Як дефіцит елементів живлення у рослин пов’язаний зі здоров’ям людини

404
Як дефіцит елементів живлення у рослин пов’язаний зі здоров’ям людини

Більшість необхідних вітамінів і мікроелементів ми отримуємо з їжею. Але сільське господарство націлене передусім на підвищення продуктивності культур і майже не бере до уваги необхідність збалансованого харчування людини та зовсім не зосереджене на покращенні її здоров’я. Цей підхід призвів до швидкого зростання дефіциту мікроелементів у продуктах харчування та зумовив погіршення забезпечення необхідними поживними речовинами населення.

Сучасні агрономічні тенденції спрямовані на перехід від валового виробництва більшої кількості продукції до виробництва продовольчих культур, багатих на поживні речовини в необхідній для людини кількості. Це допоможе в боротьбі з дефіцитом мікроелементів, особливо у слабо розвинених країнах та країнах, що розвиваються, де в їжу вживають культури, бідні на ці речовини.

Дефіцит мікроелементів, або «прихований голод» затримує ріст і розвиток як рослин, так і людини. Нестача мікроелементів у ґрунті обмежує продуктивність сільськогосподарських культур і поживну якість отриманої продукції, що разом впливає на харчування та здоров’я людини.

Мікроелементи мають важливе значення для здоров’я людини, допомагаючи запобігати хронічним захворюванням і затримкам розвитку, зміцнюючи імунну, репродуктивну системи та посилюючи фізичні й розумові здібності. Вони навіть можуть допомогти покращити нашу стійкість до вірусів. Наприклад, цинк критично важливий для підтримки противірусного імунітету.

Сьогодні понад 2 мільярди людей страждають від недостатнього забезпечення мікроелементами, дефіцит цинку та заліза посідає відповідно 5 та 6 місце серед 10 найважливіших чинників захворювань, особливо в країнах із низьким рівнем доходу.

Найбільш чутливі до дефіциту мікроелементів діти. У 2017 році ВООЗ підрахувала, що внаслідок дефіциту мікроелементів померло понад 6,3 мільйона дітей віком до 15 років та 5,4 мільйона віком до 5 років.

Насправді існує прямий взаємо­зв’язок між дефіцитом мікроелементів у ґрунтах і рослинах та дефіцитом мікроелементів у людини. 50% світових ґрунтів характеризуються низьким вмістом цинку, 30% ґрунтів – нестачею заліза та йоду, тому дефіцит мікроелементів у населення цих територій дуже поширений (див. рис. 1).

Рис. 1. Дефіцит цинку в людей та його вміст у ґрунті
Рис. 1. Дефіцит цинку в людей та його вміст у ґрунті

Доброю новиною є те, що мінеральні добрива можуть компенсувати цей дефіцит, забезпечивши культури необхідними мікроелементами, які, в свою чергу, будуть спожиті людиною із рослинними продуктами. Застосування мінеральних добрив шляхом внесення у ґрунт, обробки насіння або позакоренево з метою збільшення вмісту мікроелементів у їстівній частині сільськогосподарських культур називається агрономічною біофортифікацією.

ПРОБЛЕМА «ПРИХОВАНОГО ГОЛОДУ» В УКРАЇНІ

В Україні проблема повноцінного харчування також надзвичайно актуальна. Результати досліджень свідчать, що понад 50% населення України харчується неякісно. Неповноцінне за кількісним і якісним складом, а також незбалансоване за енергетичною цінністю харчування сприяє розвитку аліментарних і аліментарно залежних захворювань. Так, лише за офіційними оцінками, близько 9% не вагітних та 27% вагітних жінок, 22% дітей дошкільного віку в Україні мають анемію, одним із найсуттєвіших чинників виникнення якої є дефіцит заліза. 24% дітей дошкільного віку відчувають фізіологічний дефіцит вітаміну А, 2,5% вагітних страждають на нічну сліпоту внаслідок дефіциту цього вітаміну. У 70% дітей дошкільного віку спостерігається дефіцит йоду, а 16% населення характеризується недостатнім рівнем споживання цинку.

