Микробные биотехнологии ремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими пестицидами
Создание новой технологии биоремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими ядохимикатами, с помощью микроорганизмов-деструкторов
Вся совокупность полученных знаний о механизме биодеградации фосфорорганических соединений с С—Р-связью послужила основой для создания биотехнологии защиты окружающей среды от этих токсичных веществ в рамках проекта МНТЦ № 1892.2 «Создание новой технологии биоремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими ядохимикатами, с помощью микроорганизмов-деструкторов» (с 1 февраля 2005 г. по 30 апреля 2008 г.).
Участвующие институты:
— ФГУН Научно–исследовательский центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов (НИЦ ТБП) ФМБА РФ,
— Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (ИБФМ РАН).
Исследования финансировала Канада.
Во время экспедиционных поездок в различные регионы России (Московская, Ленинградская, Саратовская, Волгоградская и Самарская области, Краснодарский Край) были отобраны образцы почв, длительное время загрязняемых фосфорорганическими пестицидами и ядохимикатами. Пробы отбирали возле складов ядохимикатов; на сельскохозяйственных полях, в течение 2-5 лет обрабатываемых глифосатом и другими гербицидами; в окрестностях полигонов, где проводилась ликвидация химического оружия.
Для выделения микроорганизмов почвенную суспензию высевали на чашки Петри с плотной питательной средой ФГРМ и инкубировали в термостате при t=+28 по Цельсию. Выросшие колонии микроорганизмов просматривали, отбирали отдельные колонии и пересевали.
На следующем этапе выделяли чистые культуры микроорганизмов, способные к разложению ФОС с прямой С—Р связью, – глифосата и метилфосфоновой кислоты. Выделение проводили на минимальных солевых питательных средах, где в качестве единственного источника фосфора присутствовали в различных концентрациях глифосат (ГФ) или метилфосфоновая кислота (МФК) (схема).
Схема строения глифосата и метилфосфоновой кислоты.
При этом микроорганизмы разделились на 3 группы. Ряд штаммов, выделенных из почв, загрязненных глифосатом, разлагали как глифосат, так и после длительной адаптации метилфосфоновую кислоту (1 группа), или только глифосат (2 группа). Микроорганизмы, выделенные из почвы, загрязненной метилфосфоновой кислотой, разлагали только метилфосфоновую кислоту (3 группа).
Проведено изучение деструктивных свойств отобранных штаммов микроорганизмов-деструкторов ФОС и первичный скрининг наиболее активных по деструктивной способности штаммов. Разложение глифосата микроорганизмами изучали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии и спектрофотометрическим методом с хромогенным реагентом – малахитовым зеленым.
Генотипирование выделенных штаммов осуществляли методом rep-ПЦР с использованием праймера BoxA1R (5’ CTA CGG CAA GGC GAC GCT GAC G 3’), который путем сравнения наборов амплифицированных участков ДНК позволяет установить степень генетического родства (или различия) между ними. Были получены фингерпринты для отобранных 24 штаммов-деструкторов МФК и ГФ.
В работе использовали охарактеризованную дерново-подзолистую почву. В опытные стаканы вносили глифосат в виде Ground Bio в количестве 25 мл 0,03% раствора (по объему) на стакан. Культуры микроорганизмов для обработки нарабатывали одновременно в термостатируемой качалке при +28 по Цельсию до одинаковой концентрации на жидкой среде MS1 с глифосатом. Непосредственно сразу после внесения микроорганизмов-деструкторов и через 30 суток инкубирования при комнатной температуре отбирали образцы почвы для оценки ее фитотоксичности, интегральной токсичности, для химического и микробиологического анализов.
Биотестирование на дафниях показало, что внесение микроорганизмов-деструкторов в загрязненную почву приводит к снижению ее интегральной токсичности.
Дегидрогеназная активность почвы обусловлена активностью находящейся в ней аборигенной микрофлоры. Этот интегральный показатель показывает угнетение микробиологической активности в почве под действием какого-либо загрязнителя. Установлено, что загрязнение почвы глифосатом приводит к снижению ее дегидрогеназной активности.
