Вопрос 1. Циркуляция пестицидов в биосфере.

Лекция №4 ПОВЕДЕНИЕ ПЕСТИЦИДОВ В БИОСФЕРЕ

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος – жизнь и σφαῖρα – сфера, шар) – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли. Биосфера проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

В окружающей среде циркулирует 55 000 веществ антропогенного происхождения, пестициды среди них составляют 0,9 %, как загрязнители они занимают среди ксенобиотиков 8...9-е место. Важными особенностями пестицидов, как загрязнителей окружающей среды является их высокая биологичекая активность и токсичность, преднамеренное и систематическое их производство и применение в глобальных масштабах. В связи с этим пестициды неизбежно и систематически поступают в биосферу и включаются в глобальный геоциклический круговорот веществ планеты.

Поступление пестицидов в биосферу происходит следующими путями:

1. целенаправленное их внесение на территории агроландшафтов (поля, хранилища и т.п.);

2. потери при производстве и хранении пестицидов;

3. утилизация неизрасходованных остатков, отходов, тары и т.п.;

4. безхозяйственное отношение.

Пестициды поступают во все основные компоненты биогеоценоза: почву, воздух, воду, организмы живых видов с пищей, водой, воздухом и через кожные покровы.

В окружающей среде пестициды подвергаются разнообразным воздействиям:

• улетучиванию с обработанной поверхности;

• соиспарению с водяными парами;

• термическому разложению;

• фотолизу под воздействием солнечных лучей;

• выносу и метаболизму растениями;

• смыванию осадками и выносу поверхностными и грунтовыми

водами;

• сорбции почвенными коллоидами;

• химическим превращениям в почве;

• гидролизу;

•электрическому воздействию в период гроз;

• разложению микрофлорой.

Циркуляция пестицидов – это их перемещение от мест их изначальной локализации (обработанные посевы, заводы по производству, хранилища и т.п.) в биосфере под действием абиотических и биотических факторов Основными путями распространения пестицидов являются водные и воздушные потоки и трофические цепи биосферы. Передвижение пестицидов в природе подобно рециркуляции в системе открытого типа с постепенным вовлечением все новых и новых территорий. Масштабы перемещения пестицидов очень различны, но в целом они глобальны. Воздушные потоки уносят пары пестицидов на сотни и тысячи километров. Вертикальный водный транспорт пестицидов обуславливает их миграцию в грунтовые воды и в атмосферу при испарении, а горизонтальный – распространение на тысячи километров с потоками ручейков, рек, океаниеских течений.

Безусловно, при контакте объектов живой природы с косной системой (элементами среды обитания: земля, вода воздух) пестициды проникают в их организмы. Перемещаясь по трофическим цепям обитателей суши, от простейших бактерий и грибов до теплокровных травоядных и хищников, или воды (от планктона и водорослей до рыб и земноводных), прослеживается явление биоаккумуляции и биоконцентрации пестицидов в организмах вышестоящего звена трофической цепи. Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы (воды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача), называется биоаккумуляцией. Коэффициент биоконцентрации (Bioconcentration factor) – это отношение концентрации химического вещества в тканях организма к его концентрации в окружающей среде. Устойчивым состояние принимается тогда, когда организм подвергается воздействию вещества достаточно длительное время, а коэффициент биоконцентрации существенным образом не изменяется. Высокий КБК>1000, умеренный 1000>КБК>250, низкий 250>КБК. Для высоколипофильных веществ это перемещение может сопровождаться увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма – звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией. Так, при концентрации стойкого хлорорганического соединения (ДДТ) в воде озера Мичиган 0,0014 мг/л в зоопланктоне содержалось 0,04 мг/кг, в креветках – 0,44, в рыбе – 3,5, в чайках – 100 мг/кг. Ещё пример: в телах хищных птиц концентрация ДДТ в 5-20 раз выше, чем в телах их основных жертв (рыбы, травоядные млекопитающие и птицы), а в теле человека в 30 и 300 раз выше, чем в употребляемых соответственно овощах и мясе. Есть объекты, способные особо сильно накапливать ксенобиотики. Устрицы, помещенные в воду с концентрацией ДДТ 1 мкг/л, за 40 дней увеличили его содержание в своем теле в 70 000 раз.

