Od dawna wspomina się o tym jak ważne jest włączenie do naszej diety warzyw i owoców. Niestety przez doniesienia na temat znacznych ilości szkodliwych związków, które są wykorzystywane w ich uprawie wielu ludzi nie chciało ich systematycznie jeść. Jak widzimy odpowiednie obostrzenia sprawiły, że jakość tych produktów jest w porządku, dzięki czemu konsumenci mogą po nie sięgać. Coraz więcej na rynku pojawia się warzyw i owoców, które pochodzą z upraw ekologicznych, w których stosuje się minimalną ilość środków ochrony roślin. Dobrą wiadomością jest to, że stają się one coraz bardziej przystępne cenowo, co z pewnością sprawia, że chętniej są wybierane przez konsumentów.

Obawy dotyczące bezpieczeństwa stosowania DDT (dichlorodifenylotrichloroetan) spowodowały wycofanie tego środka powszechnie używanego w ochronie roślin w latach 80. XX w. Obecnie związek ten podejrzewany jest o zaburzanie gospodarki hormonalnej, a być może także o wywoływanie chorób nowotworowych. Od 2005 roku obowiązuje również zakaz produkcji i stosowania bromku metylu z wyjątkiem szczególnych sytuacji typu kwarantanna, zgodnie z zaleceniami tzw. Protokołu Montrealskiego, w których są zawarte zalecenia ograniczenia produkcji i wykorzystania związków mających wpływ na niszczenie stratosferycznej warstwy ozonowej. Pestycyd ten był wykorzystywany w rolnictwie do niszczenia obecnych w ziemi nicieni i grzybów, ochrony upraw zbóż, kawy, kakao, tytoniu, a także do zwalczania owadów w spichlerzach, podczas przechowywania oraz transportu. Jednak okazało się, że bromek metylu ma szkodliwe działanie na organizm ludzki. Przy zwiększonym poziomie narażenia powoduje wymioty, drgawki, utratę przytomności, zaburzenia widzenia i mowy, uszkodzenie nerek, a nawet śmierć w wyniku porażenia układu oddechowego. Stwierdzono także jego niekorzystne działanie na uprawy, bowiem obniża siłę kiełkowania nasion, ma wpływ na powstawanie uszkodzeń owoców, warzyw i roślin ozdobnych. W przypadku żywności ujemnie wpływa na jakość przechowywanych produktów, m.in. prowadzi do zmniejszenia zawartości witamin, obniża wartość wypiekową mąki, zmienia jej smak i zapach. Inny powszechnie stosowany związek - izotiocyjanian metylu - jest półproduktem w otrzymywaniu pestycydów z grupy karbaminianów, ale może też być stosowany samodzielnie. Skutecznie zwalcza wiele szkodników, grzybów, insektów powodujących straty i choroby upraw roślinnych. Jest to związek silnie toksyczny, powodujący u ludzi zaburzenia oddychania, krwotoki i śmierć, dlatego jego stosowanie ze względu na możliwość przedostania się do żywności uznano za wyjątkowo groźny i wycofano go z użytku, niedawno także w Polsce. Pestycydy są na ogół związkami trwałymi, a produkty ich rozpadu czasem mogą być bardziej szkodliwe i trwalsze niż wyjściowy związek, dlatego odchodzi się od stosowania pestycydów trwałych na rzecz związków o krótkim czasie rozpadu, bez tendencji do biokumulacji. Poszukuje się też naturalnych metod ochrony roślin, które byłyby skuteczne, ale i bezpieczne w stosowaniu. Ich rozpowszechnienie powinno przyczynić się do zmniejszenia zużycia syntetycznych pestycydów, a tym samym przyniosłoby korzyści zdrowotne i ekologiczne. Jednym z alternatywnych sposobów ochrony roślin jest biofumigacja. Fumigacja to sposób zwalczania szkodników i patogenów za pomocą trujących substancji stosowanych w postaci gazów i dymów (fumigantów). Ze względu na ochronę środowiska odchodzi się od używania syntetycznych fumigantów na rzecz ich naturalnych odpowiedników. To bardziej ekologiczne podejście nazywane jest biofumigacją. Polega ona na wykorzystaniu związków o działaniu antybiologicznym, naturalnie występujących w roślinach. Substancje te nie tylko niszczą niepożądane grzyby, bakterie i inne szkodniki, ale również korzystnie wpływają na biologiczną jakość gleby, a przede wszystkim są bezpieczne w stosowaniu. W biofumigacji głównie wykorzystywane są zarówno