INOVATIVNÍ ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY PESTICIDŮ VE VODNÍCH ZDROJÍCH

Pesticidy používané v zemědělství představují významné riziko pro necílové složky životního prostředí. Výsledky monitorovací studie provedené společností ALS Czech Republic, s.r.o., ukázaly na častý výskyt těchto látek v půdě a v povrchových vodách napříč celou Českou republikou. Prakticky plošná kontaminace zemědělské krajiny, vysoká vícenásobná zátěž i četná překročení limitních hodnot potvrdily, že současná opatření nedokážou zabránit přenosu pesticidních látek v krajině. Další snižování rizik jejich vstupu do necílových složek životního prostředí se tak jeví jako nezbytné. Jedním z nástrojů, jak toho dosáhnout, mohou být i kombinované in-situ štěpkové bioreaktory. Pilotní jednotka vybudovaná v blízkosti CHKO Moravský kras prokázala účinnost této inovativní technologie při souběžném odstraňování pesticidních látek i dusičnanů v reálných podmínkách. Následující článek přináší aktuální pohled na míru zátěže české zemědělské krajiny pesticidními látkami a představuje poloprovozně ověřené řešení, které může přispět k ochraně vodních zdrojů a k udržitelnému hospodaření v krajině.

Zachování kvality životního prostředí a s tím související důsledná ochrana půdy a vodních zdrojů patří dlouhodobě mezi priority evropské i české environmentální politiky. Pesticidy, ačkoliv jsou v moderním zemědělství nezastupitelné, představují významný zdroj mikropolutantů v krajině, a to i v případech, kdy jsou přípravky na ochranu rostlin (POR) aplikovány v souladu se zásadami správné zemědělské praxe. Účinné pesticidní látky, jejichž spotřeba v České republice v roce 2024 činila přibližně 3,5 tisíce tun [1], a jejich metabolity jsou opakovaně nacházeny v půdě, v povrchových a podzemních vodách, a to i v oblas­tech se zvýšenou ochranou (zvláště chráněná území a ochranná pásma vodních zdrojů) [2–6]. 

Pesticidy představují z chemického hlediska různorodou skupinu slou­čenin s cíleným účinkem v ochraně zemědělských plodin. Po aplikaci POR dochází k sorpci části pesticidních látek na půdní částice, jejich postupné desorpci, transformaci a transportu do dalších složek životního prostředí. Tyto procesy ovlivňuje nejen fyzikálně-chemická povaha samotné účinné látky (její polarita, volatilita, poločas rozpadu), ale i environmentální faktory, jako je pH půdy, obsah organického uhlíku, teplota nebo mikrobiální aktivita. Výsledkem je, že pesticidy mohou v krajině dlouhodobě přetrvávat, akumulovat se nebo se objevovat i v oblastech mimo intenzivní zemědělskou činnost. Evropská legislativa stanovuje přísné limitní hodnoty pro obsah pesticidů ve vodách určených k lidské spotřebě, v podzemních i v povrchových vodách a vyžaduje systematické sledování jejich výskytu [7–9]. 

V České republice je dlouhodobý monitoring vod dobře zaveden, avšak údaje o koncentracích pesticidů v půdách jsou omezeně dostupné a obvykle chybí přímé provázání mezi kontaminací půdy a vodního prostředí. Tato vazba je přitom zásadní pro pochopení reálného rizika přenosu pesticidů v krajině a tím i pro návrh účinných nápravných opatření. Vedle legislativních a agrotechnických přístupů je stále větší pozornost věnována nízkonákladovým, provozně nenáročným a přírodě blízkým řešením, která dokážou snižovat vstup pesticidních látek do vod přímo v místě vzniku kontaminace. Jedním z takových opatření jsou pasivní denitrifikační štěpkové bioreaktory, jenž se již např. v USA osvědčily při odstraňování dusičnanů [10]. Tato inovativní in-situ technologie využívá dřevní štěpku jako zdroj organického uhlíku a podporuje tak heterotrofní denitrifikaci a zároveň umožňuje sorpci a biodegradaci vybraných pesticidů [11,12]. 

ALS: Obr. 1 - Pesticidy v zemědělských půdách České republiky (mg/kg). Červeně jsou vyznačeny koncentrace, které nevyhověly limitní hodnotě.

Potřebu komplexně zhodnotit chování pesticidních látek v zemědělské krajině a najít účinná opatření ke snížení jejich environmentálních dopadů naplňuje projekt ELIPES (SS06020006 Komplexní zhodnocení kontaminace půd pesticidními látkami a in-situ remediační opatření k eliminaci jejich vstupu do podzemních vod), jenž je řešen v konsorciu čtyř subjektů – ALS Czech Republic, s.r.o. (příjemce projektu), EPS biotechnology, s.r.o., Výzkumný ústav monitoringu a ochrany půdy, v.v.i., a Vysoké učení technické v Brně. Projekt je zaměřen na sledování výskytu pesticidů v české zemědělské krajině a na ověření účinnosti kombinovaného štěpkového bioreaktoru při jejich odstraňování z po-vrchového odtoku ze zemědělsky využívaných ploch. Následující text shrnuje klíčové výsledky projektu a jejich přínos pro ochranu vodních zdrojů, vodohospodářskou praxi a udržitelné zemědělství. 

Pesticidy v české zemědělské krajině 

Vzorkovací kampaň byla realizována v průběhu června a července 2023 na 45 odběrných lokalitách rovnoměrně rozmístěných na území celé České republiky. Odebírána byla zemědělská půda (ornice) i blízké po-vrchové vody s cílem vyhodnotit úroveň kontaminace účinnými pesticidními látkami a jejich metabolity. Lokalizace odběrných míst zohledňovala přítomnost drenážních systémů, erozní ohroženost půdy, polohu vůči zvláště chráněným územím a ochranným pásmům vodních zdrojů a dále typ pěstované plodiny, přičemž nejčastěji se jednalo o obiloviny a řepku. Odebrané vzorky byly analyzovány v laboratořích ALS Czech Republic. 

Ke stanovení širokého spektra pesticidních látek, 308 analytů v půdách a 352 ve vodách, byla využita kapalinové chromatografie s tandemovou hmotnostní detekcí (UPLC-MS/MS), která umožňuje vysoce citlivé a selektivní stanovení cílových analytů. Pesticidní látky byly zjištěny ve všech odebraných vzorcích půdy. Jejich koncentrace se pohybovaly v rozmezí od 0,011 do 0,733 mg/kg a v průměru činila 0,234 mg/kg (obr. 1). Detailní výsledky jsou volně dostupné v článku Bílková et al. [13]. Protože současná legislativa, ať už evropská, nebo česká, závazné limity pro obsah pesticidů v půdách nestanovuje, byly naměřené hodnoty porovnány s limitem 0,1 mg/kg, jehož dodržování požadovala dnes již zrušená vyhláška Ministerstva životního prostředí z roku 1994 [14]. Limitní hodnota byla překročena v nadpoloviční většině lokalit (25 vzorků, 56 %). Nad limitem reportování (LOR) bylo detekováno 50 z 308 sledovaných analytů, z toho 36 účinných látek a 14 metabolitů. Půdní vzorky běžně obsahovaly více pesticidů současně. Alespoň dvě různé pesticidní látky byly zjištěny na více než 80 % lokalit, čtyři a více pesticidních látek pak u nadpoloviční většiny lokalit. Nejvyšší počet analytů, celkem 19, obsahoval vzorek PLK-25, který pocházel z Plzeňského kraje. 

Situace v povrchových vodách byla velmi podobná. Pesticidy byly zjiš­těny ve 43 vzorcích ze 45 odebraných, a to v koncentraci od 0,013 μg/l až do 14,092 μg/l (obr. 2). Jejich průměrná koncentrace byla 1,364 μg/l. Výsledky jsou podrobně diskutovány ve volně dostupném článku Snop­ková et al. [15]. Legislativní limit 0,5 μg/l, který je součástí návrhu na novou evropskou směrnici řešící kvalitu povrchových vod [16] a do ně­hož byly z důvodu přehlednosti započítány i nerelevantní metabolity, byl překročen ve 24 vzorcích, tedy v 53 % případů. Ve vodách bylo nad LOR detekováno 61 analytů z celkových 352 sledovaných. Zhruba polovinu zjištěných analytů tvořily účinné látky (35 analytů) a zhruba polovinu metabolity (26 analytů). Obdobně jako v půdách, i ve vodách byl velmi běžný nález více pesticidních látek současně. Naprostá většina vzorků (89 %) obsahovala nejméně 2 pesticidní látky a více něž 50 % vzorků obsahovalo nejméně 6 pesticidních látek. Nejvíce pesticidních látek, a to 24, bylo nalezeno ve vzorku JHC-22, odebraném v Jihočeském kraji. 

