Ekotoxikologie a
environmentální chemie
půd
Doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.
hofman@recetox.muni.cz
Úvod
3
Proč nás zajímá půda ?
• Klíčová složka přírody, neobnovitelný přírodní zdroj
• Produkční schopnosti půdy
• Počátek i konec potravního řetězce a cyklů látek
• Filtrační a dekontaminační prostředí
• Zásobárna biodiverzity
Půda je v ohrožení - celosvětově
 NUTNOST UDRŽENÍ PŮDNÍ KVALITY A ZDRAVÍ
JAK LZE PŮDU CHRÁNIT ?
• Politika a legislativa
• Výchova, vzdělávání, komunikace
• Výzkum
4
Půdní ekotoxikologie
• zkoumá efekty kontaminace na půdní organismy
ROLE:
Výzkumná podpora ochrany půdy proti kontaminaci
a dalším stresorům (vědecká báze ochrany půd)
ÚKOL:
Sledovat vztahy mezi organismy a kontaminanty v půdním prostředí v
celé jeho komplexnosti …
HLAVNÍ AKTIVITY
CONTAMINANT
HABITAT
ORGANISMS
soilsoil
environenviron..
chemistrychemistry
toxicologytoxicology
soilsoil
ecologyecology
SOIL SCIENCESOIL SCIENCE
Vývoj nástrojů použitelných v rutinní
praxi
- Testování chemikálií a
přípravků
- Testování odpadů, kalů …..
- Hodnocení kvality půd
Vědecký výzkum komplexních
témat jako:
− Osud kontaminantů v půdě
a biodostupnost
− Toxicita směsí
− Biodiversita apod……
A vyvozovat závěry, navrhovat řešení a nástroje
pro účinnou a racionální ochranu půd …
5
Skupina půdní ekotoxikologie
(Bio)monitoring půd
7
Monitoring půd prováděný centrem RECETOX
• Rozsáhlá síť lokalit:
− regionální pozaďový monitoring na observatoři Košetice
− monitoring lesních ekosystémů
− půdy v okolí průmyslových zdrojů (cementárna Mokrá či Beroun)
− půdy zatížených regionech (Zlínsko, Liberecko, Berounsko ...)
− půdy v okolí silnic a dálnic
− nivní půdy v celé ČR
• zahrnuje několik set lokalit a tisíce vzorků (opakování kampaní)
Košetice
Zlínsko
1׊umava
2×Krušné h.
1×Lužické h.
6×Krkonoše
2×Beskydy
2×Vizovická
vrchovina
Berounská
kotlina
Mokrá
D 11
D 1
D 11
D 1
Číslo: Název:
1 Hostěnice (kóta 454)
2 Čihálky
3 U vodojemu (kóta 332)
4 Velká Baba
5 Velká Baba
6 Prostřední kopec
7 Velká Baba (kóta 420)
8 Chlumek
9 Chlumek
10 Horákovská myslivna
11 Nové pole
12 Jižní okraj areálu CVM
13 Velatice Podsedky
14 Nad Dlouhým
15 Vrch Sádky
8
Komplexní studie
• Zaostřeno nejen na půdu!
0
1
0
1
0
1
červen 2008
září 2008
limit
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Studie vlivu průmyslových zdrojů
9
Výsledky mohou být
interpretovány:
vztah s převládajícím
prouděním větru,
poloha a vzdálenost
od závodu apod.
Kadmium
10
Základní baterie mikrobiálních parametrů
• velikost mikrobiální biomasy Cbio
• respirační aktivita - bazální respirace – BR a substrátem
indukovaná respirace – SIR, respirometrie – OxiTOP
• mineralizace dusíku: amonifikace a nitrifikace (AMO, NIT) či
potenciální amonifikace a nitrifikace (PAMO, PAO)
• enzymatické aktivity (dehydrogenázová aktivita)
• diverzita společenstva půdních mikroorganismů
Příklady studentských prací – půdní mikrobiologie
Diplomky:
• Metodická standardizace kinetických testů substrátem indukované
respirace u kontaminovaných půd
• Testování vlivu POPs na půdní mikrobiální společenstva - laboratorní
kultivace jako standardní test ekotoxicity
• Validace metody hodnocení funkční diverzity systémem BIOLOG pro
ekotoxikologické studie
• Validace a optimalizace postupů odběrů, transportu a úpravy vzorků
půd pro mikrobiální analýzy
• Vliv zimního chemického ošetření silnic na mikrobiální společenstvo
okolních půd
Disertace:
• Efekty perzistentních organických polutantů (POPs) na vybrané
parametry půdních mikrobiálních společenstev
• Výzkum půdních mikroorganismů na úrovni biomasy, procesu a
společenstva
11
1 m
5 m
10 m
15 m
Vliv solení na půdní chemismus a MO
12
Kontrola
1 m, 5 m,
25 m
1 m
25 m5 m
Půdní ekotoxikologické biotesty
Proč ekotoxikologické biotesty ?
