POUŽITÍ EKOTOXIKOLOGICKÝCH TESTŮ

MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA CENTRUM PRO VÝZKUM TOXICKÝCH LÁTEK V PROSTŘEDÍ POUŽITÍ EKOTOXIKOLOGICKÝCH TESTŮ S PŮDNÍMI MIKROORGANISMY A BEZOBRATLÝMI PRO HODNOCENÍ VLIVU BIOODPADŮ NA ZEMĚDĚLSKOU PŮDU Bakalářská práce Šárka Křepelková Vedoucí práce: Mgr. STANISLAV MALÝ, Ph.D. Brno 2012

Bibliografický záznam Autor: Název práce: Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce: Šárka Křepelková Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Použití ekotoxikologických testů s půdními organismy a bezobratlými pro hodnocení vlivu bioodpadů na zemědělskou půdu Biologie Obecná biologie Mgr. Stanislav Malý, Ph.D. Akademický rok: 2011/2012 Počet stran: 52+24 Klíčová slova: lihovarnické výpalky; biologicky rozložitelné odpady; roupice (Enchytraeus crypticus); roztoč (Hypoaspis aculeifer); substrátem indukovaná respirace; dehydrogenázová aktivita (Arthrobacter globiformis); ekotoxicita

Bibliographic Entry Author Title of Thesis: Šárka Křepelková Faculty of Science, Masaryk University Research Centre for Toxic Compounds in the Environment Ecotoxicity bioassays with microorganisms and invertebrates for evaluation of effects of biological wastes on agricultural soil Degree programme: Biology Field of Study: Supervisor: General biology Mgr. Stanislav Malý, Ph.D. Academic Year: 2011/2012 Number of Pages: 52+24 Keyword: distillers grains; biologically degradable waste; enchytraeid (Enchytraeus crypticus); mite (Hypoaspis aculeifer); substrate induced respiration; dehydrogenase activity (Arthrobacter globiformis); ecotoxicity

Abstrakt V této bakalářské práci se věnuji biologicky rozložitelnému odpadu, podrobně lihovarnickým výpalkům. Biologicky rozložitelný odpad obsahuje řadu prvků a organických látek, které mohou sloužit jako živiny pro růst kulturních plodin. Živiny obsažené v bioodpadech jsou stejně hodnotné jako průmyslová hnojiva, dokonce lze vlivem imobilizace živin na organickou hmotu zamezit ztrátám a dosáhnout ekologičtějšího využití. Zároveň s prospěšnými látkami se do půdy ale mohou dostat i látky nežádoucí, které vznikají během výrobních procesů. Důslednou kontrolou je třeba zajistit eliminaci jejich vstupu do půdy. Lihovarské výpalky vznikají během destilace jako základní odpadní produkt výroby biolihu. Vykazují hnojivé účinky díky obsahu organického dusíku, zbytkových cukrů a dalších živin. Pomocí stanovené baterie půdních biotestů s mikroorganismy a bezobratlými živočichy byly testovány tři druhy lihovarnických výpalků. Cílem bylo zjistit, zda testované přípravky při doporučených dávkách nevykazují toxicitu a je možné je použít jako hnojivo na zemědělskou půdu. Ze získaných výsledků vyplývá, že lihovarnické výpalky v předepsaných doporučených aplikačních dávkách nejsou škodlivé a je možné je využít k danému účelu. Abstract In this thesis I study biodegradable waste, specifically distiller grains. Biologically degradable waste contains many elements and organic matter that can be used as nutrients for growing crop plants. The nutrients in bio waste are good as like as the industrial fertilizers. Furthermore we can prevent the losses and achieve more ecological utilization because of the immobilization of nutrients in organic matter. Except the useful substances, the undesirable ones can also get into the soil as a result of industrial production. It is necessary to eliminate their intake to land by consistent control. Distillers grains result from the distillation process as a basic waste product of bioethanol production. They can be used as a fertilizer because of organic nitrogen, residual sugars and other nutrients. Three types of distillers grains were tested by the battery of soil bioassays with microorganisms and invertebrates. The aim of the study was to discover if distillers grains in recommended dosages don t cause any toxic effect so that they can be used to the farming land. Results confirm that usage of recommended dosages is not harmful, so distillers grains can be used as an organic fertilizer.

Poděkování Ráda bych na tomto místě poděkovala vedoucímu své bakalářské práce, Mgr. Stanislavu Malému, Ph.D., za vedení a cenné připomínky při zpracování bakalářské práce. Mé poděkování patří především Mgr. Martinu Váňovi za vstřícnost, podporu a užitečné rady po celou dobu mé práce. Dále bych chtěla poděkovat také doc. RNDr. Jakubovi Hofmanovi, Ph.D. za rady ohledně formální podoby práce a pracovníkům laboratoře půdní mikrobiologie a ekotoxikologie ÚKZUZ za příjemné pracovní prostředí a pomoc během laboratorního testování. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 25. května 2012 Šárka Křepelková

Obsah 1 ÚVOD... 9 2 BIOODPADY... 11 2.1 Definice a klasifikace biomasy... 11 2.1.1 Možnosti zpracování a využití biomasy... 11 2.2 Současné odpadové hospodářství... 12 2.3 Biologicky rozložitelné odpady... 13 2.4 Zemědělské odpady a jejich využití... 13 2.4.1 Upravené kaly z ČOV... 15 2.4.2 Bioplyn a digestát... 16 2.4.3 Kompost... 17 2.4.4 Sedimenty stojatých a tekoucích vod... 17 2.4.5 Dřevní odpady... 18 2.4.6 Masokostní a kostní moučky... 18 3 LIHOVARNICKÉ VÝPALKY... 19 3.1 Výroba bioetanolu a odpadní produkty... 19 3.2 Charakteristika lihovarských výpalků... 21 3.2.1 Výpalky ze zpracování obilí a kukuřice... 22 3.2.2 Výpalky ze zpracování meziproduktů z výroby cukru a z melasy... 23 3.3 Využití výpalků jako odpadního materiálu... 23 3.3.1 Využití výpalků ve výživě hospodářských zvířat... 23 3.3.2 Využití výpalků jako hnojivo na zemědělskou půdu... 24 3.3.3 Další využití... 25 4 PŮDNÍ EKOTOXIKOLOGICKÉ BIOTESTY... 26 4.1 Role půdy v ekosystému... 26 4.1.1 Role půdních organismů... 26 4.2 Přístupy stanovení účinků látek... 26 4.3 Půdní biotesty... 27 4.3.2 Testovací substrát... 29 4.3.3 Testovací organismy... 30 5 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST... 31 5.1 Testované přípravky... 31 5.1.1 Lihovarnické výpalky obilné... 31 5.1.2 Melasové výpalky zahuštěné... 32 5.1.3 Lihovarnické výpalky kyselé... 32 5.2 Charakteristika použitých organismů... 33 5.2.1 Roupice Enchytraeus crypticus... 33 5.2.2 Roztoč Hypoaspis aculeifer... 34 5.2.3 Bakterie Arthrobacter globiformis... 35 5.3 Metodické postupy... 35 5.4 Statistické vyhodnocení... 36 5.5 Výsledky a diskuse... 36 7

