Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.
Раздел 4. Загрязнение водных экосистем
20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах
20.3. Пестициды
Пестициды – необходимый компонент современного сельского
хозяйства. Мировые потери урожая от болезней, вредителей, сорняков составляют:
Зерновых – 510 Мт;
Сахарной свеклы – 569 Мт;
Сахарного тростника – 567 Мт;
Картофеля – 129 Мт
Без применения пестицидов урожайность в мире бы снизилась
Для картофеля – на 37%;
Для капусты – на 22%;
Для яблок – на 10%;
Для персиков – на 9%.
Для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных
культур сначала использовали вещества, содержащие тяжелые металлы, такие, как
свинец, мышьяк и ртуть. Эти неорганические соединения называют пестицидами
первого поколения.
Современные пестициды представляют собой большую группу
органических веществ, токсичных для разного рода нежелательных организмов. По
механизму биологического действия они подразделяются на:
зооциды; инсектициды; эпициды; акарициды; родентициды; лимациды;
нематоциды; фунгициды; бактерициды; гербициды; дефолианты; дефлоранты; десиканты
(для высушивания листьев на корню); фумиганты (для окуривания угодий или
помещений); ретарданты (для регуляции роста и развития растений); репелленты
(для отпугивания насекомых, грызунов); аттрактанты (для привлечения насекомых с
последующим уничтожением).
Сегодня в мире в среднем на 1 га наносится 300 г химических
средств защиты растений.
Оказалось, что использование органических пестицидов связано
с целым рядом проблем. Их можно разделить на четыре категории:
- развитие устойчивости у вредителей;
- возрождение вредителей и вторичные
вспышки численности;
- рост затрат;
- нежелательное воздействие на
окружающую среду.
Успехи применения пестицидов в 1950-70-е годы вызвали интерес
к использованию аналогичных методов в водном хозяйстве. Стали исследовать возможность
применения гербицидов, альгицидов, моллюскицидов, ихтиоцидов и других биоцидов
для подавления или сокращения численности «сорных» и «вредных» гидробионтов.
Неприятной неожиданностью стало то, что в водных экосистемах отрицательные
последствия применения пестицидов оказались даже резче и острее, чем в
экосистемах наземных.
ДДТ
В поисках средства борьбы с вредителями швейцарский химик
Пауль Мюллер начал систематически изучать воздействие некоторых органических
веществ на насекомых в 1930 г. К 1938 г. он натолкнулся на
дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ), который впервые был синтезирован еще в
1874 г.:
ДДТ неожиданно стал долгожданным «чудо-оружием», веществом,
чрезвычайно токсичным для насекомых и относительно безвредным для человека и
других млекопитающих. Он обладал широким спектром действия, т.е. его можно
успешно использовать против очень многих видов насекомых-вредителей. Кроме
того, ДДТ оказался стоек, т.е. с трудом разрушался в окружающей среде и
обеспечивал продолжительную защиту от вредителей. Это его свойство давало
дополнительную экономию, так как отпадала необходимость в затратах труда и
материала на неоднократные обработки. Фермеры смогли отказаться от других,
более трудоемких методов борьбы, в частности, севооборота и уничтожения
остатков прошлогодних культур. Еще одним положительным качеством ДДТ стала
дешевизна его производства. В разгар использования ДДТ в начале 1960-х г. фунт
препарата стоил не более 20 центов (Небел, 1993).
В первое время ДДТ был настолько эффективен, что снижение
численности вредителей во многих случаях привело к резкому росту урожаев. Стало
возможным выращивать менее устойчивые к вредителям, но более урожайные сорта,
распространить некоторые культуры в новые климатические зоны, где ранее они
были бы погублены насекомыми.
Мало того, из-за широкого спектра инсектицидного действия ДДТ
стал эффективным средством борьбы с насекомыми, переносящими инфекции. Во время
второй мировой войны его использовали против вшей, распространявших сыпной тиф
среди солдат, находившихся в антисанитарных фронтовых условиях. Благодаря ДДТ
это была первая из больших войн, в которой от тифа погибло меньше людей, чем от
боевых ранений. Всемирная организация здравоохранения распространила ДДТ в
тропических странах для борьбы с комарами и достигла заметного сокращения
смертности от малярии. Вне всякого сомнения, ДДТ спас миллионы жизней.
В 1948 г. Пауль Мюллер, вполне заслуженно, получил за
свое открытие Нобелевскую премию. В 1970-е г. когда выяснилось, что ДДТ
благодаря своей устойчивости быстро накапливается в пищевых цепях и опасен для
людей, использование ДДТ было запрещено в большинстве развитых стран. В бывшем
СССР ДДТ продолжал использоваться в количествах, официально не превышающих ПДК
(для воды/почвы – не более 0,1 мг л–1/кг–1). В настоящее время в биосфере
находится ориентировочно 1 Мт ДДТ (Мазур, 1996).
Поступление пестицидов в
гидросферу и его последствия
Пестициды поступают в водоемы с дождевыми и талыми водами
(поверхностный сток), после авиа- и наземной обработки сельскохозяйственных
угодий, лесов и водоемов пестицидами, с дренажно-коллекторными водами,
образующимися при выращивании хлопка и риса, со сточными водами предприятий,
производящими эти вещества. В составе мирового поверхностного стока содержится
не менее 2 Мт инсектофунгицидов и других пестицидов органической природы,
которыми ежегодно обрабатываются посевы и насаждения сельскохозяйственных
культур.
Использование ПХБ в качестве пестицидов обуславливает
значительно большее загрязнение ими окружающей среды, чем поступление из других
источников. Так, например, доля диоксинов в донных осадках Токийского залива,
попавших туда из-за использования пестицидов, оказалась в 5 выше, чем благодаря
поступлению из других источников (Masunaga, 2003).
Стойкие пестициды (ДДТ и др.) способны к биоаккумуляции. Как
правило, в воде часть их находится в растворенном виде в малых и ультрамалых
концентрациях, порядка нг или мкг л–1 воды, но значительно большая их доля
адсорбирована на неорганических и органических частицах, на поверхности тел
организмов бактерио-, фито- и зоопланктона. Гидробионты-фильтраторы, поглощая
взвеси непосредственно из воды и выедая фито- и бактериопланктон, накапливают
пестициды в своих тканях и передают их в последующие звенья трофических цепей –
рыбам. При отмирании, планктон оседает на дно и загрязняет донные отложения.
Донные отложения служат пищей организмам детритофагам, поедание которых рыбами
бентофагами обеспечивает накопление пестицидов уже в их тканях. Таким образом,
происходит загрязнение пестицидами двух основных подсистем водной экосистемы:
пастбищной и детритной цепей питания.
Эта вероятность концентрирования веществ в достаточно длинных
цепях пресноводной или морской среды представляет наиболее опасное последствие
загрязнения вод пестицидами.
В качестве наиболее известного примера потрясений, вызванных
заражением вод хлорорганическими инсектицидами можно привести катастрофу на
озере Клир-Лейк в Калифорнии. В 1949, 1954, 1957 г. озеро было обработано ТДЕ
(соединение типа ДДТ) с целью уничтожения комаров (Chaoborus astictopus).
Озеро было обработано относительно слабыми дозами ТДЕ (14 мкг л–1).
После распыления препарата его концентрация в планктоне составляла 5 мг кг-1,
т.е., в 30 раз выше. В жировой прослойке и мышцах сомика (Ameirus catus),
выловленного в 1958 г., содержалось соответственно 1700-2375 (в 1000 –
1500 раз выше, чем в воде) и 22-221 мкг кг-1 этого вещества.
Результатом этого стало быстрое уменьшение колонии западных поганок (Aechmophorus
occidentalis) – птиц, населяющих это озеро и потребляющих в пищу только
рыбу. Из 1000 гнездующихся пар после обработки препаратом осталось лишь 30, и
те оказались почти стерильными. В тканях мертвых птиц содержалось до 2500
мг кг–1 ТДЕ, т.е. в 500 раз выше, чем в планктоне и в 15000 раз
выше, чем в воде (Рамад, 1981). Другой пример накопления трех разных пестицидов
в пищевых цепях оз. Онтарио приведен в таблице 36. В таблице 37 приведены
усредненные данные по накоплению ДДТ компонентами озерной экосистемы средних
широт.
Таблица 36
Содержание пестицидов в организмах в
озере Онтарио (мкг кг-1 сухого веса/л) (Allan, 1991)
|
ДДТ
|
Мирекс
|
Линдан
|
Вода
|
0,3-57
|
0,1
|
0,4-11
|
Донные осадки
|
25 000-218 000
|
144 000
|
46 000
|
Бентос
|
440 000-1 088 000
|
41 000-228 000
|
?
|
Планктон
|
63 000-72 000
|
12 000
|
12 000
|
Рыбы
|
620 000-7 700 000
|
50 000-340 000
|
2 000-360 000
|
Яйца птиц
|
7 700 000-34 000 000
|
1 800 000-6 350 000
|
78 000
|
Таблица 37
Биологическое концентрирование ДДТ в пресноводных экосистемах
(Jшrgensen, 1992)
Компонент
|
Концентрация ДДТ,
мг кг–1 сх. в.
|
Коэффициент накопления
|
Вода
|
0,000003
|
1
|
Фитопланктон
|
0,0005
|
160
|
Зоопланктон
|
0,04
|
13 000
|
Мелкие рыбы
|
0,5
|
167 000
|
Крупные рыбы
|
2
|
667 000
|
Рыбоядные птицы
|
25
|
8 500 000
|
Понятно, что аккумуляция пестицидов происходит не только в
пресноводных экосистемах, но и в океанских. В качестве примера могут служить
концентрации трех пестицидов и коэффициенты их накопления в тихоокеанских
животных (см. таблицы 38, 39).
Таблица 38
Средняя
концентрация в морской воде и гидробионтах (мкг кг-1)
хлорированных углеводородов в Тихом океане (Израэль, 1989)
Объект
|
ПХБ
|
ДДТ
|
Линдан
|
Океанская вода
|
0,04-0,59
|
0,006-0,48
|
0,52-8,2
|
Зоопланктон
|
1,8
|
1,7
|
0,26
|
Миктофиды[24]
|
48
|
43
|
2,2
|
Кальмары
|
35-95
|
16-28
|
0,93-1,5
|
Полосатый дельфин
|
2800-4100
|
4200-6000
|
48-89
|
Таблица 38
Коэффициент
накопления хлорированных углеводородов в Тихом океане (Израэль, 1989)
Объект
|
ПХБ
|
ДДТ
|
Линдан
|
Зоопланктон
|
6,4 103
|
1,2 104
|
1,2 102
|
Миктофиды
|
1,7 105
|
3,1 105
|
103
|
Кальмары
|
2,4 105
|
1,6 105
|
5,2 102
|
Полосатый дельфин
|
1,3 107
|
3,7 107
|
3,7 104
|
Надо отметить, что ПХБ накапливаются и в организмах типичных
сухопутных животных (Hoekstra, 2003). Постоянное накопление в воде
хлорорганических пестицидов представляет серьезную угрозу для жизни не только
животных, но и людей (см. таблицу 40).
Таблица 40
Концентрации
ДДТ (мг кг–1 сх. в.) (Jшrgensen, 1992)
Объект
|
Концентрация
|
Атмосфера
|
0,000 004
|
Дождевая вода
|
0,0002
|
Атмосферная пыль
|
0,04
|
Возделываемые почвы
|
2,0
|
Пресная вода
|
0,00001
|
Морская вода
|
0,000001
|
Трава
|
0,05
|
Водные макрофиты
|
0,01
|
Фитопланктон
|
0,0003
|
Наземные беспозвоночные
|
4,1
|
Водные беспозвоночные
|
0,001
|
Пресноводные птицы
|
2,0
|
Морские птицы
|
0,5
|
Глотатели
|
2,0
|
Травоядные млекопитающие
|
0,5
|
Хищные млекопитающие
|
1,0
|
Человеческая пища, растительная
|
0,02
|
Человеческая пища, животная
|
0,2
|
Человек
|
6,0
|
|