Znečištění nekončí dopadem na půdu. Česká studie ukazuje, jak se nebezpečné látky vracejí zpět do ovzduší

Když se znečišťující látka dostane z atmosféry na zemský povrch, obvykle předpokládáme, že tím její cesta končí. U některých organických látek to ale neplatí. Mohou se z půdy znovu uvolnit a vrátit do atmosféry. Nová studie českých vědců a jejich zahraničních spolupracovníků tento proces sledovala přímo v terénu a ukázala, že půda může být významným článkem v dlouhodobém koloběhu polycyklických aromatických látek.

Při hodnocení znečištění ovzduší se pozornost přirozeně soustředí především na zdroje. Sledují se průmyslové provozy, doprava, spalování paliv nebo další činnosti, při nichž se znečišťující látky dostávají do atmosféry. Mnohem méně nápadná je jejich další cesta. Část těchto látek se z atmosféry postupně ukládá na povrch půdy. A právě tam jejich příběh nemusí skončit.

Pro jejich chování v prostředí je důležité, že se po uložení na zemský povrch nemusí v půdě trvale zadržet. Část těchto látek může za určitých podmínek z půdy znovu přecházet do atmosféry. Jak dlouhodobě významný může být osud chemických látek uložených v půdě, ukázala například loňská havárie nákladního vlaku v Hustopečích u Brna, při níž z poškozených cisteren unikl benzen a část kontaminace pronikla do půdy a následně do podzemních vod. Následná sanace proto neřešila pouze samotné místo havárie, ale také šíření kontaminace v horninovém prostředí a vodách.

V případě PAU je přitom důležitá další možnost jejich pohybu, protože některé z těchto látek se mohou z půdy za vhodných podmínek znovu uvolňovat do atmosféry. Odborně se tento proces označuje jako revolatilizace, tedy opětovné vypařování. Nová studie Polycyclic aromatic compounds in air – importance of re-volatilisation from soils publikovaná v časopise Journal of Hazardous Materials se zaměřila právě na tento proces. Výzkumný tým vedený Gerhardem Lammelem zahrnoval odborníky z Masarykovy univerzity v Brně, především z centra RECETOX, a jejich spolupracovníky z institutu pro chemii a Helsinské univerzity.

Skrytá rizika spalování a chemických proměn v ovzduší

Studie se zaměřuje na polycyklické aromatické uhlovodíky, známé pod zkratkou PAU. Jde o skupinu organických látek, které vznikají především při nedokonalém spalování uhlí, ropy, dřeva, biomasy a dalších materiálů. Do ovzduší se dostávají například při spalování paliv, v průmyslových procesech nebo v dopravě. Některé PAU jsou toxické, u některých byla prokázána mutagenita a karcinogenita, a proto patří mezi významné látky sledované z hlediska znečištění životního prostředí.

Výzkumníci se přitom nezaměřili pouze na samotné PAU. Sledovali také jejich nitrátové a kyslíkaté deriváty. Nitrátové deriváty označují zkratkou NPAHs a kyslíkaté deriváty OPAHs. Tyto látky mohou vznikat přeměnou původních PAU v atmosféře. To je podstatné zejména při dálkovém transportu, protože látka, která se dostane do atmosféry u svého zdroje, může během cesty chemicky reagovat a na místo určení dorazit v pozměněné podobě.

Výzkumníci proto nesledovali pouze koncentraci znečišťujících látek v atmosféře. Zajímalo je také, kolik jich obsahuje půda a jak spolu tyto dvě složky prostředí souvisejí. Měření probíhalo na dvou odlišných lokalitách, na venkovské travnaté ploše a v boreálním lese (severský jehličnatý les neboli v tajze). Jedna lokalita se nacházela v regionu zatíženém emisemi a významnými zdroji sledovaných látek, zatímco druhá představovala podstatně méně znečištěnou oblast, kam se látky dostávají především atmosférickým transportem.

Srovnání průmyslové oblasti s čistou severskou přírodou

Toto rozdělení je důležité, protože umožňuje sledovat dva odlišné scénáře. V prvním případě se půda nachází v prostředí, kde jsou PAU do značné míry spojeny s místními zdroji. V druhém případě se látky mohou do půdy dostávat z jiných oblastí a následně se v ní hromadit. Otázkou potom je, zda taková půda zůstává pouze příjemcem znečištění, nebo zda může část uložených látek později opět uvolnit.

Odpověď poskytla kombinace několika typů měření. Vědci stanovovali koncentrace sledovaných látek v atmosféře a v povrchové půdě. Současně sledovali atmosféru v podmínkách, kdy její složení odpovídalo rovnovážnému stavu s půdou, tedy stavu, při němž se látky mezi půdou a atmosférou vzájemně nevyměňují jedním směrem. Pro chemickou analýzu využili plynovou chromatografii spojenou s tandemovou hmotnostní spektrometrií, označovanou jako GC-MS/MS. Tato metoda umožňuje jednotlivé sloučeniny od sebe oddělit a velmi citlivě určit jejich koncentraci.

Samotná koncentrace však ještě neříká, kterým směrem se látka pohybuje. Proto výzkumníci stanovovali také tok mezi půdou a atmosférou. Zjednodušeně řečeno šlo o zjištění, zda sledovaná látka v daném okamžiku více přechází z atmosféry do půdy, nebo naopak z půdy do atmosféry. K tomu využili výpočty založené na fugacitě a také mikrometeorologickou metodu měření toku pomocí koncentračního gradientu.

Když se lesní půda stává nečekaným zdrojem emisí

Výsledky ukázaly, že na obou lokalitách existovaly látky, u nichž se koncentrace v půdě dostala do rovnováhy s koncentrací v atmosféře. Zajímavé přitom je, že počet takových látek byl na obou místech stejný, přestože podmínky byly velmi rozdílné. Jedna lokalita ležela v oblasti se zvýšeným zatížením a významnými zdroji PAU, druhá naopak v oblasti s mnohem nižším zatížením, která funguje jako receptor, tedy území, do něhož jsou znečišťující látky přenášeny z jiných oblastí.

Výzkum současně ukázal výrazný rozdíl ve složení kontaminace. V půdě boreálního lesa tvořily kyslíkaté a nitrátové deriváty podstatně větší část celkového znečištění než na venkovské travnaté lokalitě. Výzkumníci tento rozdíl spojují s přeměnami původních látek během jejich transportu ze zdrojových oblastí.

Klíčovým zjištěním však bylo samotné uvolňování látek z půdy. Na venkovské travnaté lokalitě vědci zaznamenali vzestupný tok triphenylenu, který patří mezi sledované PAU. V boreálním lese pak pozorovali vzestupný tok PAU a také naphthaldehydu, který patří mezi kyslíkaté deriváty. U těchto látek bylo možné tok z půdy do atmosféry přímo kvantifikovat. Naměřené emisní toky v boreálním lese se pohybovaly od 0,5 do 12 nanogramů na metr čtvereční za hodinu.

Rozmezí 0,5 až 12 ng m⁻² h⁻¹ může na první pohled působit jako velmi malé množství. Pro posouzení významu tohoto výsledku je ale důležité, že studie nesleduje jednorázový únik z určitého místa, nýbrž plošný tok z půdního povrchu. Pokud určitý proces probíhá na rozsáhlém území a po delší dobu, může se i relativně nízký tok postupně promítnout do celkové bilance znečištění.

Současná čistota ovzduší jako odraz historické zátěže krajiny

Právě zde se dostáváme k hlavnímu významu celé práce. Autoři neukazují, že by půda byla univerzálně významnějším zdrojem PAU než průmysl nebo doprava. Ukazuje, že v oblastech, kam jsou PAU dopravovány z jiných regionů, mohou sekundární emise nízkomolekulárních PAU z půdy dosahovat stejného řádu jako místní primární emise.

Tento mechanismus může být důležitý zejména v oblastech, kde samotné místní zdroje nedokážou dostatečně objasnit naměřené koncentrace. Pokud se část znečištění do regionu dostává dálkovým transportem, může se v půdě postupně ukládat. V následujících obdobích se potom část těchto látek může opět dostávat do atmosféry. Naměřená koncentrace proto nemusí být pouze obrazem současných emisí, ale může v sobě odrážet také látky, které byly v území uloženy již dříve.

Studie přitom nepřinesla důkaz, že by teplota během běžného střídání dne a noci zásadně určovala směr výměny mezi půdou a atmosférou. Výzkumníci zjistili, že směr tohoto procesu nebyl citlivý na poměrně malé denní a noční teplotní rozdíly na obou lokalitách. To je zajímavé zejména proto, že teplota ovlivňuje těkavost řady organických látek. V podmínkách sledovaných lokalit však nebyla malá změna teploty hlavním faktorem, který by určoval směr výměny.

Zjištění tak zapadá do širšího obrazu pohybu organických polutantů v životním prostředí. To má význam také pro modelování znečištění. Pokud model počítá pouze s přímými emisemi ze zdrojů a s následným ukládáním látek do půdy, může přehlédnout skutečnost, že část těchto látek se později z půdy znovu uvolní do atmosféry. U semivolatilních látek, tedy látek, které mohou podle podmínek přecházet mezi plynnou a kondenzovanou fází, může být právě tato výměna významnou součástí jejich celkové bilance.

Koloběh látek jako zrcadlo historie životního prostředí

Výzkum proto přináší důležitý argument pro sledování znečištění v delším časovém horizontu. Aktuální koncentrace v atmosféře nemusí být pouze výsledkem současných emisí. Mohou částečně odrážet také historii daného území, předchozí atmosférické depozice, tedy ukládání látek z atmosféry na zemský povrch, a množství látek, které se během let nahromadilo v půdě.

Pro hodnocení kvality ovzduší to znamená, že mezi zdrojem a naměřenou koncentrací může existovat mnohem složitější cesta, než jakou představuje přímý přenos emisí. Látka může být vypuštěna v jednom regionu, atmosférou přenesena jinam, uložena do půdy a později se znovu dostat do atmosféry. Část dnešního znečištění tak může mít svůj původ nejen v dnešních emisích, ale také v tom, co se v krajině nahromadilo v minulosti.

Právě tento pohled dává studii českých vědců širší význam. Pro pochopení dlouhodobého osudu PAU nestačí znát jejich zdroje a koncentrace v atmosféře. Stejně důležité je sledovat, co se s nimi děje po jejich uložení na zemský povrch a jak intenzivně mohou jednotlivé složky prostředí mezi sebou znečišťující látky vyměňovat. Půda tedy v tomto systému není pouze konečnou destinací atmosférického znečištění, ale může fungovat i jako dočasný rezervoár, který ovlivňuje jejich další pohyb.

Zdroj: Ilustrativní obrázek pro vás vytvořil ChatGPT. Pokud jste v tom nepoznali ruku umělé inteligence, vězte, že žádný robot při tvorbě neutrpěl žádnou újmu