Projekt IET (Institut environmentálních technologií)

V rámci projektu IET bude ENC řešit jeden výzkumný program s názvem „Výzkum dopadů environmentálních tehnologií na životní prostředí“. Výzkumný program je rozdělen do následujících etap:

I. ETAPA (Analytická a servisní činnost)

Budou analyzovány látky přítomné v atmosféře v oblasti ostravské aglomerace a v oblasti Moravskoslezských Beskyd. Sledována bude koncentrace plynů vznikajících při spalování studovaných odpadů a to jak anorganických (např. NOx, SO2, HCl, HF atd.), tak organických sloučenin (např. VOC, PCDD, PCDF apod.). Pozornost bude věnována rovněž monitoringu faktorů klimatu, které s výskytem atmosférických polutantů souvisí (především spektrální složení radiace s důrazem na zastoupení UV- záření, teplotní a srážkové anomálie). Předmětem zájmu bude také průmyslová a městská odpadní voda. Výzkum se zaměří na obsah těžkých kovů, fenolických látek a povrchově aktivních látek, které jsou významné s ohledem na průmyslovou produkci v regionu a které hrají významnou roli při ochraně povrchových i podzemních vod.

Na základě výše uvedeného bude rozpracováno studium dopadu průmyslových odpadových technologií na životní prostředí. Tyto impaktové studie tvoří hlavní oblast zájmu této sekce v rámci start-up grantu, ale také celého projektu a jsou podrobně popsány v další etapě.

II. ETAPA (Hodnocení dopadu průmyslových odpadových technologií na životní prostředí)

Molekulární a buněčná úroveň

Dopady související s pevnou fází (půda)

Detekce akutní a chronické toxicity v průmyslových odpadech a jimi kontaminované zemině. V rámci této aktivity budou studovány toxické a genotoxické účinky vybraných xenobiotik. K hodnocení budou využity testy dle EU a ČSN norem a vybrané nové perspektivní experimentální metody, které umožňují studovat kvalitativní i kvantitativní charakter účinků kontaminant na molekulární a buněčné úrovni. Dosažené poznatky budou využity pro návrh a ověřování účinnosti dekontaminačních postupů a remediací. Bude provedena série screeningových testů toxicity a genotoxicity, porovnání získaných výsledků a jejich statistické hodnocení. V návaznosti na zakoupenou laboratorní techniku bude uskutečněno postupné zavádění nových metodik hodnocení biologického dopadu – např. kometový test a metodik pro sledování molekulárně genetických změn.

Dopady související s kapalnou fází (odpadní vody)

Ve vybraných typech vod budou sledovány toxické účinky kontaminant. Dle charakteru znečištění bude prováděno komplexní posouzení toxického a genotoxického efektu. K hodnocení budou využity testy dle EU a ČSN norem a bude ověřována možnost uplatnění nových screeningových metod, umožňujících studovat kvalitativní i kvantitativní charakter toxického působení látek v odpadních vodách, vodních tocích, v sedimentech a naplaveninách. Na základě získaných výsledků budou posouzena rizika spojená s jejich přesuny v rámci potravního řetězce a kumulace v tělech vodních organismů. Výsledky budou využity k návrhu ekologicky přijatelných způsobů likvidace odpadů. V rámci tohoto studia bude sledována možnost uplatnění biofilmů v biodegradaci odpadních vod.

Rostlinná a živočišná úroveň

Obecně lze konstatovat, že budou zjišťovány bioindikační vlastnosti rostlin vzhledem k jejich schopnosti reagovat na změny v kvalitě ovzduší, půdy a vody. Z hlediska primárních producentů, tedy rostlin, bude pozornost věnována známým bioindikátorům - lišejníkům, mechům, hospodářsky významným dřevinám (smrk, buk), ale budou také vyhledávány nové druhy s prokazatelnou reakcí na změny kvality prostředí. Dále budou sledovány fyziologické parametry u vyšších cévnatých rostlin se zaměřením na destrukci mezofylových a vodivých pletiv. Výzkum v živočišné říši je úzce propojen se studiem primárních producentů (rostlin) a přímo na ně navazuje. Hlavní pozornost bude zaměřena na primární konzumenty zejména na jejich největší a nejpočetnější skupinu – herbivorní hmyz (hmyz živící se rostlinami). Jednotlivé experimenty budou sledovat zejména změny palatability (v chutnosti) rostlin pro herbivory a metabolismus vybraných odpadních látek v tělech herbivorů. Na základě těchto výsledků bude možné charakterizovat významné bioindikační druhy a navrhnout modely reakcí.

