Vastuullinen ruoka kemian opetuksessa

Hiilen kiertokulku tarkoittaa hiilen biogeokemiallista kiertoa ilmakehän, vesistöjen ja maaperän välillä. Myös kasvit ja eläimet ovat mukana hiilen kiertokulussa. Hiili kiertää luonnossa kahdella tavalla: a) nopeasti elollisessa luonnossa (biosykli) ja b) hitaasti elottomassa luonnossa (geosykli).

Biosyklissä kasvit sitovat ilmakehästä hiilidioksidia yhteyttämisreaktiossa, eli fotosynteesissä. Ilmakehän hiili siirtyy osaksi ravintoketjua, kun kasvit yhteyttäessään ottavat ilmasta hiilidioksidia ja muuttavat sen glukoosiksi (C₆H₁₂O₆), josta kasvien biomassa muodostuu. Kasvit valmistavat glukoosista muita hiilihydraatteja, kuten erilaisia sokereita, tärkkelystä ja selluloosaa. Myös lipidit ja ja monet muut kasvien tuottamat yhdisteet syntyvät monivaiheisissa reaktioissa, joissa glukoosi on yhtenä lähtöaineena. Jopa 70% kasvin yhteyttämistuotteista ohjautuu juuristoon hiilipitoisiksi eritteiksi, joilla kasvi ruokkii juuristovyöhykkeen mikrobeja, jotka puolestaan pyörittävät ravinnekiertoa ja auttavat kasvia saamaan vettä ja ravinteita paremmin. Kasveihin sitoutunut hiili vapautuu takaisin ilmakehään soluhengityksen, hengitysilman, puiden lahoamisen ja kuolleiden eliöiden maatumisen kautta sekä palamisreaktiossa.

Elollinen luonto koostuu pääosin orgaanisista hiiliyhdisteistä, mutta mukana on myös joitakin hiilen epäorgaanisia yhdisteitä, kuten hiilidioksidia (CO₂) ja hiilihapon (H₂CO₃) suoloja, karbonaatteja. Elollisessa luonnossa karbonaatteja on esim. linnunmunien ja nilviäisten kuorissa sekä koralleissa. Elottoman luonnon kalkkikivilajit ovat karbonaatteja- Niihin hiili on varastoitunut pitkäkestoisesti. Itse hiilihappoa ei luonnossa esiinny vapaana. Se on pysymätön yhdiste, jota syntyy veteen liuenneen hiilidioksidin reagoidessa vesimolekyylien kanssa. Reaktiot aiheuttavat veden luonnollisen happamuuden (pH n.6) ja tekevät mahdolliseksi karbonaattien muodostumisen.

Hiili on olennainen osa myös viljavaa maaperää. Multa koostuu kahdesta pääosasta: mineraaliaineksesta ja eloperäisestä aineksesta. Näiden lisäksi maassa on ilmaa ja vettä.

• epäorgaaninen eli mineraaliaines on rapautunut peruskalliosta. Se voi olla esimerkiksi hiekkaa, hiesua, savea, tai näiden sekoitusta.
• orgaaninen eli eloperäinen aines on peräisin kuolleista kasveista ja kuolleista eliöistä (maassa elävät nematodit, hyönteiset, madot jne.). Mikrobit jalostavat osan maan eloperäisestä aineksesta humukseksi, joka sitoo  monimutkaisen rakenteensa vuoksi hyvin vettä. Humus on tärkeää myös maan hyvän rakenteen kannalta, toimii puskurina happamoitumista vastaan ja on mikrobiologista hajotusta vastaan kestävää. Lisäksi maassa on enemmän tai vähemmän elävää hiiltä, eli kaikkia niitä eliöitä, joita siellä sillä hetkellä elää. Myös nämä elävät eliöt muodostavat merkittävän hiilivaraston, jonka koko vaihtelee vuoden kierron mukaan.

Runsaasti orgaanista ainesta sisältävä, humuspitoinen maa onkin arvokas luonnonvara, kestävän ruuantuotannon ja oikeastaan koko elämän peruselinehto. Samaan aikaan se on elollisen luonnon tuote: ilman hajoavia kasveja ja eläimiä ei olisi myöskään viljavaa maaperää. Voidaan sanoa, että elämä ei saapunut maaperään, vaan loi sen.

Perinteisesti olemme tottuneet, että maanviljelijän tehtävä on huolehtia kasveista. Koska hyvinvoiva viljelymaa on itse asiassa hyvän sadon perusta, on viljelijän ainakin yhtä tärkeää huolehtia viljelymaan hyvinvoinnista, mm. siitä että maasta ei häviä liikaa hiiltä ja että pellosta sadon mukana poistunut hiili (ja ravinteet) korvataan. Nykyisin vielä vallalla olevissa viljelytavoissa maaperän hiilen määrään ei yleensä juuri kiinnitetä huomiota.

Muutosta on kuitenkin ilmassa. Viljelytapoja, joissa keskeisenä tavoitteena on pitää maaperän hiili maassa tai jopa lisätä sen määrää maassa, voidaan kutsua hiiliviljelyksi. Esimerkiksi pellon pitäminen kasvipeitteisenä ympäri vuoden estää hiilen vapautumista ilmaan. Hiiltä saadaan lisättyä maaperään kääntämällä maan sisään elävää tai kuollutta kasviainesta (esim. viherlannoskasvustoa) tai tuomalla peltoon kompostia, karjanlantaa tai ja muita maanparannusaineita, esimerkiksi. paperi- ja metsäteollisuuden sivuvirtoja.

Ilmasta 78 % on typpeä. Typpi on tarpeellista kaikille eliöille, mutta useimmat eliöt eivät voi käyttää sitä hyväkseen suoraan ilmasta. Typen kierto luonnossa on tärkeä osa ravintoketjuja ja erilaisten ekosysteemien toimintaa. Eläimet saavat kaiken typpensä syömällä kasveja tai kasvinsyöjiä. Kasveissa iso osa typestä on lehtivihreämolekyyleissä, proteiineissa ja perintöaineksessa. Kaikki eläin- ja kasviproteiinit koostuvat aminohapoista, jotka ovat typpiyhdisteitä. Myös nukleiinihapoissa on typpeä.

Typen kierrossa erilaiset mikrobit ovat tärkeimmässä osassa. Mm. eräät typensitojabakteereiksi kutsutut bakteerit kuitenkin sitovat typpikaasua (N₂) vetyatomien kanssa anaerobisissa eli hapettomissa oloissa ammoniakiksi (NH₃), jonka toiset mikrobit muuttavat nitriitiksi (NO₂), jonka kolmannet muuttavat nitraatiksi (NO₃). Nitraatti vuorostaan sitoutuu aminohappoihin ja edelleen proteiineihin. 

Suomen maaekosysteemeissä tärkeimpiä typensitojabakteereja ovat Rhizobium-bakteerit, jotka elävät symbioottisessa suhteessa palkokasvien, kuten pavun, herneen, apilan, virnojen, lupiinin, mesiköiden ja sinimailasen juuristossa. Biologinen typensidonta toimii seuraavalla tavalla: Bakteerit tunkeutuvat kasvin juuren sisään ja muodostavat nystyrän, jossa ne sitovat typpeä. Typpi ei kuitenkaan jää nystyrään, vaan typpiyhdisteet jatkavat matkaansa kasvin eri osiin. Niistä valmistetaan aminohappoja ja proteiineja kasvin omassa metaboliassa.

Symbioosissa bakteeri saa typen sitomiseen tarvitsemansa energian isäntäkasvilta ja isäntäkasvi saa osan bakteerin sitomasta typestä. Lisäksi typensitojabakteereja elää vapaana maaperässä ja vedessä, sekä puolisymbioottisessa suhteessa joidenkin kasvien, kuten vehnän ja juolavehnän juuristojen ympärillä. Typensitojakasvit ovat kestävässä maataloudessa tärkeitä, koska ne (ja niihin sitoutunut typpi) voidaan joko muokata maahan kasvukauden päätyttyä, jolloin typpi siirtyy seuraavan satokasvin käyttöön hajotuksen kautta, tai ne voidaan syöttää eläimille, jolloin suurin osa typestä palaa pellolle lannan mukana, jos lantaa käytetään lannoitukseen. 

Typpi on kasvien kasvun kannalta hyvin olennainen ravinne, jota voidaan lisätä peltoon monessa muodossa, esimerkiksi kemiallisina lannoitteina, karjanlannassa, ureana tai kierrätysravinteissa. 

Ihmiskunta vaikuttaa siis aktiivisesti typen luonnolliseen kiertoon maanviljelyn kautta ja tällä on vaikutuksia ympäristöön. Dityppioksidi (N₂O) on hiilidioksidin ja metaanin jälkeen kolmanneksi tärkein ihmisperäinen kasvihuonekaasu. Typpiyhdisteet myös rehevöittävät vesistöjä. Itämeressä lasketaan, että ihmisperäinen typpilannoitus ja polttoprosessit ovat yli kaksinkertaistaneet luonnollisen typen kierron. Kemiallisten lannoitteiden vaikutus on haitallinen myös maaperäeliöstön monimuotoisuuden kannalta.

Dityppioksidia pääsee luontoon mm. keinolannoitteista ja orgaanisista lannoitteista, kuten karjanlannasta. Sitä vapautuu etenkin denitrifikaation yhteydessä (ja lisäksi myös nitrifikaatiossa). Jos maaperää liikalannoitetaan typpilannotteilla tai maaperä on kostea (esim. suopellot), dityppioksidia vapautuu enemmän. Teolliset typpilannoitteet on tuotettu prosessissa, jossa typpi sidotaan ilmasta johonkin fossiiliseen runkoon. Lannoitteiden valmistus siis tuottaa paljon ilmastopäästöjä, koska prosessissa käytetään runsaasti energiaa ja koska koska jo itse raaka-aine on fossiilista alkuperää. 

Typpilannoitetta voidaan valmistaa myös virtsasta. Esimerkiksi MORTTI -hankkeessa erilliskerätään virtsa talteen Säkylän varuskunnassa ja tehdään siitä lannoitevalmistetta.

Maanviljelijän pyrkimyksenä tulisi olla toiminta, jossa maa tulee viljelyn myötä vuosi vuodelta viljavammaksi sen sijaan, että se köyhtyisi. Pellon ravinnetalouden haasteena on ihmisen keräämän sadon mukana pois kuljetetun eloperäisen aineen ja sen sisältämien ravinteiden korvaaminen. Ravinteita poistuu pellosta myös ilmakehään vapautumalla, sekä valumalla veden mukana vesistöihin.

Nykyään ravinnevaje korvataan usein eläinten lannalla, tai teollisesti valmistetuilla lannoitteilla, joiden valmistus ja käyttö kuormittavat ympäristöä monella tavalla. Kestävässä viljelyssä asia hoidetaan toimivalla viljelykierrolla, viljelemällä typensitojakasveja ja huolehtimalla maaperän pieneliöiden elinoloista, sekä tuomalla maahan jatkuvasti eloperäistä ainetta katteiden ja maanparannusaineiden avulla ja kompostin kautta kierrätettyjen jätteiden ja eläinten lannan muodossa. Lisäksi voidaan käyttää erilaisia lisälannoitteita. Kasvien kasvun kannalta tärkeimmät ravinteet ovat typpi, fosfori ja kalium, mutta myös joukkoa muita aineita tarvitaan kasvin elintoimintojen ylläpitämiseen. 

Maataloudessa ravinteita tulee tilalle ja poistuu tilalta edellä kuvatulla tavalla. Maatilan sisällä ravinteita siirtyy pellolta karjaan ja karjataloudesta pellolle. Pellolla ravinteita siirtyy kasvilta toiselle, kun muut kasvit käyttävät typensitojakasvien maahan sitomaa typpeä seuraavina vuosina. Ravinteita kasvien käyttöön tulee myös ilmasta ja maaperästä.

Maatilan sisäisiä ja ulkoisia ravinnevirtoja voidaan tarkastella ravinnetaseiden avulla. Lue täältä lisää erilaisista ravinnetaselaskelmista:

Nykytilanteessa ravinteita ei kierrätetä maataloudessa aina kestävällä tavalla. Karrikoiduimmassa esimerkissä sadonkorjuun myötä pellolle syntyvä ravinnevaje korvataan ostamalla kaupasta kemiallisia lannoitteita uudestaan joka vuosi. Ravinteiden kierrätyksen avulla pyritään sen sijaan varmistamaan, että maataloudessa syntyneet ja siinä tarvittavat ravinteet ovat oikeassa paikassa ja oikeaan aikaan. Kestävä ravinteiden kierrätys voi sisältää toimivan viljelykierron suunnittelua ja käyttöä, eläin- ja kasvinviljelytilojen välistä yhteistyötä ja uudenlaisten kierrätysravinteiden kehittämistä ja käyttöä. Ravinteiden tehokas kierrätys maataloudessa on tärkeää, koska se parantaa vesistöjen tilaa ja vähentää maatalouden ympäristö- ja vesistökuormitusta monilla tavoilla. 

Haasteita maatalouden ravinteiden kierrätykseen tuovat muun muassa lantaa tuottavien ja sitä hyödyntävien tilojen välinen etäisyys. Suomessa eläintuotanto on keskittynyt vahvasti alueellisesti, jolloin lannan pistekuormitus vesistöihin voi olla suuri. Keskittymisen vuoksi lantaa ei päästä levittämään tehokkaasti kasvinviljelytiloille ja samasta kasvinviljelijät joutuvat käyttämään keinolannoitteita. Muita haasteita ovat lannan kasvien kannalta epäedulliset ravinnesuhteet sekä lannan kuljetukseen ja levittämiseen liittyvä suuri työmäärä ja kustannukset. Toisaalta kierrätysravinteet ovat nousemassa yhdeksi ratkaisuksi tähän ongelmaan.

Koska sadon mukana pellolta lähtee iso määrä ravinteita pois, täytyy peltoja lannoittaa – tai ravinnetasapainosta huolehtia jollakin tavalla. Hoidetaanpa asia kemiallisilla lannoitteilla tai viljelykierron, karjanlannan ja kierrätyslannoitteiden avulla, on oleellista että ravinteita annostellaan oikea määrä, oikeaan aikaan, oikeassa suhteessa ja käyttökelpoisessa muodossa. Tällöin voidaan välttää ylimääräisten ravinteiden valuminen vesistöihin ja poistuminen ilmaan.

Lannoittamiseen on monia tapoja. Pitkällä aikavälillä kaikkien ravinteiden tasapainoa parannetaan kestävästi toimivan viljelykierron avulla, mutta paljon ravinteita tarvitsevat viljelykasvit ja pellolla vaativat myös täydennyslannoitusta, joka voidaan hoitaa esimerkiksi karjanlannalla tai kierrätysravinteilla. Akuutit puutostilat korvataan täsmäsravinteilla. Teolliset lannoitteet ovat esimerkiksi tässä merkittävässä roolissa myös tulevaisuudessa. Kasvien tärkeintä pääravinnetta – typpeä – saadaan viljelemällä typensitojakasveja, eli apilaa ja erilaisia palkokasveja. Tärkeitä fosforin lähteitä ovat viherlannoitus ja maaperän omien fosforivarojen parempi hyödyntäminen mm. pieneliöstön ja sienijuuristojen toimintaa tukemalla. Kasvien kaliumin saantia tukevat maan happamuuden säätely (happamien maiden kalkitus) ja maan rakenteen hoito. Kasvimaalla pieniä määriä ravinteita (erityisesti typpeä) voidaan lisätä läpi kasvukauden myös esimerkiksi nokkoskäytteen avulla.

Eläinten lanta, erityisesti karjanlanta on eräs merkittävä käytettävä ravinteiden lähde. Siitä saadaan typpeä, fosforia ja kaliumia sekä monia muita ravinteita. Nykytilanteessa lantaa syntyy karjataloudessa esimerkiksi Suomessa liikaa ja toisaalta monet karjatilat sijaitsevat kaukana kasvinviljelytiloista, jolloin lantaa Suomessa kyllä on, mutta sitä ei aina pystytä järkevällä tavalla hyödyntämään kasvinviljelyssä. Kestävässä viljelyssä tasapaino tilan karjamäärän ja peltoalan välillä on oleellinen osa tilan toimivaa ravinnekiertoa. Mikäli oman tilan lanta ei peltojen lannoittamiseen riitä, sitä voidaan mahdollisuuksien mukaan hankkia lähitiloilta. Lannan haaste on se, että se sisältää sekoituksen eri ravinteita, joiden suhdetta ei voi tarkkaan valita, vaikka siihen voidaankin vaikuttaa jonkin verran eläinten ruokinnan avulla. Kun lanta annostellaan yhden ravinteen määrän mukaan, voi toista ravinnetta mennä peltoon liikaa tai liian vähän.

Kompostoinnin avulla eloperäiset jätteet eivät joudu hukkaan, vaan ruuan ja muiden kasvinosien arvokkaat ravinteet saadaan uudestaan kasvien käyttöön. Kaikki eloperäinen jäte voidaan kompostoida ja hyödyntää siitä syntyvä humus maan kasvukunnon ylläpitämiseen. Kompostissa pieneliöstö, kuten erilaiset madot, bakteerit ja sienet hajottavat eloperäisen jätteen takaisin ruokamullaksi (tai tarkemmin ottaen ruokamullan eloperäiseksi osaksi). Kompostiin luodaan pieneliöille mahdollisimman hyvät toimintaolosuhteet, eli riittävästi happea, kosteutta, sopivasti ravinteita sekä lämpö. Kompostointi on tuttua monille kotipuutarhoista. Maatalouden käyttämät kompostit eroavat näistä jonkin verran. Useimmiten kompostoidaan eläinten lantaa yhdessä kuivikkeen, kuten oljen kanssa isoissa aumoissa tai erityisissä kompostorireaktoreissa. 