В результате лабораторных исследований по микробной деструкции глифосата для полевых экспериментов были отобраны 2 наиболее эффективных штамма – Kg16 и Kg18. Деструктивные свойства этих штаммов исследовали также в аспекте одновременного внесения с С–Р-лиазным ферментным комплексом.
Анализ динамики деградации глифосата с участием шт. Kg16 показал, что процесс разложения этого гербицида проходил более интенсивно при внесении штамма-деструктора, выращенного на минимальной ростовой среде, нежели выращенного на богатой среде ФГРМ. В то же время качественный состав питательных сред не оказал влияния на деструктивные свойства шт. Kg18.
Внесение в почву С–Р лиазного ферментного комплекса не повлияло на деградацию глифосата. Вероятно, он инактивировался почвенными ферментами.
Оценку безопасности штаммов проводили на базе виварного комплекса НИЦ ТБП на лабораторных линиях беспородных белых мышей и крыс по общепринятым методикам. Содержание лабораторных животных в виварии соответствовало требованиям GLP. Изучение патогенных свойств выделенных штаммов проводили в соответствии с международными требованиями по 4 показателям.
По показателям вирулентности, диссеминации, токсичности и токсигенности отобранные штаммы не патогенны для теплокровных животных и могут быть отнесены к 4-му классу опасности. Следовательно, эти штаммы пригодны для использования в процессах биоремедиации без ограничений.
Помимо этого, проводили изучение токсичности микробного ферментного комплекса для лабораторных теплокровных животных (белых мышей и крыс). Для получения бесклеточного экстракта культуру Kg18 выращивали на качалке в колбах объемом 750 мл со 100 мл минеральной среды MS1 c 10 г/л глутамата и 0,5 г/л глифосата. Получение ферментного комплекса проводили экструзией микробной суспензии из замороженного состояния на прессе Хьюза при рабочем давлении 3200 кг/см2.
Ферментный комплекс вводили внутрижелудочно шести самкам и шести самцам аутбредных мышей массой тела 20 г в дозе 50 мл (50000 мг)/кг, а также шести самкам и шести самцам крыс линии Wistar массой тела 180 г в дозе 20 мл (20000 мг)/кг. Испытанные дозы по объему являлись максимально допустимыми для введения в желудок. Введение осуществляли при помощи металлических зондов, соответствующих размерам видов животных.
Результаты экспериментов на белых мышах и крысах показали, что С–Р-лиазный ферментный комплекс штамма Kg18 по параметрам острой токсичности при внутрижелудочном введении может быть отнесен к 4-му классу опасности (не токсичен).
Следовательно, С–Р-лиазный ферментный комплекс можно использовать без ограничений в экспериментах по биоремедиации почвы от глифосата.
Следующим этапом исследований было проведение микроделяночных полевых испытаний по биоремедиации почв, загрязненных глифосатом, с помощью 2 штаммов микроорганизмов-деструкторов – Kg16 и Kg18. На полигоне было подготовлено 7 участков размеров 1 х 2 метра каждый. Почву на участках перекопали, удалили корни растений и прорыхлили. Затем в нее внесли Ground Bio из расчета 100 л ГФ/га.
Микробную биомассу обоих штаммов одновременно нарабатывали в ферментерах на однотипной среде. Полученную суспензию контролировали на численность микроорганизмов методом кратных разведений, высевом на плотные питательные среды. Концентрация штамма Kg16 составила (3,7 ± 0,69)•100 000000, а штамма Kg18 – (6,4 ± 0,5)•100000000 КОЕ/мл. В почву микробную суспензию вносили из расчета 1 литр на 1 м2.
Результаты химического анализа показали, что под действием микроорганизмов-деструкторов происходит снижение концентрации внесенного глифосата. Естественная убыль глифосата за 28 суток эксперимента составила 55%, то есть немногим больше половины исходной концентрации. Внесение в почву питательной среды не увеличивало степень деградации, различия с контролем носили недостоверный характер. Внесение штаммов-деструкторов статистически достоверно увеличивало разложение глифосата в почве до 73% (штамм Kg18) и 87% (штамм Kg16). Миграции глифосата по почвенным горизонтам во всех вариантах опыта во время биоремедиации не выявлено. Таким образом, штамм Kg16 обладает большей деструктивной активностью, нежели штамм Kg18.
