Экология/Экологический мониторинг

Д.б.н. Нуржанова А.А., д.б.н. Сейлова Л.Б.

Институт биологии и биотехнологии МОН РК,

Казахский национальный педагогический университет им.Абая, Алматы

РАСТЕНИЯ КАК ИНСТРУМЕНТЫ ДЕТОКСИКАЦИИ ПЕСТИЦИДОВ

Одним из обязательных приемов агротехники является использование пестицидов для защиты сельскохозяйственных растений от вредителей и болезней. Однако основная масса пестицидов подвержена разложению, приводящему к детоксикации либо образованию ядовитых веществ, способных проникать в клетки и вызывать разного рода нарушения, в том числе генетические. Загрязненность почв устаревшими пестицидами характерна для многих регионов Казахстана, и это вызывает экологическую опасность для окружающей среды и здоровья человека. В этой связи представляет несомненный интерес анализ результатов влияния пестицидов на фитоценозы и выявление толерантных видов растений, способных очищать и «оздоравливать» загрязненные территории.

Материалы и методы

Объектами исследований служили разрушенные складские помещения Карасайского района Алматинской области, почва вокруг которых оказалась загрязненной хлорорганическими пестицидами (метаболитами ДДТ и изомерами ГХЦГ – гексахлорциклогексана). Видовую насыщенность фитоценозов изучали на трех экспериментальных участках площадью 100 м², на которых, в свою очередь, методом случайной выборки были отобраны три площадки по 10 м². Для определения способности растений к детоксикации пестицидов использовали почву двух «горячих точек» (1-я, 2-я), в исследования были привлечены представители 11 видов, произрастающих там же – Aegilops cylindrical, Amaranthus tricola, Artemisia annua, A. absinthium, Barbarea vulgaris, Erigeron canadensis, Kochia scoparia, K. sieversiana, Opordon acanhtium, Rumex confertus, Solanum duicamara, Xanthium strumarium.

Отбор почвенных проб и растений, а также содержание пестицидов в почве определяли по стандартной методике [1]. Оценочными критериями служили: 1) уровень снижения пестицидов после эксперимента у каждого вида; 2) уровень фитоэкстракции; 3) степень детоксикации пестицидов в почве после эксперимента.

Результаты исследований

Известно, что в популяциях видов имеет место наследственно закрепленная устойчивость к стрессовым факторам [2,3,4]. Именно она служит материалом для естественного отбора и основой последующего использования в качестве критерия толерантности.

Нами установлено, что уровень загрязнения пестицидами почв, взятых в «горячих точках», оказывает значительное влияние на характер их накопления в тканях растений, о чем наглядно свидетельствуют данные таблицы 1.

Таблица 1

Процент фитоэкстракции, содержание пестицидов и степень детоксикации

в исходной почве

Виды растений	Горячие точки	Величина фитоэкстракции, %	Величина снижения в ризосферной зоне, %	Величина детоксикации в исходной почве, %
Без растений	1		59,25	40,74
	2		58,37	41,63
		Однолетние виды
		Asteraseae
Artemisia annua	1	0,04	64,02	35,95
	2	0,02	64,83	35,15
Ambrosia artemisifolia	1	0,01	52,36	36,36
	2	0,01	63,66	36,33
Xanthium strumarium	1	0,40	39,04	67,30
	2	0,10	31,14	68,85
Erigeron canadensis	1	0,02	63,65	36,33
	2	0,02	62,42	37,56
Artemisia absinthium	1	0,01	53,57	58,38
	2	0,01	54,84	58,38
		Chenopodiaceae
Kochia scoparia	1	0,01	58,74	41,25
	2	0,03	55,74	44,23
Kochia silversiana	1	0,12	62,31	37,57
	2	0,01	59,69	40,30
		Brassicaceae
Barbarea vulgaris	1	0	56,40	40,42
	2	0,01	56,50	43,49
		Amaranthaceae
Amaranthus tricola	1	0,01	58,19	41,89
	2	0	44,64	55,36
		Многолетние виды
		Solanaceae
Solanum dulcamara	1	0,01	49,71	50,28
	2	1,21	19,07	80,00
		Polygonaceae
Rumex confertus	1	0,02	60,86	39,12
	2	0	37,64	62,36
		Poaceae
Aegilops cylindrical	1	0	42,53	57,47
	2	0	56,45	43,55

Уровень фитоэкстракции пестицидов в тканях растущих здесь растений варьировал: в 1-й точке – в пределах 0,01-0,36%, во 2-й – 0,01-1,21%, что находилось в прямой зависимости от исходной загрязненности и биомассы. Так, растения вида Solanum dulcamara накапливали в тканях от 0,01 до 1,21% пестицидов, что напрямую связано с влажностью растительной массы и исходной загрязненностью почвы. Представители вида Xanthium strumarium обладали высокой способностью накапливать в своих тканях до 0,4% пестицидов, что зависело от степени исходной загрязненности почвы. В то же время у видов Aegilops эта способность отсутствовала, о чем наглядно свидетельствует коэффициент фитоэкстракции (0%).

Характерной чертой загрязнителей среды является их способность аккумулировать вредные вещества в надземных органах [2,3,4,5]. Однако наши исследования показали, что у видов Artemisia annua и Xanthium strumarium коэффициент биологического поглощения подземной частью растений оказался на порядок выше надземной. Сделан вывод о том, что основным местом накопления вредные вещества, является корень (корневая система).

Замечено также, что у некоторых, высоко аккумулирующих видов (Artemisia annua, Kochia scoparia и K. sieversiana, Rumex confertus, Erigeron canadensis) способность к накоплению пестицидов в ризосферной части была гораздо выше, чем в эксперименте без растений; у видов Xanthium strumarium, Solanum dulcamara и Aegilops cylindrica, наоборот, несколько ниже.

Следовательно, практически все изученные виды растений оказались способными снижать (иногда в значительной степени) концентрацию находящихся в почве пестицидов: (у однолетних) в 1-й точке – от 27,3 до 58,19%; во 2-й – от 35ю15 до 80,0%; (у многолетних) в 1-й точке – от 36,33 до 58,38%, во 2-й – от 27,56 до 62,36%. В опытах без растений количество пестицидов в почве варьировало в пределах 48,47-59,25%, в то же время уровень некоторых их них снизился естественным путем. Следует обратить особое внимание на поведение растений в почве во 2-й «горячей точке», исходная загрязненность которой изначально была чрезвычайно высокой: ПДК пестицидов в почве превышала сотни раз. Именно в этих условиях некоторые виды растений (Solanum duicamara, Artemisia absintium, Amaranthus tricola, Rumex confertus, Xanthium strumarium) оказались способными максимально снижать первоначальный уровень пестицидов в почве (с 80,0 до 55,35%).

Наряду с переходом пестицидов из почвы в растение, нами замечена их миграция из почвы в песок и керамзит, при этом миграция по профилю почвенной культуры была характерна для всех изученных видов. Так, в местах произрастания Solanum duicamara до эксперимента количество пестицидов в почве составляло 12830,0 мкг, в керамзите - 1825, 8 мкг, однако в песке они не обнаруживались.

После эксперимента содержание пестицидов в почве возросло до 1745,0 мкг, в песке – до 791,3 мкг, в керамзите, наоборот, снизилось до 258,1 мкг. Общее количество пестицидов в почвенной культуре до эксперимента составляло 14655,7 мкг, после – осталось только 2794,4 мкг и напрямую зависело от влажности массы; снижение количества пестицидов достигло 19,06%.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что детоксикация пестицидов происходит благодаря ремедиационной (физиологической) способности растений уменьшать их содержание в почве путем аккумулирования токсикантов в тканях. При этом снижение уровня пестицидов зависит от сорбционных качеств растений, а их аккумуляционная способность – от их биомассы. Выделены перспективные дикорастущие виды с высокой детоксикационной способностью (Aegilops cylindrica, Amaranthus tricola, Artemisia absinthium, Kochia scoparia, Rumex confertus, Solanum dulcamara, Xanthium strumarium), существенно снижающие концентрацию пестицидов в почве по сравнению с исходной загрязненностью на 48-80% (в опытах без растений этот показатель составил 38,4%).

Все перечисленные виды являются так называемым «фитоэкстракторам», причем большая их часть представлена апомиктически размножаемыми растениями, формирующими семена в отсутствии полового процесса. Они являются пионерами мест обитаний, обладают высокими жизне- и конкуренто-способностью, высокой семенной продуктивностью в неограниченном ряду поколений вне зависмости от условий произрастания [6]. Другие виды растений (Artemisia annua, Kochia scoparia, K. Silversiana, Rumex confertus, Erigeron canadensis), увеличивающие концентрацию пестицидов в корневой системе, т.е. ризосфере, были отнесены к «фитостабилизаторам».

Можно предположить, что в процессе адаптации к стрессовым ситуациям дикорастущие растения территорий бывших складских помещений выработали на генетическом уровне особые механизмы полевой устойчивости в виде аккумуляции и транспортировки пестицидов по системе «почва → корень → надземная часть».

Среди способов, обеспечивающих успешную фиторемидиацию, наиболее эффективными безусловно являются фитоэкстракция (накопление загрязнителей в надземных органах) и фитостабилизация (аккумуляция в корневой системе). В свете того, что фиторемидиация, базирующаяся на использовании растений для очистки загрязненных почв, признана ныне в мире как наиболее экономически выгодная и экологически безопасная технология [7], полученные результаты вносят весомый вклад в развитие направления исследований, связанного не только с оценкой качества природной среды, но и технологией восстановления экосистем «горячих точек».

Литература

1. Методические указания по отбору проб сельскохозяйственной продукции и почвы для определения микроколичеств пестицидов и изучения их влияния на биохимические показатели урожая при проведении регистрационных испытаний препаратов. – Алматы-Акмола, 1997. – 22 с.

2. Schnabel W.E., White D.M. The effeсt of mycorrhizal fungi on the fate of aldrin: phytoremediation potential //Int. J. Phytoremediation. 2001. V.3, n. 2. – P.221-241.

3. Нуржанова А .А. Эколого - генетические аспекты токсичности и мутагенеза пестицидов. – Алматы, 2007. – 172 с.

4. Ганиев М. М., Недорезков В. Д. Химические средства защиты растений. — М.: Колос, 2006. — 248 с.

5. Нуржанова А.А., Адрышева С.К., Сейлова Л.Б. Детоксикация пестицидов с помощью растений // Научно-практическая конференция «Валихановские чтения-13». Т.7. – Кокшетау, 2008. – С.154-157.

6. Сейлова Л.Б. Биология индивидуального развития растений. – Алматы: ИП Волкова Е.В., 2012. – 160 с.

7. Нуржанова АА., Сейлова Л.Б. Фитоочистка загрязненных пестицидами территорий // Международная конференция «Окружающая среда и человек: враги или друзья?» (Man and Environment: Enemies or Friends?). – Пущино Московской области, 2011. – С.23-26.

Для конференции «Дни науки-2012» в Чехии