Degradace mikropolutantů z čistírenského kalu v systému půda-rostlina

Bc. Kristýna Kuntová

Master's thesis

Degradation of micropollutants from sewage sludge in soil-plant system

Abstract:

Diplomová práce je zaměřena na problematiku čištění odpadních vod, přítomnost mikropolutantů v životním prostředí a následné možnosti jejich remediace. V čistírně odpadních vod se velká část znečišťujících látek z vody odstraní, avšak v současné době nejsou využívány technologie, pomocí nichž je možné mikropolutanty zcela odstranit. Do vodního recipientu tak unikají stopová množství mikropolutantů, což může mít negativní efekt na vodní živočichy. Mikropolutanty mohou kontaminovat i půdu a dostat se tak až do potravního řetězce. V teoretické části práce jsou definovány termíny jako odpadní voda, jednotlivé stupně čištění odpadní vody a čistírenské kaly. Jsou popsány možnosti jejich využití, jak (vermi)kompostováním, tak přímou aplikací na zemědělskou půdu, z důvodu vysokého obsahu esenciálních živin v čistírenském kalu. Popsána jsou rovněž rizika, která jsou s využíváním kalu v zemědělské produkci spojena. Neupravený kal obsahuje množství patogenů a rizikových prvků. Z tohoto důvodu je jakákoliv aplikace kalu do půdy ošetřena Zákonem o odpadech 541/2020 Sb., který reguluje a nastavuje pravidla k zamezení ohrožení životního prostředí. Teoretická část práce dále zahrnuje téma výskytu léčivých látek v prostředí a faktory, které ovlivňují příjem farmak rostlinami. Důležitá část je věnována možnostem remediace, kdy je pomocí remediačních technik možné více či méně odstranit mikropolutanty z prostředí. V neposlední řadě je pojednáno o vybraných léčivech a houbách používaných v remediaci jejich nažádoucích účinků v zemědělské produkci. V experimentální části byl za účelem získání dat proveden nádobový experiment, založen v roce 2019 ve vegetačních halách České zemědělské univerzity v Praze. Experiment spočíval v založení 32 nádob, kdy jedna polovina nádob obsahovala pouze zeminu s kalem a houbové substráty, zatímco ve druhé polovině byla navíc pěstována rostlina kukuřice. V různých časech byly odebírány vzorky půdy a půdního roztoku a na konci pokusu byla sklizena biomasa kukuřice. V laboratoři na Katedře agroenvironmentální chemie a výživy rostlin byly provedeny základní analýzy a extrakce léčiv (karbamazepin, tramadol, venlafaxin, sulpirid, fluoxetin). Na základě získaných výsledků bylo potvrzeno, že se sledované mikropolutanty v půdě uvolňují z čistírenského kalu a přecházejí do půdního roztoku, s výjimkou fluoxetinu, jehož koncentrace v půdním roztoku byly pod mezí detekce, což naznačuje, že fluoxetin není po aplikaci čistírenského kalu dostupný rostlinám. Naopak nejvíce dostupným se ukázal karbamazepin. Dále bylo zjištěno, že nejvyšší obsah karbamazepinu, tramadolu a venlafaxinu v biomase byl nalezen v listech kukuřice. Ve stoncích nebyl detekován venlafaxin a v zrnech nebyla nalezena žádná léčiva. V případě léčiv sulpirid a fluoxetin nebyly nalezeny v biomase žádné polutanty. U všech sledovaných léčiv bylo potvrzeno, že rostliny kukuřice a přídavek houbových substrátů podpořily degradaci sledovaných léčiv v půdě.

Abstract:

The thesis is focused on the issue of wastewater treatment, the presence of micropollutants in the environment and the subsequent possibilities of their remediation. In a wastewater treatment plant, a large amount of the pollutants is removed from the water, but currently no technologies are used to remove micropollutants. This results in trace amounts of micropollutants being released into the water, which can have a negative effect on aquatic life. Micropollutants can also contaminate the soil and enter the food chain. In the theoretical part of the thesis, terms such as wastewater, all different stages of wastewater treatment and the term sewage sludge are defined. The possibilities of sewage sludge use are described, both by (vermi)composting and by direct application to agricultural land, due to the high content of essential nutrients in sewage sludge. The risks associated with the use of sludge in agricultural production are also described. Untreated sludge contains many pathogens and potentially toxic elements. For this reason, any land application of sludge is in the Czech Republic regulated by the Waste Act 541/2020, which regulates and sets rules to avoid environmental hazards. The theoretical part covers the topic of the occurrence of pharmaceutical substances in the environment and the factors that affect the uptake of drugs by plants. An important part is devoted to the possibilities of remediation, whereby micropollutants can be more or less removed from the environment using remediation techniques. Finally, selected pharmaceuticals and fungi used in remediation are discussed as well as their their adverse effects in agricultural production. In the experimental part, a pot experiment was conducted. The experiment was established in 2019 in the vegetation halls of the Czech University od Life Sciences Prague. The experiment consisted in setting up 32 containers, where one half of the pots contained only soil with sludge and fungal substrates while in the other half, a maize plants were grown as well. At different times, the maize biomass was sampled and harvested. Basic analyses and extraction of pharmaceuticals (carbamazepine, tramadol, venlafaxine, sulpiride, fluoxetine) from soil solution, soil and plant biomass samples were carried out in the laboratory at the Department of Agro-Environmental Chemistry and Plant Nutrition. Based on the results obtained, it was confirmed that the micropollutants of interest in the soil are released from the sewage sludge and transferred to the soil solution, except for fluoxetine, which was found below the detection limit in the soil solution, suggesting that fluoxetine is not available to plants after sewage sludge application. In contrast, carbamazepine was found to be the most available. It was also found that the highest biomass content of carbamazepine, tramadol and venlafaxine was found in maize leaves compared to other plant organs. Venlafaxine was not detected in the stems and no pharmaceuticals were found in the grains. In the case of the drugs sulpiride and fluoxetine, no pollutants were found in the biomass. For all drugs studied, it was confirmed that maize plants and the addition of fungal substrates promoted the degradation of pharmaceuticals in the soil.

Keywords

farmaka, remediace, tramadol, venlafaxin, sulpirid, fluoxetin, kukuřice, karbamazepin

Keywords

corn plant, pharmaceuticals, remediation, carbamazepine, tramadol, venlafaxine, sulpiride, fluoxetine

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Filip Mercl, Ph.D.
• Reader: Václav Tejnecký, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Waste Technology