Проведена оценка фитотоксичности почвы, загрязненной глифосатом, до и после микробной ремедиации. Глифосат, внесенный в дозе 100 л/га, обладал фитотоксичностью для овса в течение всего эксперимента. Это проявилось в достоверном уменьшении (в 1,5 раза) длины корешков овса по сравнению с контролем (чистая почва). Во время проведения биоремедиации выявлено достоверное снижение фитотоксичности почвы на участках с питательной средой – в 1,3 раза, со штаммом Kg18 – в 1,5 раза, со штаммом Kg16 – в 2,9 раза по сравнению с почвой, загрязненной глифосатом.
Контроль за численностью микроорганизмов в почве во время биоремедиации показал, что концентрация аборигенной почвенной микрофлоры изменилась незначительно (в соответствии с погодными условиями). Численность микроорганизмов-деструкторов Kg16 и Kg18 в ходе биоремедиации постепенно снижалась.
Интегральную токсичность почвы, загрязненной ГФ, до и после биоремедиации оценивали на дафниях Daphnia magna. Образцы почвы отбирали в день внесения микроорганизмов-деструкторов, через 7, 14, 21 и 28 суток. Результаты биотестирования показали, что во всех вариантах опыта почва не токсична.
Дегидрогеназная активность почвы является индикатором активности почвенного микробного комплекса. Результаты экспериментальных исследований показали, что загрязнение почвы глифосатом приводит к снижению ее дегидрогеназной активности. Внесение микроорганизмов-деструкторов способствовало восстановлению биологических свойств почвы, то есть ее реабилитации (рис.).
Рис. Дегидрогеназная активность почвы в ходе биоремедиации.
Экспериментальное изучение токсичности почвенных экстрактов проводили на самцах белых крыс линии Wistar. Из образцов почвы до и после биоремедиации готовили водные экстракты. Лабораторным животным в течение всего эксперимента (62 суток) выпаивали экстракты из почвы. Ежедневно отмечали количество выпитой жидкости, оценивали клиническое состояние животных.
У животных проводили гематологическое и биохимическое изучение основных показателей крови, биохимическое исследование мочи; патоморфологическое изучение органов и тканей.
Результаты токсикологических испытаний показали, что почва, загрязненная глифосатом, оказывает токсическое действие на организм лабораторных животных. У животных при выпаивании экстракта загрязненной почвы достоверно уменьшается общее количество эритроцитов и лейкоцитов, уменьшается гематокритная величина, снижается общее количество гемоглобина. Отмечено увеличение количества эозинофилов.
При изучении морфологии клеток в мазках периферической крови крыс, подвергшихся выпаиванию экстрактом загрязненной почвы, зафиксировано появление единичных (1-2%) нейтрофилов с выраженной оксидазной реакцией цитоплазмы и единичных (1-2%) эозинофилов с выраженной пероксидазной реакцией цитоплазмы.
При анализе биохимических показателей сыворотки крови у животных, получавших экстракт загрязненной почвы, статистически достоверно повысился уровень глюкозы, холестерина и снизился уровень креатинина.
При микроскопическом исследовании структуры органов животных не установлено каких-либо специфических изменений, связанных с действием загрязненной почвы.
У животных, получавших экстракт из почвы после биоремедиации, проведенными токсикологическими исследованиями установлено снижение его общей токсичности до показателей чистой почвы.
Следовательно, проведение микробной биоремедиации почвы, загрязненной фосфорорганическими соединениями (глифосатом), приводит к снижению интегральной почвенной токсичности. Продукты микробного разложения глифосата не токсичны для лабораторных теплокровных животных.
По результатам лабораторных и микрополевых исследований из 24 потенциальных штаммов микроорганизмов отобран наиболее активный штамм Achromobacter sp. Kg16, пригодный для биоремедиации почвы, загрязненной ФОС.
Проведена идентификация и характеристика ферментного комплекса С–Р лиазы. Установлено, что белки С–Р-лиазного комплекса локализованы во всех компартментах клетки. Полученная in vitro С–Р-лиазная активность не превышает 2% от клеточной активности. Следует подчеркнуть, что данный результат – пока месть первая в мировой практике удачная и достоверная попытка обнаружения С–Р-лиазной активности неинтактных (разрушенных) клеток.
Разработана и апробирована в лабораторных и микрополевых условиях технология биоремедиации “in situ” почвы, загрязненной фосфорорганическими соединениями, с помощью микроорганизмов-деструкторов штамма Achromobacter sp. Kg16. Данная технология экологически безопасна, обладает высокой эффективностью и может быть рекомендована для практического использования.
Составлен паспорт штамма Achromobacter sp. Kg16 для его последующего депонирования в Международной коллекции промышленных организмов.
Шаланда А.В., к.б.н., для журнала «Коммерческая Биотехнология»
Источник
Микробные биотехнологии ремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими пестицидами
Часть 1. Современная ситуация по пестицидам в России.
Часть 2. Пестициды – приоритетные поллютанты окружающей среды.Часть 1. Современная ситуация по пестицидам в России.
По материалам проекта МНТЦ № 1892.2 «Создание новой технологии биоремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими ядохимикатами, с помощью микроорганизмов-деструкторов»Современная ситуация по пестицидам в России
Статистика по использованию в сельском хозяйстве России минеральных удобрений и пестицидов всегда была крайне ненадежной, а в настоящее время просто отсутствует. Однако общее размещение регионов с интенсивным внесением удобрений и средств защиты растений вряд ли претерпело существенное изменение за последние годы. В силу этого обстоятельства региональная дифференциация агрохимических воздействий на среду зачастую проводится по статистическим данным десятилетней и более давности.
Ранее, в социалистический период, когда совхозам и колхозам просто спускались планы по применению удобрений и пестицидов, эти планы очень часто выполнялись лишь на бумаге. Груды удобрений и пестицидов, которые, если судить по отчетности, должны были быть использованы на полях, на самом деле сваливали в лесополосах или на полянах, прилежащих к полям лесов. Свалки этих веществ в 70-80-ых годах ХХ века –заметная черта наших сельскохозяйственных пейзажей.
Одной из наиболее трудно решаемых проблем для субъектов Российской Федерации остается проблема хранения и утилизации пестицидов и агрохимикатов. Ситуация с хранением и утилизацией пестицидов и агрохимикатов, несмотря на принятие ряда законодательных актов и директивных документов, а также на принимаемые санэпидслужбой и другими контролирующими организациями меры, в последние годы обострилась из-за 3:
— увеличения количества применяемых средств защиты растений в сельском хозяйстве;
— отсутствия складов для хранения пестицидов и агрохимикатов;
— наличия складов, не отвечающих санитарно-техническим требованиям;
— складирования пестицидов в малоприспособленных для этих целей помещениях, в которые не исключен свободный доступ людей;
— хранения пришедших в негодность и запрещенных пестицидов вместе с пригодными;
— отсутствия полигонов и установок для обезвреживания пестицидов и агрохимикатов;
— складирования под открытым небом;
— продажи и применения пестицидов с «колес».
Так, например, в 2003 г. почвы, загрязненные остаточными количествами пестицидов, были выявлены на площади 0,58 тыс. га весной и 0,61 тыс. га осенью, что составило соответственно 3,3% и 3,5%. Таким образом, в 2003 г. загрязнено остаточными количествами пестицидов 3,4% от обследованной площади в 34,9 тыс. га на территории 14 субъектов Федерации.
До настоящего времени не утилизированы запрещенные к дальнейшему использованию пестициды, часть из которых обезличена и не может быть идентифицирована (в случаях смешения ряда пестицидов), в Воронежской области (892,5 тонн), Саратовской (611 тонн), Курской (582,3 тонн), Тюменской (237 тонн), Республике Дагестан (232,6 тонн), Ярославской (192,5 тонн), Оренбургской (172,8 тонн) областях, Ставропольском крае (165,4 тонн), Вологодской (137,6 тонн), Республике Хакасии (120,0 тонн), Марий Эл (100 тонн), Камчатской (12 тонн), Рязанской (5,7 тонн) областях.
В Республике Дагестан практикуется использование пестицидов, не включенных в Государственный Каталог пестицидов, агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. В ходе осуществления госсанэпиднадзора за условиями ввоза и реализации средств защиты растений установлено, что в последние годы частными лицами и индивидуальными предпринимателями осуществляется завоз в Республику Дагестан пестицидов, в т. ч. запрещенных и не пригодных к использованию.
В Курской области хранение пестицидов на складах осуществляется бесконтрольно, имеют место факты несанкционированного завоза и применения запрещенных препаратов, их хищения со складов. Ежегодно фиксируется значительное количество нарушений регламента применения пестицидов.
Особенно остро стоит проблема утилизации пестицидов и агрохимикатов в Республике Дагестан, Приморском крае, Курской, Саратовской, Оренбургской областях, Ставропольском крае.
Контроль и надзор за производством и применением этих веществ занимает важное место в работе Россельхознадзора. В сельскохозяйственном производстве Российской Федерации ежегодно используется около 30 тыс. тонн различных видов химических средств защиты растений и 1,2-1,4 млн. тонн в действующем веществе или 3,6-4,2 млн. тонн в физическом весе агрохимикатов, в том числе минеральных удобрений.
Сегодня в российский Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, внесено порядка 650 видов химических средств защиты растений и свыше 1100 агрохимикатов. Это наибольшее количество пестицидов, разрешенных к использованию в России за последнее десятилетие. Из числа пестицидов, внесенных в указанный каталог, 21 препарат относится к 1 классу и 101 препарат — ко 2 классу опасности для человека.
К 1 классу опасности, а всего их 4, относятся чрезвычайно опасные пестициды, смертельная доза которых для теплокровных животных и человека составляет при введении в желудок менее 15 мг на один килограмм веса. Летальная доза пестицидов 2 класса опасности, относящихся к высокоопасным, соответственно составляет 15-150 мг/кг веса.
Из всего объема ежегодно используемых пестицидов 12-14 тыс.тонн завозятся в виде готовых препаративных форм из-за рубежа и 16-18 тыс.тонн производятся на 40 химических предприятиях также на основе импортируемых действующих, т.е. биологически активных, веществ.
Стоимость рынка пестицидной продукции в нашей стране, по оценке экспертов, составляет около 300 млн долларов США.
Учитывая значительные объемы обращения химических средств защиты растений, высокую потенциальную опасность многих из них для здоровья человека и окружающей среды, возникла серьезная потребность в контроле за их ввозом на территорию Российской Федерации, производством внутри страны, реализацией, транспортировкой, хранением, использованием и утилизацией.
А тут еще одна проблема, которая значительно осложнила осуществление контрольных мероприятий. В России отменили лицензирование деятельности по реализации пестицидов. Это привело к возникновению десятков мелких фирм-перекупщиков, занимающихся поставкой средств защиты растений, но не имеющих ни надлежащей материальной базы, ни подготовленных специалистов. В результате на российском рынке пестицидов появилось значительное количество контрафактной и фальсифицированной продукции.
Другая сторона контрольной деятельности — мониторинг остаточного содержания пестицидов в продукции растениеводства, как ввозимой из-за рубежа, так и производимой российскими крестьянами 4. Известно, что в ряде стран Африки и Юго-Восточной Азии до сих пор для защиты растений от вредителей используются хлорорганические препараты, давно запрещенные к применению в Российской Федерации, такие как ДДТ, гексахлоран и другие. Нельзя исключать и возможность нарушений регламентов применения пестицидов как зарубежными, так и отечественными сельхозтоваропроизводителями.
До недавнего времени качество пестицидов и содержание их остаточного количества в продукции по всей стране реально контролировали только восемьдесят государственных территориальных станций защиты растений. В рамках проводимой административной реформы с этих учреждений сняты контрольно-надзорные функции, а целый ряд полномочий, связанных с надзором за безопасным применением пестицидов и контролем их качества, передан Россельхознадзору.
Сейчас Россельхознадзор, систематизируя и выполняя поставленные перед ним задачи, активно формирует отделы по надзору в области защиты растений и агрохимии во всех регионах, занимающихся сельскохозяйственным производством или использующих пестициды и агрохимикаты.
