2. особенности пестицидов как загрязнителей внешней среды

ТЕМА: 2. ОСОБЕННОСТИ ПЕСТИЦИДОВ КАК ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ
ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
ЛЕКЦИЯ 2, 3
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ
ТЕХНОГЕНЕЗА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
ВОПРОСЫ:
-
Техногенез. Классификация загрязняющих факторов.
-
Распределение загрязнения в агроценозах.
-
Снижение
урожайности
сельскохозяйственных
культур
в
зависимости от степени загрязнения.
-
Основные возможные взаимосвязи в цепи: пестицид – растения –
живой организм.
-
Агроценотические показатели экологического неблагополучия.
Техногенез. Классификация загрязняющих факторов.
Непрерывно
изменяя
и
преобразовывая
вещества
и
предметы
природной среды, люди обеспечивают себе благоприятные условия и
средства существования. На более высоких ступенях общественного
развития начинается преобразование и самой среды. В конечном итоге
каждый продукт труда представляет собой результат совместных действий
людей и природы, а уровень развития производительных сил общества
отражает масштабы такого взаимодействия.
По мере роста производительных сил использование природноресурсного
потенциала
неуклонно
расширяется,
степень
«участия»
природной среды в системе общественного производства возрастает, что
обусловливает в итоге постоянное усиление разностороннего антропогенного
воздействия на природные комплексы и их компоненты.
Прямым следствием такого воздействия является, несомненно, формирование и развитие процессов техногенеза.
Техногенез — это процесс изменения природных комплексов под
воздействием производственной деятельности человека. Заключается в
преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических
процессов, связанных с технической и технологической деятельностью
людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.
Загрязняющие
факторы
по
физико-химическим
параметрам
подразделяют на механические, физические (энергетические), химические и
биологические.
Механические
источники
загрязнения
представлены
инертными пылевыми частицами в атмосфере, твердыми частицами и
разнообразными предметами в воде и почве. К химическим источникам
загрязнения относятся газообразные, жидкие и твердые химические
элементы и соединения, попадающие в атмосферу и взаимодействующие с
компонентами
окружающей
природной
среды.
Физическими
(энергетическими) источниками загрязнения являются тепло, шум, вибрации,
ультразвук, видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра
световой энергии, электромагнитные поля, ионизирующие излучения.
Биологические загрязнения связаны с различными видами организмов, поПриродные среды Атмосфера — атмосфера явившихся при участии
человека
и
Сравнительно
причиняющих
недавно
к
вред
ему
загрязнениям
самому
начали
или
живой
относить
природе.
нарушение
природных ландшафтов и пейзажей, урбанизацию и т. п.
Ф. Рам ад (1981), обращая внимание на то, что ни одна классификация
загрязнений не может быть достаточно удовлетворительной из-за многочисленности критериев, по которым ее можно осуществлять, также выделяет
физические, химические и биологические загрязнения и эстетический вред.
В
свете
современных
представлений
наиболее
содержательной
является классификация загрязнения экологических систем, основанная на
системном
подходе
ингредиентным
(Стадницкий,
загрязнением
Родионов,
1988)
понимают
(рис.
8.1).
совокупность
Под
веществ,
количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам.
Параметрическое загрязнение заключается в изменении качественных параметров окружающей природной среды. Биоценотическое загрязнение
связано с воздействием на состав и структуру популяций живых организмов.
Стациально-деструкционное загрязнение представляет собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования и
определяется интенсивностью трансформации естественных систем.
Распределение загрязнения в агроценозах.
В
результате
промышленной,
сельскохозяйственной
и
иной
многоплановой деятельности человека возникает техногенная миграция
значительных объемов разнообразнейших веществ, большинство из которых
загрязняют окружающую природную среду (табл.1,2).
На долю сельского хозяйства в 1970 г. приходилось более 39 %
отходов. Данная величина в абсолютном выражении в последнее время
существенно
возросла.
Это
важно
иметь
в
виду
при
разработке
природоохранных мероприятии, поскольку процессы техногенеза, как
правило, объясняют энергетическими, промышленными и транспортными
воздействиями. Из-за структурной специфики сельскохозяйственных отходов
н своеобразия последующих трансформационных процессов непосредственный контакт их и взаимодействие с природными компонентами (почвой,
водой и др.) происходят весьма активно.
Таблица 1
Объем (млн т) и структура отходов производства и потребления в мире в
1970 г. (Торчешпиков и др., 1981, с изменениями)
Производст
во
Категория отходов
«классическ
ой» энергии
Главные газообразные 17326
вещества, загрязняющие
атмосферу
Выброс твердых частиц 133
в атмосферу
Твердые отходы
—
Углеводороды
42
Органические отходы
—
Фекальные отходы
—
Итого
17501
Промы
Коммуналь
Сельское
шленно-бытовой Всего
хозяйство
ность
сектор
47
1460
873
19706
91
14
3
241
4000
14
—
—
4152
—
9
4500
9400
15383
1000
4
30
180
2090
5000
69
4530
9580
39126
Таблица 2
Количество некоторых опасных атмосферных и водных загрязняющих
веществ, приходящееся на одного человека в России в 1989 г.
(Лосев и др., 1993)
Атмосфера
Вода
Оксид
Углево
Бенз (а)углеСвинец Ртуть
Фториды Фенол
дороды
пирен
рода
60кг
40кг
23 г
170мг 100мг
90 г
30 г
Тяжелые
металлы
14г
*Без учета транспортных выбросов; остаточных количеств пестицидов;
диоксинов; особо токсичных отходов, которых в расчете на одного жителя
России приходится около 130 кг.
Материалы, приведенные в таблице 2, дают усредненную картину
влияния загрязняющих веществ на территорию и людей. По сути дела в
России уже сформировалось «единое поле загрязнений», ставшее значимым
фактором дестабилизации естественных и искусственных экологических
сообществ.
Примерно на трети площади суши явно не проявляется деятельность
человека. Ориентировочно такого рода «свободные» территории составляют
(%): в Северной Америке — 37,5; странах СНГ —33,6; Австралии и Океании
— 27,8; Африке—27,5; Южной Америке-20,8; Азии—18,6; Европе —2,8.
Лишь
Антарктида
практически
не
подвержена
антропогенному
вмешательству. По мнению В.Л.Лапина и др. (1996), степень экологического
неблагополучия,
обусловленного
хозяйственной
деятельностью,
носит
отчетливо выраженный региональный характер.
Интегральный показатель последствий техногенеза — загрязнение
окружающей природной среды. Загрязнением в узком смысле считается
привнесение в какую-либо среду новых, нехарактерных для нее физических,
химических и биологических агентов или превышение естественного средне
многолетнего уровня содержания этих агентов в среде. Например, в
«Толковом словаре по охране природы» (1995) дается такое определение:
загрязнение - все то, что находится не в том месте, не в то время и не в том
количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из
состояния равновесия и отличается от обычно наблюдаемой нормы.
Загрязнение может быть вызвано любым агентом (загрязняющим веществом), в том числе самым чистым. Загрязнение может возникать как в результате естественных причин (природное), так и под влиянием деятельности
человека (антропогенное). С экологических позиций загрязнение означает не
просто привнесение чуждых компонентов.
Агроэкологические системы, ставшие неотъемлемой составной частью
современной биотехносферы, испытывают, как и естественные ценозы,
постоянные техногенные воздействия, подвергаются влиянию различных
загрязнений локального, регионального и глобального характера. Как
отмечалось, загрязнения представляют собой систему помех, нарушающих
процессы массо- и энергообмена. В агроэкологических системах это
проявляется в изменении количественных и качественных характеристик
составляющих их природных компонентов, снижении устойчивости и падении продуктивности возделываемых культур. В результате усложняется (и
подчас существенно) достижение целевой функции — стабильного производства сельскохозяйственной продукции.
В районе источника интенсивных газопылевых выбросов по степени
деградации
растительного
покрова
отчетливо
выделяются
зоны:
с
отсутствием растительности или сильным ее угнетением (зона «техногенной
пустыни»); среднего угнетения; слабого угнетения и неповрежденная
(фоновая). В рассматриваемой ситуации общая площадь загрязнения почв и
растений составила около 19 тыс. га, из них примерно 1,7 тыс. га
приходилась на зону очень сильного угнетения.
