CC BY
723
Н. В. Шильникова, Т. В. Андрияшина
ВЛИЯНИЕ ПЕСТИЦИДОВ НА БИОЦЕНОЗ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
Ключевые слова: пестициды, антропогенное загрязнение, природная среда, экосистема (биогеоценоз).
Избыточное и несбалансированное применение пестицидов, необходимых для защиты агрофитоценозов от вредителей приводит к загрязнению природной среды. Использование разрушаемых пестицидов, входящих в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезающих или подвергающихся разрушению биологическими агентами, отказ от неразрушаемых, не входящих в естественные круговороты и накапливающихся в пищевых цепях и в биотопах, составляет предмет исследования в области экологической безопасности.
Key words: pesticides, anthropogenic pollution, natural environment, the ecosystem (biogeocoenosis).
Excessive and unbalanced use of pesticides for protection agrophytocenoses against pests leads to environmental pollution. The use of degradable pesticides incoming in the natural cycles of matter and, therefore, rapidly disappearing or subjecting to destruction of biological agents, the rejection of indestructible and not included in the
circulation and accumulated in food chains and habitats, security.
Значительную часть загрязнений природной среды составляют химические вещества, намеренно вносимые человеком в экосистемы для защиты от болезней, сорняков, вредителей. Влияние некоторых пестицидов на природную среду изучено недостаточно по причине сложных вариантов их взаимодействия с элементами основных компонентов биотопа и с другими химическими соединениями. Часто неоправданное и неограниченное использование пестицидов приводит к отравлению ядохимикатами и продуктами их распада почвы, воды, воздуха. Анализ этого вопроса с позиций экологической безопасности позволит выявить целесообразность их многочисленного применения, к тому же актуальность своевременного изучения современного реального состояния и изменения качества почвы несомненна.
Деятельность человека оказывает значительное влияние на состояние литосферы и основную нагрузку испытывает её поверхностный слой - почвенный покров, один из главных природных компонентов, который определяет многие процессы, происходящие в биосфере, поддерживает необходимое для сохранения здоровья человека состояние окружающей среды. Интегральным показателем состояния почвы служит ее биологическая активность - комплексное понятие, отражающее совокупность процессов, протекающих в почве. Почвы имеют огромное значение для глобального кругооборота кислорода и углерода, что особенно важно в связи с возможностью климатических изменений из-за повышения содержания в атмосфере углекислого газа, почвы способны поглощать и утилизировать до 70-80% окиси углерода и до 80-85% диоксида серы. Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений, попадающих в него [1].
Однако почва регулярно загрязняется при использовании в сельском хозяйстве пестицидов (от лат. pestis - зараза и caedo - убиваю), большой группы химических веществ, различных классов органических и неорганических соединений: хлорорганические соеди-
is the subject of research in the field of environmental
нения, производные триазина, производные галогенобензойных кислот, амиды и нитрилы кислот, нитрофенолы, производные арилкарбаминовых и ал-килкарбаминовых кислот, производные мочевины, органические соединения фосфора и т.д. Открытие этих химических средств защиты растений и животных от различных вредителей и болезней является важнейшим достижением науки. Необходимость применения пестицидов обусловлена тем, что без них урожайность сельско-хозяйственных культур резко падает и составляет лишь 20-40% от возможной при их использовании. Нормальный рост растений определяется различными физическими, химическими и биологическими процессами, которые протекают в почве и пестициды могут быть включены в эти процессы. В мире на 1 га. пахотных земель вносится в среднем до 300 кг. химических средств. С их накоплением в растениях, а некоторые пестициды сохраняют устойчивость в почве длительное время, возможно их накопление в пищевых цепях. Несмотря на то, что количество применяемых ядохимикатов составляет всего около 1% от общей массы всех остальных загрязнителей попадающих в природную среду, они оказывают огромное влияние на биоту в связи с некоторыми своими свойствами. Большинство ядохимикатов являются высокотоксичным и мутагенным соединениями, способными не только накапливаться в почве, тканях живых организмов, а также мигрировать в биосфере за счет как абиотических, так и биотических процессов.
Миграция или перенос атомов элементов и природных соединений является, одной из геохимических закономерностей биосферы. В этот общепланетарный процесс в последнее время вовлекаются также разнообразные ксенобиотические вещества, искусственно вносимые в ландшафт, это относится и к пестицидам, продуктам их трансформации и деструкции. Считается, что именно процесс миграции определяет различные последствия для биосферы биоцидов и других ксенобиотиков (ландшафтно-региональное, регионально-бассейновое и глобальное последействия). Миграцию можно оха-
рактеризовать как комплекс процессов перераспределения ксенобиотиков (и продуктов их трансформации) в пространстве и во времени. В процессе такого перераспределения пестицид может трансформироваться в разнообразные продукты. Неизменное исходное соединение в совокупности с продуктами его трансформации обычно называют остатками пестицида. Процессы превращения пестицидов в почвах были достаточно подробно рассмотрены [2,3,4]. В лабораторных исследованиях поведения пестицидов в окружающей среде обычно отдельно рассматривают такие процессы, как метаболизм микроорганизмами, перемещение в почве, фоторазложение на поверхности и в парообразном состоянии, испарение с поверхностей растений или почвы, поглощение растениями. Но в окружающей среде эти процессы могут проходить на молекулярном уровне, так что на каждой стадии процесса рассеивания пестицидов главную роль может играть один или несколько процессов. Трудности возникают при изучении двух или более процессов в контролируемых условиях, но это дает возможность четко понимать вклад каждого из этих процессов. Нельзя не учитывать биологическую активность продуктов распада пестицидов и различных примесей, присутствующих в их препаративных формах.
Поступление пестицидов происходит в соответствии с присущими им физическими и химическими свойствами, такими как растворимость в воде и жирах и сорбция на твердых телах. Сорбция большинства пестицидов, хотя и изменяется в зависимости от минеральной части почвы, связана главным образом с содержанием органического вещества в почве, которое имеет ингредиенты, обладающие значительной сорбционной емкостью, в отношении ионизированных и неионизированных пестицидов, растворимых в жирах и воде [5,6].
Хлорорганические пестициды ДДТ (1,1-ди(4-хлорфенил)2,2,2- трихлорэтан), ГХЦГ (гексахлоран, гамма-изомер), альдрин, гептахлор и др. при попадании в живой организм устойчивы к действию микроорганизмов желудочно-кишечного тракта и ферментов, плохо растворимы в воде, поэтому медленно выводятся из организма. Будучи липоидофильными, накапливаются в жировой ткани. Фосфорорганические и карбаматные инсектициды - производные феноксиуксусной кислоты, триазинового ряда, мочевины и многие другие пестициды разрушаются микроорганизмами желудочнокишечного тракта и ферментами организма.
К пестицидам относят и некоторые другие вещества, выделены три поколения пестицидов: (М.Уильямс)
1) пестициды растительного происхождения и неорганические соли (арсенаты и т. п.);
2) поколение ДДТ (хлорорганические, фосфо-рорганические и другие ядохимикаты с широким спектром действия);
3) синтетические гормоны и прочие биохимические препараты с узким спектром действия.
Появились пестициды четвертого или нового поколения - видоспецифичных по своему действию, или экологически безопасных по своей природе, синтетических аналогов гормонов насекомых и растений,
а также антибиотики. Последняя группа, возможно укладывается в третье поколение пестицидов Уильямса. Большинство пестицидов - это чистые ксенобиотики, вещества небиологического происхождения, являющиеся хроноконцентрационными кумулятивными ядами, то есть их токсическое действие обуславливается не только концентрацией, но и длительностью воздействия. При этом токсическое действие пестицидов обладает материальной (систематическое накопление вещества в тканях организма) и функциональной кумуляцией (суммирование), может вызывать функциональных изменений отдельных органов и систем [7].
Пестициды классифицируются [8] по нескольким факторам:
- объектам, против которых они применяются;
- способу проникновения;
- характеру воздействия на вредные организмы;
- химическому составу;
- токсиколого-гигиеническим показателям;
- эколого-агрохимическим критериям.
В зависимости от объектов и направления использования пестициды разделяют на группы, некоторые представлены ниже:
-инсектициды, представляющие собой химикаты для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур;
- гербициды, предназначенные для борьбы с сорными травами;
- фунгициды, или химикаты для борьбы с грибковыми болезнями растений;
- регуляторы роста растений (стимуляторы, ингибиторы, ретарданты);
- дефолианты, вызывающие преждевременное старение листьев растений (например, при сборе хлопка для ускорения опадения листьев у хлопчатника).
