Spinazie is een belangrijke diepvriesgroente voor de industriële verwerking en wordt regionaal geteeld in België. Elk jaar worden er partijen spinazie niet geoogst omdat ze de norm van cadmium in spinazie lichtjes oveschrijden. Dit betekent een groot economisch verlies voor landbouwers en industrie en is een belangrijke bron van voedselverspilling. Innovatieve oplossingen met plant-geassocieerde micro-organismen voor het verminderen van plantenstress en verhoging van de gewasopbrengst kennen een sterk toegenomen interesse.
Agrifoodsystemen onder druk
In een wereld waar de bevolking naar verwachting zal groeien tot 9,7 miljard tegen 2050 en tegelijkertijd de bedreigingen van klimaatverandering toenemen, staan agrifoodsystemen voor immense uitdagingen. De industrialisering heeft daarbij ook geleid tot historische verontreiniging van landbouwgronden met zware metalen. Dit brengt ernstige problemen met zich mee voor o.a. groenteverwerkende bedrijven, aangezien gewassen onder stress meer zware metalen kunnen opnemen .
Uitdagingen voor de groenteverwerkende industrie
De groenteverwerkende sector in Vlaanderen speelt een cruciale rol in de landbouwindustrie. In 2021 was de totale productiewaarde van de Vlaamse landbouw- en tuinbouwsector ongeveer 6,3 miljard euro, waarvan 940 miljoen euro afkomstig van de groentesector. Binnen deze sector neemt de productie van spinazie een belangrijke plaats in. In 2022 werd er 1.120 hectare spinazie verbouwd, met name door diepvriesgroentenbedrijven die grote hoeveelheden spinazie tot diepvriesproducten verwerken (www.vlaanderen.be) (Factcheck Vlaanderen). Echter wordt de groenteverwerkende industrie en met name ook de spinazie-industrie, geconfronteerd met de uitdagingen van bodemverontreiniging. Jaarlijks kan een bedrijf gemiddeld 10% van zijn teeltgebied niet oogsten en verwerken vanwege de aanwezigheid van cadmium dat lichtjes de voedselveiligheidsnorm van 0.2 mg/kg vers gewicht overschrijdt. Deze verontreiniging resulteert in aanzienlijke schade, waarvan voedselverspilling en financiële verliezen het gevolg zijn. Deze situatie onderstreept de urgentie om de veiligheid en duurzaamheid van voedselproductie te waarborgen.
Spinazie en Popeye
Spinazie, een veel geconsumeerde bladgroente, heeft een goede nutritionele waarde vanwege belangrijke voedingsstoffen zoals ijzer, vitamines A, C, K, foliumzuur en magnesium. Maar spinazie is ook gevoelig voor de opname van andere niet-essentiële sporenelementen zoals cadmium. De opname van cadmium door spinazie is afhankelijk van de bodem waarin wordt geteeld, gecombineerd met de stresscondities die de plant ondervindt tijdens de groei, wat kan leiden tot hogere cadmiumgehaltes in de plant.
Popeye is een coöperatief onderzoeksproject (type ICON) waarbij UHasselt, samen met drie bedrijven (Globachem, Ardo en J.T. Mineralen), onderzocht hoe innovatieve oplossingen met plant-geassocieerde micro-organismen of via minerale bodemadditieven de opname van cadmium door de plant kunnen verminderen.
Wat zijn dat, endofyten?
Endofyten zijn micro-organismen, zoals bacteriën en schimmels, die in plantweefsels leven zonder schade te veroorzaken. Ze zijn belangrijk omdat ze stressbestendigheid en plantengroei bevorderen, en ze spelen een cruciale rol in de nutriëntenkringloop en ook in de opname van zware metalen.
In het Popeye-project werden uitgebreide analyses uitgevoerd van de plant, bodem en weersvariabelen. Er werden innovatieve toepassingen o.a. met zaad-endofyten onderzocht om de plant weerbaarder te maken tegen stress wat kan helpen bij het verminderen van cadmiumopname in spinazie.
