Treated Wastewater Reuse in Agricultural Irrigation and its Associated Impacts
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Jiří Wanner, DrSc.
Jazyk/Language
English
Abstrakt
Využívání vyčištěných odpadních (TWW) pro zavlažování v zemědělství je stále častějším jevem vzhledem k rostoucímu nedostatku sladké vody. Cílem této disertační práce bylo prozkoumat a zhodnotit vhodnost odtoku z ČOV (sekundárně vyčištěné odpadní vody a odpadní vody po membránovém došištění) pro zavlažování plodin a vliv zavlažování odtokem z ČOV na půdu a matrice plodin spolu s posouzením zdravotních rizik. Tři testované plodiny/rostliny (zelí, mrkev a rajče) byly pěstovány na jílovité půdě a zavlažovány TWW a vodou z vodovodu (kontrola) bez použití hnojiv nebo půdních doplňků.
Hodnocení TWW a půdy bylo založeno na posouzení jejich fyzikálně-chemických vlastností, jako je pH, vodivost nebo solnost, živiny, absorpční poměr sodíku (SAR), nebezpečnost hořčíku (MH), Kellyho index (KI) a biologická přístupnost a dostupnost potenciálně toxických prvků/těžkých kovů. Vliv na růst plodin byl hodnocen pomocí klasického hodnocení biomasy a fotosyntetické aktivity rostlin (PS II a index výkonnosti). Distribuce a šíření genů rezistence vůči antibiotikům (ARGs) do potravinového řetězce, kontaminace zavlažovaných plodin patogeny (Clostridium perfringens, E. coli, termotolerantní koliformní bakterie) a příjem těžkých kovů prostřednictvím konzumace zavlažované zeleniny tvořily hodnocení rizik studie. Ta byla hodnocena pomocí kvocientu nebezpečnosti (HQ) a indexu nebezpečnosti (HI) pro posouzení nekarcinogenního rizika toxicity těžkých kovů. Pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR) byla hodnocena přítomnost devíti cílových ARGs (tetW, blaZ, ermB, blaTEM a tetA sul1, sul2, sul3 a qnrS) v závlahové vodě, půdě a matricích plodin.
Maximální kvantový výtěžek fotosystému II (Fv/Fm) rostlin rajčat a zelí se u všech ošetření pohyboval mezi 0,78 a 0,80, resp. 0,81 a 0,82. Homeostatická schopnost plodin nebyla negativně ovlivněna. Hyperspektrální analýzy ukázaly vyšší obsah chlorofylu a dusíku v listech plodin zavlažovaných TWW než v kontrole. Procentuální obsah sušiny u mrkve zavlažované sekundárními odpadními vodami a membránovými odpadními vodami byl 18,3 % a 16,6 %, tedy vyšší než u kontroly (15,9 %). Všechna hodnocení vhodnosti vody, SAR, MH a KI, klasifikovala TWW jako vhodnou pro zavlažování plodin a nepředstavuje vysoké riziko toxicity pro rostliny nebo zasolení půdy. Na konci pokusu se pH půdy mírně zvýšilo na zásadité (ze 7,08 na 7,26, 7,39 a 7,33 u půdy zavlažované vodou z vodovodu, sekundární odpadní vodou a membránovou odpadní vodou) a zlepšila se kvalita živin v půdě. Sekundární odpadní voda nesplňovala mikrobiologické požadavky nařízení EU 2020/741 a směrnic Světové zdravotnické organizace. Nehrozilo však riziko patogenní kontaminace vypěstovaných plodů rajčat, protože nedošlo k přímému kontaktu se závlahovou vodou. Na plodech rajčat nebyl zjištěn žádný z mikrobiálních indikátorů. Kvocient nebezpečnosti a index nebezpečnosti nenaznačovaly žádné potenciální riziko toxicity těžkých kovů nebo nekarcinogenní riziko pro dospělé spotřebitele, protože HQ<1 a HI<1. Bioakumulace farmaceutických produktů v jedlých tkáních zavlažovaných plodin byla nevýznamná a nemusí představovat žádné zdravotní riziko, s výjimkou gabapentinu, který se bioakumuloval až do 3 μg kg-1. V metagenomové DNA extrahované ze zelí zavlažované OV bylo nalezeno šest ARGs; pět z těchto šesti genů (tetA, ermB, blaTEM, sul2 a qnrS) bylo zjištěno také v sekundárních odpadních vodách. Není však zcela jasné, zda zdrojem byla pouze TWW, protože stejné geny byly nalezeny v metagenomové DNA extrahované ze zelí zavlažované vodou z vodovodu, i když některé z těchto genů ve vodovodní vodě použité k zavlažování chyběly.
