Uplatnění hydrogelů při pěstování rostlin pro zemědělské a nezemědělské účely

Aleš Bosák

Bakalářská práce

The use of hydrogels in plant cultivation for agricultural and non-agricultural purposes

Anotace:

Tato bakalářská práce se zabývá problematikou využití hydrogelů v zemědělství jako účinného nástroje pro zadržování vody, zlepšování půdních vlastností a optimalizaci hnojení zejména v suchých a polosuchých oblastech, kde je dostupnost vody omezená. Úvodní část práce se věnuje globálním výzvám v oblasti hospodaření s vodou, dopadům klimatických změn a nárůstu spotřeby vody v zemědělství. Představuje hydrogely jako inovativní řešení schopné výrazně zlepšit udržitelnost zemědělské produkce tím, že zadržují vodu, snižují její výpar i odtok a zároveň napomáhají efektivnímu využívání živin v půdě. Práce podrobně popisuje chemické složení hydrogelů, jejich strukturu a mechanismus fungování, přičemž vysvětluje význam hydrofilních polymerních sítí, které umožňují absorpci vody až do několikanásobku jejich hmotnosti. Je zde také rozebrána historie hydrogelů od jejich objevu až po současné moderní aplikace, přičemž zvláštní pozornost je věnována vývoji ekologických variant na bázi přírodních biopolymerů, jako jsou škrob, chitosan, celulóza či kyselá syrovátka. Tyto materiály vykazují nižší ekologickou zátěž a zároveň vysokou efektivitu při aplikaci v půdě. Část, jež je věnována problematice několika výzkumů této technologie, shrnuje výsledky skleníkových a polních experimentů zaměřených na různé typy plodin (kukuřice, rajče, vinná réva, pšenice, sója aj.) a různé druhy půd. Ukazuje, že použití hydrogelů vede k vyšší klíčivosti semen, intenzivnějšímu růstu, zvětšení výšky rostlin, průměru stonku a biomasy, stejně jako k lepší efektivitě využití vody (WUE). Zejména v písčitých půdách dochází při aplikaci hydrogelu k výraznému prodloužení intervalu dostupnosti vody a snížení frekvence zavlažování. Práce rovněž analyzuje různé metody syntézy hydrogelů, včetně fyzikálního a chemického zesíťování, suspenzní polymerace nebo fotopolymerace. Srovnává i jejich vlastnosti, náklady a aplikační potenciál. Uvádí konkrétní příklady praktického využití hydrogelů, například v systémech zelených střech, golfových hřišť nebo při zalesňování degradovaných oblastí. Součástí práce je také ekonomická analýza výroby hydrogelů z rýžové slámy, která ukazuje výrazné snížení nákladů oproti importovaným syntetickým polymerům. Závěrečná část práce se věnuje environmentálním rizikům, jako je vznik mikroplastů či hromadění nerozložitelných látek v půdě. Tyto situace mohou být spojeny s nadměrným nebo neodborným použitím syntetických hydrogelů. Důraz je kladen na potřebu vývoje biodegradabilních hydrogelů a na nutnost sledování jejich chování v různých ekosystémech. Výsledky práce potvrzují vysoký potenciál hydrogelů jako nástroje pro udržitelné zemědělství, ale také poukazují na důležitost odpovědného a cíleného využívání těchto materiálů.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the use of hydrogels in agriculture as an effective tool for water retention, improving soil properties and optimizing fertilization, especially in arid and semi-arid areas where water availability is limited. The introductory part of the thesis focuses on the global challenges in water management, the impacts of climate change and the increase in water consumption in agriculture. It introduces hydrogels as innovative solutions capable of significantly improving the sustainability of agricultural production by retaining water, reducing evaporation and runoff, and facilitating the efficient use of soil nutrients. The paper describes in detail the chemical composition of hydrogels, their structure and mechanism of action, explaining the importance of hydrophilic polymer networks that allow water absorption up to several times their weight. It also discusses the history of hydrogels from their discovery to current modern applications, with special attention to the development of eco-friendly variants based on natural biopolymers such as starch, chitosan, cellulose and acid whey. These materials have a lower ecological burden as well as high efficiency when applied in soil. The section on several researches on this technology summarises the results of greenhouse and field experiments on different types of crops (maize, tomato, vine, wheat, soybean, etc.) and different types of soils. It shows that the use of hydrogels leads to higher seed germination, more intensive growth, increased plant height, stem diameter and biomass, as well as better water use efficiency (WUE). In particular, in sandy soils, the application of hydrogels leads to a significant increase in the water availability interval and a reduction in irrigation frequency. The work also analyses different methods of synthesis of hydrogels, including physical and chemical crosslinking, suspension polymerization or photopolymerization. It also compares their properties, costs and application potential. It gives concrete examples of practical applications of hydrogels, for example in green roof systems, golf courses or reforestation of degraded areas. The paper also includes an economic analysis of the production of hydrogels from rice straw, showing a significant cost reduction compared to imported synthetic polymers. The final part of the thesis deals with environmental risks such as the formation of microplastics or the accumulation of non-biodegradable substances in the soil. These situations can be associated with excessive or unprofessional use of synthetic hydrogels. Emphasis is placed on the need to develop biodegradable hydrogels and to monitor their behaviour in different ecosystems. The results of the work confirm the high potential of hydrogels as a tool for sustainable agriculture, but also highlight the importance of responsible and targeted use of these materials.

Klíčová slova

Hydrogel, zemědělství, retence vody, biopolymer, půdní kondicionér

Keywords

Hydrogel, agriculture, water retention, biopolymer, soil conditioner

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 27. 4. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Pavel Fuksa, Ph.D.
• Oponent: Ondřej Szábo, Ing.

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Bakalářský studijní program / specializace:
Zemědělství a rozvoj venkova / Veřejná správa v zemědělství, rozvoji venkova a krajiny