07.11.2017
31.10.2017
21.10.2017
21.10.2017
21.10.2017
04.10.2017
04.10.2017
28.09.2017
01.09.2017
31.08.2017
Загрязнение почв остаточными пестицидами и микробными патогенами
 27.10.2015

Современное сельскохозяйственное производство интенсивного направления предполагает использование множества химикатов с целью повышения урожайности культурных растений. Это - минеральные удобрения, химические мелиоранты, микроэлементы, ингибиторы нитрификации, пестициды. В настоящее время 50-60 % продуктов сельского хозяйства в развитых странах получают в результате применения только минеральных удобрений; 20 % продукции полеводства и 60 % плодоводства - за счет химических средств защиты растений. В экономически слабо развитых странах до 50 % возможного урожая погибает от сорняков и вредителей, в промышленно развитых - 15-25 %. В то же время расходы на производство пестицидов только в США составляют ежегодно 4 млрд. долларов. В мире производится 0,5 кг пестицидов на человека в год. Отказ от применения пестицидов, по данным ФАО, снизил бы мировой урожай основных культур на 30-35 %.

Загрязнение почв остаточными пестицидами и микробными патогенами

Пестициды - химические препараты, используемые для борьбы с вредителями и возбудителями болезней растений, сорняками, вредителями древесины и другого растительного сырья, пищевых продуктов и т. п. Пестициды относятся к разным классам органических и неорганических соединений. Большинство из них - органические вещества, получаемые синтетическим путем: хлорорганические и фосфорорганические пестициды, производные карбаминовой кислоты и мочевины, триазины, а также пестициды растительного происхождения. Из неорганических пестицидов широко используют препараты, содержащие медь, серу и др. Ассортимент пестицидов непрерывно совершенствуется и обновляется.
По целевому назначению пестициды подразделяют на следующие основные группы: инсектициды - для уничтожения насекомых, акарициды - клещей, фунгициды - возбудителей грибных болезней сельскохозяйственных культур и древесных пород, бактерициды - возбудителей бактериальных болезней, нематоциды - возбудителей нематодных болезней, моллюскициды - слизней, зооциды - вредных позвоночных, гербициды - сорняков. К пестицидам относятся также репелленты - средства, отпугивающие вредных насекомых, клещей и др.; аттрактанты - вещества, привлекающие насекомых, которых затем уничтожают; хемостерилянты - препараты, вызывающие бесплодие у насекомых, клещей, грызунов. Некоторые пестициды обладают комплексным действием, что позволяет сократить затраты труда при их использовании.
Мировой ассортимент пестицидов насчитывает более 100 тыс. наименований, годовое их производство в мире превышает 2 млн. т. В России применяется около 250 наименований химических средств. Высокая экономическая эффективность этих веществ обусловливает неуклонный рост их использования, особенно в интенсивных технологиях; гербициды, например, снижают засоренность полей на 70-95 %, потери урожая за счет использования химических средств защиты снижаются в 2-3 раза.
В общей массе загрязняющих веществ доля пестицидов невелика - всего 0,2 %. Предназначенные для уничтожения живых организмов (биоциды - буквально «убивающие жизнь»), они опасны высокой биологической активностью. Сохраняясь в почве, они могут по пищевым цепям попасть в продукты питания. Пестициды влияют на все звенья системы почва - корма - животные - продукция - человек. Помимо прямого действия они могут создавать метаболиты, значение которых для всего живого еще не познано. По мнению Ю.В. Круглова, пестициды оказывают многогранное побочное влияние на биосферу, масштабы которого сравнимы с глобальными экологическими факторами.
Устойчивость остаточных пестицидов к разложению зависит от структуры веществ, входящих в их состав, и от влияния природных условий: температуры, свойств почвы, почвенной биоты. К наиболее устойчивым относится большинство хлорорганических пестицидов, которые могут сохраняться в почве 18 месяцев и более. Карбоновые, карбаминовые кислоты и их производные менее устойчивы. Скорость разложения пестицидов зависит не только от свойств препарата, но и от температуры и влажности почв. Например, симазин в жарком и влажном климате может разложиться за 5-6 месяцев, а в менее благоприятных условиях он сохраняется в течение 2-3 лет. Влияние кислотно-основных условий, содержания гумуса носит нелинейный характер. Так, высокая сорбционная способность почв снижает скорость деструкции пестицидов. В то же время гумус, содержание которого увеличивает сорбционную способность почвы, может играть и каталитическую роль, повышая скорость разложения пестицидов.
