První zkušenosti s využitím poloprovozního kombinovaného bioreaktoru k odstraňování pesticidů ze zemědělských smyvů

Denitrifikační bioreaktory jsou relativně jednoduchá pasivní zařízení podporující přirozený proces denitrifikace a v zahraničí se již řadu let využívají k odstraňování dusičnanů ze zemědělského smyvu. V roce 2023 byl v Němčicích v Jihomoravském kraji spuštěn poloprovozní bioreaktor o objemu 4.2 m³ naplněný topolovou štěpkou, ze kterého jsou pravidelně odebírány a analyzovány vzorky ke zjištění, zda je možné toto zařízení používat nejen ke snižování koncentrace dusičnanů, ale také pesticidních látek. Souběžně jsou prováděny laboratorní testy k ověření vlivu vybraných pesticidních látek na účinnost denitrifikace. Ve vzorcích z poloprovozního bioreaktoru bylo identifikováno okolo 360 pesticidních látek, přičemž bylo dosaženo snížení jejich celkové koncentrace až o 70 %. V doposud provedených laboratorních testech nebyl prokázán vliv pesticidních látek na denitrifikaci.

Klára Novotná. Karel Hrich, Jitka Malá, Zuzana Bílková

Denitrifying bioreactors are relatively simple passive systems that support the natural denitrification process and have been used abroad for many years to remove nitrate from agricultural runoffs. At Němčice in the South Moravia region, a 4.2 m³ pilot plant bioreactor filled with poplar wood chips was installed in 2023. From this bioreactor samples are regularly taken and analysed to determine whether the plant can be used to reduce not only nitrate concentrations but also pesticide concentrations. Concurrently laboratory tests are being carried out to verify the effect of selected pesticides on the effectiveness of denitrification. Approximately 360 pesticides have been identified in samples from the pilot plant bioreactor, with reductions in total concentration of up to 70%. Laboratory tests to date have not shown any effect of pesticides on denitrification.

denitrifikační bioreaktor, pesticidy, udržitelné zemědělství, Němčice

Úvod

V rámci výzkumného projektu TAČR SS06020006 Komplexní zhodnocení kontaminace půd pesticidními látkami a in-situ remediační opatření k eliminaci jejich vstupu do podzemních vod se řešitelé zabývají využitím technologie denitrifikačních bioreaktorů v podmínkách České republiky. Nejčastěji se jedná o výkop s náplní na bázi dřeva, který se buduje na okraji zemědělských ploch k podpoře přirozeného procesu denitrifikace – tedy přeměně dusičnanů (NO₃^-) na plynný dusík (N₂), který se následně uvolňuje do ovzduší [1]. Jde o relativně jednoduchou, pasivní technologii, která je v USA zařazena mezi oficiálními strategiemi pro snižování obsahu nutrientů v životním prostředí [2]. Případové studie jsou dále dostupné z Austrálie či Nového Zélandu, v Evropě probíhá výzkum (např. Dánsko, Německo, Litva) [3].

Kromě dusičnanů se však ve vodách odtékajících ze zemědělsky obhospodařovaných ploch vyskytují také vysoké koncentrace pesticidních látek a veterinárních léčiv. Předchozí studie naznačují, že by tyto látky mohly být v denitrifikačním bioreaktoru odstraňovány biodegradací a/nebo sorpcí na jeho náplň [5][6][7]. Kromě odstranění mateřských látek však může v bioreaktoru docházet ke vzniku jejich metabolitů, potenciálně toxičtějších, než byla původní sloučenina [8].

Vlastní výzkum

Jednotlivá řešitelská pracoviště projektu se zabývají monitoringem výskytu pesticidů v půdách a vodách ČR či mikrobiologickými rozbory náplně a vody v denitrifikačním bioreaktoru. V následujícím textu bude popsán poloprovozní bioreaktor a laboratorní testy probíhající na Ústavu chemie FAST VUT.

Poloprovozní bioreaktor

V katastru obce Němčice (okres Blansko) byl v experimentálním povodí Výzkumného ústavu meliorací a ochrany půd (VÚMOP) navržen a vybudován poloprovozní denitrifikační bioreaktor. Jedná se o povodí kontinuálně sledované od roku 2005, intenzivně zemědělsky využívané, jehož část je odvodněna drenáží zaústěnou do bezejmenného pravostranného přítoku Němčického potoka (ID v CEVT 10 208 425).

Zájmová oblast náleží do povodí Sloupského potoka, které bylo identifikováno jako dotační zázemí pro systém Punkvy a Lopače v Moravském krasu. V rámci celého krasu se jedná o více než 300 km² povodí toků, kterými je ponory vnášeno znečištění do podzemních systémů (tzv. alochtonní doplňování vody) [11].