rośliny z rodziny kapustowatych (Brassicaceae), do których należą liczne rośliny uprawne: warzywa (kapusta, rzodkiew, rzepa, brukiew, kalafior), rośliny oleiste (rzepak, rzepik, lnianka, gorczyca), jak również rośliny ozdobne (np. lewkonia) i zielarskie (rukiew, tasznik). Rośliny z rodziny kapustowatych zawdzięczają swoje biobójcze działanie obecności glukozynolanów i enzymu mirozynazy. W nienaruszonej komórce tkanki roślinnej glukozynolany są oddzielone od enzymu, który znajduje się w tzw. komórkach mirozynowych. Gdy komórka roślinna zostanie uszkodzona, mechanicznie lub w wyniku ataku roślinożerców, dochodzi do kontaktu mirozynazy z glukozynolanami. Wówczas uwalniane zostają produkty ich hydrolizy o właściwościach biobójczych, takie jak izotiocyjaninany, nitryle, tiocyjaniany i epitionitryle. W ten naturalny sposób zaatakowane rośliny bronią się przed szkodnikami. Termin biofumigacja jest także stosowany w przypadku wykorzystania przeciwko patogenom lotnych związków syntetyzowanych przez pewne mikroorganizmy. Wyniki badań informują o skuteczności niektórych metabolitów wytwarzanych przez grzyba Muscodor albus w hamowaniu wzrostu grzybów Phytophthora erythroseptica, Sclerotinia sclerotiorum, Botrytis cinerea, Penicillium expansum, P. digitatum, Geotrichum citriaurantii oraz bakterii Erwinia carotovora pv. carotovora, Pseudomonas fluorescens, Escherichia coli, Listeria innocu, mikroorganizmów przyczyniających się do rozkładu warzyw i owoców podczas przechowywania. Grzyb M. albus syntetyzuje alkohole, estry, ketony, kwasy (m.in. kwas izomasłowy i izobutanol), które są toksyczne dla patogenów i dzięki temu może być wykorzystany w ochronie płodów rolnych. Wyniki badań prowadzonych w innym ośrodku dowodzą skuteczności M. albus w walce z larwami szkodników Phthorimaea operculella niszczących uprawy ziemniaków. Wyniki badań dowodzą, że nie tylko rodzina kapustowatych, ale także inne rośliny, np. papryka (Capsicum annum), jako przedstawiciel rodziny psiankowatych (Solanaceae), wykazuje właściwości biofumiganta. Stosując eksperymentalną mieszankę papryki i odchodów zwierzęcych podczas uprawy pomidorów, zaobserwowano znaczny spadek populacji nicieni M. incognita (nawet 98% śmiertelności). Jednak to właśnie rośliny z rodziny kapustowatych stanowią główny obiekt zainteresowania naukowców poszukujących naturalnych pestycydów na potrzeby biofumigacji. Wykorzystanie glukozynolanów w ochronie roślin ma bowiem wiele wymiernych zalet: - bezpieczeństwo stosowania, - dostępność i mały koszt stosowania biofumigantów, - przypadkowe przedostanie się produktów hydrolizy glukozynolanów do żywności, w przeciwieństwie do syntetycznych pestycydów, nie tylko nie stanowi zagrożenia, ale dzięki prozdrowotnym właściwościom mogą one pozytywnie oddziaływać na zdrowie człowieka, - możliwość biodegradacji przy jednoczesnym wykorzystaniu jako źródła łatwo przyswajalnego węgla i azotu dla upraw, - do korzyści środowiskowych można też zaliczyć zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery w wyniku ograniczenia produkcji syntetycznych pestycydów. Biofumiganty nie są jedynym typem naturalnych pestycydów. Obecnie podejmuje się próby wykorzystania innych związków roślinnych i mikrobiologicznych w zwalczaniu szkodników o znaczeniu rolniczym. Antyfidanty to substancje częściowo lub całkowicie hamujące żerowanie owadów. Jako związki naturalne pochodzenia roślinnego są biodegradowalne, a ponadto są aktywne tylko wobec wąskiej grupy owadów. Oddziałują na ich narządy smaku, powodując zaprzestanie żerowania na chronionych roślinach i w efekcie śmierć głodową. Jako przykłady antyfidantów można wymienić: demisynę, solaninę oraz tomatynę, glikozydy wyizolowane z roślin z rodziny psiankowatych. Stosunkowo uniwersalnym antyfidantem jest acetoanilid dimetylotriazenowy, chroniący między innymi kapustę przed gąsienicami bielinka rzepnika (Pieris rapae). Związki pochodzenia