Vliv žížal na degradaci mikropolutantů v čistírenských kalech

Léčiva a látky osobní potřeby jsou stále často zmiňovanými mikropolutanty nejenom v přírodních vodách, ale také v půdách. Jedním z hlavních zdrojů v půdách je hnojení čistírenskými kaly, které obsahují velké spektrum různých mikropolutantů ze spotřeby léčiv a látek denní potřeby. Cílem je nalézt nákladově ekonomickou a k přírodě šetrnou metodu degradace těchto látek, před použitím takových kalů na zemědělskou půdu. Jednou takovou metodou může být do budoucna i vermikompostování čistírenských kalů za pomocí žížal Eisenia andrei. V nedávno proběhlém unikátním experimentu, co se komplexnosti týče, bylo prokázáno významné snížení těchto látek právě za použití žížal.

Problematika léčiv a látek osobní potřeby

Spotřeba léčiv a látek osobní potřeby se celosvětově neustále zvyšuje. Ročně dojde v průměru o tří až čtyřprocentní navýšení. Mezi mikropolutanty řadíme ty cizorodé látky, které se vyskytují v životním prostředí v řádově nízkých koncentracích (nanogramy, mikrogramy).  Primárním zdrojem mikropolutantů jsou lidé (popřípadě zvířata) využívající tyto látky za účelem specifického účinku. U léčiv však běžně dochází k vylučování až 80 % původního množství látky v nezměněné, či metabolizované formě v moči a exkrementech. U statkových zvířat jsou poté tyto odpadní látky nejčastěji aplikovány na zemědělskou půdu jako objemné hnojivo. Spotřebovaná humánní léčiva a produkty denní potřeby odchází v odpadní vodě na čistírnu odpadních vod (ČOV), kde při procesu čištění dojde pouze k částečnému odbourání těchto mikropolutantů. Část neodbouraných látek opouští čistírnu ve „vyčištěné“ odpadní vodě do recipientu, zbytek se koncentruje do čistírenského kalu.

Nakládání s čistírenskými kaly

Dominujícím způsobem odstraňování čistírenských kalů v ČR je jejich přímá aplikace do půdy a rekultivace (44 %) s kompostováním (32 %). To představuje nezanedbatelnou zátěž dotčených půd z hlediska kontaminace mikropolutantů. Ačkoliv je aplikace kalů do půdy regulována (zejména zákonem č. 541/2020 Sb. o odpadech a vyhláškou č. 273/2021 o podrobnostech nakládání s odpady), není v české legislativě nijak limitována aplikace kontaminovaných kalů mikropolutanty jako jsou například léčiva a látky osobní potřeby. Na druhou stranu množství rizikových prvků, halogenované organické sloučeniny (AOX), polychlorované bifenyly (PCB) a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) jsou (podobně jako mikrobiální rozbor) stěžejními kritérii aplikovatelnosti.

Možné řešení pomocí žížal

Mikropolutanty lze do určité míry uspokojivě degradovat pomocí žížal. Děje se tomu tak na základě třech hlavních mechanismů označovaných jako vermiakumulace, vermitransformace a vermidegradace. U vermiakumulace dochází k přijímání a ukládání kontaminantu do těl žížal. Tohoto mechanismu je docíleno ve větší míře konzumováním potravy s daným mikropolutantem. V menší míře k vermiakumulaci dochází při styku žížaly s roztokem, ve kterém se nachází daný mikropolutant v rozpuštěné podobě. U vermitransformace kontaminantů dochází k rychlé konverzi pomalu biodegradabilních pevných odpadů na hodnotná hnojiva za společného účinku žížal a mikroorganismů. Vermidegradace je mechanismus, kdy dochází k přeměně mikropolutantu na nižší chemické sloučeniny, případně u rizikových prvků ke změně valenčního stavu prvku. K tomu dochází díky mikroflóře obsažené uvnitř trávicího aparátu žížal a specifických enzymů jako je CYP450 a peroxidáza. Společně tyto 3 mechanismy označují proces zvaný vermiremediace.

Byly prokázány v mnoha publikovaných studiích pozitivní účinky epigeických žížal (nejčastěji rodu Eisenia a Dendrobena) na degradaci léčiv a látek osobní potřeby. Například Xia a kol. v roce 2020 publikovali výsledky experimentu založeném na degradaci antibiotik tetracyklinu z čistírenského kalu pomocí žížal. Uvedli mimo jiné i významnou závislost účinnosti na původní koncentraci mikropolutantu. U vysoce znečištěných kalů degradace tetracyklinu žížalami odpovídala 16,07 %, zatímco u nízkých koncentrací degradace vzrostla až ke 43,24 %.

