biomasa lemnaceae jako alternatywny substrat dla ekoenergetyki
advertisement
Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 BIOMASA LEMNACEAE JAKO ALTERNATYWNY SUBSTRAT DLA EKOENERGETYKI Zdzisława Romanowska-­‐Duda, Wiktor Pszczółkowski Uniwersytet Łódzki, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska ul. Pomorska 141/143, 90-­‐001 Łódź, [email protected], [email protected] Streszczenie Artykuł opisuje możliwości zastosowania biomasy Lemnaceae jako możliwego surowca dla rozwoju energetyki odnawialnej. W pierwszej części Autorzy analizują przyczyny eutrofizacji jako proces wzbogacania zbiorników wodnych sprzyjający rozwojowi potencjalnych substratów energetycznych. W dalszej kolejności przedstawio-­‐ na została rola makrofitów w przywracaniu równowagi ekologicznej ekosystemów słodkowodnych, a także charakterystyka potencjału biopaliwowego roślin z rodziny Lemnaceae. Słowa kluczowe biomasa Lemnaceae, odnawialne źródła energii, biopaliwa eutrofizacja Wprowadzenie. Eutrofizacja i jej przyczyny. Eutrofizacja zbiorników wodnych zachodząca najczęściej na skutek antropopresji staje się zjawiskiem coraz bardziej powszechnym. Przyczyną tego procesu jest wzrost dopływu ze zlewni pierwiastków biogennych, głów-­‐ nie azotu (N) i fosforu (P), oraz nadmierne obciążenie jezior i rzek ściekami, które zawierają potężne ilości detergentów (fosforanów). Nadmierna emisja tlenków azotu do atmosfery powoduje, że wraz z opadami at-­‐ mosferycznymi do dużych zbiorników wodnych dostają się coraz większe ilości azotu. Dodatkowo nieprawidłowe nawożenie pól i niewłaściwa orka przyczyniają się do wymywania znacznych ilości tego pier-­‐ wiastka z powierzchniowych warstw gruntu. Nieobojętny jest też udział erozji wietrznej, głównie na terenach suchych, gdzie wiatr łatwo może poderwać cząstki gleby wraz z substancjami biogennymi i przenieść je do zbiornika. Ponadto w wyniku melioracji i likwidowania zbiorników retencyjnych – terenów bagiennych i drob-­‐ nych zbiorników wodnych, dochodzi do mineralizacji substancji organicznej. W pierwszym etapie eutrofizacji pojawia się niewielki wzrost produkcji biologicznej i wzrasta populacja ryb, co z punktu widzenia gospodarki rybackiej jest elementem pozytywnym. Późniejsze etapy to zakwity fitoplanktonu, w których szczególnie groźne są toksyczne gatunki sinic. Zmniejszają one przezroczystość wody, wydzielają szkodliwe dla zdrowia toksyny, wpływają na niską jakość smaku i zapachu wody, a także ograniczają ilość tlenu, co powoduje powstawanie przyduchy, która prowadzi do masowego śnięcia ryb. Zakwity sinic stwarzają nie tylko problemy natury estetycznej, ale przede wszystkim są niebezpieczne dla zdro-­‐ wia, gdyż mogą produkować hepato-­‐ i neurotoksyny [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], wywołujące choroby lub śmiertelne zatrucia [14, 15, 16, 17]. W pracach [18, 19] opisano przypadki cytotoksycznego i genotoksycz-­‐ nego efektu wywołanego przez toksyny sinicowe. W strefie litoralu nieodpowiednie warunki świetlne przyczyniają się do zaniku rozwoju roślinności zanurzonej. Dzieje się to na skutek wzrostu poziomu pierwiastków biogennych, które sprzyjają intensywnemu rozwojowi fitoplanktonu, porastającemu powierzchnię zanurzonych roślin. W efekcie makrofity są wypierane przez nitko-­‐ wate formy fitoplanktonu (Cladophora, Spirogyra). Osady denne i hypolimnion zostają odtlenione. W takim środowisku organizmy