Plazmová voda (nejen) v zemědělství

Moderní zemědělství řeší mnoho problémů souvisejících s potravinovou bezpečností, degradací půdy a dopadem chemických hnojiv na životní prostředí. Konvenční dusíkatá hnojiva, vyráběná Haberovým-Boschovým procesem, představují zhruba 2 % celosvětové konečné spotřeby energie a ročně uvolňují přibližně 400–500 milionů tun CO₂. Globální aplikace dusíkatých hnojiv přesahuje 110 milionů tun ročně, což přispívá ke znečištění půdy a vody a ztrátě biodiverzity. Proto jsou naléhavě potřeba alternativní a ekologicky šetrné přístupy. Jedním z nich může být PAW (plazmou aktivovaná voda). Představuje slibné řešení, protože vytváří reaktivní formy dusíku a kyslíku (RONS) přímo ze vzduchu a vody bez chemických činidel. PAW slouží nejen jako mírný biostimulant, ale také jako zdroj biologicky dostupného dusíku, čímž účinně uzavírá krátký cyklus dusíku a zároveň snižuje environmentální stopu hnojení.

Nedávný výzkum ukazuje, že PAW může urychlit klíčení semen, zvýšit růst rostlin, zlepšit příjem živin a zvýšit odolnost vůči biotickým a abiotickým stresům a zároveň potlačit fytopatogeny bez chemických dezinfekčních prostředků. Díky těmto vlastnostem je PAW obzvláště vhodná pro zemědělství v kontrolovaném prostředí a pro systémy přesného zavlažování.

Jak se voda ošetří plazmatem

Plazmová voda se připravuje vystavením obyčejné vody působení studeného plazmatu. Plazma generuje reaktivní kyslíkové radikály (ROS), reaktivní dusíkové radikály (RNS) a UV (ultrafialové) záření. Tyto látky mění pH, oxidačně‑redukční potenciál a rozkládají organické molekuly, včetně mikropolutantů (léčiva, pesticidy).

Existují dvě hlavní metody výroby PAW:

1) Přímé působení studeného plazmatu na vodu

• Elektrody vytvářejí plazma přímo ve vodě nebo těsně nad hladinou. Vznikají radikály a UV záření, které mění chemické složení vody.

2) Technologie CaviPlasma (česká patentovaná technologie)

• Kombinuje hydrodynamickou kavitaci a studené plazma.

Při hydrodynamické kavitaci se voda žene přes speciálně tvarovanou trubici tvořící komoru, kde se lokálně prudce mění tlak. Část vody přechází do plynné fáze (tvoří se kavitační bubliny), které následně kolabují. Kavitace nastane, když tlak vody klesne pod tlak nasycených par, takže se v ní začnou tvořit mikroskopické bubliny páry a plynů. Tyto bubliny se pak dál, kde tlak opět stoupne, prudce zhroutí (implodují). Při implozi vznikají extrémní lokální podmínky: teploty až tisíce °C (na mikroúrovni), tlaky stovky atmosfér, rázové vlny, UV záření, radikály (např. -OH). Tyto efekty jsou krátkodobé a prostorově velmi malé, ale chemicky mimořádně účinné.

Na obou stranách kavitační zóny jsou umístěné elektrody. Po přivedení vysokého napětí vzniká v plynných dutinách (bublinách) plazma—ionizovaný plyn s elektrony, ionty a excitovanými molekulami. Trubice doslova „zfialoví“, což je viditelná emise studeného (nízkoteplotního) plazmatu.

Tato technologie umí zpracovat tisíce litrů za hodinu, což je unikátní oproti jiným laboratorním plazmovým technologiím. Na vynálezu pracoval tým složený z vědců dvou brněnských univerzit – VUT a Masarykovy univerzity – spolu s experty z Botanického ústavu Akademie věd.

Kde se PAW používá

Plazmová voda se používá např. k čištění odpadních vod, čímž se odstraňují mikropolutanty (léčiva, hormony, pesticidy apod.), v zemědělství k dezinfekci závlahové vody a potlačení patogenů bez chemie, v rybářství a akvakulturách k čištění vody v rybích sádkách a recirkulačních systémech, v potravinářství a vinařství k odstraňování reziduí a mikroorganismů z technologické vody a v laboratorních a biomedicínských aplikacích ke sterilizaci povrchů a roztoků.

Mechanismy účinku plazmou aktivované vody na rostliny

PAW obsahuje komplexní směs reaktivních forem dusíku a kyslíku (RONS), jako je peroxid vodíku (H₂O₂), dusitany, dusičnany, ozon, hydroxylové radikály (-OH) a peroxynitrit (ONOO⁻), které vznikají během netermální plazmatické expozice kapaliny. Tyto RONS fungují jako signální molekuly i biocidní činidla, čímž ovlivňují klíčení semen, růst rostlin, příjem živin a stresové reakce. Chemické a fyzikálně-chemické složení PAW – pH, oxidačně-redukční potenciál (ORP), elektrická vodivost a koncentrace RONS (ionizovaných nanočástic) – zásadně určují její biologické účinky. Dlouhodobě působící RONS přetrvávají dostatečně dlouho, aby ovlivnily rostliny, zatímco krátkodobě působící radikály se rychle rozpadají.

Klíčení semen a časný růst sazenic

PAW zvyšuje klíčivost semen a časný růst díky zlepšenému příjmu vody, aktivaci antioxidačních enzymů a modulaci hormonální signalizace. Například sazenice rajčat vystavené virovému stresu (napadené virem) vykazovaly zvýšenou antioxidační kapacitu a zlepšený růst stonku či listu při ošetření PAW. RONS působí jako mírné oxidační stimuly, podporují metabolickou aktivaci a urychlují klíčení. Kromě toho druhy oxidů dusíku v PAW poskytují biologicky dostupný dusík pro vzcházející sazenice.

Experimentální ověření

Byl proveden experiment ve třech různých kultivačních cyklech, aby se zkoumaly přínosy podávání PAW na produkci v zahradnických školkách. Plazmou aktivovaná voda byla generována za použití dvou intenzit generování plazmatu (PAW-HI = 600 mV; PAW-LI = 450 mV; kontrola vodou z kohoutku) a ručně aplikována na rostliny ve skleníkových podmínkách.

Druhy studované v této studii byly rajče (Solanum lycopersicum L.), mangold (Beta vulgaris L.), zelí (Brassica oleracea L.), bazalka (Ocimum basilicum L.) a hlávkový salát (Lactuca sativa L. var. Longifolia). Na konci každého cyklu a pro každý druh byly měřeny následující morfologické znaky: výška rostliny (PH, cm), průměr krčku rostliny (CD, mm), biomasa (g), nutriční stav (index SPAD), sušina (DM, %) a chemické složení. Index robustnosti (SI) byl stanoven poměrem PH k CD. Výsledky ukázaly druhově specifickou reakci na obě ošetření PAW ve srovnání s kontrolou. Výška rostlin se významně zvýšila u rajčat (+11,9 %) a zelí (+5 %) při ošetření PAW-HI. Naproti tomu ošetření PAW-HI negativně ovlivnilo výšku u salátu a bazalky (−18 %, respektive −9 %). Mangold nevykazoval žádnou významnou reakci ani na ošetření PAW-LI, ani na ošetření PAW-HI. Pokud jde o množství sušiny, nebyly mezi ošetřeními PAW a kontrolním vzorkem pozorovány žádné významné rozdíly. U všech druhů však byl zjištěn nárůst celkového obsahu dusíku v rostlinných tkáních, s výjimkou bazalky, kde nebyla pozorována žádná změna. Výsledky naznačují, že ošetření PAW má potenciál zvýšit produkci zeleniny ve školkách, přičemž reakce se u různých druhů plodin liší.

Ačkoli ošetření PAW významně neovlivnilo akumulaci sušiny u testovaných druhů, pozorované zvýšení obsahu dusíku naznačuje, že PAW může sloužit jako doplňkový zdroj dusíku a poskytnout potenciální alternativu k tradičnímu hnojení. Přínosy PAW jsou druhově specifické a ovlivněné fyziologickými a environmentálními faktory. Hypotéza, že PAW by mohla zvýšit produkci školkařských rostlin, byla částečně potvrzena, přičemž u rajčat a zelí byly pozorovány jasné přínosy, ale u jiných plodin jen omezené účinky.

Co je potřeba dál

Výzkum ukazuje, že koncentrace několika důležitých bioaktivních sloučenin se může změnit o řád (nebo i více) během několika desítek minut po dokončení ošetření plazmovou vodou.

Budoucí studie by se měly zaměřit na optimalizaci používání PAW, zejména ošetření PAW-LI, s cílem zvýšit akumulaci minerálů a lépe pochopit jejich vliv na růst rostlin během kritických vývojových fází. Zdokonalením aplikačních metod a identifikací nejúčinnějších intenzit a načasování by se zavlažování PAW mohlo stát cenným a udržitelným nástrojem pro pěstování, snižujícím závislost na chemických hnojivech a zároveň zachovávajícím nebo zlepšujícím kvalitu plodin.

Také jsou zapotřebí pilotní studie v komerčních školkách, aby se ověřila škálovatelnost ošetření PAW a vyvinuly se nákladově efektivní implementační pokyny. Tyto kroky jsou nezbytné pro překlenutí propasti mezi laboratorními zjištěními a reálnými aplikacemi.

Důležité je také vyhodnocení dlouhodobých účinků plazmového ošetření na zdraví půdy, růst rostlin a odolnost ekosystému. Pro zajištění trvalých přínosů je nezbytné odhalit potenciální kumulativní účinky nebo změny přírodních systémů.

Zdroje: Applications of Plasma Activated Water (PAW)

Non-Thermal Plasma-Activated Water Enhances Nursery Production of Vegetables: A Species-Specific Study

(PDF) Plasma Water in Agriculture: Eco-Friendly Crop Enhancement

Advancements in Plasma Agriculture: A Review of Recent Studies - PMC

Firma, která nabízí zdroje: Science and Technology - Plasma Waters