Poloprovozní denitrifikační bioreaktor byl v lokalitě spuštěn 5. 10. 2023. Tomu předcházelo vypracování návrhu, výstavba a instalace měřicích zařízení. Základem je na míru vyrobená plastová válcová nádrž o objemu cca 5 m³, umístěná na pravém břehu bezejmenného toku v blízkosti měrného profilu VÚMOP. Samotný měrný profil je vybaven Thompsonovým měrným přelivem, ultrazvukovou měřicí sondou a datovou stanicí FIEDLER kontinuálně měřící průtok vody v toku, teplotu a srážky. Automatický vzorkovač ISCO odebírá vzorky vody z toku při srážkoodtokových událostech (v závislosti na průtoku).

Z bezejmenného toku je voda do bioreaktoru přiváděna kontinuálně gravitačně potrubím – ke vzedmutí hladiny v toku byla cca 100 m proti proudu toku vybudována hrázka. Ve vnitřních bocích nádrže jsou dvě oddělené komory bez štěpky sloužící k přívodu a odvodu vody a k instalaci měřicí techniky. Dále jsou v nádrži vnitřní rozvody vody, vnitřní instalace prostupů pro odběr vzorků vody z hloubek 30, 60 a 90 cm a senzory pro sledování jakosti vody v totožných hloubkách. Ve venkovním uzamykatelném boxu jsou umístěny kohouty pro odběr vzorků vody z různých hloubek nádrže a elektroinstalace měřicí techniky. Nádrž je naplněna štěpkou z japonského topolu – stejný typ náplně, který je používán při laboratorních testech.

Bioreaktor je osazen následující měřicí technikou: datovou stanicí FIEDLER; 3x sondou pH a 3x sondou ORP (oxidačně-redukční potenciál) – v hloubkách 30 cm, 60 cm a 90 cm; sondou k měření koncentrace rozpuštěného kyslíku na výstupu z bioreaktoru; hydrostatickým ponorným hladinoměrem a kontinuálním vzorkovačem ISCO. K zajištění elektrického proudu potřebného pro provoz měřicích zařízení byl instalován v blízkosti bioreaktoru solární panel. Měřené parametry jsou datovou stanicí odesílány do webového prostředí a je tak možný jejich on-line monitoring. Odběr vzorků vody k dalším rozborům je prováděn zpravidla 1x týdně – jedná se jak o bodové vzorky na přítoku a odtoku z bioreaktoru tak slévané vzorky. Sledované parametry jsou následující: pH, konduktivita, chemická spotřeba kyslíku (CHSK_Cr), biochemická spotřeba kyslíku (BSK₅), koncentrace dusitanového dusíku (N-NO₂), dusičnanového dusíku (N-NO₃), Kjeldahlův dusík (N-N_KJ), amoniakální dusík (N-NH₄), celkový fosfor (P_C) a koncentrace pesticidů a jejich metabolitů.

Laboratorní test

Ve výzkumných laboratořích Ústavu chemie FAST VUT jsou prováděny 28denní semikontinuální laboratorní testy k ověření využitelnosti denitrifikačních bioreaktorů k souběžnému odstraňování pesticidních látek a dusičnanů. Jak bylo popsáno výše – dusičnany jsou již léta v denitrifikačních bioreaktorech zejména v USA odstraňovány, avšak o osudu pesticidních látek je prozatím nemnoho informací.

Testy jsou prováděny podle metodiky [12] vyvinuté také na Ústavu chemie FAST VUT. Test probíhá souběžně v patnácti dvoulitrových lahvích po dobu 28 dní a vždy je testována jedna vybraná pesticidní látka. Lahve jsou rozděleny do tří skupin – do skupiny T1 je přidána testovaná pesticidní látka, do skupiny T2 je přidána pesticidní látka a látka sloužící k inhibici denitrifikace (chlorid rtuťnatý) a skupina C je kontrolní bez přídavku těchto látek.

Ke konci října 2024 bylo v rámci řešeného projektu provedeno šest 28denních testů – dva s metolachlorem (herbicid), dva s metazachlorem (herbicid) a po jednom s glyfosátem (herbicid) a tebuconazolem (fungicid).

Dále byl v červnu 2024 proveden 24hodinový adsorpční test k ověření, zda a jak rychle dochází k adsorpci pesticidních látek na náplň bioreaktoru – tento test proběhl s metolachlorem a jeho metabolity.

Výsledky

Zásadními provozními parametry denitrifikačního bioreaktoru jsou teplota a koncentrace rozpuštěného kyslíku. Vzhledem k tomu, že je denitrifikace biologický proces, s klesající teplotou její účinnost klesá a při teplotách pod 5 °C se proces zastavuje [13]. Denitrifikační bakterie jsou převážně fakultativně anaerobní, tedy k respiraci primárně využívají rozpuštěný kyslík, pokud ten není dostupný, pak přecházejí na využití dusičnanů. Do poloprovozního bioreaktoru v Němčicích přitékala v době od října do listopadu 2023 a po zimní odstávce od února do května 2024 voda o teplotě 0.2–11.6 °C. Průběh účinnosti denitrifikace v zásadě odpovídal průběhu teploty – na podzim s poklesem teploty a nárůstem koncentrace rozpuštěného kyslíku klesla účinnost denitrifikace z 80 % až k 10 %. Po zimní odstávce opět s měnící se teplotou vody na přítoku docházelo ke změně účinnosti denitrifikace, přičemž nejvyšší účinnosti (84 %) bylo dosaženo začátkem května 2024 při teplotě 12 °C.

Na obrázku 5 je zobrazena sumární koncentrace pesticidních látek na vstupu do bioreaktoru a celková účinnost jejich odstranění. Na dalších obrázcích (6 a 7) jsou pak znázorněny koncentrace pesticidů a jejich metabolitů vyskytujících se v nejvyšších koncentracích na vstupu a výstupu z bioreaktoru, přičemž celkem bylo identifikováno okolo 360 pesticidních látek (mateřských látek i jejich metabolitů). Pokud je koncentrace sledované látky na vstupu do bioreaktoru vyšší než na výstupu, pak lze předpokládat, že dochází k sorpci na náplň bioreaktoru, případně i k jejich rozkladu. Z obrázků je patrné, že v případě látky AMPA (kyselina aminomethanfosfonová) je pravidelně na výstupu zjišťovaná vyšší koncentrace, než na vstupu – dochází tedy k uvolňování této látky z náplně bioreaktoru. Tuto skutečnost lze vysvětlit tím, že se k ošetření topolů, které byly použity jako náplň bioreaktoru, používá herbicid glyfosát, jehož metabolitem je právě AMPA [14].

V rámci provedených laboratorních testů nebyl prokázán vliv zkoušených pesticidních látek na denitrifikaci. U glyfosátu byl abiotický úbytek minimální – sorpce na štěpku byla velmi nízká. Metabolit AMPA (jehož koncentrace na odtoku z poloprovozního bioreaktoru je vyšší, než na přítoku do něj), byl zjištěn i v lahvích s chloridem rtuťnatým, tedy v těch, ve kterých byly touto látkou biologické procesy potlačovány.

U metolachloru a metazachloru se adsorpce na štěpku pohybovala v rozmezí cca 40-50 %, u tebuconazolu pak až téměř 90 %. V lahvích, ve kterých probíhala denitrifikace byly na konci testu detekovány metabolity MET-OA (metolachlor) a METAZ-OA, resp. METAZ-479M09 (metazachlor). U tebuconazolu jeho metabolity zaznamenány nebyly.

24hodinový adsorpční test naznačil, že se metolachlor za denitrifikačních podmínek na dřevní štěpku velmi rychle adsorbuje, což vzhledem k delší době zdržení v bioreaktoru může napomoct jeho biochemickému rozkladu.

Závěr

Dosavadní výsledky z poloprovozního bioreaktoru v Němčicích ukazují, že celkové koncentrace pesticidních látek na výstupu z bioreaktoru jsou nižší, než na vstupu do něj – tedy bioreaktor je k tomuto účelu využitelný. Odběry a vyhodnocení vzorků z lokality nadále probíhají.

V rámci laboratorních testů nebyl prokázán negativní vliv pesticidních látek na denitrifikaci, byla také zjišťována míra adsorpce těchto látek na náplň bioreaktoru či vznik metabolitů. Taktéž laboratorní testy s vybranými pesticidními látkami budou dále probíhat.

Literatura

1. WEGSCHEIDL, Carla a Rhianna ROBINSON. Using denitrifying bioreactors to improve water quality on Queensland farms. 2022.

2. CHRISTIANSON, Laura E. a Louis A. SCHIPPER. Moving Denitrifying Bioreactors beyond Proof of Concept: Introduction to the Special Section. Journal of Environmental Quality [online]. 2016, 45(3), 757–761. ISSN 15372537. Dostupné z: doi:10.2134/jeq2016.01.0013

3. NOVOTNÁ, Klára. Optimalizace návrhu provozního denitrifikačního bioreaktoru. Brno, 2024. diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav chemie.

