Nurmen kautta hivenet tehokkaasti tuotantoeläimille ja elintarvikeketjuun seleeni ja muut hivenaineet maassa ja rehussa Mervi Seppänen Maataloustieteiden laitos Helsingin yliopisto
Esitelmän sisältö ü Yleistä elintarvikkeiden ja rehujen rikastamisesta hivenaineilla ü Suomalainen seleenitarina tarpeesta ympäristövaikutusten arviointiin ü Viljelykäytänteiden muutosten mahdolliset vaikutukset ruoan ravitsemukselliseen laatuun kierrätystalous ja kestävä tehostaminen
Yleistä
Mikä vaikuttaa rehun hivenainepitoisuuteen? ü Maaperä ümaalaji, maan ph, maan rakenne ü Lannoitus ümäärä ja tapa ü Viljelykasvi ükasvilaji, rehun kasvilajikoostumus, kehitysnopeus ja -vaihe
Juuriston koko ja aktiivisuus, kasvu- ja uusiutumisnopeus
Turvallisuus Luokka A kapea turvallisuusmarginaali (< 5-fold) D-vitamiini, niasiini, foolihappo, kaikki hivenaineet ja mineraalit Luokka B keskisuuri turvallisuusmarginaali (5-1 x) Vitamiinit E, B6, B12, C Luokka C haitattomia jopa 1x K-vitamiini, riboflaviini, biotiini Meltzer et al. 22
Vaihtoehdot varmistaa hivenaineiden riittävä saanti ü Fortifikaatio ü Agronominen biofortifikaatio ü = lannoitus ü Kaikki lajit ja lajikkeet ü Sopii, kun puutosalue selkeä ü Lyhytnäköinen ratkaisu? ü Geneettinen biofortifikaatio ü Vaatii geneettistä muuntelua ü Kallis ratkaisu, rajoittuu vain muutamaan lajin ja lajikkeeseen
Kasvi ottaa ja hyödyntää Se ja S samojen biokemiallisten reittien kautta Kasvi ottaa selenaattia (VI) (STsulfaatti transportterit) tehokkaammin kuin seleniittiä (IV) (PT fosfaattitransportterit) Pullonkaula orgaanisten Se yhdisteiden biosynteesille on APS ja SMT Kasvi myös haihduttaa Se:ä ilmaan (Zhu et al., 29: Trends in Plant Science Vol.14 No.8: 436-442)
Ruokaketjun ravitsemuksellinen laatu ü Sisältää tarvittava ravintoaineet (vitamiinit, hivenaineet), puutostauteja ei esiinny ü Vaikuttavia tekijöitä mm. (hivenaineet): ü Maaperän hivenainepitoisuus ü Kotoperäisen ruoan ja rehun osuus ü Globaalit viljamarkkinat ü Esim. Iso-Britannia 197-luvulla ja seleenin saanti ü Ruokavalion monipuolisuus, roskaruoka ü Kehittyneiden maiden uusi ongelma ü Viljely- ja ruokintakäytänteiden muutos ü ü Kierrätystalous: ravinteiden kierrätys ja orgaaniset lannoitteet Kotimainen valkuaisrehu
Suomalainen seleenitarina
Osa I Seleenin puute ja sen tuomat ongelmat ü Maan Se-pitoisuus alhainen koko maassa (.4 to.7 mg kg -1 ) ü Tuotantoeläimet kärsivät lihasrappeumasta Se-puutteen takia ü ensimmäiset raportit 1933 ü Vuodesta 1984 alkaen Se lisätty lannoitteisiin
Maaperän Se-pitoisuus on alhainen ja sen käyttökelpoisuus voi olla huono o Happamat sulfaattimaat o Se käyttökelpoisuus alhainen o korkea S pitoisuus ja S/Se kilpailu
Viljan Se-pitoisuus eri maissa
Osa II Riittävä Se saanti turvattu lannoituksella s Tuotantoeläimille riittävä taso Reviewed in Hartikainen 25
Maito ja lihatuotteet tärkein Selähde Se mg/day /1 MJ s,14,12,1,8,6,4 Milk Meat Fish Cereal Vegetables Other,2 1975 1984 1987 1991 1994 1996 1999 21 24 26 Pohjois-Suomen Department of Agricultural nurmiseminaari Sciences 215 Mervi Seppänen 28 29 21 211 212 Year Ekholm, 213
Fortifikaatio vai biofortifikaatio turvallisuustekijät Seleeni maasta elintarvikkeiden ja rehujen kautta ihmisille ja tuotantoeläimille Maailmanlaajuisesti maan seleenipitoisuus vaihtelee suuresti Kasvien muodostamat orgaaniset seleeniyhdisteet hyvä ja turvallinen seleenin lähde LD 5 -arvo epäorgaanisille seleeniyhdisteille 15 mg kg -1 ja orgaanisille 4 mg kg -1 Pidättyminen ja varastoituminen lihaksistoon Lannoitteiden seleenilisäys (agronomic biofortification) estämään itsehoidon yliannostusriskejä
Osa III Terveysvaikutteiset Se-yhdisteet, lannoituksen ympäristövaikutukset ja muuttuvat viljelykäytänteet ü Terveysvaikutteiset Se-yhdisteet ükorkeampi Se suositustaso.8:stä.2 mg:aan Se pv -1 üparantunut vastustuskyky ja alentunut eturauhassyöpäriski üse-metyyli selenokysteiini (SeMSeCys) anti-karsinogeeninen ütuotantoeläimille rehulisä seleenihiiva (7% SeMet), nostaa plasman Se-tasoa ja positiivisia vaikutuksia terveydelle ü Lannoite-Se kohtalo peltoekosysteemissä tuntematon üvuosittainen lannoitus tarpeen üvain 5-1% lannoite-se siemeniin ü Viljelykäytänteet üluomuviljely, kierrätystalous
Se-lannoitus ja sydäntautikuolleisuuden lasku ajoittuu samanaikaisesti Men Se-supplied feeds Se-supplied fertilizers Women Age-standardized mortality from coronary heart disease in 1952-1999, deaths per 1 of population aged 35-64 years. (G. Alfthan et al. 211)
Sisältääkö ruokamme funktionaalisia Seyhdisteitä? Mihin lannoite-se päätyy? Voiko Se-lannoitusta tehostaa, mikä on tehokkain viljelykasvi? Seleeni kierrätystaloudessa?
Rypsirouheessa yli 7 % SeMet Siemenet (mg/ kg ka) Rouhe (mg/kg ka) Maa g/ ha Lehtilannos 3 mg/ ha SeMet Se 6+ Kok Se SeMet % SeMet Se 6+ Kok Se SeMet %.4.5 83.3.5 72 Selenate 1. 1.51 66.86.6 1.13 76 Selenite.22.41 55.24.33 72 6.38.4.43 88.2.27 74 6 Selenate 1.6.6 1.6 1 1. 1.45 68 6 Selenite.57.74 76.4.6.57 68 2.86 1.15 75.6.4.78 73 2 Selenate 1.89 1.92 98 1.4 1.96 7 2 Selenite.81.89 91.75.93 8 Seppänen ym. 21, Plant and Soil 3.1.215 2
