Využití průmyslových rostlin k remediaci kontaminovaných půd

Intenzifikace průmyslové výroby vedla k růstu životní úrovně obyvatel, současně však znamenala vyšší zatížení životního prostředí, a to v důsledku neznalostí nebo nedostatečných znalostí o rizicích neřízeného šíření produktů či meziproduktů do okolí nebo nedostatečně zabezpečeného ukládání odpadních látek v blízkosti průmyslových závodů. Nejvíce kontaminovaných ploch se tak nachází v blízkosti rozsáhlých průmyslových aglomerací, které byly zatíženy imisemi těžkých kovů. Na zvýšení koncentrace těžkých kovů v zemědělských půdách se podílela i aplikace čistírenských kalů, především těch, které pocházely z průmyslových závodů nebo byly produkty společného čištění odpadních vod průmyslu a domácností. Zdrojem kontaminace zemědělských půd mohla být i aplikace fosforečných hnojiv, popřípadě neřízená aplikace pesticidů obsahujících anorganické prvky či sloučeniny. Kontaminovaná půda má řadu omezení, a to nejen pro pěstování zemědělské produkce, ale i její další využití může být rizikové jak pro zvířata a člověka, tak i pro okolní životní prostředí.

Kontaminovanou půdu je třeba sanovat. K rychlé sanaci silně znečištěných půd se nejčastěji používají technologie odtěžení a následně řízeného uložení, spalování či vymývání odtěžené zeminy. Všechny tyto metody jsou finančně velmi náročné, působí negativně na půdní vlastnosti a v řadě případů půdy zcela destruují. Celosvětově je v posledních dvou desetiletích snaha nalézt remediační metody, které jsou šetrnější k životnímu prostředí. Jednou z možností je použití rostlin.

Význam pěstování rostlin na kontaminovaných plochách

Rostliny můžeme na kontaminovaných půdách pěstovat k řadě rozličných účelů. V praktické činnosti se především ověřují dva základní postupy, a to vytvoření trvalého rostlinného pokryvu, který zamezí dalšímu šíření kontaminujících látek větrnou a vodní erozí a omezí promývání látek do povrchových vod. Takovéto metodě se obecně říká fytostabilizace. Toto řešení je v řadě případů velmi účelné, ale je pouze dočasné. K trvalému řešení odstranění kontaminantů je nezbytné nalézt takové rostliny, které jsou schopné hromadit vysoké obsahy kovů a současně vytvářet vysoký výnos biomasy proto, aby mohlo být nadzemní hmotou pravidelně odstraňováno dostatečné množství kovu. Široké spektrum rostlin, včetně plevelů bylo testováno pro jejich příjem, transport a toleranci k těžkým kovům. Úsilí bylo věnováno křížení rostlin se schopností vysoké akumulace kovů s těmi produkujícími vysokou biomasu. Genetická manipulace by mohla být řešením vedoucím ke zvýšení přístupnosti těžkých kovů, protože nárůst příjmu u hyperakumulujících rostlin je pravděpodobně zprostředkován exudací přírodních chelátů kořeny těchto rostlin. Právě pochopení produkce a složení rostlinami vylučovaných chelátů může znamenat velmi významný posun v dalším rozvoji fytoextrakce. Významnou roli při optimalizaci produkce bude hrát i studium vztahu mezi kořeny rostlin a půdními mikroorganismy (bakteriemi a mykorhizou).

Schopnost rostlin hromadit toxické prvky

Rostliny schopné hromadit toxické prvky se zpravidla dělí do tří základních skupin, a to na rostliny s extrémně vysokou akumulační schopností alespoň jednoho rizikového prvku, na rostliny vytvářející dostatečnou biomasu při současné schopnosti přijímat toxické prvky a na rostliny s extrémně vysokou schopností vytvářet biomasu.

Z našich modelových pokusů vyplynulo, že rostliny pěstované na středně kontaminované kambizemi se lišily při tvorbě výnosu až dvacetinásobně. Nejnižší výnos suché nadzemní biomasy byl stanoven pro rostliny s hyperakumulační schopností pro kadmium a pro zinek a naopak nejvyšší výnos byl stanoven v případě kukuřice. Mezi těmito dvěma extrémy se pohybovaly výnosy rychle rostoucích dřevin, a to jak vrby, tak i topolu. Zcela opačný trend byl stanoven v případě kumulace rizikových prvků, především obou mobilních, kadmia a zinku. Obsah kadmia byl nejvyšší v biomase penízku a dosahoval hodnot téměř 300 ppm, naopak v případě kukuřice se jednalo pouze o jednotky ppm tohoto prvku. Z obou druhů testovaných dřevin se v případě kadmia ukázala lepším akumulátorem kadmia vrba, která hromadila přibližně 40 ppm tohoto prvku, v případě topolu bylo hromadění tohoto prvku přibližně poloviční. Průměrný obsah zinku je vyjádřen v grafu 1. Také obsah tohoto prvku byl signifikantně nejvyšší u obou rostlin s hyperakumulačními schopnostmi, dále následovaly všechny tři vrby, pak oba klony topolů a podobně jako v případě kadmia byl nejnižší obsah zinku stanoven v biomase kukuřice.

Při sledovaní schopnosti fytoextrakce toxických prvků je třeba velmi pečlivě sledovat zastoupení těchto prvků v jednotlivých částech rostlin, protože bez jejich znalostí není možné určit sklizeň jednotlivých částí rostlin a v řadě případů i jejich cyklus. V grafu 2 je znázorněn podíl kadmia v jednotlivých částech rostlin čtyř klonů vrb. U všech klonů byl podíl nadzemní hmoty v případě hromadění tohoto prvku podobný a dosahoval přibližně 50 %, z čehož ve všech případech dosahovaly listy vyššího množství než stonky. Z tohoto důvodu je třeba zahrnout do celkové sklizně i listí, protože jinak by odnos prvku z pozemku výrazně poklesl. Podíl v nesklízeném dřevě a kořenech byl téměř totožný s nadzemní biomasou, z čehož vyplynulo, že přibližně polovina tohoto prvku se sice zabuduje do rostliny, ale zůstane na stanovišti. Kadmium patří do skupiny prvků s relativně vysokou mobilitou, a proto transport a hromadění v nadzemní hmotě jsou relativně vyhovující. Mnohem horší situace nastává v případě málo mobilních prvků, ke kterým patří olovo a rtuť. Potom dochází k mnohem pomalejšímu vstupu a především transportu v rostlině a většina přijatého prvku je nahromaděna v kořenech. V případě olova bylo nahromaděno pouze cca 5 % v nadzemní hmotě z jeho celkově přijatého množství.

Odběr prvků a remediační faktor

Při stanovení míry fytoextrakce je nezbytné stanovit odběr rostlinami, což je součin množství suché biomasy vyjádřené na rostlinu či na plochu a obsahu prvků v biomase. Při stanovení odběru prvků je možno zaměnit jeho obsah a výnos biomasy. Tento údaj přesněji popisuje schopnost rostlin k fytoextrakci.

Jak odstranit těžké kovy se dá jednoznačně popsat tzv. remediačním faktorem, což je poměr mezi odběrem rostlinou a množstvím prvku v odpovídajícím objemu půdy, který se nejčastěji vyjadřuje relativně v %.

V grafu č. 3 je vyjádřen remediační faktor kadmia u vybraných klonů vrb v tříletém období. Celkové množství extrahovaného kadmia bylo během tříletého období vyšší než 30 % u čtyř klonů vrb v nádobovém pokuse, což je velmi slibné pro další výzkum v reálných podmínkách, Množství odebraného prvku nebylo významně závislé na roce pěstování.

Podobně jako u odběru prvků byl remediační faktor závislý na mobilitě prvků v půdě a byl nejvyšší u kadmia, nižší u zinku a nejnižší u málo mobilního olova.

Většina prezentovaných výsledků pochází z modelových pokusů, a proto je nezbytné ověřit velmi vhodné chování vrb v nádobových pokusech v reálných přírodních podmínkách. Hodnoty odběru kadmia sledované v druhém roce pěstování na identické středně kontaminované půdě ukázaly, že jednou rostlinou bylo ve všech případech odebráno významně více kadmia v polních podmínkách, a to především stonky rostlin. I přesto, že odběr rostlinami byl v reálných podmínkách jednoznačně vyšší, nedošlo v důsledku nižší hustoty rostlin na jednotku objemu půdy k vyšší fytoextrakci, ale naopak hodnoty byly ve všech případech nižší.

Závěrečné shrnutí

Z uvedených výsledků je patrné, že rychle rostoucí dřeviny mají dostatečné předpoklady k využití pro fytoextrakce půd středně kontaminovaných těžkými kovy. Pěstební technologie musí být v polních podmínkách dále optimalizována tak, aby se hodnoty remediačních faktorů přiblížily hodnotám stanoveným v modelových podmínkách.

Experimenty prezentované v článku byly podpořeny grantem GAČR 104/07/0977 a jejich prezentace je součástí projektu SUMATECS č. SN-01/20.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost