Agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, urvalsprovet 18.5.2015 Modellsvar: livsmedelsvetenskap, materialprov 1. Förändringar i atmosfärens sammansättning: hur och varför skiljer sig situationen i Europa och Nordamerika från situation i Asien eller Sydamerika? Utsläppen av svaveldioxid (SO 2), kväveoxider (NO x) och lättflyktiga organiska föreningar (VOC) samt tungmetaller har minskat i Europa och Nordamerika under de senaste årtiondena. Orsaker till detta är bland annat den framgångsrika politiken som siktat på att minska utsläppen och avvecklingen av den förorenande industrin. Svaveldioxidhalterna har minskat med hela 80 % i Västeuropa. NO x-halterna har också sjunkit även om de kan variera en hel del lokalt med bland annat trafiktätheten. Estimeringen av NO x- och ammoniakutsläppen i atmosfären är dock förknippad med osäkerhet. Ammoniakhalterna i odlad jord beror på jordbrukets utsläpp. Halterna av lättflyktiga organiska föreningar varierar i hög grad, eftersom det finns många slags utsläppskällor. Utsläppen av tungmetaller har minskat allmänt i Europa, även om stora utsläpp fortfarande förekommer i vissa östeuropeiska länder. Situationen är den motsatta i Asien, Afrika och Latinamerika. I tillväxtregioner i dessa områden, där befolkningsökningen och industrialisering har lett till en ökad trafik och energiförbrukning, har utsläppen ökat. Dessa regioner har inte heller begränsat utsläppen. Mängden koldioxid i atmosfären har ökat i jämn takt över allt i världen sedan den förindustriella tiden. Ozonhalten väntas öka i Asien, Sydafrika, Sydeuropa och USA. Även om man har lyckats minska utsläppen i flera regioner är ozonhalten i troposfären hög över allt i världen.
2. På vilket sätt/hur exponeras grödorna för föroreningar? Enligt definitionen är luftföroreningar kemiska beståndsdelar i atmosfären vars halt är högre än normalt på grund av människans verksamhet. Luftföroreningar, som också kan fungera som makronäringsämnen, kan vara gasformiga såsom CO2, SO2, NO, NO2 och NH3 eller förekomma som partiklar såsom NH4 +, NO3-N, SO3-S, P, Ca och Fe. Skadliga eller toxiska effekter har sådana gasformiga föreningar såsom O3, SO2, NO2, NH3, HF, peroxyacetylnitrat, icke-metaniska kolväten och lättflyktiga organiska föreningar samt sådana metaller som Pb, Cd och Hg eller näringsämnen i alltför höga halter såsom N, S, Zn och Al. Halterna av utsläppen varierar med tiden och platsen. SO2, HF eller NH3 kan vara dominerande endast i närheten av källan, och då är också effekterna lokala. O3 förekommer globalt och anses vara den största förorenaren i dag. Utsläppens spridningsmekanismer: Gasformiga föreningar sprids genom diffusion från atmosfären till växternas toppar främst via lövens luftspringor. I viss mån sker diffusion också via växternas kutikula och marken. Aerosoler och sedimenterande partiklar (bl.a. tungmetaller) faller ner direkt på växterna eller marken. Indirekt sprids nedfallen på markytan när de sköljs från växternas yta ner på marken eller när förorenade växter förmultnar. Från marken kan föroreningarna sugas upp igen i växter via rötterna. 1p 6p
3. Varför är det svårt att mäta ozonets inverkan på grödor? En tillförlitlig uppskattning av förlust av skördar och ekonomiska förluster på grund av exponering för ozon försvåras av att halterna av O 3 i undersökningarna ofta har varit halter i utomhusluften och inte de halter som växterna absorberar. Sådana indikatorer beaktar inte den dosspecifika karaktären hos växternas reaktioner. I uppskattningarna beaktas endast de direkta effekterna av O 3 på odlingsgrödornas tillväxt, medan de indirekta effekterna på växternas hälsa inte har beaktats. Det är också vanligt att olika växtsorters känslighet för O 3 varierar. Man vet inte särskilt mycket om hur ozonet påverkar växternas kvalitet och näringsvärde, men effekterna är både positiva och negativa. Till exempel minskar O 3 veteskörden men ökar proteinhalten i vetekornen. O 3 har också positiva effekter på potatiskvaliteten. Det minskar restsockerhalten och ökar C-vitaminhalten i potatisknölarna. Hos raps leder exponering för O 3 till en minskad halt av olja, protein och kolhydrater. Negativa effekter har också observerats på växtfoders kvalitet och näringsvärde. Miljömässigt stora halter av O 3 kan orsaka synliga skador på sallads-, spenat- och lökblad, vilket leder till att de inte kan säljas. Kombinationer av luftföroreringar kan ha synergistiska eller antagonistiska effekter. Antagonistiska effekter förekommer när växter exponeras för olika gaser (t.ex. O 3/NO 2) efter varandra och/eller när relativt små halter av kväve- eller svavelhaltiga gaser kombineras med ozon. Då kan växterna utnyttja den extra svaveleller kvävekällan. Synergistiska effekter uppstår när växter samtidigt exponeras för O 3 och stora halter av någon annan förorening. I Europa och Nordamerika ökar SO 2 eller NO 2 inte den ozonrelaterade risken. I tillväxtländerna där halterna av SO 2, NO x och O 3ökar snabbt är effekterna på skördarna betydligt större. I framtiden kan den ökande halten av CO 2minska de skadliga effekterna av O 3, eftersom CO 2 minskar luftspringornas ledningsförmåga och intaget av O 3. Å andra sidan begränsar O 3 de positiva reaktionerna hos flera växter. Exponering för O 3 ökar risken för nekrotrofiska sjukdomar, men å andra sidan minskar ozonet obligatoriska biotrofiska sjukdomar. Virusinfektioner skyddar mot O 3-skador, men detta beror på värdväxten och viruset. I framtiden när CO 2-halten ökar i atmosfären kommer växterna ofta att få en större biomassa, större C/Nrelation och lägre halt av N i vävnaderna. Ozon har dock en motsatt effekt, och därför är det svårt att uppskatta samverkan. Om marken torkar kan intaget av O 3 begränsas då luftspringornas ledningsförmåga minskar, vilket ökar O 3- toleransen. Å andra sidan kan en torrare mark även försämra vissa arters O 3-tolerans, och således leder ett minskat av intag av föroreningar inte nödvändigtvis till minskade skador på grund av föroreningar. 6p
4 Beskriv förändringarna i ozonhalten på jordklotet utifrån figur 1 och texten. Troposfäriskt ozon är en allmän sekundär luftförorening i alla i-länder i världen, och därför finns det risker för odlingsväxternas tillväxt och hälsa i flera regioner. Även i flera u-länder kan halterna medföra skadliga konsekvenser. I och med den ekonomiska tillväxten väntas ozonhalterna stiga i hela världen. Topphalterna av ozon sjunker tydligt i största delen av Västeuropa, men klimatmodellerna visar att ozonhalterna fortsätter att stiga på norra hemisfären flera årtionden framöver. Enligt figur 1 fortsätter ozonhalten att stiga i så kallade hotspots under de tio följande åren. Ozonhalten väntas öka i Asien, Sydamerika, Sydeuropa och USA. De största förändringarna när det gäller tillväxten sker i Mellanöstern, Indien, centrala Afrika och Kina, dvs. särskilt i tillväxtländerna. I USA och Sydeuropa är förändringarna mindre. 3p
5. Hur påverkar luftföroreningar matproduktionen? Direkt effekt på odlingsväxternas tillväxt och skörden Kortvarig exponering för höga halter leder till skador på bladen och även celldöd. Långvarig exponering leder till att celler föråldras snabbare och därigenom till mindre skördar. Hur förhållandet mellan exponering och reaktion påverkar odlingsväxternas tillväxt och skördarna är ännu inte helt klart och på många punkter även en omtvistad fråga. I vissa fall har minskningen av SO 2-utsläpp som betraktas som en luftförorening rentav lett till svavelbrist i regioner med lite svavel. Effekterna av lättflyktiga organiska föreningar på odlingsväxterna är okända eller osannolika. I allmänhet tål olika växtarter VOC-föreningar på mycket olika sätt. Reaktiva kväveformers fytotoxiska effekter uppstår endast med halter som rejält överstiger halterna i miljön även i mycket förorenade områden. De befintliga halterna av NO 2 har inga fytotoxiska effekter utan detta kan rentav fungera som en källa till extra kväve. Ammoniak kan i vissa fall vara skadligt. Överhuvudtaget anses kväveföreningar (NO 2/NO, NH 3) eller svavelföreningar (SO 2, H2 S) inte utgöra ett direkt hot mot ettåriga växter i de kraftigt gödslade europeiska jordbrukssystemen. I länderna i södra och östra Asien är situationen sannolikt en annan. Man oroar sig för ozonets långsiktiga effekter, eftersom den ökande ozonhalten minskar flera växters skörd (vete, ris, soja). Detta anses bero på att fotosyntesen blir långsammare, kolbalansen förändras och bladen föråldras snabbare. Exponeringen för ozonets skadliga effekter varierar mellan olika växter: bland annat vete, baljväxter, rova, tomat och lök är mer känsliga medan korn klassificeras som motståndskraftig. I Kina och Indien lider man mest av den minskade skörden. Det finns dock många osäkerhetsfaktorer i uppskattningen av skadorna, bland annat skillnader mellan olika växtsorter. En del uppskattningar av skadorna är motstridiga: ozonet minskade veteskörden men ökade proteinhalten i vetekornen. En ökad ozonhalt förbättrade också potatisens kvalitet. Å andra sidan försämrade en ökad ozonhalt kvaliteten genom att förstöra utseendet hos bladgrönsaker (bladskador hos sallad, spenat och lök). Indirekta effekter. Ozon kan också påverka skörden indirekt, eftersom ozonstress gör växterna mer utsatta för växtsjukdomar. En höjd koldioxidhalt kan leda till ett förbättrat vattenintag hos växter, vilket kan minska stressen till följd av torka. En ökad mängd koldioxid i atmosfären antas ha en positiv inverkan på odlingsväxternas tillväxt och skördens storlek. Å andra sidan kunde det inträffa oönskade förändringar i mängden mikro- och makronäringsämnen hos växter som vuxit i höga koldioxidhalter.