Влияние пестицидов на почвенные микроорганизмы

Пестициды как токсиканты окружающей среды. Проблема токсичности пестицидов для биоты стоит очень остро. Основная опасность пестицидов заключается во включении их в биологический круговорот. По пищевым цепям они могут доходить до высших организмов, и в том числе человека, концентрируясь в каждом из звеньев. Кроме того, существует проблема «субтоксичности», когда нет острого отравления организма, а нарушается какой-либо отдельный биологический механизм, что может, в конечном счете, оказаться не менее угрожающим.

Существуют классификации, в которых пестициды рассматриваются как химические соединения или же основное внимание уделяется механизмам их целевого действия. Согласно экологической классификации наиболее важными критериями являются степень токсичности для организмов, персистентность и селективность воздействия пестицидов. Токсичность пестицидов установлена для всех живых организмов. Объясняется это общностью ключевых биохимических процессов и молекулярно-биологической организацией живого.

По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды делят на четыре группы:

1) сильнодействующие препараты – ЛД₅₀ (наименьшая доза пестицида, вызывающая смертность 50% подопытных животных) до 50 мг/кг,

2) высокотоксичные - ЛД₅₀ - 50-200 мг/кг,

3) среднетоксичные - ЛД₅₀ - 200-1000 мг/кг,

4) малотоксичные - ЛД₅₀ свыше 1000 мг/кг.

Наиболее выраженным токсическим действием обладают пестициды хлорорганической и фосфорорганической групп, органические соединения меди, ртутьорганические соединения и производные фенола.

Многим из них свойственна также и высокая степень избирательности воздействия. Малотоксичными являются пестициды группы карбаматов и производные мочевины. Гетероциклические соединения в производственных дозах, как правило, нетоксичны. Различают хроническую и острую токсичность. Наибольшей персистентностью обладают ртутьорганические и хлорорганические соединения.

Печальную известность в связи с хронической токсичностью и высокой персистентностью приобрели широко применявшиеся в 40-50-х гг. нашего столетия галогенопроизводные фенолов - ДДТ, ДДЭ и ТДЭ. За обнаружение у ДДТ поразительных инсектицидных свойств немецкому химику П. Мюллеру была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Основанием для этого послужил тот факт, что с помощью ДДТ впервые удалось провести успешную борьбу с переносчиками малярии, сыпного тифа и энцефалита. Однако свойственные препарату широкий спектр действия и устойчивость к разложению оказались впоследствии коварными сторонами этого вещества. Вместе с вредными насекомыми уничтожались и полезные, а высокая персистентность приводила к тому, что ДДТ, накапливаясь в тысячекратном размере в объектах пищевых цепей, оказывал губительное действие на их концевых звеньях. При токсикологическом исследовании действия ДДТ в окружающей среде столкнулись с еще двумя серьезными проблемами: микротоксичностью пищи при ее постоянном потреблении и токсичностью продуктов трансформации препарата. Все это привело к введению запрета на применение ДДТ во многих странах мира уже в 70-х гг.

Перечень негативных последствий побочного действия пестицидов существенно расширяется, когда речь идет о микробиоте почвы. Почвенные микроорганизмы как компонент биогеоценозов испытывают разноплановое воздействие со стороны пестицидов, а как звено пищевых цепей участвуют в их передаче к высшим организмам и человеку. Воздействуя на отдельные микроорганизмы, пестициды влияют и в целом на экосистемы, модифицируя их. Часто такие модификации приводят к необратимому нарушению экологического равновесия. С другой стороны, почвенные микроорганизмы могут осуществлять трансформацию и минерализацию пестицидов, используя последние в качестве источника углерода и энергии.

В работах по изучению воздействия пестицидов на почвенную микробиоту естественным образом выделяются три направления:

1) оценка влияния пестицидов на основные процессы, осуществляемые микроорганизмами в почве: разложение органического вещества, реакции циклов азота, серы, фосфора и других биогенных элементов;

2) анализ изменений численности и видового состава представителей различных таксономических групп микроорганизмов в сочетании с проверкой чувствительности отдельных видов к тому или иному пестициду;

3) экологический анализ изменений в составе и организации сообществ микроорганизмов и всей микробной системы в целом, происходящих под влиянием пестицидов.

Основная масса исследований, однако, касается влияния пестицидов на отдельные показатели биологической активности почв. Лишь в единичных работах сделаны попытки создания целостной картины функционирования экосистемы в условиях применения пестицидов.