5.5.1 Mortalita a reprodukce Enchytraeus crypticus... 36 5.5.2 Mortalita a reprodukce Hypoaspis aculeifer... 37 5.5.3 Substrátem indukovaná respirace... 39 5.5.4 Dehydrogenázová aktivita bakterie Arthrobacter globiformis... 41 5.5.5 Krátkodobá nitrifikační aktivita (SNA)... 43 5.5.6 Shrnutí... 44 6 ZÁVĚR... 46 7 SEZNAM ZKRATEK... 47 8 LITERATURA... 48 9 PŘÍLOHY... 53 8

1 ÚVOD Otázky týkající se biologicky rozložitelných odpadů se v poslední době dostávají do popředí řešení v mnoha oblastech. V globálním měřítku se vzhledem ke změnám klimatu klade důraz na snižování množství skleníkových plynů, které se rozkladem organických látek na skládkách uvolňují. Na regionální a lokální úrovni se jedná především o problematiku hromadění odpadního materiálu a nakládání s ním. Lidé svým konzumním způsobem života neustále získávají další a další materiály a objem těch nepotřebných se stále zvyšuje. Zároveň s rostoucí životní úrovní roste i spotřeba energií, jak v domácnostech, tak výrobních procesech. Ideálním řešením, vzhledem k omezeným zásobám a zdrojům surovin, stejně jako jejich dopadům na životní prostředí, se jeví maximální možné další využití odpadních materiálů jako obnovitelných zdrojů energie. Zpracování bioodpadů za vzniku energie ale není jedinou variantou, jakou lze odpadní materiál využít. Minimalizace veškerých energetických ztrát a efektivní využití odpadu je v dnešní době moderním trendem produkčních zařízení. Biologicky rozložitelná hmota obsahuje řadu prvků a organických látek, které mohou sloužit jako živiny pro růst kulturních plodin. Jejich zapravením do půdy rostliny získají potřebné látky přírodní formou bez přídavku umělých hnojiv. Uzavírá se tak koloběh živin, které se zpětně dostávají do půdy a zabraňují tak její degradaci. Většina orných půd postrádá dostatek organické hmoty, která je důležitá pro tvorbu půdní struktury. Aplikací bioodpadu lze její obsah zvýšit. Zároveň s prospěšnými látkami se do půdy mohou dostat i látky nežádoucí, které vznikají během výrobních procesů. Důslednou kontrolou je třeba zajistit eliminaci jejich vstupu do půdy. Ekotoxikologie k tomuto testování využívá klíčové organismy, které se v půdě běžně vyskytují. Hodnotí se parametry, které závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech půdy, biodostupnosti a případné toxicitě látek a směsí. Získaná ekotoxikologická data by měla sloužit jako podklad pro přípravu legislativy. Stanovené limity by měly zajistit využití odpadních materiálů způsobem, který neohrožuje fungování půdního ekosystému. Ve své bakalářské práci se zabývám problematikou využití biologicky rozložitelných odpadů. Teoretická část je zaměřena na problematiku bioodpadů obecně, na jejich vznik, zpracování a další možné využití především ve vztahu k aplikaci na zemědělskou půdu. Zároveň je v práci nastíněn legislativní rámec týkající se ochrany půdy a nakládání s odpady a popsány některé druhy biologicky rozložitelných odpadů. Hlavní důraz je kladen na lihovarnické výpalky, které vznikají jako odpadní materiál při destilaci v lihovarech, a na jejich možné využití jako hnojiva. Dále jsou nastíněny principy ekotoxikologického testování jako teoretický podklad pro experimentální část práce. Praktická část se věnuje testování tří druhů lihovarnických výpalků jako možného organického hnojiva. Pomocí baterie půdních biotestů zahrnující testy s mikroorganismy a bezobratlými organismy byly testovány vybrané přípravky. Byly zvoleny následující testy: test s roupici Enchytraeus crypticus, test s roztočem Hypoaspis aculeifer, stanovení vlivu na substrátem indukovanou respiraci inkubačním pokusem, 9

kontaktní test s bakterií Arthrobacter globiformis. Cílem této bakalářské práce bylo: zpracovat literární rešerši zaměřenou na biologicky rozložitelné odpady, konkrétně lihovarnické výpalky a jejich možnou aplikaci na zemědělskou půdu, seznámit se s metodikou a pracovními postupy vybraných půdních biotestů, experimentálně ověřit, zda testované přípravky při doporučených dávkách nevykazují toxicitu a je možné je použít jako hnojivo. 10

2 BIOODPADY 2.1 Definice biomasy Bechník (2009) definuje biomasu jako veškerou organickou hmotu na Zemi, která se účastní koloběhu živin v biosféře. Jedná se o těla všech organismů, živých i mrtvých, od největších druhů až po mikroskopické tj. živočichů, rostlin, hub, bakterií a sinic. Z energetického hlediska lze biomasu považovat za akumulované sluneční záření a v současnosti je nejvýznamnějším obnovitelným zdrojem energie (Juchelková, 2009). Podle zákona č. 180/2005 Sb. se biomasou rozumí biologicky rozložitelná část výrobků, odpadů a zbytků z provozování zemědělství, hospodaření v lesích a souvisejících průmyslových odvětví, zemědělské produkty pěstované pro energetické účely a rovněž biologicky rozložitelná část vytříděného průmyslového a komunálního odpadu. 2.1.1 Možnosti zpracování a využití biomasy Existuje velké množství způsobů zpracování a využití biomasy. Základní členění spočívá v rozdělení na procesy chemické a procesy biologické. Nejdůležitějšími produkty těchto procesů jsou teplo, elektřina, pohonné hmoty a primární suroviny chemického průmyslu. Možnosti zpracování a energetického využití biomasy znázorňuje schéma na obr. 1. Obr. 1: Schéma možného energetického využití biomasy (Havránková, 2011; Juchelková, 2009) 11

2.2 Současné odpadové hospodářství Řešení problémů s odpady a odpadovým hospodářstvím je v dnešní době významnou součástí problematiky ochrany životního prostředí. S rostoucími trendy ekonomiky a spotřeby společnosti úměrně roste také objem materiálů, kterých se zbavujeme jako nepotřebných. Způsob dalšího nakládání s nežádoucími odpady pak může dál různou měrou negativně ovlivňovat jednotlivé složky životního prostředí. Evropská unie má v rámci své legislativy vybudovaný systém zásad odpadového hospodářství tzv. hierarchii nakládání s odpady (směrnice 1999/31/EC o skládkování odpadů). Jejím cílem je minimalizovat množství odpadu a jeho negativní vlivy na životní prostředí. V první řadě jde o minimalizaci samotného vzniku odpadu. Čím méně odpadu se vytvoří, tím snazší a levnější je jeho likvidace. Pokud nelze vzniku odpadu předejít, je upřednostňováno jeho další využití. V případě biologicky rozložitelných materiálů jde především o jeho recyklaci formou kompostu nebo hnojiva. Další možnost skýtá energetické využití, případně likvidace odpadu bez zisku energie nebo v poslední řadě skládkování. Konkrétní závazky pro nakládání s odpady se staly součástí Plánu odpadového hospodářství České republiky (POH ČR). Mezi tyto závazky patří například (Marková, 2008): - snížit hmotnostní podíl odpadů ukládaných na skládky o 20 % do roku 2010 ve srovnání s rokem 2000, - zvýšit materiálové využití komunálních odpadů na 50 % do roku 2010 ve srovnání s rokem 2000, - zvýšit využívání odpadů s upřednostněním recyklace na 55 % všech vznikajících odpadů do roku 2012, - snížit množství biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) ukládaného na skládky do roku 2016 na 35 % oproti roku 1995. Plán obsahuje také jednotlivá opatření, jak stanovených cílů dosáhnout, ale i přesto Česká republika tyto normativy neplní (Zemánek, 2011). Účelem legislativních opatření je změnit situaci, kdy využívání komunálních odpadů je v našich podmínkách často nákladnější než jejich odstranění skládkováním a naopak usnadnit třídění odpadů a ekonomicky zvýhodnit jeho recyklaci. Separovaný bioodpad lze pak dál zpracovávat jako cennou surovinu pro výrobu hnojiva, kompostu nebo energie (Bresters, 1997; Marková, 2008). V české legislativě je problematika odpadů ukotvena zákonem č. 185/2001 Sb., o odpadech, ve znění zákona č. 106/2005 Sb. Zákon definuje odpad jako každou movitou věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit (Lukšová, 2008). Zákon rozšiřuje několik prováděcích vyhlášek, které stanovují podmínky, jak se vzniklými odpady nakládat: Vyhláška č. 376/2001 Sb., o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů. Vyhláška č 381/2001 Sb., kterou se stanoví Katalog odpadů, Seznam nebezpečných odpadů a seznamy odpadů a států pro účely vývozu, dovozu a tranzitu odpadů a postup při udělování souhlasu k vývozu, dovozu a tranzitu odpadů, ve znění pozdějších předpisů. 12

Vyhláška č 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady, ve znění pozdějších předpisů. Vyhláška č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu. Vyhláška č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady. 2.3 Biologicky rozložitelné odpady Biologicky rozložitelný odpad nebo bioodpad (BRO) je jakýkoliv odpad, který je schopen anaerobního nebo aerobního rozkladu. Jde především o odpady ze zemědělství, lesnictví a potravinářství, dále pak odpady z papírenského a textilního průmyslu, odpady ze zpracování dřeva, kůží a dalších výrob. V rámci celkového objemu odpadů tvoří významnou skupinu, představují asi 23 % veškerého produkovaného odpadu (Altmann, 2010). Nakládání s bioodpady je v poslední době velmi diskutovaným tématem. Biologicky rozložitelné odpady představují specifický druh odpadního materiálu. Bez ošetření mají negativní vliv na životní prostředí a nejsou proto vhodné ke skládkování. Vlivem nekontrolovaných rozkladných procesů se do atmosféry uvolňují skleníkové plyny, které následně ovlivňují klimatické podmínky. Zároveň se ale jeho odstraňováním připravujeme o dobře využitelný materiál. Pokud je správně zpracován, lze jej využít pro zlepšení úrodnosti a fyzikálních vlastností půdy díky obsahu živin, energie a organické hmoty (Zemánek, 2011). Po proběhnutí aerobního biologického rozkladu se mění ve stabilizovaný odpad nebo výrobek kompost. Obec je původcem biologicky rozložitelných komunálních odpadů (BRKO), které také patří do skupiny BRO, ale zároveň tvoří významnou část (dle oblastí až 40 %) směsných odpadů. Značná část využitelné biologicky rozložitelné hmoty končí často na skládkách. Existuje několik možností, jak mohou obce nakládat s bioodpady z domácností. Na prvním místě je podpora domovního a komunitního kompostování, kdy lze biologický materiál zpracovávat přímo na místě, kde vzniká, na zahradách, v zahrádkářských osadách, a nezasahuje tak do odpadového hospodářství. Výhoda spočívá v zapojení občanů do komunitního kompostování a v ekonomické úspornosti (Marková, 2008). Dalším stupněm je vytvoření systému odděleného sběru bioodpadu a jeho následné zpracování a využití formou hnojiva, kompostu. Odpad je odkládán na vyhrazené místo, čímž se navyšuje objem produkce komunálního odpadu (Altmann, 2010). 2.4 Zemědělské odpady a jejich využití Organické odpady se pro aplikaci v zemědělství používaly už od začátku hospodaření s půdou. Zemědělská výroba byla v minulosti považována za bezodpadové hospodářství, protože rostlinné zbytky byly zkrmovány hospodářskými zvířaty nebo byly využívány jako stelivo a zvířecí fekálie se používaly jako zdroj organické hmoty, která se přemění 13

na humus. Tyto produkty nebyly považovány za odpad, ale za organické hnojivo vhodné pro zlepšení úrodnosti půdy a výživy rostlin (Váňa, 2005). S moderní společností a vývojem technologií byly postupně původní organické odpady nahrazeny chemickými hnojivy a ve velkochovech zvířat, které byly vybudované bez vazby na půdu, stále vzniká velké množství odpadního materiálu. V poslední době se ale k bioodpadům jako účinným hnojivům opět vracíme, nejen kvůli jejich zvyšující se produkci, ale i díky implementaci opatření ze strany EU, jak tyto materiály opětovně využít a jak s nimi nakládat (Domene, 2007). Množství živin obsažených v zemědělských odpadech se odvíjí od typu hospodářského zvířete, stravy, typu produkce a způsobu nakládání s odpadem. Obecně lze říct, že pokud složení a kvalita odpadu odpovídá určité normě nebo je dokonce certifikována, nejedná se o odpad, ale o organické hnojivo, případně o suroviny k výrobě organických hnojiv (Váňa, 2002). Jakákoliv manipulace s těmito organickými hnojivy musí být provedena podle legislativy. Skladování, prodej hnojiv a nakládání s nimi se řídí následujícími zákony a vyhláškami: Zákon č. 156/1998 Sb., o hnojivech, pomocných půdních látkách, pomocných rostlinných přípravcích a substrátech a o agrochemickém zkoušení zemědělských půd, ve znění pozdějších předpisů. Zákon č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu, ve znění pozdějších předpisů. Vyhláška č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů. Vyhláška č. 273/1998 Sb., o odběrech a chemických rozborech vzorků hnojiv, ve znění pozdějších předpisů. Vyhláška č. 274/1998 Sb., o skladování a způsobu používání hnojiv, ve znění pozdějších předpisů. Nařízení vlády č. 103/2003 Sb., o stanovení zranitelných oblastí a o používání a skladování hnojiv a statkových hnojiv, střídání plodin a provádění protierozních opatření v těchto oblastech, ve znění pozdějších předpisů. Podle úplného znění zákona č. 156/1998 Sb. jsou hnůj, hnojůvka, močůvka, kejda, sláma, jakož i jiné zbytky rostlinného původu a další vedlejší produkty vzniklé chovem hospodářských zvířat, vznikající zejména v zemědělské prvovýrobě, statkovým hnojivem, nejsou-li dále upravovány (Váňa, 2005). Podle příslušného paragrafu je ale nepřípustné do oběhu uvést statkové hnojivo, u něhož obsah rizikových látek nebo prvků je vyšší, než je stanoveno vyhláškou č. 474/2000 Sb. Zároveň zákon o hnojivech vyčleňuje ze statkových hnojiv upravená statková hnojiva (komposty a digestáty). V současné době se objevují nové materiály, původně hodnocené jako odpad, které lze po úpravě a při splnění zákonem daných limitů použít jako hnojivo. Příkladem mohou být masokostní moučky, rostlinný popel, jemně mletá struska nebo lihovarnické výpalky. Způsob nakládání s meziprodukty zemědělské výroby, případně se zemědělskými odpady, musí být v souladu s požadavky vodohospodářské ochrany (zákon č. 138/73 Sb., o vodách, vyhláška č. 6/77 Sb., o ochraně jakosti vod). Odpady je třeba skladovat 14