В число референтных центров Россельхознадзора, предназначенных для технологического обеспечения деятельности территориальных управлений, вошли пять станций защиты растений и два агрохимцентра в различных регионах страны. Они имеют контрольно-токсикологические лаборатории, использующие как отечественный, так и зарубежный опыт, и оснащены оборудованием для определения действующих веществ и остаточных количеств пестицидов в растениеводческой продукции и различных средах.
Часть 2. Пестициды – приоритетные поллютанты окружающей среды
На протяжении второй половины XX века и первого десятилетия XXI века все три подсистемы агроландшафта – производственная (агроэкосистемы), природная (экосистемы) и социальная (социоэкосистемы) – подвергались и подвергаются систематической и все усиливающейся агротехногенной нагрузке. При этом основным антропогенным фактором, негативно влияющим на агроландшафт, являются, как правило, ксенобиотические химические соединения. Этот постоянно действующий антропогенный пресс включает, в первую очередь, так называемые управляемые (искусственно вносимые) загрязняющие вещества – пестициды, вредные примеси других агрохимикатов (мелиорантов, синтетических удобрений) и разнообразные производственно-коммунальные отходы 7.
Хотя в мировом масштабе пестициды занимают 9-10 место в списке приоритетных поллютантов, в отдельных агрорегионах их негативное действие может быть весьма значительным. В целом современное растениеводство выступает как наиболее сильный и, практически, повсеместный антропогенный фактор, неоднозначно воздействующий на агроландшафт, его компоненты и элементы.
Пестициды в настоящее время следует рассматривать как серьезные стрессоры, которые могут быть причиной крупных инцидентов, опасных как для человека, так и для окружающей среды [11]. По разным оценкам, в последние годы в мире используется более 1000 соединений, на основе которых выпускаются десятки тысяч препаративных форм пестицидов. Обычно пестициды классифицируют в зависимости от их целевого назначения.
Основные группы пестицидов:
— акарициды – против клещей;
— альгициды – для уничтожения водорослей и сорной растительности в водоемах;
— бактерициды – для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями растений;
— гербициды – против сорных растений;
— десиканты – для ускорения созревания (вызывают обезвоживание тканей);
— дефлоранты – для более раннего опадания цветков и завязей,
— дефолианты – для удаления листьев и ботвы;
— инсектициды – для борьбы с вредными насекомыми;
— протравители семян;
— ретарданты – для торможения роста растений и повышения устойчивости стеблей против полегания;
— репелленты – для отпугивания, например, насекомых;
— фунгициды – против грибковых болезней растений.
Пестициды – средства защиты растений и борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур – предназначены для уничтожения или поражения нежелательных организмов (животных, растений, микроорганизмов) или воздействия на них. Применяя эти препараты, защищают культурные растения и продукцию растениеводства, уничтожают возбудителей болезней, устраняют вредные организмы, «приукрашивают» в соответствии с требованиями рынка сельскохозяйственную продукцию. Возможность достижения этих целей при помощи пестицидов обусловила широкое применение веществ, имеющих преимущественно искусственное происхождение.
Пестициды могут быть классифицированы и по химическим признакам. Наиболее распространенные:
— хлорорганические пестициды – галоидопроизводные полициклических и ароматических углеводородов, углеводородов алифатического ряда;
— фосфорорганические пестициды – сложные эфиры фосфорных кислот;
— карбаматы – производные карбаминовой, тио- и дитиокарбаминовой кислот;
— азотсодержащие пестициды – производные мочевины, гуанидина, фенола.
При массовом использовании пестицидов выявились и выявляются теневые стороны этих «чудо-помощников». Сегодня известны многочисленные эффекты их пагубного влияния [12- 38]. Подавляющее число пестицидов – кумулятивные яды, токсическое действие которых зависит не только от концентрации, но и длительности воздействия. Так, в процессе биоаккумуляции происходит многократное (до сотен тысяч раз) повышение концентрации пестицида по мере продвижения его по пищевым цепям. В результате биотрансформации наряду с детоксикацией пестицидов имеет место и токсификация, то есть образование веществ с еще более ядовитыми свойствами.
Применение пестицидов привело во многих случаях к нарушению биологического равновесия и остро поставило вопрос об охране окружающей среды. По данным ФАО, ежегодные потери во всем мире от сорняков и вредителей составляют 23,9-46,4 % от потенциально возможной продукции и оцениваются в 75 и более млрд. долларов. Применение ядохимикатов сохраняет значительную часть урожая, поэтому они интенсивно внедряются в сельское хозяйство, что, к сожалению, влечет за собой многочисленные отрицательные последствия. Уничтожая вредителей, эти вещества разрушают сложные экологические системы и способствуют гибели многих животных. Некоторые ядохимикаты постепенно накапливаются по трофическим цепям и, поступая с продуктами питания в организм человека, вызывают опасные заболевания. Имеются сведения о том, что некоторые биоциды воздействуют на генетический аппарат сильнее, чем радиация.
Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более.
Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. Например, в 1972 году на территории Швеции с атмосферными осадками выпало ДДТ больше, чем производилось в этой стране.
Почва является одним из наиболее важных объектов окружающей среды, которая на земном шаре формирует особую биогеохимическую оболочку, являющуюся важнейшим компонентом биосферы. В ней сосредоточено огромное количество самых различных организмов, продуктов их метаболизма и отмирания. Вместе с населяющими ее организмами почва является универсальным биологическим адсорбентом и нейтрализатором самых разнообразных органических соединений, что приводит к разложению большинства отбросов хозяйственной деятельности человека. Однако большие концентрации в почве различных химических соединений, обладающих высокой биологической активностью, могут отрицательно влиять на жизнедеятельность почвенных организмов, накапливаться в почве, что, в свою очередь, отрицательно влияет на способность биосферы к самоочищению [13].
Характеризуя возможные ситуации, связанные с применением пестицидов, следует помнить, что они всегда отрицательно влияют на живое население почвы, жизнедеятельность которого лежит в основе поддержания почвенного плодородия. В частности, пестициды (особенно медьсодержащие) вызывают депрессию процесса нитрификации. Известны случаи, когда в результате чрезмерной химической нагрузки на почву доминирующее положение в ней занимают фитопатогенные микроорганизмы. При интенсивном использовании пестицидов отмечается стерилизация почвы.
Считается, что гербициды воздействуют на микробоценоз, нарушая гомеостаз, вызывая стресс, изменяя резистентность и индуцируя смену доминантных форм, обусловливая репрессию. При этом, если микробиологическая деятельность восстанавливается в течение 60 суток после воздействия, реакция микробоценоза считается обратимой. Если ингибирование определенных форм микроорганизмов не менее чем на 50% сохраняется до конца вегетационного периода, реакция считается необратимой.
Являясь составной частью комплекса факторов, таких как изменение ландшафта и уничтожение среды обитания диких животных и растений человеком, пестициды наравне с ними сыграли роль в драматическом исчезновении в последние десятилетия многих видов флоры и фауны 15. Результаты исследований о влиянии пестицидов на существование видов животных в аграрных ландшафтах показывают, что регулярное интенсивное использование средств защиты растений приводит к исчезновению видов, связанных с аграрным ландшафтом. Уже давно известно, что пестициды могут оказывать губительное воздействие и на иные организмы, кроме тех, для которых они предназначены, например, на полезных насекомых. Такое же воздействие проявляется в отношении почвенных организмов, которые могут быть полезными для роста и здоровья растений. Охрана почв и защита растений находятся в принципиальном противоречии друг с другом.
Не все пестициды после их применения разлагаются на вещества, безвредные для природы и человека. Они могут превращаться или распадаться в химические соединения, в такой же степени или даже более ядовитые, чем исходные вещества.
Пестициды применяются в основном из-за их поражающего воздействия. Однако насекомые, растения и микроорганизмы могут развить устойчивость к таким дозам яда, которые для большинства из них прежде были бы смертельными. Это свойство организмов, называемое резистентностью, вырабатывается в процессе применения пестицидов. В течение очень короткого времени повысить уровень устойчивости к ядохимикатам могут организмы, размножающиеся при быстрой смене поколений, например, грибковые патогены и насекомые. Но сенсационными темпами повышается уровень резистентности также и у дикорастущих трав. В США уже установлено более 50 устойчивых видов сорняков. А в 1980 г. их было всего лишь 12.
