Master's Thesis

To assess effects of plasma treated solutions on germination and plant growth in contaminated environment

Final Thesis 2.08 MB

Author of thesis: Bc. Martin Kovařík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Reviewer: doc. RNDr. Anna Zahoranová, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the assessment of the effect of plasma activated water (PAW) on the germination and growth of pea (Pisum sativum L.) in an environment contaminated with heavy metals, specifically cadmium and lead. The aim of the work was to determine whether the application of PAW can mitigate the toxic effects of these contaminants and thus, support the growth and development of the plant.
In the experimental part, PAW was prepared from tap water using corona discharge and its physicochemical properties were subsequently analyzed. The experiment with plants was divided into the evaluation of early growth on filter paper and 14-day hydroponic cultivation in solutions. The solutions were divided into three levels of contamination: low (5 mg/l), medium (50 mg/l) and high (100 mg/l). The development of morphological parameters, chlorophyll fluorescence parameters and element accumulation in plants was monitored using atomic absorption spectroscopy (AAS).
The results show a stimulating effect of PAW at lower and medium concentrations of cadmium (5 and 50 mg/l), reducing the amount of toxic cadmium accumulation and promoting the uptake of essential elements such as magnesium and zinc. In the case of lead contamination and high cadmium contamination (100 mg/l), the stimulating effect of PAW was not confirmed. The combination of oxidative stress generated by PAW and heavy metal led to growth inhibition. The work thus confirms the stimulating potential of PAW for mitigating lower abiotic stress in agricultural applications, however, under extreme environmental stress, its application may have phytotoxic effects.

Keywords:

Plasma-activated water (PAW), pea, germination, hydroponics, contamination, lead, cadmium.

Date of defence

25.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student přednesl výborný výtah výsledků své práce, řádně zodpověděl všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagoval na připomínky. V diskusi tak student prokázal výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky práce. Komise zhodnotila jeho práci celkově jako výbornou. Veselý: Co je to konduktivita? Jančovičová: Nevadilo rostlinám nízké pH? Lehocký: Jaká je nejčastěji používaná voda v zemědělství?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Physical and Applied Chemistry

Study programme

Chemistry and Chemical Technologies (NPCP_CHCHTE)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Viera Jančovičová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Michal Veselý, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Marián Lehocký, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Martin Vala, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Diplomová práce studuje vliv plazmatem ošetřené vody a živných médií na rané stádium hrachu setého v hydroponickém prostředí kontaminovaném těžkými kovy (kadmiem a nad rámec zadání i olovem). Vyhodnocovány byly růstové parametry semen a rostlin (klíčivost, délky stonků a kořínků), distribuce obou kovů v rostlině a nad rámec zadání i vitalita rostlin (fluorescence chlorofylu).
Při řešení své práce pracoval student samostatně, své postupy a výsledky průběžně diskutoval. Literární rešerše zaměřená na využití plazmatem ošetřených kapalin v zemědělství by zasloužila hlubší zpracování, neboť se tento obor v současnosti rapidně rozvíjí. Také spektrum plazmových zařízení využívaných pro přípravu těchto médií je širší a jejich porovnání s využívaným systémem mohlo být detailnější. Nicméně i přes to je vlastní práce zpracovaná pečlivě s logickou strukturou. Výsledky jsou vyhodnoceny přehledně a jsou nastíněny jejich vzájemné souvislosti. Závěry jsou pak formulovány jasně a srozumitelně. Vzhledem k zvyšujícímu se globálnímu znečištění naší planety (nejen) těžkými kovy, má výzkum zaměřený na jejich akumulaci v živých systémech smysl, a proto jsou výsledky této práce v tomto směru přínosem.
Diplomová práce splnila požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury B
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. RNDr. Anna Zahoranová, Ph.D.

Predložená diplomová práca Bc. Martina Kovaříka sa zaoberá aktuálnou a spoločensky
významnou problematikou využitia plazmou aktivovanej vody (PAW) pri zmiernení negatívnych
účinkov ťažkých kovov na rastlinný organizmus. Téma práce reflektuje súčasné trendy
environmentálne orientovaného výskumu a reaguje na problematiku kontaminácie
poľnohospodárskych pôd toxickými prvkami, ktorá predstavuje závažný globálny problém.

Autor si stanovil jasne formulované a odborne relevantné ciele. Práca je koncipovaná
komplexne a spája poznatky z oblasti fyziológie rastlín, environmentálnej chémie, analytickej
chémie a aplikovanej plazmovej technológie. Pozitívne hodnotím najmä interdisciplinárny
charakter práce a snahu prepojiť fyzikálno-chemickú charakterizáciu PAW s biologickým
hodnotením jej účinku na modelovú plodinu, konkrétne hrach siaty.