Спектр механизмов действия пестицидов на микробную клетку многообразен. Производные карбаматов влияют на процесс деления клеток; органические соединения меди и дитиокарбаматы - на проницаемость мембран; ДНОК, диносеб - на окислительное фосфорилирование; хиноны и соединения четвертичного аммониевого основания - на перенос электронов в дыхательной цепи; каптан, органические соединения ртути, формальдегид реагируют с клеточными компонентами, вступая в реакции с карбоксильными, сульфгидрильными и первичными аминогруппами, ионами металлов и др. По-разному пестициды влияют на прокариотические и эукариотические клетки.

К факторам, определяющим влияние пестицидов на почвенные микроорганизмы, относятся: механизм действия химической основы препарата, доза пестицида, скорость разложения и персистентность, а также температура, влажность, сорбционная способность и окислительно-восстановительный потенциал почвы.

Прямое действие пестицидов на почвенные микроорганизмы обусловлено их избирательной токсичностью и поэтому ограничено отдельными компонентами микробной системы. Косвенное действие можно объяснить изменениями условий питания и энергетического обеспечения микроорганизмов, нарушением равновесия в экосистеме. Так, в случае применения гербицидов изменение количества и качества поступающих в почву растительных остатков имеет следствием общее снижение биологической активности и функциональную перестройку углеродного питания почвенных микроорганизмов, что, в конечном счете, может привести к интенсивной потере гумуса.

При всем многообразии сведения о воздействии пестицидов на почвенные микроорганизмы часто противоречивы. Сложность проблемы обусловливается кроме разнообразных экзогенных факторов еще и тем, что в почву в значительных, часто сильно различающихся количествах попадает примерно 100 групп действующих веществ. Если учесть, что число видов почвенных микроорганизмов исчисляется тысячами, то становится очевидным огромное множество возможных реакций микробиоты.

Влияние пестицидов на активность микробиологических процессов в почве.Изучению влияния пестицидов на отдельные микробиологические процессы посвящено наибольшее число исследований. Чаще всего рассматривается действие пестицидов на процессы нитрификации, минерализации органического вещества, аммонификации, фиксации азота (нитрогеназная активность), денитрификации, окисление и восстановление железа и марганца. Еще чаще производят определение ферментативной активности почв (каталазной, дегидрогеназной, полифенолоксидазной, амилазной, протеазной, фосфатазной, инвертазной и т. д.).

Среди потенциально возможных реакций почвенных микроорганизмов и осуществляемых ими процессов на пестициды в той или иной степени выделяются различные варианты угнетения и стимуляции активности, а также индифферентного отношения к пестициду.

Гербициды в целом угнетают дыхание почвы и процесс нитрификации. К аналогичному выводу пришел К. Домш (1984), испытавший влияние 71 пестицида на 25 почвенно-биологических процессов. Было обнаружено, что 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.

Существуют данные о том, что в производственных дозах пестициды часто не ингибируют, а, наоборот, стимулируют многие микробиологические процессы. Отмечена стимуляция дыхания в почве малыми дозами пестицидов. Высокие дозы пестицидов увеличивали интенсивность выделения углекислого газа почвой. В качестве объяснения этому была предложена гипотеза о формировании устойчивого к воздействию пестицида микробного сообщества с большой биомассой. Однократное внесение пестицидов часто не влияет на активность ферментов и, в частности, целлюлаз. Пестициды в целом слабо изменяли активность уреазы и интенсивность процессов денитрификации и азотфиксации при однократной обработке почвы. Отмечается временное воздействие пестицидов на ферментативную активность почв, особенно в начальный период после обработки, впоследствии наблюдается постепенное восстановление активности до исходного уровня.

Влияние пестицидов на численность микроорганизмов в почве.Типы реакции почвенных микроорганизмов на пестициды колеблются в широких пределах - от высокой устойчивости до высокой чувствительности. Согласно Домшу, численность чувствительных организмов сильно сокращается, или же они вообще исчезают из посевов почвенных проб, 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 были постоянными, и через некоторое время происходила активизация жизнедеятельности микроорганизмов. В литературной сводке Э. Хаиниш и др. (1979) содержатся сведения об угнетающем действии ряда пестицидов на численность разных групп микроорганизмов: каптан и ПХНБ снижал 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 снижалась не сразу, а через несколько недель после внесения препаратов. Испытание с помощью разнообразных почвенных тестов влияния свыше 300 пестицидов на почвенные микроорганизмы показало, что грибы угнетаются большим числом веществ, меньшими концентрациями и в течение более длительного времени, чем бактерии и актиномицеты.