Nykyään on olemassa myös nopeasti kasvava valikoima kaupallisia kierrätysravinteita sisältäviä lannoitteita, joissa ravinteet ovat usein sitoutuneena orgaaniseen aineeseen, jolloin niiden käyttö parantaa peltomaan rakennetta ja lisää hiiltä maaperään, mikä parantaa maan sadontuottokykyä. Maataloudessa erilaisia sivuvirtoja voidaan hyödyntää lannoitteena pelloilla. Kierrätysravinteita voidaan tehdä esimerkiksi elintarvike-, metsä- tai rehuteollisuudessa syntyneistä sivuvirroista, yhdyskuntien eri tavoin käsitellyistä sivutuotteista, biojätteistä ja -lietteistä, kaasumädätejäännöksestä tai kalastuksen sivuvirroista. Vielä 2000-luvun alussa näistä olivat kiinnostuneita lähinnä luomuviljelijät, mutta nyt myös tavanomaiset viljelijät ovat kiinnostuneita eloperäisen aineksen lisäämisestä peltoihin. Niiden käyttö voi lisätä viljelyn kustannustehokkuutta ja parantaa maan kasvukuntoa. Kierrätysravinteiden avulla pellon monimuotoisuutta ei saada lisättyä, kun laiduntajat puuttuvat, mutta pellot saada lannoitettua luonnonmukaisella tavalla. Kierrätysravinteiden kehitystyötä tehdään jatkuvasti ja aihe kiinnostaa entistä useampaa toimijaa.

Kokonaan suljetut aineiden ja energian kierrot eivät ole ruuantuotannossa mahdollisia, mutta kestävässä tuotannossa niitä kohti pyritään erilaisilla tavoilla. Seuraavassa esitellään kolme erilaista osittain suljetun kierron viljelyjärjestelmää.

Palopuron agroekologisessa symbioosissa globaaleihin haasteisiin vastataan paikallisin ratkaisuin 

Palopuron symbioosi on Hyvinkäällä sijaitseva tilakokonaisuus, jossa kehitetään uudenlaista viljelytapaa, jossa tavoitteena on tuottaa ruokaa ja energiaa ekologisesti ja taloudellisesti kierrättämällä paikallisia resursseja. Tilakokonaisuuteen kuuluu Knehtilän viljatila, Mäntymäen kanala, sekä Lehtokummun vihannestila. Lisäksi kokonaisuuteen kuuluu biokaasulaitos ja tulevaisuudessa myös leipomo. Palopuron symbioosi on ensimmäinen laatuaan Suomessa ja ensimmäisten joukossa koko maailmassa. 

Ideana on, että koneita lukuunottamatta kaikki tuotantoon tarvittavat tuotantopanokset saadaan omasta tilakokonaisuudesta, eikä ulkopuolisia lannoitteita, rehuja tai energiaa tarvita, vaan ravinteet ja energia kiertävät paikallisesti. Systeemissä toimitaan toinen toistaan hyödyttäen, tasapainossa luonnon kiertokulun kanssa. Viherlannoitusnurmien sadosta ja hevosen- ja kananlannasta saadaan kuivamädätyslaitoksessa energiaa maatilalle ja leipomoon sekä biometaania myyntiin. Mädätysjäännös palautetaan pelloille lannoitteeksi. Vihermassojen kierrätys biokaasutuksen kautta vähentää ravinnehävikkiä. Lisäksi mädäte voidaan lannoitteena kohdentaa viherlannoitusta paremmin, mikä johtaa pienempien ympäristöhaittojen lisäksi parempiin satoihin. Tulevaisuudessa leipomo vielä jalostaa tilan viljan leiväksi.

Agroekologiset symbioosit ovat selvitysten mukaan ravinne-, energia- ja ilmastotehokas tapa tuottaa ruokaa. Kierrätysravinteiden käytön ansiosta vesistökuormitus ja kaasumaiset päästöt vähenevät. Esimerkiksi Palopuron symbioosia voidaan käyttää paikallisten ja alueellisten kierto- ja biotalouden tavoitteiden mukaisten ruokajärjestelmien mallina.

Hydroviljely on kasvihuoneviljelyssä käytetty vesiviljelytekniikka

Hydroviljelyssä, jota voidaan kutsua myös nimellä hydroponiikka (engl. hydroponics) multaa käytetään kasvualustassa vain osittain tai ei lainkaan. Mullan sijasta käytetään erilaisia väliaineita, jotka antavat kasville tukea sekä suojaavat juuria valolta ja kuivumiselta. Hydroviljely ei sovi kaikille kasveille, mutta sitä käytetään yleisesti jo esimerkiksi tomaattien, salaattien ja yrttien kasvihuoneviljelyssä. 

Hydroviljelyssä vesi ja tarkoin annostellut ravinteet kiertävät järjestelmässä pumpun avulla ja lisäksi vettä voidaan hapettaa erillisellä ilmapumpulla. Vesikierto hapettaa veden mikä on tärkeää, kun kasvin juuret ovat jatkuvasti vedessä. Hydroviljelyssä vedenkäyttö on hyvin tehokasta, koska vesi ei pääse haihtumaan järjestelmästä muuten kuin kasvien lehtien kautta. Myös ravinteiden käytön määrä voidaan optimoida hyvin, eivätkä ravinteet pääse valumaan viljelysysteemistä ympäristöön. Omavarainen tämä järjestelmä ei tietenkään ole, vaan ravinteet ja energia tarvitaan systeemin ulkopuolelta.

Viljelmä voi näyttää esimerkiksi siltä, kuin Robbes Lilla Trädgårdin kasvattamossa Lapinjärvellä: Salaatit ja yrtit kasvavat hyllyillä jopa neljässä tai viidessä kerroksessa hyvin lämpöeristetyssä hallissa. Eriväriset led-lamput valaisevat kasveja 20 tuntia vuorokaudessa. Samat led-lamput tuottavat myös kasvien tarvitseman lämmön. Huoneen seinät on eristetty, toisin kuin yrityksen entisissä kasvihuoneissa. Kasvuolosuhteet pidetään kasveille ihanteellisina joka hetki tekniikan ja tiedon avulla. Erilaisten sensorien ja kameroiden avulla on mahdollista seurata jopa veden virtausta viljelykasvin lehdessä. Idea on saada kasvit kasvamaan tehokkaasti, olivatpa olosuhteet kasvihuoneen ulkopuolella mitkä hyvänsä. 

Hydroviljelyn eräässä sovelluksessa, aeroponisessa tekniikassa multaa korvaavaa väliainetta ei käytetä lainkaan, vaan kasvin paljaita, pimeässä kasvavia juuria sumutetaan suljetussa tilassa hienojakoisella ravinneliuoksella. 

Aquaponics yhdistää kasvien ja kalankasvatuksen

Aquaponics on osittain suljettu viljelyjärjestelmä, jossa viljellään kasveja ja kasvatetaan kaloja. Kasvit kasvavat mullan sijasta muussa väliaineessa, joka antaa kasveille tukea sekä suojaa juuria valolta, samoin kuin hydroviljelyssä. Järjestelmässä kasvit kasvavat laatikoissa yleensä kalojen kasvatusaltaan yläpuolella. Vesi pumpataan kala-altaasta ylös kasvien hyödynnettäväksi ja sieltä vesi valuu takaisin kala-altaaseen. Kalojen uloste toimii kasvien ravinteena (mm. typpi) ja kasvit puhdistavat vettä, jolloin kala-altaiden vettä ei tarvitse vaihtaa. Bakteereilla on järjestelmässä tärkeä rooli, sillä kasvit pystyvät hyödyntämään vain pienen osan kalojen ulosteen typestä suoraan. Sen sijaan kun bakteerit ovat muuttaneet ammoniakin nitraateiksi, pystyvät kasvit hyödyntämään sitä erinomaisesti. Samalla vesi puhdistuu.

Järjestelmä voi toimia monessa eri koossa pienistä kotiakvaarioviljelmistä suuriin kaupallisiin järjestelmiin, josta saadaan esimerkiksi yrttien ja salaattien lisäksi myyntiin myös kalaa tai esimerkiksi katkarapuja. Globaalin ruuantuotannon mittakaavassa aquaponics-järjestelmät eivät ainakaan toistaiseksi ole vielä kovin laajassa käytössä. Usein käytetty kalalaji aquaponics-järjestelmissä on tilapia. Viljeltäväksi sopivia kasviljajeja on paljon, mm. salaatit, yrtit, tomaatti, kurkku, pavut ja melonit.

Järjestelmä on osittain suljettu: kalat tuottavat suuren osan kasvien tarvitsemista ravinteista. Järjestelmän ulkopuolelta tarvitaan kuitenkin energiaa pumpuille, ravintoa kaloille sekä joitakin hivenravinteita (mm. rauta) kasveille. Ravinteiden valuminen järjestelmän ulkopuolelle on minimoitu.

Kemikaaleilla on nykymaataloudessa monia tehtäviä. Niiden avulla mm. säädetään viljan korren pituutta, torjutaan sieni- ja hometauteja, tuholaishyönteisiä ja rikkakasveja sekä lisätään tuotteen säilyvyyttä sadonkorjuun jälkeen. Maanviljelyn, eli esimerkiksi viljelyyn käytettävien lannoitteiden, torjunta-aineiden myös ja koneiden kehitys 1960-luvulta alkaen johti satojen nopeaan kasvuun. Tätä vihreää vallankumousta seuranneen tuotetun ruuan määrän kasvun ansiosta maapallon kasvava väestö on pystytty ruokkimaan edes jotenkuten.

Maatalouskemikaaleilla ei ole kuitenkaan ollut pelkästään positiivisia vaikutuksia. Tällä hetkellä ruuantuotanto on merkittävimpiä ympäristöongelmien aiheuttajia ja maatalouskemikaalit ovat osa ongelmaa. Globaalisti erilaisten kemikaalien käyttömäärät ovat suuria. Niitä käytetään kasvien kasvun aikana, ennen sadonkorjuuta (esim. glyfosaatin ruiskuttaminen tuleennuttaa viljan puintivalmiiksi) ja sadonkorjuun jälkeenkin. Läpi kasvukauden jatkuva maatalouskemikaalien käyttö on yleistä, vaikkakaan ei aina suositusten mukaista. Suomessa viljan pakkotuleennuttaminen on kuitenkin kiellettyä.

Tuholaishyönteisten ja rikkakasvien torjuntaan käytettäviä aineita kutsutaan kasvinsuojeluaineiksi. Ne on kehitetty myrkyllisiksi torjuttaville eliöille, ja siten ne ovat usein haitallisia myös muille eliöille, joissain tapauksissa myös ihmisille. Kun torjunta-aineita käytetään laajasti tai varomattomasti, niitä vapautuu myös maaperään ja vesistöihin. Liiallinen tai huolimaton torjunta-aineiden käyttö muodostaa uhan pölyttäjähyönteisille ja muulle luonnon monimuotoisuudelle, mikä vaarantaa maailman ruoantuotannon. Viime aikoina tapetilla ovat olleet mm. öljykasvien tuholaisten, mm. kirppojen torjuntaan käytettävät neonikotinoidit, joiden käyttö päätettiin keväällä 2018 rajata EU:n alueella  pysyviin kasvihuoneisiin, joissa kasvien tulee olla koko elinkaarensa ajan. Useat kansainväliset tutkimukset ovat päätyneet siihen, että neonikotinoidi on osin mehiläiskuolemien syy. 

Ympäristöongelmien lisäksi maatalouskemikaalit saattavat aiheuttaa ongelmia myös niitä työssään käyttävien ihmisten terveydelle. Toisaalta terveyshaittoja voi tulla myös ruiskutettua satoa syöville ihmisille. Tästä hyvänä esimerkkinä toimii maailman käytetyin rikkakasvien torjunta-aine glyfosaatti. Se sai pari vuotta sitten viiden vuoden jatkomyyntiluvan EU:ssa, vaikka sen syöpää aiheuttavista vaikutuksista on esitetty tutkimustuloksia jo vuosien ajan. Keskustelu glyfosaatin karsinogeenisyydestä käy edelleen kiivaana ja aiheesta julkaistaan jatkuvasti monensuuntaisia tutkimustuloksia. Maatalouskemikaalien valmistajat ovat keskustelussa näkyvä ja kuuluva osapuoli. Toisaalta glyfosaatin käyttökielto aiheuttaisi suuria haasteita monen maan maataloudelle. Glyfosaattikeskustelu onkin erinomainen esimerkki ruuantuontantoon liittyvästä media- ja lähdekritiikin tarpeesta.

Maatalouskemikaalien käyttömäärissä ja -ajoissa on suuriakin eroja eri maiden välillä. Suomessa kemikaaleja käytetään ilmasto-olojemme ja tiukan valvonnan ansiosta selvästi vähemmän kuin monissa muissa maissa.