Kannattaako lannoitettavat viljelykasvit valita? Seleenin kertyminen kasviin Sekundääriset akkumulaattorit Hyperakkumulaattorit Eiakkumulaattorit Astragalus 1-15 mg Se g -1 Brassica sp. 1-2 mg Se g -1 Nurmet, vehnä, peruna.1 mg Se g -1 Sietävät korkeita Se-pitoisuuksia, eivät sido proteiinien rakenteelliseen osaan
Anti-karsinogeeniset yhdisteet epästabiileja? SOIL - Se SOIL - Se 13 1 3 SeMet SeIV SeVI SeMetSeCys,8,6,4,2 1,8,6,4,2 SeVI SeIV 25 2 15 1 5 3 25 2 15 1 5 SeVI SeIV 6 h 7 d 1 SeVI SeIV 3 SeVI SeIV Se µg/g DW,8,6,4,2 25 2 15 1 5 14 d SeVI SeIV SeVI SeIV Seppänen et al. 213
Kasvi ottaa Se:n nopeasti, merkittävä osa jää puintijätteeseen 7 6 Se otto, ug/näyteala 5 4 3 2 1 I II III IV I II III IV I II III IV I II III IV I II III IV lehdet kelt.lehdet korret tähkät juuret Se Se1x Se3x Seppänen ym. 215
Puintijätteiden Se ei ole käyttökelpoista kasveille Käsittely (µg Se kg -1 soil) Juuret Se pitoisuus (µg g -1 DW), siemenen täyttymisvaihe Varret Lehdet Lidut ja siemenet Epäorgaaninen Se.18 c.3 de.13 cd.18 d 7.144 b.129 bc.324 b.24 bc 14 1.4 a 2.344 a 6.166 a 3.631 a Orgaaninen Se lehtimassa.16 c.21 e.5 cd.5 e 7.2 d.59 cd.141 b.6 cd Orgaaninen Se olkimassa.15 c.15 e.12 d.2 e 7.1 d.3 f.16 c.74 cd Autoklavoitu maa ja epäoorgaaninen Se.18 c.19 e.13 cd.27 d 7.172 b.155 b.372 b SE.51.66.197.62 Ebrahimi ym. 215
Seleenin otto ja kuljetus Siemenet Vehnä 13 / 16 % Rapsi 12 / 14 % Se kokonaisotto Vehnä 39 / 41 % Rapsi 47 / 6 % 7 or 2 g Se/ha Puintijäte Vehnä 19 / 14 % Rapsi 23 / 31 % Juuret.: Vehnä.6 /.3 % Rapsi 3 / 2.2 % 3 6 % lannoite-se voidaan jäljittää kasvista
g Se ha -1 Lannoite-Se:stä puintijätteessä (%) Vehnä Rapsi 7.22 24.8 42.6 25 24.8 48.5
Vuosittainen vaihtelu sadon Sepitoisuudessa voi olla suurta myös siirtyminen siemeneen tehotonta Siemenen seleenipitoisuus 211 Siemenkuoren tai lidun seleenipitoisuus 211 Se ug/g DW 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 7,2 25 Se ug/g DW 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 7,2 25 Vehnä Rapsi Vehnä Rapsi Siemenen seleenipitoisuus 212 Siemenkuoren tai lidun seleenipitoisuus 212 1 1 Se ug/g DW,8,6,4,2 Se ug/g DW,8,6,4,2 7,2 25 7,2 25 - N + N 7,2 25 7,2 25 - N + N Vehnä Rapsi Vehnä Rapsi Seppänen ym. 215
