docUčební materiál - Metodika
download 
Stížnost Transkript
Učební materiál - Metodika
Environmentálně šetrný zemědělský provoz DDM RADOVÁNEK Kaznějov a kolektiv Zpracování: DDM RADOVÁNEK Kaznějov ve spolupráci s Gymnáziem a Střední odbornou školou v Plasích Učební texty: Ing. Petr Buchtelík, Ing. Petr Svoboda, Jaroslava Šustová Grafická úprava: Hana Lehmannová (hanja.eu) Tisk: Dragon Press s.r.o. © 2011 ENVIC, o.s. 3 Vážené kolegyně a kolegové, máte před sebou nový výukový program pod názvem „Environmentálně šetrný zemědělský provoz“, který vznikl v rámci projektu Specializované environmentální programy pro střední školy Plzeňského kraje a na jehož vzniku se podílel Dům dětí a mládeže RADOVÁNEK Kaznějov (IC ENVIC Plasy) ve spolupráci s Gymnáziem a Střední odbornou školou v Plasích – obor Agropodnikání. Autoři jsou si vědomi, že problematika ochrany životního prostředí a přírody vs. zemědělská výroba je neustálým tématem jak médií, odborníků, tak i „obyčejných“ lidí. Zemědělství se snad nejvíce ze všech odvětví, dotýká přírody jako takové, těží z přírodních zákonitostí a v současné době se opět stále více hlásí ke znalostem našich dědů a pradědů. Zájemci o tuto problematiku mají v současné době k dispozici celou řadu relevantních informací jak v publikacích tak i na webových stránkách. Naším cílem nebylo připravit komplexní vzdělávací program na toto téma, ale snažili jsme se pro Vás více vyzdvihnout některá témata a připravit praktickou pomůcku, ve spolupráci se zkušenými pedagogy Gymnázia a Střední odborné školy v Plasích, která by byla inspirací pro vaši přípravu a pro výuku studentů středních zemědělských škol a učilišť oboru Agropodnikání. Vzhledem k tomu, že téma ochrana přírody a životního prostředí je jedním z nosných témat, se kterými se seznamují studenti prakticky na všech úrovních a typech škol, domníváme se, že tato pomůcka pomůže i ostatním pedagogům při jejich práci. Vzdělávací program je rozdělen do dvou odborných předmětů – Pěstování rostlin a Chov zvířat. Každý tento předmět má svá specifika k danému tématu environmentálně šetrnému zemědělskému provozu, a proto jsou předměty rozšířeny do dvanácti bloků s celkovou dotací 25 hodin teoretické a 2 hodiny praktické výuky (cvičení) v předmětu Chov zvířat a do osmi bloků s celkovou dotací 14 hodin teoretické a 8 hodin praktické výuky v předmětu Pěstování rostlin. V úvodu naleznete přehled jednotlivých témat s optimální dotací výukových hodin tak, aby studenti získali všeobecný přehled o ochraně životního prostředí s vazbami na environmentálně udržitelné zemědělství. Tématické bloky obsahují, dle předmětu, metodický list pro pedagogy, v případě předmětu Pěstování rostlin jsou rozšířeny i o praktické listy pro žáky. Doufáme, že tento materiál bude pro vás přínosem a bude vám nápomocen ve vaší práci. 4 Obsah Začlenění programu do ŠVP 6 Časové rozvržení výuky podle ŠVP druhého a třetího ročníku 7 CHOV ZVÍŘAT Metodický list č. 1 Ekologie a hlavní priority současného zemědělství 8 Metodický list č. 2 Podíl zemědělství na globálním oteplování 11 Metodický list č. 3 Hlavní skleníkové plyny v zemědělství 13 Metodický list č. 4 Chov zvířat a životní prostředí 16 Metodický list č. 5 Výroba bioplynu 17 Metodický list č. 6 Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů 19 Metodický list č. 7 Přežvykování – reflexní děj 21 Metodický list č. 8 Hlavní produkty fermentace a jejich využití 22 Metodický list č. 9 Ne každý býložravec může být přežvýkavcem 25 Metodický list č. 10 Producenti skleníkových plynů, nebo recyklátoři? 25 Metodický list č. 11 Méně známé možnosti snižování produkce čpavku v chovu hospodářských zvířat 26 Metodický list č. 12 Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců 28 Zdroje31 5 PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství 32 Metodický list č. 2 Vazby v zemědělské soustavě Zdroje a spotřebitelé uhlíku 37 Metodický list č. 3 Vyhodnocování meteorologických měření 38 Metodický list č. 4 Skot a zemědělská soustava 39 Metodický list č. 5 Sestavování osevních postupů 40 Metodický list č. 6 Zařazování zeleného hnojení do osevního postupu 42 Metodický list č. 7 Bioplynové stanice 43 Metodický list č. 8 Bionafta44 Zdroje45 Pro usnadnění orientace Vás budou celým výukovým programem provázet následující symboly Klíč k poznání aneb Co je důležité vědět? (klíčová slova, nosné informace) Ukažme si... aneb Co by Vás mohlo zajímat? (zajímavosti, tipy, nápady, návrhy...) Téma pod lupou aneb Chcete se dozvědět víc? (odkazy a literatura k tématu) 6 Začlenění programu do ŠVP Kód a název oboru 41-41-M/01 Agropodnikání Předměty dle ŠVP, které environmentální program doplňuje • II., III. ročník: Pěstování rostlin – rostlinná výroba • II., III. ročník: Chov zvířat – živočišná výroba Cíl programu se včleněnými environmentálnimi aspekty • seznámit studenty se základními principy ekologizace současného zemědělského provozu • poukázat na rozdíly konvenčního a ekologického zemědělství • představit možnosti využití obnovitelných zdrojů energie v zemědělské prvovýrobě • otestovat získané teoretické vědomosti v praxi • přispět k zodpovědnějšímu přístupu studentů k životnímu prostředí, v odvětví jim blízkém – v zemědělství • motivovat studenty pro zařazování ekologických principů v dalším povolání Pomůcky PC s připojením na školní síť a přístupem na internet, měřící meteorologická stanice, měřící přístroj CO2 a NH3, dataprojektor, odborné publikace, pracovní listy. Vyučovací metody / strategie a organizační řešení, postup: • odborný výklad pedagoga • řízená beseda se žáky využívajících poznatků z výuky odborných předmětů biologie a chovu zvířat • pracovní listy • samostudium • vyhledávání údajů na internetu • samostatné studentské práce na zadaná témata • vlastní práce žáků podle návodu pedagoga • výuka v terénu a odborné exkurze 7 Časové rozvržení výuky podle ŠVP druhého a třetího ročníku Chov zvířat Klíčové kompetence studenta • Uvědomuje si vazby mezi zemědělstvím, přírodou a životním prostředím • Chápe ekologickou problematiku živočišné výroby • Vyzná se v problematice skleníkového efektu a skleníkových plynů • Zná pojem Kjótský protokol, důvody jeho vzniku • Zná základní důvody globálního oteplování • Měří a vyhodnocuje skleníkové plyny v prostředí • Uvědomuje si vlivy chovu zvířat na tvorbu skleníkových plynů celkem 27 hodin Náplň rozšířeného předmětu Chov zvířat Pěstování rostlin Vyuč. hodiny Klíčové kompetence studenta Ekologie a hlavní priority současného zemědělství 3 Podíl zemědělství na globálním oteplování 3 • uvědomuje si základní ekologické problémy současného zemědělství Hlavní skleníkové plyny v zemědělství 3 Chov zvířat a životní prostředí + praktická část Měření a vyhodnocování koncentrace skleníkových plynů v prostředí 2 Výroba bioplynu 1 Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů 2 Přežvykování – reflexní děj 2 Hlavní produkty fermentace a jejich využití 3 Ne každý býložravec může být přežvýkavcem 1 Producenti skleníkových plynů nebo recyklátoři? 1 Méně známé možnosti snižování čpavku v chovu hospodářských zvířat 1 Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců 3 2 • chápe vztahy mezi zdroji a spotřebiteli uhlíku • vyzná se v moderních ekologicky šetrných technologiích používaných v zemědělských provozech • vyhodnocuje meteorologické prvky • navrhuje ekologicky šetrné osevní postupy • uvědomuje si výhody i úskalí produkce energie z biomasy v zemědělských podnicích celkem 22 hodin Náplň rozšířeného předmětu Pěstování rostlin Vyuč. hodiny Ekologicky šetrné zemědělství + praktické cvičení Ekologicky šetrné zemědělství 4 Vazby v zemědělské soustavě / Zdroje a spotřebitelé uhlíku + praktické cvičení Úvod do zemědělských soustav + praktické cvičení Úrodnost půdy 1 Vyhodnocování meteorologických měření + praktické cvičení Měření srážek 2 Skot a zemědělská soustava + praktické cvičení Krmné množství objemných krmiv v zemědělské soustavě 1 Sestavování osevních postupů + praktické cvičení Význam a funkce osevních postupů 3 Zařazování zeleného hnojení do osevního postupu + praktické cvičení Zelené hnojení 1 Bioplynové stanice + praktické cvičení Osevní postup – bioplynové stanice 1 Bionafta + praktické cvičení Osevní postup – bionafta 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CHOV ZVÍŘAT 8 Metodický list č. 1 Ekologie a hlavní priority současného zemědělství Metodický list č. 1 TÉMA: Ekologie a hlavní priority současného zemědělství Cíl: vysvětlit žákům pojem ekologie a životní prostředí, uvědomit si vazby mezi zemědělstvím, přírodou a životním prostředí, seznámit žáky s prioritami současné zemědělské výroby v souladu s ochranou životního prostředí Základní pojmy: ekologie, životní prostředí a zemědělská výroba, změna klimatu, ekologické zemědělství, pohoda zvířat – welfare Doba trvání: 3 vyučovací hodiny Co je to ekologie? Ekologie je věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí a vztahem organismů navzájem. Další význam slova ekologie vyjadřuje celkový přístup k přírodě, ochrana životního prostředí a přírody. Jako první tento vědní obor definoval německý biolog Ernst Heackel v roce 1866. Ekologické myšlení • vědomě a cíleně chránit životní prostředí a přírodu jako takovou • rozumně využívat přírodní zdroje • nezneužívat a nedrancovat životní prostředí Ekologie a hlavní priority současného zemědělství • změna klimatu (skleníkové plyny v zemědělství, možnost snižování skleníkových plynů v zemědělství) • ochrana krajiny (změna rázu krajiny – obnovení remízků, mezí, rozdělení obdělávaných velkých ploch na menší celky, obnovení ekosystémů) • flóra – koukol polní, hlaváček letní, chrpa modrá, kuřinka červená, hledíček obecný, černucha rolní (plevele, které díky systematickému používání herbicidů téměř vymizely a dostávají se do seznamu ohrožených druhů rostlin) • fauna – koroptve, křepelky, skřivani, čejky, dudci, ťuhýci, apod. • úkryty zvířat v samotných porostech – např.možnost vyvedení mláďat v lánu obilí • ochrana půdy – eroze • příčiny eroze: intenzivní orba, utužení půdy, ztráta organické hmoty, špatná půdní struktura, jednotvárné osevní postupy • důsledky eroze: ochuzení o nejúrodnější podíl – ornici, snížení obsahu živin a humusu, zhoršení fyzikálně – chemických vlastností půdy, poškození plodin, znesnadnění pohybu strojů po pozemcích. V současné době je v ČR ohroženo erozí cca 50 % zemědělské půdy. • ochrana vod – nadzemní a podzemní – vliv hnojení na kvalitu vody, organická a anorganická hnojiva, problém dusičnanů ve vodě a v půdě – množství dusičnanů v potravě, problém fosforu ve vodě – tvorba sinic • snižování chemických látek v zemědělství – uplatňování zeleného hnojení, správné střídání zemědělských rostlin v osevním postupu, využívání pesticidů a hnojiv v rozumné míře. pesticidy: • herbicidy selektivní – proti určitým plevelům a invazním rostlinám • herbicidy totální – proti všem rostlinám • fungicidy – proti houbám a plísním • insekticidy – proti hmyzu • rodenticidy – proti hlodavcům • nematicidy – proti háďátkům • objektivní přístup ke geneticky modifikovaným organismům (GMO) – geneticky modifikované zemědělské plodiny jsou odolné vůči určitému herbicidu nebo hmyzím škůdcům. Podíl GMO na celosvětové produkci: sója 51 %, bavlník 20 %, řepka olejka 12 %, kukuřice 9 %. • využívání obnovitelných zdrojů energie (např. využití biomasy – bioplynové stanice, výroba rostlinných peletek – např. z řepky olejky). • ekologické zemědělství (ekofarmy) – biopotraviny, farmářské trhy – podpora drobných zemědělců. • pohoda zvířat – WELFARE – životní podmínky zvířat v konvenčním a ekologickém zemědělství. Ekologické zemědělství CHOV ZVÍŘAT 9 Metodický list č. 1 Ekologie a hlavní priority současného zemědělství Ekologické zemědělství Pohoda zvířat v konvenční zemědělství • je založeno na kladném vztahu a respektu k životnímu prostředí a využívání spontánních přírodních procesů, využití obnovitelných zdrojů, ale také na moderních agrotechnických metodách. • využívá znalostí a zkušeností tradičního zemědělství s propojením nejnovějších technologických vědeckých poznatků. Většina zvířat chovaných v konvenčním zemědělství za celý svůj krátký život nevdechne čistý vzduch, neuvidí slunce a pozná jen klece, kotce či stáje. Zvířata bohužel často prožívají denní utrpení a zbytečnou smrt vlivem špatného zacházení, o humánním usmrcení nemluvě. Ekologicky hospodařící sedláci nepoužívají chemické látky k hnojení a ochraně rostlin a omezují vnášení syntetických látek jako takových. Půdu hnojí ekologicky hnojem hospodářských zvířat, kompostem či zeleným hnojením. Problémy s plevely a škůdci ekologické zemědělství řeší spíše preventivně: vhodné střídání plodin, volbou odolných plodin, mechanickým plením – ručním či strojovým ničením plevele, vždy se snahou omezovat nezbytné vstupy vyrobených látek do prostředí. Ekologičtí zemědělci mají za povinnost pečovat o životní pohodu hospodářských zvířat. Každé zvíře v ekologickém chovu musí mít zaručenou dostatečnou, zákonem stanovenou plochu k pobytu, a to jak ve stáji, tak ve venkovním výběhu. Zvířata jsou spolu v přirozeném kontaktu a mají možnost uspokojovat své vrozené sociální, etologické a fyziologické potřeby. Zákony zakazují krmit zvířata masokostní moučkou a krmivo musí z větší části pocházet právě z ekologického zemědělství. Zvířata nedostávají preventivně antibiotika, velký důraz se klade na výživu zvířat a psychickou pohodu (jak ve vlastním chovu, tak při přepravě na jatka či při samotné porážce). V současné době počet ekologických farmářů výrazně stoupá (v roce 2010 překročil 3 000). Aktualizované seznamy všech podnikatelů v ekozemědělství naleznete na internetových stránkách Ministerstva zemědělství: www.eagri.cz. Informace k tématu Další užitečné informace k tématu naleznete na www.pro-bio.cz, www.biospotrebitel.cz, www.ceskebiopotraviny.cz. POHODA ZVÍŘAT (WELFARE) V KONVENČNÍM A EKOLOGICKÉM ZEMĚDĚLSTVÍ Naprostá většina živočišných potravin pochází dnes z tzv. velkokapacitních chovů, v nichž jsou držena zvířata v přeplněných klecích, kotcích nebo stísněných stájích. Se zvířaty je zacházeno jako se zbožím a jsou jim ve většině případů odepřeny jejich nejzákladnější životní potřeby. Zákon na ochranu zvířat proti týrání: • Zákon ČNR č. 246/ 1992 Sb. • Zákon ČNR č. 162/ 1993 Sb. • Zákon č. 193/1994 Sb. • Zákon č. 243/1997 Sb. Se vstupem ČR do EU blýská na lepší časy, upravily se některé technologie chovu, aby se přiblížily přirozeným potřebám zvířat. • Od r. 2012 – ve velkochovech hovězího dobytka nesmí být zvířata uvázána – volný pohyb • Od r. 2013 – ve velkochovech prasat nesmí být březí prasnice ve stísněných kotcích – březí prasnice skupinově pohromadě – volný výběh – odstavování selat musí probíhat postupně (během několika dnů) – k potírání kanibalismu u selat (okusování ocásků) více podnětů k zabavení zvířat (hračky – např. míče) – nosnice – budou i nadále povoleny klecové chovy, ale budou obohaceny o volný výběh nosnic v halách Kuřata (brojleři) Kuřata – brojleři jsou vykrmováni během 1,5 měsíce na porážkovou hmotnost (cca 2,2 kg). Jsou chováni v halách, ve kterých je řízená teplota, osvětlení, větrání, podávání krmiva i vody. Vše je podřízeno co nejvyšší efektivitě výkrmu, která zajišťuje optimální ekonomické výsledky. Následky velkokapacitního chovu • ASCITES – stav, kdy se v dutině břišní nahromadí nadměrné množství tekutiny (lymfy nebo krevní plazmy z jater). U brojlerů vede tento stav často k úmrtí. • popálení běháků, hlezenních kloubů a kůže – vlivem působení výkalů na tělo zvířete • deformace končetin, zlomeniny – vlivem rychlého růstu • infekce očí a dýchacího ústrojí – vlivem uvolňujícího se čpavku z výkalů • syndrom náhlého úmrtí (infarkt, selhání plic) – vlivem genetických zásahů a rychlého růstu Hlavní faktory, které ovlivňují pohodu zvířat • nepřiměřeně rychlý růst svaloviny (tj. 57 g/ den) – pro pohodu zvířat stačí hmotnostní přírůstek do 45 g / den CHOV ZVÍŘAT 10 Metodický list č. 1 Ekologie a hlavní priority současného zemědělství • nedostatek podnětů – snížená aktivita, nedostatek pohybu – např. bidýlka • nedostatečné osvětlení – světelné osvětlení alespoň o intenzitě 20 luxů • nedostatek prostoru (v současnosti cca 16 zvířat na m2) – menší množství zvířat na m2 • přeprava zvířat na jatka – snížení stresu, menší počet zvířat v přepravních bedýnkách, snížení doby přepravy • parazitická onemocnění • psychický stres zvířat – vlivem nedostatečného prostoru. Dojnice Dojnice, které jsou v mléčném průmyslu drženy na mléko, jsou ve stájích, kde jsou asi 3 měsíce po porodu opět uměle oplodněny (umělá inseminace) – musí tak tvořit velké množství mléka a zároveň živit nenarozené tele, cca za 3–5 let úplná vyčerpanost – zabita na jatkách. Nosnice Podmínky chovu se podobají chovu brojlerů. Zvířata jsou držena v řadách tzv. bateriových klecích, kde nemohou ani roztáhnout křídla ani nemohou uniknout před ostatními jedinci. V této poloze mohou pouze přijímat krmivo, dopravené po projíždějícím pásu, a snášet vejce. V současnosti slepice vyprodukuje za rok více než 300 vajec a po 1–2 letech je, zcela vyčerpaná, zabita na jatkách. Prasata Prasnice ve většině případech leží na betonových nebo kovových roštech. V kotcích mají nedostatek místa (cca 1,3 m2), což má za následek psychický stres. Jsou udržovány permanentně březí pomocí umělé inseminace. Ve snaze zabránit agresivnímu chování u selat bývají 1 týdenním selatům bez umrtvení uřezávány ocásky a zuby. Taktéž bez utišení bolestí jsou samečci kastrováni. Následky velkokapacitního chovu • chronické průjmy – v důsledku znečištěného prostředí od rozkládajících se výkalů. • záněty dýchacích cest – vlivem uvolňujícího se čpavku z výkalů. Kráva může produkovat mléko jen po porodu telete. Během několika hodin po porodu je však krávě tele odebráno a přestěhováno do tzv. teletníku. Býčci jsou v mléčném průmyslu vedlejším produktem – do 1 roku jsou na jatkách zabiti na maso ke konzumaci. Následky velkokapacitního chovu • poruchy končetin • onemocnění dýchacího ústrojí • poruchy plodnosti • těžké porody • mastitida – zánět vemene CHOV ZVÍŘAT 11 Metodický list č. 1 / Metodický list č. 2 Ekologie a hlavní priority současného zemědělství / Podíl zemědělství na globálním oteplování POHODA ZVÍŘAT (WELFARE) V EKOLOGICKÉM ZEMĚDĚLSTVÍ Podmínky v ekologickém zemědělství bývají výrazně lepší. Ekologičtí zemědělci mají za povinnost pečovat o životní pohodu hospodářských zvířat. Každé zvíře v ekologickém chovu musí mít zaručenou dostatečnou, zákonem stanovenou plochu k pobytu, a to jak ve stáji, tak ve venkovním výběhu. Zvířata jsou spolu v přirozeném kontaktu a mají možnost uspokojovat své vrozené sociální, etologické a fyziologické potřeby. Zákony zakazují krmit zvířata masokostní moučkou a krmivo musí z větší části pocházet právě z ekologického zemědělství. Přednosti ekologického zemědělství v chovu zvířat: • zvířata nedostávají preventivně antibiotika • selatům se neodřezávají ocásky, skotu se neodřezávají rohy, koně jsou k vidění přirozeně bez podkov • nedochází k násilnému odebírání mláďat od matek po porodu • velký důraz se klade na výživu zvířat • u zvířat je úspěšně snižován psychický stres (jak ve vlastním chovu, tak při přepravě na jatka či při samotné porážce) • zvířata jsou chována v podmínkách vyhovujících jejich biorytmu – pastva, pobyt na čerstvém vzduchu. Metodický list č. 2 TÉMA: Podíl zemědělství na globálním oteplování Cíl: seznámit žáky s pojmy skleníkový efekt a globální oteplovací potenciál skleníkových plynů, vysvětlit princip skleníkového efektu, seznámit žáky s vývojem podnebí na Zemi Základní pojmy: skleníkový efekt, skleníkové plyny, vývoj podnebí na Zemi Doba trvání: 3 vyučovací hodiny Podíl zemědělství na globálním oteplování Živočišná výroba tvoří množství emisí (metan, čpavek, oxid dusný), do půdy se dostávají dusičnany, fosfáty a těžké kovy. Hlavním zdrojem metanu je chov skotu a organické hnojení půdy (podle některých odhadů asi 3 % chov skotu a rozklad hnoje asi 25 %). Žhavým tématem současnosti je ekologické hodnocení vlivu zemědělství na globálním oteplování Země. Vliv výroby potravin živočišného původu je posuzován také pomocí takzvaných uhlíkových stop. Uhlíková stopa je množství oxidu uhličitého a ostatních skleníkových plynů uvolněných během životního cyklu produktu či služby, našeho života nebo jedné cesty apod. Je to nástroj k měření dopadů lidských aktivit na životní prostředí vyjadřovaný množstvím oxidu uhličitého. Množství se udává v jednotkách hmotnosti: gramech, kilogramech či tunách. Uhlíková stopa se skládá ze dvou částí: • Přímá stopa jsou skleníkové plyny, které se uvolňují bezprostředně z některé naší činnosti, například ze spalování benzínu, z topení a vaření (pálíme li plyn či uhlí); patří sem rovněž spotřeba elektrické energie (která se v naší zemi vyrábí především spalováním hnědého uhlí). Spotřebou energie jdou emise oxidu uhličitého uvolněného při její výrobě na náš účet. • Nepřímá stopa je množství nepřímých emisí CO2 z celého životního cyklu výrobku, který používáme,emise spojené s jeho zpracováním, tj. ze spotřeby energie například na výrobu automobilu, na tepelné opracování jídla, které sníme například v restauraci nebo spotřeba energie na balící lince, kde se balí potraviny apod. Pro přesný výpočet takzvané uhlíkové stopy ale ještě musí udělat mnoho práce odborníci na výživu, chovatelé, veterináři a vědci ekologové a ekonomové. CHOV ZVÍŘAT 12 Metodický list č. 2 Podíl zemědělství na globálním oteplování V současné době může hodnocení potravin živočišného původu na základě stop uhlíku vést pouze k předběžným nebo dokonce nesprávným závěrům. Oxid uhličitý tvoří celosvětově více než 60 % zvýšeného skleníkového efektu (v průmyslových zemích přes 80 %). Metan představuje v industrializovaných zemích obvykle 15 % emisí skleníkových plynů. Bylo zjištěno dle geochemika Franka Kepplera, že i rostliny mohou být také producenty skleníkových plynů. Podíl zemědělství na člověkem způsobeném skleníkovém efektu činí asi 6–10 %, při přepočtu na ekvivalentní množství CO2. Hlavní vliv, pokud jde o emise oxidu uhličitého, má: • energetický průmysl (asi 61 %) • automobilová doprava (21 %) • průmysl (6 %) • odpady (2 %) • ostatní (10 %) Dodržování všech zásad zoohygieny (včetně optimální výživy a manipulace s kejdou či hnojem) a prevence chorob v živočišné výrobě jsou extrémně důležité jak pro ekonomickou efektivnost chovu, tak i z hlediska snižování možného znečištění životního prostředí. Vědecké poznatky posledních let ukazují, že na zvyšování koncentrací skleníkových plynů se podílí i lidská činnost, jež klimatický systém Země ovlivňuje. Co je to skleníkový efekt? Skleníkový efekt je přirozený proces, bez kterého by nebyla na Zemi ustálená teplota. Sluneční energie je vyzařována ze Země ve formě dlouhovlnného záření a zadržována takzvanými skleníkovými plyny. Největší schopnost zadržovat a emitovat zpět infračervené záření má vodní pára, která je třikrát účinnější než CO2 a další plyny, jako je ozón, oxid dusný, metan a amoniak. Skleníkový efekt podporuje spalování fosilních paliv, odlesňování a vypalování lesů, obdělávání půdy, pěstování obilí, chov dobytka, pěstování rýže, hnilobné pochody na skládkách komunálního odpadu. Nejedná se tedy o oteplení, které by bylo výsledkem přirozeného přírodního cyklu. Klimatický systém Země se této změně koncentrací přizpůsobuje formou globálního oteplování a následnými změnami celého vyváženého systému. Významnými skleníkovými plyny jsou: • • • • • Oxid uhličitý (CO2) Metan (CH4) Oxid dusný (N2O) Ozon (O3) Freony (CFC) Podíl plynů na přirozeném skleníkovém efektu: SLUNCE Spalování fosilních paliv a odlesňování zvyšuje koncentraci oxidu uhličitého v atmosféře. Zvyšuje se rovněž obsah metanu v důsledku skládkování, pěstování rýže, odlesňování apod. Tyto emise zvyšují přirozený skleníkový efekt a způsobují tak dodatkový nárůst teplot na celé zeměkouli (globální oteplování). Plyn asi 30 % světelného záření je odráženo zpět do vesmíru VESMÍR NÍKOV A SKLE VRSTV Ů ÝCH PLYN Účinnost (%) vodní pára 62 oxid uhličitý 22 troposférický ozon 7 oxid dusný 4 metan 2,5 ostatní plyny 2,5 ATMOSFÉRA přirozeně se vyskytující skleníkové plyny, vodní pára, metan, oxid uhličitý... zachytávají tepelné (infračervené) záření ze Země, čímž dochází k ohřívání atmosféry ZACHYCENÉ ZÁŘENÍ ZPĚT OHŘÍVAJÍCÍ ZEMI Mezi hlavní činnosti, které ovlivňují množství skleníkových plynů v ovzduší patří: VYPOUŠTĚNÉ SKLENÍKOVÉ PLYNY většina sluneční energie dopadne na Zemi a ohřívá její povrch ZEMĚ • • • • • • • • • • těžba a spalování fosilních paliv průmysl spalování biomasy chov dobytka a zemědělství pěstování rýže skládky odpadů vypalování deštných pralesů sopečná činnost odtávání ledovců vlivem globálního oteplování roztávání permafrostu (trvale zmrzlé půdy) CHOV ZVÍŘAT 13 Metodický list č. 2 / Metodický list č. 3 Podíl zemědělství na globálním oteplování / Hlavní skleníkové plyny v zemědělství Zcela nedávno bylo zjištěno, že výrobci metanu jsou zelené rostliny, a to za aerobních podmínek. Jeho produkce se přibližně zdvojnásobuje při zvýšení teploty o 10 °C. Podle dosavadních měření se ukazuje, že roční produkce metanu je 145 miliónů tun z celkové vegetační plochy, 93 miliónů tun z přežvýkavců, 20 miliónů tun z termitů, 52 miliónů tun z pálení biomasy, 95 miliónů tun z produkce energie a 10 miliónů tun z oceánů. IPCC – Mezivládní panel pro změnu klimatu Mezivládní panel pro změnu klimatu – IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) vydal v roce 2007 svou 4. zprávu, která uvádí, že globální zvýšení koncentrace oxidu uhličitého je převážně důsledkem využívání fosilních paliv, změn ve využívání krajiny, u metanu a oxidu dusného jde zejména o vliv zemědělství. Podle scénáře klimatologů IPCC se v příštích dvou desetiletích očekává růst teploty o 0,2 °C. Jedním ze závěrů zprávy je, že je třeba uplatnit soubor současně dostupných technologií a těch, které se podle očekávání objeví na trhu v následujících desetiletích a předpokládá se realizace vhodných a efektivních pobídek pro jejich vývoj a uplatňování. Kritické argumenty Výsledky IPCC jsou stále kritizovány. Například se zjistilo, že na pólech dochází k ochlazení namísto k předpokládanému oteplení, v Arktidě od roku 1840 klesla teplota dvakrát na celá desetiletí, ačkoliv koncentrace CO2 vzrostla. Od roku 1950 do dneška klesla v Arktidě teplota přibližně o 0,5 °C navzdory nárůstu CO2. Z dalších výsledků je patrné, že podnebí na Zemi prodělalo za posledních 400 tisíc let čtyři periody, při kterých se měnila průměrná teplota atmosféry od -9 °C do +3 °C a koncentrace CO2 v atmosféře od 180 ppm do 300 ppm. Dnes je objemová koncentrace oxidu uhličitého asi 360 ppm. Globální oteplovací potenciál metanu je 23krát vyšší než u oxidu uhličitého a oxid dusný je 296krát účinnější. Oxid uhličitý může zůstat v atmosféře 59–200 let podle rychlosti recyklace do půdy nebo oceánů, doba životnosti metanu v ovzduší je od 10 do 15 let. Metodický list č. 3 TÉMA: Hlavní skleníkové plyny v zemědělství Cíl: vysvětlit žákům pojem „Kjótský protokol“ a „Kodaňská dohoda“ – důvody jejich vzniku, poukázat na hlavní skleníkové plyny produkované zemědělskou výrobou, vysvětlit pojem „biomasa“ jako obnovitelný zdroj v zemědělské výrobě, vysvětlit pojem „stripping“ a jeho využití v praxi Základní pojmy: skleníkové plyny v zemědělské výrobě, Kjótský protokol, Kodaňská dohoda, biomasa, stripping Doba trvání: 3 vyučovací hodiny Skleníkové plyny v zemědělství K hlavním viníkům skleníkového efektu, nejen v oblasti zemědělství, patří oxid uhličitý (CO2), metan (CH4), amoniak (NH3), oxid dusný (N2O). HLAVNÍ SKLENÍKOVÉ PLYNY V ZEMĚDĚLSKÉ VÝROBĚ Oxid uhličitý (CO2) • je bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, při vyšších koncentracích může způsobit ztrátu vědomí a smrt vlivem narušené uhličitanové rovnováhy v krvi • je těžší než vzduch – může se hromadit na určitých místech, kde představuje nebezpečnou smrtelnou past pro lidi a zvířa- ta (např. v silážních či kanalizačních prostorech) • vzniká, kromě jiného reakcí uhlíku s kyslíkem a organickými látkami, např. metanem, a to vždy za vzniku značného množství TEPLA! CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O • je produktem dýchání většiny živých organismů, kde je spolu s vodou konečným produktem metabolické přeměny živin v potravě • vzniká při kompostování – v zemědělství též zůstává část organické hmoty na polích jako posklizňové (potěžební) zbytky a kořenový systém V průběhu anaerobní digesce a kompostování je velká část organické hmoty přeměněna na stabilizované organo – minerální hnojivo s vysokým podílem humusových látek, které zlepšují vlastnosti půd (vododržnost, pufrační kapacitu,…) a tím i zvyšují výnosy. CHOV ZVÍŘAT 14 Metodický list č. 3 Hlavní skleníkové plyny v zemědělství • CO2 je běžnou součástí zemské atmosféry, jeho zvýšené koncentrace se však podílí na vzniku skleníkového efektu! • naštěstí zatím nejvýkonnější ekosystém poutající vzdušný CO2 = mořský fytoplankton – není dosud příliš narušen • velké množství CO2 je též rozpuštěno ve světových mořích a oceánech, které tak regulují jeho množství v atmosféře • podíl CO2 na antropogenním skleníkovém efektu je 54 % Metan (CH4) • netoxický plyn bez chuti a zápachu • lehčí než vzduch • uniká z vadného potrubí plynovodů, při těžbě zemního plynu nebo v dolech při těžbě uhlí = důlní plyn • zdrojem emisí metanu jsou skládky odpadů • nejvíce metanu uvolňuje zemědělství = produkt metabolismu velkých přežvýkavců (skotu, koz, ovcí) • CH4 je, avšak jinak než CO2, součástí biologického koloběhu • při trávení zelených krmiv vzniká metan, který při říhání přežvýkavců uniká do atmosféry • při hnití biomasy • při pěstování rýže • podíl CH4 na antropogenním skleníkovém efektu je 16 % Problém recyklace dusíku lze v budoucnu řešit třemi způsoby: • produkcí vysoce kvalitních krmiv z biomasy zemědělských zbytků obsahujících celulózu ve spojení s metodou strippingu a výrobou bioplynu. • zcukřením celulózové biomasy ošetřené zachyceným amoniakem a následnou výrobou bioetanolu a vodíku pomocí bachorových bakterií, což zatím není publikováno. • konstrukcí palivových článků na bázi amoniaku využitím amoniaku získaného po výrobě bioplynu metodou strippingu Oxid dusný (N2O) • podíl na antropogenním skleníkovém efektu je 5 % • vzniká v zemědělské výrobě nadměrným používáním dusíkatých hnojiv! POZOR! CH4 je druhý nejvýznamnější skleníkový plyn – vzhledem k tomu, že silně absorbuje infračervené záření, patří mezi významné skleníkové plyny, zvyšující teplotu zemské atmosféry (je cca 20x účinnější než CO2 , což znamená, že 1kg metanu vyvolá stejné poškození jako 20kg oxidu uhličitého). Koncentrace CO2 a CH4 v atmosféře výrazně převyšují přirozené hladiny za posledních cca 650 000 let! Amoniak (NH3) • • • • • bezbarvý, velmi štiplavý plyn nebezpečný – toxický – pro ryby a obojživelníky při vdechování poškozuje sliznice je lehčí než vzduch v přírodě vzniká mikrobiálním rozkladem organických zbytků, exkrementů a moči živočichů „Striping“ (stripování) Jedná se o převedení amoniaku do plynné fáze po předchozí úpravě pH fermentačního média do silně alkalické oblasti a jeho následné zachycení ve formě roztoku. Takto zachycený amoniak slouží jako kapalné hnojivo obsahující dusík ve vhodné formě. Tento postup může přispět k omezení emisí N2O a může rovněž využít jako nízkonákladový a obnovitelný zdroj dusíku bez nároků na přísun energie, protože vzhledem k velkému množství organických odpadů v rozvojových zemích může být pro zachycování amoniaku využita energie z výroby bioplynu. Rychlý vzestup obsahu oxidu dusného v atmosféře v průběhu minulého století je těsně spjat s náhlou expanzí lidské populace a stavů hospodářských zvířat po vynálezu Haber-Boschovy metody výroby dusíkatých hnojiv. Došlo k narušení životního prostředí i když na druhé straně reaktivní dusík odčerpaný z atmosféry a zabudovaný jako stabilní dusík do rostlin významně přispěl ke zvýšení produkce potravin. Proces recyklace uhlíku a dusíku zemědělské biomasy jako obnovitelných zdrojů energie a dusíku může také přispět k omezení emisí metanu a oxidu dusného. Biomasa jako obnovitelný zdroj energie a dusíku. Za biomasu považujeme části plodin nevhodných pro konzumaci, jako je celulóza, hemicelulóza a živočišné odpady. Možné následky zvyšování skleníkového efektu • vzestup teploty – tání pevninských a horských ledovců • roztávání permafrostu (trvale zmrzlé půdy) CHOV ZVÍŘAT 15 Metodický list č. 3 Hlavní skleníkové plyny v zemědělství • vlivem tání mohou stoupnout hladiny moří a oceánů • vlivem stoupání hladiny moří a oceánů mohou zmizet oblasti s malou nadmořskou výškou, mnoho zemí bude ohroženo (např. Holandsko, Itálie) • Golfský proud se může zpomalit či se dokonce zcela přerušit – klima v Evropě se může změnit a může ohrozit stabilitu řady přirozených ekosystémů (ledovců, tropických pralesů, korálových útesů, pobřežních mangrovových porostů, …) • lesy, které dosud působily jako lapače CO2, mohou tento skleníkový plyn naopak uvolňovat do atmosféry • přibudou častější výskyty extrémního počasí – povodně, vichřice, tornáda, krupobití, přívalové deště, období deštivých a teplých zim, období sucha – velký vliv na produkci v zemědělství je vidět již nyní • následkem změn klimatu se může uvolnit masové stěhování národů Jak zamezit zvýšeném skleníkovému efektu Hlavním způsobem, jak omezit hrozbu klimatické změny, je snížení emisí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého (CO2). Což znamená omezit spotřebu fosilních paliv a zvýšit účinnost využívání primárních zdrojů energie a uplatnit obnovitelné zdroje energie. Emisní cíle Kjótského protokolu se nedají splnit jen samotným redukováním emisí, ale i rozšiřováním tzv. propadů. Propady jsou procesy, které mají schopnost samy uhlík z atmosféry pohlcovat. V prvé řadě jde především o lesy, ale i ostatní rostliny, uhlík může být rovněž odčerpáván půdou či oceány. Jednotlivé státy toho mohou využít a omezovat svůj uhlíkový díl například vysazováním nových lesů či vhodným hospodařením se zemědělskou půdou. Využití propadů musí však být přesně kvantifikován. 1 hektar lesa za rok přefiltruje 18 miliónů m3 vzduchu, zachytí 30–80 tun prachu, sníží hlučnost o 20–30 dB, vyrobí kyslík pro roční spotřebu 10 lidí. Kjótský protokol • Pro omezení skleníkových plynů byl 11. 12. 1997 přijat v japonském KJÓTÓ, tzv. Kjótský protokol. Na protokolu se dohodli zástupci 159 zemí OSN. • ČR tento protokol podepsala 23. 11. 1998 a ratifikovala jej 25. 10. 2001. • V roce 2005 vstoupil Kjótský protokol v platnost. • USA, jako jediná země Kjótský protokol neratifikovala. Kjótský protokol určuje každému státu uvedenému v Dodatku I., tj. průmyslovým zemím, o kolik musí v období 2008–2012 snížit své emise CO2, CH4, N2O, fluorovaných uhlovodíků a hexafluoridu síry. Souhrnné snížení světových emisí by mělo po splnění Kjótského protokolu činit 5,2 %. Jednotlivým státům stanovuje Kjótský protokol tzv. redukční cíle – uvedené redukce zaznamenávají protokolem požadovaný pokles emisí. Redukční cíle 8 %: státy EU, včetně ČR, Lichtenštejnsko, Monako, Švýcarsko 7 %: USA 6 %: Japonsko, Kanada, Maďarsko, Polsko 0 %: Nový Zéland, Rusko, Ukrajina -1 %: Norsko -8 %: Austrálie -10 %: Island Kodaňská dohoda Americký prezident Barack Obama vyjednal v prosinci 2009 nezávaznou dohodu o klimatických změnách s Čínou, Indií, Jihoafrickou republikou a Brazílií. Kodaňská dohoda, jako mezinárodně právně závazný dokument, by měla být připravena vstoupit v platnost 1. ledna 2013. Tento dokument má navázat na Kjótský protokol o snižování vypouštění skleníkových plynů, který platí do roku 2012. Dohoda Jediný vzrostlý listnatý strom o výšce 25 metrů (např. dub), jehož celková plocha listů obnáší asi 1 600 m2, uvolní za den až 7 000 l kyslíku, který pokryje denní spotřebu více než 50 lidí. • snížení globálních emisí v rozvíjejících se zemí tak, aby zvýšení teploty na celém světě bylo menší než 2 °C • vyspělé země poskytnou finanční podporu chudým zemím • rozvíjející se země budou sledovat a monitorovat výsledky a hlásit je každé 2 roky OSN • ochrana lesů CHOV ZVÍŘAT 16 Metodický list č. 4 Chov zvířat a životní prostředí Metodický list č. 4 TÉMA: Chov zvířat a životní prostředí (Praktická část: Měření skleníkových plynů a zpracovávání výsledků měření) Cíl: vysvětlit žákům vliv chovu hospodářských zvířat na životní prostředí, objasnit pojmy vegetariánství – veganství, naučit žáky pracovat s měřícím zařízením a vyhodnocovat naměřená data Základní pojmy: intenzivní chov zvířat, koncentrace skleníkových plynů CO2 a NH3 Doba trvání: 2 vyučovací hodiny + 2 praktické hodiny Chov zvířat a životní prostředí Intenzivní chov hospodářských zvířat Chov hospodářských zvířat, kde je vše podřízeno co nejvyšší efektivitě výkrmů, která zajišťuje optimální ekonomické výsledky, bez ohledu na potřeby a pohodu zvířat. Chovy hospodářských zvířat produkují více skleníkových plynů než doprava, a to až 18 % (běžněji se uvádí 9 %) při přepočtu na ekvivalentní množství CO2. Živočišná výroba vytváří: • 65 % z celkového celosvětového objemu emisí oxidů dusíku • 37 % z celkového objemu emisí metanu • 64 % z celkového objemu celosvětových emisí čpavku, který je hlavní příčinou kyselých dešťů Současná koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře je asi 364 ppm (ppm = 1 díl v milionu objemově), metanu 1 750 ppb (ppb = 1 díl v bilionu objemově), oxidu dusného 316 ppb! Reakce některých „ochránců“ planety je: „Pokud více než 60 % populace v průběhu dalších 2–3 let nepřejde na bezmasou stravu, civilizace, tak jak ji dnes známe, zanikne!“ Intenzivní chov, podle FAO (Organizace pro výživu a zemědělství při OSN), představuje „jednu z hlavních příčin těch nejvážnějších problémů životního prostředí“. Současná spotřeba živočišných produktů je trvale neudržitelná. Námět na diskuzi Geochemik Frank Keppler, z Heidelbergu s kolegy zjistil, že rostliny mohou také být producentem skleníkových plynů. Gram spadaného listí v suchém stavu uvolňuje do prostředí až tři nanogramy metanu za hodinu. Tento údaj platí v případě, že teplota prostředí se pohybuje okolo 30 °C a zvyšuje ho sluneční záření. Každé další zvýšení teploty o 10 °C produkci metanu zdvojnásobuje a zvyšování produkce metanu se zastavuje až u teploty 70 °C. Také každý gram živé rostliny vyprodukuje okolo 370 nanogramů metanu za hodinu a uvolňování se více než ztrojnásobí, pokud je rostlina vystavena slunečnímu záření. Z výpočtů vyplývá, že rostliny na celé Zemi produkují více než 150 milionů tun metanu ročně. Z množství metanu, které se do zemské atmosféry dostává, toto množství představuje celých 20 %. K zamyšlení K získání 1 kg masa je zapotřebí 16 kg krmiva! Zhruba 80 % světové produkce kukuřice a soji a 1/3 světové sklizně obilnin jsou využity ke krmení hospodářských zvířat. Vegetariánství nebo ještě lépe veganství by mohlo být účinným řešením pro ochranu životního prostředí Rozumným řešením pro většinu obyvatel světa bude snížení konzumace masa na úroveň běžnou na počátku 20. století. Výsledky zapadají i do dosud nevysvětleného pozorování, které bylo učiněno z kosmu. Satelity zjistily zvýšenou koncentraci metanu nad některými tropickými porosty. Z pokusu vyplývá, že vlastníci lesních porostů jsou mnohem většími producenty metanu, než jakými jsou chovatelé hospodářských zvířat. Vliv zemědělského sektoru na životní prostředí je u nás upraven Nařízením vlády č. 353/2002 Sb., podle kterého se musí zpracovávat plán zavedení správné zemědělské praxe. CHOV ZVÍŘAT 17 Metodický list č. 4 / Metodický list č. 5 Chov zvířat a životní prostředí / Výroba bioplynu Zdroje znečištění jsou rozděleny podle projektované kapacity ustájení pro drůbež, prasata a skot. Informace o nejlepších dostupných technikách jsou zpracovány a navrhují optimální koncentrace zvířat ve faremních chovech. Praktická cvičení – Měření a porovnávání hodnot amoniaku (NH3) a oxidu uhličitého (CO2) Místo: ustájení dojnic Hadačka – Zemědělský podnik a.s. Kralovice Měřící přístroje Data logger NH3 a Data logger CO2 jsou nainstalovány v ustájení dojnic, ve výšce dvou metrů. Tato výška je optimální z hlediska funkčnosti a bezpečnosti přístrojů. Přístroje jsou denně kontrolovány pověřenou osobou. Přístroje zaznamenávají: • aktuální koncentrace NH3 (CO2) • relativní vlhkost vzduchu • teploty Studenti v průběhu běžné praxe v zemědělském podniku sledují naměřené hodnoty. Měřicí přístroje Data logger NH3 a CO2 Jsou seznámeni s jednotlivými funkcemi měřidel, s principem měření a následně s výsledky měření. Naměřené hodnoty následně vyhodnocují. Na základě měření studenti získávají konkrétní představu o produkci skleníkových plynů v návaznosti na druhu krmiva, ročního období a druhu ustájení skotu. Metodický list č. 5 TÉMA: Výroba bioplynu Cíl: vysvětlit žákům pojem bioplyn, složení bioplynu, princip fungování bioplynové stanice Základní pojmy: bioplyn, bioplynová stanice, princip bioplynové stanice Doba trvání: 1 vyučovací hodina Co je to bioplyn? Význam obnovitelných zdrojů energií se v posledních letech neustále zvyšuje. Ceny všech dostupných paliv rostou, zásoby fosilních paliv klesají a nezanedbatelnou stránkou je i pozitivní přínos pro ochranu životního prostředí. Energie z biomasy – získávání energie z močůvky, hnoje, odpadních látek a rostlin s vysokým obsahem energie, která šetří životní prostředí. Bioplyn – plynná směs, produkovaná během anaerobní digesce organických materiálů a skládající se zejména z metanu (CH4) a oxidu uhličitého (CO2). Bioplynové stanice – zařízení, kde se spalováním obnovitelného zdroje energie – bioplynu – vyrábí teplo, popřípadě v kogenerační jednotce teplo (42 %) a elektřinu (38 %). Vyrobené teplo lze využívat pro produkci teplé užitkové vody, pro ohřev fermentorů či pro vytápění provozních budov. Bioplynová stanice CHOV ZVÍŘAT 18 Metodický list č. 5 Výroba bioplynu Bioplyn je produkovaný zejména v: • přirozeném prostředí – mokřady, sedimenty, trávicí prostředí (zejména u přežvýkavců) • zemědělském prostředí – rýžová pole, uskladnění hnoje,močůvky, kejdy • potravinářské výrobě – škrobárny, lihovary, mlýny, jatka, mrazírny, konzervárny, cukrovary • odpadovém hospodářství – skládky odpadů (skládkový plyn) • anaerobních čistírnách odpadních vod (ČOV) • bioplynových stanicích Složení bioplynu • • • • • • • • metan 40–75 % oxid uhličitý 25–55 % vodní pára 0–10 % dusík 0–5 % kyslík 0–2 % vodík 0–1 % čpavek 0–1 % sulfan (sirovodík) 0–1 % obrázek: vzorec metanu Energeticky hodnotný je v bioplynu metan a vodík. • mokrá fermentace (v zemědělství – odpadní kaly rostlinného a živočišného původu, hmota s velkým obsahem kejdy) • kombinace suché a mokré fermentace – hospodárnější a efektivnější výroba bioplynu a nízké provozní náklady stanice, vysoká spolehlivost a bezpečnost provozu. Produkce bioplynu pro vybrané substráty Obsah CH4 v bioplynu hovězí kejda 55 % prasečí kejda 60 % siláž kukuřice 52,2 % travní siláž 54,1 % zbytky z krmení 53 % podestýlka – pšenič. sláma 51 % žito – zrno 68 % V současné době je na území ČR více než 282 bioplynových stanic (k 1. 8. 2011). Aktuální instalovaný výkon k 1. 8. 2011 156,63 MW Výroba elektřiny v aktuálním roce (2011) 310, 5 GWh Podíl bioplynu na OZE 9,3 % Zdroj: www.czba.cz Vzorec metanu Problematickými jsou sulfan (sirovodík) a čpavek, které je často nutné před energetickým využitím bioplynu odstranit, aby nepůsobili agresivně na strojní zařízení. Využití bioplynu • k výrobě tepla • k výrobě tepla a elektřiny (kogenerace) – nejčastější případ • k výrobě tepla, elektřiny a chladu (trigenerace) – využívána jen vyjímečně! • k pohonu dopravních prostředků (automobily, autobusy, zemědělská technika, vlaky) Provedení bioplynových stanic • suchá fermentace (v zemědělství – slamnatý hnůj, kukuřičné, travní a obilní siláže) Ministerstvo zemědělství však přestává dotovat výstavbu těchto stanic. Kogenerační využití bioplynu Stejně jako u jiných zdrojů lze při zpracování bioplynu využít kogenerace (společná výroba tepla a energie). Právě díky kogeneraci je možné dosáhnout u bioplynové stanice ekonomické rentability, jelikož výnos za odběr odpadů a prodej kompostů je doplněn výnosem z prodeje energie. U některých bioplynových stanic je využívána i mechanická energie, čímž se dosahuje až 95 % účinnosti přeměny energie! POZOR! Asi 1/3 vyprodukované energie bývá zpětně spotřebována na vlastní provoz bioplynové stanice. CHOV ZVÍŘAT 19 Metodický list č. 5 / Metodický list č. 6 Výroba bioplynu / Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů U většiny bioplynových stanic se používají pro kogeneraci naftové motory. Bioplyn se nečistí, a proto se k němu musí přidávat asi 8 % nafty (rozmezí 5–10 %) kvůli mazání a chlazení. Pro kogeneraci lze využít i starší motor, který však vyžaduje repasi a úpravu. Je však nutné počítat s častějšími poruchami. Přípojka VN Trafo Bytové domy Tepelný výměník Kotelna Kogenerační zařízení Fermentor Výroba bioplynu Kompresor Základ bioplynových technologií vzešel z procesů čištění splaškových odpadních vod. Zvyšující se emise CH4 a N2O vznikajících rozkladem nezpracovaných organických odpadů spolu s rozvojem průmyslu a dopravy se podílejí na vzniku skleníkových plynů. Biofiltr Biomasa Středotlaký plynojem Bioplyn Čerpací jímka Perkolátní nádrž Topná voda Perkolát Odvětrání fermentoru Perkolát Vratná voda Elektřina Základní princip bioplynové stanice (www.fortexbioplyn.cz) Systém výroby bioplynu a jeho aplikace se rozšiřuje ve spoustě zemí jako ekonomicky výhodná strategie omezující produkci skleníkových plynů. Konvenční systém výroby bioplynu, založený na anaerobní fermentaci organických odpadů není systémem redukujícím dusík, nýbrž energii. Použití zbytků fermentačního média po výrobě bioplynu jako hnojiva neřeší problém znečištění životního prostředí oxidy dusíku, i když emise N2O během anaerobní fermentace je zanedbatelná. Po zapravení zbytků po výrobě bioplynu do půdy dochází jak k tvorbě metanu, tak k vyplavování dusičnanů a úniku dusíku do ovzduší. Námět na exkurzi • návštěva bioplynové stanice v okolí školy (Kralovice, Žihle) Užitečné informace k tématu • CD Bioplynové stanice – Ing. Eliška Brandejsová, Ing. Zdeněk Přibyla, datum vydání 2010, 2. aktual. vydání – více na http://shop.gasinfo.cz/ products/115-cd-bioplynov-stanice.aspx. Metodický list č. 6 TÉMA: Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů Cíl: vysvětlit žákům vývoj trávicího traktu přežvýkavců, rozklad rostlinné hmoty cizími enzymy, výsledky fermentační činnosti v předžaludcích, mikroflóra a mikrofauna v bachoru Základní pojmy: trávicí trakt přežvýkavců vs. skleníkové plyny, fermentační činnost, mikroflóra a mikrofauna v bachoru Doba trvání: 2 vyučovací hodiny Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů Emise skleníkových plynů jsou tvořeny z různých oblastí lidské činnosti. Také faremně chovaní přežvýkavci nesou na těchto emisích nemalý podíl. Není jasné, zda jsou dostatečně zhodnocené fyziologické zvláštnosti trávení a metabolismu u těchto zvířat. Vývoj trávení u přežvýkavců je příkladem dokonalé adaptace na využití nejrozšířenější organické sloučeniny na Zemi – celulózy. Na rozdíl od nepřežvýkavých býložravců, kteří ze stejných důvodů zvyšovali kapacitu tlustého střeva, přežvýkavci „vsadili“ na rozšíření trávicí trubice před žaludkem, tzn. vyvinul se složitý předžaludek – hlavním stimulem těchto změn byla jejich nedostatečná výbava proti útokům velkých predátorů – příjem rostlinné potravy musel být v zájmu bezpečnosti rychlý, a to i za cenu nedostatečného rozžvýkání přijatého sousta. Nižší koncentraci energie v rostlinné potravě vyrovnávalo její množství. Předžaludek tak sloužil jako rezervoár, který v době klidu a v bezpečí umožnil potravu znovu vracet do dutiny ústní na důkladné přežvýkání. CHOV ZVÍŘAT 20 Metodický list č. 6 Potravní strategie přežvýkavců a tvorba skleníkových plynů Rozklad rostlinné hmoty cizími enzymy (fermentace) Předžaludek není však jen rezervoárem potravy. Je především místem, kde dochází k fermentačním procesům – využití celulózy a také ostatních živin uzavřených v rostlinných buňkách. I když je celulóza složená z molekul glukózy, obdobně jako škrob, vazby mezi molekulami glukózy jsou natolik pevné, že žádný savec, tedy ani přežvýkavec, nemá na jejich štěpení enzymovou výbavu. K tomu účelu si ruminicia (přežvýkavci) kultivují symbiotické bakterie, houby a nálevníky, produkující celulolytické enzymy. Celý proces štěpení celulózy předpokládá i rozrušování obalů, složených z hemicelulózy a pektinu – také zde se uplatňují specifické enzymy štěpící tyto polysacharidy. S určitou nadsázkou lze ukázat rozdíl mezi člověkem a přežvýkavcem na tomto příkladu. Člověk, aby doplnil živiny, tzn. cukry, tuky a bílkoviny, sní párek s rohlíkem. Přežvýkavci stačí papír, ve kterém byla svačina zabalena a párek s rohlíkem si vyrobí sám. Jde samozřejmě o zjednodušení, které má daleko k potřebám například laktující dojnice. V předžaludku sídlí cca 200 druhů bakterií a 150 druhů nálevníků. V případě staré, „zdřevnatělé“ píce pak stoupá obsah nestravitelného ligninu a využití celulózy výrazně klesá. Kyselina pyrohroznová (pyruvát) Výsledkem fermentační činnosti v předžaludcích je kyselina pyrohroznová (pyruvát), která je hlavním zdrojem tvorby těkavých mastných kyselin. Fascinující je však nejen druhová pestrost mikroorganismů, ale i vzájemné propojení jejich činnosti, například zmíněné celulolytické bakterie produkují v přebytku sacharidy, které jako zdroj energie mohou využívat jiné druhy, například bakterie proteolytické. Tato populace mikrobů jim na oplátku poskytuje své „přebytky“, tj. dusík nezbytný k výstavbě bakteriálních těl. Symbióza bakterií je doplněna i činností anaerobních hub, které prorůstají do rostlinných pletiv a svými celulózami je narušují zevnitř. Vzorec kyseliny pyrohroznové Přežvýkavci nejsou jediní, kteří této schopnosti bakterií využívají. Jsou však výjimeční v tom, že pro ně vytvořili prostředí umožňující jejich kontinuální množení a intenzivní činnost. Zcela unikátní je fakt, že vše probíhá před vlastním žaludkem, takže vzniklé metabolity i samotná biomasa namnožených symbiontů, představující kvalitní živočišný protein, jsou při následné pasáži gastrointestinálním traktem tráveny a vstřebávány. Další významnou součástí symbiontů jsou nálevníci (asi 150 druhů). K bezproblémovému chodu „fermentoru“ přispívají několika způsoby. Podílejí se na selekci bakterií tím, že některé z nich pohlcují a zabraňují tak hnilobným procesům. Pohlcují také škrobová zrna, která by umožnila přílišný rozvoj například bakterií štěpících škrob (amylolytických) na úkor zmíněných celulolytických – produkující bílkoviny – proteiny. Čilým pohybem přispívají k míchání obsahu předžaludku a v neposlední řadě jejich biomasa představuje pro hostitele velmi kvalitní protein. Bachořci patří do kmene nálevníků. V 1 g obsahu předžaludku přežvýkavců je až jeden milion těchto mikroorganismů. CHOV ZVÍŘAT 21 Metodický list č. 7 Přežvykování – reflexní děj Metodický list č. 7 TÉMA: Přežvykování – reflexní děj Cíl: vysvětlit žákům pojem ruminace (přežvykování) a eruktace (krkání), proces ruminace a eruktace Základní pojmy: přežvykování, krkání Doba trvání: 2 vyučovací hodiny Přežvykování je složitý reflexní děj vyžadující značné úsilí Přežvykování (ruminace) je složitý reflexní děj řízený z centrální nervové soustavy (CNS) na základě informací dodávaných z receptorů ruminoretikula – rozemílání potravy za účelem jejího spolknutí. Přežvykování (ruminace) – hostitel (skot) vytváří příznivé podmínky pro rozvoj symbiontů především tím, že přijatou potravu vlhčí míchá a znovu vrací do dutiny ústní k důkladnému mechanickému zpracování. Trávicí ústrojí přežvýkavců je nejlépe přizpůsobeno k využívání objemné rostlinné potravy, a proto se před vlastním žaludkem vytvořil předžaludek. Ten umožňuje zvířatům v krátké době přijmout velké množství potravy,kterou mohou v době klidu přežvýkat. Potrava v předžaludku podléhá fyzikálním změnám zejména mikrobiálnímu trávení. Tím se přežvýkavci zásadně liší od ostatních druhů býložravců, u nichž dochází k trávení celulózy až v tlustém střevě. Přežvýkavec – sudokopytník, který tráví potravu ve dvou krocích: • 1. krok – potravu sežvýká a spolkne, • 2. krok – natrávenou směs zvrátí zpět do úst, kde ji opět sežvýkává a tím maximalizuje zisk z potravy. Je nutné zdůraznit především význam mechanoreceptorů, informujících o náplni predžaludku i charakteru přijatého krmiva. Tento proces, zahrnuje řadu na sebe navazujících kroků, představující velmi intenzivní činnost. Zvířata při krmení či pastvě píci ukusují (kůň) nebo vytrhávají (skot) a celou ji polykají. Po napasení přechází do klidové fáze a několik hodin přijatou potravu přežvykují. U produktivních dojnic probíhá ruminace v periodách, které mohou celkově trvat 6 až 8 hodin. Během této doby dojnice přežvýká 50 až 70 kg bachorového obsahu a vykoná asi 40 000 žvýkacích pohybů. Vyloučí 100–150 l slin, které na rozdíl od ostatních druhů zvířat obsahují vyšší množství močoviny, sodíku, HCO3 a HPO4. Sliny mají zásadní význam pro procesy trávení • obsah předžaludku nejen vlhčí, ale udržují v něm i vhodné pH • zásobují ho dusíkem, fosforem a dalšími prvky • udržují stálou osmotickou koncentraci a iontové složení obsahu předžaludku – přispívají k vytvoření optimálních podmínek pro činnost mikroorganismů POZOR! Z uvedeného mimo jiné vyplývá nezbytnost klidu a pohody zvířat, bez nichž by intenzivní a potřebný stereotypní průběh těchto funkcí nebyl možný. Zkušení chovatelé vědí, že každá náhlá změna prostředí je provázena poklesem užitkovosti. Mezi fáze ruminace jsou podle potřeby – lépe řečeno podle vytvořeného tlaku na mechanoreceptory – vřazovány fáze eruktační, umožňující uvolňování nashromážděných plynů. Produkce plynů a eruktace (krkání) Eruktace (krkání) – je proces, při kterém se plyn z předžaludku odvede jícnem a hltanem do dutiny ústní a ven z těla. Síla vytlačovaných plynů se zmenšuje činností nosohltanového svěrače (v hltanu), který se uzavírá a usměrňuje tak část odcházejícího plynu do průdušnice. Následné vdechnutí přesunuje vykrknutý plyn zpět do plic (asi polovina vykrknutého plynu). CHOV ZVÍŘAT 22 Metodický list č. 7 / Metodický list č. 8 Přežvykování – reflexní děj / Hlavní produkty fermentace a jejich využití Zbytek uniká ven nozdrami a tlamou. Vdechnutý CO2 a NH4 může být zdrojem uhlíku, který je opakovaně využit v biochemických reakcích. Není známo, kolik plynu se absorbuje zpět do krve a do lymfy přes stěny bachoru a čepce, ale předpokládá se, že většina CO2 a NH4 se uvolňuje z těla krkáním – eruktací. Krkání se uskutečňuje 1x za minutu! Pokud dojde k zástavě krkání, nastane u zvířete nadmutí (tympánie). Chemické a mikrobiální procesy v bachoru Plyny, které vznikají v bachoru jako produkty fermentace potravy, jsou především oxid uhličitý a metan. Dusík, kyslík a vodík mohou být přítomny pouze ve stopách a to krátkou dobu, protože se rychle účastní dalších reakcí. Oxid uhličitý se vyvíjí během fermentace sacharidů a deaminace aminokyselin. Může též vznikat z hydrogenuhličitanů, které jsou obsaženy ve slinách. U skotu představuje CO2 okolo 60–70 % bachorového plynu. Metan se tvoří bakteriální redukcí oxidu uhličitého. U skotu představuje NH4 okolo 30–40 % bachorového plynu. Objem plynu vznikajícího v bachoru a čepci je u skotu asi 0,5–1 l/min. Čpavek (NH3) neboli amoniak je základní rozpustná dusíkatá složka bachorové tekutiny. Může vznikat z bílkovin potravy, ze slin a močoviny, která difunduje do bachoru přes jeho stěnu. Bachorová tekutina má ureázovou aktivitu, a tak přijatá močovina rychle hydrolyzuje na čpavek a oxid uhličitý. Čpavek a látky metabolizované na čpavek jsou mikroby využity pro syntézu vysoce kvalitní mikrobiální bílkoviny, která je následně trávena ve slezu a v tenkém střevě. Velké množství plynu, které vzniká při fermentaci v bachoru, se snadno odstraňuje krkáním. Metodický list č. 8 TÉMA: Hlavní produkty fermentace a jejich využití Cíl: vysvětlit žákům pojem fermentace, využití fermentace Základní pojmy: fermentace, trávicí enzymy, glukóza Doba trvání: 3 vyučovací hodiny Fermentace (kvašení) – přeměna látky za účasti enzymů mikroorganismů, při níž probíhají v důsledku metabolické aktivity chemické přeměny organických látek (sacharidů) a vznikají látky energeticky chudší nebo se nové látky syntetizují. Syntéza mléka Protože syntéza mléka a jeho hlavních složek je do velké míry závislá na dostupnosti těchto metabolitů, krmnou dávkou lze ovlivňovat jak vlastní produkci mléka, tak i jeho složení. Například vzestup kyseliny propionové, při zvýšeném zastoupení zrnin v krmné dávce, vede ke snížení obsahu mléčného tuku. Výsledek činnosti trávicích enzymů Trávení v předžaludku je proces závislý na souhře mikrobiálních – cizích enzymů. Vyžaduje delší dobu ve srovnání s trávením pomocí vlastních enzymů v žaludku či v tenkém střevě. Výsledkem trávení je nejen zmíněná mikrobiální biomasa strávená v dalším trávicím traktu, ale i na místě vstřebatelné produkty, především těkavé mastné kyseliny – kyselinu octová, palmitová, stearová, propionová a máselná. Jejich vzájemný poměr se může měnit v souvislosti se složením přijímaného krmiva. Zmíněné produkty fermentace představují pro přežvýkavce hlavní zdroj energie. Lze říci, že čím je pro monogastry glukóza, tím jsou pro přežvýkavce těkavé mastné kyseliny. Diabetes Diabetes přežvýkavcům nehrozí, ale výkonným dojnicím může škodit dlouhodobá homeorhéza. Koncentrace krevní glukózy je proti monogastrům nízká a tomu odpovídá i nižší produkce inzulínu. Dokonce platí, že hladina tohoto hormonu klesá s růstem mléčné produkce. CHOV ZVÍŘAT 23 Metodický list č. 8 Hlavní produkty fermentace a jejich využití Homeorhéza – trend živých systémů udržovat spontánní pohyb v daném směru. Vyjadřuje evoluční stabilitu, stálost vnitřního prostředí. Současnou dojnici s produkcí 10 000 kg mléka za laktaci můžeme přirovnat k vrcholovému sportovci, s tím rozdílem, že srovnatelný výkon podává denně, bez odpočinku a téměř rok. Homeostáze – stav rovnováhy – opak homeorhézy, dynamická funkční rovnováha živých systémů od jedince až po biosféru (část zemského povrchu osídlená živými organismu). Je však třeba mít na paměti, že přitom mohou být snadno porušeny principy homeostázy vnitřního prostředí organismu. Glukóza je z 85 % tvořena glukoneogenezou, tj. v játrech tvorbou z necukerných zdrojů. Hlavním a na inzulínu nezávisle využívaným prekurzorem glukózy je produkt bachorové fermentace – propionát. Dalším zdrojem je glycerol a glukoplastické aminokyseliny. POZOR! Je-li jejich přísun krmivem nedostatečný, například při vysoké mléčné produkci, jsou čerpány z endogenních zdrojů – z tukových zásob a ze svalů. Tyto metabolické změny umožňuje růstový hormon, jehož hlavní funkcí je směrovat proud živin do mléčné žlázy. To se daří, protože pro rozvoj ostatních tkání chybí anabolický efekt inzulinu. Tkáně tak mohou živinově strádat, zatímco mléčná žláza se rozvíjí. Obrazně řečeno, dojnice pro udržení mléčné produkce je schopna obětovat i svoje vlastní tělo. Původně to byla oběť pro potomka, později tuto fyziologickou zvláštnost plně využil chovatel. Plemenářskou prací, soustavným výběrem cíleným na mléčnou produkci a samozřejmě sofistikovanou výživou, dosáhl dříve nepředstavitelných výsledků. Převládající homeorhéza – tj. metabolická preference jedné funkce, v tomto případě laktace, nemůže být proto dlouhodobě a bez následků tolerována. Tento fakt potvrzují i vědecké studie, které dokládají, že rostoucí užitkovost dojnic vede ke zvýšenému výskytu některých onemocnění. Prakticky se o tom naši chovatelé přesvědčili zejména na počátku 90. let minulého století, kdy opakovaně zaznamenali ztráty importovaných, vysoce geneticky kvalitních zvířat, v důsledku nedostatečného zabezpečení potřebných životních a zejména nutričních podmínek. Glukóza • představuje transportní formu sacharidů • je důležitý zdroj energie pro výživu buněk • je prekurzorem pro tvorbu fruktózy a laktózy Glukóza je tvořena v játrech z kyseliny propionové a dále z kyseliny mléčné, glykogenu, glycerolu a glukoplastických aminokyselin. Koncentrace glukózy v krvi je ukazatelem schopnosti krav dosáhnout rovnováhu mezi úrovní produkce a příjmem energie nebo tukové mobilizace. Ke snížení koncentrace glukózy dochází: • při nedostatku pohotové energie v krmné dávce • při nedostatku energie vzhledem k dusíkatým látkám v krmné dávce • při nízké tvorbě kyseliny propionové v bachoru • při ketózách • při těžkém narušení funkce jater a ledvin Zvýšení koncentrace glukózy v krvi je poměrně vzácné a dochází k ní především při zvýšené stresové zátěži zvířat nebo v souvislosti s aplikací některých léků. Změny v metabolismu krávy s nástupem laktace Pokud chce kráva „přežít“ v podmínkách nedostatečného přísunu živin, musí změnit svůj metabolismus v tukové tkáni, ve svalovině, kostech i ve funkci jater, tj. zvětšit dostupnost glukózy pro plod a následně pro produkci mléka. Koncepcí homeostázy je udržování stálých hladin některých látek v krvi – tím se slaďuje celý systém na podporu laktace, březosti a plodu a určuje priority těmto funkcím. Za posledních 200 let se mléčná užitkovost krav zvýšila 5x, přitom za posledních dvacet let 2x. Glukóza je jednou z nejdůležitějších energetických živin, která je homeostaticky rozdělována inzulínem a glukagonem, aby se udržela její stálá hladina v krvi. CHOV ZVÍŘAT 24 Metodický list č. 8 Hlavní produkty fermentace a jejich využití Dále zde působí mechanizmy, které zapříčiní, že glukóza není využívána tkáněmi matky, ale tkáněmi plodu a mléčnou žlázou dojnice na tvorbu laktózy. Kráva získává glukózu nepřímo z krmiva a z rezerv (v játrech max.18ti hodinová rezerva). Glukóza, která pochází z diety, není využitá přímo, protože v bachoru fermentuje na propionát a laktát. Proto je pro přežvýkavce nejdůležitějším zdrojem glukózy glukoneogeneze, neboli její syntéza v organismu. Nejdůležitějším zdrojem pro glukoneogenezi je propionát, který vzniká v bachoru fermentací škrobu. Při fermentaci vlákniny vzniká acetát, který kráva neumí přímo využít pro tvorbu glukózy – pokud chceme mít krmnou dávku, která by podporovala rozvoj plodu a produkci mléka – musí krmivo obsahovat určité množství škrobu, nikoli pouze vlákninu. Dalším zdrojem pro tvorbu glukózy jsou aminokyseliny – důležitý zdroj glukoneogeneze. V prvních 14ti dnech laktace je denně mobilizováno ½ kg aminokyselin k tomu, aby bylo zajištěno dostatečné množství glukózy pro mléčnou žlázu pro laktaci. V posledních fázích gravidity matka maximálně omezuje svoji potřebu glukózy. Strojní dojení Po porodu musí být zajištěno pro mléčnou žlázu dostatečné množství glukózy, aby byla dosažena dostatečná produkce mléka. Pokud tento požadavek není splněn, nebude dosažen možný vrchol laktace a tím bude snížen celkový„nádoj“ mléka za laktaci. Pouze dvě tkáně v těle matky nezbytně glukózu potřebují – červené a bílé krvinky jako zdroj imunity zvířete – vzhledem k potřebě glukózy pro tyto tkáně matka zastaví její využívání ostatními tkáněmi. Proč dochází u krav při hubnutí k ukládání tuku v játrech? Potřebnou energii pro svůj záchov pak získává díky zmobilizování svých tukových rezerv. V počátečním stadiu laktace se stane tuk hlavním zdrojem energie: • dochází k velmi rychlému odbourávání tuku a využívání tukové tkáně – vzniká glycerol a nenasytné mastné kyseliny (NEMK). Glycerol může být v játrech využíván jako zdroj pro glukoneogenezi – vzniklá glukóza je využívána pro metabolizmus buněk organismu nebo pro tvorbu mléka. NEMK jsou využívány pro tvorbu mléčného tuku (40–60 %) – zdroj energie pro svalové buňky či jiné tkáně. NEMK jsou úměrně ke své koncentraci v krvi zachycovány játry (ketolátky – zdroj energie). Nadbytek NEMK: • metabolická ketóza • uložení v podobě tuku v játrech Ruční dojení Množství glukózy určuje množství produkce mléka a její zastoupení v mléce nelze ovlivnit! POZOR! Přežvýkavci jsou velmi špatně přizpůsobeni vylučování tuku z jater – zvyšování množství tuku v játrech – špatná funkce metabolismu. • v krvi poklesne hladina inzulínu • dochází k senzibilizaci hormonálních lipáz CHOV ZVÍŘAT 25 Metodický list č. 9 / Metodický list č. 10 Ne každý býložravec může být přežvýkavcem / Producenti skleníkových plynů nebo recyklátoři? Metodický list č. 9 TÉMA: Ne každý býložravec může být přežvýkavcem Cíl: vysvětlit žákům souvislost mezi velikostí zvířat a jejich potravními nároky na tepelnou pohodu, nároky zvířat na krmivovou základnu související s jejich druhem a užitkovým zaměřením Základní pojmy: tepelná pohoda Doba trvání: 1vyučovací hodina Aby energetické zdroje generované v předžaludku stačily potřebám organismu, musí přežvýkavec dosáhnout určité velikosti – určité relace tělesné hmotnosti k povrchu těla. Platí totiž, že malá zvířata mají relativně velký povrch těla, a tudíž i vyšší tepelné ztráty. Tyto vztahy vyniknou srovnáme-li například jehně s teletem: • u jehněte o hmotnosti 4 kg činí povrch jeho těla 0,3 m2 • u telete o hmotnosti 40 kg činí povrch těla 1,4 m2 Znamená to, že desetkrát těžší tele má ve srovnání s jehnětem povrch těla jen pětkrát větší. Tepelné ztráty z relativně velkého povrchu malých zvířat pak musí být vyrovnány vyšší úrovní jejich energetického metabolismu. Pomalejší produkce energetických zdrojů v předžaludku však na to nemusí vždy stačit – jinými