• Kasvinsuojeluaineita ammatikseen käyttävien tulee suorittaa tutkinto, jolla he osoittavat tuntevansa käyttäjän ja sivullisten suojautumiskeinot sekä osaavat ehkäistä ympäristön turhaa kuormittumista aineita käyttäessään.
• Torjunta-aineiden varoaikoja, eli tuotekohtaisesti määrättyä aineiden ennen sadonkorjuuta tapahtuvia käyttökieltoaikoja on noudatettava.
• Sadon jälkikäsittely torjunta-aineilla on kiellettyä. Mm. salaattia ei kloorata, mansikoita ei käsitellä homeenestoaineilla ja viljan pakkotuleennutus on kiellettyä. Suomeen saa kuitenkin tuoda elintarvikkeita maista, joissa sadon jälkikäsittely kemikaaleilla on sallittua. Jälkikäsittelykiellon vuoksi kotimainen ruoka on kansainvälisesti vertailtuna puhdasta (pienet torjunta-aineimäärät). Kääntöpuolena on se, että tuotteiden myyntiaika lyhenee ja hävikki on suurta.

Ilmasto-olot vaikuttavat mm. kemikaalien hajoamisaikoihin eri puolilla maailmaa. Suomessa esimerkiksi glyfosaatin hajoaminen on ilmasto-olosuhteidemme vuoksi hidasta. Toisaalta esimerkiksi Suomen mehiläshoitajain liitto ei vastusta neonikotinoidien  käyttöä Suomessa, sillä meillä niitä käytetään pitkälti siementen käsittelyaineena (peittaus), jolloin vaikutus pölyttäjiin on pienempi. Tutkimusta aiheesta (sekä neonikotinoideista että muista torjunta-aineista) tarvitaan lisää. Suomessa on muiden EU-maiden tapaan parhaillaan tekeillä Kansallinen pölyttäjästrategia, jonka myötä saadaan myös lisää tietoa mesipistiäisten tilanteesta Suomessa.

Kemikalisoitumista voidaan vähentää luonnonmukaisen viljelyn keinoilla, kuten toimivalla viljelykierrolla ja monipuolisella viljelykasvivalikoimalla. Monimuotoinen viljelyekosyystemi ei ole yhtä altis kasvintuhoojahyönteisten tai kasvitautien vaikutuksille, jolloin kemikaalien käyttöä voidaan vähentää.

Ruokahävikistä on alettu viime vuosina ansaitusti puhua enemmän. Ruokahävikki on jätettä, jonka synty olisi voitu välttää esimerkiksi ennakoimalla paremmin tai säilyttämällä, valmistamalla tai säilyttämällä ruoka toisin. 

Suomessakin ruokahävikkiä syntyy ruokaketjun kaikissa vaiheissa, mutta kaikkein eniten kotitalouksissa. Kotitalouksien ostamasta ruuasta arviolta kuusi prosenttia päätyy roskiin, mikä tarkoittaa henkilöä kohden vuosittain noin 20 – 25 kiloa. Kokonaisuudessaan ruokaketjussa hävikkiä syntyy lähes nelinkertainen määrä. Turhaan tuotettu ruoka kuormittaa sekä taloutta että ympäristöä. Ketjussa hävikiksi päätyvän turhan ruoan tuottamisen aiheuttamat ilmastovaikutukset ovat noin 1000 miljoonaa CO2-ekvivalenttikiloa. 

Globaalisti tuotetusta ruuasta jää vuosittain käyttämättä:

• 30 % viljasta eli 763 miljardia pastapakkausta
• 20 % maitotuotteista ja munista eli 574 miljardia kananmunaa
• 35 % kalasta ja merenelävistä eli 3 miljardia Atlantin lohta
• 45 % hedelmistä ja vihanneksista eli 3,7 biljoonaa omenaa
• 20 % lihasta eli 75 miljoonaa lehmää
• 20 % öljy- ja palkokasveista eli sellainen määrä oliiveja, joka tarvitaan 11 000:n olympiamittaiseen uima-altaaseen mahtuvan oliiviöljyn tuottamiseen
• 45 % juuri- ja mukulakasveista eli 1 miljardia pussillista perunaa

Ruokahävikin torjunnassa asianmukaisilla pakkauksilla on merkittävä rooli. Pakkaus suojaa tuotetta kuljetuksen ja varastoinnin aikana estäen ruokahävikin syntyä ennen kuluttajalle päätymistä ja myös kotijääkaapissa. Esimerkiksi muovikelmu kurkun päällä pidentää kurkun säilyvyyttä useilla päivillä. 

Julkisessa keskustelussa erityisesti muovipakkaukset ovat saaneet paholaisen leiman. Moni luulee, että pakkaukset muodostavat merkittävän osan ruuan ympäristövaikutuksista. Todellisuudessa pakkausten osuus esimerkiksi ruuan elinkaaren aikaisista ilmastovaikutuksista on kuitenkin vain muutamia prosentteja, kun alkutuotannon osuus on n. 60 %. Jos heität biojätteeseen palan ruisleipää, aiheutat suuremman ympäristökuorman, kuin leipäpakkauksen tuottamisesta on syntynyt. 

Keskeisintä ruuan ympäristövaikutusten kannalta onkin se mitä ostoskoriisi laitat (lihaa vai kasviksia?), ja se että ruoka ei päädy hävikiksi. Eri pakkausmateriaalien (mm. muovi, alumiini, paperi) ja niiden valmistuksen ympäristövaikutuksista voi toki keskustella, kunhan vain muistaa asioiden mittasuhteet. Pakkauksista voi myös aiheutua jäteongelma, ellei niitä käsitellä oikein. Suomessa jäte lajitellaan pääosin tehokkaasti, joten tämäkin asia on maassamme selvästi ruokavalintoja ja ruokahävikin torjuntaa pienempi ongelma.

Myös ruuan käsittelyllä on merkittävä rooli ruuan säilymisessä ja siten ruokahävikin torjunnassa. Säilömisessä käytetään usein kaikille tuttuja metodeja: sokeria, suolaa, etikkaa, pastörointia ja muuta kuumennusta, pakastusta ja säilöntäaineita. Naudan rehun säilömiseen käytetään AIV-liuosta.

Maailmalla ruuan säilymistä edesautetaan myös jälkikäsittelemällä vihannes-, hedelmä- ja marjasatoja torjunta-aineilla. Esimerkiksi salaatti saatetaan käsitellä kloorilla ja mansikat homeenestoaineilla. Kuten edellä jo mainittiin, on sadon jälkikäsittely Suomessa kiellettyä, mikä usein lyhentää tuotteiden myyntiaikaa ja kasvattaa hävikin määrää. Toisaalta sato on ilman jälkikäsittelyä puhtaampaa ja terveellisempää.

