Tag Archive for: bioKontroll Folyóirat – Rövid közlemény

Genetic background and ecotoxicological aspects of MON 810

Summary
Currently, the majority of cultivated genetically modified (GM) plants in the agricultural industry in Europe has originally been developed in North America (USA and Canada) and are widely applied also in South America. Genetic modifications are used for three major aims: (a) introduction of a new property into an organism, (b) overexpression of a target gene product, and (c) silencing or functional studies of a specific gene by its inactivation in the host organism. The primary aim in case of MON 810 was the introduction of a novel property. A truncated version of Cry1, a toxin originating from Bacillus thuringiensis subspecies, highly effective against the European corn borer, was targeted to be expressed in GM maize. Thus, a vector containing the truncated Cry1 toxin gene and the corresponding regulating regions have been introduced into corn species using the gene gun transformation method. It is often claimed to be a benefit of MON 810, that its protecting action is persistent and the active compounds are shielded from harmful environmental effects. At the same time these advantages are disadvantages as well, since Cry1 toxin production is not tissue and period specific, therefore lacking basic requirements for the concept of integrated plant protection. Furthermore, the expressed Cry1 toxin is retained for a long duration in the environment, thus increasing its pressure. Currently the European Union is in the waiting state regarding MON 810 corn varieties and in many countries moratoria have been announced against cultivation.

Világszerte a termések 30-40%-a elveszhet a kártevők hatására a termesztés, szállítás és tárolás során. E nehézség megoldásaként főként különböző növényvédő szereket használnak. Viszont e vegyszerek általában szennyezik a környezetet és nem minden esetben specifikusak. E gond kezelésére kezdtek el genetikailag módosított (GM) növényeket létrehozni. Az elsőgenerációs génmódosítások során az adott növényfajba rendszertanilag távoli szervezet génjét (transzgén) ültettek be. A legtöbb, a mezőgazdaság számára így létrehozott elsőgenerációs GM-növény gyomirtószer-tűrő (ezen belül leggyakraban glyphosate- vagy glufosinate-tűrő), valamivel kisebb hányaduk pedig a Bacillus thuringiensis egy vagy több Cry toxin termelésért felelős génjét hordozza, valamint számos több transzgént is tartalmazó, a fenti tulajdonságokat együttesen tartalmazó (stacked event) fajtát is létrehoztak.

A B. thuringiensis spóraképző Gram-pozítiv, pálcika alakú baktérium. Az 1920-as évektől kezdve az egyes patovariánsai által termelt endotoxinokat (olyan baktériumok által termelt toxinokat, melyeket a baktérium nem a külvilágba választ ki, hanem a saját sejtjében tárol el) rovarölő szerként alkalmazzák. A B. thuringiensis által termelt delta-endotoxin közvetlenül az endospórával szemben (parasporális test) raktározódik el, és két fő csoportja ismert, a Cry és a Cyt toxinok. A Cyt toxinokat a növényvédelemben nem alkalmazzák citolítikus és hemolítikus hatásuk miatt. A Cry toxinokat aminosavszekvenciájuk alapján 22 főtípusba sorolták, ezen belül több altípusuk ismert. Gyakorlati szempontok alapján öt Cry toxin jelentős: Cry1 a lepkék hernyóira, Cry2 a lepkefélékre és kétszárnyúakra, Cry3 a bogarakra, Cry4 a szúnyogok láváira, míg a Cry5 toxin csoport a fonálférgekre toxikus [Bravo 1997; Takács és mtsai 2009]. Napjainkban is kereskedelmi forgalomban vannak fermentált B. thuringiensis alapú termékek, kristályos toxinfehérjéket tartalmazó rovarirtó szerekként (például Dipel WP). A B. thuringiensis Cry toxinjai protoxin formában termelődnek meg, és csak a rovarok emésztőrendszerében aktiválódnak, proteázok hatására. Ezzel ellentétben a MON 810-es kukorica által termelt Cry1Ab toxin egy már kurtított, tehát preaktivált forma [Székács et al 2010, Darvas és Székács, 2010].

A MON 810-as kukorica előállításához integratív vektorokat alkalmaztak, a vektorokat úgy tervezték meg, hogy azok a kromoszómától függetlenül ne legyenek képesek replikálódni a növényben. A transzformációhoz a szükséges vektorok – PV-ZMBK07 és PV-ZMGT10 – keverékét használták. A PV-ZMBK07 vektor a B. thuringiensis var. kurstaki (Btk) HD-1 törzsből származó cry1Ab gént tartalmaz, mely a karfiol-mozaikvírus (CaMV) 35S promóterének és a kukorica hsp70 (hősokkprotein) génjének szabályozása alatt áll. A cry1Ab gént követően a nopalin-szintáz (NOS) génjének nem átíródó régiója található 3′ irányban, mely transzkripciós terminátorként funkcionál, és irányítja a poliadenilációt. A CaMV 35S promótere konstitutív promóter, mely folyamatosan bekapcsolva tartja a gént, ezáltal a lektin típusú toxin átíródása folyamatos, ellentétben a kukorica összes többi génjével, melyek kifejeződéséhez adott körülmények megléte szükséges. A cry1Ab gén terméke a Cry1Ab toxin folyamatosan keletkezik a növényi sejtben. Ez több veszélyt is rejt magában. Egyrészt nem tudni, hogy a folyamatos toxintermelés miként meríti ki a sejt készleteit, ezáltal akár más fontos funkciók gátolódhatnak. Másrészt a promóter néha nemcsak a transzgént kapcsolja be, hanem a sejt saját génjeiből is néhányat, melyeknek termékére a sejtnek nincs szüksége, esetleg káros is lehet. Számos kutatási eredmény támasztja alá, hogy a CaMV 35S promóter beépülése a DNS-ben úgynevezett „forró-pontokat” (hot-spots) hoz létre, mely azt eredményezi, hogy az adott DNS-szakasz vagy akár az egész kromoszóma instabillá válhat [Ho et al 1999]. Lényeges szempont az is, hogy a CaMV nem szövetspecifikus promóter, vagyis a cry1Ab gén terméke minden egyes növényi szövetben, szervben kifejeződik, még ott is, ahol nincs szükség rá, például a gyökérben. A PV-ZMGT10 vektor a Gox és CP4 expressziós kazettákat tartalmazza. A gox-gén expressziós kazetta a következő elemeket tartalmazza: karfiol-mozaikvírus 35S promóter (E35S); kukorica hsp70 gén; CTP1 – az Arabidopsis thaliana ribulóz-1,5-difoszfát-karboxiláz/oxigenáz (rubisco) enzimének kis alegységéhez kapcsolodó kloroplasztisz-tranzitpeptid génje – mely a célprotein transzfehérjét hivatott irányítani a citoplazmából a kloroplasztiszba; gox gén, glyphosate-oxidoreduktáz enzimet kódoló génszakasz az Achrobacter sp. LBAA törzséből, mely a glyphosate lebontásáért felelős; végül a NOS 3′ terminátor, mely transzkripciós terminátorként funkcionál, és irányítja a poliadenilációt. Emellett a PV-ZMGT10 vektor tartalmazza a CP4 expressziós kazettát: karfiol-mozaikvírus 35S promóter (CaMV 35S); kukorica hsp70-gén; CTP2 – az Arabidopsis thaliana 5- enolpiruvil-sikimin-3-foszfát-szintáz (EPSPS) enzimhez kapcsolodó kloroplasztisz-tranzitpeptid, mely a célprotein transzferjét hivatott irányítani a citoplazmából a kloroplasztiszba; EPSP-gén az Agrobacterium CP4 törzséből – mely a glyphosate hatóanyaggal való szelekciót teszi lehetővé, továbbá, NOS 3′ terminátor, mely transzkripciós terminátorként funkcionál, és irányítja a poliadenilációt.