В цілому рівень надходження в організм дітей мінеральних речовин суттєво нижчий від рекомендованих норм. Зокрема, фосфору споживається менше на 17–49%, кальцію – на 16,3–58,9%, заліза – на 18–45%, міді – на 6,7–35%, цинку – на 15–51%.

З 7,6 мільярда людей у світі 60–80% відчувають дефіцит Fe, 30% – дефіцит І, 30% – дефіцит Zn. З сільськогосподарських ґрунтів 25–30% – лужні з низькою доступністю Fe, Zn, Cu та Mn

Для подолання дефіциту нутрієнтів і необхідних речовин для повноцінного розвитку застосовуються такі способи: фортифікація, тобто додавання необхідних поживних складових до продовольчих продуктів, та біофортифікація – покращення поживних цінностей рослин у процесі вирощування або за допомогою агрономічних прийомів (агрономічна біофортифікація).

ФОРТИФІКАЦІЯ ПРОДУКТІВ

Як приклади збагачених продуктів можна назвати йодовану сіль; олію та цукор із додаванням вітаміну А; борошно, молочні продукти, приправи, цукор і сіль, збагачені залізом (Bouis et al., 2017). У регіонах із низьким вмісту селену в ґрунтах, наприклад, у Китаї, для запобігання хворобі Кешану (серцеве захворювання, спричинене низьким споживанням селену та впливом вірусу) використовували сіль і чай, збагачені селеном (Combs 2000).

Для зернових властиві низькі концентрації Zn, Fe та І в зерні, особливо при вирощуванні на ґрунтах із дефіцитом мікроелементів

Так, у США ще з 1974 р., а в Канаді з 1978 р. проводиться обов’язкове збагачення борошна, незалежно від сорту, вітамінами В1, В2, В6, РР, А, фолієвою кислотою та мінеральними речовинами: залізом, кальцієм, магнієм, цинком у такій кількості, щоб 450 г борошна забезпечили добову норму в цих речовинах. У Німеччині всі види молока, що йдуть на переробку або для виробництва дієтичного харчування, мають бути збагачені вітаміном D у кількості 10 мкг на 1 л. В Австралії, Великій Британії, Канаді, Швейцарії обов’язково проводять збагачення всіх сортів маргарину вітамінами А і D. У Болівії, Бразилії, Данії, Коста-Риці, Нікарагуа, Нігерії, Перу, Португалії, Філіппінах, Швейцарії, Японії розроблено державні програми зі збагачення хлібобулочних виробів мікронутрієнтами. У рамках таких програм регулюється надходження вітамінізованого хліба в дитячі установи, школи, лікарні, будинки для людей похилого віку, на промислові підприємства. Кількість збагаченого мікронутрієнтами хліба становить близько 80%. У багатьох країнах діють програми зі створення функціональних харчових продуктів. Перший такий проект розробили в Японії в 1984 р., завдяки чому в 1987 р. з’явилося близько 100 функціональних продуктів. Цей напрям знайшов широку державну підтримку, і у 1991 р. в Японії було розроблено концепцію Foshu – Foods for Specified Health Use (Продукти для спеціального оздоровчого харчування) та встановлено порядок сертифікації цих продуктів.

У Європі в 1986 р. створено Європейську філію Міжнародного Інституту з вивчення умов функціонування людини ILSI (International Life Sience Institute). Ця організація розробила програму «Наукові основи функціонального харчування в Європі» (Functional Food Science in Europe) – Fufose. Ця програма стала основою інших європейських програм.

БІОФОРТИФІКАЦІЯ

Біофортифікація — це вирощування сільськогосподарських рослин із певними функціональними властивостями, здатними до накопичення підвищених рівнів вітамінів, мінералів і цільових сполук. На відміну від звичайної фортифікації харчової продукції, яка передбачає цілеспрямоване внесення додаткових мікронутрієнтів і вітамінів у харчові продукти, наприклад, заліза безпосередньо до хлібного тіста, мета біофортифікації полягає в тому, щоб пшениця, що вирощується для отримання цього борошна, природно містила більше заліза.

Поліпшення поживних якостей рослин відбувається шляхом використання останніх досягнень молекулярної генетики, селекції, біотехнології або агрономічних підходів (рис. 2).