И. Н. Лозановская с соавт. (1998), говоря о загрязнении атмосферного
воздуха и почв, нарушении и даже полном уничтожении естественных фитоценозов, возможном изменении флористического состава разных типов
растительности, образовании техногенных геохимических провинций и т.д.
под влиянием газопылевых выбросов, обращают внимание на то, что зона
активного загрязнения может простираться на 5... 10 км, а нередко и на
несколько десятков километров. Так, в зоне действия предприятий
Норильского горнометаллургического комбината значительные изменения
состояния
и
состава
естественного
фитоценоза
обнаруживаются
расстоянии до 60...70 км от источника техногенных выбросов.
на
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости
от степени загрязнения.
Если же обратиться к агроэкосистемам, то можно отметить следующее.
Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв. Например, число дождевых червей в пахотном слое почвы зависит от удаления
от источника выброса и направления (Е-восток, W-запад) (Луке, 1981):
В почве этого ареала содержится 200...2000 частей на тысячу As,
100...200 частей на тысячу РЬ и до 1000 частей на тысячу Zn. На расстоянии
до 600 м в пахотных слоях черви практически полностью отсутствуют, на
протяжении
1500
м
их
численность
значительно
снижена.
Это
свидетельствует об «омертвлении» почвы.
В результате действия загрязнений снижается продуктивность агроэкосистем
(табл. 4).
Таблица 4
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур (%) в зависимости от
расстояния до источника вредных выбросов в атмосферу (Балацкий, 1979)
Культура
Пшеница
Рожь
Ячмень
Овес
Кукуруза
Картофель
Свекла
Лен
Клевер
Люцерна
Расстояние, км
2...3
5
18,7
15,2
24,4
31,1
25,0
35. ..47
25. ..62
62,6
33,1
37,8
9,4
7, 6
12,2
15,5
12,5
18.24.
13.31
31,3
16,6
18,9
При скармливании на протяжении двух лет (в общей сложности 37 нед)
лактирующим коровам загрязненных кормов удои по сравнению с удоями
животных, получавших только промытые корма, были в среднем на 19,8 %
ниже. При использовании загрязненных кормов наблюдалось снижение
прироста массы у крупного рогатого скота на 19,4...37,5 %.
Выработаны
схемы,
позволяющие
лучше
понять
характер,
направленность и особенности взаимосвязей, формирующихся в функционально сложившейся системе: техногенные воздействия — окружающая
среда — растения — животные - человек, а также сложность этих взаимосвязей. Продукты техногенеза в виде разнообразных загрязняющих веществ проходят многостадийные превращения, что необходимо учитывать
при формировании продуктивных агроэкосистем.
Центральное
место
в
агроэкосистемах
занимают
продуценты
(автотроф-ное звено), представляемые широким набором культивируемых
растений. Именно в этом звене в значительной мере непосредственно и
опосредованно
депонируются
продукты
техногенеза,
прежде
всего
газопылевые выбросы. Различают невидимые воздействия загрязнений на
растительность и видимые повреждения.
К
основным
невидимым
воздействиям
относятся:
загрязнение
растительного материала газообразными или твердыми компонентами
вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь
внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи неопасными для
растений или отдельных их органов, при дальнейшем использовании
растительного материала могут оказаться токсичными); реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени
(например, при высокой концентрации ингредиентов-загрязнителей), они
представляют собой скрытое предварительное воздействие, которое в
сочетании с другими факторами среды усиливает негативный эффект;
структурные изменения внутри клеток.
К внешним, в той или иной степени выраженным изменениям
относятся следующие: загрязнения (например, от сажи, летучей золы,
цементной пыли, оксида железа и др.), особенно на шероховатых, покрытых
волосками, клейких или влажных частях растений; прилипающая пассивная
пыль (до образования корки при определенных условиях); прилипающая
токсичная пыль, содержащая Pb, As или F; некроз, проявляющийся в
изменении цвета или ожогах на листьях или других частях растений в
результате воздействия SО2, HF, SiF4, SO3, HCl.
В
сильно
загрязненных
районах
устойчивость к загрязнению О3, SO2, NO2.
у
растений
вырабатывется
Характерно, что на таких
территориях у коренных популяций луговых трав при воздействии О3, SO2,
NO2 не наблюдалось замедления роста и снижения урожая по сравнению с
популяциями из «чистых» районов. Обработка проростков сои SO2 в низких
концентрациях заметно повышала их устойчивость к этому загрязнителю.
Сорта пшеницы, выведенные в начале XX века, оказались менее устойчивы к
SO2 и NO2 чем современные.
Характер физиологических и биохимических изменений в растениях в
ответ па загрязнение воздуха сходен с характером изменений в ответ на
другие стрессы (высокие дозы пестицидов, засоление, засуха). Стресс
вызывает у растений изменение активности ферментов; метаболиты
начинают аккумулироваться в молодых листьях и побегах. Техногенное
воздействие на растения оксидов азота и серы стимулирует рост содержания
в них абсцизовой кислоты — гормона покоя. В полевых условиях под
влиянием абсцизовой кислоты повышаются засухоустойчивость, иммунитет
к болезням, происходит перераспределение ассимилятов (усиливается отток
из стеблей в клубни, корнеплоды и т. д.).
Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой -меняют условия среды их обитания. У
многих растений наряду с морфострук-турными механизмами защиты от
чужеродных веществ существуют биохимические механизмы детоксикации и
окислительной деградации поглощенных токсикантов.
Установлена, например, способность высших растений поглощать и
утилизировать наиболее токсичные органические ингредиенты. Изучение и
понимание этих механизмов весьма существенно для грамотной борьбы с
химическим загрязнением воздуха, водоемов и почвы.
Согласно литературным данным, приспособление растений к токсикантам
транспортно-промышленного
происхождения
осуществляется
следующими способами:
ксерофитизация, главным образом утолщение кутикулы, увеличение волосков и т. п., в результате чего уменьшаются скорость поступления токсикантов и их количество;
физиологическая приспособляемость — усиление действия механизмов
обеззараживания и аккумуляции токсических веществ путем использования
их в метаболизме либо удаление из организма за счет большой катион-анионной
емкости;
данное
направление
является
наиболее
сложным
и
многовариантным;
естественный отбор; наиболее приспособленные к хемовариабельным условиям особи обеспечивают заполнение территории растениями.
В качестве интегральной характеристики состояния агроэкосистем
целесообразно использовать показатели экологического неблагополучия
(табл. 5), соответствующие норме, риску, катастрофе и бедствию.
Норма (Н) — состояние системы, отвечающее области ее равновесия, устойчивости (обычно область наиболее вероятных состояний); риск (Р) — вероятность деградации окружающей среды
Таблица 5
Агроценотические показатели экологического неблагополучия
(Виноградов, 1998)
Показатель
Норма
Риск
Снижение урожайности посевов, % от нормы
40...80
> 80
Засоренность агроценозов, % площади
40...80
> 80
Развитие вредителей в посевах, % площади
20...50
> 50
Систематическая гибель посевов, % площади
15...30
> 30
Проектинное покрытие пастбищной расти20...50
< 10
телыюсти, % от нормы
Урожайность кормовых угодий, % от нормы
30...50
< 20
Перегрузка пастбищ, % от несущей способ150...200
> 200
ности
Плотность рекреационной нагрузки, %
20. ..40
>40
от нормы
< 15
Катастро Бедствие
фа
15...40
< 10
10...40
< 10
10...20
<5
5...15
> 80
60...80
> 80
60...70
< 100
100...150
< 10
10...20
Основные возможные взаимосвязи в цепи: пестицид – растения – живой
организм.
Рассматривая
проблему
загрязнения,
нельзя
не
учитывать
распространение их в природных средах. Перенос загрязнений, разумеется,
возможен не только в одном направлении, как показано на рисунке, но и в
противоположном.