odpovídajícím způsobem, vhodně s nimi manipulovat a zpracovávat jen na povolených zařízeních tak, aby neohrožovaly přírodní prostředí. Typickým příkladem jsou hnojiště, komposty a sběrné jímky, které musí být nepropustné a zpravidla vybavené kontrolním systémem proti úniku škodlivin (Váňa, 2002). 2.4.1 Upravené kaly z ČOV Kal je definován jako heterogenní suspenze anorganických a organických látek, odsazených z odpadních vod nebo vzniklých při technologických procesech čištění. Je zdrojem jak organické hmoty, základních živin a stopových prvků, tak i rizikových prvků, nebezpečných organických sloučenin a mikroorganismů (Hejlová, 2006; Lyčková, 2008; Kubík, 2009). To je důvodem, proč je dle zákona č. 185/2001 Sb., o odpadech klasifikován jako nebezpečný odpad. Na druhou stranu jsou kaly díky vysokému obsahu živin využívány jako hnojivo v zemědělství. Vznikají různými procesy během čištění odpadních vod jako hlavní odpadní produkt. Jeho vlastnosti a složení závisí na složení čištěné odpadní vody a na způsobu zpracování kalu před jeho vyvezením z ČOV (Černý, 2010). Nejčastěji dochází k odvodnění a biologické stabilizaci. Principem je rozklad biologicky rozložitelných organických látek mikroorganismy, čímž klesne množství organických látek v kalu. Zbylé organické látky jsou obtížně a pomalu rozložitelné. Zároveň je také snížen potenciál výskytu patogenních organismů a riziko hygienických problémů. I přes pokles množství organických látek stabilizací, obsahuje čistírenský kal stále významné množství organické hmoty, důležitých živin a biologicky aktivních látek, což z něj činí vhodný typ hnojiva pro zemědělskou půdu (Černý, 2010). Domene (2007) uvádí, že odpadní kaly obsahují velké množství organického materiálu, makroprvků a stopových prvků (N, P, Ca, Mg, Na, B, Co, Se, I). Limitující ale může být přítomnost cizorodých látek a potenciálně toxických sloučenin obsahujících Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, As, Al, Ti, Cl. Další nebezpečnou skupinu představují organické polutanty. Čistírenské kaly jsou významným zdrojem dusíku, organické hmoty a uhlíku, obsahují dva krát až tři krát víc organických látek než je obsaženo v chlévském hnoji. Při porovnání s hnojem vykazují nižší stabilitu a jsou tak rostlinám rychleji přístupné. Ve srovnání s rostlinnými zbytky jsou ale stabilnější (Černý, 2010). V řadě prací je prezentován pozitivní vliv čistírenských kalů na fyzikální a chemické vlastnosti půd (vyšší retenční kapacita, zvýšení aerace, zvýšení agregace půd, sorpční schopnosti půd, vyšší propustnost a infiltrace, snížení tvorby půdního škraloupu). Čistírenské kaly rovněž ovlivňují činnost mikroorganismů, mineralizaci organické hmoty a v neposlední řadě výnos plodin (Černý, 2010). Kal lze použít také při rekultivaci výsypek a hald, kdy je potřeba značné množství organické hmoty pro vytvoření normálního půdního profilu (Kubík, 2006). Podle Směrnice Rady č. 86/278/EHS, o ochraně životního prostředí, zejména půdy při používání splaškových kalů v zemědělství, ve znění směrnice Rady č. 91/692/EHS může být kal cennou zemědělskou surovinou. V české legislativě je problematika kalů ČOV ošetřena zákonem 185/2001 Sb., o odpadech a jeho prováděcím předpisem, 15

vyhláškou 382/2001 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě. Kal z ČOV musí být náležitě zpracován a následně důkladně prověřena jeho nezávadnost, než bude dále využit v zemědělství. Musí být dodrženy mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek a prvků v kalech a mikrobiologická kritéria pro použití kalů na zemědělské půdě. Vyhláška 382/2001 Sb. zároveň klade požadavky i na půdu, na kterou má být kal aplikován. Upravené kaly jsou svým složením podobné některým organickým hnojivům, a proto je kontrola jejich využívání zařazena do věcné působnosti zákona č. 156/1998 Sb., o hnojivech a způsob použití je podobný jako u statkových hnojiv (Pastorek, 2004; Budňáková, 2005). 2.4.2 Bioplyn a digestát Bioplyn je jedním z obnovitelných zdrojů energie vznikající jako produkt řízené anaerobní digesce v bioplynových stanicích. Vzniká zpracováním biologicky rozložitelných odpadů a vedlejších produktů organického původu a používá se k výrobě tepelné nebo elektrické energie (Mužík, 2009). Výsledkem procesu anaerobní digesce je kromě hlavní složky - bioplynu, také fermentovaný zbytek digestát, který už bakteriální mikroflóra dál v procesu digesce nevyužívá. Jedná se o stabilní organický materiál, který obsahuje lignin, celulózu a řadu minerálních prvků (Gardavská, 2010). Součástí digestátu se po procesu fermentace stává také zbytková hmota mrtvé mikroflóry. Složení úzce souvisí nejen s parametry ovlivňujícími samotný průběh anaerobní digesce uvnitř reaktoru, ale také s kvalitou, složením a původem surovin vstupujících do procesu a v neposlední řadě i se způsobem úpravy a skladováním. Využití digestátu jako hnojiva závisí na hodnocení jeho chemických, biologických a fyzikálních vlastností (Cigánek, 2011). Lze jej využít také jako přídavek do kompostu nebo dalším zpracováním jako brikety k vytápění domácností. Využití digestátu jako hnojiva s rychle uvolnitelným dusíkem omezuje Nitrátová směrnice (nařízení vlády č. 103/2003 Sb.). Toto omezení se vztahuje na zákaz jeho aplikace v určitém období a upravuje skladovací podmínky. Za zásadní problém použití digestátu jako hnojiva je považován nízký obsah snadno rozložitelných organických látek. Během fermentace klesá obsah lehce rozložitelných organických frakcí na polovinu, středně rozložitelných o pětinu a obsah stabilních organických látek se tak zvyšuje až čtyřnásobně. Ke ztrátám dochází díky přeměně sušiny organických látek na metan a CO 2 z 24 80 %. Půdní mikroorganismy potřebují lehce rozložitelné organické látky jako zdroj energie k mineralizaci obtížně degradovatelných sloučenin. Digestát definovaný vyhláškou jako organické hnojivo se spíše blíží definici hnojiva minerálního kombinovaného. Proto je třeba hnojení digestáty kombinovat s přídavky kvalitních zdrojů lehce rozložitelných organických látek (hnůj, kompost, sláma, atd.) (Cigánek, 2010). 16

2.4.3 Kompost Zemánek (2011) definuje kompost jako organické hnojivo s pomalu uvolnitelným dusíkem obsahující živiny nezbytné pro růst rostlin, které má vysoký obsah organické hmoty a neutrální reakci. Jeho kvalita vždy závisí na kvalitě vstupních surovin a způsobu jejich zpracování. Organická hmota je vysoce humifikovaná, poměr C : N se podobá půdnímu humusu a kompost má tak vysokou schopnost jeho reprodukce. Rozhodující účinek kompostu na kvalitu půdy spočívá ve zlepšení jejích fyzikálních vlastností. Navíc hnojení kompostem podporuje ukládání uhlíku v půdě a snižuje tak příspěvek ke skleníkovému efektu. Většina bioodpadu pochází původně z rostlin. Kompostováním a využitím vracíme potřebnou organickou hmotu zpět do půdy, čímž přispíváme k zachování koloběhu živin v přírodním prostředí (Marková, 2008; Váňa 2009). Mineralizace dusíku z kompostu probíhá relativně pomalu a podle dostupných informací nedochází k jeho nekontrolovanému vyluhování, nehrozí tak riziko eutrofizace podzemní vody (Zemánek, 2011). Navýšením obsahu organické složky v půdě dochází ke zlepšení sorpční kapacity. Kompost má pozitivní vliv na stabilitu půdních agregátů vůči degradaci deštěm, chrání půdu před erozí a zhutněním a zároveň přispívá ke zvýšení pórovitosti a drobivosti půdy. Půda je schopná lépe zadržovat vodu, kterou rostliny potřebují pro své fyziologické funkce (Zemánek, 2011). Tmavá barva humusu ovlivňuje teplotní režim svrchní vrstvy půdy, především na jaře, kdy je půda intenzivně prohřívána (Habart, 2010). Pravidelným zapravením kompostu do půdy se zvyšuje objem mikrobiální biomasy a aktivita enzymů, čímž dochází k intenzivnější mineralizaci organické půdy a zvýšení odolnosti rostlin proti škůdcům a chorobám (Habart, 2010; Zemánek, 2011). Kromě výše popsaného pozitivního působení kompostu na ornou půdu, můžeme najít výhody také ve snížení nákladů na nákup hnojiv či výrobu umělých substrátů. Využití kompostů v zemědělství je ale stále minimální, přestože cena je až třetinová ve srovnání s obsaženým množstvím živin (Habart, 2005). 2.4.4 Sedimenty stojatých a tekoucích vod Usazeniny na dně rybníků, závlahových kanálů a drobných vodních toků jsou výsledkem přírodních procesů. Vznikají dlouhodobým usazováním písku, jílu, kalu a dalších částic pocházejících ze zvětralých a erodovaných hornin a rozložených těl organismů. Hromadění sedimentů také způsobují splachy zemědělské půdy z okolí vodních ploch. Ukládáním se postupně omezují vodohospodářské, biologické a ekologické funkce vodních nádrží a toků. Přebytečné množství sedimentu je pak třeba odtěžit a nakládá se s ním odpovídajícím způsobem (Dymák, 2010). V první řadě se stanovuje složení za účelem zjištění případné kontaminace obsahu rizikovými prvky, které přechází z vody přes rozhraní voda sediment. Vazba rizikových látek na sediment stoupá společně s vyššími hodnotami ph vody, kyselé prostředí umožňuje jejich uvolňování. Míra 17

kontaminace sedimentu je vždy rozhodujícím faktorem při hodnocení možnosti využití v zemědělství a stanovení aplikační dávky na 1 ha půdy (Budňáková, 2005). Splňuje-li sediment limitní normy stanovené vyhláškou č. 257/2009 Sb., o používání sedimentů na zemědělské půdě, je dalším kritériem hodnocení zrnitostní skladba sedimentu, poměr C/N, potřeba vápnění a obsah živin. Pokud nelze sediment aplikovat na půdu přímo, může být využit k výrobě kompostu, který bude před aplikací znovu testován, zda splňuje podmínky stanovené vyhláškou č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva (Budňáková, 2005). V případě podezření z kontaminace sedimentu polutanty, které nebyly předmětem chemických analýz, je vyhláškou č. 257/2009 Sb. uloženo provedení ekotoxikologických testů. 2.4.5 Dřevní odpady Zpracování dřevních odpadů z veřejné zeleně (dřevní odpad, výřezy ze stromů, keřů, větve lesních stromů) se jeví jako dobré skloubení zpracování vzniklého odpadu a zároveň využití suroviny jako vhodného zdroje obnovitelné energie. Z dřevního bioodpadu se připraví štěpka, která se spaluje v domácnostech nebo v obecních výtopnách (Martínek, 2004). Další možností zpracování je kompostování drceného dřevního bioodpadu. 2.4.6 Masokostní a kostní moučky Na základě zákona č. 91/1996 Sb., o krmivech a prováděcí vyhlášky č. 284/2003 Sb., vycházejících z Nařízení Rady č. 1774/2002, je v České republice zakázáno použití kostních a masokostních mouček ke krmení hospodářských zvířat. Je však možné využít masokostní moučky ke hnojení zemědělské půdy, pokud splňují podmínky zákona č. 156/1998 Sb., o hnojivech. Zejména v případě masokostních mouček jsou závazná také vyjádření zdravotnických, hygienických a veterinárních orgánů. Kostní a masokostní moučky splňující nastavená kritéria představují materiál s dlouhodobým hnojivým účinkem. Obsahují vysoký podíl dusíku (3 10 %) a fosforu (2,6 6,5 %), ale na druhé straně i tuku (8 11 % a více). Pro klasické hnojení se spíše nepoužívají, doporučuje se jejich kompostování (Budňáková, 2005). 18

3 LIHOVARNICKÉ VÝPALKY 3.1 Výroba bioetanolu a odpadní produkty V dnešní době je otázka biopaliv velmi diskutovaným tématem vzhledem k sílícím hlasům ohledně vyčerpání celosvětových zásob fosilních paliv, využívání alternativních zdrojů získávání energie a důrazu na znečišťování ovzduší. Do pohonných hmot mohou být přidávána pouze biopaliva, která svými vlastnostmi napodobují benzín a naftu, aby nemuselo dojít k rozsáhlým technologickým změnám spalovacích motorů a tím pádem celého dopravního průmyslu. Bioetanol je kvasný líh s vysokou výhřevností. Používá se jako motorové palivo, formou příměsi do benzínových směsí. Spaliny neobsahují popel a síru, a mají tudíž ve srovnání s benzínem nižší podíl CO 2 a oxidů dusíku (Zeman, 2007). Výchozí surovinou pro výrobu bioetanolu jsou zemědělské plodiny s vysokým obsahem cukrů nebo škrobu, které se postupně zkvašují. Celosvětově nejvíce se jako surovina pro výrobu palivového etanolu využívá obilí, kukuřice, cukrová třtina a řepa. Využití brambor, batátů, rýže, čiroku, čekanky a případných dalších plodin obsahujících škrob nebo zkvasitelné sacharidy se objevuje podstatně méně. Výjimkou jsou nenáročné topinambury, jejichž pěstování a zpracování se poměrně rychle rozšiřuje (Číž, 2007). V našich klimatických podmínkách jde zejména o produkci obilovin (pšenice, žito, kukuřice a tritikále) a brambor. Zároveň se také využívají zbytky ze zpracování brambor v potravinářském průmyslu. Další možnou surovinu představuje cukrová řepa, která se ale primárně využívá v cukrovarnictví, k výrobě bioetanolu se využívá až odpad vznikající při výrobě cukru (Sajbrt, 2010). Při respektování průměrných výnosů, technologické kvality a výtěžnosti je v Evropské unii na výrobu 1 m 3 palivového etanolu třeba přibližně 10 t cukrovky, 9 t brambor, 2,7 t obilí nebo 2,5 t kukuřice. Ceny surovin i ostatních výrobních nákladů se značně liší, vyplývají z různých politických, sociálních a klimatických podmínek jednotlivých regionů a z různých forem zdanění a státních dotací. Jedním z faktorů, který ovlivňuje cenu výrobků, je zisk z vedlejších produktů výroby bioetanolu, především lihovarnických výpalků netěkavých složek vznikajících po oddestilování etanolu. Při zpracování obilí vzniká z 1 t suroviny asi 270 kg sušiny výpalků, z cukrovky a třtiny pak průměrně 50 kg. Zachycování a průmyslové využití CO 2 z fermentace se pro náročné čištění plynu od stop etanolu, různých esterů, vody a vzduchu v širší míře neprovádí (Číž, 2007). Pro výrobu etanolu je nejdůležitější obsah škrobu, sacharózy a dalších fermentovatelných sacharidů v jednotlivých surovinách. V průmyslovém fermentačním procesu dochází díky působení enzymů kvasinek Saccharomyces cerevisiae k přeměně monosacharidů na etanol. Složitější sacharidy musí být před vlastním zkvašováním nejdříve hydrolyzovány. Celý proces probíhá převážně anaerobně (bez přístupu vzduchu). Technologický postup je znázorněn na obr. 2. Během mechanické úpravy výchozí suroviny jsou odstraněny slupky zrn a nežádoucí příměsi, celá směs je rozdrcena na kaši obsahující částice o velikosti 0,4 mm 1,2 mm. V dalším kroku se při teplotě zvýšené na 90 C 94 C rozdrcená kaše díky působení α-amylázy mění na rosolovitou kapalinu. Působením β-amylázy se při 30 C 35 C škrob následně rozkládá na zkvasitelné monosacharidy převážně glukózu, vzniká ztekucená 19

zápara, která se zkvašuje ve fermentorech při teplotě 27 C 32 C a ph 4-6. Působením mikroorganismů za anaerobních podmínek vznikají konečné produkty - etanol, který se následně odvádí, čistí a zkapalňuje, a oxid uhličitý (Sajbrt, 2010). Destilací zkvašené zápary se získává destilát (surový etanol) a destilační zbytek (lihovarnické výpalky). Pro výrobu bioetanolu jako přídavku do pohonných směsí je nutné surový etanol zbavit vedlejších látek jako jsou aldehydy, ketony, kyseliny a přiboudliny (směs vyšších alkoholů vznikající při alkoholovém kvašení), které nepříznivě ovlivňují palivový systém motoru (Zeman, 2007). Obr. 2: Technologický postup výroby bioetanolu (Zeman, 2007) Lihovarské výpalky jako destilační zbytek jsou základním odpadním produktem výroby biolihu. Zpracováním sacharidů dojde k částečné spotřebě škrobu, dextrinů a monosacharidů. Zůstanou téměř všechny složky původní suroviny, které jsou navíc obohaceny o kulturu kvasinek (Rosol, 2010). Vedlejšími produkty fermentace obilovin jsou vlhké lihovarnické výpalky (WDG wet distillery grain) a tekutý odpad (thin stillage, nebo nepřesně distiller solubles). Po destilaci se separují dekantací, dále upravují zahušťováním na odparkách a sušením. WDG jsou tvořeny hrubou obilnou frakcí a tekutá složka obsahuje buňky kvasinek, rozpustné živiny a jemné částice. Čerstvé WDG je možné přímo využít ke krmivářským účelům nebo podrobit dalšímu zpracování. Pevné částice (otruby, pšeničné klíčky a nerozpustné bílkoviny, pocházející z pšenice a z kvasinek z fermentace) se oddělují od tekuté části výpalků (solubles). Jedna polovina tekuté části výpalků se vrací zpět do procesu výroby lihu ve fermentoru, druhá polovina se speciálně pro krmivářské účely zušlechťuje ve zvláštním výpalkovém fermentoru a sekundárně se obohacuje o biomasu kvasinek. Následuje zahuštění na vícečlenné odparce a smíchání s výlisky pevných části. Takto získaná směs je dosoušena ve speciálních sušárnách za vzniku kompletních suchých výpalků DDGS (dried distillers grains with solubles). Sušením WDG bez přídavku tekuté složky vznikají DDG (dried distillers grains) (Párová, 2001). Zpracování je znázorněno na obr. 3. Pokud se jako výchozí surovina používá cukrová řepa nebo melasa, technologický postup je podobný, jen není potřeba zcukernatění (Zeman, 2007). Množství vzniklého etanolu a lihovarnických výpalků záleží na typu suroviny a použité technologii. Z 1 t kukuřice se vyprodukuje 378 l etanolu a 479 kg WDG, nebo 309 kg DDGS. Z 1 t pšenice se vyprodukuje 372 l etanolu a 457 kg WDG, nebo 295 kg DDGS (Bonnardeaux, 2007). WDG lze dále upravovat silážováním, potom se označují jako EWDG (ensiled wet distillers grains) a jsou použity pro krmivářské účely. V případě použití nových 20

termostabilních enzymů jsou výpalky označovány NDDGS (new dry distillers grains with solubles) (Zeman, 2007). Můžeme se také setkat s označením MDGS (modified distillers grains with solubles). Obr. 3: Schéma zpracování vedlejších produktů (Bonnardeaux, 2007) Použití jednotlivých variant závisí na řadě faktorů: vstupní surovině, umístění a velikosti lihovaru, kapacitě recipientu. Zpracování může probíhat několika způsoby, např. sušením, spalováním, zkrmováním, využitím jako hnojivo, anaerobní digescí v bioplynové stanici, chemickým předčištěním a následným sekundárním ošetřením. Každý jednotlivý způsob využití má své výhody a nevýhody (Rosol, 2010). 3.2 Charakteristika lihovarských výpalků Podle typu výchozí suroviny rozlišujeme výpalky bramborové, melasové, obilné (ječné, kukuřičné, pšeničné, ovesné, žitné, rýžové), ovocné, ze zadních a odpadních škrobů a z odpadů některých potravinářských výrob. Lihovarnické výpalky jsou klasifikovány jako odpad, pokud nejsou registrovány jako hnojiva a nepodléhají tak zákonu o hnojivech. Jde o řídkou tekutinu s viditelnými jemnými až hrubšími částečkami. Barva je odvislá od barvy původní suroviny a také doby a teploty sušení. Tmavá barva výpalků může poukazovat na přepálení při sušení. Čím je barva výpalků tmavší, tím nižší je jejich kvalita. Výpalky lze také posuzovat podle vůně. Dobrá kvalita výpalků se vyznačuje vůní sladkou a fermentovanou, přepálené výpalky jsou cítit spáleninou (Ondračka, 2009). Výpalky obsahují značnou část živin z původní suroviny až na bezdusíkaté látky, které byly zkvašeny (tabulka 1). Nejdůležitější složkou jsou dusíkaté látky, k výživné hodnotě 21