Využití TWW pro zavlažování plodin je novým přístupem k řešení nedostatku vody, zvýšení zemědělské produkce potravin a zajištění udržitelnosti zdrojů. Je však třeba zavést účinné systémy řízení rizik, aby bylo chráněno veřejné zdraví a orná půda.
Abstract
The use of treated wastewater (TWW)/effluent for agricultural irrigation is a growing phenomenon due to the increasing freshwater scarcity. This PhD dissertation sought to investigate and evaluate the suitability of TWW (secondary effluent and membrane effluent) for crop irrigation and the impact of TWW irrigation on soil and crop matrices, coupled with health risk assessment. Three test crops/plants (cabbage, carrot and tomato) were grown on loam soil and irrigated with the TWW and tap water (control) without fertilizer application or soil amendments.
TWW and soil evaluations were based on assessing their physicochemical properties such as pH, conductivity or salinity, nutrients, sodium absorption ratio (SAR), magnesium hazard (MH), Kelly index (KI), and the bioaccessibility and availability of potentially toxic elements/heavy metals. Impact on crop growth was evaluated using classical biomass assessment and plant photosynthetic activities (PS II and performance index). The distribution and dissemination of antibiotic-resistance genes (ARGs) to the food chain, contamination of irrigated crops by pathogens (Clostridium perfringens, E. coli, thermotolerant coliform) and the ingestion of heavy metals via the consumption of irrigated vegetables constituted the risk assessment of the study. The latter was evaluated using the hazard quotient (HQ) and hazard index (HI) to assess the non-carcinogenic risk of heavy metal toxicity. Using polymerase chain reaction (PCR), the presence of nine targeted ARGs (tetW, blaZ, ermB, blaTEM, tetA sul1, sul2, sul3 and qnrS) were evaluated in the irrigation water, soil and crop matrices.
Maximum quantum yield of photosystem II (Fv/Fm) of tomato and cabbage plants was between 0.78 to 0.80 and 0.81 to 0.82, respectively, for all treatments. The homeostatic ability of the crops was not negatively affected. Hyperspectral analyses indicated higher chlorophyll and nitrogen content in leaves of TWW irrigated crops than in the control. Percentage dry matter composition of secondary effluent and membrane effluent irrigated carrots was 18.3% and 16.6%, higher than the control (15.9%). All the water suitability assessments, SAR, MH and KI classified the TWW as suitable for crop irrigation and do not pose a high risk of plant toxicity or soil salinization. At the end of the experiment, soil pH increased slightly to alkaline (from 7.08 to 7.26, 7.39, and 7.33 for tap water-, secondary effluent-, and membrane effluent-irrigated soils, respectively) and improved the nutrient quality of the soil. Secondary effluent did not meet the microbiological requirements of the EU Regulation 2020/741 and the World Health Organisation guidelines. However, there was no risk of pathogenic contamination of the tomato fruits produced since there was no direct contact with the irrigation water. None of the microbial indicators was detected on the tomato fruits. Hazard quotient and hazard index suggested no potential risk of heavy metal toxicity or non-carcinogenic risk to adult consumers since HQ<1 and HI<1. The bioaccumulation of pharmaceutical products in edible tissues of the irrigated crops was insignificant and may not pose any health threat, except gabapentin which had bioaccumulated up to 3 μg kg-1. Six ARGs were found in the metagenomic DNA extracted from TWW-irrigated cabbage; five genes (tetA, ermB, blaTEM, sul2, and qnrS) out of the six genes were also detected in the secondary effluent. However, it is not fully understood if the source was only from the TWW since the same genes were found in the metagenomic DNA extracted from tap-water irrigated cabbage, even though some of these genes were absent in the tap water used for the irrigation.
The use of TWW for crop irrigation is a novel approach to address water scarcity, increase agricultural food production and ensure resource sustainability. However, effective risk management systems need to be in place to protect public health and arable lands.