Несомненно, такое передвижение по пищевым цепям не остается бесследным для здоровья всех элементов биоты. Особую опасность представляют пестициды из-за своего воздействия на полезных насекомых-опылителей. Для биосферы это чревато колоссальными изменениями в составе флоры планеты. Опасность представляет татже их действие на дождевых червей, ракообразных, пауков, муравьев, птиц.

Экотоксикодинамика – раздел экотоксикологиии, рассматривающий конкретные механизмы развития и формы токсического процесса, вызванного действием экотоксикантов на биоценоз и/или отдельные виды, его составляющие.

Механизмы, посредством которых вещества могут вызывать неблагоприятные эффекты в биогеоценозах, многочисленны и, вероятно, в каждом конкретном случае уникальны. Вместе с тем, они поддаются классификации. Так, можно выделить прямое, опосредованное и смешанное действие экотоксикантов.

Прямое действие – это непосредственное поражение организмов определенной популяции или нескольких популяций экотоксикантом или совокупностью экотоксикантов данного ксенобиотического профиля среды.

Опосредованное – это действие ксенобиотического профиля среды на биотические или абиотические элементы среды обитания популяции, в результате которого условия и ресурсы среды перестают быть оптимальными для её существования.

В зависимости от продолжительности действия экотоксикантов на экосистему можно говорить об острой и хронической экотоксичности.

Механизмы экотоксичности.

1. Прямое действие токсикантов, приводящее к массовой гибели представителей чувствительных видов. Применение эффективных пестицидов приводит к массовой гибели вредителей: насекомых (инсектициды) или сорняков (гербициды). На этом экотоксическом эффекте строится стратегия использования химикатов. Однако в ряде случаев отмечаются сопутствующие негативные явления. Так, в Швеции в 1950–60 гг. для обработки семян зерновых культур широко использовали метилртутьдицианамид. Концентрация ртути в зерне составляла более 10 мг/кг. Периодическое склевывание протравленного семенного зерна птицами привело к тому, что через несколько лет была отмечена массовая гибель фазанов, голубей, куропаток и других зерноядных пернатых от хронической интоксикации ртутью.

При оценке экологической обстановки необходимо иметь в виду основной закон токсикологии: чувствительность различных видов живых организмов к химическим веществам всегда различна. Поэтому появление поллютанта в окружающей среде даже в малых количествах может быть пагубным для представителей наиболее чувствительного вида. Так, хлорид свинца убивает дафний в течение суток при содержании его в воде в концентрации около 0,01 мг/л, малоопасной для представителей других видов.

2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию аллобиотических состояний и специальных форм токсического процесса. В конце 1980-х годов в результате вирусных инфекций в Балтийском, Северном и Ирландском морях погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диелдрин, обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их накопление в организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели животных, поллютант существенно повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических факторов.

Классическим примером данной формы экотоксического действия является увеличение числа новообразований, снижение репродуктивных возможностей в популяциях людей, проживающих в регионах, загрязненных экотоксикантами (территории Южного Вьетнама – диоксин).

3. Эмбриотоксическое действие экополлютантов. Хорошо установлено, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др., приводит к истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции птиц.

Примеры токсического действия различных ксенобиотиков (в том числе лекарственных препаратов) на эмбрионы человека и млекопитающих широко известны.

4. Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом. Полевые наблюдения за живородящими рыбами (карпозубые) в штате Флорида позволили выявить популяции с большим количеством самок с явными признаками маскулинизации (своеобразное поведение, модификация анального плавника и т.д.). Эти популяции были обнаружены в реке ниже стока завода по переработке орехов. Первоначально предположили, что стоки содержат маскулинизирующие вещества. Однако исследования показали, что такие вещества в выбросах отсутствуют: сточная вода не вызывала маскулинизацию. Далее было установлено, что в сточных водах содержался фитостерон, (образуется в процессе переработки сырья), который, попав в воду реки, подвергался воздействию обитающих здесь бактерий и превращался при их участии в андроген. Последний и вызывал неблагоприятный эффект.

Таким образом, взаимодействие ксенобиотика с биотическим компонентом среды (микроорганизмы) может стать причиной существенных популяционных эффектов в биоценозе.

5. Опосредованное действие путем сокращения пищевых ресурсов среды обитания. Для борьбы с вредителями лесного хозяйства, гусеницами елового листовертки-почкоеда, в одном из регионов Канады применили фосфорорганический пестицид, быстро деградирующий в среде. В результате резкого снижения числа гусениц от бескормицы погибло около 12 млн птиц.

6. Взрыв численности популяции вследствие уничтожения вида-конкурента. В США после начала применения синтетических пестицидов для борьбы с некоторыми видами вредителей растений стали интенсивно размножаться малочисленные ранее виды клещей-хлопкоедов. Количество опасных видов таких клещей увеличилось с 6 до 16. Это явление объясняют тем, что в мире насекомых существует сложная система взаимоотношений, и количество особей в популяции растительноядных насекомых зачастую контролируется другими видами, которые либо паразитируют на этих насекомых, либо ведут себя по отношению к ним как хищники. Воздействие пестицидов может оказаться более выраженным на представителей видов-хищников. В итоге – гибель врагов приводит к взрыву численности растительноядных насекомых.

Многие токсиканты способны оказывать как прямое, так и опосредованное, т.е. смешанное действие. Примером веществ, обладающих смешанным механизмом экотоксического действия, являются, в частности, гербициды 2,4,5-Т и 2,4-Д, содержащие в качестве примеси небольшое количество 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксин (ТХДД). Широкое использование этих веществ американской армией во Вьетнаме нанесло значительный ущерб растительному, животному миру страны и непосредственно здоровью людей.

По С.А. Куценко (2002), экотоксичность – это способность данного ксенобиотического профиля среды вызывать неблагоприятные эффекты в соответствующем биоценозе. Неблагоприятные экотоксические эффекты, как отмечает этот же автор, целесообразно рассматривать:

– на уровне организма (аутэкотоксические) – проявляются снижением резистентности к другим действующим факторам среды, понижением активности, заболеваниями, гибелью организма, канцерогенезом, нарушениями репродуктивных функций и т.д.;

– на уровне популяции (демэкотоксические) – проявляются гибелью популяции, ростом заболеваемости, смертности, уменьшением рождаемости, увеличением числа врожденных дефектов развития, нарушением демографических характеристик (соотношение возрастов, полов и т.д.), изменением средней продолжительности жизни, культурной деградацией;

– на уровне биогеоценоза (синэкотоксические) – проявляются изменением популяционного спектра ценоза вплоть до исчезновения отдельных видов и появления новых, не свойственных данному биоценозу, нарушением межвидовых взаимоотношений.

Попадая в окружающую среду пестициды подвергаются разложению. Некоторая часть пестицидов может подвергнуться консервации в донных отложениях водоемов. При обработке против малярийного комара болот препаратом ДДТ (0,2 кг/га) в донных отложениях остатков пестицида содержалось в 66 раз больше, чем в воде; в моллюсках – в 144, в рыбах и растениях – в 1500 раз.

От источников загрязнения пестициды и продукты их полураспада мигрируют на более или менее отдаленные расстояния.

Масштабы загрязнения окружающей среды и циркуляции в ней конкретно взятого вещества зависят

1. от физико-химических свойств (растворимости и летучести), биологической активности вещества (кумулятивных свойств в живых объектах) и скорости миграции предопределенной путем миграции (водный, воздушный, биологический и антропогенный);

2. от физико-химических свойств препарата, его стойкости и темпов распада в конкретно сложившейся ситуации, способствующей или препятствующей распаду пестицидов и их выводу из системы природной рециркуляции.

Исходя из этого особую опасность для биосферы представляют высокоактивные, мобильные и одновременно стойкие вещества, темпы распада которых ниже темпов поступления в биосферу. Количство таких соединений в природных объектах со временем увеличивается и они распространяются во все более отдаленные регионы.

В зависимости от этого выделяют формы действия пестицидов на биосферу:

1. локальное действие. Непосредственно на вредные организмы, воду и почву в местах применения

2. последействие ближайшее (до 3-х лет)

3. последействие отдаленное. Характерно для стойких препаратов, способных мигрировать по бассейнам рек, грунтовым водам (длительность 3-5 лет).

4. последействие весьма отдаленное (глобальное). Охватывает планету в целом, включает сушу, моря и океаны, атмосферу.

Типичным примером глобального последействия является результат применения стойких инсектицидов группы ХОС. В Антарктиде будущим поколениям сохраняется 2300 тонн ХОС.