211 Vuodet eivät ole veljeksiä.. 212
Se oton tehokkuudessa lajien välisiä eroja, ei siirtymistehokkuudessa siemeneen Seleenin oton tehokkuus 211 Siirtymistehokkuus siemeneen 211 % lannoiteseleenistä 5 4 3 2 1 Vehnä Rapsi % kasvin ottamasta Se siemeneen 35 3 25 2 15 1 5 7,2 25 7,2 25 Vehnä Rapsi % lannoiteseleenistä Seleenin oton tehokkuus 212 5 4 3 2 1 7,2 25 7,2 25 - N + N Pohjois-Suomen nurmiseminaari Vehnä 215 Rapsi Seppänen % kasvin ottamasta Se siemeneen 35 3 25 2 15 1 5 Siirtymistehokkuus siemeneen 212 7,2 25 7,2 25 - N + N Vehnä Rapsi Seppänen ym. 215
Nurmikasvien Se-pitoisuus korkea, ei puintijätteeseen jäävää Se:ä ü Nurmiheinien Se-pitoisuus yleensä korkeampi ü Apilan hitaampi alkukehitys, kilpailu ü Ensimmäisen sadon Se-pitoisuus korkeampi ü Juuriston kehittyminen niiton jälkeen, seleenin pelkistyminen? Seppänen ym. 215
Seleenin käytön tehokkuus korkea nurmikasveilla 1.sadossa ü Nurmikasvien seleenin käytön tehokkuus (SeUE = Se use efficiency) korkea, koska koko kasvimassa korjataan rehuksi ü Toisessa sadossa tehokkuus alhainen ü Se otto tehottomampaa, pitoisuus rehussa alhaisempi ja sato pienempi Se (g ha -1 ) Seleenin käytön tehokkuus (% lannoiteseleenistä) I sato II sato timotei apila timotei apila 7.22 46.6.7 14.1.5 25 33.6.9 1.3 1.5 Seppänen ym. 215
Se kierto peltoekosysteemissä siemensatokasvit vs. nurmiheinät Lannoite Se Nurmet 3-5% Kasvien haihduttama Se? (n 5%) Nurmet 3-5% Maan Se Se otto 3-5 % (211) 5-9 % (212) Maahan jäänyt lannoite-se 2% (211) 7 % (212) Siemensadon mukana poistunut Se 12-16% (211) 1-5% (212) Maamikrobien haihduttama Se (2%?) Elintarvikeketjuun siirtynyt Se Maamikrobien sitoma Se Se kasvijätteissä 12% (211) 15% (212)
Maan Se-pitoisuus ja 2 vuoden Se-lannoitushistoria ü Muokkauskerroksen orgaaniseen aineeseen sitoutuneen Se:n pitoisuus suhteutettuna maamassaan lisääntyy 2 vuoden Se-lannoituksen aikana,6 promillea (kun vuosittain NPK lannoitteita 16 kg N/ha) üei muutosta, jos NPK lannoitteita 8 kg N/ha ü Epäorgaanista Se ei kerry, eikä jankon pitoisuudessa muutoksia ug Se/kg maata 18 16 14 12 1 8 6 4 2 NPK - 5cm NPK sub NPK 8-5 cm NPK 8 sub NPK 16-5 cm NPK 16 sub Inorg org Seppänen ym. 215
Seleeni kierrätystaloudessa - 5% lannoite-n korvattu lietteen N Kasvilaji Käsittely KA (g) µg Se/g ka Se otto Seleenin oton tehokkuus (SeUE %) Kontrolli (maa) 1,12 ±,,1 ±,,1 ±, - NPK (N 1%) 2,33 ±,4,13 ±,,31 ±, 43,5 Härkäpapu Liete (N 5%)+ NPK (N 5 %) 1,71 ±,1,4 ±,,8 ±, Kvartsihiekka + Liete (N 5%) + NPK (N 5 %) - - - - Kontrolli (maa),98 ±,2,8 ±,,8 ±, - NPK (N 1%) 1,61 ±,1,1 ±,,16 ±, 23,4 15,4 Valkolupiini Liete (N 5%)+ NPK (N 5 %) 1,66 ±,,3 ±,,5 ±, 11,8 Kvartsihiekka + Liete (N 5%) + NPK (N 5 %) - - - - Kontrolli (maa) 1,5 ±,,7 ±,,8 ±, - NPK (N 1%) 2,41 ±,1,14 ±,,34 ±,1 38,5 Vehnä Liete (N 5%)+ NPK (N 5 %) 2,27 ±,1,5 ±,,11 ±, 8,4 Kvartsihiekka + Liete (N 5%) + NPK (N 5 %) 1,85 ±,1,7 ±,,13 ±, 12 Owusu-Sekyere ja Seppänen 215
Muut hivenet kierrätystaloudessa Siemen (mg kg-1 DM) HÄRKÄPAPU Fe Zn Cu Mn Kontrolli (maa) 2,21 ±, c 2,43 ±, c,3 ±, a,5 ±, a NPK 1% 15,92 ± 1,2 b 18,57 ± 3,8 b,46 ±,1 a,37 ±, a Liete+NPK 5 % 22,2 ± 1,7 a 22,79 ±,4 a,24 ±, a,3 ±, a Kvartsihiekka + liete+npk 5 % - - - - p-arvo,14,11,87,113 VALKOLUPIINI Kontrolli (maa) 2,13 ±,3 b 2,15 ±,6 b,6 ±, a,4 ±, a NPK 1% 15,8 ±,7 a 22,6 ± 1,2 a,22 ±, a,11 ±, a Liete+NPK 5 % 22,76 ± 3,7 a 2,71 ±,3 a,14 ±, a,5 ±, a Kvartsihiekka + liete+npk 5 % - - - - p-arvo,9,1,265,254 VEHNÄ Kontrolli (maa) 2,12 ±,2 b 2,7 ±,5 b,5 ±, a,4 ±, a NPK 1% 16,91 ±,3 ab 24,7 ± 1,8 a,21 ±, a,28 ±, a Liete+NPK 5 % 25,38 ± 1,6 a 2,27 ± 2,1 ab,7 ±, a,16 ±, a Kvartsihiekka + liete+npk 5 % 21,43 ± 1,7 ab 14,59 ± 2,8 ab,7 ±, a,21 ±, a p-arvo,14,9,87,113 Owusu-Sekyere ja Seppänen 215
Nurmiheinien ja palkokasvien hivenainepitoisuuksia mg/kg ka Timotei 1) Nurminata 2) Ruokonata 3) Englanninraiheinä mg/kg 4) ka Punaapila 1) Valkoapila 2) Fe 57,3 ±18,6 7,8 ±17,6 75, ±12,3 19,5 Fe ±55,9 97,3 ±72,8 11± 63,5 Cu 4,3 ±1,1 5,5 ±2,9 4,8 ±1,1 5,1 ±2,3 Cu 9,4 ±3,9 7,3 ±1,8 Zn 2,9 ±7,4 26,8±9,5 14,1 ±2,9 26,2 ±9,3 Zn 29,8 ±1,1 26,2 ±8,6 Mn 28,7 ±1,2 5,6 ±4,5 em. 56,9 ±32,3 Mn 37,3 ± 12,5 42,2±11,9 Co,14 ±,9,29 ±,1 em.,12 Co ±,157,1 ±,12,9±,11 Mo 1,23 ±1,2 1,65 ±1,65 em.,8 ±,9 Mo 1,7 ± 1,5 1,68±1,6 Se em. em. em,4±se,6±,,5±,1 1) MTT (213), NorFor (213), Lindström ym. (212b), Frankow-Lindberg (29) 2) Lindström ym. (212b), Frankow-Lindberg (29), Forbes ja Gelman (1981) Puna-apila Fe, Cu, Zn, Mn, Co n=9 Mo n=6, Se n=6. Valkoapila Fe n=8, Cu, Zn, Co n=11, Mn n=1, Mo n=9, Se n=2. Holopainen 214, maisteritutkielma
Apilan osuuden lisääminen nostaa nurmirehun Cu, Fe ja Zn pitoisuutta Cu mg/kg ka Zn mg/kg ka 9 8 7 6 5 4 3 2 1 35 3 25 2 15 1 5 % 3% 6% 9% % 3% 6% 9% C Holopainen 214, maisteritutkielma A Fe mg/kg ka Mn mg/kg ka 7 6 5 4 3 2 1 4 35 3 25 2 15 1 % 3% 6% 9% B 5 % 3% 6% 9% D Timotei-nurminata Puna-apila