Рис. 2. Способи біофортифікації
Рис. 2. Способи біофортифікації

У світовій практиці відомі такі біофортифікаційні проекти: біфофортифікація залізом рису, бобів і солодкої картоплі; збагачення цинком пшениці, рису, бобів і солодкої картоплі; каротином – солодкої картоплі, кукурудзи і маніоки. Біозбагачені культури не повинні ставати єдиним джерелом рекомендованої добової кількості тієї чи іншої життєво важливої сполуки для людини, але їх завдання – істотно скоротити дефіцит незамінних мікронутрієнтів. Історії успіху біофортифікації також включають кукурудзу, збагачену лізином та триптофаном (World food prize 2000) і багату на вітамін А (World food prize 2016).

Мутагенез/традиційна селекція. Міжнародні організації започаткували програми для дослідження генетичної варіації мінерального складу та оцінки селекційних програм для покращення харчових властивостей рослин. Так, проєкти Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR), Harvest Plus, International Center for Tropical Agriculture (CIAT) та International Food Policy Research Institute (IFPRI) спрямовані на створення рослин із підвищеними рівнями мінеральних нутрієнтів традиційними методами. Схрещування інбредних ліній використовується для ідентифікації локусів кількісних ознак (QTL), що пов’язані зі вмістом токоферолу і каротинів у кукурудзі, вмістом каротину в моркві та томатах. Шляхом гібридизації отримано збагачену олеїновою та стеаридоновою кислотою сою.

Генна інженерія. Завдяки сучасним генно-інженерним технологіям реальним став також синтез та накопичення у певних частинах рослини не властивих їй сполук (наприклад, збагачення бета-каротином ендосперму «золотого рису») з метою надання окремим культурам покращених нових властивостей для забезпечення поживної цінності харчового раціону. За допомогою генетичної трансформації досягли підвищення вмісту селену, йоду та цинку в рослинних продуктах. Отримання кукурудзи з високим вмістом цинку особливо актуальне в Колумбії, Гватемалі, Нікарагуа та Індонезії.

Зернові, які є основною групою продовольчих культур, бобові та овочеві збагачують за допомогою всіх трьох способів біофортифікації (рис. 3). Цікаво, що біофортифікація насіння олійних культур досягається в основному трансгенними способами, а за допомогою агрономічної біофортифікації збагачують переважно зернові, бобові та овочеві культури (Garg et al., 2018).

Рис. 3. Частка різних культур, біофортифікованих різними підходами
Рис. 3. Частка різних культур, біофортифікованих різними підходами

Агрономічна біофортифікація. Оскільки безпечність вживання в їжу ГМО-продуктів підлягає сумніву, дедалі більше уваги приділяється агрономічній біофортифікації продукції рослинництва. Агрономічні підходи підвищення життєво важливих елементів у зернових культурах і овочах ґрунтуються на використанні спеціальних добрив із додаванням важливих мікронутрієнітів (зокрема, заліза, цинку, селену). Ці добрива вносять у ґрунт, обприскують ними рослин або обробляють насіння. Стратегія внесення мінеральних добрив має такі переваги: простота реалізації, невелика вартість кожного окремого втручання, швидкий ефект.

ЦИНК

Цинк є компонентом великої кількості ферментів і відіграє центральну роль у процесах росту та диференціації клітин, функціонуванні імунної системи і шлунково-кишкового тракту. Дефіцит цинку викликає неспецифічні порушення при середніх та низьких ступенях, при більш важких — ускладнений перебіг вагітності, затримку росту, погіршення імунітету до інфекційних захворювань. Значний дефіцит спричиняє дерматити, діарею, розумові порушення, уповільнений статевий розвиток, рецидивуючі інфекції.

Для оптимального забезпечення людини цинком зернові злаки мають містити приблизно 40–60 мг/кг Zn. Наразі середня концентрація цього металу в зерні становить всього лише 10–30 мг/кг.

Близько 50% світових регіонів вирощування зернових розташовані на ґрунтах, що мають низький рівень доступного Zn

У рамках проєкту HarvestZinc (www.harvestzinc.org) впродовж останніх 7–8 років у 12 країнах було проведено низку польових експериментів на пшениці, рисі та кукурудзі з застосуванням різних добрив, які вносили у ґрунт та позакоренево. Найвищу ефективність для підвищення концентрації Zn у зерні показали позакореневі підживлення.