Среди фактов стимуляции роста микроорганизмов пестицидами следует отметить следующие: каптан и паратионметил увеличивали численность многих групп бактерий, актиномицетов и сапротрофных грибов; в повышенных дозах паратнонметил стимулировал целлюлозоразрушающие и нитрифицирующие бактерии; линдан и дильдрин увеличивали численность аммонифицирующих, а атразин - нитрифицирующих бактерий. В первое время после обработки пестицидами возрастало количество грибов и гетеротрофных бактерий. Многолетнее применение триазиновых гербицидов увеличивало число выделяемых из почвы видов грибов.

Индифферентное отношение микроорганизмов к пестицидам отмечалось многими авторами. Так, установлено, что в производственных и даже повышенных дозах триазиновые гербициды не влияют на численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов.

В обычно применяемых дозах гербициды, как правило, не токсичны или слабо токсичны для большинства микроорганизмов. Атразин не оказывал существенного влияния на численность почвенных бактерий и грибов. Триазиновые гербициды не изменяли общую численность стрептомицетов при ежегодной в течение 2-3 лет обработке почвы. Количество бактерий не изменялось в почве, однократно обработанной пентахлорфенолом.

Влияние пестицидов на активность отдельных систематических групп почвенных микроорганизмов.Из всех систематических групп микроорганизмов наиболее сильно угнетаются грибы. Отдельные виды родов Penicillium, Fusarium, Humicola. Rhizoctonia, Phytium, Mucor, Rhizopus, Trichoderma подавлялись в наибольшей степени. Из бактерий наиболее устойчивы к пестицидам псевдомонады, коринебактерии, флавобактерии и артробактерии. Многие авторы отмечают перераспределение видового состава выделяемых микроорганизмов после обработки почвы пестицидами. Так, ежегодно внесение в почву гербицида симазина изменяло видовой состав актиномицетов рода Streptomyces в сторону появления новых доминантов, снижался индекс видового разнообразия. Наиболее наглядно влияние препарата было выражено на протяжении первого месяца после внесения. Ежегодно в течение 3 лет внесение гербицида прометрина вызывало перегруппировку в составе высеваемых микроорганизмов в пользу культур, способных расти при дефиците органического вещества. Многолетнее применение триазиновых гербицидов приводило к перегруппировке доминантных форм грибов, число типичных видов уменьшалось, появлялись устойчивые формы.

Некоторые общие закономерности реакции почвенных микроорганизмов на действие пестицидов. В целом можно сформулировать основные типы реакций почвенной биоты на внесение пестицидов, рис. 26. Это могут быть обратимые и необратимые изменения. Значимость этих эффектов может быть оценена при помощи ряда количественных показателей: 1) уровнем значений наибольшей стимуляции или ингибирования; 2) продолжительностью этих эффектов.

Рис. 26. Основные типы «микробного ответа» на внесение пестицидов

Один пестицид может вызывать угнетение, стимуляцию и проявлять индифферентное отношение, Часто один и тот же исследователь наблюдал прямо противоположные эффекты. Причин такому явлению, вероятно, множество, однако не последнее место занимают неодинаковость условий экспериментов и разночтения в трактовке результатов. Определенную сложность в их воспроизведении создают флуктуационные изменения в динамике показателей микробиологической активности, происходящие под влиянием естественных, не связанных с пестицидами факторов. Одни из них касаются связи химической структуры пестицида со степенью токсического воздействия. Эти связи обычно устанавливаются с помощью квантовохимических расчетов и детально разбираются в работах по химической физике биологических систем. Другие аспекты проблемы касаются выявления наиболее чувствительных к пестицидам микробиологических процессов: фиксации атмосферного азота, нитрификации, фотосинтеза, редукции железа и др. Менее чувствительны к действию пестицидов процесс денитрификации, многие ферментативные реакции, а процессы аммонификации и дыхания·почвы занимают промежуточное положение. Можно предположить, что отрицательному действию пестицидов в наибольшей степени подвержены эволюционно более древние организмы - автотрофные и диазотрофные бактерии, генетическая основа которых сформировалась в тот период, когда в биосфере Земли еще не накапливались высокие концентрации внеклеточных физиологически активных органических соединений.

Таким образом, установлено, что наиболее ярко действие пестицидов проявляется при их систематическом применении. Внесенные в производственных дозах пестициды не влияют на почвенные микроорганизмы либо вызывают временное (на 2-3 месяца) подавление наиболее чувствительных форм с последующим восстановлением нормальных признаков и свойств микробиоты, то же касается и ферментативной активности почв. Изменения часто нестабильны во времени. В зависимости от дозы пестицидов изменения могут носить либо обратимый характер, либо закрепляться. Существенно изменяют равновесие в микробной системе при однократном внесении лишь высокие (в 100 и 1000 раз превышающие производственные) дозы пестицидов. Одним из наиболее распространенных следствий многолетнего применения пестицидов является перегруппировка вдового состава микробных сообществ почв.