Fentiek mellett mindkét vektor tartalmaz bakteriális elemeket, annak érdekében, hogy a vektorokat nagy mennyiségben tudják termelni Escherichia coli sejtekben. Ezen elemek: ori-pUC, mely felelős a bakteriális sejtben történő átíródásért, LacZ gén, mely az elkészült vektorok szelektálását segíti elő kék-fehér szelekció segítségével, továbbá kanamicin-rezisztenciagén, mely az E. coli K12-as törzsének Tn5-ös transzpozonjáról származó neomicin-foszfotranszferáz II gén.

A MON 810-es kukorica előállítására a génpuskán vagy génágyún alapuló biolisztikus módszert alkalmazták. A MON 810-as kukorica előállításához egy közép-amerikai törzset, a Zea mays ssp. mays típust, választották. Maga a génbevitel módszere igen egyszerű, lényegében a sörétes puska elvén alapszik. A vektor DNS-t egy nehézfém (arany, wolfram) mikrohordozóhoz kötik. A mikrohordozót egy makrohordozóhoz rögzítik, majd nagy sebességre gyorsítják, ezt követően azt hálónak/rácsnak ütköztetik, amin fizikilag szóródik (diszpergálódik) a vektor DNS-sel bevont mikrohordozó. A rácsnak ütközést és az így fellépő szóródást követően a nagy sebességű DNS-sel burkolt mikrohordozó a kezelni kívánt mintát tartalmazó Petri-csésze felé repül. Az ezen Petri-csészén található növényi szövet- vagy sejttenyészet érintett sejtjeinek sejtfalát átlyukasztva a DNS a mikrohordozóval együtt a sejtbe jut. Az esetek kis részében a vektor DNS eljut a sejtmagba, és ott létrejöhet a genomba történő integrálódás [Hill et al 2005]. A transzformációt követően a transzformánsok analízise következik, vagya cry1Ab gén genomba épülésének visszaigazolása. Ez legtöbb esetben a cry1Ab génre vagy géntől 5′ vagy a géntől 3′ irányokba tervezett specifikus primerekkel és genomanalízissel végzik el [Hernandez et al 2003]. Továbbá Southern-hibridizációt is számos esetben alkalmaznak a genetikai módosítás visszaigazolására. A MON 810-es kukorica genomanalízise során visszaigazolták, hogy csak a PV-ZMBK07 vektorról származó konstrukció épült be.

A transzformálás maga is számos veszélyt rejt magában, ami a genom instabilitásában nyilvánulhat meg. A kukorica genomja megközelítőleg 25%-ban tartalmaz ugráló genetikai elemeket (transzpozonokat), melyek akár kromoszómák között is mozoghatnak, ezek segítségével akár a transzgén vagy a transzgén promótere is átkerülhet más kromoszómára. Emellett a transzgén random módon, tehát nem előre meghatározott helyre épül be a genomba, ezáltal más gén/gének átíródását is megváltoztathatja. Így akár egy-egy fontos fehérje expressziója is gátlódhat, melyeket ez esetben alternatív úton kell a sejtnek megtermelni, ami előre kiszámíthatatlan változásokat okozhat a sejtben. Ellenkező esetben olyan gének, alvó gének, aktiválódhatnak, melyekre a növények nincs szüksége. Továbbá a tripletek leolvasási kerete is eltolódhat beépülés hatására (frame shifting), mely teljesen más aminosavak szintéziséhez vezethet.

Termesztés során szembe kell néznünk a gének – fizikai vagy biológiai – megszökésének veszélyével [Heszky 2006], vagyis a kukorica pollenje akár nem GM növényeket is megtermékenyíthet, így fajtahibrideket létrehozva, ezáltal veszélyeztetve a hagyományos és biogazdálkodást, a vetőmagtermesztést és a kukorica génbankját. A GM kukoricafajták előállítása, az erőteljes szelekció magában hordozza a génerózió lehetőségét is.

A MON 810-es kukoricát toxintermelésének sajátosságai miatt is vitatják. Mivel az új transzgenikus sejtvonalban a Cry1Ab toxin termelődése egy konstitutív promóter (CaMV 35S) irányítása alatt áll, minden egyes sejtben termelődik toxin, ezáltal nagyságrendekkel magasabb is lehet az egy hektáron termelődő toxinmennyiség a hagyományos biológiai növényvédő szeres védekezés során kijuttatott Dipel mennyiségének [Székács és Darvas 2007]. A toxin termelődése eltérő az egyes növényi részekben és termesztési időszakokban. A kukoricamoly hernyója a kukorica föld feletti részeit tudja károsítani, a szárban vagy csőben készített aknákkal, amelyek a szár eltörését okozhatják, vagy a csőben utat nyitnak a különböző gombabetegségeknek, mint például a Fusarium-fajok által okozott betegségeknek [Darvas et al 2011]. Annak ellenére, hogy a védekezésre főként a növényi szárban és a csövekben lenne szükség, a növény folyamatosan minden részében termeli a Cry1Ab toxint. Intenzív toxintermelés tapasztalható már a csírázás folyamán a magban, majd ezt követően a levélben az első hónap végéig. A toxintermelési maximumot ekkor éri el a növény, ami 17,15 ± 1,66 μg toxinszintet jelent 1 gramm friss növényi szövetben. A levélben ezt követően csökkenés figyelhető meg a toxinszintben, amit ismételt növekedés követ. Hasonló toxintermelési ingadozások figyelhetőek meg a gyökérben. A toxinkoncentráció minden növekedési/fejlődési fázisban a levélben a legmagasabb, mely nem a kukoricamoly hernyójának fő tápláléka. Ezt követi a portok, majd a gyökér, a szár, a kukoricaszem és végül a pollen. Vagyis a ténylegesen károsított szárban közepes mennyiségű toxin termelődik [Székács et al 2010]. A kukorica szemtermése, amit akár emberi fogyasztásra termesztenek (hangsúlyozottan Románia, Olaszország), nagyon kis mennyiségű toxint tartalmaz, viszont a növény levelét, melyben legnagyobb mennyiségben termelődik meg a toxin, sok esetben állati takarmányként hasznosítják (silózás).

Végül, de nem utolsósorban meg kell említeni a tarlómaradványok problematikáját. A tarlómaradványokban az ősszel mérhető toxinmennyiség 1-8%-a mérhető egy év múlva [Székács és Darvas 2007]. Így a betakarítást követően a földeken maradt növényi maradványok hatással lehetnek a talajélet szempontjából igen jelentős, a lignocellulóz dekompozícióját végző talajfaunára is, amire a kukorica talajbeli maradványait fogyasztó ugróvillások vizsgálatai irányították rá a figyelmet [Bakonyi et al 2006, 2011].

Irodalomjegyzék

  • Bakonyi G, Szira F, Kiss I, Villányi I, Seres A, Székács A(2006) Preference tests with collembolas on isogenic and Bt-maize. Eur J Soil Biol 42, 132-135.
  • Bakonyi G, Dolezsai A, Mátrai N, Székács A (2011) Long-term effects of Bt-maize (MON810) consumption on the Collembolan Folsomia candida. Insects 2, 243-252.
  • Bravo A (1997) Phylogenetic relationships of Bacillus thuringiensis delta-endotoxin family proteins and their functional domains. J Bact 179, 2793-2801.
  • Darvas B, Székács A (2010) A géntechnológiai úton módosított növények megítélése az Európai Unió keleti határán. Biokontroll 1, 13-23.
  • Darvas B, Bánáti H, Takács E, Lauber É, Szécsi Á, Székács A (2011) Relationships of Helicoverpa armigera, Ostrinia nubilalis and Fusarium verticillioides on MON 810 maize. Insects 2, 1-11.
  • Hernandez MP, Esteve T, Prat S, Puigdomenech P, Ferrando A (2003) A specific real-time quantitative PCR detection system for event MON 810 in maize YieldGard based on the 3′- transgene integration sequence. Transgenic Res. 12, 179-189.
  • Heszky L. (2006) A koegzisztencia jelenlegi formája szakmailag megalapozatlan, a gyakorlatba kivitelezhetetlen. Mag Kutatás, Fejlesztés és Környezet 20 (5-6), 14-15.
  • Hill M, Launis K, Bowman C, McPherson K, Dawson J, Watkins J, Koziel M, Wright MS (1995) Biolistic introduction of a synthetic Bt gene into elite maize. Euphytica 85, 119-123.
  • Ho M, Ryan A, Cummins J (1999) Cauliflower mosaic viral promoter – a recipe for disaster? Microbial Ecol. Health Disease 11, 194-197.
  • Székács A, Darvas B (2007) A MON 810-es kukorica Cry1 toxintermelése és annak tarlómaradványokban való lebomlása. 27-30 oldal In. Darvas B. (szerk.) Mezőgazdasági géntechnológia – Elsőgenerációs GM-növények. Magyar Országgyűlés Mezőgazdasági Bizottsága, Budapest. (ISBN 978 963 87505 1 8)
  • Székács A, Lauber É, Juracsek J, Darvas B (2010) Cry1Ab toxin production of MON 810 transgenic maize. Environ Toxicol Chem 29, 182-190.
  • Takács E, Lauber É, Bánáti H, Székács A, Darvas B (2009) Bt-növények a növényvédelemben. Növényvédelem 45, 549-558.

Baka Erzsébet
(bioKontroll Folyóirat 2011. szeptember)

Gains of the „biomass fever”

Summary
There is a growing resource need by the society, while natural resources are being exploited far beyond their carrying capacity. Depleting energy resources and population/industrial growth urge the search for new types of renewable energy sources, such as biomass. Biomass is of small energy density and requires extensive land usage by either involving new intact habitats, or using cultivation areas presently used for crops produced by the agriculture. In this respect, food and energy production compete each other. Genetic engineering is being used and tested in every aspect of biomass production, focusing on various target genetically modified organsims (GMOs) including crops, bacteria, yeasts and catalysts. Researchers attempt to genetically engineer plants that grow faster, have high sugar content, contain more cellulose or less lignin, have greater resistance to stress conditions. Alternatively, microorganisms are also being genetically modified to improve fermentation or facilitate the breakdown of cellulose. As a latest development, modified algae to produce future fuel have been of great attention. Enhanced agricultural production of GMOs have raised serious doubts concerning their environmental impacts. In the case of energy crops, however, potential environmental risks may skip the attention of research and public discussion, as GMOs for non-food products get less attention from the consumers.

1800 és 2000 között a világ népessége hatszorosára nőtt, a mezőgazdasági termelés pedig megtízszereződött. 1960 és 2000 között a világ népessége megduplázódott, háromról hatmilliárd lett, ugyanekkor a mezőgazdasági termelés több mint duplájára nőtt. Természetesen mindez a fejlettnek mondott intenzív mezőgazdasági technológiák térhódítása, a fokozódó föld- és fosszilisenergia-használat és vízfelhasználás mellett történt.