CHEMICKÉ ANALÝZY samotné NEDOKÁŽOU postihnout
reálné riziko pro živé organismy:
1) reálná expozice se liší podle biodostupnosti toxických
látek v dané situaci,
2) jde vždy o směs toxikantů, která působí jinak než
jednotlivé toxikanty zvlášť
3) Negativní vlivy matrice samotné bez ohledu na obsah
toxikantů a interakce vlivu matrice s efekty toxikantů
4) spektrum analytických metod (tedy i limitů) je
omezené a ve vzorku mohou být přítomny
neanalyzované významně toxické látky
Test s chvostoskokem Folsomia candida
15
16
Test s chvostoskokem Folsomia candida
Test se salátem Lactuca sativa
17
Příklady studentských prací
BP a DP:
• Testování ekotoxicity POPs na půdních roupicích
• Efekty perzistentních organických polutantů (POPs) na půdní
chvostoskoky
• Zavedení a optimalizace metod pro vybrané biomarkery půdních
bezobratlých
• Efekty organicky bohatých kalů a sedimentů na půdní biotu v
terestrických modelových ekosystémech
• Vliv vytěžených sedimentů na nitrifikaci v půdě po aplikaci na
zemědělskou půdu
• Využití testu toxicity s Caenorhabditis elegans pro hodnocení
kontaminovaných půd a sedimentů
Disertace:
• Ekotoxikologie půdních bezobratlých: žížaly, roupice a chvostoskoci
• Využití hlistic (Nematoda) pro výzkum efektů POPs na receptory v
půdním prostředí
18
19
Hodnocení kalu ÚČOV Praha
Limit ČR Limit EU
Limit EU
návrh
Kal v této
studii
As 30 6.1
Cd 5 20-40 10 2.7
Cr 200 1000 133
Hg 4 16-25 10 3.8
Ni 100 300-400 300 67.5
Pb 200 750-1200 750 60.4
Zn 2500 2500-4000 2500 2958
PCBs 0.6 0.8 0.16
PAHs 6 6 8.9
Obsah kontaminantů ve srovnání s limity (mg/kgDW)
20
Hodnocení kalu ÚČOV
Praha
SURVIVAL NOEC LOEC LC10 (95% C.I.) LC50 (95% C.I.)
F. candida 25 50 25,6 (15,9 - 35,3) 47,2 (40,3 - 54,1)
E. crypticus 25 50 36,5 (NS) 39,8 (NS)
E. albidus 10 25 9,5 (NS) 10,5 (NS)
C. elegans 10 25 19,4 (12,4 - 26,5) 62,5 (55,1 - 70,0)
REPRO. NOEC LOEC EC50 (95% C.I.) EC10 (95% C.I.)
F. candida 1 2 2,7 (2,3 - 3,2) 1,8 ( 1,5 - 2,0)
E. crypticus 5 10 5,6 (3,6 - 7,6) 4,4 (2,4 - 6,3)
E. albidus 5 10 2,2 (0,3 - 4,2) 0,7 (0 - 2,1)
Doporučená aplikační dávka kalů
je 5 tsuš./ha ~ cca 0,5% kalu v půdě
Na této úrovni nebyl pozorován efekt a proto
riziko aplikace kalu z pražské ČOV je
malé, ale nelze ho vyloučit například u
půdních roupic
Biodostupnost kontaminantů v půdách
22
Proč se zabývat biodostupností ?
Eisenia andrei exposed to 2000 Pb mg/kg
From: Bradham et al. (2003)
Specifika půdního prostředí
23
Anorganický polutant
0.1 nm
100 nm
Houby
2-10 um
Organický polutant
1 nm
Bakterie
1-2 um
1 nm
10 um
1 um
10 nm
0.1 nm
100 um
Jílová částice či huminová kyselina
2-0.2 um
1 mm
Chvostoskok
1 – 2 mm
Příklady prací
• Ekotoxicita vybraných perzistentních organických
polutantů v půdách ve vztahu k jejich
biodostupnosti
• Nové chemické metody vhodné pro hodnocení
biodostupnosti půdních kontaminantů
• Bioakumulace polutantů bezobratlými v půdě ve
vztahu k jejich biodostupnosti
• Využití metody SFE k extrakci vybraných
organických polutantů
• Osud a biodostupnost PAHs v artificiálních půdách
• Možnosti snížení rizikovosti arsenu v
problematických kalech
24
Sledování biodostupnosti pro žížaly
25
Metody pro odhad biodostupnosti
26
Zkumavky, půda
(1.5 g)
10 mM NaN3 a
PDMS vlákno 30 µm
Třepačka (20 h)
Extrakce a
analýza
Sledování snížení rizikovosti kalu s As
27
Kamenice 5, A29, Brno – Bohunice
Tel: 549 49 4267, 775 140 071
Fax: 549 492 840
E-mail: hofman@recetox.muni.cz
http://www.recetox-education.cz/index-
vyuka.php?page=uvod
www.recetox.muni.cz