Dopady související s pevnou fází (půda)

Bude studován vliv škodlivých látek (např. těžkých kovů) obsažených v půdě na klíčové fyziologické procesy vybraných druhů rostlin. Cílem bude získat komplexní informace o mechanismech působení škodlivých látek, jejich vlivu na chemismus rostlin a příčinách rozdílné odolnosti. Toxické účinky budou studovány v laboratorních i terénních podmínkách na vybraných typech rostlinných bioindikátorů. Pozornost bude zaměřena nejen na přímou toxicitu působící na úrovni rostlinných buněk a pletiv, ale také na látky vyvolávající stres jako komplexní odezvu organismu. Výběr studovaných rostlin bude proveden s ohledem na možné využití získaných poznatků pro fytoremediaci. Fyziologický a analytický výzkum bude propojen s modelovými botanickými studiemi, aby byly získány relevantní informace pro optimalizaci druhové skladby rostlin vhodné pro fytoremediační postupy v daných podmínkách (konkrétním příkladu kontaminace půdy).

Dopady související s plynnou fází (atmosféra)

Cílem aktivity je analýza dopadů změn klimatických podmínek souvisejících s působením atmosférických polutantů (změny radiačního prostředí, změny v chemickém složení atmosféry, teplotní abnormality) na fotosyntetickou aktivitu ekonomicky a ekologicky významných druhů rostlin mírného severního pásu (především smrk ztepilý, buk lesní, ječmen jarní a další druhy dřevin, zemědělských plodin, respektive bylin). Kromě stanovení základních charakteristik funkce fotosyntetického aparátu bude pozornost věnována podrobnější analýze odezvy klíčových komponent asimilačního aparátu, které určují odolnost rostlin vůči uvedeným stresům (antioxidanty, pigment-proteinové komplexy, enzym Rubisco). Výsledky budou použity k objasnění příčin mezidruhové variability odolnosti rostlin vůči abiotickým stresovým faktorům a rozdílné schopnosti aklimace asimilačního aparátu na dlouhodobé působení zvýšené koncentrace CO2. Pozornost bude věnována rovněž dopadu uvedených stresových faktorů na chemické složení asimilačního aparátu (obsah UV- stínicích flavonoidů, karotenoidů a sacharidů) s ohledem na možné ovlivnění vztahů mezi rostlinami a primárními konzumenty v ekosystému. Výzkum bude tedy úzce provázán s výzkumem na úrovni biocenóz.

Dopady související s kapalnou fází (odpadní vody)

Zaměříme se na ověření možného působení odpadních vod z klíčových průmyslových technologií na základní fyziologické charakteristiky zemědělských plodin a lesních dřevin. Vzhledem k zakoupenému vybavení bude možné v laboratorních podmínkách simulovat a vyhodnocovat kumulaci odpadních látek v rostlině a následný vliv na růst a reprodukci vybraných druhů. Pozornost bude věnována především vlivu fenolických látek a surfaktantů v odpadních vodách. Cílem bude rovněž ohodnocení účinnosti dekontaminačních (čisticích) postupů vyvíjených v tomto projektu, z hlediska minimalizace negativního vlivu na rostliny. Kromě laboratorních experimentů budou realizovány rovněž polní experimenty na modelových ekosystémech s cílem zjistit vliv kontaminovaných odpadních vod na jejich stabilitu. Výzkum v živočišné říši bude zaměřen na indikační vlastnosti významných skupin organismů žijících ve vodním prostředí. U primárně vodních obratlovců budou vyhodnocovány dopady změn jakosti vody na kvalitativní parametry ichtyocenóz a populace jednotlivých druhů ryb v dotčených společenstvech. V souladu s platnou metodikou EU bude kladen důraz na bioindikační hodnotu 0+ juvenilních ryb. Cílem výzkumu bude návrh opatření k dosažení dobrého ekologického stavu pro závěrečné profily příslušných vodních útvarů. U bezobratlých bude pozornost zaměřena na zásadní bioindikátory ze skupiny korýšů a vodního hmyzu.

Úroveň biocenóz

Tato etapa výzkumu zahrnuje zejména analýzu změn biodiverzity a kompozice taxocenóz organismů ve vybraných ekosystémech zatížených vlivy průmyslových technologií včetně kontaminace prostředí vybranými odpadními produkty.

Dopady související s pevnou fází (půda)

Výzkum bude soustředěn na sukcesi antropogenních ekosystémů s různými stupni kontaminace půdy. Bude prováděna zejména analýza biodiverzity a kompozice fytocenóz a taxocenóz půdních a epigeických bezobratlých na vybraných výsypkách a skládkách odpadů. Získaná data budou komplexně vyhodnocována pomocí klasifikačních (cluster analysis) a ordinačních metod (PCA, DCA, RDA, CCA), významnost faktorů pak bude ověřována Monte-Carlo permutačními testy a modely GLM a GAM.

Dopady související s plynnou fází (atmosféra)

Výzkum v rámci této aktivity se bude opírat o výsledky zoologických a botanických výzkumů vyprodukovaných na předchozí úrovni (úroveň rostlin a živočichů). Pozornost bude věnována zejména změnám biodiverzity, struktury a potravních nároků taxocenóz a guild herbivorů a konzumentů vyšších řádů v souvislosti s reakcí primárních producentů na komtaminaci prostředí odpadními látkami. Významnou roli zde budou hrát základní studie druhové diverzity a hostitelské specializace jednotlivých druhů za přirozených podmínek a v podmínkách antropogenního působení.