tlenolubne nie mają możliwości rozwoju, a wiele gatunków ryb strefy pelagicznej nie może się rozmnażać. Warunki beztlenowe sprzyjają zachodzeniu takich procesów, jak desulfurykacja, denitryfi-­‐ kacja, amonifikacja czy wreszcie powstawanie metanu i siarkowodoru. W wyniku tych zjawisk zostaje uruchomione wewnętrzne nawożenie jeziora, co jeszcze bardziej wzmaga proces eutrofizacji. Fosfor, obok azotu i węgla, jest powszechnie uważany za główny czynnik decydujący o poziomie trofii zbiorni-­‐ ków wodnych. Podobnie jak wszystkie substancje biogenne, związki fosforu docierają do jeziora ze zlewni przez spływ powierzchniowy i gruntowy, ze ściekami oraz z atmosfery [20, 21, 22]. Pierwiastek ten ze źródeł ze-­‐ wnętrznych dociera do zbiorników w postaci mineralnych i organicznych związków rozpuszczonych w wodzie 25 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 oraz zawieszonych w toni wodnej. Bezpośrednio dostępne dla glonów i roślin są mineralne fosforany, nato-­‐ miast estry fosforowe i organiczne związki fosforu są hydrolizowane przez enzymy fosfohydrolazy (fosfatazy kwaśne i alkaliczne) lub podlegają lizie do formy przyswajalnego ortofosforanu [23, 24, 25, 26]. Rola makrofitów w przywracaniu równowagi ekologicznej ekosystemów słodkowodnych Makrofity wodne w tym pływające Lemnaceae odgrywają znaczącą rolę w regulacji dynamiki nutrientów w ekosystemach słodkowodnych, a znaczna biomasa tych roślin może pełnić rolę bufora asekuracyjnego przed eutrofizacją [27], stabilizować procesy ekologiczne i obieg biogenów w ekosystemach wodnych oraz umożliwiać reprodukcję ryb [28, 29]. Makrofity są narzędziem ekorozwoju w ekosystemach słodkowodnych i należy rozpatrywać je w dwóch kom-­‐ plementarnych płaszczyznach: jako tania technologia neutralizacji ścieków na niskim i średnim poziomie oraz zgodnie z koncepcją ekohydrologii [30, 31, 32, 33] jako składnik zintegrowanej strategii zarządzania ekosyste-­‐ mami wodnymi i narzędzie zwiększające zdolność ekosystemów słodkowodnych do absorbowania czynników antropogenicznych. Efektywnym sposobem w redukcji nadmiernej ilości fosforu i azotu (Tab. 1) jest naturalne bądź sztuczne wprowadzenie makrofitów do zbiornika i dodatkowe techniki biomanipulacyjne prowadzące do poprawy przezroczystości wody, a w dalszym etapie do uzyskania stanu czystej wody [34, 35]. Tab. 1. Dzienne pobieranie azotu i fosforu przez rzęsę wodną (wg Floating aquatic macrophytes – duckweeds -­‐ FAO 1997) Kraj 2 Gatunek roślin Pobieranie w g/m N P 0,42 0,01 0,20 -­‐ 1,67 0,22 0,47 0,16 0,50-­‐0,59 0,14-­‐0,30 0,27 0,04 -­‐ 0,015 Włochy L. gibba, L. minor Czechy rzęsa wodna USA Lemna sp. USA/Louisiana rzęsa wodna Indie Lemna sp. USA/Minnesota Lemna sp. USA/Floryda S. polyrrhiza Makrofity wpływają na : - akumulację pierwiastków w tkankach, prowadzącą do redukcji puli ortofosforanów; - oddziaływanie allelopatyczne – hamujące rozwój fitoplanktonu [36, 37, 38, 39]; - natlenianie powierzchni osadów dennych i redukcję uwalniania fosforu z osadów [40]; - zmniejszenie mętności wody w wyniku ograniczenia falowania i resuspensji osadów; - pojawienie się bezkręgowców przy znacznej kondensacji makrofitów [35]. Zależności pomiędzy makrofitami i abiotycznymi komponentami ekosystemów oraz innymi reprezentantami biota są wielowymiarowe i wyrażają niepowtarzalne wzory wzajemnych oddziaływań dla różnych stref klima-­‐ tycznych i typologicznie różnych ekosystemów [33]. Rozumienie fizjologii i reakcji poszczególnych gatunków roślin w tym z rodziny Lemnaceae jest niezbędne dla optymalnego zastosowania fitotechnologii w danym środowisku. Charakterystyka roślin z rodziny Lemnaceae Rośliny należące do rodziny Lemnaceae są bardzo drobne, bezlistne, posiadają małe zielone spłaszczone pędy wolno pływające na powierzchni wód (nymfeidy) lub zanurzone pod wodą (elodeidy). Jedynie Wolfia swobod-­‐ nie unosi się w toni wodnej. Lemnaceae rozwijają na dolnej powierzchni jeden korzeń lub pęk korzeni; niekiedy bez korzeni. Kwiaty są bardzo rzadko spotykane, jednopłciowe. Rośliny te pokrywają powierzchnię wód stoją-­‐ cych. Służą za pokarm ptactwu wodnemu, rybom, ptactwu domowemu oraz zwierzętom hodowlanym [41]. 26 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 Przedstawiciele rodziny Lemnaceae (rzęsowate) należą do pięciu rodzajów: Spirodela Landoltia Wolfia Wolfiella Lemna Rośliny te są bardzo popularnym źródłem materii organicznej. W Tab. 2 zamieszczono klasyfikację wybranych gatunków roślin z rodziny Lemnaceae. Tab. 2. Wybrane gatunki roślin z rodziny Lemnaceae (wg Floating aquatic macrophytes – duckweeds -­‐ FAO 1997) Lemna Spirodela Wolffia Wolffiella L. gibba S. biperforata W. arrhiza W. caudate L. disperma S. intermedia W. australiana W. denticulata L. japonica S. oligorrhiza W. columbiana W. lingulata L. minima S. polyrrhiza W. microscopia W. oblinga L. minor S. punctata W. neglecta W. rotunda L. minuscula L. paucicostata L. perpusilla L. polyrrhiza L. turionifera L. trisulca L. valdiviana W Polsce pospolitymi gatunkami są: rzęsa drobna (Lemna minor), rzęsa trójrowkowa (Lemna trisulca), rzęsa garbata (Lemna gibba), spirodela wielokorzeniowa (Spirodela polyrrhiza) i wolfia bezkorzeniowa (Wolffia arrhi-­‐ za). 27 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 Rys. 1. Porównanie krajowych przedstawicieli rodziny rzęsowatych (Lemnaceae) Źródło: [42] Rośliny wodne z rodziny Lemnaceae posiadają wiele zalet w porównaniu z typowymi roślinami energetycznymi. Wyróżniają się wyższym tempem przyrostu biomasy, (podwojenie biomasy członów pędowych można odnoto-­‐ wać już po 24 h), a ich naturalnym środowiskiem są śródlądowe akweny wodne, co sprawia, iż nie stanowią konkurencji dla upraw glebowych dedykowanych na cele spożywczo-­‐żywieniowe lub paszowe. Na świecie ist-­‐ nieją doniesienia dotyczące wykorzystania tego rodzaju biomasy wodnej jako substratu w procesach pozyskiwania energii odnawialnej, a w chwili obecnej również ta grupa roślin jest postrzegana jako wysokowar-­‐ tościowy surowiec w procesach wytwarzania biogazu, produkcji bioetanolu, biodiesla, paszy dla zwierząt oraz w procesach fitoremediacji zanieczyszczonych wód śródlądowych. Biomasa wodna roślin Lemnaceae Obecnie na świecie jednym z najważniejszych i najszerzej rozwijanych kierunków w produkcji energii odnawial-­‐ nej jest użycie biomasy roślinnej na cele energetyczne w tym również z roślin wodnych. Prace badawcze dotyczące produkcji biopaliw (bioetanolu i biodiesla) z biomasy wodnej stały się dynamiczne ze względu na możliwość uniezależnienia się od paliw kopalnych oraz redukcję emisji CO2. W produkcji tradycyjnych roślin energetycznych może powstać wiele problemów, które są związane z konkurencyjnością dostępnych gleb i przeznaczeniem ich na cele konsumpcyjne, ograniczeniem bioróżnorod-­‐ ności gatunków roślin energetycznych oraz zużyciem bardzo dużych ilości wody. Woda jest wysoce cennym surowcem naturalnym, którego wartość nieustannie wzrasta ze względu na postępujące zanieczyszczenie śro-­‐ dowiska. Z tego względu bardzo ważne jest odpowiednie oczyszczanie i powtórne jej wykorzystanie. Odrębny problem stanowi nawożenie i stosowanie pestycydów na plantacjach energetycznych. Dlatego poszukuje się nowych i wydajnych energetycznie źródeł biomasy roślin, której produkcja będzie proekologiczna. Połączenie produkcji biomasy roślin Lemnaceae z oczyszczaniem ścieków i odpadów płynnych pochodzących z przemysłu, jest zrów-­‐ noważoną formą produkcji biopaliw z zachowaniem dbałości o czystość wód i recykling odpadów [43]. Obiecującym potencjałem energetycznym może stać się wykorzystanie roślin wodnych z rodziny Lemnaceae. Rośliny z rodziny Lemnaceae zostały dobrze przebadane pod kątem zastosowanie ich w fitoremediacji zarówno zanieczyszczeń organicznych jak i nieorganicznych. Posiadają one szereg bardzo korzystnych dla tego procesu cech. Charakteryzują się szybkim wzrostem i wysoką produkcja pierwotną, dużą zdolnością bioakumulowania pierwiastków, a także zdolnościami biotransformacji, biodegradacji i kontroli rozprzestrzeniania się oraz biodo-­‐ stępności niektórych zanieczyszczeń. 28 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 Szczególnie godna uwagi jest wyższa niż u innych roślin wodnych czy glonów zdolność do akumulacji metali ciężkich, radionuklidów i pierwiastków śladowych. Dla wielu z tych pierwiastków gatunki z rodzaju Lemna są hiperakumulatorami (akumulują więcej niż 1000 mg pierwiastka na kg suchej masy). Ponadto rośliny z rodziny Lemnaceae wykazują tolerancje w stosunku do wysokich stężeń różnorodnych zanieczyszczeń występujących jednocześnie. Produkują one także i wydzielają do środowiska niskocząsteczkowe związki organiczne, które zwiększają biodostępność i bioakumulacje zanieczyszczeń. Udowodniono ich wysoką skuteczność w usuwaniu pierwiastków takich jak azot, fosfor, potas, wapń, magnez, sód i żelazo. Zastosowanie Lemna sp. do biooczysz-­‐ czenia ścieków skutkowało zmniejszeniem ChZT (chemiczne zapotrezbowanie na tlen) i BZT (biologiczne zapotrzebowanie na tlen) oraz ponad 88% redukcją zawartości amoniaku. Ponadto obecność roślin Lemnaceae zmniejszyła o 20% parowanie w porównaniu do otwartych systemów oczyszczania ścieków. Rośliny z rodziny Lemnaceae mogą być zastosowane jako surowiec do wydajnej i opłacalnej ekonomicznie pro-­‐ dukcji bioetanolu ze względu na bardzo dużą zdolność akumulacji skrobi (do 70% suchej masy) oraz niską zawartość celulozy (około 10%). Sposób uprawy Spirodella polyrrhiza i konwersji jej biomasy na bioetanol za-­‐ prezentowano w [44]. Również Lemna minor jest potencjalnie opłacalnym surowcem do produkcji bioetanolu. W porównaniu do roślin lądowych zawiera niewiele lignin i hemiceluloz, które przy obecnym poziomie techno-­‐ logicznym nie mogą zostać efektywnie wykorzystane do produkcji biopaliw na dużą skalę. Zarówno frakcja skrobi jak i celulozy zawarta w biomasie Lemna minor podatna jest na enzymatyczny rozkład do glukozy bez konieczności stosowania wstępnej obróbki termicznej. Dodatkowo taka hydroliza enzymatyczna poprawia wy-­‐ dajność fermentacji etanolowej [45]. Produkcja biomasy roślin Lemnaceae może zachodzić w bioreaktorach lub zbiornikach otwartych. Stawy z uprawą roślin z rodziny Lemnaceae zostały uznane za skuteczną i tanią metodę końcowego oczyszczania odpadów rolniczych takich jak gnojowica. W takim systemie wykazano jeden z najwyż-­‐ szych poziomów usuwania azotu, przy dużym przyroście biomasy o wysokiej zawartości białka. Tab. 3. Skład chemiczny (% suchej masy) Parametr/Roślina Lucerna Kiszonka z kukurydzy Lemnaceae Materia organiczna 89,3 94,7 78,5 Białka 19,2 6,25 23,0 Naturalne włókna 37,0 42,2 30,2 Kwaśny błonnik 27,4 22,7 13,7 Wilgotność 75-­‐83 60-­‐70 92-­‐94 Biomasa taka może zostać potencjalnie wykorzystana jako pasza dla trzody chlewnej. Białko w niej zawarte, ze wzglądu na wysoką zawartość lizyny i metioniny, składem aminokwasowym bardziej przypomina białko zwie-­‐ rzęce niż roślinne [46]. Produkcja roślin z rodzaju Lemnaceae na wstępnie oczyszczonej gnojowicy w znaczący sposób ograniczyła negatywny wpływ na środowisko i dzięki zastosowaniu wytworzonej biomasy jako paszy może potencjalnie poprawić opłacalność uprawy [47]. Liczne badania wykazały skuteczność zastosowania roślin z rodziny Lemnaceae do oczyszczania ścieków komunalnych i rolniczych, a ponadto wielokierunkowe możliwości wykorzystania uzyskanej biomasy roślinnej w tym produkcji biogazu, biopaliw, w biorafineriach, fitoremediacji oraz jako wysokobiałkowa pasza dla zwierząt (Rys. 1). Europejska Platforma Technologiczna Biopaliw promuje koncepcję biorafinerii, jako wytwórnię wielu cennych produktów i stanowi kompleksowy układ technologiczny, w którym połączone są procesy konwersji biomasy i dalszego przetwarzania jej produktów. Wytwory te powinny być proekologiczne i nie stanowić zagrożenia dla środowiska, zwłaszcza w zakresie emisji gazów cieplarnianych. Zadania te wpisują się doskonale w zakres ba-­‐ dawczy Polskiej Platformy Technologicznej Biopaliw i Biokomponentów dla założeń krajowych, w tym – wprowadzanie nowych odmian roślin z przeznaczeniem do produkcji biopaliw [48,49]. 29 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 Rys. 1. Schemat wykorzystania roślin z rodziny Lemnaceae Źródło: opracowanie własne Problem utylizacji ścieków mleczarskich, zawiera opracowanie innowacyjnych technologii energetycznych opartych na produkcji nowych zasobów biomasy wodnej roślin Lemnaceae, które z powodzeniem mogą być dostępne na obszarach wiejskich i nie kolidować z priorytetową funkcją rolnictwa jaką jest produkcja żywności. Uprawa roślin wodnych Lemnaceae z wykorzystaniem ścieków i płynnych odpadów organicznych pochodzących z przemysłu mleczarskiego i produkcji biogazu, pozwoli na wytworzenie biomasy roślinnej o różnorodnym za-­‐ stosowaniu, włączając fitoremediację zbiorników wodnych. Metoda ta jest efektywnym sposobem zagospodarowania odpadów z przemysłu mleczarskiego i ekonomicznym systemem produkcji biomasy wysokiej jakości o szerokim spektrum zastosowań w bioenergetyce (biopaliwa ciekłe i gazowe) i rolnictwie (pasza, na-­‐ wóz). Dynamiczny rozwój biogazowni sprawia, że poszukiwanie taniej i dostępnej biomasy roślinnej w tym Lemnaceae, prowadzi do zrównoważonego rozwoju środowiska. Bibliografia [1] Carmichael W.W., 1992a. Cyanobacterial secondary metabolites-­‐the cyanotoxins. J. Appl. Bacter. 72: 445-­‐ 459. [2] Carmichael W.W., 1992b. A status report on planktonic cyanobacteria (blue-­‐green algae) and their toxins. EPA/600/R-­‐92/079: 1-­‐71. [3] Carmichael W.W., 1992c. A status report on planktonic cyanobacteria (blue-­‐green algae) and their toxins. EPA, Cincinnati, Ohio, USA, 141. [4] Carmichael W.W., 1994a. The toxins of Cyanobacteria. Sci. Am. 270: 78-­‐86. 