Fytotechnologie a fytomanagement

Jak zlepšit vlastnosti nekvalitní nebo kontaminované půdy a současně získat materiál pro vytápění, výrobu biopaliv, papíru a dalších produktů? Odpovědí jsou fytotechnologie, které využívají vhodné rostliny produkující velké množství biomasy a jsou schopné růst na méně úrodných půdách.

Výzkum na FŽP ve spolupráci s dalšími fakultami UJEP se soustředí aktuálně na rostlinu Miscanthus x giganteus (ozdobnice obrovská). Je to vytrvalá travina původem z jihovýchodní Asie schopná ve vhodných podmínkách dorůstat výšky až 4 m. Stonky starších rostlin jsou dřevnaté, podobné bambusu. V podmínkách ČR může na zemědělské půdě vyprodukovat až 30 t/ha suché biomasy, průměrně 15-25 t/ha.

Botanicky se M. x giganteus řadí do třídy jednoděložné (Liliopsida), čeledi lipnicovité (Poaceae). Jedná se o triploidní (3 sady chromozomů) hybrid M. sacchariflorus (ozdobnice cukrová) a M. sinensis (ozdobnice čínská). Na rozdíl od rodičovských druhů není schopen pohlavního rozmnožování pomocí semen, rozmnožuje se pouze pomocí podzemních oddenků (rhizomů). Vznikají tak klony původní rostliny se stejnou genetickou informací. Díky tomu se rostlina nechová invazivně a nehrozí její masivní šíření v krajině, jako je tomu např. u jiné energetické plodiny křídlatky.

M. x giganteus je považován díky svým vlastnostem za jednu z nejperspektivnějších energetických plodin. Řadí se mezi energetické plodiny druhé generace, tj. nemá konkurenční využití jako potravina na rozdíl od řepky, kukuřice apod. Výhřevnost vypěstované suché biomasy pohybující se kolem 18 MJ/kg je srovnatelná s palivovým dřevem nebo hnědým uhlím. Aktuálně je tak primárním využitím biomasy z ozdobnice spalování v podobě peletek nebo briket. Díky vysokému obsahu celulózy (42 – 55 %) a hemicelulóz (24 – 32 %) je možné biomasu využít jako surovinu pro výrobu bioethanolu.

Aktuální trend je nalezení cest pro další možnosti zpracování a jiné než energetické využití. Ozdobnice se používá např. jako podestýlka pro hospodářská zvířata (zejména koně), přidává se do stavebních materiálů nebo slouží pro výrobu papíru a obalových materiálů.

Porost ozdobnice před sklizní (foto J. Černý 2019)


Výhodou M. x giganteus je, že dokáže růst i na méně úrodných a kontaminovaných půdách bez výrazného snížení množství vyprodukované biomasy. Je tak možné ji vysazovat na tzv. marginálních lokalitách postižených těžbou, průmyslovou, vojenskou a další činností. Takové lokality jsou nevhodné pro pěstování potravin z důvodu možné kontaminace, nedostatku živin nebo dalším nevyhovujícím fyzikálně-chemickým parametrům půdy. Současně tak nedojde k záboru kvalitní zemědělské půdy pro výsadbu energetických plodin.

Rostlina zároveň postupně zlepšuje stav půdy. Obohacuje ji o organickou hmotu opadem listů, zpevňuje ji a chrání proti erozi, podporuje rozvoj půdních mikroorganismů. Samostatnou kapitolou je fytoremediace – „čištění“ kontaminované půdy za pomoci rostlin. Velmi dobře je už prostudována schopnost M. x giganteus pozvolna ukládat těžké kovy v kořenovém systému (fytostabilizace). Jen malá část těžkých kovů přechází do nadzemní části rostliny, takže sklizená biomasa je bez využitelná i při pěstování v kontaminovaných půdách. Současně byla u M. x giganteus prokázána schopnost snižovat tzv. biodostupnost a mobilitu některých těžkých kovů v půdě, čímž je omezeno jejich šíření v životním prostředí. Méně je zatím známo o možnostech fytodegradace – fytoremediace organických látek (ropné látky, pesticidy apod.) za pomoci mikroorganismů v kořenovém systému rostliny. To je jedním z aktuálních témat výzkumu na UJEP.

Nádobový pokus s ozdobnicí ve skleníku KBi UJEP (foto R. Timoftej 2020)

Témata výzkumu

  • Fytoremediace těžkých kovů a ropných látek
  • Sledování vývoje půdních mikrobních společenstev
  • Vliv pěstování miscanthu na kvalitu půdy (obsah živin, fyzikální parametry)
  • Sledování fyziologických parametrů indikujících stres u rostlin (ve spolupráci s Katedrou biologie PřF UJEP)
  • Aplikace řízených dávek různých typů stresorů na sazenice (plant priming) a jejich vliv na chemické složení biomasy a fyziologický stav rostlin (ve spolupráci s Katedrou biologie PřF UJEP)
  • Aplikace organických hnojiv a růstových regulátorů pro zlepšení produkce biomasy na neúrodných půdách
  • Půdní bakterie podporující růst rostlin a fytoremediaci
  • Zpracování biomasy na různé „bio-based“ materiály a produkty a energetické využití odpadní biomasy pěstované na marginálních půdách

Tým

Prof. Ing. Valentina Pidlisnyuk, DrSc. (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D. (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Mgr. Hana Auer Malinská, Ph.D. (Katedra biologie, PřF UJEP)
Karim Al Souki, Ph.D. (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Ing. Diana Nebeská (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Ing. Hana Burdová (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Robert Ato Newton (Katedra environmentální chemie a technologie, FŽP UJEP)
Bc. Martin Vaněk (Katedra biologie, PřF UJEP)
Bc. Michaela Liková (Katedra biologie, PřF UJEP)

Řešené projekty

MiscanValue – Creating value chains for utilization of Miscanthus fibres from sustainably managed marginal and post-mining areas

Hlavní řešitel za UJEP: Prof. Ing. Valentina Pidlisnyuk, Ph.D.
Trvání projektu: 5/2020 – 4/2022

Hlavním cílem česko-německého projektu je navrhnout kompletní řetězec miscanthu od udržitelného hospodaření s půdou přes pěstování na marginálních a post-těžebních lokalitách, sklizeň, skladování, zpracování biomasy až po produkci různých bioproduktů: vláken, buničiny a papíru s využitím vytvořeného odpadu pro energetické účely (především pyrolýza). Současně bude sledován vliv rostliny na kvalitu půdy v průběhu procesu.

Web projektu: https://miscanvalue.wasten.cz

NATO Science for Peace and Security Programme MYP G4687 – New Phytotechnology for Cleaning Contaminated Military Sites

Hlavní řešitel: Prof. Ing. Valentina Pidlisnyuk, Ph.D.
Trvání projektu: 10/2016 – 4/2021

Mezinárodní projekt NATO řešíme ve spolupráci s partnery z USA, Ukrajiny a Kazachstánu. Hlavním cílem je vyvinout fytotechnologii kombinující produkci biomasy s obnovou půdy v bývalých vojenských lokalitách. Tyto lokality mohou být následkem vojenské činnosti znečištěny různými typy látek a jejich reziduí (těžké kovy, ropné látky, výbušniny aj.). Jejich využití pro produkci nepotravinářské biomasy je tedy jedním ze způsobů, jak tyto prostory efektivně využít a současně přispět k jejich obnově.

Web projektu: https://military-site-cleaning.cz

MRSI – Miscanthus Rhizospheric Soil Interactions

Hlavní řešitel: Karim Al Souki, Ph.D.
Trvání projektu: 3/2021 – 12/2022

Projekt Interní grantové agentury UJEP pro podporu mladých vědeckých pracovníků si klade za cíl studovat procesy v rhizosféře ozdobnice – sekvestraci uhlíku, fixaci dusíku, jejich interakce, vztah ke struktuře a biomase mikrobních společenstev a vliv na zdraví ozdobnice na různých marginálních lokalitách.

The comprehensive approach for phytomanagement of petroleum polluted sites

Hlavní řešitel: Ing. Hana Burdová
Trvání projektu: 2/2021 – 8/2022

Projekt získal tým doktorandek FŽP v rámci Doktorské grantové soutěže UJEP. Jeho cílem je detailně prostudovat vztahy mezi rostlinou, půdními bakteriemi a ropnými látkami v půdě v průběhu fytodegradace (odbourávání ropných látek za působení rostlin). Dalším z cílů je charakterizace biomasy pěstované v kontaminované půdě z hlediska jejího možného energetického využití spalováním nebo pyrolýzou.

LIGMIG – Optimalizace procesu produkce energetické biomasy z hlediska obsahu ligninu

Hlavní řešitel: Mgr. Hana Malinská, Ph.D.
Trvání projektu: 4/2019 – 3/2021

Předmětem řešení projektu je aplikace vybraných stresových faktorů na rostliny Miscanthus x giganteus metodou tzv. primingu za účelem zvýšení odolnosti rostlin za současné ovlivnění množství ligninu v biomase pro následné energetické využití.

Analýza rhizodegradace organických polutantů Miscanthus x giganteus

Hlavní řešitel: Ing. Hana Burdová
Trvání projektu: 1/2018 – 12/2020

Projekt podpořený v rámci Studentské grantové soutěže UJEP se zaměřuje na vývoj a optimalizaci metod pro vzorkování a analýzu kořenových exudátů ozdobnice, které hrají klíčovou roli při fytoremediaci organických látek (rhizodegradaci).

Sledování environmentálního stresu Miscanthus x giganteus pěstovaného na kontaminovaných lokalitách

Hlavní řešitel: Ing. Diana Nebeská
Trvání projektu: 1/2017 – 12/2019

Projekt podpořený v rámci Studentské grantové soutěže UJEP je zaměřen na monitoring stavu půdních mikrobních společenstev v průběhu pěstování ozdobnice a na sledování fyziologického stavu rostlin pomocí nedestruktivních metod (fluorescence chlorofylu a měření obsahu barviv) a mikroskopie.

Inovativní preparáty pro zlepšení produkce biomasy Miscanthus x giganteus na marginálních půdách

Hlavní řešitel: Prof. Ing. Valentina Pidlisnyuk, Ph.D.
Trvání projektu: 7/2017 – 6/2019

Dílčí projekt komercializace v rámci projektu TAČR GAMA COMNID Centra transferu technologií UJEP, ÚACH a VFN má za cíl ověřit vliv komerčně dostupných preparátů pro podporu růstu rostlin (růstové regulátory) při aplikaci na rostliny Miscanthus rostoucí na nezemědělských půdách. Postupy pro nejúspěšnější varianty ošetření budou předmětem komercializace.

Publikace (WOS)

Pidlisnyuk V., R. A. Newton, A. Mamirova. 2021. Miscanthus biochar value chain – A review. Journal of Environmental Management 290 (112611). https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112611. IF = 5,647 (Q1)

Nebeská D., H. Auer Malinská, A. Erol, V. Pidlisnyuk, P. Kuráň, A. Medžová, M. Smaha, J. Trögl. 2021. Stress Response of Miscanthus Plants and Soil Microbial Communities: A Case Study in Metals and Hydrocarbons Contaminated Soils. Applied Sciences 11(4): 1866. https://doi.org/10.3390/app11041866. IF = 2,474 (Q2)

Al Souki K.S., H. Burdová, J. Trubač, J. Štojdl, P. Kuráň, S. Kříženecká, I. Machová, K. Kubát, J. Popelka, H. Auer Malinská, D. Nebeská, S. Usťak, R. Honzík, J. Trögl. 2021. Enhanced Carbon Sequestration in Marginal Land Upon Shift towards Perennial C4 Miscanthus × giganteus: A Case Study in North-Western Czechia. Agronomy 11 (2): 293. https://doi.org/10.3390/agronomy11020293. IF = 2,603 (Q1)

Pidlisnyuk V., A. Mamirova, K. Pranaw, P. Y. Shapoval, J. Trögl, A. Nurzhanova. 2020. Potential role of plant growth-promoting bacteria in Miscanthus x giganteus phytotechnology applied to the trace elements contaminated soils. International Biodeterioration & Biodegradation 155: 105103. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2020.105103. IF = 4,074 (Q1)

Pranaw, K., V. Pidlisnyuk, J. Trögl, H. Malinská. 2020. Bioprospecting of a Novel Plant Growth-Promoting Bacterium Bacillus altitudinis KP-14 for Enhancing Miscanthus × giganteus Growth in Metals Contaminated Soil. Biology 9 (9): 305. https://doi.org/10.3390/biology9090305. IF = 3,796 (Q1)

Malinská, H., V. Pidlisnyuk, D. Nebeská, A. Erol, A. Medžová, J. Trögl. 2020. Physiological Response of Miscanthus x giganteus to Plant Growth Regulators in Nutritionally Poor Soil. Plants 9 (2): 194. https://doi.org/10.3390/plants9020194. IF=2,762 (Q1)

Nebeská, D., V. Pidlisnyuk, T. Stefanovska, J. Trögl, P. Shapoval, J. Popelka, J. Černý, A. Medkow, V. Kvak, H. Malinská. 2019. Impact of Plant Growth Regulators and Soil Properties on Miscanthus x Giganteus Biomass Parameters and Uptake of Metals in Military Soils. Reviews on Environmental Health 34 (3): 283–92. https://doi.org/10.1515/REVEH-2018-0088. IF=1,616 (Q3)

Pidlisnyuk, V., L. Erickson, T. Stefanovska, J. Popelka, G. Hettiarachchi, L. Davis, J. Trögl. 2019. Potential Phytomanagement of Military Polluted Sites and Biomass Production Using Biofuel Crop Miscanthus x Giganteus. Environmental Pollution 249: 330–37. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.03.018. IF=5,714 (Q1)

Nebeská, D., J. Trögl, V. Pidlisnyuk, J. Popelka, P. Veronesi Dáňová, S. Usťak, R. Honzík. 2018. Effect of Growing Miscanthus x Giganteus on Soil Microbial Communities in Post-Military Soil. Sustainability 10 (11): 4021. https://doi.org/10.3390/su10114021. IF=2,075 (Q2)

Pidlisnyuk, V., L. E. Erickson, J. Trögl, P. Y. Shapoval, J. Popelka, L. C. Davis, T. R. Stefanovska, G. M. Hettiarachchi. 2018. Metals Uptake Behaviour in Miscanthus x Giganteus Plant during Growth at the Contaminated Soil from the Military Site in Sliač, Slovakia. Polish Journal of Chemical Technology 20 (2): 1–7. https://doi.org/10.2478/pjct-2018-0016. IF=0,550 (Q4)

Partneři výzkumu