Využití produkce biomasy rychle rostoucích dřevin k dekontaminaci půdy

Půda je v životním prostředí jedním ze základních pilířů biodiverzity a potravinové soběstačnosti. Bohužel s rozvojem průmyslu nebyla zejména v minulých desetiletích ochrana půdy a životního prostředí prioritou. Současná situace je významně příznivější a existuje široká škála opatření pro ochranu ovzduší, vody i půdy. Nicméně půda kontaminovaná polutanty zůstane v závislosti na druhu znečištění a jeho koncentraci poškozena na dlouhé dekády i po odstranění zdroje škodlivých látek. Nejenom akademická sféra již po dlouhé roky hledá efektivní, ekonomické a zejména k životnímu prostředí šetrné metody dekontaminace půdy. Jedním z velmi perspektivních způsobů je využití rychle rostoucích dřevin, které mají široký kořenový systém a velké přírůstky biomasy. Toho lze využít k odstraňování polutantů, nebo alespoň k jejich imobilizaci. Na Fakultě agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů České zemědělské univerzity v Praze proběhl mnohaletý rozsáhlý experiment zkoumající vliv využití rychle rostoucích dřevin (klony vrb a topolů) k dekontaminaci příbramské znečištěné půdy. Na základě výzkumu byly určeny klony, které neměly problém růst v nadlimitních koncentracích rizikových prvků a zároveň měly největší účinnost v transportu prvků z půdy a zabudování do své biomasy. Tyto závěry lze doporučit k využití v širší praxi.

Půda je přímo i nepřímo znečišťována nejrůznějšími organickými i anorganickými látkami, které mohou dále přestupovat do rostlin a následně do potravinového řetězce zvířat a lidí. Znečištění půdy je velkým problémem, a proto je vyvíjena a testována široká škála metod umožňující jeho odstranění. Disciplína, která se zabývá omezením rizikového chování znečišťujících látek v prostředí nebo jejich úplným odstraněním se nazývá remediace. 

Metody remediace lze rozdělit na tzv. ex-situ techniky, které představují odtěžení, odvoz a následnou dekontaminaci půdy mimo původní lokalitu a in-situ techniky, které jsou prováděny přímo v místě kontaminace. Oba způsoby využívají chemických, fyzikálních a biologických principů. Nevýhodou chemických a fyzikálních metod jsou především vysoké finanční náklady, málo šetrný přístup k životnímu prostředí a zpravidla poškození základních půdních charakteristik. Naopak, biologické metody, bioremediace a fytoremediace jsou většinou nenákladné, šetrné k životnímu prostředí, avšak časově velmi náročné. 

Fytoremediace zahrnuje technologie, ve kterých se využívá rostlin k odstranění polutantů z prostředí (fytoextrakce, fytodegradace), nebo je činí méně rizikovými (fytostabilizace, fytoimobilizace). Fytoextrakce je metoda, při které dochází k extrakci anorganických a organických sloučenin z půdy jejich příjmem rostlinami a následným transportem do nadzemní biomasy.  

Rizikové prvky (RP) na rozdíl od organických látek nepodléhají biologickému, ani chemickému rozkladu a přetrvávají dlouhý čas v povrchových vrstvách půdy. K fytoextrakci půd znečištěných RP se testují dvě hlavní strategie. Pěstování hyperakumulačních rostlin, které jsou schopny přijmout velká množství RP, bohužel zpravidla s nízkou produkcí biomasy. Nebo se využívá rostlin s vysokou produkcí biomasy a střední schopností akumulovat a transportovat RP do nadzemní biomasy. Mezi tyto rostliny patří především rychle rostoucí dřeviny (RRD) rodu vrba a topol. Použití fytoremediačních metod je zatím v praxi velmi málo rozšířené především z důvodu chybějících informací o dlouhodobé schopnosti fytoextrakčních rostlin akumulovat rizikové prvky v reálných podmínkách.

Experiment na Příbramsku

V roce 2008 byl na Příbramsku (tato lokalita je dlouhodobě zatížena nadlimitním obsahem RP v půdě) zahájen rozsáhlý experiment se dvěma experimentálními plochami pro výzkum fytoextrakčního potenciálu dvou klonů vrb S1 — (Salix schwerinii × Salix viminalis) × S. viminalis (Thordis) a S2—Salix × smithiana (Rokyta), dříve značeného S-218 a dvou klonů topolů P1 — Populus maximowiczii × Populus nigra (Jap-105 nebo Max-4) a P2 — P. nigra (Wolterson) viz Obrázek 1. Cílem bylo stanovit fytoextrakční potenciál těchto rostlin na půdě významně kontaminované kadmiem, olovem a zinkem. Jejich schopnost akumulace byla ověřena v předchozích nádobových pokusech řadou pracovišť. 

