Fytoremediace pro plochy kontaminované těžkými kovy

Škodlivé látky se dostávají do základních abiotických složek zemského ekosystému a způsobují jejich znehodnocení. Z abiotiky mohou xenobiotika přicházet do složek biotických, ve kterých se pak pohybují prostřednictvím potravních řetězců. Znečištění životního prostředí postihuje lidskou populaci a je příčinou řady tzv. civilizačních chorob.

Z hlediska negativních účinků na životní prostředí byla sledována zejména kontaminace vody a atmosféry, zatímco kontaminace půdy byla poněkud opomíjena, přestože toto médium bezprostředně souvisí s kvalitou a kvantitou získaných potravních zdrojů. Teprve v posledních letech stoupl zájem o její ochranu. Aktuálním úkolem se stává vývoj dekontaminačních a revitalizačních metod kontaminovaných a devastovaných půd.

Těžké kovy z antropogenní činnosti

Mezi nejvýznamnější anorganické kontaminanty půdy patří těžké kovy. Určité množství těžkých kovů tvoří v půdě tzv. přirozené pozadí související převážně se zvětráváním matečných hornin. Z hlediska celkového objemu těchto látek má však rozhodující význam jejich podíl pocházející z antropogenní činnosti. Jedná se zejména o dopravu a průmyslovou činnost, jako je těžba a úprava nerostných surovin, metalurgická výroba, energetika a v neposlední řadě i zemědělství.

V tomto odvětví se zvláště negativně projevuje aplikace velkého množství průmyslových hnojiv a v některých případech i průmyslově vyráběných kompostů a kalů z čistíren odpadních vod k hnojení, případně využití odpadních kontaminovaných vod k závlahám zemědělských plodin. Proto je velice žádoucí věnovat problematice znečištění půdy látkami tohoto typu zvýšenou pozornost.

Možnost odstranění těžkých kovů z půdy nabízejí mimo jiné i moderní dekontaminační technologie obecně nazývané fytoremediace.(Cunningham, S. D., Berti, W.R., Huang, J.W., 1995, Phytoremediation of contaminated soils, Tibtech. 13: 393-397). Termín fytoremediace je používán pro skupinové označení sanačních postupů, které využívají schopnosti rostlin kumulovat těžké kovy bez závažnějšího poškození jejich metabolismu. Při poněkud přesnějším náhledu je fytoremediace definována jako sanační technologie využívající rostliny k fixaci, akumulaci a rozkladu nebezpečných kontaminantů z životního prostředí (Baker. A. J. M., McGrath, S. P., Sidoli. C. M. D. and Reeves. R. D. 1994 The possibility of in situ heavy metal decontamination of polluted soils using crops of metal-accumulating plants. Resource. Conservation and Recycling 11:41-49).

Rozdělení postupů

Fytoremediační postupy lze v prvním členění rozdělit na fytodekontaminační a fytostabilizační technologie, přičemž za fytodekontaminační postupy můžeme považovat fytoextrakci, fytodegradaci a fytovolatizaci.

*Při fytoextrakci jsou vhodně zvolené rostliny vysety či vysázeny na kontaminovanou plochu, po akumulaci kontaminantu v rostlině sklizeny a dále zpracovány tepelně, mikrobiálně nebo chemicky. Fytoextrakce je velmi často studována právě v souvislosti s kontaminujícími těžkými kovy, kdy se využívá schopnosti některých druhů rostlin kumulovat tyto kovy do relativně vysoké koncentrace bez nepříznivého vlivu na jejich růst. Tyto rostliny se označují jako hyperakumulátory. Při volbě rostlin vhodných pro fytoextrakci se zpravidla posuzuje schopnost akumulovat více druhů kovů, odolávat jejich relativně vysokým koncentracím v zemině a tvořit dostatečné množství biomasy.

*Fytodegradace je metoda, při které rostliny degradují kontaminanty přímo v zemině tak, aby výsledným produktem byly netoxické nebo méně toxické látky. O využití fytodegradace lze v zásadě uvažovat pouze v případě organických kontaminantů (Macek, T., Macková, M., Burkhard, J., Demnerová, K. 1998, Introduktion of Green plants for the control of metals and organics in environmental remediation. In Effluents from Alternative Demilitarization Technologies, ed. F. W. Holm, Kluwer Academic Publishers, pp. 71-84).

*Fytovolatilizace je postup, při kterém jsou kontaminanty převáděny do formy par, které mohou být následně ze zeminy odstraňovány. Aplikace tohoto postupu připadá v úvahu rovněž nejčastěji v souvislosti s organickými kontaminanty. Ze skupiny těžkých kovů se jedná zejména o rtuť.

*Fytostabilizace je metoda, při které rostliny stabilizují kontaminanty ve svých orgánech pomocí redoxních přeměn, převádějí kontaminanty do nerozpustné formy a zabudovávají je do rostliných struktur.

Výběr vhodné rostliny

Pro studium, případně praktickou aplikaci techniky fytoremediace, je naprosto zásadní výběr vhodného typu rostlinného hyperakumulátoru (Špirochová I., Punčochářová J., Kafka Z., Kubal M., Soudek P. a Vaněk T., A study of accumulation of heavy metal by in vitro culture of plants, COST Action 837 First Scientific Workshop April 2000, Crete, Greece). Výzkumy prováděné v minulosti prokázaly vysoký fytoremediační potenciál u poměrně širokého spektra rostlin, u kterých jsou v této souvislosti vyžadovány následující vlastnosti:

*absorbovat vysoké hladiny kovů (bez negativního dopadu na samotnou rostlinu),

*absorbovat více kovů (bez negativního dopadu na samotnou rostlinu),

*koncentrovat kovy do skliditelné části rostliny.

Při studiu fytoremediačních postupů je důležité soustředit se na rostliny, které jsou známé rychlým nárůstem biomasy a malou náročností na podmínky růstu a jejichž agrotechnický postup pěstování je již znám. Příkladem takových rostlin mohou být například slunečnice, kukuřice, hořčice, vojtěška, konopí a laskavec.

Experimenty

Pro posouzení fytoremediačního potenciálu slunečnice a kukuřice v reálných podmínkách byla využita část areálu podniku SVA Holýšov, kde byla v rámci privatizace zjištěna stará ekologická zátěž předpokládající sanační zásah. Pro fytoremediační experimenty (Špirochová I., Punčochářová J., Kafka Z., Kubal M., Soudek P. a Vaněk T., Kumulace těžkých kovů v rostlinách rostoucí na kontaminované lokalitě, Biodegradace, Seč u Chrudimi, březen 2001) byly vybrány dvě plochy o velikosti 3 x 3 m. Obě tyto plochy byly zryty do hloubky přibližně 50 cm a v rámci možností odstraněny všechny původní rostliny, včetně kořenů. Z každé plochy bylo odebráno osm vzorků zeminy, ze kterých byl připraven průměrný vzorek pro analýzu. Celkové obsahy sledovaných těžkých kovů v průměrném vzorku zeminy a koncentrace ve standardně provedeném vodném výluhu jsou uvedeny v tab. 1.

Na takto upravených experimentálních plochách byly vysazeny předpěstované sazenice kukuřice a slunečnice (na každou plochu bylo vysazeno 20 slunečnic a 20 kukuřic). Po čtyřech měsících růstu (kdy nebylo do podmínek na experimentálních plochách nijak zasahováno) byly rostliny sklizeny a sušeny. Pak byly separovány na jednotlivé části, tj. kořen, stonek, list a květ. Jednotlivé části byly rozdrceny, rozpuštěny v 2% kyselině dusičné a metodou atomové absorpční spektrometrie stanoven obsah těžkých kovů.

Překvapivé výsledky

Výsledky stanovení těžkých kovů v jednotlivých částech rostlin jsou pro obě experimentální plochy uvedeny v tab. 2 a 3. Tyto výsledky jsou překvapivé zejména tím, že nekorelují s výskytem zinku a olova na zvolených experimentálních plochách. Jestliže obsah zinku na ploše 2 byl přibližně čtyřicetkrát větší než obsah na ploše 1 (podobné proporce platí i pro vodné výluhy), bylo by možné očekávat, že kumulace zinku v rostlinném materiálu bude u plochy 2 výrazně vyšší. Oproti tomuto očekávání byla však na ploše 2 pro kukuřici a slunečnici zjištěna řádově nižší kumulace zinku.

Podobně neočekávané výsledky byly zjištěny i v případě olova, kdy se výrazně odlišné koncentrace olova v zeminách zásadně neodrazily na intenzitě kumulace. Tyto poněkud překvapivé výsledky naznačují, že koncentrace kontaminujícího kovu v zemině (nebo v půdní vodě) nemusí být základním faktorem ovlivňujícím intenzitu kumulace kovu v rostlině. V případě výše popsaných experimentů byly výsledky pravděpodobně ovlivněny dalšími faktory, které se nepodařilo definovat (intenzita zavlažování, intenzita slunečního záření, kvalita půdy atd.).

Z výsledků uvedených v tab. 2 a 3 dále vyplývá, že těžké kovy jsou v rostlině distribuovány velmi nerovnoměrným způsobem. Výrazně vyšší koncentrace byla zjištěna v listu oproti květu a stonku. Tato tendence zabudovat kontaminant v určitých částech rostliny je z hlediska jejího životního cyklu logická.

Z porovnání relativně vysoké koncentrace zinku a olova v rostlinné hmotě s rovnovážnými koncentracemi těchto kovů v půdní vodě je pravděpodobné, že příjem těchto kovů nastává spíše aktivní než pasivní cestou. Pojem aktivní cesta naznačuje mechanismus, kdy rostlina nejprve v prostoru kořenu lokálně zvyšuje koncentraci kovů, které pak následně přijímá.

Výsledky uvedeného experimentu naznačují, že fytoremediace může být jednou z šetrných sanačních metod, která není náročná finančně a při aplikaci nemá negativní vliv na okolí, ve kterém se jako dekontaminační technologie používá.

(Tento experiment je finančně podporován COST projekt No. 837.10, grant AV ČR projekt No. A6055902.)

Zdeněk Kafka, Ivana Kališová(Špirochová),

Ústav chemie ochrany prostředí,

VŠCHT

Petr Soudek, Tomáš Vaněk,

Oddělení rostlinných explantátů,

Ústav organické chemie a biochemie AV ČR