30 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 [5] Carmichael W.W., 1994b. Toksyny cyjanobacterii. Świat Nauki 3: 32-­‐39. [6] Falconer I.R., 1993. Measurement of Toxins from Blue-­‐green Algae in Water and Foodstuffs. Chaper 10: 165-­‐ 175. ISBN 0-­‐12-­‐247990-­‐4. Acad. Press Limited 24-­‐28 Oval Road, London NW1 7DX. [7] Falconer I.R., Bartram J., Chorus I., Kuiper-­‐Goodman T., Utkilen H., Codd G., 1999. Safe levels and practices [W:] Chorus I., Bartram J. (red.). Toxic cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences, monitoring and management. WHO I E&FN Spon: 155-­‐178. [8] Falconer I.R., 2001. Toxic cyanobacterial bloom problems in Australian waters: risks and impacts on human health. Phycologia 40: 228-­‐233. [9] Tarczyńska M., Zalewski M., 1994a. Toksyczność zakwitów sinicowych w eutroficznych zbiornikach. Materia-­‐ ły konf.: Zalewski M. (red.) Zintegrowana strategia ochrony i zagospodarowania ekosystemów wodnych. Woj. Inspektorat Ochrony Środowiska w Łodzi, Zakład Ekologii Stosowanej UŁ: 79-­‐89. [10] Tarczyńska M., Zalewski M., 1994b. Toksyczność zakwitów sinicowych w eutroficznych zbiornikach. [W:] M. Zalewski (red.). Zintegrowana strategia ochrony i zagospodarowania ekosystemów wodnych. Biblioteka Moni-­‐ toringu Środowiska: 67-­‐77. [11] Tarczyńska M., Izydorczyk K., Zalewski M., 2001a. Optimization of monitoring strategy for eutrophic reser-­‐ th voirs with toxic cyanobacterial blooms. Proceedings of 9 International Conference on the Conservation and Management of Lakes, Otsu, Japan. 3C/D-­‐P83: 572-­‐575 [12] Tarczyńska M., Romanowska-­‐Duda Z., Jurczak T., Zalewski M., 2001b. Toxic cyanobacterial blooms in drink-­‐ ing water reservoir – causes, consequences and management strategy. Wat. Sci. Technol. Water Supply 1: 237-­‐ 246. [13] Tarczyńska M., Nałęcz-­‐Jawecki G., Romanowska-­‐Duda Z., Sawicki J., Beattie K., Codd G. A., Zalewski M., 2001c. Tests for the Toxicity Assessment of Cyanobacterial Bloom Samples. Environm. Toxicol. 16: 383-­‐390. [14] Codd G.A., 1995. Cyanobacterial toxins: occurence, properties and biological significance. Wat. Sci. Tech. 32: 149-­‐156. [15] Codd G.A., 2000. Cyanobacterial toxins, the perception of water quality, and the prioritisation of eutrophi-­‐ cation control. Ecological Engineering 16: 51-­‐60. [16] Codd G.A., 2001. Cyanobacterial toxins: their actions and multiple fates in microbes, animals and plants. J. Phycol. 37: 13. [17] Ueno Y., Nagata S., Tsutsumi T., Watanabe M.F., Park H.D., Chen G.C., Chen G., Yu S.Z., 1996. Detection of microcystins, a blue-­‐green algal hepatotoxin in drinking water sampled in Haimen and Fusui, endemic areas of primary liver cancer in China, by highly sensitive immunoassay. Carcinogenesis 17: 1317-­‐1321. [18] Osiecka R., 1995. Mutageniczne i cytotoksyczne działanie toksyn sinicowych. [W:] M. Zalewski (red.). Pro-­‐ cesy biologiczne w ochronie i rekultywacji nizinnych zbiorników zaporowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska, PIOŚ, Łódź: 111-­‐124. [19] Fujiki H., Sueoka E., Suganuma M., 1996. Carcinogenesis of microcystins. [W:] Watanabe M.F., Harada K., Carmichael W.W., Fujiki H. (red.). Toxic Microcystis. CRS Press: 203-­‐233. [20] Dillon P.J., Kirchner W.B., 1975. The effects of geology and land use on the export of phosphorus from watersheds. Wat. Res. 9: 135-­‐148. [21] Landner L., 1976. Eutrophication of Lasek. WHO, Regional Office for Europe, Genewa, ICP CEP, No. 210. 