Загрязнения веществами и соединениями, применяемыми в растениеводстве
В современном сельскохозяйственном производстве используется широкий ассортимент химических средств, предназначенных для повышения урожайности, защиты и регуляции роста растений.
5.1.1. Регуляторы роста растений
Регуляторы роста растений (РРР) применяют с целью влияния на процессы роста, развития и жизнедеятельности растений, обеспечения урожайности, улучшения качества, облегчения уборки. К этой группе соединений можно отнести также гербициды, которые вызывают задержку роста и гибель растений, хотя в зависимости от дозы могут проявлять как ингибирующее, так и стимулирующее действие. РРР, в отличие от гербицидов, дают указанный эффект в значительно более низких дозах - граммах и миллиграммах действующего вещества на гектар.
Существующие РРР можно разделить на две группы: природные и синтетические.
Природные РРР - присущие растениям соединения, которые выполняют роль фитогормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен и др. Они не представляют какой-либо опасности для человека, так как в процессе эволюции человеческого организма вырабатывались соответствующие механизмы их биотрансформации.
Синтетические РРР - получают химическим или микробиологическим путем. С физиологической точки зрения являются аналогами эндогенных фитогормонов либо могут оказывать влияние на гормональный статус растений. К этой группе относятся:
- производные сульфонилмочевины;
- азоксофор;
- биферан (предпосевная обработка клубней картофеля);
- кротонолактон (обработка семян риса);
- квартазин (обработка семян ячменя, пшеницы, ржи);
- фумар и т. д.
В отличие от природных синтетические РРР могут оказывать вредное воздействие на организм человека как ксенобиотики. Вместе с тем степень опасности большинства РРР не изучена. Практически отсутствует информация о механизме действия РРР на растительный и животный организмы в плане, как интоксикации, так и стимулирования процессов жизнедеятельности. Имеются единичные сведения о биологической активности производных сульфонилмочевины.
Механизм действия высоких доз РРР заключается в подавлении активности ацетолактатсинтетазы - ключевого фермента на раннем этапе биосинтеза ряда аминокислот. Предполагают, что ростстимулирующее действие низких доз связано с влиянием РРР на эндогенный уровень природных гормонов или непосредственно на клеточные структуры.
РРР используют также для увеличения сроков хранения растительных продуктов, например, картофеля, моркови, лука, репы и т.д. При этом сохраняется водный баланс, вкусовые качества, витамины, минеральные вещества, другие показатели пищевой ценности. Так, обработка посевов сахарной свеклы и моркови за 12-15 дней до уборки 0,3 %-м и 1,5 %-м растворами МГ-натрия, 60 %-м настоем (действующее вещество - гидразин малеиновой кислоты) позволяет продлить срок хранения овощепродуктов до 7 мес, сократить потери сахаристости на 20-25 %, сохранить питательную ценность. Вместе с тем не ясны скрытые механизмы воздействия РРР на обменные процессы растений, предполагается их негативное влияние, возможность которого связана с нарушением внутриклеточного обмена и образования токсичных соединений. Кроме того, остаточные количества РРР в продовольственном сырье и пищевых продуктах могут сами проявлять токсичные свойства. Потенциальная опасность РРР для человека усугубляется стойкостью этих соединений в окружающей среде и продуктах питания.
Основные направления профилактических работ:
1. Применение наиболее безопасной технологии обработки семенного и посадочного материала.
2. Соблюдение определенных условий использования: рН, температура, наличие конкретной микрофлоры, другие факторы, влияющие на стабильность и активность РРР.
3. Накопление банка данных РРР по их экологической безопасности и степени опасности для человека.
4. Разработка доступных методов определения остаточных количеств РРР и методических подходов к оценке токсичности.
5.1.2. Удобрения
Применение удобрений в сельском хозяйстве имеет важное значение для управления плодородием почв, повышения урожайности и пищевой ценности сельскохозяйственных культур. Нарушение агрохимических и гигиенических регламентов применения удобрений приводит к чрезмерному накоплению их в почве, растениях, они загрязняют продовольственное сырье и пищевые продукты, оказывая тем самым токсическое действие на организм человека.
В зависимости от химического состава различают удобрения азотные, фосфорные, калийные, известковые, микроудобрения, бактериальные, комплексные и др. Условно их можно подразделить на минеральные и органические. Необходимость в удобрениях объясняется тем, что естественный круговорот азота, фосфора, калия, других питательных для растений соединений не может восполнить потери этих биоэлементов, уносимых из почвы с урожаем.
Азотные удобрения. В зависимости от формы соединения азота существуют:
- аммиачные - азот присутствует в виде свободного аммиака (жидкий, водный и безводный);
- аммонийные - азот представлен ионом аммония (сульфат аммония);
- нитратные - азот находится в составе остатка азотной кислоты (натриевая и кальциевая селитры);
- аммонийно-нитратные - содержат азот в аммонийной и нитратной формах (аммиачная селитра);
- амидные - представлены мочевиной - амидом карбаминовой кислоты, превращающимся в почве под воздействием уреазы бактерий в углекислый аммоний.
К медленнодействующим азотным удобрениям относятся мочевино-фор-мальдегидные, мочевино-альдегидные, изобутилдиенди-мочевина, оксамид и др.
Азот играет важную роль в жизнедеятельности растений в качестве компонента белков, нуклеиновых кислот, витаминов, других биологически активных веществ.
Нитратная форма удобрений в допустимых дозах способствует образованию в растениях аскорбиновой кислоты и кальция, аммонийная - фосфора.
Фосфорные удобрения. Различаются количеством оксида фосфора Р2О5. Один из самых распространенных видов - суперфосфат. Накопление в почве и растениях большого количества Р2О5 тормозит протекающие в них биологические процессы.
Калийные удобрения - калийная соль (хлористый калий), калиймагнезиальное удобрение (КСl + NaCl + MgSO4), калийно-аммиачная селитра (KNO3+ NH4Cl) и др. Калий не входит в органический состав веществ растений, но он активно участвует в углеводном и белковом обменах.
Микроудобрения - необходимы для обогащения почвы микроэлементами. Наибольшее распространение получили борные, молибденовые, медные, марганцевые, цинковые, кобальтовые.
Комплексные удобрения - содержат комплекс питательных для растений элементов (фосфорно-азотные, фосфорно-калийные).
Органические удобрения. Играют важную роль в улучшении плодородия почв с низким содержанием гумуса, а также тяжелых почв с непрочной структурой. С экскрементами коровы за год выделяется 46 кг азота, 27 кг Р2О5, 67 кг К2О, свиньи соответственно - 62,45 и 28 кг.
Нарушение гигиенических правил использования удобрений, особенно неорганической природы, приводит к накоплению большого количества отдельных элементов и их соединений в почве и сельскохозяйственном сырье, создает проблему загрязнения пищевой продукции. Типичным примером может служить проблема нитратов, нитритов и нитрозаминов при неконтролируемом применении азотных удобрений.
Определенную перспективу имеют микробные биоудобрения, получаемые при помощи биологической очистки сточных вод животноводческих комплексов. Путем аэробной переработки производят две фракции удобрений: твердую - осадок первичных отстойников - и биомассу микроорганизмов. Смесь активных микроорганизмов ила с осадками отстойников в соотношении 1 : 1 высушивают при температуре выше 100 0С и получают биоудобрение «Бамил» (биомасса активных микроорганизмов ила). Опыт такой работы имеется на свинооткормочном комплексе «Восточный» Ленинградской области. Ежегодно на этом комплексе по откорму 108 тыс. голов получают до 10 тыс. т биоудобрений, эффективных для многих сельскохозяйственных культур.
По агрохимическим свойствам «Бамил» отличается от других органических удобрений высоким содержанием азота (5 %), фосфора (1,6 %), калия (0,5 %), магния (2 %), кальция (7 %), ряда микроэлементов. Отмечено благоприятное влияние удобрения на биологическую активность почвы. Санитарно-гигиеническая оценка «Бамила» показала полное отсутствие тяжелых металлов, яиц гельминтов, снижение общей микробной обсемененности на 99,9 %, т.е. этот препарат отвечает экологическим требованиям по использованию удобрений.
Вода, выходящая из биопрудов, имеет коли-титр 0,001, микробное число 7000, способна по своему составу стимулировать рост растительности и может быть пригодна для разведения травоядных рыб - карпа и толстолобика.
Одним из новых источников удобрений могут быть отходы флотации угля (ОФУ). Каждый год их накапливается огромное количество. ОФУ имеют сложный состав: в них содержатся минеральные вещества, около 2 % примесей (мелкодисперсный уголь, смолы, масла, флотореагенты), обнаружены тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды, нитрозосоединения. При неправильном сборе и хранении они могут стать источником загрязнения воздушного бассейна, подземных и поверхностных водоисточников.
Проведение комплексных гигиенических исследований показало, что предельно допустимой дозой внесения ОФУ в почву является 3 кг на 1 кг или 10 т/га. При таком варианте ни один из неблагоприятных компонентов отходов, в том числе БП, не поступает в сельскохозяйственные растения, атмосферный воздух и грунтовые воды в количествах, превышающих ПДК, что исключает загрязнение пищевых продуктов, делает ценным и безопасным удобрением.
5.1.3. Сточные воды и твердые отходы,
используемые для орошения и удобрения
Сточные воды (СВ) и твердые отходы получили широкое применение в сельском хозяйстве в качестве источников орошения и удобрения, учитывая дефицит этих источников. Для очистки или переработки сточных вод и твердых отходов используют эффективные методы биотехнологии.
Сточные воды можно условно разделить на следующие виды:
1. Хозяйственно-фекальные. Содержат взвешенные вещества, растворимые минеральные и органические соединения, патогенные возбудители. Они требуют механической и биологической очистки, в отдельных случаях - хлорирования.
2. СВ животноводческих комплексов. Отличаются от предыдущих более высокой концентрацией минеральных и органических соединений, содержат общего азота до 4 г/л и более, фосфора (Р2О2) до 900 и более мг/л, калия (К2О) до 6000 мг/л и более. В стоках могут присутствовать патогенная микрофлора, яйца гельминтов, остаточные количества консервантов, пестицидов, лекарственных препаратов и т. д.
Перед использованием для орошения стоки должны пройти механическую и биологическую очистку. Агрохимические и гигиенические требования предусматривают их разбавление пресной водой с целью доведения общей минерализации до 1,5-2 г/л (не выше), содержания общего азота 150-300 мг/л. Это предупреждает загрязнение почвы и сельскохозяйственных культур токсическими веществами.
3. Промышленные, к которым присоединяются фекально-хозяйственные стоки из бытовых помещений. Представляют наибольшую опасность загрязнения продукции сельского хозяйства. Содержат высокие концентрации самых разнообразных органических и неорганических соединений. Среди промышленных стоков более приемлемы для орошения стоки предприятий пищевой промышленности.
4. Смешанные городские сточные воды содержат комплекс возможных загрязнителей, включая поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Концентрация взвешенных веществ в оросительной воде не должна превышать 3000 мг/л, бихроматная окисляемость воды - 1100-2000 мг кислорода на 1 л, титр кишечной палочки и энтерококка - не менее 1-10 мл/л. Согласно ГОСТ, содержание отдельных веществ не должно превышать, мг/л: общий азот - 120, фосфор - 30, калий - 159. Сумма минеральных солей не должна быть выше 1,5 г/л.
ПАВ являются постоянным химическим ингредиентом очищенных сточных вод, предназначенных для орошения земледельческих угодий. Они обладают способностью накапливаться в почве: их можно обнаружить на глубине 30 м и на расстоянии от 300 м до 3 км от источника загрязнения. Отмечено накопление ПАВ в слое почвы глубиной 0,5 м в количестве до 1 мг/кг при орошении водой, содержащей 2 мг ПАВ на 1 л.
Основная нагрузка в процессе самоочищения почвы от загрязнителей ложится на микроорганизмы. В этой связи обращает внимание способность ПАВ изменять количественный и качественный состав микрофлоры почвы. Имеются данные об ингибирующем действии алкилбензосульфонатов на процесс нитрификации, проявление которого в различных почвах зависит от степени разветвленности алкильной цепи ПАВ. Анионное ПАВ алкилсульфонат натрия угнетает целлюлозоразлагающую активность микроорганизмов. Имеется ряд других примеров отрицательного влияния детергентов на микрофлору почвы.
ПАВ внедряются в пищевые цепочки, загрязняют продовольственное сырье и продукты питания, оказывая неблагоприятное воздействие на здоровье человека. ПАВ способны образовывать в почве нитрозосоединения. В сточных водах, предназначенных для орошения, обнаружено и идентифицировано около 200 ПАВ.
В нашей стране не обоснованы нормативы ПАВ в почве, сельскохозяйственных культурах и продуктах питания, что должно быть предметом целевых исследований органов здравоохранения.
Реиспользование сточных вод получает широкое распространение во всем мире, особенно в аридных и субаридных зонах. Основные доводы - необходимость экономии водных ресурсов, минеральных и органических удобрений, увеличение производства продуктов питания. В нашей стране площади орошаемых СВ земель превышают 200 тыс. га.
Утилизация осадков сточных вод (ОСВ). Эта проблема имеет важное значение, поскольку только в нашей стране на очистных сооружениях накапливается в год до 4 млн. т сухой массы ОСВ. Органическая часть этих осадков представлена протеином, другими азотсодержащими веществами, жирами, углеводами (лигнин). Осадки содержат микро- и макроэлементы, ряд органических и неорганических токсикантов. Обычными компонентами осадков являются яйца гельминтов, сапрофиты и патогенные бактерии, вирусы, грибы, простейшие водоросли. Несмотря на богатый питательный состав ОСВ, содержание в них тяжелых металлов, других вредных примесей и высокая обсемененность свидетельствуют о необходимости гигиенического регламентирования ОСВ, используемых в качестве удобрений.
Для обеззараживания и дегельминтизации ОСВ применяют термическую обработку. В отношении других токсигенных веществ и соединений используют принцип разбавления, руководствуясь допустимыми нормативами их содержания в почве, воде и сельскохозяйственных растениях. Широко применяют современные биохимические способы очистки, позволяющие получить наиболее доступный и безопасный продукт для его использования в качестве удобрения или кормовой добавки.