: Биосенсоры – «контролеры» гербицидов

Пестициды – химические средства, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных.

Гербициды (от лат. herba – трава и caedo – убиваю) – химические вещества, применяемые для уничтожения сорняков, – представляют наиболее широко распространенную группу пестицидов (от лат. pestis – зараза и caedo – убиваю). В связи с масштабностью применения гербицидов регистрируется повсеместное загрязнение почвы и других биосред, поэтому решающее значение имеет изучение поведения этих веществ в окружающей среде и разработка методов их обнаружения.

Ограниченное (не более нескольких месяцев) присутствие гербицидов в почве является необходимым требованием их практического применения, но они не должны задерживаться в почве на длительный срок или поступать в грунтовые воды. Данные по мониторингу качества воды указывают на то, что гербициды – наиболее часто обнаруживаемая в грунтовых и поверхностных водах группа пестицидов. В течение ряда десятилетий загрязнение водных источников гербицидами вызывает всеобщую обеспокоенность, так как это связано с качеством питьевой воды и урожая, безопасностью человека и животных и экосистемы в целом.

Деградация гербицидов в почве может быть определена с использованием различных аналитических методов. Среди них – высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC – ВЖХ), газовая хроматография (GC), комбинация газовой хроматографии с масс-спектрометрией (GC-MS). Это традиционные аналитические и наиболее часто используемые методы определения гербицидов. Однако, хотя эти рутинные аналитические методы и надежны, они требуют применения дорогостоящего оборудования, органических растворителей, лабораторной подготовки образцов. Кроме того, хроматографические методы не отражают действительные биологические эффекты обнаруженных гербицидных компонентов.

Эти ограничения являются препятствием на пути использования хроматографии для быстрого и массового прескрининга. Поэтому существует потребность в новых надежных методах обнаружения гербицидов, которые можно было бы использовать для качественного анализа многочисленных образцов. Образцы, получившие положительную оценку на этапе скрининга, в последующем проходят количественную оценку методами хроматографии.

Решить эту проблему можно применением специфических биологических методов, таких как хлорофилл-флюоресцентный биоанализ и биосенсорный анализ. Преимущество этих методов в том, что они детектируют большое разнообразие веществ и достаточно чувствительны по отношению к низким концентрациям пестицидов. Кроме того, эти методы позволяют определять количества пестицидов, доступные растениям, включая биологически активные почвенные метаболиты. Биодоступность гербицидов представляется наиболее значимым моментом в определении фитотоксичности, так как концентрации, определенные химическими методами, не дают полной картины об эдафических (греч.еdaphos – почва) факторах – совокупности физических и химических свойств почв, способных оказывать влияние на живые организмы (растения).

Гербициды, которые действуют как ингибиторы фотосинтеза, используются в сельском хозяйстве с 50-х годов прошлого столетия. Эти препараты до сих пор находят широкое применение, несмотря на появление гербицидов нового поколения. Большинство ингибирующих фотосинтез гербицидов – производные мочевины и фенольных смол, триазины.

Оба биологических метода обнаружения гербицидов надежны и достаточно чувствительны при исследовании объектов окружающей среды (почвенные экстракты, поверхностные воды, растительные экстракты и др.). Следующим логическим шагом в их практическом применении является сравнение чувствительности и специфичности биологических методов с традиционными аналитическими методами.

Группа чешских исследователей для изучения персистенции и миграции в почве гербицида изопротурона (isoproturon) применила новое детектирующее устройство – прототип электрохимического биосенсора, основанного на «Фотосистеме II» частиц, иммобилизованных на электродах. Полученные результаты сравнивались с данными хлорофилл-флюоресцентного биоанализа и стандартной жидкостной хроматографии.

Данные по содержанию гербицида в почвенном экстракте, полученные с помощью трех методов, коррелировали. Биосенсорный анализ позволил обнаружить концентрации гербицида ниже 10^-7М, проследить динамику миграции, деградации и персистенции изопротурона в различных вертикальных срезах почвы. Использованный биосенсор продемонстрировал возможность применения этого метода для разработки быстрого и недорогого теста на фитотоксичность. Биосенсор позволял выдавать предварительную информацию о биологической активности гербицида в течение нескольких часов, гораздо быстрее, чем ростовые биотесты, которые занимают несколько дней.

Разработанный метод может с успехом применяться для обнаружения гербицидов не только в лабораторных условиях, но и в полевых, «on-site».

Более подробно с работой J.Maly et al. «Degradation and Movement in Soil of the Herbicide Isoproturon Analyzed by a Photosystem II-Based Biosensor» можно ознакомиться в сентябрьском номере Journal of Environmental Quality, 34:1780-1788.

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам Journal of Environmental Quality.