přispívá také vysoký obsah vitaminů skupiny B, enzymů a růstových látek syntetizovaných kvasinkami (Pelikán, 1996). U čerstvých výpalků se množství vlákniny pohybuje v rozmezí 0,8 1,2 %, u výpalků sušených je to 10 16 %. Obecně jsou výpalky chudé na vápník. Bramborové a melasové výpalky jsou bohaté na draslík. Lihovarské výpalky mají výborné zchutňovací vlastnosti, díky čemuž se využívají ke zkrmování balastních krmiv, jako jsou sláma a plevy (Zeman, 2007). Lihovarské výpalky jsou z hlediska živinového složení, kvality a krmné hodnoty velmi variabilní. Rozdíly jsou dané složením použité suroviny, na poměru lihotvorných látek k ostatní sušině. Závisí také na dokonalosti výrobního postupu a druhu použitého destilačního aparátu. Účelem dnešních nových technologií je zisk co nejvyššího množství alkoholu, a proto se hmota nevypaluje pouze jednou, ale třikrát až čtyřikrát, čímž dochází k přepalování. Čím je technologický postup dokonalejší, tím je kvalita výpalků horší (Zeman, 2007). Další rozdíly mohou být dány kmenem použitých kvasinek nebo obsahem fermentační tekutiny ve výpalcích před sušením. Tabulka 1: Obsah jednotlivých živin v lihovarnických výpalcích (Ondračka, 2009). ADF acid detrgent fiber, NDF neutral detergent fiber. Živina Obsah [%] N-látky 25-35 Tuk 3 13 Vláknina 5 10 ADF 10 20 NDF 28 44 Popel 3-8 Lysin 0,43 0,90 Metionin 0,44 0,60 Treonin 0,80 1,16 Tryptofan 0,16 0,25 Vápník 0,03 0,15 Fosfor 0,60 0,95 Sodík 0,09 0,44 3.2.1 Výpalky ze zpracování obilí a kukuřice Obilné výpalky obsahují proteiny, glutén (směs gliadinových a gluteninových proteinů neboli lepek), tuky, anorganické látky a vitaminy, celkem asi 20 složek o celkové sušině 7 10 %. Používají se především jako kvalitní krmivo pro dobytek. Na trh se dodávají pod různými názvy podle obsahu vody a nutriční hodnoty: DDGS, WDG, DDG, MDGS a produkt CDS určený k přímému zkrmování, který bývá označován jako sirob. Podle dostupných informací zisk z prodeje těchto produktů pokrývá 15 30 % celkových výrobních nákladů (Číž, 2007). 22

3.2.2 Výpalky ze zpracování meziproduktů z výroby cukru a z melasy Množství sušiny v surových cukerných výpalcích se pohybuje kolem 10 %. Anorganický podíl, který představuje pouze 2 4 %, tvoří převážně draselné soli. Organická složka se skládá z glycerolu, organických kyselin, redukujících látek a kolem 0,5 % dusíkatých látek. Výpalky se používaly především jako krmivo, ideálně zahuštěné na 80 % obsahu sušiny. Zahušťují se odpadním teplem na tlakových nebo podtlakových odparkách v menších cukrovarech, ve větších zařízeních se výpalky suší v bubnových rotačních sušárnách, kde se topí párou nebo spalinami, ve válcových, podtlakových nebo rozprašovacích sušárnách. Získané bílkovinné krmivo obsahuje 40 45 % dusíkatých látek, 4 8 % tuku a 5 9 % popela a vitaminy skupiny B. Jejich nevýhodou je ale vysoký obsah dusíkatých solí, který nepříznivě působí na zažívací trakt zvířat a také krátkodobá skladovatelnost řídkých výpalků. Častější je zužitkování přímo jako hnojivo, což ale zvyšuje náklady na dopravu. Proto se výpalky míchají dohromady s vápencovým prachem, saturačními kaly, rašelinou a podobnými látkami na sypké hnojivo (Číž, 2007). Kromě toho, že melasové výpalky slouží jako draselné a hořečnaté hnojivo, stimulují půdní mikroflóru a mají pozitivní vliv na orniční strukturu. S rostoucí výtěžností bioetanolu nepřímo úměrně klesá kvalita výpalků, jsou daleko řidší než melasové a obsahují méně důležitých prvků. Místo aplikace na zemědělskou půdu se tak lepší variantou jeví zpracování přečištěním na ČOV (Kunteová, 1996). 3.3 Využití výpalků jako odpadního materiálu 3.3.1 Využití výpalků ve výživě hospodářských zvířat Výpalky se díky své vysoké biologické hodnotě využívají především ke krmení hospodářských zvířat, jednak k přímému zkrmování a také do krmných směsí jako náhrada masokostní moučky, která se už v současné době nepoužívá. Jsou hodnotným zdrojem aminokyselin a fosforu a mohou sloužit jako částečná náhrada sójového extrahovaného šrotu a fosfátů v krmných dávkách. Živinové složení a stravitelnost je velmi variabilní, záleží na typu suroviny a především na způsobu zpracování. Běžně se zkrmují ve dvou variantách: vlhké - WDG, nebo sušené DDG (Bonnardeaux, 2007). Krmení mokrými výpalky je energeticky a ekonomicky výhodnější, ale je omezeno krátkou dobou skladovatelnosti a relativně malou oblastí kolem lihovaru, kam má smysl krmivo s vysokým obsahem vody dopravovat. Sušené výpalky tato omezení nemají, jejich výroba ale kromě navýšení finančních nákladů nese riziko poškození výpalků příliš vysokou teplotou (Ondračka, 2009). 23

3.3.2 Využití výpalků jako hnojivo na zemědělskou půdu Další alternativou využití výpalků je aplikace na zemědělskou půdu. Živiny obsažené v bioodpadech jsou stejně hodnotné jako průmyslová hnojiva, dokonce lze vlivem imobilizace živin na organickou hmotu zamezit ztrátám a dosáhnout ekologičtějšího využití. Výpalky vykazují hnojivé účinky díky obsahu organického dusíku, zbytkových cukrů a dalších živin. Jejich aplikace na půdu stimuluje biologickou aktivitu a ovlivňuje rozvoj půdní mikroflóry a asimilace organického dusíku v půdě zabraňuje jeho vyplavování. Aplikace je zvláště vhodná na půdy s nízkými počty půdních organismů pro stimulaci jejich růstu a aktivity (Kunteová, 1997). Přídavek výpalků urychluje rozklad zaorané slámy, a tím vyrovnává deficit organické hmoty v půdě (Duffek, 2001). Problémem, který brání přímému využití, jsou některé fyzikálně chemické vlastnosti. Lihovarské výpalky mají nízké ph (až 3,8) a vykazují různou míru fytotoxicity, kterou je ale možné smícháním s vhodnou příměsí snížit (Váňa, 2008). Dalším negativním efektem DDGS je vysoká hladina síry (Bonnardeaux, 2007). Podle doporučení se melasové výpalky aplikují ke strniskové meziplodině (tedy na podzim), která může během 10 12 týdnů využít výpalkový dusík až z 50 %, zbytek je přes zimu organicky blokován. Při jarním vysušení a ohřátí půdy jej půdní mikroorganismy svou obnovenou mikrobiální činností postupně mineralizují, a tak zpřístupňují rostlinám. Výpalky se doporučuje hnojit ve dvou až tříletém rytmu v dávkách 2,5 t/ha až 3 t/ ha. Výpalky je třeba pokud možno okamžitě zaorat kypřičem nebo rotačním kultivátorem. Mezi země, ve kterých jsou melasové výpalky používány jako hnojivo po řadu let, patří Francie a v Německu byly melasové výpalky zařazeny do německého zákona o hnojivech jako pomocná látka pro půdu (Kunteová, 1997). Podle pokusů provedených na ÚKZUZ v roce 1992 lze výpalky používat ke hnojení v kombinaci s různými organickými hnojivy. Aplikace výpalků samotných nahradí tradiční minerální hnojiva (NPK) ze 45 %, výpalky ve směsi se slámou nahradí NPK z 58 % a směs výpalků a kejdy v poměru 1 : 2 z 66 % (Duffek, 2001). Kombinací lihovarských výpalků (20 70 %) a kejdy prasat nebo skotu (30 80 %) vzniká směs, která je dobře aplikovatelná, není fytotoxická a volatilizace amoniaku, ke které dochází u kejdy, je v této směsi tekutého hnojiva silně omezena. Ideální období pro aplikaci je na strništi po sklizni plodin s ohledem na Nitrátovou směrnici (nařízení vlády č. 103/2003 Sb.), která stanovuje vhodné termíny a způsoby aplikace s ohledem na půdně ekologické podmínky a zemědělskou kulturu (Váňa, 2008). Nezbytnou podmínkou pro používání směsných tekutých organických hnojiv je pravidelná vstupní a výstupní kontrola, která dokladuje obsah rizikových prvků a základních agrochemických parametrů jako jsou ph, obsah sušiny, organických látek a základních živin. Hnojení organickými odpady je ošetřeno zákonem č. 254/2001 Sb., o ochraně vodních zdrojů, zákonem č. 185/2001 Sb., o odpadech a zákonem č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu. V případě splnění limitů lze organický odpad použít jako hnojivo. Ekonomicky zajímavé je snížení nákladů na obou stranách pro producenty snížením nákladů na likvidaci a pro zemědělce snížení nákladů na nákup minerálních hnojiv, které jsou nahrazeny živinami obsaženými ve využitých organických odpadech (Váňa, 2008). 24