A növekedés révén az emberiség csapdába került. Minél többet termel a mezőgazdaság, annál több ember ellátása válik lehetővé, és ez kikapcsolja a népesség és a természetes környezet eltartó képessége közötti negatív visszacsatolást. Vagyis évente nyolcvanmilliónyi emberrel növekszik a Föld lakossága, amely újabb kényszert szül az intenzitás növeléséhez. Ugyanakkor ma már azt tapasztaljuk, hogy a világ népessége gyorsabban gyarapodik, mint az ellátásukhoz szükséges gabonatermelés volumenének bővülése, amely a szükséges növekedés egyharmadával növekszik csupán. Ehhez járul még hozzá, hogy a gabonafélék normál hozamnövelése az 1970-es évekbeli átlagos évi 3-5%-ról lecsökkent évi 1-2%-ra. Azt sem szabad elfelejteni, hogy az éhezők száma évről évre növekszik, és 2010-re meghaladta az egymilliárd főt.

A szükségletek kielégítéséhez egyre több földterületre, vízre, energiára van szükség, pedig már egy ideje látható, hogy készleteink végesek. A világ élelmiszer-ellátásához becslések szerint 2020-ra kb. 200-500 millió hektár újabb mezőgazdasági területekre lenne szükség, a jelenlegi 1500 millió hektár mellé [Kampman és mtsai 2008]. A FAO előrejelzése szerint az élelmiszer-előállításhoz szükséges területek 2030-ra a fejlődő országokban jelentősen nőnek. 1999-hez képest 120 millió hektárral fog bővülni a mezőgazdasági területek nagysága, például a szubszaharai Afrikában 60 millió, Latin-Amerikában és a Karib-szigeteken 31 millió hektárral fog bővülni. [Bruinsma 2003].

Az olajcsúcs (peak oil) elmélete mellett [Hubbert 1956], amely a fosszilis energiaforrások végességére figyelmeztetett és mára beigazolódott, megjelent a talajcsúcs (peak soil) teóriája is. A The Daily Telegraph folyóirat híradása [Hough 2010] John Crawfordot, a Sydney-i Egyetem Fenntartható Mezőgazdaság tanszékének vezetőjét idézi, aki szerint akár 60 év alatt is elfogyhat a termőtalaj a világon a föld túlzott használata miatt. A Crawford által bemutatott tanulmány rámutat, a termőtalaj vékonyodásának oka az elhibázott földhasználat és túltermelés okozta erózió, valamint a klímaváltozás. Becslése szerint évente 75 milliárd tonna talaj pusztul el világszerte, és mára a világ termőtalajának 80 százaléka mérsékelten vagy jelentősen erodálódott. Kínában az erózió üteme a természetes regenerációs képesség 57-szerese, míg Európában 17-szeres, Amerikában 10-szeres, Ausztráliában 5-szörös a mutató. „Ha nem teszünk drasztikus lépéseket, a világ termőtalaja akár 60 éven belül is eltűnhet. Ez az élelmiszerárak megugrásához és globális élelmezési válsághoz vezethet” – idézi Crawfordot a The Daily Telegraph.

A fenti tények arra utalnak, hogy a növekvő világnépesség növekvő élelmiszer-szükségleteinek kielégítése elérte ökológiai határait. A fosszilis energiaforrások közül az olaj közeli kimerülése, továbbá az éghajlatváltozás és a fejlett országok energiafüggősége miatt, a „Nyugatnak” új, lehetőleg megújuló energiaforrások után kell néznie. Ezen okok miatt napjainkban egyre erőteljesebben fordul a figyelem a biomassza energetikai hasznosítása felé.

A biomassza energetikai felhasználása széleskörű. Egyrészt elégethetjük közvetlenül, mint primer energiaforrásokat. Itt hagyományosan a fára gondolunk, de ma minden olyan növény a célkeresztben van, amelynek nagy a produkciója. Másrészt másodlagos energiahordozókat készíthetünk belőlük, mint amilyenek az agroüzemanyagok, vagy a pirolízis gáz és olaj. Magukat az élő szervezeteket bioreaktorokként is használhatjuk, hogy velük termeltessünk energiahordozót, például baktériumokkal olajat, algákkal alkoholt, olajat vagy hidrogéngázt.

A felhasználási módok egy jelentős területe átfed az elsődlegesen élelmezési célokat szolgáló mezőgazdasági termékek körével. Ezért a mezőgazdaságra, a kimerült talajra, a már így is jelentősen felszámolt természetes ökoszisztémákra még nagyobb feladatok várnak, a természetre pedig ezzel arányosan több teher hárul. A konfliktus középpontjában ma az agro­üzem­anyagok állnak, amelyeket az érdekeltek bio­üzemanyagként emlegetnek, mintha azok csupa zöld tulajdonsággal lennének felruházva. A bio­üzem­anyagok megkívánt mennyiségben történő előállítása azonban komoly területi korlátokba ütközik, hiszen a mezőgazdasági alapanyagok kis energiasűrűségük miatt csak nagy területekről begyűjthetők.

A jelenlegi technológia mellett, ha a világ teljes kukorica-, cukornád-, szója- és pálmaolaj-mennyiségét folyékony üzemanyaggá alakítanánk, az a világon felhasznált fosszilis üzemanyagnak csupán 3%-át tenné ki, és a világ fosszilis üzemanyagaiból nyert elsődleges energiának kb. 1,2%-át adná [Field és mtsai 2008].

Amennyiben az USA (a világ legnagyobb kukorica alapú etanolt gyártó országa) a teljes kukoricaterméséből etanolt gyártana, úgy az ebből előállítható etanollal a benzinfogyasztásnak 17%-át helyettesíthetné. A világ összkukorica-termését felhasználva is, csak a jelenlegi szükségletek 40%-át fedezhetné [Makay 2008].

A csekély arányú helyettesítés több földterület bevonásával érhető el, de mivel az élelmiszer- és energiatermelési célú felhasználás vetélkedik, ezért vagy az egyiktől, vagy a másiktól vonunk el területet. Európában, egy hatásvizsgálat kapcsán világossá vált, hogy az európai vezetők elvárásainak teljesítése (10%, többnyire bio­üzemanyag részesedés az üzemanyagokban 2020-ig) a közösség termőterületeinek 72%-át igényelné, illetve minden megtermelt liter bioüzemanyag két és félszer többe kerülne, mint a normál [Smith 2007]. Ezekből a számokból nagyon jól látszik a potenciális veszély. Ma a világon a fosszilis üzemanyagoknak kereken az 1%-át helyettesítik biológiai eredetűvel, és már ezen a szinten is kérdőjelek merültek fel a bioüzemanyagok élelmiszerár-felhajtó szerepével kapcsolatban.