Зная различные формы перехода загрязняющих веществ, можно
оценивать
вероятное
распространение
техногенных
воздействий
в
окружающей природной среде. При этом важно учитывать основные виды
загрязнений и их источники:
Таблица,6
Миграции загрязняющих веществ между прирдными средами (Израэль, 1984)
Природные среды
Возможная
форма
загрязняющих веществ
1
Атмосфера — атмосфера
2
Перенос в атмосфере, характерный для
большинства загрязняющих
веществ
Осаждение (вымывание) атмосферных
загрязнений на водную поверхность
Осаждение (вымывание) атмосферных
загрязнений на земную поверхность (на сушу)
Осаждение загрязнений на поверхность
насаждений с последующей
ассимиляцией
(внекорневое
поступление
загрязнений в биоту)
Испарения из воды в атмосферу (например,
нефтепродуктов, соединении ртути)
Перенос (распространение) загрязнений в водных
системах
Переход из воды в почву (фильтрация,
«самоочищение», осаждение
на дно водоемов)
Переход из поверхностных вод в биоту
(наземные и водные экосистемы, поступление в
организм животных и человека с питьевой водой)
2
Переход с поверхности суши, почвы в атмосферу
(выветривание, испарение, перенос пыли)
Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния,
с осадками, временными водотоками
Миграция в почве, ледниках, снежном покрове
(проникновение загрязнений на разные глубины)
Поступление загрязнений в растительность через
корни
Испарения из биоты (малозначимые)
Попадание загрязнений из биоты в воду после
гибели организмов
Попадание загрязнений из биоты в почву,
Атмосфера — гидросфера
Атмосфера
поверхность суши
Атмосфера — биота
—
Гидросфера — атмосфера
Гидросфера
—
гидросфера
Гидросфера - поверхность
суши (дно рек, озер)
Гидросфера — биота
1
Поверхность суши - атмосфера
Поверхность
суши —
гидросфера
Поверхность
суши —
поверхность суши
Поверхность суши —
биота
Биота — атмосфера
Биота — гидросфера
Биота
—
поверхность
перехода
(миграции)
суши
Биота — биота
главным образом после гибели организма
Миграция по пищевым цепям
Зная различные формы перехода загрязняющих веществ, можно
оценивать
вероятное
распространение
техногенных
воздействий
в
окружающей природной среде. При этом важно учитывать основные виды
загрязнений и их источники:
Вид загрязнений
Галогенсодержащие
соединения
Металлические частицы
Углеводороды
Отрасль промышленности, для которой
характерен указанный вид загрязнений
Воздух
Химическая, холодильная
Металлургическая, горнодобывающая
Тепловая энергетика, транспорт
Тоже
СО2, SO2, NO, NO2
Почва
Активный ил
Зола, шлак
Металлы
Мусор
Пластмассы, органические
вещества
Радионуклиды
Целлюлоза и бумага
Вода
Взвешенные частицы
Ионы тяжелых металлов
Красители, фенолы
Легкоусвояемые и биогенные
вещества
Лигнины
Минеральные соли
Нефтепродукты
Органические растворители
Пестициды
Радиоактивные
Синтетические поверхностноактивные вещества
Городские станции биологической очистки
Энергетическая, металлургическая
Металлургическая, химическая
Коммунально-бытовое хозяйство, городское
хозяйство
Химическая
АЭС, военная
Целлюлозно-бумажная, коммунальнобытовое хозяйство
Коммунально-бытовое хозяйство
Горнодобывающая, машиностроительная
Текстильная
Сельское хозяйство, городское хозяйство
Целлюлозно-бумажная
Химическая
Нефтедобывающая,
нефтеперерабатывающая
Химическая
Сельское хозяйство
АЭС, военная
Городские стоки
Тепло
Энергетическая (АЭС, ТЭЦ, ГРЭС)
Рис. 2. Распространение загрязнений в природных средах и биоте
(Израэль, 1984)
Агроценотические показатели экологического неблагополучия.
Для
характеристики
различных
неблагоприятных
воздействий
применяют стресс-индексы загрязняющих веществ, отражающие меру
экологической опасности (табл. 6).
Таблица 6.
Стресс-индексы загрязняющих веществ
Загрязняющие факторы
Пестициды
Тяжелые металлы
Стресс-индекс
140
135
Транспортируемые отходы АЭС
Твердые токсичные отходы
Взвешенные металлы в металлургии
Неочищенные сточные воды
Диоксид серы
Разливы нефти
Химические удобрения
Органические бытовые отходы
Оксиды азота
Хранилища радиоактивных отходов
Городской мусор
Фотохимические оксиданты
Летучие углеводороды в воздухе
Городские шумы
Оксид углерода
120
120
90
85
72
72
63
48
42
40
40
18
18
15
12