, no znanstvenici su vjerovali da pronalaskom optimalne koncentracije selena mogu beneficirati zdravlju (Rayaman, 2012.). Biljke usvajaju selen iz rizosfere i to najčešće u obliku selenata (SeO4 2- ) i selenita (SeO3 2- ). Selenit se usvaja preko korijena u obliku HSeO3 - s fosfatnim prenositeljima i kao H2SeO3. Selenat se nakon unosa korijenovim dlačicama brzo kreće kroz korijenov simplast do vaskularnog snopa (ksilema i floema) te se premješta do nadzemnog dijela gdje se selenit pretvara u organski oblik selena. Usvojeni selen također dobrim dijelom staje u korijenu (White, 2018.). Pozitivni efekti selena na biljke ogledaju se u smanjenju toksičnosti metala, neutralizaciji stres, utjecaju na distribuciju esencijalnih elemenata, fotosintezu, rast i razvoj biljke (Manojlović i Lončarić, 2017.). 1.1.3. Selen u prehrani Selen je esencijalni element za ljude jer regulira metabolizam tiroidnog hormona, jača imunološki sustav, sudjeluje u prevenciji poremećaja rada srca, kostiju i zglobova te je esencijalan za reprodukciju muškaraca i žena. Njegov unos prehranom u organizam je nedostatan te veliki dio populacije pati od skrivene gladi (Lidon i sur., 2018.). Unos prehranom varira u cijelome svijetu, od deficita do toksičnosti koja uzrokuje loš zadah, gubitak kose i noktiju, poremećaje živčanog sustava i kože, kvarnost zubi te paralizu. Nedostatak selena povezan je s povećanim mortalitetom te slabom imunološkom reakcijom organizma. Istraživanja su pokazala pozitivan učinak povećane koncentracije selena na smanjenje rizika od raka prostate, pluća i debelog crijeva. Dopuna selena u prehrani ljudi 4
ima pozitivan utjecaj na organizam, prosječan unosa selena prehranom u Europi iznosi 40 µg/dan. Unos selena u SAD-u kod muškaraca iznosi 134 µg, a kod žena 93 µg/dan jer 50 % populacije u prehrani uzima dodatke selena. Unos selena varira po državama, najveći je u Venecueli, Kanadi, SAD-u i Japanu, a najniži možemo naći u Europi te Kini, posebice na istočnim područjima. Novi Zeland je država koja je prije imala niski unos selena te je uvozom pšenice obogaćene selenom iz Australije povećala prosječni dnevni unos selena (Rayman, 2012.). Selen kod životinja pozitivno djeluje na prevenciju mišićne distrofije, sprječava zaostatak posteljice, jača imunološki sustav te pozitivno djeluje na reproduktivnu sposobnost (Manojlović i Lončarić, 2017.). 1.1.4. Biofortifikacija U sprječavanju pothranjenosti elementima, posebno selenom, važnu ulogu ima biofortifikacija. To je proces povećanja nutritivne vrijednosti usjeva, što je rezultat povećanja koncentracije mikronutrijenata u biljci genetskom selekcijom, biotehnološkim i agronomskim postupcima. Genetska biofortifikacija uključuje klasično oplemenjivanje bilja s ciljem povećanja koncentracije probiotika, smanjenje koncentracija antinutrijenata te povećanje koncentracija mikronutrijenata. Agronomska biofortifikacija je strategija povećanja koncentracije nutrijenata fertilizacijom različitim oblicima gnojiva. U usporedbi s genetskom, agronomska biofortifikacija je brža i učinkovitija, ne zahtijev dugotrajno povratno križanje, no cijena gnojiva, pa i određeni utjecaj na okoliš su značajni činitelji ukupne uspješnosti i primjenjivosti agronomske biofortifikacije. Većinom su mikronutrijenata gnojidbom dodani u zonu korijena ili na list folijarnom aplikacijom. Selen se može aplicirati u tlo ili folijarno u obliku natrijevog selenita (Na2SeO3) ili selenata (Na2SeO4), a koncentracije selena u gnojivima u uporabi mogu biti i 300 µg/kg (Das i sur., 2018.). Valenca i sur. (2017.) navode da je agronomskom biofortifikacijom provedenom u Finskoj, gdje je selen dodan u složena trojna NPK gnojiva (15 mg Se/kg), uspješno 15 puta povećana koncentracija selena u usjevim. 5
1.2. Cilj istraživanja Cilj ovog istraživanja bio je: 1. utvrditi utjecaj aplikacije selena u tlo na obogaćivanje ploda paprike za proizvodnju ajvara selenom, 2. utvrditi koncentracije selena u plodu, stabljici i listovima paprike za proizvodnju ajvara. 6
2. MATERIJAL I METODE 2.1. Lokalitet poljskog pokusa i analize tla Poljski pokus agrofortifikacije paprike selenom proveden je u urbanom vrtu u naselju Filipovica u Osijeku, u Osječko-baranjskoj županiji. Prosječni uzorci oraničnog sloja tla (0-30 cm) urbanog vrta prikupljeni su agrokemijskom sondom, te osušeni, samljeveni, prosijani i pripremljeni za agrokemijske analize sukladno standardnom propisanom postupku (ISO, 1994.). Analiza tla je jedna od glavnih mjera s kojom utvrđujemo stanje i pristupačnost hranjiva u tlu. Humus, ph, tekstura, kapacitet adsorpcijskog kompleksa utječu na raspoloživost hraniva u tlu, te na učinkovitost gnojiva. Analiza tla je preduvjetom pravilne gnojidbe s ciljem imamo povećanje kvalitete i prinosa usjeva (Lončarić i Ivezić, 2014.). 2.1.1. Reakcija (ph vrijednost) tla ph vrijednost predstavlja negativan dekanski logaritam koncentracije H + iona. Pokazatelj je bioloških, kemijskih i fizikalnih svojstava tla važnih za rast i razvoj biljaka, te je određen mineralnim i ogranskim dijelom tla. Prema podrijetlu vodikovih iona u tlu ukupna reakcija dijeli se u 3 kategorije; aktualna, izmjenjiva i hidrolitička kiselost tla (Vukadinović i Lončarić, 1997.). Aktualna reakcija prikazuje prisutnost slobodnih iona H +, Al 3+ i OH - u vodenoj fazi tla. Određuje se elektrokemijski u vodenoj suspenziji tla. Izmjenjiva ili supstitucijska ph vrijednost određena je H + i dijelom iona aluminija i željeza koji se djelovanjem neutralnih soli zamjenjuju s adsorpcijskog kompleksa tla. Izmjenjiva reakcija je pokazatelj svojstava adsorpcijskog kompleksa tla. Mjerenje ph vrijednosti uzoraka tla zahtijeva prenošenje 10 g uzorka u čašu od 100 ml. Aktualnu kiselost tla određujemo u suspenziji tla prelivenog s 25 ml dezionizirane vode, a izmjenjivu kiselost u suspenziji tla prelivenog s 25 ml otopine KCl (mol/dm), te se nakon 30 min miješanja mjeri ph vrijednost ph-metrom koje je propisno kalibriran pufernim otopinama poznate ph vrijedosti (ISO, 1994.). 7
2.1.2. Sadržaj organske tvari (humusa) u tlu Humus predstavlja organsku tvar u tlu koja nastaje razlaganjem živih organizama te iznova gradi stabilne organske spojeve. Utječe na rast i razvoj biljaka te niz značajnih fizičkih i kemijskih svojstava tla kao što su sadržaj i raspoloživost elemenata, sorpcija iona, kapacitet za vodu, struktura (Vukadinović i Vukadinović, 2011.) Sadržaj orgasnke tvari tla određuje se bikromatnom metodom (ISO, 1994.) koja predstavlja mokro spaljivanje organske tvari kalij bikromatom. Koncentracija organskog ugljika određena je spektrofotometrijski, preračunava se u sadržaj organske tvari i izražava u postocima organske tvari (huusa) u tlu. 2.1.3. Koncentracija lakopristupačnog kalija i fosfora ekstrahiranog AL-metodom Lakopristupačni kalij predstavlja vodotopivi i izmjenjivo sorbirani oblik, a pod lakopristupačnim fosforom podrazumjevamo oblike fosfora u tlu koji prelaze u različite otopine baza, kiselina ili soli. Amonij-laktat metoda (AL-metoda) se zasniva na ekstrakciji kalija i fosfora iz uzoraka tla pufernom otopinom amonijevog laktata čiji je ph 3,75 (Egner i sur., 1960.). Za pripremu AL-otopine potrebna je 96% octena kiselina, amonij acetat i mliječna kiselina. Nakon ekstrakcije amonij-laktatnom otopinom (mućkanje na rotacijskoj mućkalici i filtriranje suspenzije tla), kocentracije raspoloživog fosfora i kalija mjerimo u bistrom filtratu. Koncentraciju fosfora određujemo spektrofotometrijskom metodom očitavanjem intenziteta stvorenog kompleksa plave boje. Kalij očitavamo direktno iz ekstraktra emisijom na AASu ili na plamenom-fotometru. Koncentracije lakopristupačnih fosfora i kalija izražavamo u mg P2O5 i K2O na 100g tla. Dobiveni rezultati predstavljaju količinu pristupačnih hranjiva prema čemu tla možemo svrstati u različite klase opskrbljenosti fosforom (s obzirom na reakciju tla) i kalijem (s obzirom na teksturu tla) (Lončarić i Karalić, 2015.) Tla se dijele na klase od jako siromašnih tala (klasa A), preko dobro opskrbljenih tala (klasa C) do tala ektremno visoke raspoloživosti fosfora ili kalija (klasa E). 8
2.1.4. Sadržaj karbonata u tlu Sadržaj karbonata u tlu određuje se volumetrijskom metodom standardiziranim postupkom (ISO, 1995.a). Brzom metodom uz pomoć 10 %-tne klorovodične kiseline može se utvrditi sadržaj karbonata u tlu, ali ne i objasniti njihovo porijeklo. Karbonati se uz pomoć klorovodične kiseline razaraju uz istovremeno otpuštanje ugljikovog dioksida, čiji se volumen mjeri kalcimetrom pri trenutnoj temperaturi i atmosferskom tlaku (ISO, 1995.a). Za mjerenje izdvojenog CO2 koristi se Scheiblerov kalcimetar, a sadržaj karbonata u tlu izražava se u % CaCO3. 2.1.5. Ukupne koncentracije Se i teških metala u tlu Ukupne koncentracije teških metala i selena određujemo postupcima djelomičnog ili potpunog razaranja tla. Razaranje se može obaviti zlatotopkom, flourovodičnom i nitratnom kiselinom. Uzorci tla razoreni su zlatotopkom prema standardiziranoj metodi (ISO, 1995.b). Uzorak tla prenesen je u teflonsku kivetu te preliven s 12 ml pripremljene zlatotopke (svježe pripremljena smjesa od 1/3 HNO3 + 2/3 HCl). Nakon razaranja u mikrovalnoj pećnici na propisanoj temperaturi, digestat se filtrira u odmjerne tikvice koje se nadopunjavaju deioniziranom vodom do volumena 100mL. Mjerenje teških metala obavljaju se u ekstraktima tla izravno na induktivno spregnutoj plazmi optičkom emisijskom spektrometrijom (ICP-OES). Koncentracije selena u istim uzorcima određuju se također ICP-OES tehnikom, ali nakon prethodne redukcije selena. Koncentracije mikroelemenata izražene su u mg kg -1 tla. 9
2.2. Gnojidba i uzgoj paprike Presađivanje paprike za proizvodnju ajvara (sorta Slavonija) provedena je ručno 10. 5. 2017. godine, na crnu foliju s međurednim razmakom 50 cm i razmakom 50 cm unutar reda (sklop 40.000 biljaka/ha). Provedena je jesenska osnovna gnojidba sa 100 kg/ha K2O (200 kg/ha K2SO4), a gnojidba fosforom nije provedena zbog vrlo visoke razine raspoloživog fosfora u tlu (tablica 1). Gnojidba dušikom provedena je u tri navrata, predsjetveno 200 kg/ha AN-a (67 kg/ha N) i u dvije prihrane (15. lipnja i 14. srpnja) po 100 kg/ha AN-a, tj. ukupno 200 kg/ha ANa (67 kg/ha N), što ukupno čini gnojidbu paprike sa 134 kg/ha N. Ručna berba paprike provedena je 20. 9. 2017. godine, ubiranjem svih plodova s pokusnih parcelica. 2.3. Agronomska biofortifikacija paprike U pokusu biofortifkacije paprike postavljena su dva tretmana: 1. kontrola bez aplikacije selena 2. aplikacija Se (10 g Se ha -1 ) Oba su tretmana postavljena u četiri ponavljanja, tj. oba tretmana na po četiri parcelice te je pokus ukupno sadržavao 8 parcelica. Agronomska biofortifikacija paprike provedena je predsjetvenom aplikacijom selena (Se) po površini tla u količini 10 g Se ha -1. Selen ja apliciran leđnom prskalicom otopinom natrijevog selenata (Na2SeO4) 21. 4. 2017. godine. 10
2.4. Analiza biljnog materijala Biljni materijal (stabljika, listovi i plod paprike) prikupljen je u vrijeme berbe sa svih parcelica pokusa. Utvrđen je ukupan prinos ploda paprike na svim parcelicama pokusa. Izmjerene vrijednosti mase izražene su u masama svježe i suhe tvari u kg ha -1. Svježa biljna tvar plodova, stabljike i listova osušena je u sušioniku do konstantne mase, te je izračunat udio suhe tvari u svježim uzorcima. U uzorcima biljnog materijala analizirane su koncentracije selena nakon razaranja mokrim postupkom. Suha biljna tvar samljevena je u posebnom mlinu bez rezidua teških metala i razorena mokrim postupkom mikrovalnom tehnikom. Uzorak biljne tvari za razaranje pripeljen je tako da je 0,5 g suhog uzorka odvagano u teflonsku posudu te preliveno s 9 ml 65 % HNO3 i 2 ml 30 % H2O2. Otopina (digestat uzorka) je profiltrirana u odmjerne posude nakon odigestije uz kontroliranu temperaturu i pritisak u mikrovalnih pećnici. Prije određivanja koncentracije selena u otopini biljne tvari, provedena je redukcija selena. U čiste kivete volumena 125 ml za postupak preredukcije selena preneseno je 20 ml uzorka te postupno dodano još 20 ml HCl. Otopina je prenesena u polipropilensku kiveticu volumena 50 ml za automatsko očitavanje i dopunjena deioniziranom vodom do oznake. Koncentracije selena u otopinama izmjerene su ICP-OES tehnikom te su koncentracije preračunate i izražene u µg/kg suhe tvari. 2.5. Statistička obrada podataka Dobiveni rezultati koncentracije selena i prinosi ploda paprike statistički su obrađeni analizom varijance (ANOVA) uz test najmanje značajne razlike (LSD). Za navedenu statističku analizu korišteni su softverski paketi MS Excel i SAS for Windows 9.1.3. (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA). 11
3. REZULTATI I RASPRAVA 3.1. Osnovna agrokemijska svojstva tla Rezultati analiza osnovnih agrokemijskih svojstava tla (tablica 1) neophodni su za utvrđivanje potreba u gnojidbi paprike. Tablica 1. Osnovna kemijska svojstva analiziranih tala Oznaka uzorka ph H2O ph KCl AL-P 2O 5 AL-K 2O humus CaCO 3 mg/100 g mg/100 g (%) (%) Uzorak br 1 8,13 7,25 95,99 31,13 2,25 4,09 Uzorak br 2 8,25 7,26 96,85 35,08 1,92 1,63 Uzorak br 3 8,29 7,38 98,83 36,76 2,30 3,27 Prosjek 8,22 7,30 97,22 34,32 2,16 3,00 Aktualna reakcija (phh2o vrijednost) urbanog vrtnog tla kreće se od 8,13 do 8,29, prosjek je 8,22, a izmjenjiva reakcija (phkcl vrijednost) je u rasponu 7,25 do 7,38 (prosjek je 7,30). Možemo zaključiti da je reakcija tla urbanog vrta alkalna (Vukadinović i Vukadinović, 2011.). ph vrijednost utječe na pristupačnost i raspoloživosti hranjivih elemenata te se zbog toga odražava i na prinos i kakvoću usjeva. ph iznad 7 ukazuje na potencijalan manjak kalija te smanjenu raspoloživost mikroelemenata. Višak Ca i Mg uz manjak K dovode do moguće kloroze. Prema Parađiković (2009.) optmalni ph tla za uzgoj paprike je od 5,8-7,5. Paprika najbolje podnosi neutralna do slabo alkalna tla. Humuznost analiziranih uzoraka je od 1,92 % do 2,30 % uz prosjek 2,16%. Plodnost tala u značajnoj je mjeri definirana sadržajem humusa koji se izražava u postocima. Prema Gračaninu (1947.) tlo urbanog vrta s sprosječnim sadržajem organske tvari 1,8 % pripada klasi slabo humoznih tala. Humoznost tala utječe na biološka, kemijska i fizička svojstva tla. S fizičkog aspekta humus poboljšava termička svojstva tla i vodozračni režim. Utječe na stvaranje strukturnih agregata tla i nastajanje mrvičaste strukture što je značajno za aeraciju i drenažu tla. Takva strukturna tla su manje podložna eroziji te vežu više vode. 12