К пестицидам относят также химические препараты для отпугивания (репелленты), привлечения (аттрактанты) и стерилизации (хемостерилян-ты) насекомых. Препараты, входящие в состав отдельных групп пестицидов представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Состав отдельных групп пестицидов
По способу проникновения и характеру воздействия различают химические средства защиты растений различного действия:
- контактного, вызывают гибель или подавление развития вредных организмов при соприкосновении (контакте) с ними;
- системного, способны проникать в расте-
Группы Препараты
Инсектициды тиофос, метафос, карбофос, хлорофос, карбаматы
Гербициды амины, аметрин, карбаматы, триа-зины, ацетохлор
Фунгициды бензимидазолы, морфолины, ди-тиокарбаматы, тетра-метилтиурамдисульфид
ния, перемещаться по их сосудистой системе из одних органов в другие и вызывать гибель вредных организмов (вредителей, болезней, сорняков);
- кишечного, вызывают отравление вредителей при поступлении в организм вместе с пищей или водой;
- фумигантного, действуют на вредные организмы в паро- или газообразном состоянии и вызывают отравление вредителей при поступлении через органы дыхания.
Приведенные классификации пестицидов в некоторой степени условны, так как некоторые препараты применяют против различных вредных организмов.
Следует отметить, что качество многих используемых фунгицидов и гербицидов, а также подавляющего количества мелко расфасованных пестицидов не соответствует ГОСТам, в связи с нарушением условий хранения, несоблюдения температурных режимов, включая температуры при хранении и их использовании, применения несоответствующей требованиям безопасности тары, ее герметичности, приводящее к ухудшению свойств пестицидов. Эффективность пестицидов зависит от условий применения, несоблюдение которых делает нецелесообразным их использование по прямому назначению и увеличивает негативную нагрузку на почву, как химических веществ, попадающих часто в количествах, выходящих за рамки допустимой концентрации, а последствия загрязнения часто долговременны.
Известно, что создание высокоэффективного ядохимиката для борьбы с вредителями растений ДДТ было отмечено Нобелевской премией, впервые он был синтезирован немецким химиком П. Мюллером, его воздействие на вредителей позволяло сохранять урожайность агроценозов и лесных насаждений. Препараты ДДТ создавали помехи в экосистемах для экономически вредных консументов и защищали урожаи. Этот препарат обладает высоко-эффективными инсектицидными
свойствами и поэтому долгое время успешно применялся против малярийных комаров, клещей, вшей. С помощью ДДТ успешно подавляли очаги сыпного тифа, малярии, был уничтожен клещ, переносящий таежный энцефалит. Возросло производство ДДТ и достигло ежегодного объема свыше 100 тыс .т. Од нако позже выяснилась, что помимо токсичности этого препарата для теплокровных животных, существует его способность прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей и наносить существенный вред. При содержании в воде препарата ДДТ в дозировке 0,0014 частей на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, а именно при прохождении его по трофической цепи происходит концентрирование более чем в 10 тыс. раз. Позже стали использовать менее токсичный аналог ДДТ - метокси-хлор (С-16 Н О2).
Многие пестициды при определенных условиях обладают хорошей летучестью, давление паров ДДТ составляет всего 7,210" (30 С), он способен испаряться с обработанных полей со скоростью 5-10 кг/га/год, в зависимости от температуры, влажности и скорости движения воздуха. В таблице представлены данные [9] по испарению ДДТ и его производных.
Таблица 2 - Испарение пестицидов из почвы, обработанной ДДТ
Производные ДДТ, например ДДД и ДДЭ обладают большей летучестью, чем сам ДДТ, поэтому после обработки полей часть от содержания всего ДДТ может находиться в воздухе над обработанной почвой в виде ДДЭ, другая часть ДДТ находится в аэрированной почве и со временем также может испаряться.
Попадая в организм человека, ДДТ аккумулируется в мозге и действует как нервный яд. При этом нормальное функционирование мозга может быть нарушено. После установления этого факта, практически все страны мира (кроме Китая и некоторых других развивающихся стран) подписали Конвенцию о запрещении производства и применения ДДТ. Применение ДДТ в настоящее время запрещено, но предполагают, что в биохимическом круговороте количество ДДТ в настоящее время составляет около 1 млн.т. Также запрещено производство и применение препаратов уныша, трихлорметафоса-3, три-хлорфенолята меди, фентнурама, изофена, широко используемых ранее.
Видимым проявлениям загрязнения могут предшествовать скрытые, вследствие чего экосистема разрушается или снижает свою продуктивность, необходима своевременная косвенная индикация загрязнения в начальные моменты его воздействия. Помимо процесса биоаккумуляции пестицидов возможен процесс их биотрансформации. Разложение пестицидов может сопровождаться как детоксикацией пестицидов -потерей исходным веществом токсических свойств, так и токсификацией - образованием более ядовитых веществ, причем непредсказуемо и с участием двух или более пестицидов. На характер действия пестицидов в природной среде оказывают температура, влажность, освещенность и иные абиотические факторы, а также физиологическое состояние организмов, подвергшихся воздействию пестицидов или продуктов их разложения.
Самоочищение почвы, по сравнению с самоочищением атмосферы и гидросферы, происходит очень медленно, поэтому в результате длительного применения пестицидов их действие стало проявляться в глобальных масштабах. Из громадного количества насекомых вредными являются лишь
0,3% или 5 тыс. видов, к тому же у 250-ти видов обнаружена резистентность (устойчивость) к пестицидам, осложняющаяся явлением перекрёстной ре-зистенции, т.е. повышеная устойчивость к действию одного препарата сопровождается устойчивостью к соединениям других классов. С общебиологических позиций резистентность можно рассматривать как смену популяций в результате перехода от чувствительного штамма к устойчивому штамму того же
Пестицид Содержание, мг Отношение к п.п.-ДДТ
п.п'-ДДТ 14,0 1,0
п.п'- ДДЭ 6,2 0,44
п.п'-ДДТ 2,7 0,19
п.п'-ДДЭ 0,12 0,008
вида вследствие отбора, вызванного пестицидами. Это явление связано с генетическими, физиологическими и биохимическими перестройками организмов.
В настоящее время применяют различные методы, направленные на изучение аккумуляции, действия и степени разложения пестицидов в почвах, а также их обезвреживания химическими, биологическими и другими способами. Контроль за загрязнением почвы [10,11], осуществляется по значениям предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в почве, которые установлены примерно для 50 веществ, преимущественно ядохимикатов, применяемых для защиты растений от вредителей и болезней.
Поскольку неблагоприятное влияние загрязнителей почвы проявляется через трофическую цепь, на практике для оценки степени загрязнения почвы используются два показателя: - предельно допустимую концентрацию в почве (ПДК), мг/кг; - допустимые остаточные количества (ДОК), мг/кг массы растительности. Некоторые представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в почве
Пестицид ПДК, мг/кг ДОК, мг/кг;
Хлорофос (трихлорфон) 0,5 1,0
Карбофос (малатион) 2,0 1,0
Прометрин (прометрин) 0,5 0,1
Полихлоркамфен (токсафен) 0,5 0,1
Рамрод (пропахлор) 0,3 0,2
Санитарный контроль загрязнения почвы в условиях городов осуществляется санитарно эпидемиологической службой. Под ее контролем находятся также транспортировка, согласование мест складирования, переработки как ядохимикатов, так и сельхозпродукции. В таблице 4 представлены санитарнохимические показатели загрязнения почвы пестицидами и металлами.
Как видно из таблицы превышение ПДК по пестицидам в пробах незначительно отличается от таковых по тяжелым металлам.
Неумеренное применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов, дефолиантов) негативно влияющее на качество почвы, обозначило острую необходимость применять и создавать препараты с короткой продолжительностью жизни (недели или месяцы). Так, внедренные препараты с большой скоростью деструкции, частично решают этот вопрос.
