Obsah sborníku | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

KONTAMINACE ZEMĚDĚLSKÝCH PŮD A PLODIN TĚŽKÝMI KOVY V IMISNÍCH OBLASTECH

Ing. Sergej Ustjak, CSc.

Výzkumný ústav rostlinné výroby v Praze-Ruzyni

odbor agroekologie a jakosti

oddělení ekotoxikologie Chomutov

Charakteristika problému a zhodnocení současného stavu

Dle světových literárních zdrojů, energetika spolu s hutnictvím a motorismem jsou hlavními zdroji emisí škodlivých látek do ovzduší (Adema, 1990; Pacyna et al., 1991). Spalováním fosilních paliv se emisemi dostává do ovzduší, a následnými imisními spady i do životního prostředí obrovské množství stopových prvků, včetně skupiny rizikových prvků neboli těžkých kovů. Při spalování uhlí za vysokých teplot (vyšších než 1500 stupňům Celsia) dochází k emisím stopových prvků z uhlí do plynných produktů spalování, především ve formě aerosolových částic (Ensor et al., 1979).

Různé chemické prvky z řady rizikových prvků se liší svou schopností emitovat do ovzduší při spalovacích pochodech, což se vyjadřuje emisním faktorem, jenž označuje množství prvků, které emitují do ovzduší ve vztahu k množství vytěžené energie. V tab. číslo 1 se uvádí průměrné hodnoty emisního faktoru (EF, v mg emitovaného prvku na 1 GJ vytěžené energie) pro některé hlavní emisní prvky ( Pacyna et al., 1991).

Tab. 1. Průměrné hodnoty emisního faktoru a celkové emise některých důležitých chemických prvků z řady TK pro termální elektrárny* Evropy.

* - mimo elektráren na spalování oleje a plynu

(údaje za rok 1982, dle Pacyna et al., 1991).

Jak je vidět v tabulce číslo 2 ( Pacyna et al., 1991), na kontaminaci životního prostředí těžkými kovy se do značné míry spolu s energetikou podílí průmyslová odvětví (především se to vztahuje na Cu, Pb, Zn, Cr, do značné míry Cd, As a Hg) a doprava

Tab.č.2 Emise těžkých kovů do ovzduší z různých antropogenních zdrojů v Evropě v roce 1982 v t za rok (dle Pacyna et al., 1991),

(především Pb). Ale existuje i řada prvků (jsou to především Be,Zr, Mo, Co a V), jejichž zdrojem jsou výhradně termální elektrárny spolu s malými průmyslovými a bytovými kotelnami. Pro znázornění se v tab. č. 2 uvádí průměrné hodnoty emisí jednotlivých těžkých kovů do ovzduší dle hlavních zdrojů kontaminace životního prostředí, jež můžeme zhruba rozdělit na dvě hlavní skupiny:

1. energetická odvětví průmyslu a lidské činnosti (termální elektrárny, ostatní bytová a průmyslová zařízení, jež využívají spalování uhlí)
2. ostatní průmyslová odvětví (především různá odvětví hutnictví, těžba surovin, výroba cementu, a fosforečných hnojiv, atd.).

Na základě údajů z tabulky č. 2 můžeme všechny TK rozdělit na 4 skupiny podle podílu spalovacích pochodů na celkové emisi jednotlivých prvků do ovzduší :

1. Be, Co, Mo, V, Zr - až 100% celkových emisí těchto prvků se dostává do ovzduší při spalování rozličných paliv ( tyto prvky mohou být proto indikátory kontaminace životního prostředí vlivem termální energetiky a topení, ale předpokladem musí být sledování přírodních pochodů transferu, migrace a akumulace těchto prvků)
2. prvky, jež vznikají při spalování a 60 až 90% se podílejí na celkové emisi, a to Se (92%), Ni (86%), Pb (80%), Sb (73%), Hg (68%)
3. prvky, které se podílejí 30 - 60% na celkové emisi, a do této skupiny se řadí jedině Cu (31%)
4. prvky s procentovým podílem na celkové emisi nižším než 30%, do této skupiny řadíme Cd (26%), Mn ( 18%), As a Cr (po 15%) a Zn (9%).

