Эколого-токсикологическая оценка многолетнего применения глифосата на дерново-подзолистой почве и биоремедиация загрязненных территорий

Актуальность проблемы.

Обеспечение государства качественными, доступными по цене продуктами отечественного производства — является приоритетной задачей любой страны. Однако увеличение урожайности сельскохозяйственных растений зачастую приводит к снижению качества получаемой товарной продукции. Это связано прежде всего с тем, что увеличение урожайности требует применения средств химизации: удобрений и пестицидов. Без них добиться каких-либо существенных увеличений продуктивности растений невозможно. Одновременно возрастает риск загрязнения сельскохозяйственной продукции остатками пестицидов (особенно гербицидов). Ежегодно под влиянием сорной растительности и насекомых-вредителей мы теряем до 35 — 40% урожая. При этом на долю сорной растительности во многих регионах России приходится не менее 20 — 25% урожая (Спиридонов Ю.Я., и др., 2009).

В последние годы во многих странах мира наметилась тенденция к выращиванию генетически-модифицированных сельскохозяйственных растений, большинство из которых обладает геном устойчивости к гербициду — глифосату (ГФ).

На сегодняшний день глифосат является одним из самых популярных гербицидов в мире. До четверти всех препаратов, применяемых для борьбы с сорной растительностью, содержат его в качестве основного действующего вещества. В севооборотах с генетически модифицированными растениями (соя, кукуруза, сахарная свекла и др.) он становится единственным применяемым гербицидом в результате чего увеличивается токсическая нагрузка остатков этого поллютанта на почву.

В Арканзасе, Айове и Кентукки к 2000 г. 50—60% площадей, отведенных под сою, занято глифосат-устойчивыми сортами. В штате Теннеси соя «Раундап Реди» занимает 70% посевов этой культуры. В Северной Каролине под глифосат-устойчивой соей занято 90%. В США посевы ГМ-сорта сои могут превысить в ближайшее время 14 млн. га. Таким образом, удалось добиться существенного снижения сорной растительности на полях, но последствия долговременного применения глифосата практически не изучались (Бир Э., 1999).

Перенасыщение почвы глифосатом и продуктами его разложения может привести к тому, что ГФ начнёт мигрировать в почве вместе с грунтовыми водами, угнетающе воздействовать на сапротрофную почвенную микрофлору, снижать биологическую активность почвы и накапливаться в выращиваемых растениях.

Для получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции необходимо, чтобы почва характеризовалась набором определённых показателей, определяющих «здоровье почвы». В значительной степени «здоровье почвы» зависит от состояния почвенного микробного сообщества, которое выполняет основную работу по поддержанию биосферных процессов (Виноградский С.Н., 1952; Заварзин Г. А., 2003). Оно является основным компонентом почвенной биоты и выполняет многообразные функции в круговороте веществ, включая самоочищение от ксенобиотиков и природных поллютантов. Микробное сообщество — важнейший объект агроэкологического мониторинга и объективный экологический индикатор состояния почвенного биоценоза, в том числе отклика на его загрязнение различными поллютантами (Добровольская Т.Г., 2002; Терехова В. А., 2007).

Для снижения негативных последствий воздействия ГФ на почву и получения экологически безопасной сельхозпродукции необходимо проводить регулярные ремедиации почв. Для этих целей наиболее приемлемы биотехнологии с использованием микроорганизмов-деструкторов.

Микробная биоремедиация экологически безопасна, высокоэффективна и экономически малозатратна.

Цель исследований: проведение эколого-токсикологической оценки влияния глифосата на почву и почвенные микроорганизмы. Оценить экологическую безопасность использования технологии ремедиации почвы, загрязненной глифосатом, с помощью микроорганизмов-деструкторов.

Задачи исследований:

1. Изучить влияние глифосата на биологические свойства дерново-подзолистой почвы при его однократном применении.

2. Изучить влияние глифосата на элементы агроценоза при его многолетнем систематическом применении.

3. Оценить эффективность технологии биоремедиации почвы на основе микроорганизмов-деструкторов на загрязнённых гербицидом территориях.

4. Провести эколого-токсикологическую оценку безопасности технологии биоремедиации почвы, загрязненной глифосатом.

Научная новизна. Проведена экологическая оценка влияния глифосата и глюфосината на почвенную микрофлору при их многолетнем применении на дерново-подзолистой почве. Показано, что эти гербициды оказывают ингибирующий эффект на почвенные микроорганизмы, изменяют состав микробоценоза и снижают ферментативную активность почвы. Глифосат может длительно сохраняться в почве, приводя к повышению её интегральной токсичности и фитотоксичности.

По результатам полевых микроделяночных испытаний биотехнологии «in situ» оценено влияние биоремедиации на биологические свойства почвы. Показано что применение микроорганизмов-деструкторов ускоряет восстановление почвы до исходного состояния и не приводит к негативному воздействию на окружающую среду.

Практическая значимость. Показано, что многолетнее (до 10 лет), систематическое применение глифосата или глюфосината на полях приводит к снижению биологической активности почвы, увеличению её интегральной токсичности.

Проведена эколого-токсикологическая оценка технологии микробиологической очистки почв, загрязнённых глифосатом. Показано, что в процессе биоремедиации в почве снижается концентрация гербицида, интегральная токсичность и фитотоксичность загрязнённой почвы. Данная биотехнология восстанавливает плодородие почв, загрязненных глифосат-содержащими соединениями.

Из почвы, в течение 10 лет обрабатываемой глифосатом, выделены 2 штамма Corinobacterium sp. Z-1 и Micrococcus sp. Z-2 микроорганизмов-деструкторов глифосата. Штаммы депонированы в рабочей коллекции ФГУН НИЦ ТБП. В настоящее время подготовлены заявки на их патентование.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований представлены на Международном Форуме по пестицидам «Obsolete Pesticides in Central and Eastern European, Caucasus and Central Asia Region: Start of clean up» (Кишинев, Молдавия, 2007 г.) — на 5-ом Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009 г.) — на выставке ВэйстТэк-2009 «Экологическая политика Российской Федерации: экономический рост и сохранение природного наследия» (Москва, 2009 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в журнале «Агрохимия», рекомендованном ВАК.

Личный вклад. Диссертационная работа подготовлена на основании обобщения результатов лабораторных и полевых исследований, выполненных на базе НИИ Фитопатологии и ФГУН НИЦ ТБП при личном участии автора. Проведение микробиологических исследований и биотестирование почвенных образцов, статистическая обработка и анализ полученных результатов выполнены автором лично.

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь и постоянную поддержку в работе над диссертацией своему научному руководителю академику РАСХН, профессору Спиридонову Ю. Я., а также сотрудникам отдела экологической биотехнологии ФГУН НИЦ ТБП и сотрудникам отдела гербологии ВНИИ Фитопатологии.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2Л. ПРИМЕНЕНИЕ ФОСФООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

В настоящее время фосфонаты используются в различных отраслях хозяйственной деятельности человека (Fest. С., Schmidt K.-J., 1982). Первые синтетические фосфонаты были получены и описаны в 1944 г. Это аминоэтилфосфоновая кислота, а затем аминозамещённые алкилфосфоновые кислоты (Hilderbrand R.L., et al., 1983). Широкое и неконтролируемое применение фосфонатов в сельском хозяйстве привело к значительному загрязнению окружающей среды.

Этили фенилфосфонатные производные используются как инсектициды. Фирол 76 — олигомер винилфосфонат-метилфосфоната используется в качестве пеногасителя. Полифосфоновые кислоты используются как ингибиторы коррозии. Бифосфонат, алафосфалин, и фосфономицин являются антибиотиками (Fleisch W, 1991). Циклические эфиры ароматических бифосфонатов используются в качестве полимерных добавок. Метиленфосфоновые и гидроксиэтилидендифосфоновая кислоты широко используются как хелатные добавки к детергентам. К производным фосфонатов антропогенного происхождения относятся также нервно-паралитические отравляющие веществ (VX, зарин и зоман) (Munro, N.B., et al., 1999).

Среди этих соединений широкое распространение получил N-фосфонометилглицин — глифосат (ГФ). Это неселективный гербицид, обладающий системным действием, используемый для обработки сорных растений после прорастания. Он является ингибитором 3-энолпирувилшикимат-5-фосфатсинтазы (ЕС 2.5.1.19) — фермента, участвующего в синтезе ароматических аминокислот (Franz et al., 1997).

Глифосат применяют по стерне или в парах для обработки сорняков во время вегетации. На семена он не действует. Нормы расхода составляют от 1 до 3,6 кг/га по действующему веществу (д.в.).

Возможно использование ГФ на посевах злаковых, в садах на плодовых и цитрусовых культурах (Мельников Н.Н. и др., 1985) и виноградника при направленном опрыскивании почвы, а также широко используется в лесных насаждениях. Согласно данным отчета Агентства по охране окружающей среды США за 2000 г. (Calif. Dept. Pesticide Regulation, 2000) только в Калифорнии ежегодно обрабатываются 40,000 га леса глифосатом.

Основным производителем и поставщиком глифосата является компания Монсанто. Компания производит на своих шести заводах в США, Бельгии, Малайзии, Бразилии и Аргентине до 100 тыс. тонн технического глифосата. Второй по значению производитель технического глифосата в мире — компания «Сингенда» с заводами в Китае, Дании, на Тайване и в других странах с объемом производства 10 тыс. тонн в год (Бир Э., 1999).

В 2000 году на ОАО «Химпром» (Россия, Волгоград) организовано производство гербицида глифосата. Мощность производства составила 700 т. глифосата и 1635 т. его водного раствора «Глисола». Мировой рынок глифосата «переполнен» производителями, и эта ситуация вряд ли в ближайшее время изменится.

Устойчивость растений к глифосату сильно варьирует в зависимости от вида. Некоторые виды, в результате применения глифосата, могут быть полностью уничтожены. Служба рыбы и дичи США считает, что использование глифосата угрожает по крайней мере 74 редким видам растений.

Согласно экономическим расчетам, отказ от применения столь токсичных для человеческого организма соединений неизбежно привел бы к сокращению всего урожая в мире на 50% и вызвал бы рост цен на сельскохозяйственную продукцию в 4−5 раз (Захаренко В.А., 1988).

Невозможность отказа от применения фосфорорганических соединений (ФОС) в различных отраслях сельского хозяйства приводит к тому, что важнейшей экологической и научной проблемой становится их обнаружение и детоксикация.

В связи с этим необходимо разработать экологически безопасные технологии ремедиации почв, загрязненных ФОС, провести их эколого-токсикологическую проверку.

6. выводы.

1. Исследования показали, что однократное применение глифосата в рекомендуемых дозах не вызывает негативных изменений основных биологических свойств почвы.

2. Многолетнее, систематическое применение глифосата приводит к снижению численности сапротрофных микроорганизмов почвы и достоверному изменению структуры микробного сообщества за счёт значительного увеличения численности родококков, микрококков, снижению численности артробактера Arthrobacter globiformis. В случае глюфосината выявлено увеличение численности Aspergillus и Penicillium, а также лучистых грибов Actinomyces.

3. Загрязнение почвы глифосатом при многократном систематическом применении в дозах 3 и 10 л/га приводит к повышению ее интегральной токсичности и снижению дегидрогеназной активности.

4. Из природных образцов почв, загрязненных глифосатом в течение 810 лет, выделены 2 штамма микроорганизмов-деструкторов глифосата Carinobacterium sp. Z-J и Micrococcus sp. Z-2. Они депонированы в рабочей коллекции ФГУН НИЦ ТБП.

5. Проведены полевые микроделяночные испытания технологии биоремедиации почвы, загрязненной глифосатом в дозах 10 и 100 л/га. Результаты испытаний показали, что в течение 1 месяца микробной деструкции концентрация глифосата в загрязненной почве снизилась на 10 089% соответственно.

6. Эколого-токсикологическая оценка технологии показала, что использование микроорганизмов-деструкторов приводит в течение 1 месяца к снижению интегральной токсичности почвы, уменьшению загрязненности глифосатом и восстановлению биологической активности.

7. Изучение почвы, загрязненной глифосатом при аварийном разливе в дозе 100 л/га, на белых крысах выявило, что она обладает токсическим действием. После проведенной биоремедиации почва становится безопасной для теплокровных животных.

8. Исследования показали, что биоремедиация загрязненной почвы с помощью микроорганизмов-деструкторов приводит к восстановлению численности и структуры сапротрофной микробиоты.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Почве отведена одна из ведущих ролей в производстве сельскохозяйственной продукции. В погоне за увеличением производимой сельхозпродукции производителями очень часто ей наносится значительный вред. Неумеренная химизация приводит не только к увеличению продуктивности почвы, но и к её загрязнению остатками пестицидов. Согласно официальным данным (Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешённых к применению на территории РФ, 2009 г.), глифосат разлагается в почве в течение двух недель при применении в рекомендуемых дозах. При аварийных разливах и при систематическом применении препарата для этого требуется значительно большее количество времени.

В качестве оценочных критериев состояния природной среды нами была выбрана реакция микробного сообщества почвы. Почвенные микроорганизмы достаточно чувствительны к химическому загрязнению и поэтому вполне могут быть объективными индикаторами состояния качества почвы.

В ходе полевых и лабораторных исследований было выявлено негативное влияние глифосата на агроценоз. Данный гербицид оказывает негативное влияние на такие показатели почвы, как её общая микробная обсеменённость и ферментативная активность, а они являются ключевыми показателями плодородия почвы. Глифосат является одним из наиболее популярных гербицидов в мире и от него вряд ли откажутся в течение ближайших лет, поскольку больше половины выращиваемых в мире генномодифицированных растений является глифосатустойчивыми.

В результате проведённой эколого-токсикологической оценки влияния глифосата и глюфосината на почву было установлено, что дерново-подзолистая почва способна в течение двух лет справляться с загрязнителем, при применении их в рекомендуемых дозах. С аварийными разливами, когда глифосат и глюфосинат попадают в почву в больших количествах, почвенные микроорганизмы уже не справляются. Эти деструктивные процессы продолжаются в течение не менее 3 лет (срок наблюдения).

Микроорганизмы-деструкторы глифосата могут сами появиться в почве только в результате многолетних обработок глифосатом, но это неуправляемый процесс, который может впоследствии негативно сказаться на проживающих рядом людях, поскольку эти микроорганизмы могут быть продуцентами токсинов.

После систематического, длительного использования гербицидов (до 10 лет) гербициды оказывают токсическое действие и необходимо проводить мероприятия по ремедиации загрязнённой почвы.

Проведённая эколого-токсикологическая оценка технологии биоремедиации с помощью микроорганизмов-деструкторов показала: концентрация загрязнителя в почве значительно снижается, уменьшается ее интегральная токсичность, восстанавливается концентрация сапротрофной микробиоты. Таким образом, биотехнология безопасна для почвы и восстанавливает ее плодородие.

Выделенные во ФГУН НИЦ ТБП микроорганизмы-деструкторы глифосата и разработанная технология рекомендуются для биоремедиации загрязнённых глифосатом почв.