Αξιολόγηση και βελτίωση ποικιλιών αραβοσίτου για την αειφορική παραγωγή βιοκαυσίμων στην Ελλάδα

Abstract

The purpose of this dissertation was to investigate the possibilities for an economically viable production of first and/or second generation bioethanol, exploiting locally bred and produced maize hybrid varieties. Structured into four chapters/sections, the study concentrated on a) determining the potential of well-established in the country commercial hybrids for the production of the aforementioned biofuels, b) looking at the feasibility to launch an dedicated maize breeding program aiming at producing hybrids specifically adapted to the agroclimatic conditions of Greece, c) the synthesis and improvement of a population, developed by the use of an old local OP variety (landrace), for all traits relevant to the biofuel production and d) assessing the life cycle of bioethanol to be produced and comparing them to the mandatory sustainability criteria as se by the EU. The results of the different studies proved quite promising for the local production of bioethanol. Currently grown imported varieties could immediately be utilized, if biofuel plants were constructed nearby the cultivation zones. Most importantly though, the three-years population improvement program provided reasonably certain indications that new productive hybrid varieties are possible through a breeding approach exploiting locally adapted germplasm in combination with advanced imported material. Finally, the life cycle assessment of the crop and bioethanol production, revealed that in most cultivation zones of maize the sustainability criteria are met.

Η εγχώρια παραγωγή βιοκαυσίμων, και συγκεκριμένα βιοαιθανόλης, αφενός μεν θα συνεισφέρει στην υλοποίηση των στόχων που έχουν τεθεί από την ΕΕ για τη χρήση ΑΠΕ, αφετέρου θα βοηθήσει στην περιφερειακή οικονομική ανάπτυξη της χώρας. Η οποιαδήποτε σοβαρή προσπάθεια παραγωγής βιοαιθανόλης πρώτης ή/και δεύτερης γενιάς στη χώρα μας, απαιτεί την διεξοδική μελέτη όλων των συντελεστών διαμόρφωσης του κόστους της βιομάζας που αποτελεί το 70% περίπου του συνολικού κόστους του τελικού προϊόντος μιας τέτοιας επιχειρηματικής δραστηριότητας. Στο πλαίσιο αυτό, βασικότατος παράγοντας για τη βιωσιμότητα της παραγωγής βιοαιθανόλης είναι η αποδοτικότητα και ποιοτική καταλληλότητα των καλλιεργούμενων ποικιλιών καλαμποκιού. Δομημένη σε αντίστοιχα κεφάλαια-ενότητες, η διατριβή αυτή σκοπούσε στην α) διερεύνηση του παραγωγικού δυναμικού εμπορικών υβριδίων καλαμποκιού στις συνθήκες της χώρας μας για παραγωγή βιοαιθανόλης πρώτης η/και δεύτερης γενιάς, β) μελέτη της δυνατότητας έναρξης προγράμματος γενετικής βελτίωσης για παραγωγή ποικιλιών καλαμποκιού προσαρμοσμένων στις αγροκλιματικές συνθήκες της χώρας μας, γ) βελτίωση συγκεκριμένου επιλεγμένου πληθυσμού ως προς τα γνωρίσματα που ενδιαφέρουν στην αξιοποίηση ποικιλιών για την παραγωγή βιοαιθανόλης και δ) μελέτη της αειφορίας της καλλιέργειας του καλαμποκιού στη χώρα μας. Αξιολογήθηκαν οι πλέον επιτυχημένες σήμερα στη χώρα εμπορικές ποικιλίες αραβοσίτου και αποκτήθηκε πρωτογενής πληροφόρηση για την καταλληλότητα των ποικιλιών αυτών όσον αφορά στο δυναμικό άμεσης παραγωγής βιοαιθανόλης πρώτης γενιάς από τον καρπό, η/και δεύτερης γενιάς από τα λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα της καλλιέργειας. Ταυτόχρονα εκτιμήθηκαν όλες εκείνες οι γενετικές παράμετροι που διέπουν τα συστατικά της παραγωγής αυτής και χρησιμεύουν για την πρόβλεψη της δυνατότητας ανάπτυξης επιτυχούς προγράμματος δημιουργίας κατάλληλων για την χώρα ποικιλιών. Από την αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού των εμπορικών αυτών υβριδίων προέκυψε ότι αυτό είναι ιδιαίτερα υψηλό και επιτρέπει την άμεση και αξιόπιστη αξιοποίηση του για παραγωγή βιοαιθανόλης πρώτης η/και δεύτερης γενιάς εάν υπάρξουν οι κατάλληλες παραγωγικές μονάδες. Με δεδομένη τη σχετική βαρύτητα της απόδοσης του καρπού στην διαμόρφωση του ολικού αμύλου, που με τη σειρά του διαμορφώνει την τελικώς παραγόμενη ποσότητα βιοαιθανόλης πρώτης γενιάς, η απόδοση του καρπού αποτελεί τον σημαντικότερο συντελεστή διαφοροποίησης μεταξύ των ποικιλιών. Οι πλέον αποδοτικές ποικιλίες για την παραγωγή βιοαιθανόλης πρώτης γενιάς, ήταν και οι αποδοτικότερες και για την παραγωγή βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς, επιτρέποντας την επιθυμητή συνδυασμένη χρήση παραγωγής των ποικιλιών αυτών τόσο για ζωοτροφές όσο και για την παραγωγή βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς. Όσον αφορά στη δυνατότητα αξιοποίησης του γενετικού υλικού που θα προέλθει από τις παραπάνω εμπορικές ποικιλίες, η περιορισμένη διαθέσιμη γενετική παραλλακτικότητα για τα χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος οδήγησε στο συμπέρασμα ότι άξια λόγου γενετική πρόοδος μπορεί να επιτευχθεί μόνο με επιλογές βασιζόμενες σε επιλογή απογονικών σχημάτων. Ο νέος δείκτης αξιολόγησης-επιλογής που δημιουργήθηκε στο πλαίσιο της μελέτης, παρέχει σημαντικές δυνατότητες αξιοποίησής του από σχετικά βελτιωτικά προγράμματα. Από την εφαρμογή του στα δεδομένα αυτής της διατριβής, διαφοροποιήθηκε σημαντικά η παραγωγική κατεύθυνση καρπού έναντι του ενσιρώματος. Με βάση τον ίδιο δείκτη, είναι εμφανές ότι οι μεγαλύτερη ποσότητα βιοαιθανόλης (σύνολο πρώτης και δεύτερης γενιάς) μπορεί να προέλθει από την καλλιέργεια ποικιλιών διπλής χρήσης, δηλαδή για καρπό και ενσίρωμα. Για την εγκαθίδρυση ενός νέου στοχευμένου βελτιωτικού προγράμματος για τη δημιουργία ποικιλιών κατάλληλων για την παραγωγή βιοαιθανόλης, συντέθηκε επίσης ένας αρχικός προς βελτίωση πληθυσμός από τον εμπλουτισμό σύγχρονου υψηλής απόδοσης γενετικού υλικού με τοπικό γενετικό υλικό και πραγματοποιήθηκαν τρείς κύκλοι αμφίπλευρης μαζικής επιλογής ως προσέγγιση ποσοτικής γενετικής ανάλυσης και διερεύνησης των δυνατοτήτων επιτυχίας σχετικού βελτιωτικού προγράμματος για την παραγωγή πρώτης και δεύτερης γενιάς βιοαιθανόλης. Αξιοποιήθηκε ο ελληνικός αβελτίωτος πληθυσμός GROP179 ο οποίος παρά το γεγονός ότι εμφάνισε το χαμηλότερο παραγωγικό δυναμικό ως προς την απόδοση σε καρπό, εν τούτοις η F1 του πληθυσμιακού υβριδίου του, ήταν στον μέσο όρο των γονέων (MP)=99.2%. Το πληθυσμιακό υβρίδιο PRH3.12xGROP179 επιλέχτηκε επίσης για τον πληθυσμό εκκίνησης λαμβάνοντας υπ’ όψιν α) την αγρονομική συμπεριφορά των πληθυσμιακών υβριδίων για τα χαρακτηριστικά απόδοση σε ολικό άμυλο, καρπό, άξονες, υγρασία συγκομιδής, ημέρες άνθισης και ASI., β) την ετερωτική συμπεριφορά των πληθυσμιακών υβριδίων ως προς την μεσογονική τιμή των για τα παραπάνω χαρακτηριστικά καθώς και γ) την αξιοποίηση πηγών αβελτίωτου γενετικού υλικού το οποίο εν δυνάμει μπορεί να αυξήσει την παραλλακτικότητα σε βελτιωμένο υλικό και δεδομένου ότι επιδίωξη ήταν να μελετηθεί η δυνατότητα εμπλουτισμού (introgression) σύγχρονου γενετικού υλικού με τοπικό γενετικό υλικό. Με βάση όλες τις αναλύσεις των παραγωγικών χαρακτηριστικών καθώς και των γενετικών παραμέτρων τους, τα αποτελέσματα μετά το πέρας τριών κύκλων επιλογής υπήρξαν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά για την δυνατότητα σύνθεσης ποικιλιών - υβριδίων καλαμποκιού κατάλληλων για την παραγωγή βιοαιθανόλης τόσο πρώτης όσο και δεύτερης γενιάς. Απαραίτητη προϋπόθεση για την παραγωγή και διάθεση βιοαιθανόλης για υποκατάσταση μέρους της βενζίνης είναι η συμμόρφωση της όλης παραγωγικής διαδικασίας με συγκεκριμένα κριτήρια αειφορίας που έχουν τεθεί σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. Για το λόγο αυτό, έγινε μια πρώτη λεπτομερής, και με βάση τα δεδομένα της γεωργικής πράξης στη ζώνη καλλιέργειας του καλαμποκιού στη χώρα μας, μελέτη της αειφορίας της παραγωγής βιοαιθανόλης α' γενιάς στη χώρα μας. Η ανάλυση κύκλου ζωής έδειξε ότι στο σύνολο των ζωνών αυτών μπορούν να πληρούνται τα κριτήρια αειφορίας όπως έχουν θεσπισθεί από την ΕΕ.