Egyes kutatók az élelmiszerek áremelkedésének 75 százalékát [Chakrabortty 2008], mások 10-30 százalékát [pl. Rosegrant 2008] a bioüzemanyagok iránti kereslet megugrásának tulajdonítják. Collins [2008] szerint az etanolgyártás kukoricafelhasználása 25-50 százalékban járult hozzá a termény árának emelkedéséhez (ez esetben a kukorica termelői árának növekedéséről van szó) [Popp és Potori 2008]. Az Actionaid tanulmánya szerint [Actionaid UK 2010] az agro­üzemanyagok a 2008-as élelmiszerárak növekedéséhez legkevesebb harminc százalékban járultak hozzá, továbbá ez 100 millió ember szegénységét, és 30 millió éhségét okozták [World Bank 2008]. A szervezet 2020-ig, amennyiben a globális agroüzemanyagra vonatkozó célkitűzések teljesülnek, további 76%-os élelmiszerár emelkedést prognosztizál ennek következtében. Szerintük ez további 600 millió ember szegénységbe jutását eredményezné.

Ebben a helyzetben egyre többen tekintenek a biotechnológiára, azon belül is a géntechnológiára, mint egyetlen lehetséges megoldásra. Az élelmiszercélú vagy azt közvetetten szolgáló transzgenikus növények a fogyasztók széles körének nemtetszését váltották ki, és az előítéleteken túl szaporodni látszanak az ellenérveket megalapozó kutatások és tapasztalatok is. Ezzel párhuzamosan a géntechnológiai kutatásokba fektetett összegek egyre nőnek, az alágazatnak megtörtént az intézményesülése, és kétségtelen anyagi érdekeltségek húzódnak meg a törekvések mögött. Már csak e két ok miatt is, e terület művelői kitörési pontot vélnek felfedezni az energetikai célokat szolgáló növénytermesztés területén, mivel a fogyasztókat nem kell az egészségre gyakorolt ártalmak hiányáról meggyőzni, a transzgénikus szervezetek ebben az esetben energetikai célokat szolgálnak.

A téma iránti érdeklődésre utal, hogy számos európai, technológiai hatásvizsgálattal foglalkozó intézmény egy közös program keretében (European Parlia­mentary Technology Assessment) vizsgálta a gén­­­technológiával szembeni elvárások változását, és amelynek keretében külön kitértek a nem élelmiszercélú módosítások kihívásaira. A Föld Barátai 2007 tavaszán ugyancsak állásfoglalást bocsátott ki [Friend of the Earth 2007], amelyben összegzik a biomasszával kapcsolatos ellenérveket, s feltételeket fogalmaznak meg a hasznosítással kapcsolatban. Az ún. Quitói Nyilatkozat, amelynek keretében a helyi emberek függetlenségüket féltik a bioüzemanyag-üzlet szereplőitől, többek között felhívja a figyelmet arra, hogy a bioüzemanyagok szabad utat jelentenének a genetikailag módosított (GM) gabonák számára, a vele járó számos hatással együtt.

A biotechnológiának a növénytermesztés és az alapanyagok konverziójának minden területén vannak törekvései. Elsődleges cél a produkció növelése vagy valamilyen speciális tulajdonság kifejezősének erősítése, például alkalmazkodás a marginális területek ökológiai viszonyaihoz, olaj-, cukor- vagy keményítőtartalom növelése, ellenállás a rovarkártevőknek, előny a gyomnövényekkel szemben, magasabb cellulóz-, kisebb lignintartalom stb. A törekvések másik nagy területe az alapanyagok átalakításának megkönnyítése, mint például a cukor kivonása, a keményítő és a cellulóz hidrolízise és fermentációja a géntechnológia segítségével.

A biotechnológia a terméseredmények fokozását a növények genetikai képességének kihasználása, a növénynemesítés, legújabban a génkészlet mesterséges módosítása által kívánja elérni. A Nature Bio­technology folyóirat „A bioetanolnak szüksége van a biotechnológiára” címmel jelentetett meg – szerző megjelölése nélkül – cikket [Anonymous 2006]. Az írás lelkesen ecseteli, hogy az etanol egyik alapanyagának, a kukoricának a termelése milyen magas költségekkel és környezeti károkkal jár, mint pl. a nitrogénműtrágya, a talajerózió, a rovar- és gyomirtó szerek, sőt még a fejlődő országok élőhelyeire leselkedő veszélyt is megemlíti. Ezeken a problémákon segíthetne a biotechnológia. „Jelenleg főleg kukoricából és cukornádból gyártott etanol esetében már kidolgozták a rekombináns DNS-technológiákat, amelyek egyrészt emelnék az etanolhozamot, másrészt pedig csökkentenék a betáplált nyersanyagok környezetre gyakorolt káros hatását, továbbá fokoznák a feldolgozás hatékonyságát a finomítóban”. Ígérik a fotoszintézis széndioxid-fixáció hatékonyságának javítását, a nitrogénfixáció megoldását vagy az endo­spermiumban lévő keményítő egyszerűbb cukorrá való lebontását végző enzimrendszer beépítését a növényekbe.

Az élelmezési, takarmányozási és energetikai célokat is szolgáló növénytermesztés esetében alkalmazott génmódosítások környezeti vagy egészségre gyakorolt potenciális hatásai között nincs különbség, ezek a jól ismert diskurzusok tárgykörében tartoznak. Ezen a téren azt érdemes megjegyezni, hogy könnyen szétválhat az energetikai célra termesztett növénytermesztés az élelmezési célútól, ha a fogyasztók többsége továbbra is elutasítja a GM szervezetek élelmiszercélú alkalmazását. Viszont abban az esetben, ha kiterjedt területeken energetikai célú termesztés folyna, a koegzisztencia és egyáltalán a génmegszökés kérdése válhatna kezelhetetlenné.