Таблица 4 - Санитарно-химические показатели загрязнения почвы
Загрязняющее вещество Число проб почвы с превышением ПДК, %
на всей обследованной территории в селитебной (зеленой) зоне
Пестициды 1,23 / 2,15 0,76 / 0,79
Ртуть 2,01 / 10,9 2,7 / 2,78
Свинец 7,02 / 8,35 8,4 / 9,07
Кадмий___________| 3,14 / 14,13_______| 3,6 / 5,55
При разработке интегрированных систем защиты от вредителей, ведется постоянный поиск пестицидов малотоксичных для человека и теплокровных животных, а также опасностей, связанных с их разрушением и превращениями в природной среде, их циркуляцией, как исходных соединений, так и метаболитов. Экологически безопасные пестициды, например, гербицид глифосат в почве полностью разлагается с образованием фосфорной кислоты, углекислого газа и воды, пестициды и их примеси не накапливаются в почве, а после эффективного использования по функциональному назначению разлагаются на безвредные вещества. Часть пестицидов производится в виде индивидуальных оптических изомеров, это позволяет повысить их эффективность в два раза. Следует отметить, что затраты на разработку высокоэффективных и экологически безопасных пестицидов очень велики, как в экономическом, так и в исследовательском плане, однако в случае положительного результата они окупаются, с учетом социальных интересов. Для выяснения закономерностей процесса самоочищения ландшафта и отдельных его элементов от остатков пестицидов необходимы длительные соответствующие исследования, которые позволят переосмыслить стратегию их использования. Актуальными также являются разработка методов наименьшей мобильности пестицидов, изучение возможностей определения биоаккумуляции пестицидов в наземных организмах и взаимодействие агроэкосистемы с другими экосистемами. Необходимо, чтобы исследования пестицидов проводились для установления их потенциальной и реальной опасности, включая токсикологические свойства; а также исследования влияния пестицидов на экосистемы с учетом сочетанного действия с другими компонентами (металлами, органическими соединениями, радионуклидами и др. антропогенными загрязнениями) [12]. При рекомендации препаратов для применения, токсиколо-го-гигиенические исследования должны завершатся установлением гигиенического регламента и нормативов содержания пестицидов в объектах внешней среды - воздухе рабочей зоны, атмосферном воздухе, почве, воде водоемов, продуктах питания. Контроль при сопоставлении результатов экспериментально-токсикологических исследований и показателей гигиенических и социально гигиенических исследований позволит получить реальные сведения.
Литература
1. Федоров Л. Л. Пестициды - удар по биосфере и человеку / Л.Л.Федоров, А.В. Яблоков - М.: Наука, -1999. 462 с.
2. Миграция и превращения пестицидов в окружающей среде. /Под ред. С.Г. Малахова и В.А. Борзилова. - Москва. Моск. отд. гидрометеоиздата -1979. С.5, 117, 122.
3. КоУ(!а V. A. Changing trends in the biosphere and in biogeochemical cycles - «Environmental Conservation», 1976, 3. N 3. p. 161.
4. Матвеева Р.А. Экологическая оценка миграции пести-
цидов в природных средах. /Р. А.Матвеева -М.: Колос, 1982 . 126 с.
5. Яблоков А.В. О недооценке отрицательных последствий применения пестицидов и возможности разработки иных путей развития сельского хозяйства. /А.В. Яблоков - Пу-щино. 1988. -100 с.
6. Соколов М.С. Элементы экотоксикологической модели экспресс-изучения судьбы биоцидов в ландшафте. — В кн.: Механизм действия гербицидов и синтетических регуляторов роста растений и их судьба в биосфере, ч. II. Пущино. 1975, С. 71.
7. Азизов Б.М., Чепегин И.В Производственная санитария и гигиена труда. Учебное пособие, Казань: КГТУ, 2010. 564с.
8. Мельников Н.Н. Химия и технология пестицидов. М.: Химия. 1977. 768 с.
9. Логвиновский В. Д., Негробова О.П., Логвиновская Т.В. Пестициды. Современные проблемы природопользования. Воронеж -2003. 34 с.
10. Кравцов А.А., Голышин Н.М. Химические и биологические средства защиты растений. Справочник. М.: Аг-ропромиздат. 1989. - 176 с.
11. РД 52.18.156-99. Методические указания. Охрана природы. Почвы. Методы отбора объединенных проб почвы и оценки загрязнения сельскохозяйственного угодья остаточными количествами пестицидов.
12. Андрияшина Т.В., Шильникова Н.В. Воздействие радиоактивного загрязнения на окружающую среду // Вестник Казан. технол. ун-та. 2011. Т. 14, №10. С.39-44.
© Н. В. Шильникова - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ. Т. В. Андрияшина - ст. препод. той же кафедры, [email protected].
