Projekt PERSPIRE ima za cilj proučiti posljedice već vidljivo prisutnih ekstremnih vremenskih uvjeta, kao posljedice klimatskih promjena, na promjene u interakciji između mikroorganizama u tlu koji nastanjuju područje oko korijena (rizosfera) i sam korijen te biljke. Projekt će istražiti kako ekstremne oborine, koje uzrokuju retenciju vode na tlu u obliku kratkotrajnih poplava, utječu na promjene u funkcioniranju i strukturi rizosfernog mikrobioma te na razinu stresa kod biljke, ali i kako utječu na promjene u sastavu tla. Upravo je zdrava interakcija između rizosfernih mikroorganizama i biljaka odgovorna za uspješan rast i razvoj biljke, kao i plodnost i produktivnost tla te time čini osnovu uspješnosti poljoprivrede. Proučavanje mikrobnih zajednica u tlu i biljke, kao i njihovog odgovora na ekstremne vremenske uvjete, nužno je kako bi se shvatila kompleksnost utjecaja klimatskih promjena na ranjivi sektor poljoprivrede, za koji se predviđa da će biti jedan od onih koji će najviše stradati od posljedica klimatskih promjena. Upravo je Sedmim nacionalnim izvješćem RH prema Okvirnoj konvenciji UN-a (UNFCC) poljoprivredni sektor definiran kao jedan od ranjivih sektora u RH na klimatske promjene.

Projekt, koji objedinjuje različita, interdisciplinarna znanstvena područja mikrobiologije, molekularne biologije, agronomije, biljne fiziologije i kemije, temeljit će se na eksperimentalnom dizajnu kojim se simuliraju uvjeti u okolišu s kojima će se poljoprivreda suočiti u budućnosti. Eksperimenti vezani uz projekt provest će se u kontroliranim laboratorijskim uvjetima na odabranoj modelnoj biljci iz porodice kupusnjača, prateći odgovor mikrobne zajednice i biljke na sljedeće definirane stresne okolišne parametre: (i) kratkotrajne poplave kao posljedica ekstremnih oborina, (ii) sredstvo za zaštitu bilja primijenjeno u većim dozama i (iii) organsko gnojivo kao izvor antibiotički rezistentnih mikrobnih populacija. Očekuje se da će se kao posljedica zadržavanja vode na poljoprivrednim površinama (1. parametar), u obliku kratkotrajnih poplava, uvjeti u tlu potpuno promijeniti što će direktno imati za posljedicu promjenu u sastavu i funkcioniranju mikrobnih zajednica. Odabrano sredstvo za zaštitu bilja (2. parametar) primjenjivat će se u pokusu u većim dozama od trenutno dopuštene, vodeći se pretpostavkom o potrebi za povećanim dozama pesticida u budućnosti kao posljedica povećanog isparavanja, povišene temperature i izravnog izlaganja suncu što će umanjiti njihovu učinkovitost. U eksperimentu, primjena i utjecaj organskog gnojiva (3. parametar) proučavat će se iz aspekta ljudskog zdravlja jer je uporaba organskog gnojiva opet sve češća, a njihova primjena u intenzivnom uzgoju stoke predstavlja potencijalnu opasnost zbog unosa antibiotika i bakterija rezistentnih na antibiotike u tlo koje su porijeklom iz životinja na farmi. Jasno je stoga da će se projekt PERSPIRE, uz ranjivi sektor Poljoprivreda, neposredno baviti i ranjivim sektorima Zdravlje/Zdravstvo i Prirodni ekosustavi i bioraznolikost. Globalni koncept Jedno zdravlje jasno prepoznaje čvrstu povezanost između ljudskog zdravlja te zdravlja životinja i okoliša, stoga je cilj ovog projekta procijeniti utjecaj najavljenih klimatskih promjena na kvalitetu i sigurnost hrane, odnosno istražiti potencijalni rizik za ljudsko zdravlje.

Projekt je financiran sredstvima iz Europskog fonda za regionalni razvoj (ESI fondovi) unutar natječaja Shema za jačanje primijenjenih istraživanja za mjere prilagodbe klimatskih promjena i provodi se na Institutu Ruđer Bošković u suradnji s Agronomskim fakultetom Sveučilišta u Zagrebu te Sveučilištem J.J. Strossmayera iz Osijeka.

CILJEVI PROJEKTA

Glavni cilj:

Projekt PERSPIRE ima za cilj proučiti odgovor rizosferne mikrobne zajednice i odabrane modelne biljke na ekstremne vremenske uvjete (poplava kao posljedica ekstremnih oborina) kao posljedica klimatskih promjena te definirati promjene u njihovoj međusobnoj interakciji.