Výsledky laboratorních, skleníkových a polních experimentů Národního střediska pro zemědělský aplikovaný výzkum v USA ukázaly, že výpalky mohou být použity jako regulátor trávových plevelů. Po aplikaci pelet z výpalků na povrch půdy semena trav nevzklíčila. Testování na mladých rostlinách neprokázalo žádné negativní působení, naopak byly prokázány hnojivé účinky. Bylo zjištěno, že látky obsažené v sušených výpalcích působí negativně pouze na semena (Zeman, 2007; Boydston, 2008). 3.3.3 Další využití Spalování sušených lihovarnických výpalků a využití vzniklé energie je jednou z dalších možností, jak lze s tímto odpadem naložit. Alternativu tvoří výroba bioplynu z lihovarnických výpalků anaerobní digescí. V bioplynových stanicích tak vzniká energeticky dále využitelný metan a vodík. Jinou možností zpracování odpadního materiálu je jeho likvidace. Přirozené biologické čištění není možné především vzhledem k vysokému podílu těžko odbouratelného lepku, který výpalky obsahují. V případě využití kombinace biologického čištění s chemickou předúpravou, která zajistí rozložení podstatné části lepku a vysrážení nečistot, vzniká jako výsledek procesu odpadní voda, která je dále biologicky upravována (Rosol, 2010). Změna technologie výroby etanolu frakcionací skýtá další alternativní možnosti využití. Frakcionací se od zrn oddělí proteiny a fermentaci podléhá pouze endosperm. Zbylé frakce jsou dále zpracovávány na další hodnotné produkty jako například zárodečný olej (Bonnardeaux, 2007). Speciální možností je využití koncentrátu řepných výpalků jako pojivo zlepšující vlastnosti materiálů při výrobě stavebních dílů z jílu (cihly, střešní tašky). Neobvyklou aplikaci představuje dezinfekce skladovaných jablek výpalky místo postřiku preparáty obsahující měď, aby ovoce mohlo splňovat podmínky požadované pro bioprodukty. Díky obsahu uhlíkatých a dusíkatých sloučenin jsou výpalky vhodným substrátem pro další biochemické zpracování, výrobu krmného droždí toruly. Pro tyto účely se průmyslově zpracovávají výpalky samotné nebo ve směsi s melasou (Číž, 2007). Lihovarské výpalky je možné využít jako náhradu mouky pro výrobu pečiva. Díky obsahu proteinů a vlákniny tak mohou být i součástí potravy člověka. Výzkumem v této oblasti se zabýval Institute for Food Science and Technology ve Washingtonu, kdy se v rámci studie nahradilo 30 % běžné mouky DDGS u čtyř různých výrobků (Bonnardeaux, 2007). 25

4 PŮDNÍ EKOTOXIKOLOGICKÉ BIOTESTY 4.1 Role půdy v ekosystému Půda představuje základní článek ve fungování ekosystémů, stojí na začátku i konci potravních řetězců a zajišťuje tak plynulou rovnováhu koloběhu látek v prostředí. Představuje velmi dynamický systém, který svými funkcemi a službami tvoří nezbytnou složku potřebnou k životu všech organismů. Půdotvorné procesy probíhají velmi pomalu, a proto se na půdu nahlíží jako na neobnovitelný přírodní zdroj, je třeba ji chránit a udržovat v co nejpřirozenější podobě. Evropská komise definuje půdu jako klíčový element s následujícími environmentálními, sociálními a ekonomickými funkcemi (Domene, 2007): produkce potravin a další biomasy (přísun vody a živin, fixace rostlin v půdě), zásobení, filtrace a transformace (role v ochraně vod, výměna plynů s atmosférou), habitat a zdroj genetického materiálu (biodiverzita organismů), prostředí pro lidské působení (krajina a kulturní dědictví), zdroj nerostných surovin. 4.1.1 Role půdních organismů Biota má zásadní vliv na udržování kvality půdy a fungování celého půdního a terestrického ekosystému. Mikroorganismy a bezobratlí svou činností rozkládají odpadní organické látky, tvoří humus, přeměňují minerální látky na látky biologicky aktivní a vhodné pro rostliny, čímž významně zasahují do koloběhu látek a prvků. Ovlivňují také strukturu půdy, půdní provzdušňování a vlhkost. Podporují degradaci polutantů a regulují koloběh CO 2 a dalších skleníkových plynů. Půdní organismy jsou proto považovány za zcela klíčové bioindikátory a ukazatele kvality půdy (Winding, 2005). 4.2 Přístupy stanovení účinků látek Pro popis účinků toxických látek a směsí na životní prostředí a hodnocení rizik se využívají dva přístupy. Chemická analýza životního prostředí stanovuje chemické složení a koncentrace látek, které do prostředí vstupují, nebo se v něm již vyskytují. S využitím údajů o toxicitě jednotlivých složek odhaduje rizika spojená s výskytem těchto látek v jednotlivých složkách prostředí (Kočí, 2006). Chemické testy vychází z předcházejících znalostí analyzovaných složek a nejsou tak schopny pokrýt všechny přítomné látky, které daná směs obsahuje, zejména nereflektují biodostupnost kontaminantů a jejich synergistické a antagonistické působení (Domene, 2007). Ekotoxikologické testy s živými systémy neumožňují stanovení přesného složení vzorků, ale zaměřují se na efekty, které tyto vzorky vyvolávají. Živé organismy jsou exponovány kontaminantem, na který měřitelným způsobem odpovídají. Tyto reakce lze 26