Zlepšování kvality a snižování obsahu rizikových prvků zemědělských půd v nivě Litavky

Přehled současného vědeckého poznání ve vztahu k dekontaminaci předmětné lokality:

V České republice se nachází několik oblastí vyznačujících se zvýšeným obsahem potenciálně toxických prvků v půdě až na hodnoty, kdy hrozí reálné riziko kontaminace zemědělské produkce, a tedy i ohrožení zdraví lidí. Vysoká úroveň atmosférické depozice převážně lithogenních prvků je v oblastech s vysokou koncentrací těžebního, hutního a metalurgického průmyslu. Mezi nejvíce poškozené oblasti ČR patří Příbramsko.  V oblasti byly těženy a zpracovávány polymetalické rudy Pb-Ag-Zn (Ettler et al., 2007; Vaněk et al., 2005). a ke kontaminaci oblasti došlo především atmosférickou depozicí rizikových prvků. Mezi léty 1970 a 1982 produkoval závod emise v množství mezi 200 až 400 t olova ročně (Rieuwerts et al., 1999). Na počátku 80. let minulého století se začalo více pohlížet na ochranu životního prostředí. Byl postaven 160 m vysoký komín s kvalitním odlučovacím zařízením. V letech 1983 - 1989 došlo ke snížení emisí olova na 15 - 36 t/rok (Rieuwerts et al., 1999, Kalač et al., 1991). Vysoký obsah rizikových prvků v půdě je umocněn i jejich zvýšeným obsahem v geologickém podloží. Kromě bezprostředního okolí zdroje znečištění (Kovohutě Příbram, a. s.) se vyskytují velmi vysoké  koncentrace některých nežádoucích prvků i v naplaveninách v povodí Litavky, kde byly v dřívějších dobách soustředěny proplachovny rud. Dalším zdrojem kontaminace Zn, Cd a Cu v půdě jsou pak k erozi náchylné haldy hutního materiálu situované mimo závod (Rieuwerts et al., 1999).

Na některých místech v této oblasti dosahují obsahy prvků extrémních hodnot, které překračují mnohonásobně přípustné limity těchto prvků v půdách. Šichorová et al. (2004) podrobně monitorovali obsahy prvků v orné půdě a na trvalých travních porostech v dané oblasti a zaznamenali, že obsahy Cd ve svrchní vrstvě půdy dosahovaly hodnot až 13 mg/kg a v případě Pb pak 2500 mg/kg. Ve spodních vrstvách půdy (v hloubce 40-60 cm) pak byly obsahy těchto prvků významně nižší, v případě Cd byla maximální hodnota 6 mg Cd/kg a v případě olova 400 mg Pb/kg. Tato skutečnost potvrzuje, že hlavním zdrojem extrémní kontaminace oblasti je depozice výše zmíněných emisí. Na některých místech ale byly nalezeny výjimečně vysoké obsahy prvků, které dosahovaly hodnot 4500 mg/kg Pb, 8700 mg/kg Zn a 68 mg/kg Cd (Vaněk et al. 2005). Tyto půdní podmínky již vykazují značný stupeň fytotoxicity (Fuksová et al., 2009), přičemž kritickým prvkem v tomto případě je zinek, který má rozhodující vliv na růst a vývoj rostlin rostoucích na těchto půdách (Vysloužilová et al., 2003).

Vysoké obsahy prvků v půdách se odrážejí na jejich obsahu ve vegetaci včetně zemědělských plodin. Šichorová (2007) zjistila například, že maximální přípustný obsah Cd v obilninách určených potravinářským účelům byl překročen na lokalitách s obsahem Cd v půdě vyšším než 1 mg/kg, což byla většina odběrových míst. Při obsazích Cd v půdě nad 4 mg/kg byl u slámy kukuřice překročen závazný limit pro krmiva rostlinného původu a rostliny z těchto pozemků tedy není vhodné využívat k silážování. Lze shrnout, že z hlediska obsahů prvků v rostlinách nelze na kontaminovaných lokalitách doporučit pěstování obilnin ani řepky pro potravinářské využití. Tam, kde nejsou dosaženy extrémně vysoké obsahy Cd a Pb, je možné doporučit pěstování ječmene a kukuřice jako krmných surovin (Šichorová 2007). Vysoké obsahy prvků v půdě a v rostlinách pak vedou k průniku rizikových prvků do potravních řetězců. Například Mukhtorova et al. (2019, 2023) zaznamenali zvýšené obsahy Cd, Pb, Zn v organismu různých druhů hmyzu a suchozemských plžů, přičemž obsahy těchto prvků v živočišných tkáních odrážely obsahy prvků v půdě. Je tedy zřejmé, že situace v dané oblasti je dlouhodobě neudržitelná a vyžaduje sanační zásah.