slovy, malý živočich přežvýkavcem být nemůže. Snadno by se totiž dostal do energetické pasti. Limitující tělesná hmotnost pro přežvýkávání se pohybuje kolem 4–5 kg. Není bez zajímavosti, že i větší příslušníci přežvýkavců, jako jsou například gazely, kozy a dokonce i žirafy, urychlují fermentační procesy tím, že nespásají zelenou píci plošně, ale vybírají si jemnější, lépe stravitelné části rostlin. Tyto pak předžaludkem procházejí rychleji, což zvířatům umožňuje uspokojovat vyšší energetické potřeby zvýšeným příjmem takto selektované potravy. Metodický list č. 10 TÉMA: Producenti skleníkových plynů nebo recyklátoři? Cíl: posoudit, zda chov skotu je (či není) ekologickou zátěží pro lidstvo Základní pojmy: přežvýkavci a produkce skleníkových plynů, fermentace, eruktace, močovina Doba trvání: 1 vyučovací hodina Jsou přežvýkavci velcí producenti skleníkových plynů, nebo obdivuhodní recyklátoři? Fermentace přijatého krmiva v předžaludku není bezztrátový proces. Je provázena tvorbou plynů. Dvě třetiny tvoří oxid uhličitý a jednu třetinu metan, který vniká redukcí právě oxidu uhličitého. Tento plyn představuje pro přežvýkavce energetickou ztrátu až 18 %. Objem plynů skutečně není zanedbatelný. U dojnic může dosáhnout 0,5 až 1 litr za minutu. Celosvětově činí, podle dostupných informací, podíl přežvýkavců na celkových emisích spojených s živočišnou produkcí 25 %. V ČR je to dokonce 31 %. Počítá se však se zdaleka menším podílem – 5,5 %, kterým zemědělství přispívá k celkové produkci skleníkových plynů v ČR. Při zvažování zmíněných údajů vyvstává otázka, zda byl zohledněn i fakt, že značná část plynů pocházejících z fermentační činnosti předžaludku se do atmosféry vůbec nedostane. Eruktace, jak již byla popsána, probíhá při uzavřené dutině ústní, tedy tiše. Tento způsob uvolňování plynů byl pro přežvýkavce daleko bezpečnější než hlasité krkání, které by ve volné přírodě lákalo predátory. Umožňuje zároveň směrovat asi polovinu plynů do průdušnice a při nádechu pak dále do plic. Bylo prokázáno, že uhlík vstřebaných plynů je využit v biochemických reakcích, to znamená, že je tak efektivně recyklován. CHOV ZVÍŘAT 26 Metodický list č. 10 / Metodický list č. 11 Producenti skleníkových plynů nebo recyklátoři? / Méně známé možnosti snižování čpavku v chovu hospodářských zvířat Je-li zmínka o recyklaci, je namístě uvést i tu, která se týká dusíku. Připomeňme, že oxid dusný, vznikající mimo jiné rozkladem organického materiálu v půdě, patří rovněž mezi sledované skleníkové plyny. Dusík obsažený v organických hnojivech produkovaných přežvýkavci může tak k těmto procesům přispívat. V souvislosti s fermentačními procesy v předžaludku je třeba uvést, že základním zdrojem dusíku potřebným pro růst bakterií je čpavek – vzniká z bílkovin potravy, z endogenních proteinů a také z nebílkovinných zdrojů, jako je močovina. Čpavek, který není bakteriemi ihned využit a působil by toxicky, je odváděn do jater a přeměněn na netoxickou močovinu. Při nedostatku dusíku je až 80 % močoviny recyklováno, to znamená vrací se zpět do bachoru. K tomu slouží jak krevní cesty, takzvaný hepatoruminální oběh, tak cirkulace přes slinné žlázy. I když koncentrace močoviny ve slinách není vysoká, při denní produkci slin 100–150 litrů není tento koloběh zanedbatelný. Obě cesty umožňovaly přežvýkavcům přežívat v přírodních podmínkách období dusíkového nedostatku – například období sucha, kdy vegetace stárla a obsah proteinů v píci rychle klesal. Nutno připustit, že v moderní výživě dojnic je častějším případem nadbytek čpavkového dusíku v bachorové tekutině – ten pak vede ke značné metabolické zátěži jater. Močovina musí být z organismu odstraňována ledvinami a dokonce i prostřednictvím mléčné žlázy. POZOR! Zvýšený obsah močoviny v mléce upozorňuje na nedostatky v živinové vyváženosti krmné dávky! Závěrem je nutno zdůraznit, že při hodnocení potravní strategie přežvýkavců a zejména při zvažování jejich podílu na globálním skleníkovém efektu, by neměly být opomíjeny důležité fyziologické údaje. Zejména ne ty, které se k tomuto, v současnosti velmi diskutovanému tématu, bezprostředně vztahují! Námět na samostatnou práci studentů Popiš cyklus močoviny u přežvýkavců, využij internet, odborné publikace, tisk. Metodický list č. 11 TÉMA: Méně známé možnosti snižování čpavku v chovu hospodářských zvířat Cíl: přiblížit žákům novinky na trhu pro snížení emisí čpavku v chovu skotu Základní pojmy: Yucca schidigera Doba trvání: 1 vyučovací hodina Extrakt z Yucca schidigera pro snížení čpavku ve stájovém prostředí Před několika lety byla na trh uvedena rostlina Yucca schidigera pod různými obchodními názvy. Jedním z nich je YP – JET, produkt určený hlavně pro snížení emisí amoniaku v chovech • mletá dužina rostliny Yucca Schidigera v podobě prášku • čistě přírodní aditivum do krmiv pro hospodářská zvířata (koně, malá zvířata – psi, kočky) • je určen ke kontrole zápachu čpavku a emisí jiných plynů, které mohou být škodlivé • je užíván v agroprůmyslu, potravinářství a nápojích. Yucca výrobky jsou extrahovány ze zavedeného Semarnat Yucca v Baja Kalifornia v Mexiku. Výrobce úzce spolupracuje s místními indiány v sázení nových rostlin s cílem zajistit kontinuální dodávky juky pro výrobu tohoto produktu. Prášek je balený do kula- Výskyt Yucca schidigera (www.bonap.org) CHOV ZVÍŘAT 27 Metodický list č. 11 Méně známé možnosti snižování čpavku v chovu hospodářských zvířat tých textilních krabic s plastovou vložkou a kovovými hranami po 36 kg nebo do pytlů po 25 kg. Výrobek je sušený vzduchem, vyrobený mechanickým způsobem a obsahuje všechny základní potravinářské živiny známé jako Yucca koření, bez žádných dalších přísad. • • • • • • snižuje močovinu v krvi detoxikuje organismus po aplikaci antibiotik udržuje optimální střevní pH snižuje riziko kolik zlepšuje střevní mikroflóru nemá vedlejší účinky YP – JET je vyrobený podle vysoce kvalitních standardů, které zachovávají všechny saponiny a glyco komponenty Yucca schidigera rostliny. Specifikace produktu Yucca schidigera je světle béžový prášek. Z důvodu přírodního původu není možné dosáhnout stejné síly v produktu juky. Jedovatost produktu není žádná, trvanlivost jeden rok při skladování na suchém místě. Je odolný vůči teplu, má výbornou pH stabilitu. Díky tomu, že přípravek je ve formě jemného prášku, umožňuje výrobcům krmiva využít počítačem řízené automatické dávkování včetně sprejového aplikačního systému. Účinku produktu Yucca schidigera • koordinace v činnosti svalů – výzkumy potvrdily, že přítomnost extraktu yucca schidigera v krmivech pomáhá zvířatům rychleji nabírat váhu a zvyšuje příjem krmiva • redukce plynů – extrakt z juky pomáhá redukovat čpavek a jiné dráždivé plyny v stísněných prostorách, proto vytváří zdravější životní podmínky, snižuje stres, zvyšuje úroveň růstu zvířat • redukce zápachů – yucca extrakt redukuje zápachy, tvoří tím lepší prostředí pro zvířata i lidi • nakládání s výkaly – yucca extrakt zlepšuje nakládání s charakteristickými výkaly, dělá tuto práci jednodušší při jejich likvidaci • ekonomika – YP – JET je jeden z ekonomicky nejefektivnějších výrobků na trhu, zvyšuje výkon hospodářství, dovoluje chovatelům zvířat maximalizovat zisk • léčebné účinky – díky obsahu saponinů (rostlinná mýdla) asi 13 % je juka vhodná pro všechna domácí i hospodářská zvířata, chuť je mírně nahořklá Yucca pomáhá při následujících problémech • • • • • • • • • • • artritida bolesti kloubů, otoky, bolesti šlach vazů a svalstva koliky, snižuje plynatost zlepšuje funkci jater a ledvin zlepšuje jiné poruchy trávicího traktu zlepšuje konverzi krmiva vyvazuje mykotoxiny z krmiva zlepšuje kvalitu srsti, kůže a kopyt zlepšuje odolnost proti stresu a alergiím zvyšuje imunitu a pohodu zvířat snižuje čpavek ve stáji o 40 % = zlepšuje stájové prostředí Legislativa Yucca je schválena americkým ministerstvem zemědělství jako bezpečná. Splňuje podmínky zákona č. 76/2002 Sb. o integrované prevenci a omezení znečišťování, ve znění pozdějších předpisů, pro intenzivní chovy hospodářských zvířat. Je v Seznamu ověřených biotechnologických přípravků. Dávkování kuřata 100–200 g/t krůty 100–200 g/t slepice 100–150 g/t prasnice 120 g/t selata 120 g/ předvýkrm 100 g/t výkrm mladý skot dojnice 60 g/t 400–800 mg 800 mg Námět na samostatnou práci studentů Popiš rostlinu Yucca schidigera a její využití v živočišné výrobě, využij internet, odborné publikace, tisk. CHOV ZVÍŘAT 28 Metodický list č. 12 Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců Metodický list č. 12 TÉMA: Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců Cíl: přiblížit žákům možnosti vedoucí ke snížení metanu u přežvýkavců v zemědělské výrobě Základní pojmy: emise metanu, metanogenní organismy Doba trvání: 3 vyučovací hodiny Lidstvo se stále více obává o vývoj pozemského klimatu a se znepokojením sleduje rostoucí globální teploty. V této souvislosti se dostávají do popředí zájmu také metanogenní mikroorganismy žijící v bachoru přežvýkavců. Vědci hledají cesty, jak snížit produkci metanu. Zemědělství přispívá k celosvětové produkci metanu značným dílem. Nejvýznamnější je produkce metanu přežvýkavci – přežvýkavci vyprodukují ročně asi 86 milionů tun metanu. nogenní mikroorganismy využívají takto vzniklý vodík k redukci oxidu uhličitého na metan. Tento biochemický proces probíhá v několika krocích, při kterých mikrob získává energii ve formě adenosintrifosfátu. Druhové spektrum metanogenních mikroorganismů bachoru je velmi pestré, ale v zásadě spadá většina bachorových metanogenů do tří velkých skupin. Dominantní jsou v bachoru metanogenní mikroorganismy ze skupiny Methanobrevibacter, které tvoří bezmála dvě třetiny všech Archaea v bachoru. Biotechnologická omezení produkce metanu Další metan se uvolňuje z exkrementů během jejich skladování na farmách nebo při jejich použití na polích k hnojení. Z těchto zdrojů se ročně dostává na celém světě do ovzduší asi 18 milionů tun metanu. V současnosti existuje několik technických systémů pro jímání metanu vylučovaného zvířaty ve stájích, ale prakticky žádný systém neumí omezit produkci metanu od zvířat na pastvě. Jen ve Spojených státech stouplo v letech 1990 až 2005 množství metanu uvolněného z exkrementů hospodářských zvířat o 40 až 50 %. Produkce metanu je výrazně vyšší u intenzivně chovaných zvířat krmených dietou s vysokým obsahem proteinů a energie, než u zvířat chovaných extenzivně na pastvě. Některé země vnímají emise metanu vznikající v důsledku chovu hospodářsky významných přežvýkavců jako zvláště naléhavý problém. Například chov ovcí a skotu na Novém Zélandu hraje klíčovou roli nejen v národním hospodářství, ale i v tamější produkci skleníkových plynů. Chov přežvýkavců zajišťuje třetinu novozélandského exportu a novozélandské mléčné výrobky a skopové maso se významně podílejí na celosvětovém trhu s těmito komoditami. Domácí přežvýkavci se podílejí na celkové novozélandské produkci skleníkových plynů plnými 31 %. Pro Nový Zéland je omezení emisí metanu z chovu přežvýkavců klíčové z hlediska naplnění závazků z Kjótského protokolu . Velké úsilí věnovali vědci vývoji biotechnologických postupů pro eliminaci tvorby metanu v bachoru přežvýkavců. V bachoru vzniká metan činností metanogenních mikroorganismů patřících do skupiny mikrobů označovaných jako Archaea. Jde o zvláštní evoluční skupinu mikroorganismů, které se na první pohled v mnohém podobají bakteriím. Při trávení rostlinné biomasy v bachoru se prosazují především mikroorganismy rozkládající celulózu. Přitom vznikají těkavé mastné kyseliny, dále čpavek, vodík a oxid uhličitý. Meta- Postup 1 Značné naděje vkládají do vakcín proti metanogenním mikroorganismům, kterými by byli přežvýkavci očkováni. Protilátky vylučované se slinami by zvířata polykala a ty by se tak dostaly do bachoru. Tam by se protilátky vázaly na jednotlivé metanogenní mikroorganismy, a tím by je vyřadily z činnosti. Vyvolání imunitní reakce přímo v bachoru je nemožné, protože epitel bachoru není imunologicky aktivní a imunitní reakce v něm neprobíhají. V Austrálii už byla vyvinuta vakcína proti třem hlavním bachorovým metanogenům, která snížila produkci metanu u vakcinovaných zvířat o osm procent. V dalších pokusech se ale tyto slibné výsledky nepotvrdily. Hlavní překážkou je zřejmě dynamika druhového spektra metanogenů v bachoru. Omezením výskytu některých metanogenů se otevírá prostor pro expanzi druhů metanogenních mikroorganismů, jež byly do té doby v menšině. Posun v druhovém spektru metanogenních mikroorganismů závisí na široké škále faktorů včetně složení krmné dávky, způsobu chovu nebo lokality. CHOV ZVÍŘAT 29 Metodický list č. 12 Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců Postup 2 Další možností je využití tzv. bakteriocinů, což jsou proteiny produkované bakteriemi. S jejich pomocí se potlačuje růst a množení konkurenčních mikroorganismů. Vědci soustřeďují pozornost na bakteriociny produkované mikroorganismy v bachoru. Jako velmi nadějný se jeví bovicin HC5, který snižuje produkci metanu až o polovinu. Zatím se nezjistilo, že by si bachorové metanogeny dokázaly vyvinout k bovicinu HC5 rezistenci. Bovicin – jedná se o specifickou látku produkovanou kmenem bakterií. Tato látka zabraňuje (omezuje) životu tzv. metanogenních bakterií v bachoru – tím je omezena tvorba metanu v předžaludku. Proti metanogenním mikroorganismům zřejmě bude možné použít viry ze skupiny bakteriofágů, protože to jsou „přirození nepřátelé“ metanogenů. Během svého životního cyklu bakteriofágy ničí buňky metanogenů a mohly by významně přispět k redukci tvorby metanu v bachoru. Rovněž v tomto případě zůstává otevřená otázka vzniku rezistence metanogenů k fágům. Obecně je vznik rezistence k fágům považován za mnohem méně pravděpodobný než vznik rezistence k antibiotikům. Postup 3 Za schůdnou považují vědci i možnost ovlivnit složení bachorové mikroflóry tak, aby mikroorganismy přednostně metabolizovaly vodík vznikající rozkladem celulózy na kyselinu octovou. Slibují si od toho hned dva významné přínosy. Metanogenní mikroorganismy by neměly dostatek vodíku pro tvorbu metanu a kyselinu octovou by mohlo využít zvíře jako zdroj energie. Za přirozených podmínek ale bakterie produkující kyselinu octovou v konkurenci metanogenů prohrávají. Snaha posílit činnost přirozených acetogenních mikroorganismů v bachoru zatím vychází naprázdno. Postup 4 V poslední době se podařilo izolovat velmi výkonné acetogenní mikroorganismy ze střeva a ty lze využít ke kolonizaci bachoru zvířat. Další možností je kolonizace bachoru bakteriemi, jež metan oxidují a tím eliminují jeho produkci. tek, jež blokují enzymy nebo narušují struktury důležité pro základní životní funkce metanogenů. Například ionoforové antibiotikum Monensin snižuje produkci metanu tím, že potlačuje aktivitu metanogenů a posouvá rovnováhu metabolismu v bachoru ve prospěch syntézy kyseliny propionové (podobně jako mnohá další antibiotika je ale používání Monensinu jako krmného aditiva v zemích Evropské unie zakázáno). • Pokusy s dalšími aditivy dávají rozporuplné výsledky. Testován byl efekt některých organických kyselin, například kyseliny jablečné nebo fumarové. Například v jedné studii byly podávány ovcím kapsle s kyselinou fumarovou a u zvířat došlo k poklesu produkce metanu v bachoru o 75 %. Účinek některých organických kyselin může být i v pozadí změn produkce metanu po změně krmné dávky. Například doplnění krmné dávky s dominantním podílem travin o vojtěšku zvýší příjem kyseliny jablečné, což může vyvolat snížení produkce metanu. • Pozitivní trend ke snížení produkce metanu v bachoru je patrný rovněž po doplnění krmné dávky o lipidy. • Také snížení pH bachoru nahrává k tvorbě kyseliny propionové na úkor vzniku volného vodíku a to má za následek pokles produkce metanu činností metanogenních mikroorganismů. • Pozitivně se může projevit i zvýšení obsahu škrobu v krmné dávce na úkor vlákniny. V důsledku této změny krmné dávky se sníží aktivita bakterií produkujících vodík rozkladem celulózy. Tato strategie není efektivní u buvolů, protože ti mají v bachoru bakterie rozkládající celulózu bez vzniku volného vodíku. Při výkrmu mladých býků bylo zvýšením podílu obsahu škrobu v krmné dávce z 30 na 45 % dosaženo snížení produkce metanu o více než 50 % bez negativního vlivu na růst zvířat. Použití krmných aditiv a změny krmné dávky • Ve stadiu experimentů je potlačení produkce metanu obohacováním krmné dávky o některé mastné kyseliny. Výhodou tohoto postupu by mohl být fakt, že nedochází k poklesu pH bachoru. Přítomnost vyššího množství některých mastných kyselin působí negativně na povrchové membrány bakterií, jež jsou v bachoru producentem volného vodíku. Mastné kyseliny ovlivňují i populaci bachorových prvoků. Také při těchto zásazích však hrozí narušení trávicích procesů v bachoru. Riskujeme například redukci populací bakterií rozkládajících celulózu. Dalším rizikem je hromadění vodíku v bachoru. Zatím není jasné, jak významný a jak trvalý by efekt přídavku mastných kyselin na produkci metanu byl. • Hojně prověřovanou možnost pro eliminaci tvorby metanu v bachoru přežvýkavců představuje podávání cizorodých lá- • Experimenty na jehňatech naznačují, že relativně přínosný by mohl být přídavek kyseliny linolenové. Produkci metanu v ba- Významným producentem vodíku využívaného následně metanogenními mikroorganismy k tvorbě metanu jsou prvoci. Metanogenní mikroorganismy jsou na prvocích často bezprostředně závislé a nacházejí se buď přímo uvnitř buněk prvoků, nebo na jejich povrchu. Eliminace prvoků (tzv. defaunace) z bachoru může snížit produkci metanu až o 50 %. Defaunace ale zároveň vyvolává poruchy trávení v bachoru. CHOV ZVÍŘAT 30 Metodický list č. 12 Jak zabránit produkci metanu u přežvýkavců choru snížila krmná dávka obohacená o lněné semínko, jež je vydatným zdrojem kyseliny linolenové. Při těchto testech se neprojevily výrazné nežádoucí vedlejší účinky. Obohacení krmné dávky o kyselinu linoleovou se může projevit i zvýšením obsahu této kyseliny v produktech zvířat. Vzhledem k tomu, že kyselina linolenová je z dietetologického hlediska hodnocena pozitivně, mohlo by takové zvýšení kvality živočišných produktů alespoň částečně kompenzovat nárůst nákladů na upravenou krmnou dávku. Množství metanu tvořeného v bachoru je minimálně z poloviny, ale možná i ze tří čtvrtin, ovlivněno skladbou krmné dávky. Spekuluje se však i o tom, že některá zvířata mají dědičné dispozice k přirozenému ustanovení podmínek, za nichž se v bachoru tvoří méně metanu. Teoreticky by šlo tyto dědičné faktory podchytit a využít při šlechtění „nízkometanových“ linií zvířat. Pro takový šlechtitelský program však zatím chybí solidní výchozí data. Genomické studie Jedním z hlavních bachorových metanogenních mikroorganismů je Methanobrevibacter ruminantium. Byl proto vybrán jako první metanogenní mikroorganismus, u kterého bude kompletně přečten genom. O naplnění tohoto cíle se přičinili genetici z novozélandské společnosti AgResearch Limited. vrchu metanogenů anebo jsou nezbytné pro vznik a transport molekul, jež se na povrchu metanogenů nacházejí. Vedle složitých cukrů se na povrchu buněk Methanobrevibacter ruminantium nacházejí i proteiny ze skupiny adhesinů. Ty se v předběžných experimentech ukázaly jako vhodný cíl pro vakcíny. Zvířata reagují na podání vakcíny obsahující adhesiny výraznou imunitní reakcí a tvorbou protilátek. Z analýz geonomu vyplývá, že Methanobrevibacter ruminantium by mohl mít na svých buňkách 62 různých adhesinů. Genetici odhalili v dědičné informaci tohoto metanogenního mikroorganismu zabudovanou dědičnou informaci fága. Tento virus je potenciálně schopen vyvolat rozpad buňky Mathanobrevibacter ruminantium. Při genetických analýzách byl identifikován gen pro enzym fága, který tento rozpad buňky vyvolává. Laboratorní pokusy potvrdily, že enzym skutečně buňky tohoto metanogenního mikroorganismu ničí. I tento enzym se nabízí jako účinný prostředek pro potlačení tvorby metanu v bachoru přežvýkavců. Další zajímavé molekuly, na něž se vyplatí zacílit další výzkum jsou dva velké proteiny, jež se podílejí na syntéze životně důležitých peptidů. Tyto proteiny jsou zjevně unikátní výbavou metanogenů a jejich zablokování by mohlo mikroorganismy těžce poškodit. Celkem bylo vytipováno 33 genů, jež jsou zřejmě typické pro metanogenní mikroorganismy, ale nevyskytují se u jiných organismů. Vědcům se tak otevřela cesta k cíleným zásahům do produkce metanu hospodářsky významných přežvýkavců. Požadavek na účinný systém likvidace metanogenních mikroorganismů v bachoru je celkem jednoduchý. Měl by účinkovat specificky na co nejširší spektrum metanogenů, ale neměl by výrazněji ovlivňovat zbytek bachorové mikroflóry. Jednu z mála schůdných cest k naplnění těchto cílů nabízí studium genomů čili genomika. Díky genomickým studiím lze získat informace o geonomu jednotlivých metanogenních mikroorganismů a následně vytipovat rysy, které metanogeny sdílejí a jimiž se zároveň liší od zbytku bachorové mikroflóry. Již dříve byly přečteny kompletní geonomy metanogenních mikrobů hojně se vyskytujících v odpadních vodách. Jako další byl přečten genom mikroorganismu, který se nachází v lidské stolici a také genom mikroorganismu izolovaného z lidského trávicího traktu. Ve srovnání s nimi má první „přečtený“ bachorový metanogen poněkud větší dědičnou informaci. Genom Methanobrevibacter ruminantium se skládá z necelých tří milionů písmen genetického kódu. Metanogenům je společný arzenál genů pro produkci metanu. Z hlediska konstrukce vakcín nebo látek blokujících životně důležité pochody metanogenů jsou významné molekuly, které se nacházejí na povrchu mikroorganismů. Na základě informací o jednotlivých genomech bylo identifikováno hned několik molekul, které se buď přímo vyskytují na po- Snahy o potlačení produkce metanu přežvýkavci jsou pochopitelné, ale cesty k jejich naplnění se ukazují natolik komplikované, že v dohledné době nelze čekat zásadní úspěch. Soubor bachorových mikroorganismů, tzv. bachorový mikrobiom, představuje komplikovaný a dynamický systém, jehož chování v odezvě i na relativně jednoduché zásahy nelze vždy do detailu předvídat. Navíc metanogenní mikroorganismy tvoří přirozenou a nedílnou složku bachorové mikroflóry přežvýkavců. Jakákoliv ošetření zvířat, která mají za následek redukci počtu metanogenů nebo jejich aktivity v bachoru, představují poměrně razantní zásah do fyziologie trávení a výsledný efekt navíc podléhá celé řadě dalších faktorů. CHOV ZVÍŘAT 31 Zdroje Zdroje • • • • • • • • www.wikipedia.cz www.pro-bio.cz www.biospotrebitel.cz www.ceskebiopotraviny.cz www.goveg.cz www.otevrioci.cz www.bonap.org www.fortexbioplyn.cz • • • • • • • www.e-expert.eu www.energie21.cz www.czba.cz www.eagri.cz www.mze.cz www.plzensky-kraj.cz www.fao.org PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 32 Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství Metodický list č. 1 TÉMA: Ekologicky šetrné zemědělství Cíl: uvědomit si vazby mezi zemědělstvím, přírodou a životním prostředím, seznámit žáky s prioritami současné zemědělské výroby v souladu s ochranou životního prostředí Základní pojmy: meliorace, hydromeliorace, půdní eroze, eutrofizace, organická hnojiva, anorganická hnojiva, geneticky modifikované organismy (GMO) Doba trvání: 4 vyučovací hodiny + 1 praktická hodina Ochrana krajiny Krajina – slovo starogermánského původu, který v období raného středověku označoval pozemek obdělávaný jedním rolníkem. Druhy meliorací • • • odvodňovací – odvodnění zamokřené půdy závlahová – zavlažování půd s nedostatkem vláhy půdoochranná: • vápnění silně kyselých půd • vylehčování těžkých půd • protierozní ochrana půd • vysazování melioračních dřevin Hydromeliorace – výrazný zásah do zemědělské krajiny, který byl většinou proveden podpovrchovými drenážemi, vyústěnými do upravených vodních toků nebo melioračních kanálů. Odvodňovací soustavy se začaly na Plzeňsku budovat již na konci 50. let 20. století. Největší nárůst plochy odvodněné půdy nastal ve 2. polovině 80. let. Po ukončení odvodňovacích prací, na počátku 90. let, se plocha odvodněné půdy přiblížila k 500 km2. V minulosti člověk – rolník žil v souladu s přírodou, znal hodnotu půdy, a proto ji citlivě chránil a obhospodařoval, v neposlední míře střídmě využíval nerostného bohatství. V současnosti je odvodněno cca 13,5 % celkové rozlohy Plzeňska, tzn. 25,6 % zemědělské půdy. S nástupem 50. let 20. století však dochází k násilnému scelování polí do obrovských ploch, rozorávání mezí, ke vzniku státních statků a rozvoji velkokapacitních forem hospodaření, včetně meliorací. Současná zemědělská krajina je pro ekonomické využití výkonných strojů stále rozdělena na větší půdní celky (zcelování pozemků) s minimem překážek (stromů, mezí, remízků). Pracovní záběr kombajnu je až 12 m, sekačky až 16 m, secího stroje až 14 m, postřikovače 36 m! VÝHODA: současná výkonná technika umožňuje obdělávat a sklízet obrovské plochy ve velmi krátké době. NEVÝHODA: živočichové vázáni na tyto přirozené biotopy (pole, louky, pastviny) přichází o potravní základnu, o klid, i o přirozené úkryty (stromy,remízky, meze) – úhyn mláďat pod koly techniky. Meliorace – soubor různorodých opatření vedoucích ke zlepšení kvality půd, které jsou přirozeně málo úrodné nebo u kterých došlo v důsledku nevhodných zásahů či působením vnějších činitelů ke snížení jejich produkční schopnosti. Vznik hydrometeorologických kanálů vedlo: • k zvýšení hustoty vodních toků • k zrychlení odtoku vody • ke snížení ekologické kvality toků PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 33 Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství Krajina Plzeňského kraje V Plzeňském kraji se nalézá zemědělská a lesní krajina s převahou orné půdy, se smíšenými lesy a s monokulturami jehličnatých lesů s intenzivním rybářstvím. Devastovaná krajina se v kraji vyskytuje jen omezeně v podobě skládek odpadu a těžby nerostných surovin: • Kaznějov, Chlumčany – těžba keramických surovin • Plzeňská pánev, Radnická pahorkatina – těžba uhlí • Velké Hydčice, Rábí, Sušice – těžba vápence • Tachovsko – těžba uranu • Kašperské hory – těžba zlata • Okolí Ejpovic a Stříbra – těžba rudy Ochrana půdy – eroze Počátek erozních procesů způsobených lidskou činností se datuje do doby bronzové, kdy se začal používat primitivní pluh a vznikaly rovné brázdy. V Čechách odstartovalo v krajině nejintenzivnější erozní procesy rozorávání mezí v 50. letech. V současnosti je u nás cca 50 % zemědělské půdy ohroženo erozí, přičemž obnovení či vznik půdy trvá řádově stovky až tisíce let. V úrodnějších oblastech Plzeňska pokračuje intenzivní zemědělské obhospodařování. Nejvhodnější podmínky pro zemědělskou činnost v Plzeňském kraji jsou v Plzeňské kotlině, kde se pěstují převážně obiloviny (kukuřice, pšenice, ječmen), okopaniny (brambory) a technické (energetické) plodiny (řepka olejka). Živočišná výroba je zaměřena na chov skotu, prasat a drůbeže – v současnosti je však chov značně redukován vlivem konkurenčních cen masa ze sousedních států. Plzeňský kraj je zařazen v zemědělském půdním fondu do zemědělské výrobní oblasti řepařské a bramborářské. Co je to půdní eroze Půdní eroze je proces, při kterém se uvolňují částice půdy a silou větru či vody jsou přesouvány. Tento mechanismus funguje v přírodě odnepaměti a je v podstatě přirozený. I v narušených ekosystémech pomáhají kořeny rostlin půdu ukotvit a tím odnos půdních částic regulovat. V takovém případě se půda tvoří stejnou rychlostí, jakou je i odplavována. Člověk však svým zásahy narušil tuto ustálenou rovnováhu vlivem zemědělské činnosti, pasením dobytka, spalováním travin, ale i stavebnictvím a těžbou dřeva. Další zásahy do půdních systémů snižují odolnost půdy proti vnějším nepříznivým vlivům, a tím podporují její náchylnost k erozím. Nové vlastnické poměry příliš nezměnily velkoplošný rozsah zemědělských pozemků, přesto i jsou v zemědělské krajině patrné zásahy podporující její ekologickou stabilitu. Dále probíhají revitalizace některých vodních toků a jejich povodí ve prospěch ekologické stability, nastává obnova drobných vodních toků. Hlavní příčiny eroze • • • • • intenzivní orba utužení půdy ztráta organické hmoty špatná půdní struktura jednotvárné osevní postupy Zakládají se protierozní prvky v krajině. Důsledky eroze Postupně je prováděna rekultivace ekologicky zatížených území. Zemědělská činnost je také redukována v oblastech s environmentálními omezeními – NATURA 2000 (systém chráněných území dle legislativy EU). • • • • • ochuzení o nejúrodnější podíl – ornici snížení obsahu živin a humusu zhoršení fyzikálně – chemických vlastností půdy poškození plodin zněsnadnění pohybu strojů po pozemcích obr.: eroze půdy PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 34 Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství Půdní eroze je velmi častý jev při prudkých bouřkách a přívalových deštích, které se vyskytují v poslední době stále častěji. Největší podíl na půdní erozi má působení tekoucí vody. Stéká-li tekoucí voda v nadměrném množství po louce či poli, odplavuje s sebou svrchní půdní horizont. Tím se půda stává méně úrodnou, snižuje se její schopnost zadržovat vodu a omezují se i její ekologické funkce. Odplavená úrodná půda je pak následně zdrojem vodního znečistění – zanáší se přehrady, jezera, vodní nádrže a jiné stojaté vody, pozemní komunikace a další stavby. Využívání pesticidů a chemických hnojiv v zemědělství a jejich vliv na půdu, povrchové a podzemní vody Moderní zemědělství se podstatnou měrou podílí na znečišťování spodních i povrchových vod, zejména sloučeninami dusíku a fosforu. Eroze půdy se vyskytuje zejména na svažitých pozemcích a tam, kde nebyl vytvořen dostatečně zapojený vegetační kryt, který by erozi zabránil. Jedná se o problém využívání pesticidů a umělých hnojiv v zemědělství a tím úniku chemikálií většinou z konvenčního zemědělství. To má za následek znečištění vod – eutrofizaci, snížení úrodnosti půdy a snížení odolnosti plodin. Velké množství jedovatých látek a živin ze zemědělské půdy mění poměry i ve vodních ekosystémech – tvorba sinic (vodního květu) vlivem vysokého množství fosforu ve vodě. Nedostatek kvalitní vody ale nezpůsobuje pouze znečišťování, ale i silně erodující půda po vykácení lesních porostů. Erozí tak trpí pozemky zejména s jednoletými plodinami mělce zakořeněnými, které nemohou zabránit smyvu vrchní vrstvy úrodné ornice (např. kukuřice). V posledních letech však dochází k pozitivním změnám v používání hnojiv a pesticidů i díky stále vzrůstajícímu podílu ekologického zemědělství. Jak zabránit půdní erozi Eutrofizace – jev, kdy je v povrchových vodách větší množství živin, zejména fosforu a dusíku. To vede k namnožení organismů, jako jsou sinice a řasy a voda tzv. „kvete“. • změny v osevních postupech – vytrvalé a víceleté plodiny (např. trávy, krmný šťovík, jeteloviny) • setí a sázení pod vrstevnicí kolmo ke svahům • zalesňování • vysazování větrolamů Od 1. 1. 