В литературной сводке приводится реакция почвенных микроорганизмов на пестициды. Гербициды в целом угнетают дыхание почвы и процесс нитрификации. Наиболее чувствительны к пестицидам фосфатазная активность, процессы нитрификации и разложения органического вещества. Установлено, что гербициды угнетают дегидрогеназную активность; активность уреазы снижается на 50 % после 14 ежегодных обработок почвы атразином.
Типы реакции почвенных микроорганизмов на пестициды колеблются в широких пределах - от высокой устойчивости до высокой чувствительности. Численность чувствительных организмов сильно сокращается, или же они вообще исчезают из почв, загрязненных пестицидами. Сильнее всего снижается численность нитрификаторов от фунгицидов, значительно уменьшается количество почвенных грибов; бактерии и актиномицеты подавляются ими в меньшей степени. При фумигации почвы метилбромидом, хлорпикрином, метилизотиоцианатом резко сокращалась численность всех групп микроорганизмов. Биоцидные свойства подобных препаратов не постоянные, и через некоторое время происходит активизация жизнедеятельности микроорганизмов. Выявлено угнетающее действие ряда пестицидов на численность разных групп микроорганизмов: каптан и ПХНБ снижают численность патогенных грибов; эптатоксафен и гептахлор -бактерий; цинеб - спорообразующих бактерий; прометрин и аретит -устойчивых к стрептомицину бактерий; эптам, дикват, атразин - грибов, а в ряде случаев - всех групп микроорганизмов. Численность микроорганизмов снижается не сразу, а через несколько недель после внесения препаратов. Грибы угнетаются большим числом веществ, меньшими концентрациями и в течение более длительного времени, чем бактерии и актиномицеты.
Интенсивные системы земледелия становятся все более «грязными» за счет остаточных количеств пестицидов в пахотных почвах. Ведутся поиски альтернативных систем земледелия, не влекущих за собой загрязнения природной среды.
С 1972 г. существует международная ассоциация «Движение за органическое сельское хозяйство», объединяющая более 30 преимущественно промышленно развитых стран. Это движение пропагандирует биологическое земледелие. Оно должно обеспечить развитие двух направлений земледелия: 1) биолого-динамическое направление, которое рассматривает не только проблемы сельского хозяйства, но и взаимоотношения человека с окружающей средой в целом и является, по сути, не только технологической инновацией, но и определенным мировоззрением; 2) органо-биологическое направление, называемое также биолого-органическим, органическим, натуральным, экологическим, альтернативным.
Первое из этих направлений делает упор на ручной труд и полное исключение химикатов, второе - на системы обработки почвы и допускает минимальное использование пестицидов. В целом удельный вес ферм, применяющих альтернативные системы земледелия, незначителен: в Нидерландах - 0,15 %, в Швеции - 0,07 %. Как отмечают специалисты США, в случае массового перехода к органическим системам земледелия средняя урожайность пшеницы снижается с 29-31 до 16-19 ц/га. На образцовых фермах, практикующих биологическое земледелие, урожайность зерновых культур в среднем на 25 % ниже, чем в обычных хозяйствах. Однако рентабельность таких ферм достаточно высока из-за экономии на минеральных удобрениях, пестицидах и очень высокой цены на экологически чистую продукцию.
При изучении последствий систематического применения биоцидов была установлена возможность их превращения в нетоксичные соединения путем полного разложения или образования нетоксичных комплексов. Это явление получило название детоксикации. Вся система использования сельскохозяйственных угодий должна быть направлена на полную и скорейшую детоксикацию всех биоцидов, поступающих в почвы.
Обычно выделяют группы физических, физико-химических и биологических факторов детоксикации. К физическим факторам относят сорбцию биоцидов высокодисперсными минералами и органическими почвенными коллоидами. Эффективность этого процесса зависит от свойств почвы, природы и свойств адсорбента, климатических и экологических факторов. Так, внесенные в почву пестициды в период холодной и сырой погоды связываются верхним слоем почвы, поэтому предохраняются от вымывания и разложения. При потеплении они десорбируются и вновь проявляют свою активность. Спустя некоторое время после внесения пестицида в почве устанавливается равновесие между сорбированной и находящейся в растворе фракциями токсиканта. О степени десорбции токсиканта судят по содержанию его в жидкой фазе. К физическим факторам детоксикации относят также улетучивание и термическое разложение. Степень испарения токсикантов из почвы сильно зависит от ее влажности — сорбция легколетучих пестицидов сухой почвой гораздо выше, чем влажной. Разложение токсиканта усиливается с повышением температуры.