A közvélemény gyakori elutasítása miatt a genetikai mérnökök kedvenc célterülete, ezért egyre inkább az ún. második, illetve harmadik generációs üzemanyagok köre. További érveket találnak abban is, hogy a már fent említett vetélkedést az élelmiszeripari alapanyagokkal akkor lehet megszüntetni, ha az élelmiszer-termelésre nem alkalmas cellulózt használják fel energetikai célokra. Ez hatalmas mennyiségben áll rendelkezésre, hiszen a földi biomassza tömegének csaknem a fele cellulóz.

A nem élelmiszeripari felhasználású alapanyagokból készült motorhajtóanyagokat nevezik második generációs bioüzemanyagoknak. Alapanyagként bármilyen növénytermesztési maradék vagy növényi szervezet felhasználható. A probléma azonban az, hogy a cellulózt szét kell választani a lignintől, majd pedig le kell bontani alkohollá. A folyamat magas energiaigényét GM szervezetek alkalmazásával kívánják csökkenteni. Mivel ebben az esetben a módosítás nem magát a növényt érintené, hanem valójában egy ipari folyamathoz hoznak létre módosított mikroorganizmusokat, ezért ennek közvetlen veszélyessége fel sem merül az alkalmazókban. Már csak azért sem, mert ezeket a mikroorganizmusokat magas hőmérsékleti körülményekre is specializálni kell, ami sebezhetővé teszi őket arra az esetre, ha mégis kikerülnének a szabadba.

Ugyan az ilyen szervezetek tényleg segíthetnek hatékonyabbá tenni a folyamatot, de még ebben az esetben is kétségtelen az átalakítás jelentős energiaigénye. Valódi megoldásként ezért a harmadik generációs bioüzemanyagokra gondolnak, amikor a módosítás már újra magára a növényre irányulna. Ebben az esetben a módosítás azt célozza, hogy a keményítő cukorrá való lebontása, sőt a cellulóz lebontása is az élő növény saját vegykonyhájában történjen meg.

Az utóbbi időben még a cellulóznál is nagyobb hírértéke van az algák segítségével készített olajnak, alkoholnak vagy éppen hidrogénnek. A történet a hetvenes évek végének energiakrízisével kezdődött, és ma már egyesek az algákkal termeltetett olajat a hagyományos olaj versenytársaként tüntetik fel, és az algákban látják az energiakrízisre adott legfőbb választ. Az Obama adminisztráció is több tízmilliós támogatást nyújtott erre a célra, beleértve a GM szervezetek kikísérletezését. A kérdést feszegetve a The New York Times tett közzé egy írást 2010. júliusában, amelyben a lehetséges előnyöket és veszélyeket mérlegeli [Maron 2010].

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (US Department of Energy, DOE) először 1978 és 1996 között támogatott egy jelentősebb kutatási programot, amelynek a zárójelentésében [US Department of Energy 1998] megállapították, az algák használata költséges, és ezért nem versenyképes a hagyományos olajjal. Akkor a szorzó a költségek tekintetében kétszeres volt. Ezért itt sem kétséges, hogy a jobb produkció érdekében a géntechnológiához kell nyúlni. Ám akármilyen ártalmatlannak is gondolják a genetikai mérnökök a módosított algákat, az ellenzők azok környezetbe való kikerülése miatt aggódnak, amely bizonyosra vehető. Zárt térben ugyanis nem lehetne a kívánt mennyiségű olajat megtermeltetni, szükség van arra, hogy tavakban, tengerekben in situ körülmények között működhessenek. Jelenleg azonban semmilyen kockázatbecslés nem készült, és ezen a téren a szabályozás még teljesen gyermekcipőben jár. Sürgős szükség lenne pedig ezekre a kísérletezés legkorábbi szakaszában, hiszen nagyon nagy a befektetői érdeklődés, és amennyiben sokan fektetnek be ebbe az üzletbe, még ha kiderül is a kockázat, nagy lesz az ellenérdekeltség annak helyes mérlegelésére.

A kockázatok alábecsülésére már most jellemző, hogy a fajtatulajdonosok nem tartanak attól, hogy a természetbe kiszabadulva a módosított formák versenyképesek lennének a szabadban élő fajokkal. A veszélyeket pedig nem kellene alábecsülni, hiszen az algák gyors szaporodási ciklusa lényegesen nagyobb esélyt ad a módosított szervezet természetes megváltozásának, mint például az évente egyszer szaporító anyagot termelő kukorica esetében fennáll.

A mikrobák által termeltetett olaj előnyeként egyébként olcsóságát említik. Összevetve az ún. bioetanollal 65%-kal kevesebb energia szükséges az előállításához, és 50%-kal több út megtételére képes az autónk, ha ezt használjuk [Svoboda 2008]. Az Aurora Biofuels cég szerint, összevetve az élelmiszeripari nyersanyagok üzemanyagcélú felhasználásával, huszonötöd területhányadon lehet hasonló hozamokat elérni az algákkal, és azok hetvenszer vagy akár százszor is termelékenyebbek az olajtartalmú növényeknél. A kecsegtető eredmények mellett azonban nem lenne szabad elfeledkezni arról sem, vajon mi történik akkor, ha ezek a laboratóriumok nem kémcső vagy lombik méretűek, ha azt a hihetetlen mennyiségű olajat kellene pótolni, nagyjából nyolcvan millió hordót naponta, amelyet az emberiség elfogyaszt.
Az algákkal nemcsak olajat, de alkoholt is lehet termeltetni. Az Alegenol Biofuel Inc. olyan technológiát (Direct to Ethanol) fejlesztett ki, amelynek során az algák bioreaktorokban etanolt termelnek. Az alkohol- és olajtermeltetés mellett a másik célterület a hidrogén. Az algák természetes életfolyamataik során termelnek hidrogént, de módosítással el lehet érni, hogy akár 90%-os tisztaságú hidrogént állítsanak elő. Állítások szerint a napfényt 12%-os hatásfokkal képesek ezek a szervezetek hidrogénné alakítani. A módosítás itt a napfény megkötésének jobb hatásfokára irányult. Következtében az algaprodukció fele idő alatt érte el a korábbi szintet, színe pedig sötét zöldről világos zölddé változott [CleanTech Group 2009].