Specifični ciljevi:

  • Utvrditi utjecaj ekstremnih oborina (poplave) na strukturu i funkcioniranje rizosfernog mikrobioma 

Kako bi se sveobuhvatno definirao utjecaj poplava na ciljane mikroorganizme u tlu koristit će se čitav niz molekularno-bioloških metoda. Sekvenciranjem i analizom ciljanih marker gena (16S, 18S rRNA, ITS amplikona) analizirat će se strukturalne promjene u zajednicama bakterija, arheja i gljiva u tlu. Upotrebom metode real-time PCR utvrdit će se promjene u zastupljenosti odabranih funkcionalnih gena koji imaju ključnu ulogu u kruženju elementa ugljika, dušika, fosfora i sumpora, dok će se promjene u ukupnoj i specifičnoj mikrobnoj aktivnosti tla utvrditi mjerenjem aktivnosti unutarstaničnih i izvanstaničnih enzima te sposobnost stvaranja biofilma.

Odgovorne osobe: dr. sc. Ines Sviličić Petrić, dr. sc. Armin Mešić i doc. dr. sc. Goran Palijan

  • Utvrditi utjecaj ekstremnih oborina (poplave) na razinu stresa kod modelne biljke

Utjecaj ekstremnih oborina na samu biljku utvrdit će se praćenjem promjena u morfološkim i fiziološkim osobinama biljke, određujući promjene u prinosu modelne biljke te u razini produciranih markera stresa i specijaliziranih biljnih metabolita. 

Odgovorna osoba: dr. sc. Dunja Šamec (vanjska suradnica)/ dr.sc. Ivana Babić

  • Utvrditi utjecaj ekstremnih oborina (poplave) na ponašanje i biorazgradivost pesticida 

Projektom će se pratiti i utjecaj poplave na ponašanje i biorazgradivost konvencionalno korištenih pesticida za koje se smatra da će se, zbog utjecaja klimatskih promjena, u budućnosti koristiti u povećanim dozama pri uzgoju poljoprivrednih kultura. Pesticidi će se ekstrahirati iz tla te će se razviti kromatografska metoda za njihovo praćenje.

Odgovorna osoba: dr. sc. Lidija Brkljačić

  • Utvrditi utjecaj ekstremnih oborina (poplave) na ponašanje bakterijske otpornosti na antibiotike 

Ovim dijelom projekta istražit će se potencijali rizik upotrebe organskog gnojiva (unos antibiotika i antibiotički otpornih patogena), u uvjetima poplava, na ljudsko zdravlje, utvrđivanjem pojave i mogućnosti širenja antibiotičke rezistencije u mikrobnoj zajednici. Istražit će se prisutnost uzgojive bakterijske populacije otporne na odabrane antibiotike te će kvantitativno pratiti pojavnost odabranih gena na otpornost na antibiotike (real-time PCR). Potencijal širenja antibiotičke otpornosti među bakterijama u tlu pratit će se metodom egzogene izolacije plazmida.

Odgovorna osoba: dr. sc. Nikolina Udiković Kolić

  • Izolirati i uzgojiti mikroorganizme adaptirane na ekstremne oborine (poplave) 

Kako bi se identificirali mikroorganizmi potencijalno adaptirani na eksperimentalne uvjete, oni koji predstavljaju potencijalne promotore biljnog rasta, tijekom pokusa će se iz tla, korištenjem ciljanih medija, izolirati različite skupine korisnih mikroorganizama. Tako će se raditi selekcija i uzgoj sojeva i konzorcija koji bi izravno ili neizravno imali koristan utjecaj na modelnu biljku. U posljednjoj fazi bit će testiran utjecaj odabranih bioinokuluma na rast biljke.

Odgovorna osoba: dr. sc. Sanja Kajić

  • Utvrditi utjecaj ekstremnih oborina (poplave) na količinu makro- i mikroelemenata te teških metala u tlu i biljci

Projektom će se definirati i utjecaj poplave na količinu makro- i mikroelemenata te teških metala u tlu i biljci. Korištene metode uključivat će ekstrakciju i digestiju uzoraka, te će se u konačnici utvrdit biljno-hranidbeni kapacitet tla, količine teških metala u tlu i biljnom materijalu te mineralni sastav modelne biljke prilikom rasta u ovim specifičnim uvjetima.

Odgovorna osoba: izv. prof. dr. sc. Marko Petek

 

OSTALE PROJEKTNE AKTIVNOSTI

Osim znanstveno-istraživačkih aktivnosti projekt PERSPIRE uključuje niz drugih aktivnosti u koje će se uključiti šira javnost, znanstvena zajednica, učenici srednjih škola i fakulteta, udruge poljoprivrednika te ostale ciljane skupine kojima bi rezultati projekta bili od potencijalne važnosti.

Navedene aktivnosti uključuju:

  • organiziranje info dana i simpozija za ciljane skupine (dionike) te znanstvenu i širu javnost 
  • predstavljanje projekta lokalnim zajednicama održavanjem edukativnih predavanja/radionica unutar udruga poljoprivrednih proizvođača
  • održavanje edukativnih predavanja i radionica u školama ili fakultetima te događajima za popularizaciju znanosti
  • informiranje o projektu putem društvenih mreža, televizijskih emisija
  • objava članaka na stručnim web portalima te stručnim časopisima 
  • informiranje znanstvene javnosti putem predavanja na međunarodnim kongresima/simpozijima
  • objava znanstvenih radova

 

PRIJEDLOG MJERA PRILAGODBE KLIMATSKIM PROMJENAMA

Konačni cilj projekta PERSPIRE je stečeno znanje i tehnička dostignuća prenijeti na ciljne skupine kojima bi stečena znanja bila od koristi za direktnu primjenu. Tako se planira da će projekt rezultirati prijedlogom 6 Mjera prilagodbe klimatskim promjenama koji bi potencijalni  dionici mogli koristiti za ublažavanje posljedica klimatskih promjena te za jačanje otpornosti i oporavka usjeva kao posljedica ekstremnih oborina.

Tijekom projekta planira se izolirati i identificirati mikroorganizme adaptirane na ekstremne poplavne okolišne uvjete kao potencijalne biološke inokulume čija bi primjena imala pozitivan utjecaj na rast korijena te samu biljku u uvjetima poplave. Navedeno rješenje bit će ponuđeno u obliku Mjera prilagodbe klimatskim promjenama – Mjere 1 i 2. Ovi bioinokulumi predstavljali bi koktele mikroorganizama ili čiste kulture korisnih mikroorganizama. Kao dionike kao potencijalne korisnike ovih predloženih mjera vidimo poljoprivredne proizvođače.

Mjera 3 predložena projektom bazira se na detaljnoj molekularnoj karakterizaciji ukupnog rizosfernog mikrobioma adaptiranog na poplavne okolišne uvjete. Identificirani rizosferni mikrobiom predstavlja osnovu za daljnja istraživanja, koja bi putem naprednijih tehnologija, omogućila da se stečena znanja upotrijebe za biotehnološku proizvodnju optimalnog bioinokuluma temeljenog na ukupnom rizosfernom mikrobiomu, a ne samo na njegovoj kultivabilnoj frakciji. Stoga se kao dionicima ove mjere predlažu znanstveno-istraživačke i biotehnološke firme i institucije.

Rezultati projekta nadalje se planiraju upotrijebiti kako bi se predložio kemijski inokulum, kao jedna od Mjera prilagodbe klimatskim promjenama – Mjera 4. Kemijski inokulum predstavlja pripremljen uzorak odabranog biljnog metabolita, ili njih više, koji bi se upotrijebio kao stimulator rasta biljke u uvjetima poplavnog stresa. Kao sekundarni metabolit(i) bit će odabran onaj koji je biljka pojačano izlučivala u uvjetima stresa tijekom istraživanja. 

U konačnici, Mjere 5 i 6 predstavljaju mjere koji bi pravovremeno mogle ukazati na promjene u kvaliteti poljoprivrednih tala, koje se događaju kao rezultat poplava. Stoga ove mjere predstavljaju potencijalne indikatore negativnih promjena u ekosustavu tla. Tako planiramo putem Mjere 5 predložiti enzim/e, koji producira bakterijska zajednica, koji bi se mogao koristiti pri monitoringu dobrog stanja poljoprivrednih tala te promjena u biološkoj raznolikosti. Mjera 6 uključuje praćenje širenja antibiotičke rezistencije u poplavnim uvjetima putem detekcije odabranog gena za antibiotičku rezistenciju. Na ovaj način bi pravovremeno već u tlu mogli identificirati potencijalne rezistentne bakterije osiguravajući sigurnost poljoprivrednog proizvoda te indirektno ljudskog zdravlja.

 

ISTRAŽIVANJA RANJIVIH SEKTORA U RH

Iako je ranjivost RH na klimatske promjene ocijenjena kao velika još uvijek ne postoji dovoljno podataka i istraživačkih radova u RH o utjecaju, ranjivosti i konkretnim mjerama prilagodbe klimatskim promjenama, što je prijeko potrebno za planiranje i jačanje otpornosti na nadolazeće klimatske promjene. Projekt PERSPIRE koncipiran je kako bi se dotaknuo 3 ranjiva sektora navedena u „Sedmom nacionalnom izvješću RH prema Okvirnoj konvenciji Ujedinjenih naroda o promjeni klime“, uključujući ranjivi sektor Poljoprivreda, Zdravlje/Zdravstvo i Prirodni ekosustavi i bioraznolikost. 

RANJIVI SEKTOR POLJOPRIVREDE

Kako se poljoprivredni sektor u RH smatra upravo najranjivijim na klimatske promjene jasno je da će poljoprivredna proizvodnja pretrpjeti najveće štete od posljedica klimatskih promjena. Do danas su ekstremni vremenski uvjeti poljoprivredi u RH nanijeli štetu od 173 milijuna eura uz očekivanja da će klimatske promjene smanjiti prinos poljoprivrednih kultura u RH do 2050. godine za 3-8%. Glavni utjecaji klimatskih promjena koji se očekuju u sektoru poljoprivrede bit će vidljivi putem promjena u trajanju/duljini vegetacijskog perioda, nižim prinosima, većoj potrebi za vodom i navodnjavanjem zbog učestalih suša te učestalijih poplava i stagnacija površinskih voda. Bez obzira na ranjivost ovoga sektora trenutno ne postoji veliki broj znanstvenih istraživanja koja se bave utjecajem ekstremnih vremenskih uvjeta, predviđenih klimatskim promjenama, na poljoprivredu, konkretnije na mikrobne zajednice u tlu. Projekt PERSPIRE, usmjeren na istraživanje utjecaja poplava na rizosferne mikroorganizme i modelnu poljoprivrednu kulturu, omogućit će nam, da putem modelnog pokusa, prvi puta procijenimo utjecaj poplava na sektor poljoprivrede s ekonomskog gledišta, u smislu procjene utjecaja ekstremnih vremenskih uvjeta na prinose u poljoprivredi te s ekološkog gledišta, istražujući promjene u interakciji između rizosfernih mikroorganizama i biljke. Na ovaj način mogli bismo pronaći potencijalna rješenja koja bi mogla smanjiti visoku ranjivost poljoprivrede RH na utjecaj klimatskih promjena.

RANJIVI SEKTOR ZDRAVLJE/ZDRAVSTVO

Sedmo nacionalno izvješće RH prema Okvirnoj konvenciji Ujedinjenih naroda o promjeni klime navodi da je proveden vrlo mali broj istraživanja unutar ranjivog sektora koji se odnosi na ljudsko zdravlje. Sama ranjivost u sektoru Zdravlje/Zdravstvo najčešće se manifestira kroz povećanje broja ljudi oboljelih od akutnih i kroničnih bolesti kao i povećanog broja oboljelih od vektorskih bolesti. Ipak jasno je da će klimatske promjene imati veliki utjecaj i na prehrambenu sigurnost, točnije na raspoloživost, distribuciju i korištenje hrane, a može se očekivati smanjena razina sigurnosti hrane zbog mikrobiološke ili kemijske kontaminacije, što predstavlja značajnu ranjivost i buduće opterećenje zdravstvenog sustava. Eksperimenti koje ćemo provoditi u sklopu projekta PERSPIRE omogućit će nam da se dotaknemo i ovoga područja istraživanja. Naime istraživanje ponašanja pesticida te pojavu i širenje antibiotičke rezistencije u poplavnim okolišnim uvjetima, dodatno će nam omogućiti procjenu utjecaja najavljenih klimatskih promjena na poljoprivredne proizvode koji se plasiraju na tržište, uključujući potencijalni rizik unosa pesticida, antibiotika i patogena otpornih na antibiotike iz poljoprivrednih ekosustava u ljude. Na ovaj način bi se, kako i predlaže Sedmo nacionalno izvješće ponudilo proširenje sustava koje bi pratilo zdravstveno-ekološke indikatore povezane s klimatskim promjenama te sustava za procjenu rizika.

RANJIVI SEKTOR PRIRODNI EKOSUSTAVI I BIORAZNOLIKOST

Utjecaj klimatskih promjena na ranjivi sektor Prirodni ekosustavi i bioraznolikost manifestira se kroz promjene prosječnih temperatura zraka, smanjenje i/ili povećanja količina oborina, promjene prostorne raspodjele oborina, kroz pojave klimatskih ekstrema te podizanje razine mora koje posljedično utječu na smanjenje ili nestanak nekih staništa i vrsta, pojavu i širenje invazivnih vrsta, potapanje obalnih područja, zaslanjenje kopnenih i slatkih voda te na pad bioraznolikosti. Istraživanje potencijalnih promjena u bioraznolikosti mikroorganizama, uslijed najavljenih klimatskih promjena, ne smije biti zanemareno, s obzirom na važnost mikrobne komponente u funkcioniranju poljoprivrednih tla, a time i održivost poljoprivrede. Mikrobne zajednica u poljoprivrednim tlima ključni su nosiocima usluga ekosustava. U sklopu projekta PERSPIRE dotaknuti ćemo se i ove teme detaljno istražujući utjecaj poplava na promjene u bioraznolikosti unutar poljoprivrednih tala. Sedmo nacionalno izvješće navodi važnost jačanja svijesti o važnosti usluga prirodnih ekosustava i njihovog utjecaja na sve aspekte života i gospodarstva.