naturalnego, zwalczające insekty, są określane mianem bioinsektycydów. Owadobójcze działanie mogą wywoływać pojedyncze związki zawarte w roślinach, jednak najczęściej są to kompozycje związków, takich jak: alkaloidy, niebiałkowe aminokwasy, steroidy, fenole, flawonoidy, glikozydy, chinony, terpenoidy i garbniki. Zazwyczaj działanie bioinsektycydów jest wolniejsze niż syntetycznych pestycydów, a cena znacznie wyższa. Ponadto niektóre z nich mogą wywoływać reakcje alergiczne lub toksyczne u zwierząt i ludzi. Odmiennym sposobem biologicznej ochrony roślin jest zastosowanie insektycydów pochodzenia drobnoustrojowego. W Hiszpanii używa się preparatu sporządzonego z grzyba Paecilomyces fumosoroseus do zwalczania jaj, larw i dorosłych mączników, występujących np. na pomidorach w szklarniach. W ochronie roślin wykorzystuje się także Gram-dodatnią bakterię Bacillus thuringiensis, powszechnie występującą w glebie. Jest ona uważana za bezpieczną dla ludzi, zwierząt i mikroorganizmów niespecyficznych. Dzięki wąskiemu spektrum działania Bacillus thuringiensis nie zagraża pożytecznym drobnoustrojom, a czasem nawet wspomaga ich działanie. Wykorzystywana jest do zwalczania głównie szkodników żywiących się liściami, m.in. nicieni, bakterii Helicoverpa zea. Niektóre szczepy (Bt. israelensis) działają też przeciwko komarom i meszkom. Bakteria Bacillus thuringiensis syntetyzuje białko, tzw. toksynę krystaliczną Bt, która w środowisku zasadowym przewodu pokarmowego owada łączy się ze specyficznymi receptorami i powoduje powstawanie porów w błonie, co prowadzi do śmierci szkodnika. Bardzo skuteczny insektycyd uzyskano z toksyn bakterii Photorhabdus luminiscens, o działaniu podobnym jak preparaty na bazie Bt. Mogą być one stosowane wymiennie w celu uniknięcia tworzenia się odpornych odmian szkodników. Preparaty zawierające komórki Bacillus thuringiensis mogą być stosowane w formie płynnej lub jako granulat. Niestety ich działanie jest krótkotrwałe, po aplikacji bakterie utrzymują się tylko około tygodnia na powierzchni roślin. Ponadto, aby bakterie Bacillus thuringiensis mogły działać efektywnie, ich komórki muszą zostać zjedzone przez szkodniki, a to ogranicza zakres działania tylko do tych szkodników, które żywią się liśćmi. Problemy te udało się rozwiązać, wprowadzając do roślin bakteryjne geny odpowiedzialne za syntezę toksyny Bt. Zastosowanie genetycznej modyfikacji roślin umożliwia powstawanie białek szkodliwych dla pasożytów wewnątrz rośliny. Dotychczas odkryto ponad 100 genów kodujących toksyczne białka, co pozwala na specyficzne wykorzystywanie ich w zwalczaniu tylko konkretnych gatunków szkodników. Jednak genetycznie modyfikowane rośliny wywołują wiele kontrowersji dotyczących bezpieczeństwa ich stosowania. Takich zastrzeżeń nie budzi wykorzystanie roślin z rodziny Brassicaceae jako naturalnych biofumigantów. Nie ma tu ryzyka wprowadzenia obcych genów do środowiska i powstawania niekontrolowanych mutacji, a to właśnie jest źródłem obaw związanych ze stosowaniem organizmów modyfikowanych genetycznie. Uprawianie kapusty naprzemiennie z innymi warzywami było już dawniej stosowane w celu poprawy jakości gleby i zwiększenia wydajności zbiorów. Aspekty ekologiczne i bezpieczeństwo stosowania powodują, że biofumigacja ma szansę stać się technologią preferowaną w zrównoważonym rolnictwie. Aby w pełni zrozumieć zjawisko biofumigacji, należy dokładnie poznać wszystkie czynniki biorące udział w tym procesie, m.in. glukozynolany jako związki wyjściowe, mirozynazę, dzięki której możliwa jest hydroliza i powstające substancje o właściwościach antybiologicznych. Naturalne właściwości biobójcze roślin z rodziny kapustowatych mogą być potencjalnie wykorzystane w ochronie upraw na większą skalę, dlatego w wielu ośrodkach naukowych prowadzone są szeroko zakrojone badania nad biofumigacją. Proponowane jest stosowanie preparatów otrzymanych z wybranych roślin przez ich wysuszenie i sproszkowanie. W jednym z doświadczeń wykorzystano odtłuszczoną mączkę z gorczycy etiopskiej (B. carinata), zawierającą glukozynolany, głównie synigrynę (98%), oraz odpowiednią ilość mirozynazy. Mączkę ręcznie rozprowadzono po polu, a następnie zwilżono na 6 dni przed zasadzeniem cukini. Efektem działania tego preparatu była poprawa jakości badanej gleby i zwiększenie plonu cukini o 14% w porównaniu z plonem uzyskanym z uprawy, w której wykorzystano syntetyczny preparat ochronny. Dodatkowo uzyskano wyraźne zahamowanie rozwoju szkodników Meloidogyne incognita. Innym sposobem wprowadzenia glukozynolanów do gleby jest zasadzenie rośliny z rodziny Brassicaceae na chronionym polu przed uprawą właściwych warzyw. Ze względu na duże spożycie ziemniaków na świecie ochrona upraw tej rośliny jest szczególnie ważna. Obserwacje doświadczalnej uprawy ziemniaków w stanie Maine (USA) mogą być podstawą do stwierdzenia, że przed chorobami bulwy najlepiej chroniła gorczyca, a przed atakiem grzybów Rhizpous - rzepak. Rośliny te zasadzono w lipcu i po miesiącu zaorano jako nawóz naturalny, a wiosną następnego roku na tym samym polu posadzono ziemniaki i zbadano ochronny wpływ poprzedniej uprawy roślin z rodziny kapustowatych na jakość plonu . Natomiast wyniki innych badań nad ochroną ziemniaków przed mątwikami Globodera rostochiensis za pomocą ekstraktów z roślin Brassicaeae pokazują, że najskuteczniejsze w hamowaniu rozwoju tych nicieni są rzeżucha, kalafior i kapusta (B. rapa). Wyniki licznych badań dowiodły zależności pomiędzy ilością glukozynolanów w roślinach od warunków prowadzenia uprawy. Jest to wiedza, którą można wykorzystać w kontrolowanym zwiększaniu zawartości tych związków w roślinach stosowanych w biofumigacji. Ważnym czynnikiem decydującym o zawartości glukozynolanów w roślinie jest żyzność gleby. Przykładowo, zawartość siarki i azotu ma wpływ na ilość glukozynolanów w nasionach rzepaku. Mała zawartość wody w glebie zwiększa ilość glukozynolanów w rzepaku i jego nasionach oraz prawdopodobnie w większości roślin krzyżowych. Ograniczenie ilości wody, zwłaszcza we wczesnym stadium rozwoju rośliny (36-62 dni po wysianiu), może doprowadzić do wzrostu zawartości glukozynolanów nawet o ponad 40% w porównaniu z roślinami z uprawy kontrolnej bez ograniczenia wody. Wyniki badań opisanych w literaturze mogą być również podstawą do wniosku, że temperatura uprawy roślin ma wpływ na zawartość glukozynolanów - rośliny rosnące w podwyższonej temperaturze (30ºC w dzień i 15ºC w nocy) zawierają więcej glukozynolanów niż te, uprawiane przy niższych temperaturach (22ºC/15ºC oraz 18ºC/12ºC). Można by przypuszczać, że glukozynolany i produkty ich hydrolizy, jako naturalne związki, będą szybciej ulegały procesowi degradacji niż syntetyczne środki ochrony roślin. Przeczą temu wyniki badań, które pokazują na przykładzie tropaeoliny i izotiocyjanianu benzylu, że połowa wprowadzonej ilości tych związków jest nadal obecna w glebie po 60 dniach. Jednak inne badania przeprowadzone w podobnych warunkach wskazują na całkowitą degradację tych samych związków w ciągu 15 dni. Rozkład glukozynolanów następuje szybciej w gliniastych niż w piaszczystych glebach, zależy także od ilości i rodzaju mikroflory występującej na danym terenie, temperatury i wilgotności. Glukozynolany są słabo adsorbowane w ziemi, co pozwala na ich migrację w glebie i skuteczniejsze działanie, ale powoduje także ryzyko przedostania się do wód gruntowych. Natomiast duża zawartość materii organicznej powoduje adsorpcję izotiocyjanianów, przez co obniża skuteczność ich działania. Wilgotność ziemi także jest ważnym czynnikiem w degradacji glukozynolanów. Mniejsza zawartość wody w glebie powoduje wydłużenie czasu hydrolizy tych związków, co znacznie opóźnia antybiologiczne działanie biofumigantów. Kluczową rolę w procesie biofumigacji odgrywają izotiocyjaniany, jako produkty hydrolizy glukozynolanów, dlatego ważna jest ilość mirozynazy, która umożliwia otrzymywanie tych bioaktywnych związków. Enzym ten może pochodzić bezpośrednio z użytych roślin lub z dodatkowego źródła w postaci gotowego preparatu. Należy także uwzględnić aktywność mirozynazy pochodzącej z glebowej mikroflory, która przyczynia się do hydrolizy glukozynolanów. Skuteczność biofumigacji zależy także od interakcji produktów hydrolizy glukozynolanów w środowisku. Gdy uprawa na danym polu była wcześniej chroniona za pomocą soli sodowej kwasu ditiokarb-N-metyloaminowego, mikroorganizmy glebowe brały udział w procesie degradacji glukozynolanów i izotiocyjanianów pochodzących z roślin krzyżowych zbyt szybko, aby mogły one skutecznie chronić rośliny. Przykładowo, izotiocyjanian allilu uległ degradacji w ciągu 11 dni w glebie, w której nie było pestycydu, natomiast w glebie traktowanej pestycydem - w ciągu 21 godzin, co spowodowało mniejszą śmiertelność szkodników. Ważna jest więc wiedza na temat rodzaju i właściwości wcześniej wykorzystywanych pestycydów oraz opracowanie alternatywnych sposobów ochrony roślin, np. płodozmianu i biofumigacji. Glukozynolany stanowią liczną grupę bioaktywnych związków o różnorodnych właściwościach wynikających z ich zdolności do wiązania się z molekułami i makromolekułami o znaczeniu biologicznym. Stanowią one naturalną ochronę roślin przed szkodliwymi drobnoustrojami i roślinożercami. Możliwość biodegradacji i brak toksyczności dla ludzi pozwala na wykorzystanie glukozynolanów jako biofumigantów w zwalczaniu szkodników w rolnictwie, szczególnie upraw roślin jadalnych. Aby zapewnić w pełni bezpieczne i efektywne stosowanie glukozynolanów i produktów ich hydrolizy jako biofumigantów, należy dokładnie poznać mechanizmy ich działania oraz interakcje, które wywołują w środowisku. Wyniki dotychczas prowadzonych badań ukazują złożoność tych procesów, ale jednocześnie wyniki doświadczeń zachęcają do kontynuowania prac w kierunku upowszechnienia stosowania biofumigacji w ochronie upraw roślinnych. Badania nad wykorzystaniem kapusty w ochronie upraw są również prowadzone w ramach projektu AGROBIOKAP, w którym udział biorą: Politechnika Gdańska, Instytut Chemii Przemysłowej w Warszawie oraz Uniwersytet Rolniczy w Krakowie. Celem projektu jest opracowanie technologii wykorzystania kapusty białej w procesach biofumigacji oraz fitoremediacji prowadzonych na terenach zdegradowanych. Badania są skoncentrowane na określeniu przydatności kapusty jako surowca do produkcji biopreparatu, który mógłby służyć do biofumigacji gleby oraz na opracowaniu wydajnej i przyjaznej środowisku technologii jego uzyskiwania na skalę przemysłową z uwzględnieniem maksymalnego zagospodarowania biomasy ze zbiorów kapusty. Opracowanie i wdrożenie prostej, niskoenergetycznej i niemalże bezodpadowej, a także taniej technologii oczyszczania gleb dodatkowo przyczyni się do stymulacji rozwoju rolnictwa ekologicznego. Zastosowanie w praktyce wyników badań realizowanych w ramach projektu przyczyni się do rozwiązywania najbardziej aktualnych problemów społecznych, do których należy spadek zdrowotności społeczeństwa, związany z postępującym zanieczyszczeniem środowiska i pogorszeniem jakości żywności. ( publikacja p. Anna Piekarska i wsp.)

Jak czytamy do polskich sklepów nie trafiają, te które zawierają szkodliwe związki. Być może związane jest to z tym, że w naszym kraju są przeprowadzane szczegółowe kontrole, a także z tym, że producenci żywności stosują się do stawianych im warunków. Oczywiście niemożliwe jest aby na ogromną skalę produkować żywność bez środków, które pozwalają na ich dłuższe przechowywanie. Istotne jest jednak aby ich ilość była stosowana w możliwie najmniejszych, skutecznych ilościach. Warto jest jednak pogłębić wiedzę na temat tego w jaki sposób w warunkach domowych tą ilość pestycydów, która pozostała w warzywach i owocach zredukować do minimum.