Воздействие пестицидов на экосистемы

Воздействие человека на окружающую среду в XX в. приобрело глобальные масштабы. С одной стороны, это приводит к изменению климата планеты в результате потепления (парниковый эффект), с другой – разрушению природных экосистем, преобразованию ланд­шафтов и мощному загрязнению различными поллютантам, среди кото­рых не последнее место занимают пестициды. В общем, по мнению многих ученых, можно говорить о надвигающемся экологическом кризисе, имея в виду, необратимое разрушение природных экосистем и значительное сокращение видового разнообразия биоты.

Экологические кризисы происходили на Земле регулярно. Они были вызваны геологическими кризисами, периодичность которых 180 и 30 млн. лет, вероятно, связана с обращением Солнечной системы вокруг центра Галактики. Наиболее детально изучен меловой биоценотический кризис, после которого сформировался современный облик биосферы.

При резких, глобальных изменениях климата во время геологических кризисов в первую очередь исчезали узкоспециализированные доминантные виды. Это приводило к лавинообразному вымиранию большого числа видов на всех трофических уровнях и быстрому распаду экосистем на огромных пространствах, которые заселялись видами пионер­ных ассоциаций, экологически пластичными, менее специализированными, слабо конкурентоспособными.

Нарушения экосистем в результате хозяйственной деятельности чело­века уже привели к распаду природных экосистем на громадных площадях и возникновению антропогенных ландшафтов с обедненным составом флоры и фауны. Сюда же можно отнести и интенсивно возделываемые сельскохозяйственные угодья.

Это позволяет предположить, что воздействие человека на природу реально приближает планету к новому биоценотическому кризису. При этом основная опасность видится в непредсказуемости процесса, в результате которого возникнут новые виды с непредсказуемыми свойствами, в том числе вредными для человека. С этой точки зрения совсем в другом свете видится проблема пестицидов в экосистемах. Выступая как мощный и целенаправленный фактор в агроценозах, они сокращают невысокое видовое разнообразие этих экосистем, причем в первую очередь исчезают полезные и индиффе­рентные виды. Результатом этого является снижение межвидовой конкуренции и ослабление регуляции паразитами и хищниками.

Интенсивное применение хлорорганических инсек­тицидов и в, первую очередь ДДТ, во всем мире началось в 40 – 50-х гг. ХХ в., тогда же появились первые комплексные исследования влияния инсектицидов на популяционно-видовые сообщества. Позднее было изучено влияние ДДТ на различные трофические уровни вслед­ствие аккумуляции и передачи препарата по пищевым цепям. Было установлено, что особенно пострадали хищные и водоплавающие птицы. Накапливаясь в организме, ДДТ приводил к снижению плодовитости, увеличению смертности эмбрионов, истончению скорлупы яиц.

Видимо, неслучайно широкомасштабное применение пестицидов в последние 20 – 30 лет сопровождается обвальным увеличением числа резистентных видов.

Резистентностьюнасекомых к инсектицидам называют способность рас или популяций пере­носить дозы токсикантов, которые приводят к гибели большинства особей нормальной популяции вида. Впервые термин «резистентность» был употреблён в 1914 г. Меландером, который наблю­дал устойчивость щитовки Aspidiotus perniciosus на яблонях к опры­скиванию серой в окрестностях Вашингтона.

Например, популяции капустной моли в странах Юго-Восточ­ной Азии резистентны к большому числу хлор-, фосфорорганических, карбаматных и пиретроидных инсектицидов, а также к бензоилмочевинам с высокими и средними показателями резистентности. Резистентность гусениц капустной моли к пиретроидному инсектициду фенвалерату достигла 11 000-кратного уровня.

Резистентность как серьезную проблему начали изучать с конца 40-х гг. в связи с широкомасштабным производством и применением хлорорганических инсектицидов, прежде всею ДДТ. С этого времени ведется мониторинг резистентных популяций членистоногих. В течение последних 30 лет число видов насекомых и клещей, имеющих резистентные популяции, удваива­ется каждые 6 лет. И хотя во многих, в первую очередь развитых, странах принимаются меры по предотвращению развития резистентности, насчиты­вается уже более 500 видов, имеющих популяции, устойчивые к тем или иным инсектицидам.

За более чем 50 лет химической борьбы с вредными членистоногими сменилось несколько «поколений» пестицидов. На смену хлорорганическим пришли фосфорорганические и карбаматные соединения. Последнее де­сятилетие можно назвать «эрой» пиретроидов. Все шире применяются инги­биторы синтеза хитина и аналоги ювенильного гормона, а также биоинсек­тициды (абамектин, токсины Bacillus thuringiensis, препараты на основе нереистоксина). С приходом нового класса соединений высказываются на­дежды, что к новым веществам резистентность развиваться не будет. И каждый раз они не оправдываются.

Наиболее опасные виды, как правило, резистентны к большому числу пестицидов и на большой территории. Они имеют высокую скоростью размножения (несколько поколений в год) и экологически пластичны. А именно эти свойства бла­гоприятны при селекции на устойчивость к пестицидам.

Также резистентность насекомых к инсектицидам возникает за счет изменения чувствительности мишени действия; усиления метаболизма яда ферментами детоксикации; снижения проницаемости покровов; поведенческих особенностей, понижающих степень контакта особи с ядом. По мнению большинства специалистов, первые два фактора наиболее распространены и имеют решающее значение в развитии резистен­тности к инсектицидам.

Действие пестицидов на почвенную микрофлору (фито). Оценки последействия пестицидных обработок довольно противоречивы: от утверждения о стимулирующем влиянии до признания резкого ингибирующего эффекта. Различающиеся результаты, прежде всего, говорят о том, что последствия пестицидных обработок зависят от многих факторов, которые полностью учесть невозможно. В микробиологии мы имеем дело не с одним видом, а с целым комплексом организмов, существенно отличающихся по биохимическим и экологическим характеристикам. Отмеченные труд­ности не позволили выработать единые критерии оценки токсичности пестицидов для почвенных микроорганизмов.

В лесах Литвы однократное применение производственных норм хлоро­фоса и метатиона с помощью авиации не влияло на соотношение основных групп почвенных микроорганизмов. Внесение гербицида каторана в лугово-сероземные почвы Самаркандской области в Узбекистане снизило численность микроорганизмов на 25%, но уже через 20 суток после однократной обработки микробное население почвы восстанавливается.

Рассматриваемый вопрос приобретает особое значение с точки зрения утилизации остатков пестицидов в природных экосистемах. Показано, что почвообитающие микроорганизмы – главные агенты их детоксикации. Микроорганизмы минерализуют, включая в нормальные био­сферные циклы, 10 – 70% общего объема поступающих в природу ксенобиотиков.

Действие пестицидов на почвенную микрофауну (зоо). Роль почвенной микрофауны в минерализации растительных остатков и повышении почвенного плодородия общеизвестна. Последствия применения пестицидов для упомянутого зоокомплекса пахотных земель не одинаковы. Чаще всего токсиканты действуют как ингибиторы, но нередки случаи, когда наблюдается и стимулирующий эффект. Это, прежде всего, объясняется разной токсичностью препаратов. Кроме того, отдельные группы и виды микроартропод отличаются по чувст­вительности к одному и тому же препарату. Считается, что щадящие режимы химических обработок с небольшими нормами расхода пестицидов не оказывают отрицательного действия на почвенную микрофауну.

Между тем, производственные нормы применения инсектицидов хло­рофоса и метатиона заметно влияют на структуру и численность орибатид в лесных дерново-подзолистых почвах Литвы. Первоначально (до года с момента обработки) хлорофос и метатион стимулируют рост численности орибатидных клещей, а затем (иногда в течение нескольких лет) снижают ее. На интенсивность процессов мине­рализации в почве эти препараты влияли слабо.

Наиболее значительные последствия связаны с опосре­дованным влиянием гербицидов на уровне биоценоза в результате структур­ных изменений растительных сообществ. Уничтожение сорняков приводит к сокращению разнообразия фитофагов за счет выпадения видов, питающихся сорняками, а также связанных с ними паразитов и хищников, которые на всех или отдельных стадиях жизненного цикла связаны только с данными видами фитофагов.

Под влиянием гербицидов изменяются свойства местообитания, в первую очередь структура и микро­климатические условия. Кроме того, временно повышается освещенность и уменьшается влажность поверхности почвы, а также увеличивается амплиту­да температур. При этом стенобионтные виды фитофагов и энтомофагов на наиболее чувствительных этапах эмбрионального и личиночного развития не выдерживают этих изменений.

Увеличивается смертность, снижается их численность, падает плотность популяций. Такие нарушения приводят к выпадению ряда видов и упрощению сообществ. Обычно остается небольшое число эврибионтных видов^[15], способных сущест­вовать в изменившихся условиях. Загрязнение гербицидами лесополос и других нецелевых экосистем агроландшафта через нарушение фитоценозов также приводит к обеднению фауны членистоногих.

Ростовые вещества, предназначенные для уничтожения нежелательных трав, кустарников и деревьев, привели к значительному обеднению растительности. Во многих местностях стало невозможным высокопродуктивное пчеловодство (Европа). Также гербициды опасны для пчел. Когда загрязненные гербицидом пчелы возвращаются в свой улей, из-за приобретенного ими постороннего запаха другие пчелы выгоняют их. И вот тогда перед ульем лежат сотни мертвых пчел.

Наблюдалась стимуляция размножения у тли (Macrosiphon pisi) при действии гербицида 2,4-Д, а также ускорение развития гусениц у бабочки (Chilo suprossalis).

Если в плодово-ягодном насаждении применяют гербициды для очистки его от сорняков, то вскоре исчезает трявяной покров или его сменяет моховая подушка из Bruym argeneum var. Lanatum. В результате создается опасность эрозии под действием воды и ветра – возможно не только возникновение эрозии под действие воды и ветра (пески, содержащие гербициды, развеваются ветром), но и образование глубоких промоин по путям стока дождевой воды – вплоть до подмывания ближних склонов.

Пример, плодовый сад в Германии. Уже через два года после начала применения гербицидов при крутизне склона в 2° можно было наблюдать стоковую эрозию до 80 см. Изгородь вокруг плодового сада вследствие эрозии за один год стала на полметра выше.

Благодаря освоению целины в 50-х годах прошлого века, Казахстан стал обладателем крупнейшей пашни мира. С начала распашки целинных и залежных земель было освоено более 36,5 млн. га, что превысило площадь объединенной Германии. Спустя всего полвека над распаханными черноземами Казахстана нависла угроза потери плодородия. За экономическим эффектом первых десятилетий (рекордными урожаями и высокой рентабельностью растениеводства) последовало ухудшение экологической ситуации. И как следствие – снижение урожаев.

Пахота и ветровая эрозия, использование пестицидов, в том числе и гербицидов всего за 20 – 30 лет уничтожили то, что природа создавала на протяжении тысячелетий. Выветривание привело к уменьшению плодородного слоя, ухудшению структуры и водно-физических свойств почв, было утрачено 20 – 30% гумуса и более 20% азота. В результате распашки земель плодородие утратили 8 млн. гектаров, или почти четвертая часть всех освоенных целинных земель Казахстана. Расчеты показывают, что, что из-за деградации и эрозии почвы к 2025 году Казахстан может потерять до 50% своих сельхозугодий. Сегодня Казахстан занимает шестое место в мире по производству зерна.

Последние исследования в Германии показали, что применение гербицидов экономически невыгодно. Соотношение между затратами и пользой от применения гербицидов менее благоприятно, чем при использовании инсектицидов и фунгицидов.

Избирательная токсичность пестицидов. Применение инсектицидов основано на избирательной токсичности в системе «человек – позвоночные животные – растения – вредные и полезны членистоногие». Избирательная токсичность пестицидов дифференцирована на физиологическую и экологическую.

Под физиологической избирательностью понимается ус­тойчивость членистоногих к действию инсектицидов благодаря их спо­собности обезвреживать токсиканты в своем организме с помощью физиологических барьеров (плохая проницаемость покровов, эффективная детоксикация ферментами, видовая устойчивость нервных узлов, быстрый вывод инсектицидов и продуктов их метаболизма из организма и т.п.).