31 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 [22] Ulrich K.U., 1997. Effects of land use in the drainage area on phosphorus binding and mobility In the sedi-­‐ ments of four drinking eater reservoirs. Hydrobiologia 345: 21-­‐38. [23] Chróst R.J., Siuda W., Halemejko G.Z., 1984. Longterm studies on alkaline phosphatase activity (APA) in a lake with fish-­‐aquaculture in relation to lake eutrophication and phosphorus cycle. Arch. Hydrobiol. (Suppl.) 70: 1-­‐32. [24] Chróst R.J., Rai H., 1994. Bacterial secondary production. [W:] Overbeek J. Van, Chróst R.J. (eds). Microbial Ecology of Lake Plußsee. Springer-­‐Verl. New York: 92-­‐117. [25] Chróst R.J., 1995. Znaczenie procesów mikrobiologicznych dla intensywności występowania symptomów eutrofizacji wód. [W:] Zalewski M. (red.). Procesy biologiczne w ochronie i rekultywacji nizinnych zbiorników zaporowych. WIOŚ, Łódź, Zakład Ekologii Stosowanej UŁ: 71-­‐84. [26] Siuda W., 1984. Phosphatases and their role in organic phosphorus transformation in natural waters. A review. Pol. Arch. Hydrobiol. 31: 207-­‐233. [27] Jeppesen E., Lauridsen T.L., Kairesalo T., Perrow M.R., 1998. Impact of submerged macrophytes on fish – zooplankton interactions in lakes. [W:] The structuring role of Submerged Macrophytes in Lakes, Jeppesen E., Sondergaard M., Christoffersen K. (eds.) Springer: New York: 91-­‐114. [28] Petr T., 2000. Interactions between fish and aquatic macrophytes in inland waters. A review. FAO Fisheries Technical Paper No. 396. FAO, Rome: 185. nd [29] Rock S., 1997. Phytoremediation. In Standard Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal. 2 Edition, Freeman H (ed) Mc Grow Hill: New York, NY, 138-­‐206. [30] Zalewski M., Janauer G.A., Jolankai G., 1997. Ecohydrology – a new paradigm for the sustainable use of aquatic resources. Conceptual background, Working Hypothesis, Rationale and Scientific Guidelines for the Implementation of the IHP-­‐V Project 2-­‐3, 2-­‐4. Technical Documents in Hydrology No. 7. UNESCO, Paris: 58. [31] Zalewski M., 2000. Ecohydrology – the scientific background to use ecosystem properties as management tools toward sustainability of water resources. Guest editorial. Ecological Engineering 16: 1-­‐8. [32] Zalewski M. (Eds.), 2002. Guidelines for the Integrated Management of the Watershed – Phytotechnology and Ecohydrology: United Nations Environmental Programme – Division of Technology, Industry and Econo-­‐ mies – International Environmental Technology Centre (UNEP-­‐DTIE-­‐IETC), International Hydrological Programme UNESCO, Regional Bureau for Science in Europe (IHP, ROSTE), International center for Ecology PAS, Dept. of Applied Ecology, University of Łódź. Venice, Osaka, Shiga, Warsaw, Łódź, IETC Freshwater Manage-­‐ ment Series No. 5. [33] Zalewski M., Santiago-­‐Fandino V., Neate J., 2003. Energy, water, plant interactions: “Grenn feedback” as a mechanism for environmental management and control through the application of phytotechnology and eco-­‐ hydrology. Hydrological Processes 17: 2753-­‐2767. [34] Scheffer M., Hosper S., Meijer M.L., Moss B., Jeppesen E., 1993. Alternative equilibria in shallow lakes. Trends in Ecology & Evolution 8: 275-­‐279. [35] Frankiewicz P., 1997. Regulacja i kontrola procesów biologicznych w celu poprawy jakości wody w zbiorni-­‐ ku zaporowym. [W:] Zastosowanie biotechnologii ekosystemalnych do poprawy jakości wód. Zesz. Nauk. Kom. „Człowiek i Środowisko” 18: 115-­‐135. [36] Romanowska-­‐Duda Z., Tarczyńska M., 2001. Allelopathic reaction metabolites from Cyanobacteria against water plant (Spirodela oligorrhiza). Acta Physiol. Plant. 