Выработка устойчивости к пестицидам может нанести серьезный ущерб сельскому хозяйству и даже привести к полному прекращению отдельных производств, как это, например, случилось в Мексике. На обширных пространствах Северной Мексики пришлось почти полностью прекратить возделывание хлопчатника, так как все имеющиеся в распоряжении пестициды оказались бессильными против вредителей.
Массовое использование пестицидов в интенсивном сельском хозяйстве существенно нарушает экологические взаимосвязи в природной среде. В результате «похищения корма» пестицидами возникает угроза основам существования многих питающихся насекомыми певчих птиц. Пренебрежение экологическими взаимосвязями может отражаться на внутрихозяйственных и народнохозяйственных расчетах. Затраты на пестициды и минеральные удобрения не окупаются, а сельскохозяйственные угодья так сильно загрязнены пестицидами, что возделывание сельскохозяйственных продовольственных культур представляется опасным.
Если пестициды вносятся в незащищенный грунт, то лишь часть из них поражает нужные организмы. Большая же часть испаряется, остается в воздухе, укрупняется в капли туманов и может переноситься воздушными массами на большие расстояния. Сенсационные результаты показали исследования, проведенные государственной биологической службой по поручению государственного экологического управления Германии. В соответствии с ними в течение 6 часов после внесения улетучивается до 90% пестицидов, которые могут преодолевать большие расстояния по воздуху (трансграничный перенос).
Данные о нахождении и поведении пестицидов в окружающей среде зависят от методов аналитического контроля. Если пестициды не могут быть установлены аналитическими методами, то отсюда еще нельзя сделать прямое заключение, что они полностью разложились. Лишь с развитием более совершенных методов контроля и проведением измерений выяснилось, что большое число пестицидов, которые считались неопасными для грунтовых вод, настолько персистентные (долгоживущие), что могут попадать и в грунтовые воды. В почвах могут обнаруживаться продукты превращения пестицидов. Наука в таких случаях говорит о так называемых «связанных остатках», которые не могут быть обнаружены обычными методами анализа.
К произведенным специально для продажи препаратам относятся также и так называемые «инертные» компоненты: адгезивные составы, смачивающие вещества, растворители, средства предохранения от брызг и пятен при работе с пестицидами, противопенные средства, эмульгаторы, антиокислители или усилители действия пестицидов. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) признало, что практически каждый из 20 000 пестицидов, производимых в США, содержит те или иные «инертные» ингредиенты. Более 50 из 2518 используемых добавочных препаратов признаны опасными, а более 1700 классифицированы как вещества с неизвестной токсичностью. Эти вещества вызывают острые отравления, рак, рождение неполноценных детей, повреждения нервной системы и др. И, наконец, препараты могут содержать производственные загрязнители, например, диоксины. Об акарициде дикофол стало известно, что он загрязнен запрещенным к применению еще с 1972 г. долгоживущим инсектицидом ДДТ. Поэтому для оценки препаратов важны не только сведения об основных веществах, но и о добавочных веществах и загрязнителях 18.
Можно констатировать следующее:
— как правило, для пестицидов характерен широкий диапазон токсического действия на живое вещество биосферы;
— пестициды очень токсичны для животных и человека;
— при применении пестицидов поражаются не только целевые виды, но и множество других видов, не являющихся мишенями действия, в том числе естественные враги и паразиты подавляемых форм;
— пестициды всегда применяются против популяций;
— руководствуясь ошибочным пониманием надежности обработки полей, угодий, акваторий, преднамеренно вносится значительно большее количество препаратов, чем необходимо для уничтожения вредителя;
— мизерность «целевого» попадания используемых препаратов (инсектициды и фунгициды – около 3%, гербициды – 5-40% от применяемого количества);
— короткие сроки «целевого» действия – 1-2% общего времени нахождения препарата в окружающей среде;
— остатки пестицидов аккумулируются и биоконцентрируются в трофических цепях;
— имеет место вынос остаточных количеств пестицидов за пределы обрабатываемых территорий;
— появляются резистентные к пестицидам формы вредных организмов;
— гибнут некоторые полезные организмы и происходят глубокие нарушения взаимосвязей в биоценозах;
— возрастает вероятность отдаленных последствий, связанных с патологическим и генетическим действием ряда препаратов на биоту.
Общие сведения о токсичности пестицидов для человека
Источник