Az algák módosításának további célterülete a szénmegkötés mértékének növelése, amely a légköri szén-dioxid megkötésében játszhatna jelentős szerepet. Mint tudjuk az ún. CCS (Carbon Capture and Storage) technikákban sokan reménykednek – ha sikerül megkötniük a légkörből a szén-dioxidot, akkor fenntarthatják a fosszilis energiaforrások égetését is.

Az algaüzlet virágzását jól mutatja, hogy az ezzel foglalkozó szervezetek szövetsége 170 tagot tömörít [Algal Biomass Organization 2009], és sorba jelentik be a jobbnál jobb üzleti megállapodásokat, mint például amilyen az ExxonMobil és a Synthetic Genomics között létrejött.

A második generációs bioüzemanyagok vagy a nagyobb biomasszatömeg-hozammal rendelkező fajták kísérleteinek egyre több esetével találkozhatunk. 2006-ban tették közzé az Észak-Amerikában honos Populus trichocarpa nevű nyárfa géntérképét, ez volt az első fa, amelyet teljesen feltérképeztek annak érdekében, hogy minél nagyobb cellulózprodukcióra sarkalják majd, az abból kinyerhető alkohol érdekében. Két éve indult meg az olajpálma genomjának a feltárása, hogy módosított fajtákkal a kevésbé csapadékos vidékeken is lehessen ligeteket létesíteni.

Amerikában környezetvédők széles körének váltotta ki tiltakozását a hidegtűrő eukaliptusszal folytatott szabadföldi kísérlet. Ezt az idegenhonos fajt, amelyet már korábban is próbálták telepíteni Amerikában, most a hideg tűrésére módosították. A fajtatulajdonos az ArborGen, és mintegy negyed millió egyedet kívánnak a Golf-öbölben és Dél Karolinában elültetni kísérleti jelleggel. A 28 kísérleti helyet titokban tartották mindeddig. A cél, hogy évente félmillió ilyen egyedet termesszenek és juttassanak ki a szabadba. Az eukaliptusz gyors növekedése és magas produkciója jól ismert, ugyanakkor nagyon magas a vízfelhasználása is, továbbá invázív fajként ismert. A hidegtűrésre módosított fajta így azokra a területekre is kiterjedhet, amelyeken ezt az éghajlat korábban megakadályozta.

Az energetikai felhasználás hatékonyságnövelését célzó genetikai módosítások környezeti kockázatairól ismereteink kezdetlegesek, mondhatnánk, teljesen hiányoznak. Nem csoda, hiszen még az élelmiszeripari felhasználást szolgáló módosítások kockázatainak mérlegelése sem teljes körű. Mindkét területen félő, hogy a negatív környezeti hatások megismerése majd az idő múlása során válik lehetővé, amikor tehetetlenül szemléljük majd az elkövetett hibák következményeit. Ma igazában abban kellene áttörést elérni, hogy a GM szervezetek szerepét tágabb kontextusban szemléljék a döntéshozók, semmint a közvetlen, emberi életre közvetlenül veszélyes voltát tartsák meghatározónak.

A biomassza-láz csillapításában nem az a döntő kérdés, hogy találunk-e olyan genetikai konstrukciókat, amelyek képesek növelni a produkciót, vagy bioreaktorként üzemanyagot termelni autóink számára, hanem az, hogy ha ez sikerül, annak mi lesz az ökológiai ára. Az ember okoskodása eddig még mindig kudarccal végződött az ökológiai rendszerek (kibernetikus nyílt rendszerek) önszabályozási mechanizmusai miatt. Az ökológiában kevéssé járatosak sokszor gondolják úgy, hogy a légkörben halmozódó szén-dioxid vagy a talajban fölöslegben lévő nitrogén, mint alapvető alkotói a szerves anyagoknak, fokozni fogják a szervesanyag-produkciót. Ez azonban a különböző tápanyagok felvételének egymás általi limitáltsága miatt nem így van. Például, hiába igyekeznek géntechnológusok rávenni növényeinket a nitrogénfixációra, ha a fixálható mennyiséget limitálja a magas energiaigény, a molibdén, vas, kén elegendő jelenléte, vagy éppen a folyamat oxigénérzékenysége. A növekvő széndioxid-koncentráció maga is limitáló tényező a talajban, mert gátolja a növények víz-, kálium-, nitrogén-, foszfor-, kalcium- és magnéziumfelvételét.

A biogeokémiai ciklusok, amelyek az élet megújítását jelentik, 30-40 elem részvételét igénylik, amelyek végessége, rendelkezésre állása egy adott rendszerben limitáló tényező. A körforgásba hatalmas geológiai tartalékelem-raktárak iktatódnak közbe, amelyek egyrészt gázfázisúak (C, N, O), s amelyek gyors ciklusokat tesznek lehetővé, míg az üledékes kőzetek tartalékai (P, S) csak lassan mobilizálhatók, és éppen ezért korlátozó tényezők. A rendszerek működése teli van hasonló önszabályozó, egymást kiegészítő funkciókkal. A mineralizációnak az immobilizáció a fordítottja. Míg a mineralizációban az elemek szerves kötésből ásványi kötésbe kerülnek baktériumok közreműködésével, s csökken a talajban a szerves anyag, s nő a növények számára felvehető tápanyagok mennyisége, addig az immobilizációban a szervetlen elem épül be valamelyik talajmikróbába, amely elvonja a növény elől a hasznosítható elemet. Például gazdag szénforrások esetében a mikróbák immobilizálják a műtrágyával bevitt nitrogént és foszfort a növény elől. Ezek az antagonizmusok tudják biztosítani azt, hogy a növekedés ne lehessen végtelen, s hirtelen ne haladhassa meg az alkalmazkodáshoz szükséges idő sebességét.