Экологическая избирательность – это устойчивость к инсектицидам, благодаря экологическим особенностям членистоногих, позволяющим избежать попа­дания препарата в результате укрытия в недоступных нишах, разного времени суточной и календарной активности, нахождения в неуязвимой фазе развития, разного отношения к теплу, свету, влаге и т.п. Биоэкологические особенности членистоногих из разных систематических групп позволяют находиться вредителям в уязвимом, а энтомофагам – в недоступном для токсиканта состоянии.

Известны примеры физиологической устойчивости энтомофага к инсек­тицидам. Так, установлено, что холинэстераза златоглазки и семиточеч­ной коровки гораздо устойчивее к действию хлорофоса по сравнению с холинэстеразой злаковой тли. Инсектициды эмифос и сафос токсичны для тлей и нетоксичны для их энтомофага – семиточечной коровки.

Рассмотрим примеры экологической избирательности. В отношении членистоногих травяного яруса наблюдается следующее. Сразу после опыливания или опрыскивания инсектицидами происходит умень­шение численности членистоногих на 30 – 100%. Срок восста­новления их исходной или контрольной численности определяется, главным образом, размером обработанной площади. Если обработаны небольшие делянки 50х50 м, участки леса 0,5 – 3 га, поля сельскохозяйственных культур до 15 га, то восстановление исходной фауны происходит через 10 – 15 дней, главным образом за счет миграции с соседних необработанных участков.

Аналогичные данные получены по весеннему авиаопрыскиванию мине­рально-масляной эмульсией ДДТ с расходом 2,2 кг/га (по действующему веществу) в кедрово-пихтовых древостоев на площади в несколько десятков гектаров. Здесь, несмотря на 90% гибель теленомуса^[16], низкая численность которого прослежена в течение 40 дней, при осеннем учете все яйца сибирского шелкопряда в количестве 100 – 300 на дерево были заражены упомянутым паразитом.

В отличие от небольших участков, при обработке лесных массивов, даже колочного характера, но расположенных компактно, общей площадью 3 тыс. га, наблюдалось уменьшение численности мух, одиночных пчел, божьих коровок на 70 – 90%. Их численность не восстанавливалась в течение двух месяцев наблюдений.

При авиаобработке лесных массивов в несколько сотен гектаров с исполь­зованием фосфорорганических инсектицидов способом опрыскивания через 3 дня после обработки отмечено уменьшение численности насекомых травя­ного яруса восьми отрядов в 2 – 7 раз. Даже спустя 2 месяца их численность восстановилась не полностью. При опыливании дустом ДДТ происходит полная гибель летающих паразитов, сосновой пяденицы, числен­ность которых не восстанавливается до конца вегетационного периода.

Для сохранения наибольшего количества полезных членистоногих, важен ранний срок применения инсектицидов. Например, обработка дубрав до распускания листьев уменьшает гибель полезных насекомых в 10 раз по сравнению с обработками после распускания листьев.

Миграция пестицидов по трофическим цепям. В процессе вегетации, хранения и консервации культурных растений концентрация пестицидов в пищевых продуктах и фураже снижается до безопа­сного для человека и сельскохозяйственных живот­ных уровня. В естественных условиях дикие живот­ные вынуждены обитать в загрязненной пестици­дом среде в течение всего периода его сохранения, когда и происходит его дальнейшее распространение по трофическим цепям.

Отдельные виды животных часто вымирают вследствие необратимых изменений популяционной структуры. Наиболее важным звеном в трофических цепях наземных экосистем являются мелкие млекопитающие. Любое снижение их продуктивности изменяет функционирование экосистемы в целом. Большинство видов мелких млекопитающих является фитофагами, ими потребляется до 35% первичной продукции фитоценоза, они выполняют роль вторичных продуцентов, полностью обеспечивая пищевые потребности животных высших трофических уровней.

При изучении распределения пестицидов в различных экосистемах определяется степень загрязнения отдельных звеньев трофической цепи. В этом отношении много сделано применительно к водным экосистемам.

Первые работы такого рода были проведены в Калифорнии. Озера обрабатывали ДДТ в борьбе с комарами в 1949 г, в дозе 0,14 мг/л, в 1952 и 1951 гг. в дозе 0,02 мг/л. В 1959 г. в планктоне было обнаружено 5,8 мг/кг ДДТ. Карпы, добытые в этом озере, уже содержали 22 – 25 мг/кг, а хищные рыбы до 2500 мг/кг, что в 125 тыс. раз превышало концентрацию препарата в воде. После 3-й обработки отмечалась массовая гибель рыбоядных птиц. В трупах погибших птиц было обнаружено до 1600 мг/кг упомянутого препарата.

В лесном биоценозе после обработки ДДТ в коре ильма было обнаружено 242 мг/кг, в листве – 206, в почве – 298, в дождевых червях – 86,7 мг/кг этого препарата. Через 2 года после обработки количество ДДТ в дож­девых червях (64,8 мг/кг) превышало его содержание в почве (31 мг/кг). Все исследованные субстраты являлись звеньями пищевых цепей птиц: загря­зненная почва и листья – дождевые черви – птицы; загрязненная кора – насекомые, обитающие под корой, – дятловые. Концентрируясь в тканях беспозвоночных, пестициды проникают в организм насекомоядных позвоночных.

Урожаи плодовых и ягодных культур при их полном опылении пчелами возрастают на 30 – 40%, дынь и тыкв – в 2 раза и более. Размещение ульев в садах, обеспечивающее многократное посещении цветков яблони пчелами, положительно сказывается на образовании полноценных завязей, средней массе плодов, количестве и всхожести семян, жизнеспособности сеянцев яблони.

Несмотря на разнообразные меры по предотвращению отравления пчел, потери от гибели и косвенного урона продолжают расти. При отравлении пчел наиболее общим симптомом является появление в улье больных и мертвых особей. Естественной считается гибель в семействе до 100 пчел в день, 500 – 900 экземпляров – средняя смертность, более 1000 пчел в день – высокая. Но, кроме смертности, при отравлении обычный симптом – агрессивность. Когда пчелы гибнут, рабочие особи почти всегда становятся «кусачими». Это наблюдается при обработках линданом и фосфорорганическими инсектицидами. ДДТ и другие хлорорганические препараты вызывают оцепенение, паралич, ненормальные отрывистые и вращатель­ные движения. Выделение нектара из зобика наблюдалось при отравлении ФОСами. В этих случаях перед ульями можно видеть влажную, липкую массу мертвых и погибающих пчел.

Пчелы-сборщицы без видимого вреда для себя способны заносить в гнезда многие неорганические и органические контактно-кишечные инсектициды в высоких концентрациях. При содержании пчелиных семей на кормах, собранных с обработанных медоносных культур, как правило, наблюдается хроническое отравление пчел, ведущее к резкому ослаблению семей и к повышенной восприимчивости отдельных особей к различным болезням. При искусственном и естественном заносе пчелами в мед с обработанных цветущих медоносов гексахлорана и севина, пестициды сохраняются в меде более 10 месяцев хранения, независимо от температуры.

Изучение действия пиретроидов при отравлении пчел показало, что небольшие дозы этих препаратов могут нарушать течение процессов метаболизма у насекомых уже в первые часы воздействия пестицидами. Однако, высокая токсичность пиретроидов в лабораторных условиях и их относительная безвредность в поле, связана с низкими нормами расхода и особенностями поведения пчел на обработанных растениях, что позволяет избежать опасности интоксикации, к тому же высокая репелентная активность пиретроидов вынуждает пчел покидать обработанные участки. Вновь они начинают их посещать не раньше, чем через сутки, что значительно снижает опасность отравления.

Медоносная пчела сейчас в подавляющем большинстве содержится в контролируемых человеком условиях. И в случае грамотного и скоординированного управления всеми мероприятиями по защите растений и пчел, всегда можно свести к минимуму негативные воздействия пестицидов. Главными направлениями снижения ущерба для одиночных пчел и шмелей следует считать:

· отдаленные сроки химобработок от периода цветения;

· быстроразлагающиеся инсектициды;

· мало- или неопасные для опылителей препараты;

· альтернативные экологически способы защиты растений и ведения сельского хозяйства;

· использование гормональных препаратов высокой специфичности, феромонов для привлечение и отлова вредных насекомых, а также вирусные и грибковые препараты.