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

O miscanthu

Výzkum na FŽP ve spolupráci s dalšími fakultami 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 původních 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.

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. Současně tak nedojde k záboru kvalitní zemědělské půdy pro energetické plodiny.

Při výsadbě na marginálních půdách rostlina zároveň postupně zlepšuje stav půdy. Obohacuje ji o organickou hmotu opadem listů, zpevňuje ji a chrání proti erozi, podporuje rozvoj půdních mikroorganismů a poskytuje úkryt drobným živočichům. Samostatnou kapitolou je fytoremediace – „čištění“ kontaminované půdy a vody za pomoci rostlin. Velmi dobře je už prostudována schopnost M. x giganteus pozvolna ukládat těžké kovy v kořenovém systému (fytoextrakce). Jen malá část těžkých kovů přechází do nadzemní části rostliny, takže sklizená biomasa je využitelná i při pěstování na půdách kontaminovaných těžkými kovy. Současně byla u M. x giganteus prokázána schopnost fytostabilizace některých těžkých kovů. Při tomto procesu jsou kontaminanty převedeny do stabilnější formy a je omezeno jejich šíření v životním prostředí. Méně je známo o možnostech fytodegradace – fytoremediace organických látek (ropné látky, pesticidy apod.). To je jedním z témat výzkumu na UJEP.

Témata výzkumu na FŽP

• Fytoremediace těžkých kovů a ropných látek
• Sledování vývoje půdních mikrobních společenstev analyticko-chemickými metodami
• Identifikace a kvantifikace produkovaných kořenových exudátů
• 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 obsah ligninu (ve spolupráci s Katedrou biologie PřF UJEP)
• Aplikace organických hnojiv a růstových regulátorů pro zlepšení produkce na neúrodných půdách
• Půdní bakterie podporující růst rostlin a fytoremediaci

Lidé

• Prof. Ing. Valentina Pidlisnyuk, DrSc.
• Doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D.
• Kumar Pranaw, Ph.D.
• Karim Al Souki, Ph.D.
• Ing. Diana Nebeská
• Ing. Hana Burdová
• Mgr. Hana Malinská, Ph.D. (Katedra biologie PřF UJEP)
• Bc. Martin Vaněk (Katedra biologie PřF UJEP)
• Bc. Barbora Severová (Katedra biologie PřF UJEP)
• Mgr. Bc. Jan Černý (FSE UJEP)

Řešené projekty

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

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 za účelem zvýšení odolnosti rostlin za současné optimalizace množství ligninu v biomase pro následné energetické využití.

Inovativní remediace a rekultivace

Hlavní řešitel: Doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D.

Trvání projektu: 1/2019 – 12/2020

Projekt podpořený z Interní grantové agentury UJEP je projektem spíše základního výzkumu. Vychází z tradice výzkumu FŽP orientovaného na rekultivace v Ústeckém regionu a kombinuje ho s rozvíjejícím se výzkumem moderních remediačních technologií (bioremediace a fytoremediace) a s inovativními analyticko-chemickými postupy.

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.

Analýza rhizodegradace organických polutantů Miscanthus x giganteus

Hlavní řešitel: Ing. Hana Burdová

Trvání projektu: 1/2018 – 12/2019

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).

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 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)

• 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
• 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 (June): 330–37. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.03.018. IF=5,714
• Nurzhanova, A., V. Pidlisnyuk, K. Abit, Ch. Nurzhanov, B. Kenessov, T. Stefanovska, L. Erickson. 2019. Comparative Assessment of Using Miscanthus x Giganteusfor Remediation of Soils Contaminated by Heavy Metals: A Case of Military and Mining Sites. Environmental Science and Pollution Research 26 (13): 13320–33. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04707-z. IF=2,914
• Kharytonov, M., V. Pidlisnyuk, T. Stefanovska, M. Babenko, N. Martynova, I. Rula. 2019. The Estimation of Miscanthus×giganteus’ Adaptive Potential for Cultivation on the Mining and Post-Mining Lands in Ukraine. Environmental Science and Pollution Research 26 (3): 2974–86. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3741-0. IF=2,914
• 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
• 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
• Kvak, V., T. Stefanovska, V. Pidlisnyuk, Z. Alasmary, M. Kharytonov. 2018. The Long-Term Assessment of Miscanthus × Gigantheus Cultivation in the Forest-Steppe Zone of Ukraine. INMATEH – Agricultural Engineering 54 (1): 113–20. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20183366934
• Kharytonov, M., S. Martynova, S. Sitnyk, M. Naumenko, V. Pidlisnyuk, and T. Stefanovska. 2017. A Productive Potential Estimation of Five Genotypes of the Miscanthus Anderss Genus in the Ukrainian Steppe Zones Conditions. INMATEH – Agricultural Engineering 52 (2): 129–36. http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=a9h&an=125443311&scope=site