Diplomová práca je prehľadne rozčlenená na teoretickú a experimentálnu časť, má spolu 50
strán a cituje 50 položiek v použitej literatúre, čo svedčí o dobrej orientácii autora v aktuálnej
odbornej literatúre. Literárna rešerš pôsobí uceleným dojmom a poskytuje dostatočný teoretický
základ pre experimentálnu časť práce. Autor preukazuje dobrú orientáciu v študovanej
problematike stresovej fyziológie rastlín aj v mechanizmoch pôsobenia reaktívnych foriem
kyslíka a dusíka. Autor si taktiež musel osvojiť si viaceré vhodné diagnostické a analytické
metódy potrebné na hodnotenie účinkov plazmou aktivovanej vody na rastlinný materiál.

Text je písaný odborným štýlom, terminológia je používaná korektne a práca vykazuje dobrú
logickú nadväznosť jednotlivých kapitol.

Experimentálnu časť práce hodnotím ako metodicky pomerne náročnú. Pozitívne je možné
oceniť optimalizáciu prípravy plazmou aktivovanej vody, využitie hydroponických experimentov
aj kombináciu niekoľkých analytických metód, vrátane merania fluorescencie chlorofylu a
atómovej absorpčnej spektroskopie (AAS). Významným prínosom práce je snaha interpretovať
fyziologické mechanizmy pozorovaných zmien, najmä v súvislosti s priming efektom a
akumuláciou elementárnych prvkov.

Za najzaujímavejšie považujem zistenie, že PAW môže pri nižšej a strednej miere
kontaminácie kadmiom pozitívne ovplyvňovať rastové parametre rastlín a súčasne znižovať
akumuláciu toxického kovu v rastlinných pletivách. Autor zároveň kriticky poukazuje na limity
tejto technológie v podmienkach extrémnej kontaminácie, kedy môže kombinácia oxidačného
stresu a toxicity ťažkých kovov pôsobiť naopak negatívne.

Diplomová práca prináša množstvo zaujímavých výsledkov, niektoré závery sú formulované
však pomerne jednoznačne aj v prípadoch, keď autor sám uvádza, že časť výsledkov nebola
štatisticky významná. Diskusia štatistickej relevantnosti výsledkov mohla byť miestami
podrobnejšia a viac kriticky rozpracovaná. Určitým limitom práce je skutočnosť, že experimenty
boli realizované v hydroponickom systéme a na filtračnom papieri, čo môže znižovať priamu
prenosnosť výsledkov do reálnych pôdnych podmienok. Autor si je však tohto obmedzenia
vedomý a v závere ho správne komentuje.

Metodika obsahuje väčšinu kľúčových parametrov a je vo všeobecnosti reprodukovateľná,
avšak viaceré detaily nie sú dostatočne presne špecifikované (napr. typ filtračného papiera,
definícia „vzduchovej kapsy“, spôsob umiestnenia semien v hydroponickom systéme či svetelné
podmienky experimentu). Tieto nepresnosti čiastočne obmedzujú jednoznačnú
reprodukovateľnosť experimentu, čo však autor pri obhajobe práce určite upresní.

Záver
Diplomová práca predstavuje veľmi kvalitne spracovanú experimentálnu štúdiu zaoberajúcu
sa aktuálnou problematikou environmentálneho stresu rastlín. Autor preukázal schopnosť
samostatne pracovať s odbornou literatúrou, realizovať experimentálnu časť a interpretovať
získané výsledky v širšom odbornom kontexte. Diplomová práca spĺňa požiadavky kladené na
diplomovú prácu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. str. 17, obr.5 – obrázok je zrejme prevzatý z literatúry, aj vy ste pozorovali trhliny na povrchu semien hrachu po aplikácii PAW vo Vašich experimentoch?  str. 25 - Z akého zdroja pochádzali semená hrachu a o akú odrodu išlo?  str. 26, obr. 7 – opis experimentálneho usporiadania nie je dostatočne presný. Nejednoznačné je označenie komponentov (rovnaké číslo 4 označuje zdroj napätia aj miesto výboja). Bolo by vhodné doplniť spôsob určenia dodávaného výkonu, presnejšiu geometriu elektródového systému (vzdialenosti elektród, poloha trysky voči hladine) a detailnejší opis jednotlivých komponentov.
  2.  str. 28 - pre štatistické vyhodnotenie ste pracovali s počtom 20 semien pre každú variantu úpravy, boli tieto experimenty aj opakované?  Domnievate sa, že by bolo možné optimalizáciou koncentrácie RONS rozšíriť pozitívny účinok PAW aj do podmienok vyššej kontaminácie?  Ako by mohli výsledky experimentov ovplyvniť rozdielne vlastnosti reálnych pôdnych substrátov oproti hydroponickému systému?  Aké hlavné prekážky v súčasnosti bránia širšiemu využitiu plazmou aktivovanej vody v poľnohospodárskej praxi (námet do diskusie)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová