CC BY
20
ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ
&-
doi: 10.24412/0044-3913-2023-3-41-46 УДК 632.122.2:581.6
Подходы к фиторемедиации при использовании фосфорорганических пестицидов
Н. С. ПОМЫТКИН, младший научный сотрудник В. Ю. СТУПКО, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: stupko@list.ru) А. В. БОБРОВСКИЙ, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, просп. Свободный, 66, Красноярск, 660041, Российская Федерация
Исследование проводили с целью обобщения опыта использования растений и микроорганизмов для восстановления почв при загрязнении их фосфорор-ганическими соединениями (ФОС), доля которых в общем объеме производимых в мире пестицидов достигает 40 %. Долго считали, что при использовании ФОС в последующем нет необходимости в мероприятиях по ремедиации среды, так как они, в сравнении с хлороргани-ческими пестицидами, быстрее разлагаются и менее токсичны. Недостаточный контроль привел к аккумуляции их значительных количеств в окружающей среде. Зафиксированы случаи отравления людей и животных. Ремедиация почвы путем механического изъятия пластов плодородного слоя экономически малоэффективна. В качестве альтернативы предложена биоремедиация. Этот метод дешевле, отличается высокой эффективностью и безопасностью для окружающей среды, возможностью применения на больших площадях. Основные пути распада ФОС - гидролиз, окисление и метаболизм внутри живых организмов. Продукты их разложении - фосфорная кислота и вещества, образующиеся при декомпозиции эфирных частей молекулы. Сроки и пути метаболизма ФОС зависят от физических условий среды, химического состава почв и выбранного агента ремедиации (растение, микрорга-низмы). Основной источник поступления ФОС в пищу - вода рек и озер, очищению которых посвящены последние разработки в этой области. В качестве участников фиторемедиационного процесса
рассматривают подсолнечник, пшеницу, ячмень, амарант, подорожник, рис, рапс, ряд травянистых культур. Концентрация ФОС при их использовании может быть снижена на 95 % менее чем за месяц. Генетически модифицированные растения дают возможность уменьшить уровень ФОС на 99 % за две недели. Эффективность фиторемедиации дополнительно увеличивается при инокуляции ризосферы растений бактериями, в том числе в подтопляемых системах, и внесении сурфактантов при ремедиации умеренно влажных почв.
Ключевые слова: фосфоророргани-ческие соединения, фиторемедиация, биоремедиация, почвы, пестициды, аккумуляция.
Для цитирования: Помыткин Н. С., Ступко В. Ю., Бобровский А. В. Подходы к фиторемедиации при использовании фосфорорганических пестицидов // Земледелие. 2023. № 3. С. 41-46. бог. 10.24412/0044-3913-2023-3-41-46.
Фосфорорганические соединения (ФОС) составляют до 40 % от объе-мапестицидов, производимых в мире [1]. Их разработали в качестве замены хлорорганическим пестицидам и ошибочно считали менее токсичными на фоне большей эффективности и меньшей способности к накоплению [2]. Репутация ФОС как «безопасного» пестицида способствовала недостаточному контролю за использованием и превышению необходимых минимальных дозировок при применении фосфорорганических пестицидов в сельском хозяйстве.
ФОС попадают в водные объекты со стоком с полей. При этом скорость транспорта в подземные воды зависит от типа вещества. Например, хлорпирифос прочно связывается с почвой и относительно неподвижен. Диазион тоже малоподвижен, однако его высокие концентрации выявляют в речных водах по всему миру [3]. Это подтверждает значительное содержание диазиона в прилегающих к водоемам почвах. Фенамифос, напротив, очень подвижен, а его концентрация в подземных и сточных водах может достигать высокого уровня даже при небольших превышениях в применении [4].
В последние годы ФОС обнаруживают в культурных растениях, почве, речной воде, речных отложениях, подземных водах и даже в питьевой воде [5]. ФОС служат ингибиторами ацетилхолинэстеразы, чем и обусловлена крайне высокая их токсичность для животных и растений. Это свойство послужило основанием для их использования в качестве средств защиты в сельском хозяйстве, однако оно создает и ряд проблем [6]. Остаточные количества фосфорорганических пестицидов могут находиться в почве в условиях, недоступных для микроорганизмов, что препятствует их распаду, а затем попадать к человеку с пищей [7]. Это создаёт высокие риски для здоровья населения из-за мутагенного эффекта ФОС, способности вызывать поражения нервной системы и органов дыхания [5].
Ежегодные объемы применения, например, глифосата в 2014 г. достигли уровня 8,3х108 кг [8], а общее число отравлений ФОС превышает 3 млн. случаев в год [9]. Масштабы использования ФОС постоянно растут [6], в связи с чем проблема ремедиации становится всё более актуальной.
Фиторемедиация - инновационная технология, получившая признание в качестве экономичного и эстетически привлекательного метода восстановления загрязненных объектов путем поглощения вредных веществ корнями растений и разложения их ферментными системами растений самостоятельно и в комбинации с системами прикорневой микобиоты [5]. При этом в основном работы ведутся в отношении ремедиации водных ресурсов с использованием водных растений.
Стоит обратить внимание и на естественные процессы распада ФОС без проведения специальных мероприятий [6, 10]. Они подвержены окислению, гидролизу, фотолизу и микробной деградации. Однако процесс естественного нефорсированного распада более длителен, чем, например, фиторемедиация, но исключает прямые затраты на восстановление земель. Кроме того, необходимо от- ы метить снижение контроля за исполь- е зованием пестицидов в России [11]. | Исследования по анализу содержа- ® ния остаточных количеств в почвах е химических средств защиты расте- | ний и ремедиационные мероприятия ® в стране практически не проводятся. В этих условиях повышены риски со возникновения отравлений и потери 2 значительных площадей сельскохо- 2 зяйственных земель.
Цель исследований - обобщение известного опыта использования методов фиторемедиации при восстановлении почв, загрязненных ФОС, для выявления наиболее перспективных.
Для достижения поставленной цели проведен анализ публикаций международных баз данных и агре-гаторов Sciencedirect, Google Scholar, Researchgate, Springerlink, а также отечественной - Elibrary за последние 40 лет, отобранных в результате поиска по ключевым словам: фитореме-диация, органофосфаты, биоремеди-ация, пестициды, загрязнение почв, фосфорорганические соединения.
К числу наиболее ранних способов очистки от ФОС относятся физико-химические, которые предусматривают удаление почвы с загрязнённого участка и дальнейшую ее переработку путем сжигания, нейтрализации, адсорбции, экстракции, коагуляции, озонирования, облучения ускоренными электронами и ультрафиолетовым светом, битумирования и др. Однако после таких воздействий необходим завоз новой почвы, что требует больших затрат, и утилизация образованных шламов и побочных продуктов [12].
Технологии биоремедиации можно разделить на две группы: ex situ и in situ. Первая включает использование некоторых методов компостирования, биореакторов, биофильтров. В этом случае загрязненный объем почвы изымается физически, а его нейтрализацию проводят в специально оборудованных для этого резервуарах. При технологиях биоремедиации in situ применяют биовентиляцию, биоразбрызгивание, биостимуляцию, системы доставки жидкости и некоторые методы компостирования. Обработку загрязненных почв выполняют на месте, поэтому не требуется дополнительных мероприятий по извлечению и транспортировке грунта.
Детоксикация in situ может быть проведена с использованием различных микроорганизмов и растений, в рамках так называемых технологий биоремедиации [13]. Среди плюсов такого подхода можно отметить его высокую эффективность и безопасность для окружающей среды, возможность использования на большой площади [14]. Экологичность и экономичность - одни из основных преимуществ биоремедиации, по сравнению со с другими известными методами. о К минусам относят невозможность N использования при больших концен-ет трациях загрязнителя и значительную Z длительность периода восстановле-щ ния эксплуатационных характеристик q почвы. Кроме того, при фиторемеди-jjj. ации, как частном случае биореме-« диации, очищается только верхний 5 слой почвы, так как корни проникают ® сравнительно неглубоко.
Процесс биоремедиации увеличивает скорость естественного микробного разложения токсикантов благодаря добавлению к этим микроорганизмам питательных веществ, источников углерода или доноров электронов. При этом задействуют-ся как дикие микробные сообщества, так и привнесенные извне обогащенные культуры микроорганизмов, обладающие специфическими характеристиками, которые позволяют им быстрее разлагать загрязнитель [12]. В идеале биоремедиация приводит к полной минерализации загрязняющих веществ до H2O и CO2, без накопления промежуточных продуктов.
По сравнению с хлорорганиче-скими соединениями, ФОС распадаются быстрее. Время распада зависит от вещества и условий среды. Например, цианофос сложно ги-дролизуется, химически стоек и накапливается в реках и озерах [15]. Диазинон, хорошо растворим в воде, период его полураспада в почве составляет около 40 суток, а полный гидролиз достигается за 138 дней [16].
В результате гидролиза, окисления и метаболизма пестицидов внутри живых организмов образуются фосфорная кислота и продукты распада эфирных частей молекул [17], которые, как правило, обладают меньшей токсичностью, по сравнению с исходными веществами, и в большинстве случаев не опасны. Иногда могут образовываться азот, серная кислота и другие соединения.
Время распада для одного и того же вещества в различных исследованиях значительно варьирует, например, для хлорпирифоса в почвах он составляет от 2 до 120 дней и зависит от начальной концентрации, климатических условий, типа экосистемы и состава микробиоты [18, 19]. Противоречивость данных связана также с различиями в содержании в почве органического углерода, высокие уровни которого способствуют накоплению ФОС. Некоторые бактерии, разлагая фосфорорганические соединения, могут использовать их в своем питании как источник фосфора и углерода [20]. На основе почвенных микроорганизмов разрабатывается большое число препаратов для биоремедиации почвы [21]. Проблема накопления ФОС в пищевых продуктах вызвала необходимость создания препаратов для предотвращения отравлений на основе пробиотиков [22]. Способностью к деградации ФОС обладают микромицеты. В почвах, загрязненных пестицидами, часто находят Aspergillus fumigatus и Aspergillus terreus. Другие представители рода Aspergillus (A. niger, A. oryzae) и рода Pénicillium (P. notatum), а также Tricho-derma viride по некоторым данным принимают непосредственное участие в разложении малатиона [23].
При физических и химических способах очистки почвы малатион может деградировать до более токсичного малаоксона [23]. Хлорпи-рифос - до хлорпирифосоксон [19], который более ядовит для животных. Малаоксон и хлорпирофосоксон -промежуточные продукты, которые подвержены дальнейшему распаду. При этом расчётный риск от обработки сельскохозяйственных угодий хлорпирифосом для водных обитателей минимален, для птиц он выше, но остается незначительным. Малатион же токсичен для гидробионтов даже при очень малых концентрациях. Оба этих пестицида обладают слабой способностью к транспорту в окружающей среде и способны накапливаться в почвах [18].
Исследования, проведенные в Непале, свидетельствуют о том, что хлорпирифос служит главным загрязнителем почв среди применяемых пестицидов и источником высокого риска для почвенной микробиоты на глубине до 40 см [24]. В почвах европейских стран наибольшая доля приходится на загрязнение глифо-сатом, концентрация которого может достигать 2,05 мг/кг почвы [25].
Фосфорорганические вещества -чрезвычайно токсичны для животных. Они нарушают проведение нервных импульсов в результате ингибирова-ния фермента ацетилхолинэстеразы, что приводит к параличу и остановке дыхания. Несмотря на то, что у растений нервная система отсутствует, ФОС токсичны и для них: вызывают окислительный стресс, ингибируют фотосинтез, нарушают функционирование электрон-транспортной цепи фотосинтеза, блокируя фотосистему II (ФС II), передачу электронов к пла-стохинону и цитохром b6f комплексу, восстановление никотинамидаденин-динуклеотидфосфата (НАДФ) и АТФ-синтазу [6], блокируют цикл Кальвина, подавляя синтез рибулозобифосфат-карбоксилазы/оксигеназы. Так, метил-фосфорная кислота (конечный продукт распада ФОС) уменьшает активность пероксидазы в зерне ячменя и его всхожесть [26], а в растениях приводит к снижению содержания хлорофилла [27]. Культивирование гороха и овса на почвах, загрязненных глифосатом в концентрациях более 1,4 мг/кг, приводит к уменьшению содержания витаминов и бета-каротина в зеленой массе [28].
Практически все живые организмы (бактерии, грибы, водоросли, растения, животные) могут разлагать ФОС благодаря таким универсальным ферментам, как фосфатазы и гидролазы. Малатион быстро распадается в красной фасоли, хлопчатнике и бобах, в основном в результате гидролиза [23], образующийся при этом высокотоксичный малаксон тоже быстро гидролизуется. Способность высших
Фосфорорганическое соединение Вид растения-ремедианта Источник
Цианофос подорожник большой (Plantago major) [15]
табак (встроенный ген ophc2) [32]
Метилпаратион кукуруза (Zea mays) [33]
пшеница мягкая (Triticum aestium) [34]
пшеница мягкая (Triticum aestium) рапс (Brassica napus oleifera) [35]
Хлорпирифос плевел однолетний (Lolium multiflorum) [36]
тополь (Populus sp.), ива (Salix sp.) [37]
Arabidopsis thaliana (встроенный ген oph B) [38]
Триазофос циперус очереднолистный (Cyperus alternifolius), аир обыкновенный (Acorus calamus), талия беловатая (Thalia dealbata), канна индийская (Canna indica) и рогоз восточный (Typha orientalis) [30]
Паратион рис посевной (Oryza sativa) [39]
Диазинон рис посевной (Oryza sativa) [40]
растений к детоксикации (роль «зеленой печени») - эффективная основа для разработки технологий восстановления загрязненных природных сред.
Существует несколько видов фи-торемедиациии: фитоэкстракция, фитостабилизация. фитотрансфор-мация или фитодеградация, ризоде-градация, фитоволотилизация [29]. Идеальный вид растения для фито-ремедиации должен обладать высокой адаптивностью и способностью к абсорбции, продуцировать большой объем биомассы, но быть непривлекательным для травоядных животных, устойчивым к токсическим воздействиям, характеризоваться низкими требованиями к агротехнике. Все потенциальные фиторемединаты исследуются на предмет этих признаков.
Фиторемедиацию можно комбинировать с другими методами очистки почвы. Для этого используют поверхностно-активные вещества [15, 30], а также бактерии, которые обитают в ризосфере используемых растений [31]. То есть бактериальную ремедиацию и фиторемедиацию можно использовать одновременно. На сегодняшний день проводится значительный объем исследований по изучению взаимодействия микроорганизмов и растений в ризосфере и возможностей его использования для санации загрязненных пестицидами сред [5].
Для фиторемедиации почвы от ФОС и продуктов их распада часто используют такие культурные растения, как подсолнечник, пшеница, ячмень, амарант, подорожник и рис. Этому способствуют отработанные веками технологии их выращивания в монокультуре, широкое распространение многих культур (пшеница, ячмень), ареал которых простирается на значительных территориях и присутствует на всех континентах, заселённых человеком.
Исследований по фиторемедиации загрязненных ФОС почв не много (см. табл.), так как, по сравнению с хло-рорганическими пестицидами, фос-форорганические менее устойчивы и масштабы их накопления не столь высоки [25], что не снижает актуальности таких работ.
В результате их проведения, например, установлено, что подорожник большой (Plantago major L.) может эффективно очищать почву от циано-фоса [15]. Исследование поглощения метилпаратиона растениями кукурузы в почве с естественной микобиотой и в стерильной, где все микроорганизмы уничтожены обработкой стрептомицином показало, что в целом его разложение в растении происходит в течение 4 дней, при этом сам метилпаратион не обнаруживается в листьях, что свидетельствует о том, что вероятное всего он распадается до р-нитрофенола, который подвергается дальнейшей деградации [33].
Растения пшеницы усиливают деградацию/экстракцию из почвы метилпаратиона, р-нитрофенола и гидрохинона до 56...95 %. Значительную роль в этом процессе играют почвенные микроорганизмы [34].
Пшеница и масличный рапс могут использоваться при фиторемедиации хлорпирифоса. Разложение его в ризосфере рапса в 1,4.4,2 раза выше, чем в почве без растений. При этом численность бактерий в ризосфер-ной части почвы возрастает в 3,18 раз, микромицетов - в 1,84 раза, что, возможно, и объясняет его быструю деградацию [35].
Большое значение взаимодействия растений и микроорганизмов в фиторемедиации почвы от фосфороргани-ческих пестицидов продемонстрировано на примере плевела однолетнего или райграса (Lolium multiflorum) и штамма бактерий Mezorhizobium sp. HN3, которые служат эндофитными симбионтами растений. Райграс име-
ет хорошо развитую и обширную корневую систему, что намного увеличивает эффективность взаимодействия с Mezorhizobium sp. В итоге в засеянной райграсом, но не инокулиро-ванной почве разложение хлорпирифоса через 15 дней составило 22 %, в незасеянной, инокулированной почве - 36 %, в засеянной и инокулированной бактериями - 44 %. На 45-й день после посева величины этого показателя составляли 79 %, 91 и 100 % соответственно [36].
По данным другого исследования в течение 28-и дней после посева предварительно про-рощенных семян райграса происходит почти полное разложение как небольших (10.50 мг/кг), так и более высоких (75.100 мг/кг) концентраций хлорпирифоса на 94,25 % и 91,6 % соответственно. Отмечено, что травы, благодаря развитой и широко разветвлённой корневой системе, способной вместить большое количество бактерий, очень хорошо подходят для фиторемедиации почвы. Предполагают, что бактерией, разрушавшей хлорпирифос, в эксперименте была Pseudomonas nitroreducens PS-2, способность которой к его разложению была подтверждена в дальнейших исследованиях [41].
Проводятся исследования по генной модификации растений с целью повышения их эффективности в разложении ФОС. Бактерии рода Pseudomonas стали источником гена oph B, отвечающего за синтез гидролазы, которая участвует в разрушении хлор- U пирифоса, для растений Arabidopsis | thaliana (резуховидка Таля). Такая е трансформация увеличила их толе- д рантность к пестициду в 4 раза [38]. ^ Ранее изменение генома таба- £
(D
ка с использованием гена ophc2 z из P. pseudoalcaligenes обеспечила 10 99 %-ную деградацию метилпарати- 0 она уже на 14 сутки культивирования q растений [32]. 3
Oчищaть почву от ФOC могут и древесные виды. Например, тополь (Populus sp.) и ива (Salix sp.) способны поглощать хлорпирифос. При этом в корнях наблюдали его более высокую концентрацию, чем в побегах. Oднaкo в тканях это соединение не сохранялось, что подтверждает его разложение растениями [37].
Накопление большего количества OOC в корнях, в сравнении с побегами, наблюдали и в условиях искусственных подтопляемых систем, создаваемых для восстановления водных ресурсов [5]. Это псевдо-природные резервуары, содержащие несколько слоев субстрата (песок, грунт, щебень), на котором произрастают виды заболоченных местообитаний, населенные широким спектром микроорганизмов. Через эти конструкции происходит медленный ток воды, требующей очистки. При этом такие растения, как Eichhornia crassipes [42] или Cyperus alternifolius [43], способные быстро поглощать и транспортировать OOC в листья и стебли, более эффективны в качестве ремедиантов. Исследователи также отмечают, что аккумуляция ФOC в растениях в условиях подтопляемых полей, как и в случае с деревьями, обычно невелика, поскольку собственные защитные механизмы препятствуют их чрезмерному накоплению [44]. При этом по сумме показателей относительной скорости роста биомассы, соотношения стеблей и корней, способности к удалению поллютанта (загрязняющего вещества) из среды и био-концентрационного фактора (способности аккумулировать поллютант) по итогам исследований, проведенных учёными Китая на подтопляемых полях, загрязненных триазофососом, перспективными признаны Cyperus alterni-folius, Acorus calamus, Thalia deal-bata, Canna indica и Typha orientalis (см. табл.) [30].
Многолетние эксперименты Мэтью Мура, изучавшего поглощение ФOC растениями риса на подтопляемых полях, показали, что они повышают эффективность очистки поверхностных стоков с сельскохозяйственных полей на 25 %, в сравнении с естественной деградацией [40]. В более ранней работе на не подтопляемых рисовых полях эффективность элиминации (удаления) возрастала на треть, а на затопленных полях, в сравнении с вариантом без расте-N ний, она увеличивалась в 4 раза [39]. ° Эффективность фиторемедиации со может быть повышена путем привле-o¡ чения агентов - сурфактантов, увеличивающих растворимость и био-s доступность загрязняющих соеди-§ нений (Твин B0, гуминовые вещества, J циклодекстрины) [15]. Использование ^ соединений, которые не только спо-I собствуют росту биодоступности W
поллютанта, но и служат важным элементом механизмов стрессоустой-чивости растений - следующая ступень в развитии этого направления. Внесение жидкого диоксида кремния (ЭЮ2) в почву, загрязненную циано-фосом, повысило эффективность изъятия ФОС из почвы подорожником с 45,9 % до 74,1 %. В то время как использование других сурфактантов позволяло достичь лишь 60 %-ной эффективности [15].
Активно развивающиеся в последние десятилетия нанотехнологии нашли своё применение и в ремеди-ации сред, загрязненных пестицидами. Наночастицы различных металлов используют в качестве фотокатализаторов ^пО) и носителей для ферментов (органофосфатгидролаза или карбоксилаза на наночастицах Б1О2) [45].
Важным элементом экологизации применения ФОС в сельском хозяйстве служит усиление контроля над их расходом [17]. Например, изменение инструкции по применению путем исключения информации о возможности использования средства в бытовых целях помогло снизить концентрацию хлорпирифоса в окружающей среде [18]. Социологические опросы показали увеличение склонности к безопасному применению пестицидов среди фермеров при повышении их уровня знаний, коррелирующего с использованием более технологичных методов выращивания продукции [46]. Важность квалификации и степени информированности товаропроизводителей подтверждает то, что случаи отравления людей и загрязнения окружающей среды фосфорорганическими пестицидами чаще наблюдают в неразвитых и развивающихся странах [47], как и повышенное содержание этих соединений в почве [25].
Таким образом, в большинстве исследований в качестве эффективных фиторемедиантов предлагают возделывание быстрорастущих травянистых растений, например, подорожника или райграса. Успешно используют виды с не одревесневающим стеблем и большой биомассой листьев (амарант, аир). Из сельскохозяйственных культур в качестве ремедиантов можно рассматривать мягкую яровую пшеницу и кукурузу, на подтопляемых почвах - рис. Растения болотистых местообитаний (циперус очереднолистный и аир обыкновенный) демонстрируют высокую эффективность при очистке вод, стекающих с полей. Все эти растения повышают скорость разложения ФОС, как минимум в 2 раза. Эффективность фиторемедиации дополнительно увеличивается при инокуляции ризосферы растений бактериями, в том числе в подтопляемых системах, и внесении сурфактантов
при ремедиации умеренно влажных почв. Повышение способности к разложению ФОС растениями достигается также их генетической модификацией, впервые проведенной на модельном виде Arabidopsis thaliana. Древесные растения, тополь и ива, также способны извлекать из почвы и разрушать ФОС. В целом, результаты исследований свидетельствуют о том, что при использовании технологий фиторемедиации возможна полная деградация ФОС в почве в течение 3...4 недель после посева растений.
Литература
1. Simultaneous electrochemical degradation of organophosphorus pesticides and recovery of phosphorus: Synergistic effect of anodic oxidation and cathodic precipitation / Y. Ning, K. Li, Z. Zhao, et al. // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2021. Vol. 125. P. 267-275. doi: 10.1016/j.jtice.2021.06.039.
2. Adsorption of organophosphorus pesticides in tropical soils: the case of karst landscape of northwestern Yucatan / L.-F. Alfonso, G. V. Germán, P. C. M. del Carmen, et al. // Chemosphere. 2017. Vol. 166. P. 292-299. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.09.109.
3. Environmental Occurrence, Toxicity Concerns, and Degradation of Diazinon Using a Microbial System / X. Wu, J. Li, Z. Zhou, et al. // Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. 717286. URL: https://www.frontiersin. org/articles/10.3389/fmicb.2021.717286/full (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.3389/ fmicb.2021.717286.
4. Akat E., Arman S. Toxic Effect of Fenamiphos on the Earthworm, Eisenia fetida (Annelida: Oligochaeta) // Hacettepe Journal of Biology and Chemistry. 2016. Vol. 44. P. 133137. doi: 10.15671/HJBC.20164417647.
5. A review on removal of organophosphorus pesticides in constructed wetland: Performance, mechanism and influencing factors / T. Liu, Sh. Xua, Sh. Lu, et al. // The Science of the Total Environment. 2019. Vol. 651. No. 2. P. 2247-2268. doi: 10.1016/j.scito-tenv.2018.10.087.
6. Toxicity, monitoring and biodegradation of organophosphate pesticides: A review / G. Sidhu, S. Singh, V. Kumar, et al. // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2019. Vol. 49. P. 1-53. doi: 10.1080/10643389.2019.1565554.
7. Riyaz M., Rauf S., Kuppusamy S. Biodegradation Technology of Organic and Inorganic Pollutants. Edited by Kassio Ferreira Mendes. London: IntechOpen, 2021. 494 p. URL: https://www.intechopen. com/chapters/77083 (дата обращения: 17.10.2022).
8. Benbrook C. M. Trends in glyphosate herbicide use in the United States and globally // Environmental Sciences Europe. 2016. Vol. 28. 3. URL: https://enveurope.springeropen. com/articles/10.1186/s12302-016-0070-0 (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1186/ s12302-016-0070-0
9. Adverse effects of organophosphorus pesticides on the liver: A brief summary of four decades of research / S. Karami-Mohajeri,
A. Ahmadipour, H.-R. Rahimi, et al. // Arhiv za higijenu rada i toksikologiju. 2017. Vol. 68. No. 4. P. 261-275. doi: 10.1515/aiht-2017-68-2989.
10. Microbial degradation of organophospho-rus pesticides using whole cells and enzyme extracts / J. Y. Santillan, A. Muzlera, M. Molina, et al. // Biodegradation. 2020. Vol. 31. P. 423-433. doi:10.1007/s10532-020-09918-7.
11. Данилова А. А. Контроль остаточных количеств пестицидов в объектах окружающей среды // Агрохимия. 2021. № 6.
C. 49-56. doi: 10.31857/S0002188121030042.
12. Pesticide Pollution in Agricultural Soils and Sustainable Remediation Methods: a Review / S. Sun, S. Virinder, R. Yuhong, et al. // Current Pollution Reports. 2018. Vol. 4. P. 1-11. doi: 10.1007/s40726-018-0092-x.
13. Biodegradation of the Organophosphate Pesticide Profenofos by Marine Fungi / N. A. Silva, W. G. Birolli, M. H. R. Seleghim, et al. // Applied Bioremediation - Active and Passive Approaches. Edited by Y. Patil, Rao P. London: IntechOpen, 2013. 408 p. URL: https://www.intechopen.com/chapters/45263 (дата обращения: 17.10.2022).
14. Dash D. M., Osborne W. J. A systematic review on the implementation of advanced and evolutionary biotechnological tools for efficient bioremediation of organophosphorus pesticides // Chemosphere. 2023. Vol. 313. 137506. URL: https://www.sciencedirect.com/ science/article/abs/pii/S0045653522039996 (дата обращения: 07.04.2023) doi: 10.1016/j. chemosphere.2022.137506.
15. Romeh A. A. Enhancing agents for phytoremediation of soil contaminated by cyanophos // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2015. Vol. 117. P. 127-131. doi: 10.1016/j.ecoenv.2015.03.029.
16. An assessment of acute insecticide toxicity loading (AITL) of chemical pesticides used on agricultural land in the United States / M. Di-Bartolomeis, S. Kegley, P. Mineau, et al. // PLOS ONE. 2019. Vol. 14. No. 8. URL: https://journals.plos.org/plosone/ article?id=10.1371/journal.pone.0220029 (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1371/journal. pone.0220029.
17. Organophosphorus pesticides: Impacts, detection and removal strategies / T. O. Ajiboye, P. O. Oladoye, C. A. Olanrewaju, et al. // Environmental Nanotechnology, Monitoring and Management. 2022. Vol. 17. 100655. URL: https://doi.org/10.1016/j.enmm.2022.100655 (дата обращения: 17.10.2022).
18. Ecological risk assessinent for chlorpyrifos in terrestrial and aquatic systems in the United States / J. P. Giesy, K. R. Solomon,
G. C. Cutler, et al. // Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. 2014. Vol. 231. P. 1-11. URL: https://link.springer.com/chap ter/10.1007/978-3-319-03865-0_1 (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1007/978-3-319-03865-0_1.
19. Nandhini A. R., Harshinyb M., Gummadi S. N. Chlorpyrifos in environment and food: a critical review of detection methods and degradation pathways // Environmental Sciences: Processes and Impacts. 2021. Vol. 23. P. 1255-1277. doi: 10.1039/D1EM00178G.
20. Parthasarathy S., Sagar A., Siddavattam
D. Biodegradation of organophosphates: biology and biotechnology // Microbial Biodegradation and Bioremediation. Techniques and Case Studies for Environmental Pollution. S. Das,
H. R. Dash (eds.). Philadelphia, United States: Elsevier. 2021. P. 145-159. doi: 10.1016/B978-
0-323-85455-9.00023-0.
21. Биодеградация фосфорорганиче-ских загрязнителей почвенными бактериями: биохимические аспекты и нерешенные проблемы / А. В. Свиридов, Т. В. Шушкова, Д. О. Эпиктетов и др. // Биотехнология. 2020. Т. 36. № 4. С. 126-135. doi: 10.21519/02342758-2020-36-4-126-135.
22. Bioremediation of organophosphorus pesticides in contaminated foodstuffs using probiotics / Z. Sarlak, K. Khosravi, M. Rouhi, et al. // Food Control. 2021. Vol. 126. 108006. URL: https://www.sciencedirect.com/science/ article/abs/pii/S0956713521001444?via%3Dihub (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1016/j. foodcont.2021.108006.
23. A comprehensive review on enzymatic degradation of the organophosphate pesticide malathion in the environment / S. S. Kumar, P. Ghosh, S. K. Malyan, et al. // Journal of Environmental Science and Health, Part C: Toxicology and Carcinogenesis. 2019. Vol. 37. No. 4. P. 288-329. doi: 10.1080/10590501.2019.1654809.
24. Ecological risk assessment of pesticide residues in soils from vegetable production areas: A case study in S-Nepal / G. Bhandari, K. Atreya, J. Vaslckova, et al. // The Science of the Total Environment. 2021. Vol. 788. 147921. URL: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S0048969721029922?via%3Dihub (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1016/j. scitotenv.2021.147921.
25. Pesticide residues in European agricultural soils: A hidden reality unfolded / V. Silva, H. G. J. Mol, P. Zomer, et al. // The Science of the Total Environment. 2019. Vol. 653. P. 1532-1545. doi: 10.1016/j. scitotenv.2018.10.441.
26. Коваль Е. В., Свинолупова Л. С., Ого-родникова С. Ю. Оценка токсических эффектов метилфосфоновой кислоты по ответным биохимическим реакциям фототрофных организмов // Теоретическая и прикладная экология. 2013. № 1. С. 89-93.
27. Коваль Е. В., Огородникова С. Ю. Эффекты метилфосфоновой кислоты и циа-нобактерии Nostoc linckia, присутствующих в среде выращивания, на жизнедеятельность растений ячменя // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2016. № 6(140). С. 9-14.
28. Добросмыслова И. А., Сазанова А. А., Насакин О. Е. Некоторые аспекты влияния остаточных количеств гербицида глифоса-та в почве на культурные растения // Экология и промышленность России. 2020. Т. 24. № 5. С. 24-27. doi: 10.18412/18160395-2020-5-24-27.
29. Phytoremediation: Mechanisms, plant selection and enhancement by natural and synthetic agents / A. Kafle, A. Timilsina, A. Gautam, et al. // Environmental Advances. 2022. Vol. 8. 100203. URL: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S2666765722000394?via%3Dihub (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1016/j. envadv.2022.100203.
30. A comparison on the phytoremediation ability of triazophos by different macrophytes / H. Xiao, S. Cheng, L. Zhang, et al. // Journal of Environmental Sciences 2014. Vol. 26. P. 315322. doi: 10.1016/S1001 -0742(13)60417-9.
31. Оценка возможности использования растительно-микробных ассоциаций при рекультивации почвы на объекте «Мара-дыковский» / А. Г. Лазыкин, А. А. Лещенко,
Т. Я. Ашихмина и др. // Теоретическая и прикладная экология. 2016. № 4. С. 96-104.
32. Phytodegradation of organophosphorus compounds by transgenic plants expressing a bacterial organophosphorus hydrolase / X. Wang, N. Wu, J. Guo, et al. // Biochemical and Biophysical Research Communications. 2008. Vol. 365. No. 3. P. 453-458. doi: 10.1016/j. bbrc.2007.10.193.
33. Phytoremediation using an indigenous crop plant (wheat): the uptake of methyl parathion and metabolism of p-nitrophenol / N. U. Khan, B. Varma, N. Imrana, et al. // Indian journal of science and technology. 2011. Vol. 7. No. 12. P. 1661-1667. doi: 10.17485/ijst/2011/ v4i12.2.
34. Khan N. U., Varma B. Mechanism of Phytoremediation: Study of uptake and metabolism of Methyl Parathion and p-Nitrophenol in Maize // Nature Environment and Pollution Technology. 2011. Vol. 10. No.
4. P. 511-516.
35. Behavior and fate of chlorpyrifos introduced into soil-crop systems by irrigation / L. Wang, X. Jiang, D. Yan, et al. // Chemosphere. 2007. Vol. 66. I. 3. P. 391-396. doi: 10.1016/j. chemosphere.2006.06.038.
36. Enhanced remediation of chlorpyrifos by ryegrass (Lolium multiflorum) and a chlorpyrifos degrading bacterial endophyte Mezorhizobium sp. HN3 / H. Jabeenab, S. Iqbalab, F. Almada, et al. // International Journal of Phytoremediation. 2016. Vol. 18. No. 2. P. 126-133. doi: 10.1080/15226514.2015.1073666.
37. Lee K. Y., Strand S. E., Doty S. L. Phytoremediation of chlorpyrifos by populus and salix // International Journal of Phytoremediation. 2012. Vol. 14. No. 1. P. 4861. doi: 10.1080/15226514.2011.560213.
38. Asraful I. S. M., Yeasmin S., Saiful I. M. Organophosphorus pesticide tolerance of transgenic Arabidopsis thaliana by bacterial ophB gene encode organophosphorus hydrolase // Journal of Environmental Science and Health, Part B. 2021. Vol. 56. No. 12. P. 1051-1056. doi: 10.1080/03601234.2021.2009731.
39. Reddy B. R., Sethunathan N. Mineralization of parathion in the Rice Rhizosphere // Applied and Environmental Microbiology. 1983. Vol. 45. No. 3. P. 826-829. doi: 10.1128/aem.45.3.826-829.1983.
40. Moore M. T., Locke M. A., Cullum R. F. Expanding Wetland Mitigation: Can Rice Fields Remediate Pesticides in Agricultural Runoff? // Journal of Environmental Quality. 2018. Vol. 47. P. 1564-1571. doi: 10.2134/ jeq2018.04.0154.
41. Korade D. L., Fulekar M. H. Rhizosphere remediation of chlorpyrifos in mycorrhizospheric soil using ryegrass // Journal of Hazardous Materials. 2009. No. 172. P. 1347-1350. doi: 10.1016/j.jhazmat.2009.08.002.
42. Organophosphorus and organochlorine pesticides bioaccumulation by Eichhornia crassipes in irrigation canals in an urban ы agricultural system / B. M. Mercado-Borrayo, е
5. CramHeydrich, I., et al. // International Journal | of Phytoremediation. 2015. Vol. 17. P. 701-708. д doi: 10.1080/15226514.2014.964841. £
43. Fate of mixed pesticides in an integrated и recirculating constructed wetland (IRCW) / о X. Tang, Y. Yang, R. Tao, et al. // The Science of z The Total Environment. 2016. Vol. 571. P. 935- 3 942. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.07.079.
44. Triazophos (TAP) removal in horizontal о subsurface flow constructed wetlands (HSCWs) 3
and its accumulation in plants and substrates I J. Wu, Z. Li, L. Wu, et al. // Scientific Reports -Nature. 2017. Vol. 7. 5468. URL: https://www. nature.com/articles/s41598-017-05874-0 (дата обращения: 17.10.2022). doi: 10.1038/ s41598-017-05874-0.
45. Nanotechnology-based recent approaches for sensing and remediation of pesticides / D. Rawtani, N. Khatri, S. Tyagi, et al. // Journal of Environmental Management. 2018. Vol. 206. P. 749-762. doi: 10.1016/ j.jenvman.2017.11.037.
46. Factors affecting farmers' safety behavior in the use of chemical pesticides: the role of technical efficiency / S. Naghavi, M. Ahmadyousefi, Ch. Damalas, et al. II International Journal of Pest Management. 2022. URL: https:llwww.tandfonline.com/doil full/10.1080/09670874.2022.2094492 (дата обращения: 17.10.2022).