Из физико-химических факторов наиболее существенным является фоторазложение (фотолиз), главным действующим началом которого служат длинноволновые ультрафиолетовые лучи солнечной радиации. При этом происходит фотоокисление многих пестицидов и их метаболитов, находящихся на поверхности почвы, растений и водоемов. На втором этапе фотолитического разложения пестицида особое значение приобретает взаимодействие его с молекулами воды. Важную роль играет pH раствора, температура, состав газов, свойства присутствующих в воде соединений. Под действием коротковолновой части солнечной радиации многие фенолы и близкие им соединения способны превратиться в гидрохинон и пирокатехин, которые могут гидроксилироваться до тетраоксибензола. Последний в результате окислительного конденсирования может превращаться в стабильные полимеризованные продукты. В результате фотолиза многие пестициды трансформируются в менее токсичные продукты.
Химические превращения пестицидов в почве и водной среде в основном представляют собой гидролитические и окислительные процессы, скорость которых зависит от вида и числа атомов галоидов, длины углеводородной цепочки. Увеличение контакта токсиканта с почвой ускоряет гидролиз (например, коллоидная фракция почвы катализирует реакции пестицидов с активными частицами почвенных компонентов). Значительная роль в химическом разложении пестицидов принадлежит свободнорадикальным процессам. Источниками свободных радикалов в почве служат гуминовые кислоты, а также смолы, пигменты, антибиотики, витамины.
Биологическое превращение и разложение пестицидов в почве обусловлено, главным образом, микробиологической детоксикацией. Установлено, что микробиологическое разложение пестицидов является главным путем детоксикации почв, а всякая активизация микробиологической деятельности содействует исчезновению ядохимикатов из почв.
Скорость микробиологического разложения пестицидов в почве определяется содержанием гумуса, температурой и влажностью почвы, наличием подстилки, содержанием питательных веществ и другими факторами. Хорошие условия для развития почвенных микроорганизмов интенсифицируют биологическую детоксикацию пестицидов.
На скорость разложения пестицидов в почве оказывают влияние гранулометрический состав почвы, реакция ее среды, гидротермические условия. На суглинистых почвах пестициды разлагаются быстрее, чем в почвах легкого состава; хлорорганические пестициды в кислой почве сохраняются дольше, чем в щелочной. Органическое вещество почвы связывает многие пестициды в водонерастворимые и труднодоступные для почвенных организмов формы, вследствие чего токсиканты не подвергаются гидролизу и, несмотря на высокую биологическую активность гумусированных почв, сохраняются в них длительное время. Повышенная температура почвы способствует десорбции пестицидов, связанных коллоидами. На эти процессы также влияют окислительно-восстановительные условия почвы: одни пестициды быстрее метаболируются в анаэробных условиях, другие - в аэробных.
В настоящее время для детоксикации почв, загрязненных остаточными пестицидами и патогенными организмами, а также снижения их фитотоксичности для растений используют адсорбционные приемы, составной частью которых являются природные цеолиты. Ниже приводятся примеры эффективности технологий применения природных цеолитов для детоксикации почв от биоцидов.
Во ВНИИ сахарной свеклы разработана технология нанесения гербицидов на цеолиты с дальнейшей заделкой в почву. Совместное их применение обеспечивало получение дополнительных урожаев сахарной свеклы и кукурузы за счет улучшения режима минерального питания, снижения фитотоксичности гербицидов и усиления их действия на сорные растения. Гербициды наносили на цеолиты, равномерно разбросанные по полю в дозе 5 т/га после подсушки до воздушно-сухого состояния, и заделывали под культивацию перед высевом семян или при рыхлении междурядий. В первом случае применяли почвенные гербициды (ленацил, эптам, раундап), во втором - послевсходовые (бетанал AM, бетанал прогресс AM). Цеолиты уменьшали миграцию гербицидов вглубь почвы и удерживали их в поверхностном слое. При проведении химических обработок во влажных условиях значение цеолитов возрастало.
Так, например, на черноземе выщелоченном среднесуглинистом на фоне N90P120K95 испытывали различные дозы цеолита Закарпатского месторождения и гербициды — эптам 6Е, ленацил, бетанол AM. При внесении 5 т/га цеолита урожай корнеплодов повышался на 14-17,5 %; дозы 1,5-2 т/га не обеспечивали устойчивых результатов по влиянию на продуктивность. Отмечено снижение фитотоксичности гербицидов для сахарной свеклы при комбинировании их с цеолитами. В присутствии цеолита эптам и бетанал слабее мигрировали в почве. В годы с обилием осадков в период вегетации свеклы прибавка урожая от цеолита достигала 16,0-26,5 %. He отмечено негативного влияния цеолита на качество корнеплодов.
Применяемый в настоящее время эффективный гербицид эрадикан для уничтожения сорняков в посевах кукурузы обычно выпускается в виде 80 %-ной концентрированной эмульсии. Под влиянием инсоляции и повышенной влажности почвы он легко испаряется и разрушается, поэтому его эффективность в почвах южных районов значительно снижена. Предложено выпускать этот препарат в гранулированном виде на основе клиноптилолитсодержащего туфа с 5- и 10 %-ным содержанием концентрата эмульсии. Использование такого препарата эффективнее, чем применение в виде раствора: на 42 часа увеличивается продолжительность его воздействия (он более устойчив к действию инсоляции), на 13-19 % уменьшается зарастание сорняками посевов кукурузы, снижается содержание эрадикана в листьях кукурузы. Все это положительно сказывается на урожайности зеленой массы и зерна кукурузы.
Для борьбы с обитающими в почве вредителями: проволочниками, ложнопроволочниками, закавказским мраморным хрущом, медведкой и подгрызающими совками — более целесообразно использование фосфорорганических инсектицидов в гранулированном виде, чем соответствующих растворов, т. к. увеличивается продолжительность (до 1 мес.) и эффективность их воздействия (смертность вредителей колеблется от 50 до 85 %). Такие гранулированные препараты были приготовлены на основе клиноптилолитсодержащих туфов методом их пропитывания растворами карбофоса (7 и 10 %) и фосфамида (1,6 и 2 %). При использовании этих препаратов в полевых условиях из расчета 50 кг/га максимальная смертность вредителей (внесение 10 %-ного гранулированного карбофоса) составила 85 %. Проведенные в Грузии полевые эксперименты по испытанию различных ядохимикатов в гранулированном состоянии показали, что по эффективности борьбы с обитающими в почве вредителями они могут быть расположены в следующий ряд: хлорофос>карате>фосфамид>децис.
Использование цеолитов в посевах, обработанных пестицидами, приводило к сорбции последних на четвертом месяце экспозиции до 80-90 %. Внесение пестицидов на фоне цеолитов снижало массу развившихся сорняков на 20-40 %. Изученные процессы позволяют косвенно увеличивать селективную сорбцию ядохимикатов почвы цеолитами, пролонгировать действие пестицидов, снижать количество мигрирующих токсических веществ из почвы в растения, уменьшая нагрузку на окружающую среду и организм человека через продукты питания.
В полевых условиях цеолит Пегасского месторождения был применен в качестве пролонгатора пестицида триаллата (авадекс В) при выращивании ячменя сорта Одесский, пшеницы Скам и гороха Heосыпающийся. Выявлено уменьшение миграции ядохимикатов в почве в 1,5-2 раза и расхода пестицидов. Содержание протеина в зерне увеличивалось на 4-28 %, сахара - на 7-16 %, фосфора - на 3,11 %. Пестициды в зерне не обнаружены, уменьшилось также содержание в зерне тяжелых и токсических элементов. Зараженность посадок картофеля фитофторой снизилась в 1,8 раза.
Проведены лабораторные, полевые и производственные испытания цеолитов как носителей гербицидов путем их гранулирования. Внесение 10 % цеолитов проводилось вместе с триаллатом, селаном и другими тиокарбаматами. Установлено, что примененные цеолиты не уступают импортным аналогам, обладают рядом преимуществ над жидкими препаративными формами и рекомендуются для борьбы с овсюгом в посевах пшеницы и ячменя.
На орошаемых аллювиальных темноцветных почвах цеолиты Пашенского месторождения в дозах 10-60 т/га вносили под предпосевную рекультивацию. Гербициды применяли в максимально допустимых дозах, обеспечивающих высокий технологический эффект. Внесение цеолитов способствовало снижению остаточных количеств гербицидов (табл. 4.15). Так, содержание семерона в кочанах капусты снизилось под действием цеолитов в 4 раза, но все-таки не достигло норм ПДК. Остаточные количества прометрина не обнаружены в корнеплодах моркови, а в почве - ниже ПДК, хотя прослеживается тенденция к их снижению под влиянием внесенных цеолитов.