4. STAUDT. Pumping up denitrification benefits in bioreactors. FarmProgress [online]. 17. duben 2022 [vid. 2024-11-13]. Dostupné z: https://www.farmprogress.com/technology/pumping-up-denitrification-benefits-in-bioreactors

5. ASLAN, Şükrü. Combined removal of pesticides and nitrates in drinking waters using biodenitrification and sand filter system. Process Biochemistry [online]. 2005, 40(1), 417–424 [vid. 2024-11-12]. ISSN 1359-5113. Dostupné z: doi:10.1016/J.PROCBIO.2004.01.030

6. CESAR, Andrea a Milenko ROŠ. Long-term study of nitrate, nitrite and pesticide removal from groundwater: A two-stage biological process. International Biodeterioration & Biodegradation [online]. 2013, 82, 117–123 [vid. 2024-11-12]. ISSN 0964-8305. Dostupné z: doi:10.1016/J.IBIOD.2012.11.015

7. KRAUSE CAMILO, B., A. MATZINGER, N. LITZ, L. P. TEDESCO a G. WESSOLEK. Concurrent nitrate and atrazine retention in bioreactors of straw and bark mulch at short hydraulic residence times. Ecological Engineering [online]. 2013, 55, 101–113 [vid. 2024-11-12]. ISSN 0925-8574. Dostupné z: doi:10.1016/J.ECOLENG.2013.02.010

8. DE SOUZA, Renata Mariane, Daiana SEIBERT, Heloise Beatriz QUESADA, Fátima DE JESUS BASSETTI, Márcia Regina FAGUNDES-KLEN a Rosângela BERGAMASCO. Occurrence, impacts and general aspects of pesticides in surface water: A review. Process Safety and Environmental Protection [online]. 2020, 135, 22–37 [vid. 2024-11-12]. ISSN 0957-5820. Dostupné z: doi:10.1016/J.PSEP.2019.12.035

9. SEZNAM.CZ. mapy.cz [online]. 2024 [vid. 2024-11-13]. Dostupné z: https://mapy.cz/turisticka

10. VÝZKUMNÝ ÚSTAV MELIORACÍ A OCHRANY PŮD. Přehledka zájmového povodí včetně polohy měrného profilu a bioreaktoru. 2024.

11. KOTYZOVÁ, Marie. Zranitelnost CHKO Moravský kras. B.m.: příspěvek na konferenci „Výskyt pesticidů na území ČR a jejich eliminace ve zranitelných oblastech", FAST VUT v Brně, 7. 12. 2023. 2023

12. PÁNIKOVÁ, Kristína, Gabriele WEIGELHOFER, Zuzana BÍLKOVÁ a Jitka MALÁ. Denitrification Assays for Testing Effects of Xenobiotics on Aquatic Denitrification and Their Degradation in Aquatic Environments. Water (Switzerland) [online]. 2023, 15(14). ISSN 20734441. Dostupné z: doi:10.3390/w15142536

13. GERARDI, Michael H. Nitrification and Denitrification in the Activated Sludge Process [online]. B.m.: Wiley, 2002. ISBN 9780471065081. Dostupné z: doi:10.1002/0471216682

14. ZHANG, Qi, Yanan LI, Carolien KROEZE, Wen XU, Lingtong GAI, Miltiadis VITSAS, Lin MA, Fusuo ZHANG a Maryna STROKAL. A global assessment of glyphosate and AMPA inputs into rivers: Over half of the pollutants are from corn and soybean production. Water Research [online]. 2024, 261, 121986. ISSN 00431354. Dostupné z: doi:10.1016/j.watres.2024.121986.

Autoř/Author

Klára Novotná, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav chemie, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Karel Hrich, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav chemie, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Jitka Malá, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav chemie, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Zuzana Bílková, ALS Czech Republic, s.r.o, Na Harfě 336/9, 190 00 Praha 9, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Poděkování/Acknowledgements

Příspěvek byl zpracován v rámci projektu SS06020006 Komplexní zhodnocení kontaminace půd pesticidními látkami a in-situ remediační opatření k eliminaci jejich vstupu do podzemních vod podpořeného Technologickou agenturou ČR.

Bibliografická citace/Citation

Novotná, K., Hrich, K., Malá, J., Bílková, Z. První zkušenosti s využitím poloprovozního kombinovaného bioreaktoru k odstraňování pesticidů ze zemědělských smyvů. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 24.11.2024, 11/2024, [cit. 2024-11-24]. Dostupný z www: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.