47. Farmer's behaviors toward pesticides use: insight from a field study in Oriental Morocco / J. Benaboud, M. Elachour, J. Oujidi, et al. // Environmental Analysis Health and Toxicology. 2021. Vol. 36. e2021002. URL: https://www.eaht.org/ journallview.php?doi=10.5620leaht.2021002 (дата обращения 17.10.2022). doi: 10.5620I eaht.2021002.
Approaches to phytoremediation after using organophosphate pesticides
N. S. Pomytkin, V. Yu. Stupko, A. V. Bobrovskij
"Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", Krasnoyarsk Research Institute of Agriculture, prosp. Svobodnyi, 66, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
Abstract. The study aimed to generalise the experience of using plants and microorganisms to restore soils contaminated with organophosphorus compounds (OPs), the share of which in the total volume of pesticides produced in the world reaches 40 %. For a long time, it was believed that when using OPs in the future, there is no need for measures to remediate the environment, since they, in comparison with organochlo-rine pesticides, decompose faster and are less toxic. Insufficient control has led to the accumulation of significant amounts in the environment. Cases of poisoning of people and animals have been recorded. Soil remediation by mechanical removal of fertile layer stratums is economically ineffective. Bioremediation has been proposed as an alternative. This method is cheaper, highly efficient, and environmentally friendly, and can be used over large areas. The main pathways for the OPs breakdown are hydrolysis, oxidation, and metabolism within living organisms. The products of their decomposition are phosphoric acid and substances formed during the decomposition of the essential parts
of the molecule. The timing and pathways of OPs metabolism depend on the physical conditions of the environment, the chemical composition of soils, and the selected remediation agent (plant, microorganisms). The main source of OPs in food is the water of rivers and lakes, the purification of which is devoted to the latest developments in this area. Sunflower, wheat, barley, amaranth, plantain, rice, rapeseed, and a number of herbaceous crops are considered as participants in the phytoremediation process. The concentration of OPs when using them can be reduced by 95 % in less than a month. Genetically modified plants make it possible to reduce the level of OPs by 99 % in two weeks. The efficiency of phytoremediation further increases with the inoculation of the plant rhizosphere with bacteria, including in constructed wetlands, and with the introduction of surfactants during the remediation of moderately moist soils.
Keywords: organophosphorus compounds; phytoremediation; bioremediation; soils; pesticides; accumulation.
Author Details: N. S. Pomytkin, junior research fellow; V. Yu. Stupko, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow (e-mail: stupko@list.ru); A. V. Bobrovskij, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow.
For citation: Pomytkin NS, Stupko VYu, Bobrovskij AV [Approaches to phytoremediation after using organophosphate pesticides]. Zemledelie. 2023; (3): 41-46. Russian. doi: 10.24412/0044-3913-2023-3-41-46. ■
со
СЧ
0
СЧ
со
01
Щ S
ç
ф
ч
ф
2
ф
W
П репа раты « Щёлково Агрохим» в Азербайджане работают отлично!
С 17 по 19 мая в бакинском Экспоцентре прошла 16-я международная выставка Caspian Agro 2023.
В крупном региональном форуме активное участие приняло Азербайджанское представительство «Щёлково Агрохим». Выставка Caspian Agro признана действенным инструментом для внедрения прогрессивных технологий в агропромышленный комплекс Азербайджанской Республики, обмена опытом, укрепления деловых взаимовыгодных связей между местными и зарубежными аграриями.
На одной площадке встречаются главные игроки сельскохозяйственной отрасли, местные и иностранные специалисты, а также многотысячная аудитория посетителей-профессионалов, среди которых импортеры, экспортеры, дистрибьюторы, представители оптовой и розничной торговли, фермеры. Caspian Agro 2023 прошла при активной под-
держке и участии Министерства сельского хозяйства Азербайджанской Республики.
В этом году выставка Caspian Agro собрала представителей 240 компаний из 26 стран мира. Помимо демонстрации своей продукции, они налаживали связи с местными фирмами и изучали инновации экспонентов.
О престижности Caspian Agro говорит тот факт, что в первый день еёпосетили президент Азербайджанской Республики Ильхам Алиев с супругой. А на церемонии открытия выступил министр сельского хозяйства республики Меджнун Мамедов.
Посол России в Азербайджане Михаил Бочарников, побывавший на выставочном стенде «Щёлково Агрохим», был искренне удивлён тем, что российская компания тесно сотрудничает с крупными агропредприятиями почти во всех регионах республики: Губа, Хачмаз, Гусар, Шеки,
Исмаиллы, Огуз, Габала, Шамкир, Товуз, Агдам, Барда, Сальян, Джа-лилабад. Причём, препараты компании пользуются большим успехом у азербайджанских аграриев, так как давно подтвердили свою эффективность на практике.
По словам главы Азербайджанского представительства «Щёлково Агрохим» Сабины Ал-масовой, несмотря на большую конкуренцию с турецкими продуктами, наши пестициды, в частности, трёхкомпонентный инсектицид БЕРЕТТА, МД для контроля особо вредоносных насекомых, двухком-понентный комбинированный инсектицид с продолжительным защитным периодом ЭСПЕРО, КС, фунгицидный трёхкомпонентный протравитель ДЕПОЗИТ, МЭ с направленным действием против семенной и почвенной инфекций, двухкомпонентный гербицид системного действия для борьбы с устойчивыми видами двудольных сорняков в посевах зерновых культур и кукурузы ПРИМАДОННА, СЭ, а также инсектоакарицид для защиты яблони и винограда от растительноядных клещей МЕКАР, МЭ в Азербайджане работают отлично!
Пресс-служба АО «Щёлково Агрохим»