K uvedeným tabulkám 1 a 2 poznamenáváme, že údaje o těchto výsledcích se vztahují na rok 1982, ale s rozvojem průmyslu a energetiky můžeme od té doby očekávat výrazný nárůst uvedených dat.

Z uvedených údajů je patrné, že vlivem termálních elektráren se do životního prostředí v Evropě ročně dostává prostřednictvím imisí obrovské množství technogenních prvků z řady TK.

Obdobná situace se jeví i v ČR, například z dvanácti největších zdrojů emisí SO2 a polétavého prachu v České Republice jsou v 11 případech elektrárny (Sidorin a kol., 1992). Dle údajů ČEZu, velké termální parní elektrárny v České republice vyrábějí více než 65% celkové elektrické energie (9.5-10 GW za rok z celkových 14.5-15.0 GW).

Většina z velkých elektráren ČEZu používá jako topivo hnědé uhlí, které je nízkovýhřevné, vysokopopelnaté a vysokosirnaté, a navíc obsahuje velké množství rizikových prvků, zejména české hnědé uhlí vyniká vysokým obsahem arsenu.

Nejhorší situace je v Severních Čechách, především v Severočeské hnědouhelné pánvi (okresy Chomutov, Most, Teplice a Ústí nad Labem), kde na území, jenž činí asi 10% celkového území ČR, se těží přes 80% celkové těžby hnědého uhlí a většina vytěženého se zde i spaluje. Jeho spalováním se dostává do ovzduší velké množství chemických látek, včetně sloučenin, škodlivých přírodnímu prostředí.

Okresy Chomutov, Most, Teplice a Ústí nad Labem jsou podle statistiky charakterizovány vysokým procentem teplofikace a "panelalizace", a proto zde je minimální vliv lokálních topenišť na kvalitu ovzduší. V okresech Severočeské hnědouhelné pánve pochází 80 až 90% emisí z 10 velkých zdrojů.

Následující tabulky číslo 3, 4 a 5 dávají přehled o vývoji situace ve spotřebě hnědého uhlí a emisí popílku (tuhé látky) a kysličníku siřičitého u deseti rozhodujících zdrojů znečištění ovzduší, tvořících "emisní charakter" severočeského regionu (dle údajů ČEZ zpracoval ing V.Červenka, 1994).

Z tabulky číslo 3 vyplývá, že spotřeba hnědého uhlí stoupala až do roku 1984, kdy kulminovala na hodnotě 33 mln. tun za rok. U emisí kysličníku siřičitého (viz tabulka číslo 4) se kulminační bod v hodnotě 953 tisíc tun SO2 prakticky kryje se spotřebou uhlí, to znamená s rokem 1984. V roce 1992 dochází jak ke snížení celkové spotřeby uhlí (z 33 ml na 24 mln. tun ročně, což znamená pokles více než o 26%), tak i ke snížení emisí kysličníku siřičitého (z 953 tisíc tun na 595 tisíc tun SO2, což znamená pokles více než o 37%). Větší procentní pokles produkcí emisí SO2 oproti spotřebě uhlí odráží především úsilí ČEZu na snížení emisí SO2. V rámci útlumového programu ČEZ plánuje do roku 2000 až 80% snížení emisí kysličníku siřičitého na hodnotu cca 120 tis.tun ročně (Červenka, 1994).

V případě popílku (viz tabulka číslo 5) jsou patrné výsledky prací ČEZu na redukci emisí tuhých látek již v roce 1984, kdy došlo k razantnímu poklesu emisí popílku z hodnoty 243 tisíc tun v roce 1973 na 159 tisíc tun v roce 1984 (45% pokles), a to na pozadí zvýšení spotřeby uhlí ve stejném období z 21 (1973) na 33 (1984) mln tun za rok. V období let 1984-1992 došlo k dalšímu poklesu emisí popílku na hodnotu cca 74 tisíc tun za rok, což znamená 54% pokles emisí popílku oproti 26% poklesu spotřeby uhlí za stejné období. Do roku 2000 ČEZ plánuje celkové snížení emisí popílku na cca 20 tisíc tun ročně, čímž opravdu dojde k podstatnému zlepšení stavu čistoty ovzduší a životního prostředí v České republice (Červenka, 1994).

Četnými výzkumy u nás i v zahraničí je prokázán negativní vliv emisí a imisí na rostlinnou produkci a tím i na zdraví člověka, které je ohrožováno jednak přímým stykem s ovzduším a jednak prostřednictvím potravních řetězců (Kabata, Pendias 1989; Petříková, 1990).

V současné době při relativní nadprodukci potravin přestává být významné přímé omezování produkce důsledkem záboru půdy. O to závažnější problém vzniká omezováním zemědělské činnosti vlivem zhoršené kvality potravinářských zdrojů. Pro posouzení stupně kontaminace potravních řetězců je nezbytné monitorovat jednotlivé články potravních řetězců, počínaje půdou a rostlinnou produkcí (Petříková, Ustjak, 1994).

Tab.3 Spotřeba hnědého uhlí u deseti rozhodujících zdrojů znečišťování ovzduší (kt) v severočeském regionu

Legenda:

(V.Červenka, ČEZ, 1994)

Tab.4 Emise kysličníku siřičitého (t)

MATERIÁL A METODA

Pro monitoring přírodního prostředí na zátěž škodlivými látkami, byla v r. 1986 oddělením ekotoxikologie VÚRV Chomutov založena monitorovací síť pro sledování zatížení zemědělských plodin a půd těžkými kovy. Vzorky byly odebírány z provozních honů vybraných stanovišť 5 lokalit (okresy Chomutov, Sokolov, Liberec, Žatec a kontrolní lokalita - okres Žamberk). Celkem bylo sledováno kolem 200 stanovišť (odběrových míst).

Odběrová místa byla zvolena na provozních honech zemědělských závodů tak, aby byly typické pro krajinu a zemědělské půdy a byly v dosahu referenčních bodů, měřících SO2. Sběr rostlinného materiálu a půdy byl prováděn každoročně ze stejných míst dle jednotné metodiky.

Pro zjednodušené vyhodnocování jsme se záměrně vyhýbali odběru lehkých půd, protože státní směrnice rozlišují limity obsahu TK dle rozdělení všech půd na dvě skupiny - lehké a ostatní půdy. Odběrová místa se volila v určité vzdálenosti od silnic tak, aby byl snížen vliv motorismu na kontaminaci rostlin a půd. Odebíraly se směsné (průměrné) vzorky.

Tento monitoring probíhal v letech 1986 - 1992. Obsah těžkých kovů v půdách a rostlinách se stanovil metodou AAS. V rostlinách se zjišťoval totální obsah prvků po mineralizaci vzorku a převedení mineralizátu do kyselého roztoku. V půdách se obsah rizikových prvků stanovil ve výluhu roztokem 2 M HNO3 při poměru půdy k vyluhovadlu 1:10 a třepání během 6 hod. ( běžně využívaná metodika, doporučená ÚKZUZ). Ze skupiny rizikových chemických elementů, považovaných za těžké kovy, bylo sledováno 8 prvků: Cd, Pb, As, Hg, Cr, Ni, Co, Zn.

Tab. 5 Emise popílku (t)

Pozn.: V roce 1964 emitovaly všechny zdroje Severočeské hnědouhelné pánve 260 000 tun SO2 a 255 000 tun popílku

Legenda - viz. tab.3 (V.Červenka, ČEZ, 1994)

Základním způsobem vyhodnocení údajů kontaminace půd a rostlin TK bylo porovnání jejich obsahu s platnými státními normami:

1. "Hygienické předpisy o cizorodých látkách v poživatinách". Směrnice č. 69 Ministerstva zdravotnictví ČSR z 1.7.1986
2. Vyhláška federálního ministerstva zemědělství a výživy ČSR č. 117 z 28.12.1987: "Nejvyšší přípustné množství cizorodých látek v krmivech"
3. Vyhláška Ministerstva životního prostředí ČR číslo 13 z roku 1994.

V tabulce č. 6 jsou souhrnně uvedeny normy, použité pro vyhodnocení kontaminace půd (extrakt 2 M HNO3) a potravinářské a krmivářské rostlinné produkce (celkový obsah) těžkými kovy.

Tab. 6. Souhrn norem pro hodnocení kontaminaci půd a rostlinné produkce sledovanými prvky.

poznámky: * - norma není stanovená

** - u rtuti se stanovuje a hodnotí pouze celkový obsah

VÝSLEDKY A DISKUSE

Zjištěná kontaminace půdních vzorků z hlediska nové normy stanovené v roce 1994 maximálně přípustných obsahů rizikových prvků v půdě je poměrně nízká u všech prvků, s výjimkou arsenu, který zřejmé pochází z imisí. Proto jsme hodnotili kontaminaci půd arsenem zvlášť a ostatními prvky taky zvlášť.

Z celkového souboru 1224 vzorků půd přesáhlo normu pro všechny sledované prvky celkem 254 vzorků (nebo 21%), z toho 210 (nebo 17,2%) vzorků bylo kontaminováno arsenem (viz tab. č. 7). Za arsenem v pořadí sledují Cd (51 kontaminovaných vzorků), Zn (17), Pb (13), Hg (9), Ni (6), Cr (5), a Co (1).

Jiná situace se jeví při hodnocení obsahu TK v rostlinných vzorcích (viz tabulka číslo 8). Výsledky analýz rostlin (zrno obilnin, semeno hrachu a řepky, hlízy brambor a bulvy cukrovky) byly hodnoceny jak podle potravinářské směrnice, tak podle krmivářské normy, ostatní plodiny jen podle krmivářské normy. Z celkového počtu 2258 analyzovaných vzorků za sledované období překročilo krmivářskou normu 137 vzorků, což je 6,1%. V porovnání lokalit, největší kontaminace rostlin byla zjištěna v lokalitě Sokolov (16% kontaminovaných vzorků). V ostatních lokalitách byla kontaminace plodin podstatně nižší (méně jak 6%).

Četnost výskytu kontaminace krmiv je ve všech lokalitách největší vlivem Hg (74 x), Cd (31 x), Pb (24 x) a Co (9 x). Značně menší je vlivem As, Cr a Ni (po 3 x) a Zn (2 x). Maximální výskyt rtuti byl zjištěn na Sokolovsku (47 x), olova na Chomutovsku (19 x), kadmia a kobaltu v lokalitě Žatec (12x a 5x). V kontrolní lokalitě Žamberk bylo zjištěno 7 vzorků kontaminovaných rtutí, 4 kadmiem a 2 kobaltem.

Z analyzovaného počtu 620 vzorků poživatin byla potravinářská norma překročena u 440 vzorků, což je 71% celkového počtu. Dokonce i na kontrolní lokalitě v Žamberku bylo podle potravinářské normy přes 50% kontaminovaných vzorků. Pořadí lokalit podle % kontaminace je následující: Liberec (86%), Sokolov (85,5%), Chomutov (79%), Žamberk (57%) a Žatec (49%). Z hlediska jednotlivých prvků, má největší podíl na kontaminaci Cd (294 x) a Hg (142 x). V pořadí následuje Cr (85x), Pb (79 x) a As (72 x). Nejnižší počty kontaminace vykazují Ni (14 x) a Zn (1 x). Kontaminace Co se vůbec neprojevuje.

Tab. 7 Výskyt kontaminace půd těžkými kovy podle maximálně přípustného obsahu dle MŽP ČR, zákon č.13/1994 Sb. (souhrn za roky 1987 až 1992).

Tab. 8. Výskyt kontaminace zemědělských plodin těžkými kovy podle krmivářské* a potravinářské** normy, (souhrn za roky 1987 až 1992)

Souhrn vyhodnocených výsledků podle kontaminace rostlin a půd těžkými kovy je uveden v tab. 9 a 10. Největší kontaminace půd As se projevuje na lokalitách v oblasti Sokolova (40%) a Chomutova (30%). Kontaminace půd ostatními prvky je o hodně nižší než arsenem. Prvním v pořadí dle výskytu kontaminace půd je okres Sokolov (16%), za ním následují Žatec (8%) a Chomutov (4%). Nejmenší počet kontaminovaných vzorků byl na lokalitách kontrolní oblasti Žamberk (3% kontaminace As, < 1% kontaminace ostatními prvky).

Z údajů tabulek 9 a 10 vyplývá vzájemný nesoulad mezi kontaminací rostlin a půd, jak podle jednotlivých prvků, tak i podle stupně kontaminace. Například, u zemědělských plodin arsen přestává být dominantním kontaminantem, a na první místa se řadí Cd, Hg, Pb a Cr.

Podle zde uvedených výsledků lze soudit, že kromě půdy existuje jiný, významnější zdroj kontaminace rostlin, kterým jsou imise. Tyto jsou způsobeny dálkovým přenosem exhalátů, jež kontaminují rostliny těžkými kovy i v lokalitách s nízkým výskytem SO2. Z tohoto vyplývá, že stupeň imisní zátěže složkami obsahujícími TK, nelze posuzovat jen podle výskytu SO2.

Tento závěr je velice významný z praktického hlediska. Rostliny jsou důležitějším článkem potravního řetězce než půda, a kromě toho kontaminace rostlin TK je dle dosavadních výsledků oproti půdě rozsáhlejší, což bylo potvrzeno rozborem a vyhodnocením stovek vzorků. Vztah mezi půdou a rostlinami se komplikuje přímým vlivem znečištěného ovzduší, t.zv. pasivní kontaminací, která je zřejmě významnější než kontaminace rostlin z půdy. Proto je nutné zaměřit se rozhodující měrou především na monitoring rostlin, než na pouhé sledování kontaminace půd těžkými kovy, jak je tomu dosud.

Tab. 9. Výskyt kontaminace rostlin a půd těžkými kovy v souhrnu všech prvků dle jednotlivých lokalit

Tab.10. Kontaminace rostlin a půd TK pro všechny lokality dle jednotlivých prvků, souhrn za roky 1987-1992

Literatura:

Adema, E.H. : Course on Air Pollution. Universita Wageningen 1990.

Ensor D.S., Cower R.,Hooper and Markowski G.: Rvaluation of the George Neal No.3 Electrostatic Precipitator. ERPI Report FP-1145.Electric Power Research Institute, Palo Alto.,Ca,1979.

Pacyna J.M., Münch J. and Axenfeld F.:European inventory of trace metal emissions to the atmospere. In: Heavy Metals in the Environment, eddited by J.-P. Vernet, Elsevier ed., Amsterdam-London-New York-Tokyo, 1991, p. 1-21.

Petříková,V.:Výskyt imisí v ovzduší a obsah TK v zemědělských plodinách. Rostlinná výroba 36, 1990, s. 367-378.

Petříková V., Ustjak S., Roth, J.: Těžké kovy v půdách a zemědělských plodinách v pěti vybraných lokalitách České Republiky s různým imisním zatížením. - Rostlinná výroba, vol. 41, 1995 (1) str.26-32.

Summary :

CONTAMINATION OF AGRICULTURAL SOILS AND PLANTS BY HEAVY METALS IN THE IMMISSION AREAS

Ing. Sergej Ustjak, CSc.

Research Institute of Crop Production

Department of Ecotoxicology in Chomutov

We have determined the contamination of soil samples from the new regulation point of view. This norm was accepted in 1994 and deals with the maximum permissible contents of harmful elements in soil. We have found that the contamination of soil samples by all heavy metals is low with the exception of arsenic, which derives obviously from immissions. From whole collection of 1224 soil samples only 254 samples exceeded the regulation values (approximately 21% samples). 210 samples (17,2%) were contaminated by arsenic. The 2nd most spread element is cadmium (51 contaminated samples) followed by zinc (17 samples), lead (13 samples), mercury (9 samples), nickel (6 samples), chromium (5 samples) and cobalt (1 sample exceeded the norm).

We have found that the heavy metals content in plant samples is higher than in soil samples as a consequence of immissions.