 

Metodika experimentu

Vermikompostování čistírenského kalu bylo provedeno v experimentu na pokusné stanici FAPPZ (ČZU) v Červeném Újezdu. Podstatou byl biologický rozklad surového čistírenského kalu smíchaného v určitém poměru se slaměnými peletami. Design experimentu probíhal ve dvou opakováních, a to s žížalami (vermikompostování za pomocí Eisenia andrei) a kontrolou žížal. Stanovení obsahu mikropolutantů vstupních materiálů, vzorků po měsíci degradace a na konci experimentu, umožnilo široké porovnání vlivu na degradaci těchto látek.

Laboratorní analýzy po odebrání všech vzorků prováděl Mikrobiologický ústav AV ČR na vysoce citlivých laboratorních zařízeních. Analýzy probíhaly v režimu „scheduled analysis“ pro 52 definovaných chemických látek ze skupin endokrinních disruptorů (např. bisfenol, genistein, estradiol, estriol, estron, daidzein), léčiv a látek osobní potřeby (diklofenak, gabapentin, ibuprofen, karbamazepin, kofein, paracetamol, tramadol).

Obsahy mikropolutantů vstupních surovin

Kapalinová chromatografie detekovala u slaměných pelet  nejnižší množství mikropolutantů s relativně nízkými koncentracemi. Z celkových 52 stanovovaných látek bylo u slámy detekováno pouze pět z nich, a to kofein (10,23±4,44 ng/g), mirtazapin (1,75±0,12 ng/g), sulfapyridin (1,69±0,06 ng/g), telmisartan (3,74±0,34 ng/g) a venlafaxin (1,67±0,05 ng/g). U žížal byly detekovány pouze dva mikropolutanty, a to kofein (6,05±1,19 ng/g) a telmisartan (2,24±0,19 ng/g). Z hlediska kontaminace prostředí je toto poměrně závažné zjištění vzhledem ke složitosti cesty těchto látek od zdroje (lidský metabolismus) až po jejich absorpci do biomasy. Stanovené látky vykazují vysokou perzistenci v životním prostředí. Právě toto zjištění potvrzuje nutnost hledání řešení degradace mikropolutantů.

U čistírenkých kalů analýza detekovala 32 mikropolutantů ve velmi rozdílných koncentracích. Nejvyšší koncentrace byla zjištěna u telmisartanu (10 161±391,71 ng/g) používaného k léčbě esenciální hypertenze. Tato hodnota převyšovala ostatní koncentrace o dva řády. Další vysoké koncentrace byly zjištěny u triclosanu (543,24±62,07 ng/g), citalopramu (440,28±4,92 ng/g) a diclofenacu (284,22±16,97 ng/g).

Vliv žížal na degradaci mikropolutantů

Co se týče degradace léčiv během experimentu, projevil se významný pozitivní vliv žížal při jejich odstraňování (viz následující graf). U některých látek vliv žížal přesahoval i 30 % (tzn. o tolik % byl nižší obsah látky s použitím žížal oproti variantě bez žížal), což může znamenat významný pokrok v dekontaminaci těchto materiálů. Zajímavé bylo zjištění perzistence jednotlivých látek vůči rozkladu. Mezi naopak snadno degradovatelné pomocí žížal se řadí tyto látky:

• Triclosan – antibakteriální činidlo, použití v šamponech, zubní pastě, deodorantech
• Sulfanilamid – antibakteriální léčivo zejména proti kvasinkovým infekcím
• Amitriptylin - antidepresivum
• Carbamazepin – účinná látka pro léčbu epilepsie a neuropatické bolesti

Vzhledem k tomu, že vermikompostování je relativně nízkonákladový způsob zpracování bioodpadů (v porovnání s kompostováním odpadá např. překopávání), může do budoucna vermikompostování představovat nákladově efektivní řešení otázky kontaminace zemědělských půd mikropolutanty z čistírenských kalů.

Shrnuto z Diplomové práce: Pospíšil V. 2022. Vliv žížal na chování mikropolutantů v čistírenských kalech [MSc. Thesis]. Czech University of Life Sciences Prague, Prague.Tato práce vznikla v rámci projektu NAZV č. QK1910095 s názvem „Využití vermikompostování k eliminaci mikropolutantů za účelem bezpečné aplikace čistírenského kalu na zemědělskou půdu“.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

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