Kasvinosa ja kehitysaste vaikuttaa hivenainepitoisuuteen mg/kg ka 35 3 25 2 15 1 5 Rauta mg/kg ka 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Sinkki mg/kg ka 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Kupari Lehti Varsi Koko kasvi Holopainen 214, maisteritutkielma
Nurmikasvien kasvulle ja naudalle kriittisiä hivenainepitoisuuksia (mg/kg ka) Fe Cu Zn Mn Co Mo Se Heinille kriittinen 1) 5 4 1-14 21 em. <,2 em. Nurminata 2) 59 6 24 48,3 1,8 em. Timotei 2) 45 4 25 36,1 1,2 d) em. Apilalle kriittinen 1) 5-7 5-7 12-14 2-35 em. em. em. Valko-apila 2) 73 7 23 37,6 1,9,6 3) Naudalle kriittinen 4-6 4) 4-8 4) 1-3 5) 8-2 4) <,6 4) c) 4) Ruokintasuositus 6) 1 a) 1 5 4,1,9 b),1 1) Whitehead (2), 2) Lindström (212), 3) Frankow-Lindberg ym. (29 ), 4) McDonald ym. (211), 5) Puls (1994) 6) MTT (213), a) eläintä kohti mg/pv, b) Pikkuvasikoiden tarve,1 mg/kg ka ja nuoren karjan,2 mg/kg ka, c) vaihtelee mm. ilman lämpötilan, tuotannonvaiheen ja b) energian käytön tehokkuuden mukaan, d) s= 1,2, ympäristön vaikutus molybdeenilla merkittävä, em. =ei määritetty. Holopainen 214, maisteritutkielma
Valkuaiskasvien hivenainepitoisuudessa eroja mg/kg ka Soijarouhe Rypsirouhe 1) 1) Härkäpapu Härkäpapu Herne 2) Lupiini 3) 4) luomu 5) Fe 26,±, 192,±, 73,5±6,4 46,1±7,6 68,±1,1 68,5±6,4 Cu 16,±, 6,±, 8,5±,78 5,5±,8 15,±,5 17,5±,7 Zn 56,±, 67,±, 45,±1,4 43,9±6,2 51,3±1,5 58,5±1,6 Mn 42,±, 7,±, 16,5±3,5 4,±1, 2,±2, 12,5±,7 I,2±,,7±,,2±, em. em. em. Co,1±,,15±,,18±,,1±,2,2±, em. Mo 4,2±,,6±, 1,6±,21 2,2±,,6±,14 em. Se,2±,,1±,,2±,,11±,1,2±,,2±, 1) MTT (213), 2) MTT (213), NorFor (213), 3) MTT (213), NorFor (213), Roth-Maier (22), 4) MTT (213), NorFor (213) 5) Tutkimuksessa analysoidut näytteet, em. = ei määritetty Lupiini Fe, Cu, Zn, Mn n=7, Co, Mo, Se n= 2. Herne Fe, Cu, Zn, Mn n=2, I, Co, Se n=1. Härkäpapu Fe, Cu, Zn, Mn, I, Co, Se n= 3, Mo n=2. Luomu härkäpapu n=2. Soija- ja rypsirouhe n=1. Holopainen 214, maisteritutkielma
Yhteenveto ü Nurmikasvit tehokkaita lannoite-se hyödyntäjiä ü 2.sadon Se-lannoitus tehotonta ü Pitkäaikainen Se-lannoituksella ei vaikutuksia maan Se:n osuuteen ü Lisäysmäärät pieniä 1-15 g /ha tai /2 milj kg maata ü.6 promillea / 2 vuotta ü Tuotannon kestävässä tehostamisessa ja kierrätystaloudessa huomioitava myös hivenravinteet ü Orgaaniseen ainekseen sitoutunut Se käyttökelvotonta kasville ü Valkuaislähteen vaihtaminen dieetissä muuttaa hivenaineiden saantia ü Halutaanko suljetut ravinnekierrot
Kiitos!