A biomasszát nagyobb termelékenységre ösztönző mérnökieskedés túlzottan leegyszerűsítve gondolkodik, amikor úgy gondolja, hogy az alga szén-dioxidból és napenergiából állítja elő a bioüzemanyagokat, vagy hogy az elégetett fa hamujával megoldható a talaj termőképességének fenntartása. A tápanyag utánpótlását valójában a talaj–víz–levegő között folyó interakciók biztosítják, melynek legfőbb mozgatórúgója az élő szervezetek tömege. A fent említett, 30-40 elem körforgását a talajban egy négyzetméteren, s tetszőleges mélységben 400 gramm tömegű élő anyag biztosítja átlagosan, amely egy hektáron átlagosan 4 tonna, optimális esetben 30 tonna élőanyagtömeget jelent. Emögött hihetetlen faj- és egyedszámok sorakoznak fel, például négyzetméterenként, s tetszőleges mélységben 1014 baktérium-, 1011 gomba-, 108 algaegyed stb. Minden egyes beavatkozás az ökológiai rendszerbe – talajművelés, taposás, talajvízszínt-emelkedés, -süllyedés stb. – a mikróbaközösségek katasztrófájához, és ezen keresztül a talaj pusztulásához vezet.

Anélkül eszközölünk tehát bolygó léptékű beavatkozást az ökológiai rendszerekbe, hogy tisztában lennénk az egyes alrendszerekben, s az azok között megvalósuló történésekkel. Ilyen bátorságra csak a tudatlanság jogosíthat fel bennünket! Általánosságban azt az ítéletet is kimondhatjuk, hogy a biomassza elégetésével az ökológiai rendszerek megújulását lehetővé tévő tápanyagot füstöljük el, hogy kielégítsük féktelen energiaéhségünket. A GM szervezetek alkalmazása a szervesanyag-produkció ösztönzésében még akkor is súlyosbítaná a ma fennálló ökológiai problémát, ha annak semmilyen negatív közvetlen hatása nem lenne, mivel a nagyobb produkció révén csak rásegít az ökológiai rendszerek destrukciójára. Végül ésszerű lenne megfontolni, hogy azért állítunk elő még több és több energiát, hogy amit annak előállítása közben leromboltunk, az megpróbáljuk újraépíteni.

Irodalomjegyzék

  • Kampman B, Brouwer F, Schepers B (2008) Agricultural land availability and demand in 2020. A global analysis of drivers and demand for feedstock, and agricultural land availability. Renewable Fuels Agency – CE Delft, Delft, the Netherlands. [http://www.cedelft.eu/publicatie/review_of_the_indirect_effects_of_biofuels/823?PHPSESSID=5ef5d14a6e7811c027f8b1270d29d1f1]
  • Bruinsma J (Ed.) (2003) World Agriculture: Towards 2015/2030 – An FAO Perspective. Food and Agriculture Organization (FAO) – Earthscan Publications, London. [http://www.fao.org/fileadmin/user_upload/esag/docs/y4252e.pdf]
  • Hubbert MK (1956) Nuclear Energy and the Fossil Fuels. Shell Publication No. 95, Shell Development Co., Houston, TX, USA [http://www.hubbertpeak.com/hubbert/1956/1956.pdf]
  • Hough A (2010) Britain facing food crisis as world’s soil ’vanishes in 60 years’. The Daily Telegraph 2010 Feb 3 [http://www.telegraph.co.uk/earth/agriculture/farming/6828878/Britain-facing-food-crisis-as-worlds-soil-vanishes-in-60-years.html]
  • Field CB, Campbell JE, Lobell DB (2008) Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Ecol Evol 23, 65-72.
  • Makay Gy (2008) Bioetanol vagy élelmiszer? Bioenergia III (2) 15-18.
  • Smith E (2007) Can biofuels become sustainable? European Voice 2007 Jul 12 [http://www.europeanvoice.com/article/imported/can-biofuels-become-sustainable-/57914.aspx]
  • Chakrabortty A (2008) Secret report: biofuel caused food crisis. The Guardian 2008 Jul 3. [http://www.guardian.co.uk/environment/ 2008/jul/03/biofuels.renewableenergy]
  • Rosegrant MW (2008) Biofuels and Grain Prices: Impacts and Policy Responses. International Food Policy Research Institute, Washington DC, USA [http://www.ifpri.org/publication/biofuels-and-grain-prices]
  • Collins K (2008) The Role of Biofuels and Other Factors in Increasing Farm and Food Prices: A Review of Recent Developments with a Focus on Feed Grain Markets and Market Prospects. Keith J.
  • Collins LLC, Washington DC, USA. [http://www.thebioenergysite.com/articles/90/the-role-of-biofuels-and-other-factors-in-increasing-farm-and-food-prices]
  • Popp J, Potori N (2008) Az élelmezés-, energia- és környezetbiztonság összefüggései. Gazdálkodás 52, 528-544.
  • Actionaid UK (2010) Meals per gallon. The Impact of Industrial Biofuels on People and Global Hunger. Actionaid UK, London, UK. [http://www.actionaid.org.uk/doc_lib/meals_per_gallon_final.pdf]
  • World Bank (2008) Rising Food Prices Threaten Poverty Reduction. Press Release No:2008/264/PREM. World Bank, Washington DC, USA. [http://go.worldbank.org/QLBJFC7XI0]
  • Friend of the Earth (2007) ’Green fuels’ could be bad for the environment. Press release. 2007 Apr 10. Friend of the Earth Trust, London, UK. [http://www.foe.co.uk/resource/press_releases/green_fuels_could_be_bad_f_10042007.html]
  • Anonymous (2006) Bioethanol needs biotech now. Nat Biotechnol 24, 725.
  • Maron DF (2010) The race to make fuel out of algae poses risks as well as benefits. The New York Times 2010 Jul 22 [http://www.nytimes.com/cwire/2010/07/22/22climatewire-the-race-to-make-fuel-out-of-algae-poses-ris-80037.html]
  • Sheehan J, Dunahay T, Benemann J, Roessler P (1998) A look back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae. Close-out Report. US DOE, Washington DC, USA. [http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24190.pdf]
  • Svoboda E (2008) Fueling the Future. Fast Company Magazine 2008 Feb 1. [http://www.fastcompany.com/magazine/122/fueling-the-future.html]
  • CleanTech Group (2009) World not yet Ready for Super Algae. CleanTech Focus 2010 Nov 4, CleanTech Group LLC, San Francisco, CA, USA. [http://cleantech.com/news/5244/algae-stm6-gmo-ben-hankamer]
  • Algal Biomass Organization (2009) Annual Report. Algal Biomass Organization, Preston, MN, USA. [http://www.algalbiomass.org/wp-content/uploads/2010/06/ABO-Algal-Biomass-Organization-2009-Annual-Report.pdf]

Gyulai Iván
(bioKontroll Folyóirat 2010. november)