Серед досліджених злакових культур пшениця була найбільш чутливою до застосування цинкових добрив. Ґрунтове та позакореневе внесення цинку сприяло підвищенню його концентрації у зерні до 83% порівняно з варіантом без застосування Zn. Рис характеризувався проміжною реакцію на позакореневі застосування Zn, а кукурудза виявилася ще менш чутливою до біофортифікації (рис. 4). Позакореневі підживлення були найбільш ефективними для підвищення концентрації цього елемента в зерні пшениці та рису.

Рис. 4. Зміна концентрації Zn у зерні під впливом внесення цинку в ґрунт та за позакореневого підживлення
Рис. 4. Зміна концентрації Zn у зерні під впливом внесення цинку в ґрунт та за позакореневого підживлення

Добре досліджено, що Zn, внесений позакоренево, легко ремобілізується в зерно пшениці (Haslett et al., 2001; Erenoglu et al., 2011). Фази застосування позакореневих добрив Zn є визначальним чинником його ефективності з точки зору біофортифікації (Welch et al., 2013). Для пшениці та рису найбільш ефективними в плані підвищення концентрації цинку в зерні є позакореневі підживлення у пізні фази розвитку, переважно під час молочної – молочно-воскової стиглості (Cakmak et al., 2010; Boonchuay et al., 2013; Abdoli et al., 2014).

Важливо, що концентрація Zn підвищується на рівні ендосперму, що є особливо важливим чинником для населення, яке споживає велику кількість білого борошна. Крім того, застосування позакореневого цинку покращує його біодоступність за рахунок зменшення фітинової кислоти, яка утворює фітати – нерозчинні комплекси з Zn2+.

Використання цинковмісних добрив збільшило концентрацію цинку в зерні й, очевидно, сприяло покращенню харчування та здоров’я людей в Туреччині, особливо в сільській місцевості, де пшениця забезпечувала понад 50% щоденного споживання калорій. Завдяки значному впливу цинкових добрив на урожай зерна загальна кількість NPK добрив, збагачених цинком, у Туреччині за 15 років зросла з 0 у 1994 р. до рекордного рівня – 400 тис. т за рік. Цинк тепер застосовується під час процесу грануляції як добавка до NPK або NP добрив у концентрації 1% Zn.

Для біофортифікації при позакореневому внесенні можуть буть використані різні сполуки цинку (наприклад, хелати ZnEDTA, ZnSO4, ZnCl2,ZnO або наночастинки оксидів ZnO). Але дослідженнями встановлено, що застосування ZnO та нанорозмірного Zn менш ефективне для підвищення концентрації цинку в зерні, аніж внесення сольових та хелатних форм.

Цікаво, що рН розчину для підживлення та використання деяких допоміжних речовин помітно впливають на агрономічну ефективність позакореневих цинкових добрив. Зниження рН з 8,3 до 5 збільшило концентрацію цинку в зерні до 60–70% порівняно з контролем.

ЗАЛІЗО

Найбільш серйозними наслідками анемії є підвищений ризик смертності дітей та вагітних жінок. Загалом близько 25% всього населення світу (1,6 млрд людей) страждають від анемії різного походження, і половина цих випадків спричинена дефіцитом заліза. Відтак можна говорити про приблизно 800 млн випадків у світі залізодефіцитної анемії та ще 1 млрд залізодефіциту без анемії.

Проблемам зі здоров’ям людини, викликаним дефіцитом заліза, можна запобігти, приділяючи особливу увагу складу їжі й вибираючи збалансовану дієту з достатнім вмістом заліза.

З точки зору біофортифікації позакореневі підживлення залізом більш ефективні, аніж внесення у ґрунт. Внесення солей заліза у ґрунт не дає очікуваного ефекту, оскільки швидко переходить в недоступні для рослин форми, особливо на лужних карбонатних ґрунтах. При цьому методи підвищення доступності заліза рослинам пов’язанні з покращенням властивостей ґрунтів, і передусім зі зниженням його рН. Серед форм добрив найкраще на підвищення концентрації заліза в продукції впливають хелатні комплекси цього елемента.

ЙОД

За оцінками В003, дефіцит йоду відчувають близько 2 млрд людей. В Європі цей показник становить 52%, що відповідає 460 млн людей. При цьому варто зазначити, що 70% домогосподарств у світі споживають йодовану сіль замість звичайної, але, вочевидь, цього недостатньо для подолання дефіциту йоду в раціоні. В Африці, наприклад, поширене систематичне вживання в їжу деяких культур (маніока), що містять тіоціанат, який інгібує тироїдний транспорт йодидів та конкурує з йодом у синтезі тироїдних гормонів, спричиняючи захворювання щитовидної залози.

Наслідки дефіциту йоду — незворотні затримки розумового розвитку та порушення роботи мозку, захворювання щитовидної залози, відхилення у фізичному розвитку, аутизм тощо.

Розподіл йоду в ґрунтах може сильно відрізнятися, середній його вміст становить лише 5,1 мг/кг. Серед агрономічних способів підвищення цього елемента в продовольчій продукції – внесення йоду в ґрунті разом зі зрошувальною водою або з гідропонними розчинами та позакореневі підживлення. Для цього використовують різні неорганічні форми йоду, такі як йодид, йодат калію і натрію або органічні йодвмістні добрива на основі морських водоростей.

Дослідження позакореневого внесення показали, що ксилемний транспорт йоду набагато ефективніший, ніж флоемний, що дає змогу припустити, що його концентрація у плодах, бульбах чи насінні буде незначною. Високою накопичувальною здатністю характеризуються листяні овочі, такі як шпинат, китайська капуста, салат, пакчої та селера. У зернових, схоже, фізіологічні обмеження перешкоджають такому агрономічному підходу, оскільки кількість йоду, що реутилізується у зерно, надто низька, щоб задовольнити харчові потреби людини.

СЕЛЕН

Селен – важливий мікроелемент для тварин і людей, ключовий компонент принаймні 13 селенопротеїдів. Ендемічний дефіцит виникає в регіонах із пониженим вмістом селену в ґрунті. Коли ґрунти бідні на селен, рослини, вирощені на цій місцевості, також містять недостатню його концентрацію. Виражений дефіцит селену виявляться як кардіодіопатія, остеоартопатія у дітей, спричиняє ризик онкологічних і серцево-судинних захворювань.

Агрономічну біофортифікацію пшениці Se було успішно впроваджено у Фінляндії. Державну програму збагачення основних NPK добрив селеном використовували ще з 1984 року, це призвело до збільшення середньої концентрації селену в плазмі крові населення з 0,89 до 1,40 мкмоль/л (Alfthan et al. 2015). Існує досвід збагачення селеном сої позакореневим внесенням солей селену як добрив. Повідомлялося про збільшення вмісту Se в бульбах картоплі після позакореневого застосування селену в вигляді селеніту та селенату. Ефективним виявився спосіб підвищення вмісту цього мікроелемента в картоплі в результаті позакореневого застосування селену сумісно з гуміновими кислотами.

В цілому агрономічна біофортифікація є досить перспективним напрямом при оптимізації процесів живлення сільськогосподарських культур. Крім того, забезпечення рослин достатньою кількістю мікроелементів також покращує розвиток росин, підвищує врожайність та стресостійкість, що в кінцевому підсумку допомагає виробляти більше збагаченої поживними речовинами їжі для людини.

Усунення глобального дисбалансу мікроелементів матиме величезний позитивний вплив на здоров›я людини, оскільки покращить якість врожаю та допоможе лікувати мільярди людей, які страждають від прихованого голоду. Для цього ми повинні забезпечити стратегічну співпрацю між виробниками добрив, науковими організаціями, урядом та сільськогосподарським виробництвом.

Ольга Капітанська, канд. біол. наук, керівник науково-дослідного відділу НВК «Квадрат»

Опубліковано в журналі “Агроном”, 2020

Найсвіжіші матеріали читайте в журналі «Агроном». Слідкуйте за головними агрономічними новинами на нашій сторінці у Facebook та каналі в Telegram