Kuluttajat ovat usein huolissaan elintarvikkeiden lisäaineiden, kuten säilöntäaineiden turvallisuudesta. Tässä on syytä muistaa, että torjunta-aineet ovat eri asia kuin lisäaineet. Elintarvikelisäaineiden turvallisuus ja käyttötarve arvioidaan ennen kuin ne hyväksytään käyttöön, ja niiden käytöstä määrätään lainsäädännössä. Kriittisyys on terveellistä, mutta suurta huolta aiheesta ei välttämättä kuitenkaan tarvita. Hidastaessaan pilaantumista elintarvikkeiden lisäaineet pienentävät tuotannon taloudellisia tappioita ja mahdollistavat elintarviketuotannon alhaisemmilla kustannuksilla.

Säilöntäaineet vähentävät mikro-organismien kuten bakteerien, homeiden ja hiivojen kasvua sekä bakteeri- ja mykotoksiinien muodostumista, ja elintarvikkeiden säilymisaika pitenee tehden niistä samalla myös kuluttajalle turvallisempia. Etenkin avatun pakkauksen säilyvyys paranee. Esimerkiksi hillot ja säilykepunajuuret säilyvät pitkään kylmässä säilöntäaineiden avulla. Elintarvikkeen maku ja ravintoainesisältö säilyvät myös paremmin. 

• Hapettumisenestoaineet suojaavat hapettumisen aiheuttamalta pilaantumiselta. Ne estävät rasvojen härskiintymisen lisäksi mm. kuorittujen vihannesten ja hedelmien tummumisen. Lisäksi ne parantavat helposti hajoavien A-, D-, E- ja B2-vitamiinin säilymistä elintarvikkeissa.
• Emulgointi-, stabilointi- ja sakeuttamisaineilla halutaan vaikuttaa tuotteen rakenteeseen erilaisissa kuljetus-, varastointi- ja käyttöolosuhteissa.
• Happamuudensäätöaineilla voidaan vaikuttaa elintarvikkeiden säilyvyyteen ja makuun.
• Paakkuuntumisenestoaineita tarvitaan jauhemaisissa kuivatuotteissa, jotta ne eivät paakkuuntuisi kosteuden vaikutuksesta. Pintakäsittelyaineita käytetään osittain vastaavaan tarkoitukseen esimerkiksi makeisissa.

Säilöntäaineiden käyttöä voidaan vähentää esimerkiksi pakkaustekniikalla, kylmäsäilytyksellä ja pakastuksella.

Lähteet

• Ruokahävikki ja ruokajärjestelmän kiertotalous (Luonnonvarakeskus) https://www.luke.fi/tietoa-luonnonvaroista/ruoka-ja-ravitsemus/ruokahavikki/
• Tietoa ruokahävikistä (Hävikkiviikko). https://havikkiviikko.fi/tietoa-ruokahavikista/
• Elintarvikkeiden lisäaineet ja ruoan laatu. Penttilä, P-L. Lääketieteellinen aikakauskirja Duodecim. 2001;117(1):103-106. https://www.duodecimlehti.fi/lehti/2001/1/duo92007 
• Lihavuuden yleisyys Suomessa (Terveyden ja hyvinvoinnin laitos THL) https://thl.fi/fi/tutkimus-ja-kehittaminen/tutkimukset-ja-hankkeet/kansallinen-lihavuusohjelma-20122015/lihavuus-lukuina/lihavuuden-yleisyys-suomessa

Bioenergialla tarkoitetaan biopolttoaineista saatavaa energiaa. Biopolttoaineiksi kutsutaan biomassasta eli eloperäisistä, fotosynteesin kautta syntyneistä kasvimassoista valmistettuja polttoaineita, joita voidaan tuottaa metsäbiomassan lisäksi peltobiomassasta ja jätteestä. Jätettä voidaan polttaa sellaisenaan jätevoimaloissa tai siitä voidaan valmistaa mekaanisesti kierrätyspolttoainetta, tai se voidaan jalostaa edelleen biokaasuksi tai nestemäisiksi polttoaineiksi, kuten etanoliksi ja dieseliksi. 

Peltobiomassojen ja yhdyskuntajätteen energiakäyttö on ollut Suomessa vähäistä, mutta erityisesti viimeksi mainittu on lisääntymässä. Myös liikenteen biopolttoaineiden valmistaminen sekä maa- ja metsätalouden biomassoista että jätteistä on voimakkaasti lisääntyvän kiinnostuksen kohde. 

Biokaasu on mätänemisen, eli biologisen hajotusprosessin tulos. Biologista hajotusta tapahtuu luonnossa mikrobitoiminnan ansiosta hapettomissa oloissa, mm. soiden pohjasedimenteissä ja märehtijöiden pötseissä. Hapettomuus on prosessissa keskeistä, sillä hapellisissa oloissa biologinen hajoaminen tapahtuisi kompostoitumalla. Biokaasusta ⅔ on metaania ja ⅓ hiilidioksidia. Lisäksi se sisältää hyvin pieniä määriä hiilimonoksidia, typpeä, vetyä ja rikkivetyä. 

Biokaasua voidaan käyttää lämmöntuotannon polttoaineena kaasukattiloissa, jalostaa liikennepolttoaineeksi tai käyttää kaasumoottorissa sähkön ja lämmön tuottamiseksi. Tällä hetkellä Suomessa toimii joitakin kymmeniä maatiloja, joilla on oma biokaasulaitoksensa. Laitoksen ansiosta tila voi olla energiaomavarainen ja joskus myös myydä energiaa ulospäin. Näin tehdään esimerkiksi Kalmarin tilalla Laukaassa, jossa tilan biokaasulaitoksen yhteydessä on avoin tankkausasema. 

Maatiloilla biokaasua voi tuottaa mädättämällä eloperäistä ainesta, kuten lantaa tai rehua, valvotuissa olosuhteissa. Myös biojätteet ovat erinomaisia biokaasun raaka-aineita. Esimerkiksi mainitulla Kalmarin tilalla biokaasu tehdään karjanlannasta, elintarviketeollisuuden sivutuotteista (panimon mäski, meijerin maitojäte) sekä ylijäämänurmesta ja oljesta, jotka ovat peräisin Kalmarin maatilan pelloilta tai naapuritiloilta. 