Pokusná plocha označená jako Pole, byla středně silně kontaminována kadmiem (Cd) a zinkem (Zn) a silně olovem (Pb). Druhá plocha označená jako Louka byla extrémně kontaminovaná všemi třemi RP. Kontaminace na obou plochách úzce souvisela s dřívější činností Kovohutě Příbram (Tabulka 1). 

Na pokusné ploše Louka s extrémně vysokými koncentracemi RP v půdě nebyla fytoextrakce efektivní metodou. Vysoký obsah rizikových prvků a jejich vysoká mobilita působily fytotoxicky a u vrb a topolů docházelo ke vzniku chloróz, opadu listů, omezení tvorby biomasy a k vysoké mortalitě. Naopak, po počátečních problémech s konkurencí plevelů a trav bylo dobrých výsledků dosaženo na středně kontaminované pokusné ploše. Tato plocha o rozměrech 125 m x 47 m byla rozdělena do experimentálních bloků o šířce 3,9 m a délce 7,5 m. V každém bloku byly 4 řádky, každý představoval jeden klon a řádky byly zcela náhodně uspořádány do bloků. Každý klon byl testován v osmi opakováních (Obrázek 2 a 3).

Výsledky experimentu a možnosti aplikace v praxi

Dosud získané výsledky potvrzují, že testovaná fytoextrakční technologie úspěšně odstraňuje z půdy toxické mobilní kadmium akumulací v dřevní biomase především vrbou S2 i na silně zatížené půdě a účinnost technologie by se podařilo ještě zvýšit, pokud by bylo sklízeno i listí, které akumuluje vyšší obsahy tohoto prvku a snadno jej uvolňuje zpět do prostředí.

Sledované parametry byly zejména dva, a to výnos biomasy a tzv. remediační faktor, který představuje procentuální odstranění prvků z půdy. Čím vyšší výnos a remediační faktor, tím je fytoremediace efektivnější. U odstranění olova z takto kontaminované půdy nebyla fytoextrakce příliš efektivní, nicméně výsledky týkající se odstranění kadmia byly velmi slibné. Pokud by klon S2 dosahoval stejných výsledků v odstranění Cd i v následujících obdobích, bylo by množství potřebné k dosažení limitů české legislativy (0,5 mg.kg⁻¹) stanovených lučavkou královskou, odstraněno během 64 let, což je s ohledem na intenzitu kontaminace velmi dobrý výsledek pro zvolenou fytoextrakční technologii (Prouzová a kol. 2023).

Fytoextrakční technologie využívající RRD jsou nejen relativně levné a ohleduplné k životnímu prostředí, protože zanechávají půdu strukturně, chemicky a biologicky nepoškozenou. Ale navíc mají pozitivní vliv na půdní úrodnost, biodiverzitu, sekvestrují uhlík a zcela eliminují i vodní a větrnou erozi, čímž zabraňují úniku polutantů do okolí. Zároveň jsou také z dlouhodobého hlediska ekonomicky návratné, díky možnosti využití dřeva pro materiálové nebo energetické zpracování. 

Vyprodukovaná kontaminovaná biomasa může být například spoluspalována v pecích cementáren, kde se většina RP pevně váže do vznikajícího materiálu nebo může být využita v teplárnách vybavených výkonnými odlučovači pevných částic vznikajících při spalování. Kontaminovanou biomasu lze také využít jako vstupní surovinu pro pyrolýzu. Během pyrolýzního procesu vznikají tři základní produkty: energeticky významný pyrolýzní plyn a olej a tuhý zbytek, biouhel.  Pyrolýzní olej i pyrolýzní plyn je možné využívat jako palivo a oba tyto produkty je také možné rafinací zušlechťovat. Tuhý zbytek – biouhel, může být využit při fytostabilizačních metodách remediace půd, kdy je aplikován do půdy jako stabilní půdní přísada se schopností vázat další kontaminanty v půdě.

Článek shrnuje poznatky vědecké publikace: Prouzová N, Kubátová P, Mercl F, Száková J, Najmanová J, Tlustoš P (2023) Shorter- or longer-term harvest of fast-Growing trees: What is more promising metal phytoextraction. (submitted)

Článek byl publikován v časopisu Biom 2/2023 Alternativní využití biomasy v bioenergetice i k ochraně životního prostředí.

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