Загрязнение почв остаточными пестицидами и микробными патогенами

Опыты Т.Ю. Анисимовой, проведенные на дерново-подзолистых супесчаных почвах с использованием пестицидов и природных цеолитов по фону N90P60K120 при выращивании картофеля сорта Удача, выявили следующее. Совместное с цеолитами (300 и 600 кг/га) применение гербицидов дефолт BP, стринг КЭ и метузин КЭ в строго установленные сроки позволило уничтожить до 75-100 % сорных растений в посадках картофеля в период его роста и развития, обеспечило более продолжительное действие гербицидов на сорную растительность. При определении структуры урожая (массы 1 клубня, массы клубней с 1 растения, количества клубней под корнем) наибольшие показатели, превышающие фон в 1,2-2 раза, получены при внесении двойной дозы цеолита (600 кг/га) на фоне применения средств химизации. Это можно объяснить тем, что цеолиты способствуют предотвращению вымывания питательных веществ удобрений из пахотного слоя почвы и пролонгируют действие минеральных удобрений и пестицидов. Максимальные прибавки клубней картофеля получены при применении цеолитов, пестицидов и удобрений и составили 16,2 и 21,8 ц/га к фону.
Установлена возможность создания на основе цеолитсодержащих пород месторождений Краснодарского края препаратов для борьбы с почвенными фитопатогенами. Доказано подавляющее действие в отношении широкого спектра фитопатогенных грибов родов Fusarium, Rizoctonia, Pythium gt. Показана возможность усиления этих свойств путем иммобилизации на цеолитах флуоресцирующих псевдомонад класса RGPR. Цеолиты, благодаря ионообменным и адсорбционным свойствам, могут быть использованы как аккумуляторы и регуляторы поступления в растения элементов минерального питания, что особенно важно на почвах легкого гранулометрического состава. Это приводит к повышению эффективности удобрений и урожая сельскохозяйственных культур.
Для защиты растений цеолитсодержащую породу (ЦСП) красноярских месторождений бактеризовали штаммом Pseudomonas аиrсоfaciens BS 1393. Было установлено супрессирующее действие цеолитсодержащей породы в отношении широкого круга фитопатогенных грибов, а также показана возможность использования ЦСП для внесения полезной микрофлоры для почв.
По данным А.В. Бгатова и О.Н. Сороколетова, в Новосибирском госагроуниверситете было разработано эффективное натуральное органическое удобрение, полученное переработкой птичьего помета и свиного навоза личинками домашней мухи. Оно содержит сбалансированный комплекс минеральных и органических веществ, биологически активные вещества - стимуляторы роста, а также естественные инсектициды, репелленты и фунгициды, благодаря которым зоогумус губительно воздействует на ряд вредителей овощных культур. Зоогумус снижает инфекционный потенциал возбудителей болезней гнили, серой и белой гнили растений. Его важнейшим качеством является способность рекультивации почвы за счет содержания комплекса полезных микроорганизмов.
Изучалось влияние зоогумуса и природных цеолитов Холинского месторождения на рост и развитие сельскохозяйственных растений, возможность очистки ими почвы от токсинов, тяжелых металлов и возбудителей заболеваний сельскохозяйственных культур, как по отдельности, так и при совокупном внесении в почву. Сочетание зоогумуса и природных цеолитов (по 100 г на м2) позволило практически полностью очистить почву от таких тяжелых металлов, как барий, стронций и цезий, благодаря хелатообразующим свойствам зоогумуса и ионообменным свойствам цеолитов.
Установлено, что наиболее оптимально совместное внесение обоих ингредиентов, которое позволяет довести соотношение в почве биогенных элементов, таких как фосфор, калий, кальций, магний цинк и др., до необходимого уровня. Прибавка урожая тыквы и кабачков с внесением зоогумуса и цеолитов по отдельности составила от 16 до 24 % по отношению к контролю, а при совместном их внесении - 37-40 %.
Известно, что фосфатмобилизующие микроорганизмы - это антагонисты фитопатогенов. Однако в почвах их численность и активность, как правило, невысокая. Нами разработан способ насыщения морденитсодержащего туфа водной суспензией фосфатмобилизующих микроорганизмов, выделенных из почвы. Использование биологически активированного морденитсодержащего туфа в дозе 5 т/га в расчете на 3 года позволяет увеличить численность фосфатмобилизующих микроорганизмов в 14-16 раз и фосфатазную активность в 3-4 раза, по сравнению с внесением этой же дозы обычного туфа.
Таким образом, природные цеолиты, внесенные в загрязненную почву, выполняют роль детоксикантов по отношению к радионуклидам, тяжелым металлам, нефтепродуктам, остаточным пестицидам и патогенным микроорганизмам. При этом также улучшаются агрохимические и биологические свойства почв, повышается продуктивность системы почва - растение.