2010 platí v ČR deset upravených a rozšířených standardů Dobrého zemědělského a environmentálního stavu (GAEC). Sinice – cyanobakterie jsou téměř všudypřítomné, protože jsou velmi přizpůsobivé. Přestože jsou zelené, nejsou to rostliny ani řasy, ale bakterie. Vyhovuje jim prostředí teplých nádrží s vysokým obsahem živin – zejména fosforu. Při přemnožení pak sinice spotřebovávají kyslík ve vodě (hlavně dýcháním v noci a při rozkladu na podzim) a tím dochází k úhynu ryb udušením. Z tohoto důvodu jsou velkým problémem. Na plochách označených jako silně erozně ohrožené půdy: • nesmí zemědělec pěstovat širokořádkové plodiny • porosty obilovin a řepky olejné musí být zakládány s využitím půdoochranných technologií (setí mulče, bezorebné setí) Informace, zda se půda nachází v bloku silně erozně ohrožené půdy lze nalézt v LPIS – záložka Eroze. (Ministerstvo zemědělství) – www.enviport.cz. Vodní plocha zamořená sinicemi Nadměrné využívání syntetických pesticidů způsobuje vytváření odolnosti (rezistence) škůdců, chorob i plevelů a snižování biodiverzity. PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 35 Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství Druhy pesticidů • • • • • herbicidy – přípravky proti plevelům fungicidy – přípravky proti houbovým chorobám insekticidy – proti hmyzím škůdcům rodenticidy – proti hlodavcům nematicidy – proti háďátkům Užívání hnojiv v zemědělství Zejména intenzivní zemědělství je založeno na jednoduchém principu – pro růst rostlin a dosahování vysokých výnosů je zapotřebí hlavně chemických látek N, P, K. Pokud mají rostliny látek dostatek, dosáhnou snáz produkčního maxima. Ke zvýšení úrodnosti půdy v době intenzivní zemědělské produkce se používají hnojiva. Ta rozdělujeme na hnojiva anorganická a organická. Veliké množství živin v zemědělské půdě však není plodinami využito a dostává se do okolní půdy a vody. Anorganická hnojiva (minerální, průmyslová) rozdělujeme na: • dusíkatá – chemicky připravené sloučeniny dusíku. Při nadměrném použití dusíkatých hnojiv nebo při aplikaci v nevhodném období (na podzim) může docházet k nahromadění dusičnanů v plodinách a za určitých podmínek mohou přecházet dále do potravin. V potravinách pak množství dusičnanů nelze snížit ani následnou kuchyňskou úpravou (tepelné zpracování, zmrazení). • fosforečná – vyrábějí se z přírodních surovin (apatity, fosfority), ze kterých přecházejí do hnojiv těžké kovy (kadmium, olovo, chrom) v plném rozsahu. POZOR! Malé množství kadmia přijímají obilniny, luštěniny, zelí, kořenová zelenina, cibule, rajčata, okopaniny x zvýšené množství přijímá salát a špenát. Při nadměrném hnojení mohou však i potraviny obsahovat zvýšené množství dusičnanů, jako hlavní složky průmyslových hnojiv a také těžké kovy, které jsou přítomny např. ve fosforečných hnojivech (kadmium, olovo, rtuť). Tyto látky se dostávají nejen do povrchových a podzemních vod, ale i do potravinového řetězce. Velmi toxické kadmium je rostlinami velmi dobře přijímáno, avšak záleží: • na druhu rostliny • na množství a kvalitě humusu, kdy přítomnost většího množství kvalitního humusu snižuje příjem kadmia rostlinami • na obsahu jílových částic půdy – s vyšším obsahem jílových složek půdy klesá příjem kadmia • na pH půdy – s rostoucím pH (s rostoucí zásaditostí) klesá příjem kadmia a tím jeho obsah v rostlinách • draselná – vyrábějí se též z přírodních solí, které mají doprovodné látky, jejichž obsahy jsou tak malé, že nepřesahují meze škodlivosti • vápenatá – používají se k úpravě půdní reakce (kyselosti) a jejich použití se považuje za ekologické opatření, protože vytvářejí podmínky pro lepší příjem živin z hnojiv a tím také snižují jejich vyplavování, omezují škodlivé účinky kyselých emisí Organická hnojiva Množství těžkých kovů v průmyslových hnojivech se řídí zákonem č. 110/ 1997 Sb., v aktualizovaném znění. Nejvyšší přípustné koncentrace látek z hnojiv v potravinách upravuje vyhláška č. 4/ 2088 Sb. Rozdělení hnojiv • hnojiva rostlinného (kompost, zelené hnojivo) a živočišného původu (hnůj, močůvka, mrva, krevní rohovina, kostní moučka…) • hnojiva živočišného původu obsahují velké množství živin, proto při nesprávné aplikaci může též dojít k přehnojení plodin např. dusičnany; u hnojiv rostlinného původu přehnojení prakticky nehrozí • používají se zejména v ekologickém zemědělství (dle zákona č. 242/2000 Sb.), včetně střídání plodin Anorganická hnojiva • hnojiva průmyslová, minerální • jsou chemicky připravené dusičnanové soli bez příměsí (síran amonný, síran draselný, ledek amonný s vápence, superfosfát) • rozdělujeme je na hnojiva dusíkatá, fosforečná, draselná a vápenatá • při nesprávné aplikaci anorganických hnojiv může docházet ke hromadění dusičnanů a těžkých kovů (kadmium, rtuť, chrom) v půdě a za určitých podmínek přecházet i do potravin, odkud je nelze odstranit vůbec či je lze jen omezit • používají se zejména v intenzivním zemědělství Střídání plodin Pokud se v zemědělství pěstuje stejný druh plodiny několik let po sobě na jednom stanovišti, úroda se automaticky snižuje vlivem rozdílných nároků na výživu. Jeho opětovným pěstováním na stejném stanovišti se také odčerpávají stále stejné živiny. Kromě toho každá plodina vylučuje do půdy specifické látky, které mohou při nadměrné koncentraci půdu zamořit – dochází k únavě půdy – ztráta úrodnosti a rezistence. PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 36 Metodický list č. 1 Ekologicky šetrné zemědělství Geneticky modifikované organismy (GMO) Geneticky modifikované plodiny jsou takové rostliny, u kterých byl změněn dědičný materiál (DNA) pomocí genových technologií. Pěstované geneticky modifikované plodiny v ČR Bt kukuřice (v ČR schválena od r. 2005) • geneticky modifikovaná kukuřice má přidaný gen z půdní bakterie Bacillus thuringiensis, díky kterému je schopna tvořit Bt-toxin, který je smrtelný pro zavíječe kukuřičného. Jedná se o moderní šlechtitelské metody (genové inženýrství), které používají v přírodě probíhající procesy. Nejde o tvorbu a vnášení uměle vytvořených genů. GMO mohou být mikroorganismy, rostliny i živočichové. Geneticky modifikované plodiny se vyznačují specifickými vlastnostmi – odolnost vůči škůdcům, chorobám, suchu, chladu, tolerancí vůči postřiku neselektivními herbicidy. Využití GMO je v ČR upraveno: • Vyhláškou č. 86/2006 Sb. – o bližších podmínkách pěstování geneticky modifikované odrůdy (účinnost od 20. 3. 2006). • Zákonem č. 78/2004 Sb. – o nakládání s geneticky modifikovanými organismy a genetickými produkty (účinnost od 25. 2. 2004). GMO jsou velmi tvrdě kontrolovány a testovány! Všechny produkty, které z nich pocházejí, musí být dle zákona řádně označeny! Geneticky modifikovaný organismus je podle zákona č. 78/2004 Sb. definován jako organismus, jehož dědičný materiál byl změněn genetickou modifikací – cílenou změnou genetického materiálu, kterého se nedosáhne přirozeně (křížením, roubováním). Využití • kukuřice je povolena jen pro nepotravinářské účely Výhody • minimální použití pesticidů – snížení nákladů Nevýhody • zatím nejsou pozorovány nežádoucí účinky GM brambory Amflora • plodina je zpracovávána na průmyslový škrob Klady GMO • • • • zvětšení produkce lepší životní strategie lepší odolnost vlivu prostředí výroba lepších a levnějších produktů (např. léčiva) Zápory GMO • samovolné šíření GMO díky větru nebo opylovačům • samovolné zkřížení s nemodifikovanou rostlinou – potomci jsou odolní např. vůči postřiku jako jeho modifikovaný předchůdce – nutnost používání nových a drastičtějších pesticidů, čímž se narušuje biodiverzita, která těmito zásahy klesá Podíl GMO na světové produkci • • • • • sója 51 % bavlník 20 % řepka 12 % kukuřice 9 % rýže 8 % Největší osetou plochu GM plodinami mají Spojené státy – 64 mil. ha, následuje Brazílie a Argentina. Německo zvažuje zákaz pěstování GM kukuřice. Přístup ostatních států k využití GM plodin je stagnující a spíše nedůvěřivý. PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 37 Metodický list č. 2 Vazby v zemědělské soustavě – Zdroje a spotřebitelé uhlíku Metodický list č. 2 TÉMA: Vazby v zemědělské soustavě / Zdroje a spotřebitelé uhlíku Cíl: pochopit vazby mezi zdroji a spotřebiteli uhlíku v zemědělské soustavě Základní pojmy: zemědělské systémové inženýrství, mineralizace, aktivní uhlík, Doba trvání: 1 vyučovací hodina + 2 praktické hodiny Zemědělské systémové inženýrství – zemědělské soustavy Zemědělské systémové inženýrství vzniklo na základě dlouhodobých analýz vývoje: • • • • světového zemědělství lesního hospodářství vodního hospodářství energetiky Tedy odvětví, na něž je položen největší požadavek pro zabezpečení existence lidstva při téměř exponenciálním růstu jeho počtu. Systémové metody se snaží komplexně ukázat na problematiku vzájemných vztahů zemědělství a ekologie. Cílem je využít poznatky k systémovému řešení vývoje a činnosti zemědělské soustavy. Systémové metody popisují rovnováhu mezi zdroji a spotřebiteli energie, přičemž intenzita činnosti spotřebitelů bude vždy impulsem pro další zvýšení intenzity zdrojů. To lze považovat za obecný zákon, který můžeme vyjádřit vztahem spojeným zpětnou kompenzační vazbou: akumulace organické hmoty ‹—› mineralizace Oba procesy mají své mezní stavy, mezi nimiž se realizuje činnost zemědělské soustavy, která je regulátorem tohoto procesu. Charakteristika vazeb v zemědělské soustavě (ZS) Příroda obecně pracuje na principu rezerv. • v době nepříznivého vodního režimu musí živinné soli udržet • v době příznivého vodního režimu a příznivých termodynamických podmínek klimatu je uvolňuje na membrány rhizomů, aby pak jako ionty mohly vstoupit do rostlinného organismu, kde je pak rozhodující rezonance s příslušnou délkou vlny slunečního záření. Zde vznikají dva problémy: • Vytvoření dostatečného množství aktivního uhlíku v půdě, který je schopen stabilizovat vodní režim v půdě a tím i stabilitu chemické energie. Je klíčovým stabilizátorem chemického a vodního režimu půdy. Nedostatek aktivního uhlíku umožňuje buď bezprostřední vazby prvků s minerální složkou půdy a jejich nedostupnost pro atmosferický oxid uhličitý dýchání rostlin odlesňování fotosyntéza a dýchání v oceánech fotosyntéza akumulace v rostlinách dýchání lidí / zvířat Proto jsou zdroje limitujícím faktorem dalšího vývoje zemědělské soustavy a po dosažení jejich mezní hodnoty zůstávají rezervy jen v jejich vyšším využití. V historickém procesu vývoje biosféry organická hmota soustavně vstupovala do anorganického substrátu, kde zčásti mineralizovala, což vedlo k impulsu pro rychlejší nástup dalších rostlinných a v závislosti na tom i živočišných společenstev. Stále větší množství minerální hmoty vstupovalo do biologického oběhu a měnilo tak povahu celých krajinných prostorů. spalování fosilních paliv uvolňujících uhlík uhlík vstupuje do půdy v podobě organických látek uhlí ropa zemní plyn fosilní paliva blokují uhlík mimo uhlíkový koloběh usazující se mořské organismy uhlík ve fosiliích Cyklus uhlíku v přírodě (www.google.cz) PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 38 Metodický list č. 2 / Metodický list č. 3 Vazby v zemědělské soustavě – Zdroje a spotřebitelé uhlíku / Vyhodnocování meteorologických měření rostlinná společenstva a nebo jejich ztrátu vlivem proplavení. Problém lze řešit účelnou vnitřní strukturou ZS odstraněním deficitu organické hmoty v půdě pomocí uhlíkatých zdrojů – víceletých pícnin a pícnin drnového fondu. Podíl zemědělské půdy Plzeňském kraji činí 51 % z celkové plochy kraje a blíží se republikovému průměru. Ne všechna zemědělská půda je však v současnosti obhospodařována (0,26 % nevyužívané zem. půdy). • Zabezpečení přechodu biogenních prvků N, P, K, Ca, Mg a dalších z aktivních povrchů půdy na membrány rhizomů. Problém se dotýká bilance minerálních živin v zemědělské soustavě. Téměř všechno zrno, kromě toho, jež se vrací v podobě krmiv, odchází za hranice zemědělské soustavy. Podobně odcházejí i všechny okopaniny – cukrovka, brambory nebo průmyslové plodiny – len ap. Z okopanin se vrací pouze nadzemní část v podobě natě a chrástu. S odsunem hmoty těchto plodin odcházejí za hranice soustavy i všechny minerální živiny. Největší potenciál území pro zemědělskou činnost dosahuje krajina v okolí Kožlan (PS), Hromnice (PS), Úněšova (PS), Žihle (PS), Přeštic (PJ) a Stupna (RO). Na severním Plzeňsku se hospodaří na cca 191 tis. ha zemědělské půdy, z toho tvoří 82 % orná půda. Rozdělení zemědělské půdy na severním Plzeňsku: • Orná půda zaujímá 147 000 ha • Louky a pastviny 36 000 ha • Ovocné sady a zahrady 8 000 ha Kvalita zemědělské půdy se hodnotí tzv. bonitou (BPEJ – bonitovaná půdně – ekologická jednotka). Hodnota výnosnosti půdy je vyjádřena indexem v rozpětí bodové stupnice 6–100 bodů. Mezi intenzivně obhospodařovanou krajinu patří i Manětínsko a Nečtinsko. Metodický list č. 3 TÉMA: Vyhodnocování meteorologických měření Cíl: naučit žáky měřit a vyhodnocovat meteorologické údaje Základní pojmy: teplota vzduchu, tlak vzduchu, vlhkost vzduchu, množství srážek Doba trvání: 2 vyučovací hodiny K měření hodnot je využívána meteorologická stanice Oregon Scientific WMR 200. Stanice je umístěna v objektu Gymnázia SOŠ v Plasích, Školní 280. teplota °C 16 14 Žáci sledují denní hodnoty teploty vzduchu (vnitřní, vnější teplota), tlak vzduchu, vnitřní a vnější relativní vlhkosti vzduchu, rychlost větru a množství srážek. 12 Naměřené denní hodnoty slouží k sestavení grafů průměrných teplot a srážek za jednotlivé měsíce. Výsledné hodnoty slouží žákům k porovnání současných naměřených hodnot s naměřenými daty v letech 1961–2000 (archiv SOŠ Plasy). 6 Žáci mohou praktickým cvičením zjistit hodnoty průměrných teplot a denních srážek a v porovnání s předešlými lety vyvrátit či potvrdit možnost globálního oteplování (změny klimatu). 13,4 40 10 36,6 30 8 4 45 35 10,3 25 20 19,1 20,7 15 3,2 10 2 0 Závěr měsíční úhrn srážek v mm 50 5 březen duben květen měsíc 0 březen duben Ukázka měření průměrné měsíční teploty (levý graf) a průměrných srážek (pravý graf): objekt SOŠ Plasy, březen – květen 2011 květen měsíc PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 39 Metodický list č. 4 Skot a zemědělská soustava Metodický list č. 4 TÉMA: Skot a zemědělská soustava Cíl: pochopit souvislost mezi chovem skotu a pěstováním rostlin Základní pojmy: skot, mineralizace, humifikace, krmná norma Doba trvání: 1 vyučovací hodina + 1 praktická hodina Většina podniků založila svoji činnost na rozvoji rostlinné i živočišné výroby. Obě fáze jsou úzce propojeny a navzájem se prolínají. Využívají zpětných vazeb mezi výrobou krmiv a výrobou organické hmoty, jež rozhoduje o následné úrodnosti půdy. Chov skotu se do tohoto koloběhu hmot klasicky začleňuje. Krmná norma skotu Chov skotu je významný produkcí chlévského hnoje. Z hlediska zúrodňování půd má toto statkové hnojivo největší význam, neboť hnůj se v půdě uplatňuje dlouhodobě, zvláště přínosem organických látek, živin a mikrobů. Účinek organických látek se projevuje ve zlepšování fyzikálních vlastností u všech druhů půd, živiny obsažené převážně v organických vazbách se uvolňují s postupující humifikací a mineralizací. V méně příznivých klimatických a půdních podmínkách je z pohledu dosažení příznivých výrobních a ekonomických parametrů klíčové udržení stavů skotu. Standardní krmná norma (kn) objemných krmiv byla zjištěna analýzou zemědělských soustav hospodářsky vyspělých zemí v dlouhé časové řadě. Standardní krmná norma činí na 1 DJ beze ztrát 2,59 t na rok. • objem sušiny jednoletých pícnin činí v optimu 0,709 t.DJ-1. rok-1 • objem sušiny víceletých pícnin a luk činí 2,59 t.DJ-1.rok-1 Poměr mezi objemem sušiny jednoletých pícnin a sušiny víceletých pícnin a luk 0,709:2,59 odpovídá mezní hodnotě parametru η0. K tomuto množství musíme ještě připočítat ztráty způsobené konzervací a manipulací s krmivem a rezervu na kolísání výnosů. Minimální hodnoty hustoty skotu by v těchto oblastech měly být 0,8–1,0 dobytčí jednotka (DJ) na hektar zemědělské půdy. Chov skotu a v jeho rámci ekonomiky dvou finálních produktů, tj. mléka a jatečného skotu, je nutné posuzovat v rámci celého zemědělství. Zemědělská výroba představuje dialekticky uzavřený celek vzájemně propojených úseků výroby, jež nelze, až na výjimky (např. hydroponie), provozovat zcela samostatně. Hodnotíme-li určitý úsek, odvětví výroby, musíme si být vědomi, že jde o dílčí, tj. izolovaný, pohled v rámci celku. Vytržení z kontextu hospodaření celého podniku může někdy vést ke zkresleným závěrům. Mineralizace – 1. fáze, ve které dochází díky bakteriím, houbám, plísním, vodě, teplotě mrazu, apod. k rozkladu na jednoduché anorganické látky, např. H2O, CO2, H2S, NH4. Humifikace – 2. fáze, ve které dochází díky biologické aktivitě ke vzniku velmi složitých organických sloučenin, např. humusových kyselin. atmosférický dusík (N2) rostliny asimilace symbiotické bakterie vázající dusík (nitrogenní bakterie) u bobovitých rozkladači (amonizační bakterie a houby, aerobní a anaerobní) amonizace amonifikace nitratace nitritace amoniak (NH4+) volně žijící bakterie vázající dusík (amonizační bakterie) denitrifikační bakterie dusičnany (NO3-) nitratační bakterie dusitany (NO2-) nitritační bakterie Schéma cyklu dusíku (N2) (Zdroj: google.cz) nitrifikační bakterie PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 40 Metodický list č. 5 Sestavování osevních postupů Metodický list č. 5 TÉMA: Sestavování osevních postupů Cíl: naučit žáky sestavovat osevní postupy pro zemědělské podniky Základní pojmy: osevní postup, monokultura, rotace osevního postupu Doba trvání: 3 vyučovací hodiny + 1 praktická hodina Soustava střídání plodin Rozhodující úlohu převzal nový intenzifikační prvek – zařazení nových plodin – jetele, vojtěšky, cukrovky a brambor, které nastoupily do ZS jako hlavní plodiny. Osevní postupy byly zpravidla 6–9leté. Pravé osevní postupy se zdokonalovaly a vznikly nové varianty (belgický, norfolkský). Belgický osevní postup • 4honný: luskovina – ozim – okopanina – jařina Norfolkský osevní postup • 4honný: jetel – ozim – okopanina – jařina Tyto typy osevních postupů, v němž se plodiny střídají, se udržel doposud; po zrušení úhorového systému představoval další vysoce intenzifikační prvek v zemědělské soustavě. Vlivem návratu uhlíkatých hmot do půdy se rychle začaly zvyšovat výnosy ostatních plodin a tím se zlepšila i užitkovost hospodářských zvířat. Travní porosty umožňují: • velmi dobrou ochranu půdy proti všem druhům eroze • využití minerálních a animálních hnojiv • zadržení 80–90 % srážkové vody • řadu důležitých mimoprodukčních funkcí při tvorbě a ochraně krajiny a její biodiverzity • produkci pícní biomasy, jakožto zdroje hodnotných živin pro polygastrická zvířata a to jak organických, tak i minerálních • zdroj organických látek, které se po jejich transformaci polygastrickými zvířaty stávají jakožto animální hnojiva prekurzory humusu, který napomáhá ke zvyšování úrodnosti především orných půd, neboť travní porosty vykazují specifické požadavky na vlastní animální hnojení. Takto vlastně travní porosty nepřímo zlepšují podmínky pro produkční uplatnění jednotlivých plodin, pěstovaných na orné půdě. Zároveň však i zlepšují její mimoprodukční uplatnění, protože humus je jedním z nejúčinnějších sorbentů vůbec. Bohužel nízká úroveň obhospodařování a využití travních porostů je u nás již dlouhodobě jakousi samozřejmostí. Protikladem ke skutečnosti je charakteristika lučních porostů, zachycená v lidovém rčení, které říká, že: „Louky jsou matkou polí a jsou vděčné za každý krok, který jim hospodář věnuje“. (Klimeš 1997) Význam travních porostů V našich podmínkách představují travní porosty jedny z nejstabilnějších ekosystémů v zemědělské krajině. Osevní postup Význam a funkce osevních postupů v současné době Osevním postupem se rozumí způsob osevu orné půdy v prostoru a čase, tj. na jednotlivých polích i v jednotlivých letech. Je to stanovený pevný řád střídání plodin v jednotlivých letech na základě agrotechnických zásad – určení pořadí pěstování plodin časové a plošné. Osevní postupy jsou i v současnosti základním a nenahraditelným opatřením, které v podstatě nevyžaduje žádné investice, a které se kromě vlivu na stabilitu výnosu významnou měrou podílí na udržování a zvyšování úrodnosti půdy. Pravdou však je, že efekt dodržování zásad střídání plodin v rámci osevních postupů není okamžitě hmatatelný, jako je tomu např. u hnojení, resp. při ochraně rostlin proti škodlivým činitelům. Efekt osevního postupu se dostaví až po několika letech. PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 41 Metodický list č. 5 Sestavování osevních postupů Osevní postupy jsou nenahraditelné i s ohledem na zabezpečení ochrany životního prostředí. Správným střídáním plodin je možno do značné míry omezit znečišťování půdy škodlivými látkami (těžké kovy, pesticidy). Monokultura Monokultura – v prostorovém pojetí označení porostu, tvořeného rostlinami pouze jednoho druhu kulturní rostliny. Opakem monokultury jsou sdružené porosty (směsky, porosty s podsevy). Monokultura – v časovém pojetí je celosvětově nejvíce rozšířeno; v tomto smyslu znamená nepřetržité, opakované pěstování určité plodiny na témž poli po více let (nejméně 3 roky). V tomto směru je monokultura opakem střídání plodin. Příčiny přitažlivosti monokultury v moderním zemědělství Hlavním důvodem pro monokulturní pěstování je úsilí o specializaci: • monokultura umožňuje specializaci úplnou, tj. na jednu plodinu (např. řepka olejka) • snaha pěstovat objemné plodiny na polích co nejblíže skladovacím prostorům (např. u silážní kukuřice) K opakovanému až monokulturnímu pěstování kukuřice vede i časté používání triazinových herbicidů, zanechávajících po sobě rezidua, jež nejlépe snáší opět kukuřice. • triazinové herbicidy – nejpoužívanější neselektivní herbicidy, zvlášť účinná látka simazin • rezidua – zbytky pesticidu, které zůstávají v rostlinném materiálu Na množství těchto zbytků pesticidů na plodinách určených k výrobě potravin a následné konzumaci jsou stanoveny limity, které mají předcházet zdravotním rizikům. Plodiny, které nejsou určeny k přímé konzumaci spotřebitelem, mohou obsahovat vyšší obsah reziduí pesticidů (např. kukuřice, s podmínkou, že způsob zpracování zajistí snížení obsahu reziduí pesticidů v nich nebo na nich tak, aby nebyl překročen maximální limit. • monokulturním pěstování snižují výnos i při vysoké agrotechnice. • Zvýšené nebezpečí zaplevelení, rozvoje chorob a škůdců • Velmi špatný vliv na půdní strukturu a obsah humusu • Negativní vliv v protierozní ochraně půdy – zejména u okopanin • Při stejné úrovni agrotechniky je střídání plodin příznivější a jsou dosahovány vyšší výnosy Postup při řešení osevních postupů v zemědělském podniku • Základem je vypracovat optimální skladbu plodin, která by nejlépe zajišťovala výrobní úkoly v rostlinné výrobě a krmivovou základnu pro živočišnou výrobu. To vyžaduje rozbor výrobního zaměření podniku s ohledem na optimální využití půdy a s přihlédnutím k ekonomickým faktorům. • Hony jednotlivých osevních postupů mají mít přibližně stejnou velikost a nemají se více lišit v bonitě půdy. Při větších půdních rozdílech se sestaví dva i více osevních postupů. • Délka rotace osevního postupu závisí na skladbě plodin, počtu honů, speciálním zaměřením osevního postupu aj. Vždy je však lépe se vyhnout osevním postupům s dlouhou rotací. Analýza osevních postupů metodou uhlíkové bilance Při analýze: • využíváme zákonitosti dynamiky aktivního uhlíku během rotace osevního postupu • všímáme si zpětných kompenzačních vazeb v rotaci • snažíme se stanovit měřitelné příznaky, které by signalizovaly stupeň stability, trend vývoje soustavy a umožnily jeho kontrolu. Praktické vyjádření pak ukazuje na situaci, kdy soustava ztrácí stabilitu, nebo naopak, kdy soustava získává progresivní vývoj. Poznání uvedených zákonitostí má zvláštní význam pro koncepci osevních postupů a zabezpečení stability zemědělské soustavy množství slámy na povrchu půdy (t) 12 Strniště nižší než 10 cm Volná stébla nad 10 cm Volná stébla mezi 5–10 cm Volná stébla do 5 cm 10 8 Od roku 2008 jsou zaváděny nové formy jednotných limitů pro rezidua pesticidů v potravinách v rámci celé EU. Nové normy, které se týkají asi 1 100 pesticidů, mají zajistit bezpečnost potravin. 6 4 2 Důvody proti monokulturám • Rozdílná reakce jednotlivých plodin na monokulturní pěstování. Platí zde závislost – čím horší podmínky, tím výraznější negativní vliv. Některé plodiny při 0 strniště jedna hluboká podmítka Množství slámy na povrchu půdy dvě mělké podmítky druhé drcení + dvě mělké podmítky PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 42 Metodický list č. 6 Zařazování zeleného hnojení do osevního postupu Metodický list č. 6 TÉMA: Zařazování zeleného hnojení do osevního postupu Cíl: Naučit žáky zařazovat zelené hnojení do osevního postupu Základní pojmy: zelené hnojení, humus Doba trvání: 1 vyučovací hodiny + 1 praktická hodina Zelené hnojení (ZH) • hnojení zelenými rostlinami • po vypěstování se rostliny zapraví orbou do půdy Ekologický význam zeleného hnojení • univerzální hnojivo, kterým můžeme do půdy dodat snadno rozložitelnou organickou hmotu ze které vzniká kvalitní humus (ZH nahrazuje nedostatek hnoje a kejdy) • částečně odstraňuje potíže vyplývající z nesprávného střídání plodin (bilance uhlíku) • zeleným hnojením je možné hnojit všechny druhy půd (je žádoucí nejen při ekologickém způsobu hospodaření) • má vliv na biologickou činnost půdy • zabraňuje vyplavování živin a přemisťuje živiny ze spodních vrstev do ornice • při použití bobovitých rostlin na ZH je půda obohacována o 50–150 kg N/ha • umožňuje lepší rozklad a využití slámy • chrání půdu před vodní i větrnou erozí (rovné pozemky, svažité pozemky, mulč z vymrzající meziplodiny) • omezuje růst a rozmnožování plevelů Co pěstovat na zelené hnojení? V praxi se nejčastěji používá hořčice bílá nebo svazenka vratičolistá, které jsou schopny za krátkou dobu vytvořit velké množství organické hmoty Hořčice rolní Jetel plazivý Dále je vhodné na ZH pěstovat jeteloviny a luskoviny, protože tvoří nejen velké množství organické hmoty, ale zároveň fixují vzdušný dusík (jetel bílý, vikev setá, komonice bílá, peluška,…). Způsoby pěstování zeleného hnojení Jako hlavní plodinu (čistá kultura nebo směska) Při tomto způsobu ZH sejeme na jaře a zaoráváme v létě v době vytvoření největšího množství zelené hmoty. Tento způsob není rentabilní, používá se pouze na vyčerpaných půdách např. při rekultivaci skládek nebo dolů. Jako meziplodinu • podsevová meziplodina • vysévá se na jaře spolu s hlavní plodinou (např. podsev bílého jetele do jarní obiloviny • po sklizni obiloviny se jetel ještě na podzim téhož roku zaorá) • strnisková meziplodina • vysévá se po sklizni hlavní plodiny • většinou po podmítce např. rozmetadlem prům. hnojiv (hořčice, svazenka) • je možné využít i letecké setí 14 dnů před sklizní hlavní plodiny (využití vláhy v porostu hlavní plodiny – snažší vzcházení) POZOR! Svazenka vratičolistá • před zaoráním ZH je vhodné porost uválet • ZH se před zaoráním nedrtí! • používá se pluh s předradličkou (zelená hmota se dostane na dno brázdy) PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 43 Metodický list č. 7 Bioplynové stanice Metodický list č. 7 TÉMA: Bioplynové stanice Cíl: seznámit žáky s funkcí bioplynové stanice Základní pojmy: bioplynová stanice, princip bioplynové stanice Doba trvání: 1 vyučovací hodina + 1 praktická hodina Bioplynové stanice • bioplynové stanice slouží k produkci bioplynu • bioplyn zde vzniká anaerobní fermentací biomasy • v bioplynových stanicích zemědělských podniků se jako základní substrát používá kejda nebo hnůj a energetické plodiny, především silážní kukuřice • vznikající bioplyn se zpracovává ve speciální elektrárně – jeho spalováním pomocí spalovacích motorů se vyrábí elektrická energie • vedlejším produktem při výrobě bioplynu je digestát Digestát – zbytek po fermentačním procesu, vznikající anaerobní fermentací při výrobě bioplynu v bioplynových stanicích („BPS“) Separát – oddělená tuhá část z digestátu Fugát – oddělená kapalná část z digestátu Bioplynová stanice – fermentor Fermentace Ve srovnání s klasickými statkovými hnojivy má digestát vzhledem k použitým surovinám poměrně vysoký celkový obsah dusíku (0,2 ale až i 1 % ve hmotě), vyšší pH (7–8), nižší obsah uhlíku a sušina se pohybuje v rozmezí od 2–13 %. Při průměrném obsahu 0,5 % celkového dusíku v digestátu se dodá při dávce 1 t (1 m3) digestátu 5 kg dusíku na ha. Výhody bioplynových stanic • obnovitelný přírodní zdroj (šetří fosilní paliva, snižuje emise oxidu uhličitého) • využívání dosud nevyužívaných plodin (meziplodiny, posklizňové zbytky) • větší množství energie získané na jednotku plochy (oproti bionaftě) • necentralizovaná výroba elektrické energie snižuje délku transportu ke spotřebiteli • bioplynem je možno nahradit zemní plyn Nevýhody bioplynových stanic Bioplynová stanice Aplikace digestátu má výrazně pozitivní vliv na úrodnost půdy a je jedním z důvodů, proč budování BPS posiluje udržitelnost zemědělství a venkova • negativní vliv na životní prostředí díky intenzivnímu zemědělství (monokultury, rezidua) • možný nedostatek ploch pro výrobu potravin při velkém zastoupení energetických plodin • nebezpečí výbuchu bioplynové stanice PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 44 Metodický list č. 8 Bionafta Metodický list č. 8 TÉMA: Bionafta Cíl: seznámit žáky s procesem výroby bionafty Základní pojmy: Doba trvání: 1 vyučovací hodina + 1 praktická hodina • Čistá bionafta není toxická, je biologicky odbouratelná a neobsahuje žádné aromatické látky ani síru. • Bionafta nezpůsobuje ve vodě mikrobiologické zatížení až do koncentrace 10 mg/l a je pro ryby neškodná. Testy na Univerzitě v Idaho prokázaly, že ve vodním roztoku je po 28 dnech degradováno 95 % bionafty oproti pouhým 40 % motorové nafty. • Má vysokou mazací schopnost (je mastnější než motorová nafta), a tím snižuje opotřebení motoru a prodlužuje životnost vstřikovacích jednotek. Mazací schopnost nafty je zvláště důležitá pro rotační vstřikovací čerpadla, kde jsou veškeré jeho pohyblivé části mazány naftou a ne mazacím olejem. • Nevyžaduje žádné zvláštní podmínky pro uskladnění. Lze ji skladovat ve stejných zásobnících jako motorovou naftu, kromě betonových zásobníků. • Hlavní výhodou je že je vyráběna z obnovitelných zdrojů. Bionafta (FAME – fatty acid methyl ester) je ekologické palivo pro vznětové motory na bázi metylesterů nenasycených mastných kyselin rostlinného původu. Vyrábí se rafinačním procesem zvaným transesterifikace. Může být používána jako palivo bez jakékoliv úpravy v motoru (dieselu). Význam a spotřeba bionafty v Evropské unii neustálé stoupá. V dnešní době musí výrobci povinně přimíchat 5 % bionafty do nafty vyrobené z ropy. Většina výrobců vozidel vydává seznamy aut, které mohou jezdit na stoprocentní bionaftu. Ve Velké Británii mnoho automobilek dává záruku pouze na motory, v nichž se spaluje maximálně 5 % bionafty ve směsi s 95 % klasické nafty – přestože se tento postoj považuje za přehnaně opatrný. Peugeot a Citroen jsou výjimky, protože nedávno oznámili, že v jejich HDI motorech se může spalovat směs s 30 % bionafty. Další výjimky jsou Scania a Volkswagen, jejichž motory mohou využívat stoprocentní bionaftu. Na trhu v České republice je možné se setkat se směsnou motorovou naftou (řidčeji též SMN nebo Eko diesel), která obsahuje 31 % biosložky a 69 % klasické fosilní motorové nafty. Výhody bionafty • Při spalovacím procesu lépe shoří, a tím výrazně snižuje kouřivost naftového motoru, emise polétavého prachu, síry, oxidu uhličitého, aromatických látek a uhlovodíků vůbec. Nevýhody bionafty • Jednou z hlavních nevýhod je energetická náročnost celého výrobního procesu. • Bionafta je silnější rozpouštědlo než standardní nafta, a tak rozrušuje usazeniny v palivovém potrubí, čímž se mohou ucpat vstřikovací ventily. Z tohoto důvodu výrobci aut doporučují vyměnit palivový filtr několik měsíců po přechodu na spalování bionafty. • Při vyšším poměru smíchání s motorovou naftou může bionafta poškodit přírodní kaučuk a materiály z polyuretanové pěny. PĚSTOVÁNÍ ROSTLIN 45 Metodický list č. 8 / Zdroje Bionafta • Další nevýhodou je, že při kontaktu s větším množstvím vody vznikají z bionafty mastné kyseliny, které mohou způsobit korozi palivového systému. Suroviny pro výrobu bionafty Rostlinné oleje Běžné Řepkový Slunečnicový Palmový Sojový Exotické Z exotických druhů rostlin Odpadní Použité fritovací oleje Ročně v EU 400 tis. tun Výroba bionafty Živočišné tuky Zdroje • • • • www.wikipedia.cz www.enviport.cz www.biom.cz www.mze.cz • • • • www.chmi.cz www.banap.org www.fortexbioplyn.cz www.plzensky-kraj.cz 46 47 © 2011 ENVIC, o.s. Environmentálně šetrný zemědělský provoz Zpracování: DDM RADOVÁNEK Kaznějov ve spolupráci s Gymnáziem a Střední odbornou školou v Plasích Učební texty: Ing. Petr Buchtelík, Ing. Petr Svoboda, Jaroslava Šustová Grafická úprava: Hana Lehmannová Tisk: Dragon Press s.r.o.
Podobné dokumenty
stáhnout pdf
Lidská společnost spotřebovává stále více energie. Vzhledem k tomu, ţe
většina zdrojů pochází ze skupiny neobnovitelných, je potřeba hledat vhodnou
alternativu.
Pokrýt celou spotřebu lidské společn...
Diferenciální diagnostika dysfunkcí předžaludku a nemocí slezu u
Příčina: všechny stavy vedoucí ke vzniku energetického deficitu, nedostatku
propionátu, snížení glukoneogeneze a zvýšení ketogeneze
leaflet - Dům umění města Brna
času na fotografiích objevovat opakující se situace
a souvislosti, ve kterých se vraky nacházely. Zároveň jsem vypozoroval vlastní fotografické postupy
a způsob uvažování ve vztahu k vrakům. A kone...
o životě českých dojnic
systém, kde je kotec, ve kterém jsou krávy chovány ve skupině, rozdělen na krmiště (příp. hnojné chodby) a
lehárnu s lehacími boxy, které mohou být stlané slámou; někdy dojnice leží na plastových m...
Vybrané základní pojmy užívané v ekologii
ekologický indikátor – fyzikální jev, chemická látka i živý organismus (bioindikátor) jehož
přítomnost, změna stavu nebo množství svědčí o změně vlastností okolního prostředí.
ekologická stopa – vy...
suchá fermentace
s diskontinuálním vsádkovým systémem
(batch), které slouží k výrobě elektrické
energie z odpadů. První bioplynová stanice
BEKON byla připojena do sítě v roce 2003
a je od té doby úspěšně v prov...