Dopady související s kapalnou fází (odpadní vody)

Hlavní pozornost bude zaměřena na komplexní analýzy biodiverzity a struktury taxocenóz bezobratlých (bentičtí bezobratlí, korýši, hmyz) a obratlovců (ryby) kontaminovaných i nekontaminovaných vodních ekosystémů (přirozených i umělých nádrží, vodních toků, zaplavených důlních poklesů a kališť atd.). Následující vyhodnocování dat bude prováděno tak, aby bylo možno provést komplexní posouzení dosavadního ovlivnění biotopu a kvalifikovaně formulovat návrhy opatření zmírňujících dopady technologií včetně predikce očekávaného vývoje.

III. ETAPA (Návrhy řešení na zmírnění dopadu vybraných průmyslových technologií)

Biodegradační metody

Poznatky získané v předchozí etapě (II.) budou využity pro návrh a ověřování účinnosti dekontaminačních postupů a remediací. Biodegradační metody budou studovány s ohledem na využití nových mikroorganismů a možnosti jejich aplikace v konsorciích; zejména houby v kombinaci s bakteriemi. Cílem je dosažení maximálního degradačního efektu. Účinnost biodegradací bude laboratorně i poloprovozně sledována vzhledem k chemickým, fyzikálním a biologickým podmínkám průběhu procesu - zejména bude pozornost zaměřena na výběr vhodných mikroorganismů a sledování nezávadnosti konečných degradačních produktů. Bude ověřována možnost a vhodnost zavedení biodegradačních postupů založených na aerobním rozkladu houbami při čištění odpadních vod kontaminovaných obtížně rozložitelnými látkami.

Management území postižených antropogenními vlivy

Na základě analýz jednotlivých populací a cenóz organismů a modelů sukcese ekosystémů budou vypracovány návrhy hodnocení pomocí bioindikačních druhů a metodik managementu území zasažených sledovanými technologiemi. Nedílnou součástí a dílčím cílem hodnocení bude formulace reálných návrhů vedoucích k renaturalizaci prostředí, případně k minimalizaci negativních vlivů příslušných technologií na dotčené biocenózy. Budou přitom zohledněny výsledky výzkumů vztahující se k přirozené dynamice a obnově krajiny, která je pod silným vlivem člověka, resp. kterou lze označit jako suburbánní a jež se dle mnohých indikátorů jeví jako nejvitálnější. Potvrdí-li se současné doklady o síle spontánní sukcese v narušených a člověkem ovlivněných ekosystémech, bude v rámci návrhu řešení na zmírnění dopadů rozpracována metoda bezzásahovosti, a to jak z hlediska perspektiv a očekávaných kladů, tak i z pohledu ekologických rizik.

Adsorpční metody

Cílem této aktivity je studium přírodních (uhlí, jíly apod.), syntetických (aktivní uhlí, aerogely) a odpadních (saze, škvára, popílek, kaly – různého původu) materiálů a to s ohledem na možnost jejich využití při imobilizaci škodlivých látek v životním prostředí. Předmětem zájmu bude především adsorpce z kapalného prostředí (především z odpadních vod) a to těch látek, které se s ohledem na průmyslové zaměření regionu do přírodního prostředí dostávají. Jmenovitě budou studovány především sorpce těžkých kovů (součást odpadních vod energetického zpracování odpadů), fenolických látek a povrchově aktivních látek (tenzidů). Cílem výzkumu bude popsat adsorpční děj a faktory, které ho ovlivňují (pH, teplota, druh sorbentu, zrnitost apod.) a to tak, aby výstupy byly podkladem pro konkrétní aplikační řešení.

Výzkum se bude odehrávat ve dvou rovinách:

  • Využití odpadních pevných produktů jako adsorpčních materiálů a to jak samotných odpadů, tak odpadů modifikovaných aditivy (např. aktivním uhlím). V případě nízké adsorpční kapacity budou studovány jiné možnosti využití těchto odpadních látek.
  • Čištění odpadních vod vznikajících při spalných procesech pomocí adsorpčních materiálů. Jednotlivé adsorpční materiály budou charakterizovány s využitím moderní experimentální techniky, jak po stránce strukturního složení, tak z hlediska jejich textury. K jejich strukturní charakterizaci bude využita metoda infračervené spektroskopie a RTG difrakce; texturní parametry budou kvantifikovány s využitím „inteligentního“ sorpčního analyzátoru. Chování adsorpčních disperzí ve vodném prostředí bude popsáno pomocí zeta potenciálu, teplotní stabilita kalů pak bude kvantifikována na základě termické analýzy.