Сельскохозяйственное загрязнение почв

1.3.1.Загрязнение почв пестицидами  и охрана почв от загрязнения пестицидами

Пестициды - это в основном органические соединения с малым  молекулярным весом и различной  растворимостью в воде.

Почва выступает в качестве преемника пестицидов, где они  разлагаются и откуда постоянно  перемещаются в растения или окружающую среду, либо в качестве хранилища, где  некоторые из них могут существовать много лет спустя после внесения.

К пестицидам (от лат. реstis - зараза, caedo - убиваю) относится комплекс химических препаратов, предназначенных  для борьбы с животными и растениями - это различные инсектициды, гербициды, фунгициды и т.п. Подобные вещества в больших количествах поступают  почти во все экосистемы.

В зависимости от характера  использования пестициды разделяются  на следующие группы:

Гербициды - для борьбы с  сорными растениями

Арборициды - для уничтожения  нежелательной древесной и кустарниковой  растительности

Фунгициды - для борьбы с  грибными болезнями растений

Бактерициды - для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями

Инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми

Акарициды - для борьбы с  клещами

Зооциды - для борьбы с  грызунами

Нематоциды - для борьбы с  круглыми червями

Афициды - для борьбы с  тлями и   другие.

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

Применение пестицидов, прежде всего, направлено на уменьшение вредных  организмов и повышение урожайности сельскохозяйственных культур, резко снижает потери урожаев сельскохозяйственных культур, сокращает затраты в сельском хозяйстве в 2-3 раза. Ведь, по данным Л.Д. Воронова (1977), убытки в результате вредителей в среднем составляют 14 %, болезней - 12 % и зарослей бурьяном - 9 %. ( 3)

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.

           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 легкогидролизуемых 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.

            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. (3)

          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.

              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.

               Передвижение пестицидов в почве происходит с почвенным раствором или одновременно с перемещением коллоидных частиц, на которых они адсорбированы. Это зависит как от процессов диффузии так и массового тока (разжижение), которые представляют собой обычный способ вымывания. При поверхностном стоке, вызываемом осадками или орошением, пестициды передвигаются в растворе или суспензии, скапливаясь в углублениях почвы. Данная форма передвижения пестицидов зависит от рельефа местности, эродированности почв, интенсивности осадков, степени покрытия почв растительностью, периода времени, прошедшего с момента внесения пестицида. Вымывание пестицидов по профилю почв заключается их передвижении вместе с циркулирующей в почве водой, что обусловлено в основном физико-химическими свойствами почв, направлением движения воды, а также процессами адсорбции и десорбции пестицидов коллоидными частицами почвы.

            На пестициды, попавшие в почву, оказывают влияние различные факторы как в период их эффективности, так и в дальнейшем, когда препарат уже становится остаточным. Пестициды в почве подвержены разложению, обусловленному небиотическими и биотическими факторами и процессами.

           Физические и химические свойства почв влияют на преобразования, находящихся в ней пестицидов. Так глины, окислы, гидроокислы и ионы металлов, а также органическое вещество почвы выполняют роль катализаторов во многих реакциях разложения пестицидов. Гидролиз пестицидов идет при участии грунтовой воды. В результате реакции со свободными радикалами гумусовых веществ происходит изменение составных частиц почвы и молекулярного строения пестицидов.

                Во многих работах подчеркивается большое значение почвенных микроорганизмов в разложении пестицидов. Существует очень мало действующих веществ, не разлагающихся биологическим путем. Продолжительность разложения пестицидов микроорганизмами может колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев, а иногда и десятков лет, в зависимости от специфики действующего вещества, видов микроорганизмов, свойств почв. Разложение действующих веществ пестицидов осуществляется бактериями, грибами и высшими растениями. (4)

Последствия применения пестицидов

Последствия неумеренного применения пестицидов могут быть самыми неожиданными, а главное - биологически непредсказуемыми; на смену одним видам вредных  организмов часто приходят другие, которые вырабатывают иммунитет  и способны выживать даже после самых  эффективных обработок. Для преодоления  иммунитета устойчивых особей к пестицидам приходится увеличивать дозы препаратов, что усиливает опасность загрязнения  окружающей среды. Вследствие миграции пестицидов с воздушными, водными  потоками ила биологического круговорота  веществ последствия их токсического действия могут обнаруживаться на территории, где химикаты никогда не применяли.