Resultaten van de Popeye-studie
Fascinerende inzichten in het genetisch potentieel van endofyten
In de Popeye-studie werden 40 veelbelovende bacterie-endofyten, waaronder Bacilli, Pseudomonas, Rhizobia, en Microbacterium, gescreend op hun groeibevorderende eigenschappen. Deze stammen werden geselecteerd uit metaalverontreinigde gronden. Deze eigenschappen omvatten de productie van sideroforen, die de opname van ijzer verbeteren, auxine, een hormoon dat de wortelgroei stimuleert, en bacteriën die ethyleen afbreken (stresshormoon). Van de tien meest veelbelovende stammen werd het volledig genoom gesequenced en ontleed. Bacteriestammen UH255 en UH256 bevatten verschillende genen die betrokken zijn bij de resistentie tegen cadmium, met een focus op efflux- en transportmechanismen. Beide soorten zijn dus uitgerust om cadmium uit hun systemen te verwijderen, wat niet enkel hunzelf maar ook hun gastheer/plant kan helpen tegen stress van zware metalen
Endofyt x plant-behandelingen in potproeven
De beste endofyten werden als innovatieve zaadbehandeling toegepast om te onderzoeken of ze de opname van Cadmium kunnen verminderen en de plantengroei verbeteren (Figuur 1). De meeste bacteriestammen zorgden voor een significante toename van biomassa, variërend van 80% tot 127%. De hoogste toename in biomassa werd waargenomen bij Bacillus UH266 (127%) en Bacillus UH252 (127%). Reductie in Cadmium-Concentratie ten opzichte van de controle varieerde sterk tussen de bacteriestammen, van -3% tot -54%. De grootste reductie van Cadmium-concentratie werd waargenomen bij Bacillus UH240 (-54%) en Bacillus UH066 (-52%). Dus in potproeven zijn heel wat bacterie-behandelingen doeltreffend in het verhogen van de biomassa terwijl ze de cadmiumconcentratie verminderen.
Figuur 1: Endofyt zaadcoating-behandelingen die een verhoogde biomassa en verminderde cadmiumopname induceren. De groene balken tonen de procentuele toename in biomassa ten opzichte van de controle (100%). De oranje balken tonen de procentuele reductie in cadmiumconcentratie ten opzichte van de controle (0%) voor verschillende bacterie-behandelingen, aangeduid met UH-codes.
Endofyt x plant-behandelingen in het veld
Figuur 2: Resultaten 20 m2 proefplots (herfst 2021, links) en volle veld toepassing (herfst 2022, rechts). De rode lijn geeft de Cadmium-norm weer in de plant nl. 0.20 mg Cadmium per kg vers gewicht.
Wanneer de endofyten als zaadcoating in het veld werden toegepast, konden we nog geen significante verschillen opmeten tov. de niet-behandelde controles. In het najaar van 2021 met regelmatige regenval en zonneschijn was er nergens overschrijding van de Cadmium-norm in spinazie (Figuur 2, links), terwijl in het najaar 2022 na veel droogteperiodes er voor alle condities overschrijding van de Cadmium-norm was in spinazie (Figuur 2, rechts). De variabelen zoals het weer, gevoeligheid van de bodem aan uitdroging, (afhankelijk van organisch koolstofgehalte, textuur), spelen een belangrijke rol in het voorspellen van de cadmiumopname. We vonden o.a. een negatieve correlatie tussen organisch koolstofgehalte in de bodem en extraheerbare cadmium, waarbij hogere organische koolstofgehalten correleerden met lagere extraheerbare cadmiumconcentraties. Organische stof kan zich binden aan metalen in de bodem, waardoor hun beschikbaarheid voor opname door planten afneemt. We vonden ook een negatieve correlatie met pH-waardes onder 6.5, waarbij Cadmium meer biobeschikbaar wordt. Tack (2017) vond dat het bewateringsregime een aanzienlijke invloed had op de cadmiumconcentraties in spinazie. De studie toonde aan dat het verstrekken van een beperktere watervoorziening tijdens periodes van hoge vraag leidde tot hogere opgehoopte cadmiumconcentraties in de spinazieplanten in vergelijking met behandelingen met meer consistente bewatering. Dit geeft aan dat het bewateringsregime een cruciale rol speelt bij het bepalen van de cadmiumopname door spinazieplanten, en dat we dit aspect in vervolgstudies zeker verder moeten onderzoeken/optimaliseren samen met de endofyten zaadcoatings.
Besluit
Het is duidelijk dat endofyten potentieel hebben om plantengroei te verbeteren, de biomassa te verhogen en dus het teeltrendement te verbeteren en Cadmium-opname te verminderen, maar we moeten nog manieren vinden om de vertaalslag van pot naar veld te maken. We hebben nog niet volledig opgehelderd hoe de geïnoculeerde endofyten, en bij uitbreiding het volledige microbioom kan bijdragen aan het verminderen van zware metalen opname uit de bodem. De multifactors in het veld onderlijnen de complexiteit van het proces en benadrukken de noodzaak van verder interdisciplinair onderzoek.
Bron
Tack, F.M.G. (2017). Watering regime influences Cadmium concentrations in cultivated spinach. Journal of Environmental Management 186: 201-206. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.05.056
Nuttige link
Auteur
Sofie Thijs, UHasselt