Pro odstraňování různých typů kontaminantů existují technologie fyzikální, chemické a biologické. Mezi fyzikální metody patří vitrifikace (solidifikace do skelných materiálů), enkapsulace (obalení kontaminantů nepropustným nebo velmi málo propustným materiálem), promývání půdy (extrakce půdy) a elektrokinetika. Chemické metody zahrnují například neutralizaci půdy, solidifikaci (promíchání s nepropustným materiálem), in situ stabilizaci (vytvoření nerozpustných sloučenin aplikacemi do půdy) a další technologie. Tyto tradiční metody sanace půdy jsou ale velmi drahé a mají za následek zhoršení kvality a úrodnosti půdy, nebo její úplné znehodnocení. Těmito metodami dochází také k významnému zásahu do krajinného rázu. Z těchto důvodů se v posledních letech stále více dostávají do popředí alternativní metody, mezi které patří i fytoremediace (Pilon - Smits 2005). Fytoremediace je definována jako využití zelených rostlin, a s nimi asociovaných mikroorganismů, půdních doplňků a agronomických technik pro odstranění či transformaci kontaminantů z životního prostředí (Soudek et al. 2008). V případě rizikových prvků je pak významná zejména tzv. fytoextrakce, která předpokládá, že rostlina je schopna prvek přijmout kořenovým systémem a transportovat ho do nadzemní biomasy, která je následně sklizena a z pozemku odstraněna. Opakovaná sklizeň kontaminované biomasy pak následně vede k postupnému snížení obsahu rizikového prvku v půdě. 

Jedním z klíčových parametrů úspěšné fytoextrakce je volba vhodného druhu rostliny. Příjem rizikových prvků rostlinami závisí na mnoha faktorech, mezi které patří například chemické vlastnosti konkrétního prvku, půdní typ, fyzikálně-chemické vlastnosti půdy, způsob ošetřování půdy, klimatické podmínky a mnoho dalších. Důležitým faktorem je ale i schopnost rostliny jako takové přijímat rizikové prvky, kdy zaznamenáváme významné mezidruhové rozdíly. Dle této vlastnosti můžeme rostliny dělit na tzv. exkludory, indikátory a akumulátory. Exkludory jsou rostliny vybavené mechanismy omezujícími příjem kovů do rostlin i při jejich velmi vysoké koncentraci. U indikátorů pak pozorujeme, že obsah prvků v biomase je přímo úměrný obsahu v těchto prvků v půdě. Tyto rostliny velmi citlivě reagují na zvýšené koncentrace prvků v půdě a můžeme mezi ně zařadit většinu zemědělských plodin. Akumulátory lze charakterizovat jako rostlinné druhy, které snadno kumulují rizikové prvky v nadzemní biomase, a mají tendenci je akumulovat i v případě, že obsah těchto prvků v půdě je nízký (Baker, 1987, Kabata-Pendias a Pendias, 2001).

Zvláštní skupinou jsou pak tzv. hyperakumulátory, tedy rostliny s extrémní schopností přijímat rizikové prvky. Van der Ent et al. (2013) definovali následující hraniční obsahy prvků v biomase, u kterých lze daný druh označit za hyperakumulátor: 100 mg/kg u Cd, 1000 mg/kg u Pb; 3000 mg/kg v případě Zn. V současné době je známo více než 450 druhů hyperakumulátorů. Tyto druhy jsou také intenzivně studovány z hlediska jejich možného využití pro fytoextrakci prvků z kontaminované půdy. Tlustoš et al. (2016) zjistili, že hyperakumulátory penízek modravý (Noccaea caerulescens) a huseníček Hallerův (Arabidopsis halleri) odebraly za sezónu v reálných podmínkách 0,2-4,1% Cd a 0,004-0,20 % Zn z celkového obsahu těchto prvků v půdě. Tyto rostliny se tedy zdají být vhodné pro fytoextrakci, ale pozorujeme u nich několik významných omezení, z hlediska jejich praktického využití. Jedná se o rostliny drobné s malou tvorbou biomasy, obtížně skliditelné pomocí mechanizace a obtížně kultivovatelné ve velkých plochách.

Pro praktické využití je tedy třeba uvažovat o jiných druzích rostlin. Takových, které vyprodukují ročně velké množství biomasy, mají mohutný kořenový systém, který umožní "odčerpávat" prvky z velkého objemu půdy, a jejich porost je možno sklízet a ošetřovat pomocí mechanizace. Z početných testovaných druhů rostlin se  pro fytoextrakci kovů jako Cd a Zn velmi dobře osvědčily zejména rychle rostoucí dřeviny, např. vrby (Salix spp.) a topoly (Populus spp.), jež velmi dobře snáší střední koncentrace znečištění (Jensen et al., 2009) Optimální potenciál rostlin pro extrakci rizikových prvků závisí na výběru vhodných hybridů, jež kombinují vlastnosti jako je vysoká schopnost akumulace těžkých kovů, jejich dostatečná tolerance a vysoká tvorba biomasy. Fischerová et al. (2006) potvrzují, že vrby jsou velmi schopnými akumulátory Cd a Zn, naopak topoly hromadí o něco více Pb než vrby a jsou v našich podmínkách lepšími producenty biomasy.

Výhody rychle rostoucích dřevin pro účely fytoextrakce potvrzuje řada autorů (Pulford a Watson, 2002, Saxena et al., 1999, Klang-Westin a Eriksson, 2003). Poblíž obce Podlesí na Příbramsku, na půdě středně kontaminované Cd, Pb a Zn byla již založena pokusná plantáž vrb a topolů, kde je sledována dlouhodobě fytoextrakční účinost těchto druhů. Dosud zde byla hodnocena rychlost růstu pokusných rostlin, výnosy biomasy, odběr sledovaných prvků z půdy i jejich distribuce v rostlině v závislosti na složení půdy a aplikovaných stabilizačních opatřeních. Výsledky, které shrnovaly sledované faktory po 4 a 6 sezónách pěstování byly již publikovány a jsou zejména v případě fytoextrakce kadmia velmi slibné (Zárubová et al. 2015, Kubátová et al. 2016, 2018). Nevýhodou rychle rostoucích dřevin je omezená tolerance k vysokým obsahům rizikových prvků, přičemž v extrémně kontaminovaných substrátech je významně omezen vývoj rostlin, čímž se snižuje i účinnost fytoextrakce. Možným postupem, jak usnadnit růst těchto rostlin v extrémně kontaminované půdě je aplikace stabilizujících materiálů, které sníží koncentraci kontaminantů v půdním roztoku, a tím i jejich dostupnost pro rostliny (Kumpiene et al., 2008).

Jak již bylo zmíněno, v rámci fytoextrakce vzniká velké množství rostlinné biomasy, kterou je třeba z pozemku odstranit a dále zpracovat aby nedocházelo k opětovnému uvolňování prvků do půdy. Například Břendová et al. (2018) ukázali v  laboratorních pokusech, že může docházet k louhování prvků z uskladněné biomasy například působením deště. Biomasa rychle rostoucích dřevin může najít vhodné uplatnění jako energetická plodina a být tedy využita pro produkci obnovitelné energie. V případě, že tato biomasa pochází z fytoextrakčního projektu, jedná se o efektivní způsob zmenšení objemu kontaminovaného materiálu a zakoncentrování rizikových prvků v popelu po spálení (uvádí se, že po spálení biomasy zůstane jen asi 1 - 3 % původního objemu biomasy v podobě popela (Keller et al. 2005). V tomto případě je pak nezbytné,  aby během spalování nedocházelo k emisím prvků  do ovzduší, ale aby tyto prvky byly kvantitativně zachyceny v popelu. Během spalování současně vzniká velké množství obnovitelné energie, která nabízí celou řadu využití.

Koncentrace prvků v popelu jsou pak velmi vysoké a lze uvažovat o jejich opětovném získání a využití. Metody, které se věnují "těžbě" prvků z rostlinného popela jsou označovány jako fytomining. Tyto metody zahrnují pěstování rostlin s co nejvyšším fytoextrakčním potenciálem na kontaminované půdě, spálení sklizené biomasy a následně extrakci prvků z popela, například roztokem silných minerálních kyselin, následuje srážení prvků uvolněných do roztoku, filtrace a přečištění získaného prvku (Hazotte et al. 2017). Metody byly zatím testovány zejména za účelem získání zlata, niklu nebo prvků vzácných zemin (Dang a Li 2022, Dinh et al. 2022), ale byla popsána i extrakce Cd z popela po spalování hyperakumulátoru Noccaea caerulescens (Hazotte et al. 2017).