Schopnost rychle rostoucích dřevin akumulovat rizikové prvky

Ing. Pavla Zárubová

Disertační práce

Ability of fast growing trees to accumulate risk elements

Anotace:

Úvod:Fytoextrakce je remediační metoda, při níž rostliny akumulují kontaminanty ve svých pletivech a tak je odstraňují z půdy. Účinnost fytoextrakce závisí kromě typu substrátu na vlastnostech rostlin, jako jsou schopnost akumulovat a transportovat rizikové prvky do nadzemních částí, rychlý růst a hluboký, rozvětvený kořenový systém. Právě tyto vlastnosti mají rychle rostoucí dřeviny z rodu Salix spp. a Populus spp. A proto mohou být vhodnými rostlinami pro fytoextrakci, především na mírně a středně kontaminovaných půdách. Schopnost rychle rostoucích dřevin akumulovat rizikové prvky a hodnocení účinnosti fytoextrakce je zpravidla realizováno na základě výsledků nádobových nebo laboratorních experimentů, ale výsledky studií z polních pokusů v delším časovém období chybějí v evropském i celosvětovém měřítku. V této disertační práci byly zkoumány klony rychle rostoucích dřevin z rodu Salix a Populus pro použití k fytoextrakci půd kontaminovaných rizikovými prvky, pěstované v systému výmladkových plantáží s krátkou dobou obmýtí.Cílem výzkumu prezentovaného v této studii bylo prověřit následující:1) Výnos biomasy a distribuci prvků v dřevě a kůře rychle rostoucích dřevin s ohledem na stáří výhonu.2) Výnos biomasy, akumulaci a odstranění rizikových prvků (Cd, Pb a Zn) rychle rostoucími dřevinami při aplikaci čistírenského kalu.3) Potenciální vliv termínu sklizně biomasy na odstranění rizikových prvků rychle rostoucími dřevinami.4) Vliv délky obmýtí na odstranění rizikových prvků rychle rostoucími dřevinami.5) Možné ztráty rizikových prvků (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn) při vyluhování kontaminované biomasy v laboratorních vyluhovacích experimentech.Materiál a Metody: V dubnu 2008 a 2009 byly založeny polní pokusy se dvěma klony z rodu Salix (S1 - Salix schwerinii × Salix viminalis) S. viminalis, S2 - S. × smithiana) a se dvěma klony z rodu Populus (P1 - Populus maximowiczii × Populus nigra, P2 - P. nigra) na středně kontaminované půdě, především Cd, Pb a Zn. Poprvé byly výhony všech klonů vysazených v roce 2008 sklizeny v únoru 2012 po 4 letech a rozděleny do věkových tříd kůry a dřeva. Následně byla každá pokusná parcelka s klony rozdělena na dvě poloviny. První polovina topolových a vrbových klonů byla sklizena po 2 letech v únoru 2014 a znovu po dalších dvou letech v únoru 2016. Druhá polovina byla sklizena v únoru 2016 po 4 letech.Také výhonky všech klonů vysazených v roce 2009 byly poprvé sklizeny v únoru 2012 a následně byla každá parcelka s klony rovnoměrně rozdělena na dvě poloviny. Po dalších dvou vegetačních obdobích byla první polovina dřevin sklizena v září 2013 před opadem listů (letní sklizeň) a druhá polovina byla sklizena v únoru 2014 (zimní sklizeň).Při laboratorních vyluhovacích testech byla sklizená kontaminovaná biomasa větví a listů štěpkována nebo ponechána vcelku, čerstvá nebo vysušená a vyluhována dvěma druhy výluhů, aby byly simulovány neutrální a kyselé dešťové srážky.Výsledky a závěry: Všechny testované klony rostly na kontaminovaných půdách. Nejvyšší produkci biomasy a nejnižší úmrtnost měly klony P1 a S2. Obsahy prvků, s výjimkou Ca a Pb, klesaly se stářím výhonu a byly vyšší v kůře než ve dřevě. Klony vrb byly charakteristické vyšším odběrem Cd, Mn a Zn ve srovnání s klony topolů. Navzdory obecně vyšším obsahům rizikových prvků v mladých výhonech, částečně kvůli nižšímu poměru dřevo/kůra a vyššímu obsahu rizikových prvků v kůře, byl celkový odběr rizikových prvků vyšší ve starších výhonech kvůli vyššímu výnosu biomasy.Aplikace čistírenského kalu během prvních let experimentu omezila růst rostlin, zejména k

Anotace:

vůli konkurenci plevelů, což způsobilo nižší výnos v hnojené variantě než ve variantě kontrolní. Dobře vyvinuté kořeny byly schopny lépe využít čistírenský kal a tak výnos výhonů byl v druhé sklizni vyšší, a to především u varianty ošetřené čistírenským kalem (s výjimkou klonu P1) a dosahoval až 15 t sušiny. ha-1 (u klonu S2). Aplikace čistírenského kalu snížila obsah rizikových prvků ve výhonech v porovnání s kontrolní variantou. Odběr rizikových prvků byl ve druhé sklizni výrazně vyšší u všech klonů (s výjimkou klonu P2) oproti první sklizni a výtěžnost biomasy byla hlavní hnací silou pro odběr rizikových prvků výhony. Ze čtyř testovaných klonů dosáhl klon S2 nejvyššího odběru Cd (až 0,94%) a Zn (až 0,34%) z celkového obsahu prvků v půdě. Obsahy rizikových prvků byly vyšší v listech než ve větvích. Odběr rizikových prvků (Cd, Pb a Zn) u všech klonů (s výjimkou Pb pro klon S1) byl vyšší v letní sklizni než v zimní sklizni. Nejvyšší roční remediační faktory pro Cd a Zn (1,34 a 0,67%) byly nalezeny u klonu S2 v letní sklizni a byly významně vyšší než u ostatních klonů. I když nebyla zjištěna zvýšená úmrtnost dřevin sklízených v létě v následující sklizni, měl by být zkoumán vliv letní sklizně na fytoextrakční potenciál rychle rostoucích dřevin z dlouhodobého hlediska.Naše výsledky ukázaly, že čtyřleté obmýtí se zdá být výhodnější pro fytoextrakční technologie než dvouleté obmýtí. Nejvyšší hodnoty odběru rizikových prvků, prezentované pomocí remediačních faktorů Cd (6,39%) a pro Zn (2,55%), byly zjištěny u klonu S2 ve sklizni po 4 letech provedené v roce 2016. Odběr Pb byl nejvyšší u klonu P1 s velmi malým remediačním faktorem, který dosáhl za 4 roky hodnoty 0,04%. V laboratorních vyluhovacích experimentech, bylo více prvků uvolněno ze štěpkované biomasy větví v porovnání s celými větvemi. Listy se ukázaly riskantnější z hlediska uvolnění prvků než větve. Olovo bylo uvolněno z biomasy v rozmezí 1,4-7,2 %. Kadmium bylo uvolněno z biomasy větví z 2 %, ale z biomasy listů až z 39 %. Potenciální ztráty těchto prvků během skladování a předběžného zpracování by měly být zohledněny ve vývoji metodiky pro skladování a zacházení s kontaminovanou biomasou před jejím konečným zpracováním.

Abstract:

Introduction:Phytoextraction is a remediation method, where the risk elements are removed from soil by their accumulation in plant tissue. The effectiveness of phytoextraction depends not only on the type of substrate, but also on several properties of plants, such as the ability to accumulate and transport risk elements into aboveground parts, the growth rate and deep, branched root system. These properties have fast-growing trees: Salix spp. and Populus spp. and therefore can be suitable plants for phytoextraction, especially on medium and moderately contaminated soils. The ability of fast-growing trees to accumulate risk elements and evaluation of effectiveness of phytoextraction plants is usually based on the results of pot and laboratory experiments, but there is a lack of results of field experiments within a longer period of time and on a global and European scale.In this study fast-growing clones of Salix and Populus species have been investigated for phytoremediation of soils contaminated by risk elements using short-rotation coppice plantations. The aim of the research presented in this study was to test the following:1) Biomass yield and distributions of elements in wood and bark of fast growing tree with respect to aging.2) Biomass yield, accumulation and removal of risk elements (Cd, Pb and Zn) fast-growing trees with sewage sludge application.3) The potential effect of biomass harvesting time on removal of risk elements by fast-growing trees.4) The influence of rotation length on removal of risk elements by fast-growing trees.5) The losses of potential risk elements (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn) via leaching of short rotation coppice biomass in laboratory batch tests.Material and methods: The field experiments with two Salix clones (S1 - (Salix schwerinii × Salix viminalis) × S. viminalis, S2 - S. × smithiana) and two Populus clones (P1 – Populus maximowiczii × Populus nigra, P2 - P. nigra) were established in April 2008 and 2009 on moderately contaminated soil, especially Cd, Pb and Zn. For the first time, shoots of all clones planted in 2008 were harvested in February 2012 after 4 years and separated into annual classes of wood and bark. Subsequently each plot with clones was equally split into halves. The first half of Populus and Salix clones was harvested in February 2014 after 2 years and again was harvested in February 2016 after further 2 years. The second half was harvested in February 2016 after 4 years. Also shoots of all clones planted in 2009 were first harvested in February 2012 and subsequently each plot with clones was equally split into halves. After two further growing seasons, the first half of the trees was harvested in September 2013 before leaf fall (summer harvest) and the second half in February 2014 (winter harvest).In laboratory batch tests, harvested contaminated woody and leafy biomass was chipped and/or kept compact. The fresh and/or dried biomass was then leached by two types of leachate to simulate rainfalls—neutral water and/or acidified water.Results and conclusion: All tested clones grew on contaminated soils, with highest biomass production and lowest mortality exhibited by P1 and S2. Concentrations of elements, with exception of Ca and Pb, decreased with age and were higher in bark than in wood. The Salix clones were characterised by higher removal of Cd, Mn, and Zn compared to the Populus clones. Despite generally higher risk elements content in young shoots, partly due to lower wood/bark ratios and higher risk elements concentrations in bark, the overall removal of risk elements was higher in older wood classes due to higher biomass yield. The application of sewage sludge limited plant growth during the first years of the experiment, mainly due to weed competition causing lower yields than those of control treatments. Well-developed roots were able to take advantage of sewage sludge applications, and shoot yield was mainly higher in sewage sludge treatments in the seco

Abstract:

nd harvest (except the P1 clone), reaching up to 15 t dry matter ha-1 (for clone S2). Application of sewage sludge reduced risk elements shoot concentrations compared to the control treatment. The removal of risk elements was significantly higher in the second harvest for all clones (except the P2 clone) and elements than in the first harvest, and the biomass yield was the major driving force for the amount of RE removed by shoots. From the four tested clones, S2 showed the best removal of Cd (up to 0.94%) and Zn (up to 0.34%) of the total soil element content, respectively. Concentrations of risk elements were higher in leaves than in branches. Removal of risk elements (Cd, Pb and Zn) for all clones (except Pb for clone S1) was higher in the summer harvest than in winter harvest. The highest annual remediation factors for Cd and for Zn (1.34 and 0.67%, respectively) were found for clone S2 and were significantly higher than other clones. Although no increased mortality of trees harvested in the summer was detected in the following season, the effect of summer harvesting on the phytoextraction potential of fast growing tree clones should be investigated in long-term studies.Ours results showed that 4 years rotation seems to be more advantageous for the phytoextraction than two 2 years rotations. The highest risk elements removal presented by remediation factors per 4 years for Cd (6.39%) and for Zn (2.55%) were found for S2 in the harvest 2016 after 4 years. Removal of Pb was highest by P1 clone with very low remediation factor per 4 years (0.04%). In laboratory batch tests, chipped wood was characterised by the highest element release in comparison to whole branches. The leaves were considered more risky from the point of view of element losses. Lead was released by 1.4–7.2% from the biomass. Cadmium was leached by 2% from woody biomass, but up to 39% from leaves. The potential losses of these elements during storage and pre-processing should be taken into account in the development of methodologies for the storage and handling of contaminated biomass before its' processing.

Klíčová slova

Topol, Vrba, Kadmium, Olovo, Zinek, Vyluhování, Fytoextrakce

Keywords

Poplar, Wilow, Cadmium, Lead, Zinc, Phytoextraction, Leaching

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 9. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.
• Oponent: Radim Vácha, externi, Ladislav Kolář, Ing., externi, Peter Ondrišík, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Doktorský studijní program / obor:
Zemědělská specializace / Využití a ochrana přírodních zdrojů