Влияние пестицидов на микрофлору почвы

    К пестицидам относятся также химические средства торможения роста растений, препараты для удаления листьев (дефолианты) и подсушивания растений (десиканты).  

    2.3 Гербициды

    Наиболее  обширную группу веществ среди пестицидов как по масштабам практического  применения (40-50%, так и по ассортименту выпускаемых препаратов (около 40%) составляют гербициды, (от лат. herbum- трава, caedo - убиваю).

    По  характеру действия на растения гербициды  делятся на две подгруппы:

    1. Сплошные, действующие на все виды растений; такие гербициды применяются для уничтожения нежелательной растительности вокруг промышленных объектов, на лесных, вырубках, в питомниках, каналах, водоемах, обочинах шоссейных дорог и т.д.

    2. Избирательные (селективные)„ опасные для одних видов растений и безопасные для других; используются для уничтожения сорняков в агроценозах.

    Деление условно, так как одни и те же вещества в зависимости от применяемых  концентраций и норм расхода на единицу  обрабатываемой площади могут проявлять  себя и как сплошные, и как избирательные  гербициды.

     3. Применение пестицидов 

    Применение  пестицидов резко снижает потери урожаев сельскохозяйственных культур, сокращает затраты в сельском хозяйстве в 2-3 раза, позволяет ежегодно экономить сельскохозяйственную продукцию на 10-12 млрд.р. Высокая экономическая эффективность пестицидов обусловливает неуклонный рост масштабов их применения. Годовое производство пестицидов в мире к настоящему времени превысило 2 млн.т; мировой ассортимент пестицидных препаратов насчитывает более 100 тыс. наименований на основе более чем 700 химических веществ, принадлежащих к самым различным классам органических и неорганических соединений.

    Признавая несомненный положительный эффект химического способа борьбы с  сорной растительностью, следует учитывать  возможное побочное действие гербицидов на другие компоненты природных экосистем: животный мир, культурные и полезные дикорастущие растения, атмосферу, почвы, водоемы. Нежелательные последствия возникают чаще всего при систематической обработке больших площадей и связаны с появлением как токсикологических, так и экологических проблем. Наибольшую опасность представляют стойкие пестициды и их метаболиты, способные накапливаться и сохраняться в природной среде до нескольких десятков лет. При определенных условиях метаболиты пестицидов могут образовывать метаболиты второго порядка, роль, значение и влияние которых на окружающую среду во многих случаях остаются неизвестными.

     4. Поведение пестицидов в почве 

    Пестициды – тонкодисперсные вещества –  в почве подвержены многочисленным воздействиям биотического и небиотического характера, некоторые определяют их поведение, преобразование и, наконец, минерализацию. Тип и скорость преобразований зависит от: химической структуры действующего вещества и его устойчивости, механического состава и строения почв, химических свойств почв, состава флоры и фауны почв, интенсивности влияния внешних воздействий и системы ведения сельского хозяйства.

    Для правильного понимания поведения  пестицидов и любых других химических соединений в почве необходимо рассмотреть  хотя бы важнейшие факторы, влияющие на миграцию, разложение, активность и продолжительность их сохранения в почве.

    Вещества  с высоким давлением паров  сравнительно легко испаряются с  поверхности почвы и далее  в зависимости от строения с большей  или меньшей скоростью подвергаются фотохимическому разложению или окислению под влиянием солнечного освещения, причем чем выше температура, тем быстрее происходит испарение вещества и его фотохимическое разложение. На скорость испарения существенное влияние оказывают также скорость движения воздуха над поверхностью почвы и состав почвы. Состав почвы оказывает существенное влияние на испарение вещества, поскольку меняется сорбирующая способность, и соответственно чем выше такая сорбирующая способность почвы для данного вещества, тем медленнее идет из данной почвы его испарение. В такой же степени сорбирующая способность почвы оказывает влияние и на вымываемость вещества в нижние слои почвы, как это уже отмечалось выше.

    Разумеется, на персистентность пестицидов в  почве большое влияние оказывает  химическая стабильность вещества, в частности легкость гидролиза. Гидролиз водой является одним из наиболее важных процессов, который в большинстве случаев приводит к разложению пестицидов с образованием менее токсичных соединений. Для легко гидролизуемых веществ большое значение имеет влажность почвы: наиболее легко гидролиз пестицидов протекает во влажных почвах. Многие вещества, кроме того, легко окисляются кислородом воздуха; это особенно часто происходит в случае производных тио- и дитиофосфорной и фосфоновой кислот, а также при наличии в молекуле пестицида сульфидных и других легко окисляющихся групп. Отметим, что простое окисление в случае производных тионфосфорной и тиолфосфоновой кислот, как правило, приводит к получению более токсичных для позвоночных соединений, но после их гидролиза образуются вполне безопасные вещества.

    Большое влияние на персистентность химических соединений в почве оказывают  различные почвенные микроорганизмы, для которых пестициды нередко  являются источником углерода. Даже очень  стойкие в химическом отношении соединения разлагаются микроорганизмами почвы. Во многих случаях такое разложение начинается не сразу, а через некоторое время, необходимое для приспособления микроорганизмов к разрушению данного химического соединения. Наиболее легко разлагаются микроорганизмами почвы соединения алифатического ряда, а также гидроксилсодержащие соединения. Алкоксилированные ароматические соединения разлагаются несколько медленнее, но все же быстрее, чем вещества, не содержащие в ароматическом ядре в качестве заместителя кислорода, серы или азота. Как правило, ароматические соединения, не содержащие таких заместителей (групп), под влиянием микроорганизмов гидроксилируются и далее происходит разрушение ароматического ядра. Отметим, что и процесс разложения фенолов, аминов и сульфидов ароматического ряда также в большинстве случаев начинается с гидроксилирования ароматического ядра.

    Большинство гетероциклических соединений также  сравнительно легко разрушается  микроорганизмами почвы. Однако некоторые  классы гетероциклических соединений, как, например, пиримидины, бензимидазолы и другие, разрушаются очень медленно.

    В разрушении химических соединений в  почве принимают участие самые  различные микроорганизмы, в том  числе бактерии, грибы и актиномицеты.

    Разрушение  химических соединений в почве протекает и под влиянием растений, которые могут поглощать из почвы некоторые вещества и перерабатывать их в простейшие продукты или некоторые другие метаболиты, образующие с веществами растений коньюгаты.

    Как уже отмечалось, на продолжительность сохранения пестицидов в почве существенное влияние оказывает температура: чем выше температура почвы, тем быстрее происходит разложение препаратов, как под влиянием химических факторов (гидролиз, окисление), так и под влиянием микроорганизмов и других обитателей почвы.

    Как видно из табл. 1, ускорение разложения пестицидов с температурой зависит  также от природы вещества, однако во всех случаях повышение температуры  почвы существенно ускоряет процесс  разложения пестицидов. В связи с  этим при применении пестицидов необходимо учитывать не только характер почвы, но и температуру и влажность.  
 
 

    Таблица 1. Распад некоторых пестицидов в  почве 

    Различные штамы микроорганизмов разрушают  пестициды с различной скоростью. Большое значение имеет также аэрация почвы. Некоторые вещества, например ДДТ, в анаэробных условиях разрушаются быстрее, чем в аэробных, что связано с различным механизмом разрушения. Если в обычных условиях первой стадией разрушения ДДТ является образование 1,1-дихлор-2,2-бис (4-хлорфенил) этилена, то в анаэрооных условиях происходит восстановление ДДТ до ДДД, разрушение которого протекает значительно быстрее.

    Для правильного понимания поведения  того или иного пестицида в  почве необходимо изучение его метаболизма под влиянием почвенных микроорганизмов в различных условиях, причем даже гомологи одного и того же класса химических соединений часто в почве ведут себя различно, не только по персистентности, но и по направлениям разложения в разных условиях. Особенно сильно отличается поведение метальных гомологов различных классов органических соединений. Так, метиловые эфиры кислот фосфора являются сильными метилирующими средствами и в связи с этим легко отщепляют О—СН₃-группы, превращаясь в мало токсичные для позвоночных и других животных кислые эфиры. Метильная группа ароматических соединений легко окисляется до карбоксильной, что также приводит к снижению токсичности соединения, хотя в некоторых случаях окисление метильной группы ароматических соединений приводит к более токсичным соединениям. Важное значение имеет и окисление метильной группы, связанной с азотом. В этом случае в результате окисления происходит деметилирование, приводящее в большинстве случаев к менее токсичным продуктам, которые далее распадаются с выделением аммиака или азота.

    По  скорости разложения в почве пестициды  предложено разделить на следующие шесть групп.

    1) Препараты с продолжительностью  действия более 18 месяцев (большинство хлорорганических пестицидов).

    2) Препараты с продолжительностью  действия около 18 месяцев (некоторые производные мочевины, пиклорам, симазин и другие триазины).

    3) Пестициды с продолжительностью  сохранения в почве до 12 месяцев  (производные бензойной кислоты, амиды кислот).

    4) Препараты с продолжительностью  сохранения в почве до 6 месяцев (нитроанилины, акрилоксиалканкарбоновые кислоты и другие).

    5) Пестициды с продолжительностью  сохранения в почве более 3 месяцев (производные карбаминовой  кислоты, алифатические карбоновые кислоты и другие).

    6) Пестициды с продолжительностью  сохранения в почве менее 3 месяцев (органические соединения  фосфора и другие).

    Совершенно  ясно, что такое деление носит  условный характер, так как персистентность  пестицидов, как указывалось выше, зависит не только от их строения, но и от активности почвенных микроорганизмов и других факторов. Точно так же, как и среди отдельных перечисленных выше классов химических соединений, имеются вещества с большей или меньшей персистентностью.

    Из  изложенного видно, что в важнейших  экосистемах земного шара с большей  или меньшей скоростью происходит разложение органических пестицидов до простейших нетоксичных соединений. Однако для избежания их накопления в окружающей среде применение любых химических соединений должно быть строго регламентировано.  

    4.1 Адсорбция пестицидов

    Адсорбция пестицидов в почве – комплексный  процесс, зависящий от многочисленных факторов. Она играет важную роль в перемещении пестицидов и служит для временного поддержания в парообразном или растворенном состоянии или в виде суспензии на поверхности почвенных частиц. Особо важную роль в адсорбции пестицидов играют ил и органическое вещество почвы, составляющие “коллоидальный комплекс” почвы. Адсорбция сводится к ионно-катионному обмену отрицательно заряженных илистых частиц и кислотных групп гумусовых веществ, либо анионному, благодаря присутствию гидроксидов металлов (Al(OH)₃ и Fe(OH)₃ ) или происходит в форме молекулярного обмена. Если адсорбированные молекулы нейтральны, то они удерживаются на поверхности илистых частиц и гумусовых коллоидов двухполюсными силами, водородными связями и дисперсными силами. Адсорбция играет первостепенную роль в накоплении пестицидов в почве, которые адсорбируются ионным обменом или в форме нейтральных молекул в зависимости от их природы.