Микробные биотехнологии ремедиации почв, загрязненных фосфорорганическими пестицидами

01.07.200977470
Пестициды – приоритетные поллютанты окружающей среды (экотоксикология пестицидов)

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 [7-10].

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 [14-16]. 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 [17-20].

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


Загрязнение почвы пестицидами может происходить как в результате непосредственного внесения в почву, так и через растения, животных и из воды. Многие стойкие препараты способны накапливаться в надземной части растений, а после их отмирания могут долгое время сохраняться в почве.

В результате загрязнения значительная часть продуктов питания повседневного рациона характеризуется опасным для здоровья человека содержанием вредных веществ. Поиски решения глобальных экологических проблем ведутся, прежде всего, в направлении создания максимально щадящих биосферу «замкнутых» технологических процессов – малоотходных технологий, экологически «чистых» источников энергии и т.п.

В ряде случаев чрезмерная техногенная нагрузка приводит не только к сокращению объемов агропроизводства, но и к необратимому ухудшению свойств или деградации агроландшафта. Следствием ее является ухудшение состояния здоровья и социального благополучия населения [12].

Неизвестно, сколько человек в мире ежегодно отравляется пестицидами. Это нельзя установить по нескольким причинам. В результате воздействия пестицидов возникают симптомы, присущие клинической картине ряда заболеваний различной этиологии. Раздражение слизистых оболочек, потеря аппетита, слабость, оцепенелость, головные боли, диарея или рвота могут быть и признаками гриппа. Беспокойство, чувство страха, депрессии, дрожь и сердцебиение можно объяснить расстройством психики, особенно если пострадавший находится в стрессовом состоянии. При изучении отдаленных последствий воздействия пестицидов, таких как рак, генетические изменения, рождение неполноценных детей или бесплодие, взаимосвязь доказать еще труднее.

По оценке, сделанной в 1972 г. группой экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире ежегодно насчитывалось 500000 случаев отравления пестицидами, в том числе 5000 – со смертельным исходом. В 1986 г. ВОЗ оценила ежегодное количество интоксикаций в 1500000 случаев, из них 30000 – с летальным исходом. Эта информация основана на оценках, в которых содержится большой элемент неопределенности. Исходя из разницы в количестве отравлений, рассчитанном ВОЗ в 1972 и 1986 гг., не обязательно следует вывод об их увеличении за данный период. Вероятно, в связи с улучшением регистрации интоксикаций, особенно тяжелых, удалось зафиксировать больше случаев из числа не охваченных официальной статистикой.

По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды делятся на [11]:
- сильнодействующие ядовитые вещества (СД50 – до 50 мг/кг) – бромистый метил, глифтор, фосфид цинка и др.;
-высокотоксичные препараты (СД50 – до 200 мг/кг) – акрекс, базудин, метафос, фосфамид, фталофос и др.;
- среднетоксичные (СД50 – до 1000 мг/кг) – полихом, рамрод, медный купорос и др.;
- малотоксичные (СД50 – более 1000 мг/кг) – бенлат, бордоская жидкость, витавакс, дилор, далапон, дивлен, неорон, сера и др.

Мировая практика применения пестицидов свидетельствует о том, что они несут в себе потенциальную опасность [12, 21-26]. Нетоксичных для человека пестицидов нет. При определенных условиях, связанных, в первую очередь, с теми или иными нарушениями регламентов, правил хранения и применения препаратов, существует вероятность аллергенных, гонадотоксичных, канцерогенных, кожнорезорбтивных, мутагенных или бластомогенных, тератогенных, эмбриотоксичных и эмбриотропных воздействий на людей. Действие пестицидов никогда не бывает однозначным.

Никто не может уберечься от поражения пестицидами. Они находятся в воздухе, в тумане, в дождевой и питьевой воде, в продуктах питания, включая материнское молоко. Основные группы риска – больные и пожилые люди, у которых ослаблена защитная система организма, и, прежде всего, дети. Из одного опубликованного в США в начале 1989 г. исследования видно, что от 5600 до 6200 американских дошкольников могут заболеть раком лишь потому, что до поступления в школу они принимали в пищу вместе с овощами и фруктами 8 различных остатков пестицидов.

С момента утверждения в 1968 г. первого закона о защите растений пестициды должны проходить контрольные испытания для предотвращения возможной опасности для людей, животных и растений. Но хотя препараты и проверяются в отношении возможной опасности, после проверки и разрешения на использование все снова и снова обнаруживаются их существенные негативные воздействия. От поступления препарата на рынок и до заключения о его опасном воздействии, сделанного в процессе развития научного познания, могут проходить десятилетия. Вспомним, что
- в 1914 г. успулун был введен в употребление в качестве первого ртутного протравливателя. 67 лет спустя последовал запрет на использование ртутных протравливателей;
- известный с 1889 г. в США свинцовый мышьяк, а также арсенат кальция с 1915 г. стали использоваться и в Германии. Прошло 27 лет до того, как в 1942 г. применение соединений мышьяка в виноградарстве было запрещено;
- в 1939 г. были открыты инсектицидные свойства ДДТ. До его запрещения в 1972 г. прошло 33 года;
- в 1950 г. получил признание препарат против насекомых ГХГ. Прошло 27 лет до его запрещения в 1977 г.

Длительный период времени от патентования нового препарата и его поступления на рынок до осознания на практике губительного воздействия данного химического соединения характерен не только для давних решений. Последние запрещения использования препаратов на основе вступившего в силу с 1 сентября 1988 г. в ФРГ постановления о применении пестицидов также свидетельствуют о значительных промежутках времени от патентования до запрещения применения пестицидов. Этот срок составлял для хлордимеформа 20 лет, нитрофена – 24 года, дихлорэтана – 30 лет, а для квинтозена даже 58 лет! Но и переход к новым средствам, например, синтетическим пиретроидам, не является гарантией безопасности. При использовании некоторых из них уже наблюдалось отравление людей, уничтожение полезных организмов на пашнях и выработка устойчивости к ним. Из этого опыта ясно, что новые пестициды, рассматриваемые в настоящее время как относительно безобидные, быть может, уже через несколько лет проявят свое вредное воздействие. Тем настоятельнее при современном уровне развития знаний должен быть поставлен вопрос о потенциальной опасности, учитывая тот факт, что значительная часть пестицидов производится и применяется исходя только из экономических интересов.

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей