Факторы интенсификации:материалы проблемной лекции

Текст проблемной лекции
Тема: «Экологические последствия применения химических средств защиты
растений»
1.
2.
3.
4.
План лекции:
Факторы, определяющие воздействие пестицида на окружающую среду.
Механизмы действия пестицидов на биоту.
Последействие пестицидных обработок.
Перспективы снижения отрицательного воздействия пестицидов
на окружающую среду.
1. Факторы, определяющие воздействие пестицида на окружающую среду
Среди представляющих опасность для окружающей среды веществ пестициды
занимают 9 место. Их поведение и превращение в экосистемах и ландшафтах изучается в
специальном разделе науки экотоксикологии.
Изменения, происходящие в окружающей среде под влиянием пестицидов, в
основном связаны с их рассеиванием при обработке. Подсчитано, что от 60 до 98% объема
препарата не попадает на объект подавления, а начинает движение по природным средам.
Кроме того, загрязнение среды пестицидами может произойти при их неправильном
хранении, перевозке и утилизации. В своем большинстве пестициды являются чуждыми
для живых организмов веществами − ксенобиотиками, но часть их имеет аналоги
биогенного происхождения, от которых отличается токсичной концентрацией,
получившей название «ксенобиотической концентрации». Поэтому пестициды неизбежно
влияют на экосистемы любого уровня, вызывая последствия
локальные − происходящие непосредственно в месте применения
препаратов, ограниченные по масштабу;
ландшафтно-региональные − последствия проявляются вне территории
применения препарата и связаны с миграцией остатков пестицидов в почву, воду и
биомассу растений;
регионально-бассейновые − отдаленные последствия, характерные для
стойких препаратов, способных мигрировать в бассейны рек и воздействовать на
организмы в их дельтах и море;
глобальные − охватывающие планету в целом или ее отдельные
компоненты: океан, сушу и атмосферу. Эти последствия связаны с переносом
длительно сохраняющихся пестицидов воздушными течениями, прибрежными и
трансокеаническими течениями, штормами, циклонами, а также с миграциями птиц,
животных и человека. Условие проявления глобальных последствий − накопление
значительных масс пестицидов на материке или в океане. Глобальные последствия
весьма отдалены и проявляются постепенно, например, у теплокровных животных и
человека через несколько поколений.
Степень воздействия пестицида на окружающую среду зависит от свойств
препарата и условий той местности, где его применили.
Экологические свойства препарата характеризуют персистентность и время (срок)
ожидания.
Персистентность – это время, в течение которого пестицид сохраняется, не
разлагаясь, в почве или водных объектах. К высоко персистентным относятся препараты,
сохраняющиеся в окружающей среде более 18 месяцев (например, ДДТ), к мало
персистентным − в течение 3 месяцев (к примеру − фосфорорганические и др.).
Остальные препараты являются умеренно персистентными. Если препарат разлагается в
течение месяца, он не относится к загрязнителям среды.
Время (срок) ожидания – это время, в течение которого пестицид сохраняется в
обработанном культурном растении. По его истечению культуру можно употреблять в
1
пищу. Срок ожидания обязательно указан в «Списке пестицидов и агрохимикатов,
разрешенных к применению на территории Российской Федерации» и на этикетке
поступившего в продажу препарата.
Для сравнения отдельных препаратов по степени воздействия на окружающую
среду рассчитывают их экологическую нагрузку:
Р
ЭН
П;
ЛД 50
где ЭН – экологическая нагрузка на 1 га посева; Р – норма расхода препарата на 1га (в г);
П – персистентность препарата в неделях (период полураспада);
ЛД50 – среднесмертельная доза (в мг/кг).
Эта характеристика позволяет прогнозировать относительную опасность препарата
на этапе планирования обработки.
Условия местности определяют возможность сорбции-десорбции препарата в
почве и водоеме, вероятность трансформации, а также скорость и направление миграции
препарата. К таким условиям относятся рельеф местности, почвенные и климатические
условия.
В почве доступность пестицида для организма в значительной степени
контролируется содержанием органического вещества (чем оно выше, тем выше
вероятность закрепления препарата и его остатков), гранулометрическим составом и
связанной с ним емкостью поглощения, а также кислотно-щелочными условиями.
Переход токсиканта из почвы в культурное растение можно снизить, известкуя кислые
почвы и внося органические удобрения. При высоком уровне загрязнения почвы
пестицидами следует применять сорбенты типа цеолитов или активированного угля (что
актуально при выращивании риса), а также высевать детоксицирующие культуры,
например, капустные или бобовые. Действие таких культур на содержание пестицида в
почве опосредованно: в их ризосфере усиленно размножаются микроорганизмы,
способные быстро разлагать органические препараты.
Химическая трансформация пестицида в экосистеме связана с температурой
атмосферы, воды и почвы, их кислотно-основными свойствами и обеспеченностью
территории светом. Если климатические и погодные условия местности приближены к
экстремальным, (например, засушливым) вероятность сохранения и вторичного
накопления пестицидов и их метаболитов увеличивается.
В водоемах большое значение для сохранения пестицидов имеет толщина донных
осадков, где они сосредоточены в гораздо большем количестве, чем растворены в толще
воды.
2. Механизмы действия пестицидов на биоту
Пестициды как токсиканты обладают специфическим механизмом действия на
организмы, популяции и биоценозы.
На уровне организма пестицид повреждает клетки, ткани, органы и организм в
целом. Например, гербициды контактного действия поражают сорняки в местах
смачивания рабочей смесью за счет местного отравления ткани. Механизм их действия
сводится к нарушению клеточных мембран и увеличению их проницаемости. Гербициды
системного действия двигаются по сосудам вместе с питательными веществами, вызывая
общее отравление растений (деформацию стебля и листьев растений, постепенное
угнетение роста, хлоротичность, хрупкость листьев и стеблей, стерильность и др.). По
флоэме гербициды попадают в корневую систему, генеративные органы, накапливаются в
зонах активного роста, приводя у чувствительных растений к гибели надземных и
подземных органов.
Позитивным такое действие гербицидов будет в отношении сорных растений, и
отрицательным - сельскохозяйственных культур. Поэтому главным условием применения
гербицидов в посевах считается их избирательность. Чувствительность культурных
2
растений к гербицидам определяется фазой развития растения во время обработки,
физиологическими характеристиками вида, концентрацией гербицида, попадающего на
растения, его токсичностью, факторами внешней среды (светом, влагой, температурой и
др.).
Большинство используемых гербицидов (а в земледелии разных стран это около
200 типов) не вызывает негативных изменений у культурных растений, если, разумеется,
соблюдать регламенты их применения. При нарушении технологии (завышенные нормы
расхода, неравномерное распределение на площади и др.) многие препараты становятся
опасными и могут вызвать повреждение обработанных и последующих культур
севооборота.
Избирательность гербицида характеризуют по соотношению дозы, оказывающей
токсическое действие на культурные растения к дозе, вызывающей значительное
снижение засоренности. Это соотношение называется индексом селективности.
Отношение доз, вызывающих 20%-ное снижение урожая культурных растений и 80%-ное
уничтожение сорняков, условно принимается за единицу. Препараты с близким индексом
селективности признаются достаточно избирательными.
Селективность действия гербицидов основана на морфологических и физиологобиохимических особенностях сорных и культурных растений. Например, у двудольных
растений гербицид хлорсульфурон из класса сульфонилмочевин ингибирует работу
фермента ацетолактатсинтетазы, ответственной за синтез аминокислот валина, лейцина и
др. У однодольных растениях хлорсульфурон быстро инактивируется или связывается в
клетке, что регулируется специфическими ферментами, присущими однодольным
растениям.
В целом же в живом организме пестициды могут нарушить физиологические
функции, уменьшить его устойчивость к факторам внешней среды, повредить
генетический аппарат, изменить наследственность и увеличить вероятность смерти.
На популяционном уровне пестициды изменяют численность и биомассу вида,
нарушают внутрипопуляционную структуру, поведение особей,
язык химических
сигналов и др. Так, известны случаи, когда после применения гербицидов в растениях
образовывались нетипичные для нормального обмена веществ аминокислоты, а некоторые
из типичных исчезали, что отражалось на плодовитости насекомых-фитофагов.
Некоторые гербициды меняли соотношение мужских и женских особей в популяциях
насекомых в сторону сильного преобладания самцов. В воде вещества фенольной
природы искажали реакцию карповых рыб на собственный «феромон тревоги».
В биоценозах загрязнение пестицидами сказывается на отдельных малоустойчивых
звеньях пищевых цепей, они выпадают из общей структуры. В итоге в нестабильных
экосистемах цепи разложения начинают преобладать над пастбищными, деструкция над
продукцией, в водных экосистемах анаэробные процессы над аэробными. Происходит
деградация экосистем.
3. Последействие пестицидных обработок
Все отрицательные явления, проявляющиеся в окружающей среде после
применения пестицидов, объединены под одним общим названием «пестицидный
бумеранг». Сюда следует отнести:
1. Развитие устойчивости (резистентности) вредных организмов к препарату. Она
связана с пестицидным отбором, при котором чувствительные особи гибнут, а
генетически устойчивые продолжают воспроизводить потомство. Происходит смена
чувствительной популяции вредного вида на устойчивую. Хозяйственники часто
преодолевают резистентность организмов, увеличивая дозу применяемого пестицида до
25%, что обостряет экологические проблемы территории.
2. Влияние пестицидов и их остатков на полезную флору и фауну − «удар по
своим». Сюда нужно отнести негативные изменения в агрономически полезной
микрофлоре, гибель млекопитающих, птиц, рыб, развитие дизбактериоза в желудочно-
3
кишечном тракте млекопитающих и человека, потребляющих продукцию с остатками
пестицидов.
Побочное влияние инсектицидов проявляется в гибели энтомофагов, численность
которых восстанавливается гораздо медленнее, чем фитофагов. Негативное влияние
инсектицида на энтомофагов можно снизить, применяя полосные обработки. Тем не
менее, одна полосная обработка яровой пшеницы дифлубензуроном влияет на
численность насекомых на юге Сибири еще в течение двух последующих после обработки
лет.
Кроме того, исчезновение определенного вида хищника или паразита способствует
развитию второстепенных вредителей, численность которых до обработки не превышала
уровень экономической вредоносности.
Что касается пчел, то их гибель отмечается, если при обработке пестициды
сносятся на участки с цветущей растительностью. При этом гибнут особи,
непосредственно попадающие под обработку или контактирующие с обработанной
поверхностью в течение первых суток после нее. Опасность отравления пчел
инсектицидом зависит от свойств препарата. Для них губительны кишечные инсектициды,
которые попадают в органы насекомого с нектаром, пыльцой растений или с водой.
Большинство современных фунгицидов и гербицидов малоопасны для пчел. В то же
время, для защиты пчел от воздействия пестицидов необходимо проводить химические
обработки вечером или рано утром. На время обработки следует пчел изолировать.
3. Эффект биологического усиления (накопления) - кумуляция пестицидов при
передаче по цепям питания. Остатки пестицидов в окружающей среде поглощаются
растениями или животными (особенно гидробионтами), которые, в свою очередь,
потребляются более крупными животными, а в них концентрация пестицидов постепенно
растет. Общая схема циркуляции пестицида в биоценозах такова:
1) воздух → почва → растения → травоядные животные → человек (конечный
хищник);
2) почва → вода → фитопланктон→ зоопланктон → рыба → человек (конечный
хищник).
В наземных экосистемах от пестицидов больше страдает человек и животное −
конечный хищник (птицы, лисы и др.). У животных из-за присутствия хлорорганических
пестицидов нарушается репродуктивный процесс, в яйцах формируется недостаточной
твердости скорлупа. В водных экосистемах особо чувствительны к пестицидам
зоопланктон (ветвистоусые раки погибают в 3-5 поколениях), рыбы и беспозвоночные в
эмбриональных и личиночных стадиях развития.
У человека кумуляция пестицидов способствует появлению злокачественных
новообразований (канцерогенезу), заболеваниям желудочно-кишечного тракта и др.
Поэтому между человеком и пищей необходимо установить барьер безопасности в виде
МДУ (максимально допустимого уровня) пестицида в продукции и срока ожидания.
Кроме того, уменьшению остатков пестицидов в пище способствуют все приемы
хранения, переработки и приготовления продуктов.
4. Проблема утилизации неиспользованных пестицидов. Утилизация пестицидов
должна осуществляться на специальном оборудовании методами пиролиза (сжигания в
печах с температурой не менее 1000°С), гидролиза (кислотного или щелочного) и
микробиологической деструкции (в ферментерах). Недоступность такого оборудования
для хозяйств заостряет в России проблему утилизации исключенных из списка препаратов
и создает дополнительную угрозу окружающей среде при бесконтрольном их захоронении
4.Перспективы снижения отрицательного воздействия пестицидов на
окружающую среду
Итак, «судьбу» ксенобиотиков в экосистеме определяет множество факторов.
Оценивают состояние окружающей среды после применения пестицидов в первую
очередь по критериям химического мониторинга с использованием стандартных
4
высокочувствительных методов анализа остатков. Суммарное действие токсикантов на
экосистему выявляют по критериям биологического мониторинга. Для этого чаще всего
используют микробное сообщество почвы. При низких пестицидных нагрузках оно
сохраняет свое видовое богатство. При средних − значительно меняет численность
отдельных групп микроорганизмов, перестраивает систему доминирования популяций.
Высокая нагрузка ведет к гибели большинства микробов и сокращению числа их видов.
Очень высокие нагрузки полностью подавляют микроорганизмы почвы.
При этом следует помнить, что согласно экологическому закону физикохимического единства живого вещества (В.И. Вернадского) любые физико-химические
агенты, смертельные для одних организмов, вредят здоровью и популяции человека.
Поэтому в России, как и в других развитых странах, предъявляют жесткие требования к
эколого-токсикологической безопасности пестицидов. Благодаря этому уже первичный
скрининг позволяет выбраковывать генотоксичные вещества. Снижает потенциальный
экологический риск пестицидов использование таких препаративных форм, как
водорастворимые и вододиспергируемые гранулы, концентрат суспензии, водные
эмульсии. Перспективно применение препаратов в водорастворимых пакетах,
содержащих гектарную дозу пестицида (взамен СП, СК, КЭ). Перспективным считается
использование антидотов – химических средств повышения устойчивости культурных
растений к гербицидам, которые встраивают непосредственно в препарат. С помощью
антидотов стало возможным усилить активность почвенных гербицидов по отношению к
сорнякам, сохраняя при этом селективность к культурным растениям.
Но главное условие решения большей части эколого-токсикологических проблем −
это соблюдение рекомендованных для обработки посевов концентраций препаратов.
Поэтому загрязнение почв сельхозугодий в стране, как правило, носит ситуационный
характер и не имеет больших масштабов. В Сибири оно выявляется, как правило, в
засушливые годы и на полях тех хозяйств, где дозировка препарата не соблюдалась.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Список литературы:
Долженко В.И. Формирование и совершенствование ассортимента средств защиты растений
/В.И. Долженко // Защита и карантин растений. – 1999. – № 12. – С. 20-21.
Захаренко А.В. Теоретические основы управления сорным компонентом агрофитоценоза в
системах земледелия / А.В. Захаренко/ под ред. А.И. Пупонина. – М.: Изд-во Моск. с.-х. акад.
им. К.А. Тимирязева, 2000. – 466 с.
Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы / Д.Г. Звягинцев. – М.: Изд-во МГУ, 1987. – 256 с.
Карпачевский Л.О. Экологическое почвоведение / Л.О. Карпачевский. – М.: Изд-во МГУ,
1993. – 184 с.
Коробова Л.Н. Реакция энтомоценоза яровой пшеницы на дифлубензурон в последействии /
Л.Н. Коробова, В.А. Коробов, Т.В. Гаврилец // Тезисы докл. Сибирской зоологической
конференции, Новосибирск, 15-22 сентября 2004 г. – Новосибирск, 2004. – С. 273.
Круглов Ю.В. Микрофлора почв и пестициды / Ю.В. Круглов. – М.: Агропромиздат, 1991. –
129 с.
Негробов О.П. Основы экологии и природопользования. Гидросфера / О.П. Негробов. –
Воронеж, 1997. – 297 с.
Пронина Н.Б. Эколого-физиологические аспекты действия гербицидов в агрофитоценозах
(учебное пособие) / Н.Б. Пронина. – М.: Изд-во Моск. с.-х. акад. им. К.А. Тимирязева, 1996. –
242 с.
Пронина Н.Б. Экологические стрессы (причины, классификация, тестирование, физиологобиохимические механизмы) / Н.Б. Пронина. – М.: Изд-во Моск. с.-х. акад. им. К.А.
Тимирязева, 2001. – 309 с.
Соколов М.С. Экологизация защиты растений / М.С. Соколов. – Пущино: ОНТИ, 1994. – 462
с.
Федтке К. Биохимия и физиология действия гербицидов / К. Федтке. – М.: Агропромиздат. –
223 с.
5
12.
Шустов С.Б. Химические основы экологии / С.Б. Шустов, Л.В. Шустова. – М.: Просвещение,
1995. – 239 с.
6