3: 87-­‐88. 32 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 9, 2013 [37] Romanowska-­‐Duda Z., Mankiewicz J., Tarczyńska M., Walter Z., Zalewski M., 2002. The effect of Toxic Cya-­‐ nobacteria (Blue-­‐Green Algae) on Water Plants and Animal Cells. Polish Journal of Environmental Studies 11: 561-­‐566. [38] Romanowska-­‐Duda Z., Tarczyńska M., 2002a. Wzajemne oddziaływanie metabolitów Cyanoprocaryota i rośliny wodnej Spirodela oligorrhiza. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., PAN, Wydz. Nauk Rolniczych, Leśnych i We-­‐ terynaryjnych: 569-­‐577. [39] Romanowska-­‐Duda Z., Tarczyńska M., 2002b. The influence of Microcystin-­‐LR and hepatotoxic cyanobacte-­‐ rial extract on water plant (Spirodela oligorrhiza). Environm. Toxicol., by John Wiley & Sons, Inc. 17(3): 383-­‐390. [40] Carpenter S.R., Elser J.J., Olson K.M., 1983. Effect of roots of Myriophyllum verticillatum L. on sediment redox conditions. Aquatic Botany 17: 243-­‐250. [41] Mowszowicz J., 1973. Rośliny wodne krajowe. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego 1973. [42] Sikorski P., www.atlas.roślin.pl [43] Fedler i Duan 2011. Biomass production for bioenergy using recycled wastewater in a natural waste treat-­‐ ment system. Resources, Conservation and Recycling 55 (2011) 793–800. [44] Xu J., and G. Shen 2011. Growing duckweed in swine wastewater for nutrient recovery and biomass pro-­‐ duction. Bioresource Technology 102 (2011) 848–853 [45] Ge X. , N. Zhang, G. C. Phillips, J. Xu 2012. Growing Lemna minor in agricultural wastewater and converting the duckweed biomass to etanol. Bioresource Technology 124 (2012) 485–488. [46] Mkandawire M. and E. G. Dudel 2007. Are Lemna spp. Effective Phytoremediation Agents? Bioremedia-­‐ tion, Biodiversity and Bioavailability 1 (1), p. 56-­‐71. [47] Mohedano R. A. , R.H.R. Costa, F. A. Tavares, P. B. Filho 2012. High nutrient removal rate from swine wastes and protein biomass production by full-­‐scale duckweed ponds. Bioresource Technology 112 (2012) 98– 104. [48] Biernat K. (red.), 2008. Narodowa Strategiczna Agenda Badawcza w Zakresie Biopaliw. Polska Platforma Technologiczna Biopaliw i Biokomponentów, Warszawa, 2008. [49] Rogulska M. , A. Grzybek, J. Szlachta, J. Tys, E. Krasuska, K. Biernat, K. Bajdor 2011. Powiązanie rolnictwa i energetyki w kontekście realizacji celów gospodarki niskoemisyjnej w Polsce; Polish Journal of Agronomy 2011, 7, 92–101. LEMNACEAE BIOMASS AS AN ALTERNATIVE SUBSTRATE FOR RENEWABLE ENERGY Abstract The article describes the potential uses of biomass Lemnaceae as a possible material for the development of renewable energy. In the first part of the paper, the authors analyze the causes of eutrophication as a process of enrichment of water that promotes development of potential energy substrates. Next, the role of macro-­‐ phytes in restoring the ecological balance of freshwater ecosystems is analyzed. Finally, the characteristics of the family Lemnaceae as the potential biofuel are presented. Keywords Lemnaceae biomass, renewable energy, biofuels, eutrophication 33