Biokaasun muodostuminen jaetaan neljään eri ryhmään, joissa kussakin toimivat eri pieneliöryhmät. Vaiheet ovat 1) liukoistuminen (hydrolyysi) 2) happokäyminen (asidogeneesi) 3) etikkahappokäyminen (asetogeneesi) ja 4) metaanikäyminen (metonogeneesi).

Bioenergia ei ole automaattisesti ympäristöystävällinen valinta, mutta esimerkiksi lannasta tuotetulla biokaasulla on on todettu olevan jopa negatiivinen hiilijalanjälki, toisin kuin millään muulla liikenteen polttoaineella. Ilmastohyöty syntyy siitä, että metaanipäästöjen sijaan lannasta saadaan polttamisen jälkeen hiilidioksidipäästöjä, joiden ilmastovaikutus on suhteessa pienempi. Kuluttajalle biokaasu on liikennepolttoaineena edullinen ja maatiloille biokaasun tuotanto maatalouden sivuvirroista on kiinnostava uusi avaus. Lannasta saatavan biokaasun hyödyistä huolimatta kokonaiskuvaa tarkasteltaessa on syytä muistaa, että koko eläintuotannon mittakaava voi silti olla ongelmallisen suuri ympäristövaikutuksiltaan. Tällöin biokaasun hyödyt eivät riitä korvaamaan eläintuotannon haittoja.

Kiertotaloudessa resurssit säilytetään taloudessa silloinkin, kun tuote on saavuttanut käyttöikänsä lopun. Tavoitteena on suunnitella ja valmistaa tuotteet siten, että ne pysyvät käytössä ja kierrossa mahdollisimman pitkään. Siirtyminen kiertotalouteen edellyttää muutoksia aina tuotteen suunnittelusta uusiin liiketoiminta- ja markkinointimalleihin sekä kulutuskäyttäytymiseen. Nimestään huolimatta kiertotalous ei ole erillinen talous, vaan monialainen ja mittava muutos toimintatavoissa. Kiertotalous sekoitetaan usein kierrätykseen, vaikka vaikka itse asiassa kierrätys on vain pieni osa kiertotaloutta. Kierrätyksessä tavoitteena on löytää käyttötarkoituksia jo syntyneelle jätteelle, ei siis lähtökohtaisesti estää jätteen syntyä.

Sitra julkaisi vuonna 2016 Suomelle kiertotalouden tiekartan vuosille 2016-2025. Sen mukaan Suomen kiertotaloutta tulisi edistää viidellä painopistealueella, joista kestävä ruokajärjestelmä on yksi. Neljä muuta painopistettä ovat metsäperäiset kierrot, tekniset kierrot, liikkuminen ja logistiikka sekä yhteiset toimenpiteet. Viimeinen kohta on mukana tiekartassa, jotta muistetaan että systeemiseen muutokseen tarvitaan aina mukaan lainsäätäjää, yrityksiä, yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, kuluttajia ja kansalaisia sekä elinvoimaisia alueita. Tiekartta päivitettiin vuonna 2019 ja päivityksessä tunnistettiin vielä keskeiset tahot, jotka tarvitaan mukaan muutoksen aikaansaamiseksi. Tahot ovat valtio, kaupungit ja kunnat, yritykset, kansalaiset.

Tiekartan mukaan kestävässä ruokajärjestelmässä ruuan tuotannon ja kulutuksen ympäristö- ja ilmastovaikutukset ovat mahdollisimman pienet. Syömme sen mitä tarvitsemme ja hävikin synty järjestelmässä on mahdollisimman pientä. Myös ruokajärjestelmässä syntyviä erilaisia sivuvirtoja pyritään hyödyntämään. Näitä voivat olla esimerkiksi olki, naatit, teurasjätteet ja teollisuuden hukkalämpö. Sitra hahmottaa kestävän ja kiertotalouden mukaisen ruokajärjestelmän toimivan seuraavanlaisella tavalla:

• Alkutuotanto. Ruuan kasvatuksessa painotetaan kierrätyslannotteita ja käytetään luonnonvaroja viisaasti. Villikalalla vankka rooli.
• Materiaalin prosessointi. Kun raaka-aineista tehdään ruokatuotteita, niiden ravintoarvot säilytetään mahdollisimman hyvin. 
• Valmistava teollisuus. Ruokateollisuus käyttää raaka-aineet valmistuksessa tarkasti, jotta ei synny ruokahävikkiä. Tuotteet pakataan energiatehokkaasti. 
• Jakelu. Ruokatuotteiden elinkaaren ympäristöjalanjälkeä pienennetään: Kuormia yhdistetään ja kuljetetaan vähäpäästöisesti lyhyitä matkoja. 
• Kauppa. Asiakkaille on tarjolla kestäviä vaihtoehtoja ja kauppa omilla toimillaan minimoi ruokahävikkiä. 
• Yritykseltä yritykselle. Ruokapalveluissa tarjotaan aktiivisesti kestäviä vaihtoehtoja ja hyödynnetään kaikki raaka-aineet niin, ettei hävikkiä synny. 
• Kuluttaja. Ruokavalion perustana ovat ekologisesti kestävämmät vaihtoehdot, esimerkiksi sesonki- ja kasvisruoka. 
• Käyttö. Syömme ravinteikasta ruokaa sen verran kuin tarvitsemme – ruokaa ei jää yli hävikiksi ja biojäte kierrätetään. 
• Elinkaari jatkuu uudessa kierrossa. Tuotantoketjun ja kulutuksen biojäte saa uuden elämän biopolttoaineissa ja -lannoitteissa.  

Jotta tällaiseen ruokajärjestelmään päästäisiin Suomessakin, tarvitaan Sitran mukaan ainakin seuraavanlaisia politiikkatoimia:

• luodaan orgaanisten kierrätysravinteiden markkinaa
• minimoidaan ruokahävikki poistamalla esteet ja luomalla kannusteita
• tuetaan maataloudessa biokaasujärjestelmiä ja muita uusiutuvan energian ratkaisuja fossiilisten polttoaineiden käytön sijaan