Master's Thesis

Influence of plasma activated water on organic matter decomposition in soil environment

Final Thesis 16.66 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Bednařík

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis evaluates the effect of plasma-activated water (PAW) on soil biological activity and organic matter decomposition. PAW was prepared using two low-temperature plasma systems – a dielectric barrier discharge (DBD) and an AC slit discharge – and applied to four soil types differing in classification and origin: chernozem (Bratčice), cambisol (Veverská Bitýška), and two fluvisols (Veverská Bitýška and Žabčice). The biological response of the soils was assessed using the Tea Bag Index (TBI), dehydrogenase activity (DHA) measurements, and isothermal microcalorimetry, with soil pH serving as a supplementary indicator. Chemical characterisation of both PAW types revealed negligible hydrogen peroxide concentrations in both cases, while the concentrations of reactive nitrogen species (nitrates and nitrites) differed substantially between the two systems. DBD-PAW acted gently and consistently across all soil types: it mildly stimulated organic matter decomposition and stabilisation without disrupting soil pH, effectively functioning as a mild biostimulant. AC-PAW, characterised by significantly higher nitrite content, caused marked acidification in soils with lower buffering capacity (fluvisols), which in many cases entirely suppressed the positive nutrient effect of the elevated nitrate concentrations. The results demonstrated strong soil-specific variability in the response to PAW treatment and highlighted the necessity of considering both the chemical profile of the applied PAW and the buffering capacity of the treated soil. For safe agricultural use, DBD-PAW appears considerably more suitable than AC-PAW.

Keywords:

Plasma-activated water, PAW, organic matter decomposition, Tea Bag Index, dehydrogenase activity, microcalorimetry, soil organic matter, reactive nitrogen species, dielectric barrier discharge, sustainable agriculture

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student prezentoval obsah své diplomové práce. Prezentaci výsledků diplomové práce komise hodnotí jako dobrou, odpovědi na dotazy oponentské byly adekvátní, avšak reakce na dotazy a připomínky členů komise byly poměrně povrchní a obecné. V diskusi tak student prokázal dobrou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky diplomové práce. Komise, s uvážením hodnocení v posudku a vyjádření vedoucí/ho, zhodnotila jeho diplomovou práci celkově jako uspokojivou. Pekař: Jak jste vyhodnocoval mikrokalorimetrické křivky? Jak byste vyhodnotil metodu čajových sáčků? Vala: Dala by se mikrokalorimentrická data vyhodnotit nějak jinak?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

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)