Souhrnné vyhodnocení a grafické zpracování celé vzorkovací kampaně bylo rovněž zpřístupněno veřejnosti, a to prostřednictvím interaktivní online databáze [17] a ArcGIS StoryMapy [18]. Nejčastěji detekované byly transformační metabolity AMPA (četnost nálezů nad LOR v půdě 78 %, ve vodě 53 %; průměrná koncentrace v půdě 0,121 mg/kg, ve vodě 0,506 μg/l) a 1,2,4-triazol (četnost nálezů nad LOR ve vodě 58 %; průměrná koncentrace ve vodě 0,084 μg/l). V půdě byly také často de­tekovány původní účinné látky daných metabolitů, tj. herbicid glyfosát (jehož transformací vzniká AMPA) s četností nálezů 40 % a průměrnou koncentrací 0,048 mg/kg, a fungicid tebukonazol (zástupce azolových pesticidů, jejichž degradací vzniká 1,2,4-triazol) s četností nálezů 24 % a průměrnou koncentrací 0,053 mg/kg. Rovněž i na úrovni celé Evropské unie patří tyto pesticidní látky mezi nejčastěji detekované a ty s nejvyššími koncentracemi [19,20]. Jejich častý společný výskyt může vést mimo jiné k výskytu nežádoucích kombinovaných efektů v životním prostředí. 

ALS: Obr. 2 - Pesticidy v povrchových vodách České republiky (μg/l). Červeně jsou vyznačeny koncentrace, které nevyhověly limitní hodnotě.

Účinnost odstranění pesticidů v kombinovaném štěpkovém bioreaktoru 

Na základě výsledků studie sledující kontaminaci zemědělské půdy a přilehlých povrchových vod byla na podzim 2023 na malém toku, který je jednou ze zdrojnic povodí CHKO Moravský kras, instalována poloprovozní jednotka kombinovaného štěpkového bioreaktoru. Bioreaktor využíval jako filtrační a reaktivní médium topolovou dřevní štěpku, která poskytovala dostupný organický uhlík pro mikrobiální heterotrofní denitrifikaci a zároveň umožňovala sorpci pesticidních látek [11,12]. Jednotka byla vybavena on-line senzory pro kontinuální sledování pH, teploty, oxidačně-redukčního potenciálu (ORP), rozpuš­těného kyslíku a průtoku. Vzorky pro stanovení základních chemických parametrů, pesticidů a vybraných mikrobiálních parametrů byly odebí­rány v týdenních intervalech. Na vstupu do bioreaktoru byly opakovaně detekovány zejm. metabolity 1,2,4-triazol, AMPA, metolachlor NOA 41373, metolachlor ESA a pethoxamid ESA (obr. 3). Výrazné zvýšení koncentrace glyfosátu v květnu může odpovídat jeho použití na poli před setím, které obvykle probíhá v březnu nebo dubnu. Protože se glyfosát sorbuje na půdní částice, může tak docházet ke zpoždění v jeho vyplavo­vání, které je umocněno zejm. extrémními srážko-odtokovými událostmi. 

ALS: Obr. 3 - Pesticidy na přítoku do kombinovaného štěpkového bioreaktoru v roce 2024.

Rok 2024 byl prvním rokem, kdy bylo možné monitorovat celoroční provoz bioreaktoru. Účinnost odstranění pesticidních látek kolísala v závislosti na ročním období a intenzitě srážek, přičemž v některých případech přesahovala 60 %, a to v podstatě při nulových provozních nákladech (obr. 4). Lze si všimnout pozitivní korelace mezi vysokou účinností bioreaktoru a vysokou koncentrací detekovaných pesticidů na vstupu do bioreaktoru v jarních a letních měsících (především začátek května a konec července). Účinnost odstranění dusičnanů v bioreaktoru byla rovněž vysoká. Koncentrace dusičnanového dusíku na vstupu do bioreaktoru byla celoročně kolem 8 mg/l, na odtoku kolem 4 mg/l. To odpovídá průměrné roční účinnosti 56 %. V jarních a letních měsících se účinnost odstranění dusičnanů pohybovala kolem 75 %, v zimě a na podzim klesla až k nule.

ALS: Obr. 4 - Účinnost odstranění pesticidů v kombinovaném bioreaktoru v roce 2024.

Poděkování 

Článek vznikl v rámci projektu SS06020006 s názvem „Komplexní zhodnocení kontaminace půd pesticidními látkami a in-situ remediační opatření k eliminaci jejich vstupu do podzemních vod“, který je financován se státní podporou Technologické agentury ČR a Ministerstva životního prostředí ČR v rámci Programu Prostředí pro život a který je financován v rámci Národního plánu obnovy z evropského Nástroje pro oživení a odolnost. Zvláštní poděkování patří Ing. Taťáně Halešové, která projekt rok a půl vedla a velkou měrou přispěla k získání prezentovaných výsledků. Poděkování taktéž patří Ústřednímu kontrolnímu a zkušebnímu ústavu zemědělské-mu, s nímž byl konzultován výběr odběrných míst půdy.