Koncentracija raspoloživog P2O5 kreće se od 95,99 do 98,83 mg 100 g -1 s prosjekom od 97,22 mg 100 g -1. Klasifikacija tala za fosfor ovisi o ph vrijednosti tla, kod jako alkalnih tala fosfor se veže sa kalcijem i magnezijem te nastaju nepristupačni oblici fosfora tj. netopivi kalcijevi fosfati Ca3(PO4)2. Urbano vrtno tlo s obzirom na ph tla i koncentraciju raspoloživog fosfora spada u klasu tala vrlo visoke raspoloživosti fosfora (klasa E). Prosječna koncentracija raspoloživog kalija iznosi 34,32 mg K2O 100 g -1, najveća je koncentracija kalija u uzrcima tla 36,76 mg 100 g -1, a najmanja 31,13 mg 100 g -1. Rapoloživost kalija ovisi o procesima sorpcije i desorpcije kationa, kao i fiksacije kalija. Raspoloživost kalija najčešće ovisi o mehaničkom sastavu tla jer teža tla jače fiksiraju kalij zbog većeg udjela čestica gline. Opskrbljenost analiziranog tla utbanog vrta raspoloživim kalijem je osrednja i tlo spada u klasu dobre opskrbljenosti kalijem (klasa C). ph vrijednost tla iznad 7,2 ukazuje na prisutnost karbonata u tlu. Prosječan sadržaj CaCO3 iznosi 3,00 % što ukazuje na slabo karbonatno tlo. 3.2. Ukupne koncentracije esencijalnih i beneficijalnih mikroelemenatau tlu U tablici 2 su prikazane utvrđene vrijednosti ukupnih koncentracija esencijalnih (Fe, Mn, Zn, Cu i Ni) i beneficijalnih (Co) teških metala, te ukupne koncentracije selena (Se) ekstrahiranih zlatotopkom. Tablica 2.Ukupne koncentracije esencijalnih i beneficijalnih mikroelemenata (u mg kg -1 ) ekstrahiranih zlatotopkom Oznaka uzorka Fe Mn Zn Cu Ni Co Se Uzorak br 1 32.476 601,7 73,5 78,3 31,4 13,3 0,271 Uzorak br 2 34.682 555,9 85,7 70,1 32,0 13,1 0,264 Uzorak br 3 35.656 539,7 74,0 85,4 36,9 13,0 0,239 Prosjek 34.271 565,8 77,7 77,9 33,4 13,1 0,258 Pravilnikom o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja (NN 9/2014) maksimalno dopuštena količina (MDK) za Zn iznosi 150 mg kg -1 za praškasto-ilovasta tla. Ukupna koncentracija Zn u prosjeku iznosi 77,7 mg kg -1, a maksimalno izmjerena koncentracija je 85,7 mg kg -1 što je ispod MDK te se tlo ne smatra onečišćenim. 13
Maksimalno izmjerena koncentracija Cu iznosi 85,4 mg kg -1, a prosječna koncentracija je 77,9 mg kg -1. Prema pravilniku o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja (NN 9/2014) MDK za Cu za praškasto-ilovasta tla iznosi 90 mg kg -1 te analizirano urbano vrtno tlo ne prelazi granice onečišćenja. Maksimalno dopuštena koncentracija Ni je 50 mg kg -1, prosječna koncentracija urbanog tla iznosi 33,4 mg kg -1 uz maksimum 36,9 mg kg -1, što ne prelazi granice MDK. Prethodno važećim Pravilnikom o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja (NN 15/1992), koji više nije važeći, propisane su maksimalne dopuštene količine Co za poljoprivredna tla koji iznosi 50 mg kg -1. Prosječna koncentracija u vrtnom tlu iznosi 13,1 mg kg -1, a maksimalna 13,3 mg kg -1 što znači da je koncentracija u tlu značajno ispod MDK, tj. nije onečišćeno i može se koristiti u poljoprivrednoj proizvodnji. 3.3. Ukupne koncentracije štetnih elemenata u tlu U tablici 3 su prikazane ukupne koncentracije štetnih teških metala (Cd, Cr, Pb) ekstrahiranih iz tla zlatotopkom. Tablica 3. Ukupne koncentracije štetnih teških metala (u mg kg -1 ) ekstrahiranih zlatotopkom Oznaka uzorka Cd Cr Pb Uzorak br 1 0,538 37,64 14,36 Uzorak br 2 0,469 42,87 14,12 Uzorak br 3 0,482 44,09 13,53 Prosjek 0,496 41,53 14,00 Zaštita poljoprivrednih tla od onečišćenja uključuje redukciju antorpogenog unosa teških metala u tlo uz nadzor ukupnih koncentracija teških metala u tlima. Štetne tvari su potencijalno toksični elementi i teški metali (Cd, Hg, As, Mo, Co, Cu, Ni, Pb, Cr, i Zn) te policiklički aromatski ugljikovodici, ali Mo, Co, Cu, Ni i Zn istovremeno su i esencijalni elementi jer su neophodni za biljne i/ili animalne organizme. S druge strane, Cd, Hg, As, Cr i Pb nemaju nedvojbeno dokazane pozitivne fiziološke učinke te pripadaju grupi isključivo štetnih elemenata. U ovom su radu analizirane koncentracije Cd, Cr i Pb. 14
Najveća prosječna koncentraciju izmjerena je za Cr, iznosi 41,53 mg kg -1 i značajno je niža od MDK za Cr za praškasto-ilovasta tla (80 mg kg -1 ). MDK za Pb je još veća (100 mg kg -1 ), a utvrđene su još manje koncentracije Pb (prosječno 14 mg kg -1 ) nego Cr te je tlo u klasi čistog, neopterećenog zemljišta. Značajno najniža koncentracija toksičnih teških metala bila je za Cd, iznosi prosječno samo 0,496 mg kg -1, ali je za ovaj element važeća i najniža MDK vrijednost (1,0 mg kg -1 za praškasto-ilovasta tla). Ipak, i razina Cd je u tlu je vrlo niska, nešto niža od 50 % propisane MDK. Prema Pravilniku o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja vrijednosti teških metala ne prelaze granicu maksimalno dopuštenih koncentracija te se urbano vrtno tlo može koristiti u biljnoj proizvodnji, tj. u uzgoju povrća. Također je vrlo značajno da su koncentracije štetnih teških metala (posebice Cd i Pb) značajno niže usporedimo li ih s koncentracijama esencijalnih teških metala (grafikon 1). Usporedba koncentracija esencijalnih i toksičnih teških metala (u mg kg -1 ) Cr 41,53 Cd 0,496 Zn 77,7 Pb 14 Ni 33,4 Cu 77,9 Zn Cu Ni Pb Cr Cd Grafikon 1. Usporedba koncentracija esencijalnih (Zn, Cu, Ni) i toksičnih teških metala (Cr, Pb, Cd) u urbanom vrtnom tlu 15
3.4. Utjecaj biofortifikacije na prinos ploda paprike Proizvodnja paprike na pokusnim površinama rezultirala je prosječnim prinosom ploda 15.840 kg ha -1 (tablica 4), tj. 1,58 kg m -2. Tretman aplikacije selena nije utjecao na prinos ploda. Razlika između kontrolnog tretmana i paprike tretirane selenom bio je prosječno 860 kg ha -1, što znači da je biofortificirana paprika imala 5,58 % veći prinos od paprike na kontrolnim parcelicama bez aplikacije selena. Međutim, navedene razlike nisu statistički značajne. Tablica 4. Prinos ploda paprike (kg ha -1 ) Tretman kg ha -1 Kontrola 15.410 Selen 16.270 Prosjek 15.840 Iz dobivenih rezultata možemo zaključiti da aplikacija selena nije značajno utjecala na povećanje prinosa što i nije bio cilj biofortifikacijskog tretmana. 3.5. Utjecaj biofortifikacije na koncentraciju selena u plodu, stabljici i listu paprike Aplikacija selena rezultirala je različitim koncentracijama selena u plodu, stabljici i listovima paprike, a između navedenih organa paprike utvrđena je razlika i na kontrolnim površinama bez aplikacije selena (tablica 5). Tablica 5. Koncentracija Se u plodu, stabljici i listu paprike (u µg kg -1 suhe tvari) Tretman Plod Stabljika List Kontrola 27,5 b 85,4 b 94,7 b Selen 329,1 a 538,5 a 448,6 a Prosjek 178,3 311,9 271,6 a, b razlike između vrijednosti koje su označene istim simbolom nisu statistički značajne Prema dobivenim rezultatima vidljiv je pozitivan učinak biofortifikacije na povećanje koncentracije selena u organima paprike. Najveća koncentracija selena utvrđena 16
je u stabljici biofortificirane paprike (538,5 µg kg -1 suhe tvari), a nešto manje vrijednosti utvrđene su u listu (448,6 µg kg -1 suhe tvari). Najmanje koncentracije selena u biofortificiranoj paprici utvrđene su u plodu paprike (329,1 µg kg -1 suhe tvari). Istovremeno je u plodu bez aplikacije selena također utvrđena manja koncentracija selena (27,5 µg kg -1 ) nego u listu i stabljici, ali je, za razliku od biofortificirane paprike, najveća koncentracija utvrđena u listu (94,7 µg kg -1 suhe tvari), a nešto manja u stabljici paprike (85,4 µg kg -1 suhe tvari). Biofortifikacijom paprike selenom povećana je koncentracija selena u plodu za 11 puta u odnosu na kontrolni tretman. U stabljici rezultirala je 6 puta većom koncentracijom te u plodu 4 puta većom koncentracijom selena, što opravdava cilj ovog pokusa. Koncentracije Se izražene na svježu tvar ploda paprike bile su 4,98 µg kg -1 u kontrolnom tretmanu bez aplikacije selena i 34,60 µg kg -1 u biofortifciranom tretmanu uz 10,78 i 11,25 % suhe tvari. Izmjerene koncentracije u svježoj tvari ploda paprike znače da konzumiranjem biofortificiranog ploda u organizam unosimo 7 puta veće količine selena. Konzumiranje 100 g biofortificiranog ploda paprike osigurava 6,3 % dnevno potrebnih količina selena (3,46 od potrebnih 55 µg Se dnevno), dok konzumiranje iste količine ploda bez biofortifikacije osigurava samo 0,9 % dnevno potrebnih količina selena. 17
4. ZAKLJUČAK Cilj ovog rada je bio poljskim pokusom utvrditi utjecaj biofortifikacije na povećanje koncentracije selena u plodu, listu i stabljici paprike. Provedenom analizom dobili smo rezultate o ph reakciji tla, sadržaju organske tvari, koncentraciji raspoloživog fosfora i kalija te sadržaj karbonata u tlu. Pokus je proveden na slabo humoznom tlu lužnate reakcije, visoke raspoloživosti fosfora i dobre raspoloživosti kalija. Izmjerene koncentracije mikroelemenata i toksičnih elemenata u tlu su ispod granice maksimalno dopuštenih koncentracija, što znači da je analizirano urbano vrtno tlo povoljno za poljoprivrednu proizvodnju. Poljskim je pokusom utvrđeno da biofortifikacija paprike selenom ne utječe na prinos ploda paprike, ali je povećana koncentracija selena u plodu s 27,5 µg kg -1 na 329,1 µg kg -1 suhe tvari, a koncentracije selena u stabljici i listu paprike bile su još veće. Najznačajniji učinak biofortifikacije je sedmerostruko povećanje koncentracije selena (s 4,98 na 34,60 µg kg -1 ) u svježem plodu paprike za proizvodnju ajvara, što znači da konzumiranje 100 g biofortificiranog ploda paprike osigurava 6,3 % dnevno potrebnih količina selena (3,46 od potrebnih 55 µg Se dnevno). 18
5. POPIS LITERATURE 1. Bagnal, K.W. (1973.): Selenium, tellurium, polonium The chemistry of Sulphur, Selenium, Tellurium and Polonium 24 : 935-1008. 2. Birringer, M., Pilawa, S., Flohé L. (2002.): Trends in selenium biochemistry Natural Product Reports 19(6): 693-718. 3. Das, A., Laha, S., Mandal, S., Pal, S.,Siddiqui, M.W. (2018.): Preharvest Biofortification of Horticultural Crops- Preharvest modulation of postharvest Fruit and Vegetable Quality 14: 381-434. 4. Državni zavod za statistiku Republike Hrvatske (2010.): Statistički ljetopis Republike Hrvatske 2010. Zagreb. 5. Đurđević, B. (2014.): Praktikum iz ishrane bilja. Poljoprivredni fakultet u Osijeku. Osijek. 6. Egner, H., Riehm, H., Domingo, W.R. (1960.): Untersuchungen über die chemische Bodenanalyse als Grundlage für die Beurteilung des Nahrstoffzustandes der Boden II. Chemische Extractionsmetoden zu Phosphor- und Kaliumbestimmung. K. Lantbr. Hogsk. Annlr. W.R. 26: 199-215. 7. Gračanin, M. (1947.): Kalcifikacija tala. Poljoprivredni nakladni zavod. Zagreb. 8. Lidon, F.C., Olivera,K., Ribeiro, M.M., Pelica, J., Pataco, I., Ramalho, J.C., Leitão, A.G., Almeida, A.S., Campos, P.S., Ribeiro-Barros, A.I., Pais I.S., Silva, M.M., Pessoa, M.F., Reboredo, F.H. (2018.): Selenium biofortification of rice grains and implications on macronutrients quality. Journal of Cereal Sience. 81: 22-28. 9. International Organization for Standardization (1994.): Soil quality Determination of ph. ISO 10390:1994. 10. International Organization for Standardization (1995.a): Soil quality Determination of carbonate content Volumetric method. ISO 10693:1995. 11. International Organization for Standardization (1995.b): Soil quality Extraxtion of trace elements soluble in aqua regia. ISO 11466:1995. 12. International Organization for Standardization (1998.): Soil quality Determination of organic carbon by sulfochromic oxidation. 14235:1998. 13. Lešić, R., Borošić, J., Butorac, I., Ćustić, M., Poljak, M., Romić, D. (2002.): Povrćarstvo. Zrinski, Čakovec. 19
14. Lončarić, Z., Ivezić, V., Karalić, K., Popović, B., Engler, M., Kerovec, D., Semialjac, Z. (2016.): Total and plant available toxic trace elements (Cd, Cr, Co and Pb) at farms of eastern Croatia. Works of the Faculty of Forestry University of Sarajevo. 21 (1): 279-285. 15. Lončarić, Z., Karalić, K. (2015.): Mineralna gnojiva i gnojidba ratarskih usjeva. Poljoprivredni fakultet Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Osijek. 16. Lončarić, Z., Rastija, D., Popović, B., Karalić,. K., Ivezić, V., Zebec, V. (2014.): Uzorkovanje tla i biljke za agrokemijske i pedološke analize. Poljoprivredni fakultet Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Osijek. 17. Manojlović, M., Lončarić, Z. (2017.): Selenium deficiency in regional soils affecting animal and human health in Balkan and other European countries. In: The Nexus of Soils, Plants, Animals and Human Health. Singh, B. R., McLaughlin, M. J., Brevik, E. C. (ur.). Stuttgart: Catena-Schweizerbart, 2017. 87-98. 18. Matotan, Z. (1994.): Proizvodnja povrća. Nakladni zavod Globus, Zagreb. 19. Ministarstvo poljoprivrede (1992.): Pravilnik o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja. Narodne novine 15/1992. Narodne novine d.d., Zagreb. 20. Ministarstvo poljoprivrede (2014.): Pravilnik o zaštiti poljoprivrednog zemljišta od onečišćenja. Narodne novine 9/2014. Narodne novine d.d., Zagreb. 21. Parađiković, N. (2009.): Opće i specijalno povrćarstvo. Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Osijek. 22. Rayman, M.P. (2012.): Selenium and human health. Lancet 379: 1256-1268. 23. Valença, A.W., Bake, A., Brouwer, I.D., Giller, K.E. (2017.): Agronomic biofortification of crops to fight hidden hunger in sub-saharan Africa. Global Food Security. 12: 8-14. 24. Vukadinović, V., Bertić, B. (1988.): Praktikum iz agrokemije i ishrane bilja. Poljoprivredni fakultet Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Osijek. 25. Vukadinović, V., Lončarić, Z. (1998.): Ishrana bilja. Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Osijek. 26. Vukadinović V., Vukadinović V. (2011.): Ishrana bilja. Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Osijek. 27. White, P.J.(2018.): Selenium metalolism in plants. BBA General Subjects. 1862 (11): 2333-2342. 20