Diplomová práce studuje vliv plazmatem aktivované vody aplikované při dlouhodobém tříměsíčním experimentu na dekompozici organické hmoty v několika typech půdního prostředí. Plazmatem aktivovaná voda byla připravena dvěma plazmovými systémy (dielektrický bariérový výboj nad vodní hladinou a tryska v kapalině s přívodem vzduchu) produkujícími odlišné složení reaktivních složek. Biologická aktivita půdy byla sledována metodou čajových sáčků, stanovením enzymatické aktivity dehydrogenázy a izotermickou mikrokalorimetrií, přičemž bylo posuzováno i výsledné pH půd.
Při řešení své práce projevoval student vysokou míru entuziasmu pro práci v laboratoři. Bohužel, tento zápal nebyl zcela v souladu s kvalitou práce a rozvržením časových možností, což vyústilo v nedokonalou přípravu půdních vzorků, která mohla výrazně ovlivnit výsledky dlouhodobých nádobových experimentů. Vlastní práce je logicky členěná, obsahuje dostatečnou teoretickou rešerši dané problematiky. Výsledky jsou zpracovány formou tabulek a grafů s následnou snahou o diskuzi vzájemných souvislostí. Závěry práce jsou formulovány srozumitelně.
Diplomová práce splnila s drobnými výhradami požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání B
Studium literatury a její zpracování C
Využití poznatků z literatury C
Kvalita zpracování výsledků C
Interpretace výsledků, jejich diskuse C
Závěry práce a jejich formulace B
Využívání konzultací při řešení práce C
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Tomáše Bednaříka se zabývá vlivem plazmatem aktivované vody (PAW) na vybrané charakteristiky půdy. Takto připravená PAW byla aplikována na čtyři reálné půdy v modelovém pěstebním experimentu a byl posuzován vliv těchto ošetření pomocí metody Tea Bag, měřením enzymatické aktivity dehydrogenázy, mikrokalorimetrií a pomocí měření pH a vlhkosti půdy. Tematicky se jedná o zajímavou a aktuální problematiku zapadající do odborného zaměření pracoviště i studentova studijního programu. 
Diplomová práce má rozsah 49 stran a je dle formálních zvyklostí rozdělena na jednotlivé kapitoly (úvod – 1 str., teoretická část – 20 str., současný stav řešené problematiky – 2 str., experimentální část – 5 str., výsledky a diskuse – 8 str., závěr – 1 str.). K některým částem práce mám zásadnější výhrady. Teoretická část obsahuje kromě informací o půdě, metodě Tea Bag Index, PAW a mikrokalorimetrii také rozsáhlý popis huminových látek, teorií jejich vzniku a modely struktury. Problematika huminových látek ovšem není tematicky relevantní vzhledem k experimentální části práce. Naopak za nedostatečnou považuji rešerši současného stavu řešené problematiky v rozsahu 2 strany, která je založena na třech literárních zdrojích.
Student v práci využil celkem 58 zdrojů odborné literatury, což je adekvátní počet. Výhrady však mám ke způsobu jejich citování, který neodpovídá zvyklostem dle normy ČSN ISO 690. Práce je po jazykové stránce psána poměrně čtivou a srozumitelnou formou, bez většího množství pravopisných chyb nebo překlepů. Po formální stránce se v textu vyskytuje řada nedostatků (některé zkratky nejsou vysvětleny; jednotky jsou často nevhodně odděleny od čísel koncem řádku, závorky nemají být kurzívou; v tabulkách 4–8 ve výsledkové části chybí jednotky uvedených veličin). Tyto formální nedostatky sice samy o sobě nesnižují odbornou hodnotu práce, ale v souhrnu působí dojmem nedostatečně pečlivé finální kontroly textu.
Experimentální část práce obsahuje popis přípravy a charakterizace PAW i realizace pěstebních experimentů. Zásadním nedostatek je však chybějící popis ukončení pěstebních experimentů a navazující práce související s vyhodnocením metody Tea Bag Index. V práci rovněž postrádám základní fyzikálně-chemickou charakterizaci použitých půd (např. obsah organické hmoty, základní prvkové složení, pH, vodivost, zastoupení makro- a mikroprvků). Tyto charakteristiky přitom představují základní pedologické proměnné, které jsou pro interpretaci odezvy půdy na aplikaci PAW zcela klíčové. Vzhledem k tomu, že jedním z cílů práce bylo posoudit rozdíly vlivu plazmatem aktivované vody mezi jednotlivými půdními typy, považuji jejich absenci za zásadní nedostatek. Bez znalosti těchto vlastností půd je interpretace půdně specifické odezvy značně omezená.
V kapitole výsledky a diskuse se student soustředí na popis získaných dat a místy se snaží o jejich vysvětlení s odkazem na literaturu. Postrádám zde hlubší vzájemnou diskusi výsledků v širších souvislostech. V práci není dostatečně popsáno, jak byla vyhodnocena mikrokalorimetrická data prezentovaná na obrázcích 16–19 a jak byl aplikován model uvedený na str. 40 pro získání parametrů v tabulce 9.
Závěrem je třeba podotknout, že diplomová práce Bc. Tomáše Bednaříka se věnuje bezesporu zajímavé problematice, ovšem vykazuje řadu obsahových, metodických i formálních nedostatků. Stanovené cíle práce byly dle mého názoru splněny pouze částečně. Jakožto oponent musím dále oponovat poslední větě závěru práce a podotknout, že předložená diplomová práce rozhodně nezaplnila mezeru v dosavadním poznání interakcí plazmatem aktivované vody se složitou půdní matricí. Naopak se domnívám, že získané výsledky spíše ukazují, že se jedná o velmi komplexní problematiku, která si zaslouží další, systematičtější a výrazně detailnější průzkum. I přes výše uvedené výhrady práci nakonec doporučuji k obhajobě a navrhuji ji hodnotit stupněm „uspokojivě“ (D).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání E
Logické členění práce D
Kvalita zpracování výsledků E
Interpretace výsledků, jejich diskuse E
Využití literatury a její citace C
Úroveň jazykového zpracování B
Formální úroveň práce – celkový dojem D
Závěry práce a jejich formulace E
Topics for thesis defence:
  1. 1) V kapitole 1.8.3 (str. 25) student zmiňuje antimikrobiální aktivitu PAW. Pro ošetření semen je to žádoucí, ale jak je tomu při použití jako zálivka do reálné půdy? Jaké pak lze očekávat působení PAW na půdní mikroorganismy?
  2. 2) Jakým způsobem byla určena dávka a frekvence zálivky využitá v rámci pěstebních experimentů?
  3. 3) Obrázky 16–19 prezentují mikrokalorimetrická data a na str. 40 je uveden model použitý pro jejich vyhodnocení. Mohl by student vysvětlit, jakým konkrétním způsobem byla tato data zpracována za využitím uvedeného modelu a jak byly stanoveny parametry v tabulce 9?
  4. 4) Mohl by student diskutovat přesnost stanovení parametru uvedených v tabulce 3 (str. 36)?

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová