Микробиологические аспекты применения гербицидов в сельском хозяйстве

Актуальноств. Успехи современного сельского хозяйства за последние 30−40 лет в значительной степени обусловлены химизацией земледелия. В настоящее время наряду с минеральными удобрениями широко используются химические средства защиты растений — пестициды. Применение последних имело революционизирующее значение в борьбе с вредителями, болезнями и сорной растительностью, что объясняется их высокой агрономической и экономической эффективностью. Суммарный объем производства и применения пестицидов в настоящее время достигает 2 млн.т. Ежегодный прирост применения его в различных странах мира составляет от 6 до 16%. По состоянию на 1980 г. среди химических средств защиты растений 47,4 $ составляют гербициды, а к 1990 г. доля их возрастет до 56% (Грин и др., 1979; Мельников, 1981; Унанянц, 1981).

Гербициды, являясь физиологически активными веществами, используются в дозах 1−10 кг/га и, обладая достаточно высокой стабильностью, циркулируют в округлающей среде от нескольких недель до нескольких лет.

Высокая физиологическая активность и относительная стабильность этих веществ в условиях систематического применения создает исключительно сильный прецедент воздействия человека на природу.

Большая часть гербицидов, используемая для борьбы с сорняками, попадает в почву. Поэтому почва является основным природным депо для гербицидов, местом их взаимодействия с микроорганизмами и основным источником загрязнения других природных сред, кормов и продуктов питания. Вместе с тем почва является единственной средой, для которой содержание гербицидов, так же как и других пестицидов, в большинстве стран не нормировано.

Микрофлора почвы является неотъемлемой частью почвы. Значение её обусловлено той ролью, которую играет она в процессах почвообразования, круговорота веществ и самоочищения биосферы. Поэтому изучение вопросов взаимодействия гербицидов и микроорганизмов вытекает из насущных потребностей сельскохозяйственного производства и задач по охране природы.

Цель настоящей работы — разработать научные основы почвенно-микробиологической оценки токсичности гербицидов и выработать методические подходы для микробиологического мониторинга и прогнозирования последствий применения гербицидов в земледелии. Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи: а) изучить основные закономерности поведения почвенной микрофлоры в ответ на обработку гербицидамиб) разработать микробиологические методы тестирования остатков гербицидов и их фитоток-сичных продуктов трансформациив) выяснить микробиологические факторы деградации наиболее стабильных гербицидов в почвег) установить основные пути, обусловливающие отрицательное действие гербицидов на эффективность бобово-ризобиального симбиоза.

Экспериментальная работа выполнялась в 1965;1980 гг. во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной микробиологии ВАСЯНИЛ лично автором.

В выполнении отдельных разделов исследований принимали участие аспиранты лаборатории микробиологии пестицидов, работавшие под руководством диссертанта: Л. Н. Пароменская, Г. П. Липницкая, В. Г. Масленникова, Л. В. Стати, Е. М. Михайлова, Н. З. Толкачев, И. А. Кузнецова, А. Монейм, М. В. Штальберг, а такке научные сотрудники Е.А.Гав-рилова, А-П.Перцева, Н^Б.Герш, А. А. Шамин. Всем им автор выражает глубокую признательность.

Полевые почвенно-микробиологические и фитопатологические исследования проводились в различных районах СССР в опытах ВНИИ лекарственных растений, Агрофизического института, ВНИИ защиты растений, Всесоюзного института растениеводства, Андинанского филиала СоюзНИХИ, Ленинградского института лесного хозяйства, Степ-но-Ишимской опытной станции по борьбе с эрозией почвы в процессе взаимопомощи и выполнения комплексных работ.

Научная новизна, теоретическое и практическое значение работы.

1. Дано теоретическое обоснование, отобраны показатели и критерии, разработана и апробирована система почвенно-микробиологи-ческой оценки токсичности гербицидов.

2. Установлены основные факторы, обусловливающие отрицательные последствия систематического применения гербицидов на микрофлору и плодородие почвы.

3. Изучены наиболее общие закономерности, характеризующие поведение ассоциации почвенных микроорганизмов в ответ на обработку почвы гербицидами. Развиты представления об «экологических ми— щенях» и теоретически обоснованы методические подходы для микробиологического мониторинга пестицидов и прогноза возможных отрицательных последствий их применения в земледелии.

4. Разработаны альгологические методы определения гербицидовингибиторов фотосинтеза в окружающей среде. Дано теоретическое обоснование, и предложено использование зеленых водорослей и циа-нобактерий для экспресс-микроскриннинга вновь синтезируемых химических соединений.

5. Изучен механизм отрицательного действия гербицидов производных. тиокарбаминовой кислоты, феноксиалканов и сим-триазинов на симбиотические взаимоотношения клубеньковых бактерий и бобовых растений. Обоснованы подходы для отбора гербицидов на посевах бобовых культур.

6. Сформулирована новая концепция, согласно которой разложение пестицидов нерастворимых или плохо растворимых в воде, происходят по типу «микробного обрастания», ограничено поверхностью твердых частиц и обусловлено деятельностью экзоферментов, солюЗи-лизирующих веществ и агрессивных продуктов метаболизма, микроорганизмов.

Выполненные автором работы вошли в «Методические рекомендации по оценкетоксического действия пестицидов на микрофлору почвы», а также в «Рекомендации по применению торфяного нитрагина (ризо-торфина)» .

Результаты исследований были использованы для почвенно-микробиологического обоснования системы противоэрозионных мероприятий на парующей почве зерно-парового севооборота в условиях Северного' Казахстана (Степно-Ишимская опытная станция по борьбе с эрозией почвы), а также при разработке мероприятий по защите от сорняков многолетних плантаций цитрусовых (Сухумская опытная станция ВИР) и лекарственных растений (Московская область, ВШШ?).

Апробация и публикация результатов исследований" Результаты работы по теме диссертации вошли в 2 монографии и опубликованы в 89-научных статьях. По материалам исследований получено 4 автор-. ских свидетельства. С 1965 по 1982 гг. по теме диссертации сделано 45 докладов на Международных, Всесоюзных и региональных совещаниях, конференциях, съездах, симпозиумах.

Объем и структура диссертации" Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, включающих результаты собственных исследований автора, обсуждения результатов, выводов, приложения. Общий объем работы составляет 269 стр. машинописного текста, 50 таблиц и 53 рисунка, а также 14 стр. приложения. Библиография включает 56? наименований, из которых 263 на иностранных языках.

Заключение

.

Важным следствием систематического применения гербицидов является изменение биологических свойств почвы. действие гербицидов на почвенные микроорганизмы имеет прямой и опосредованный (косвенный) характер.

Прямое действие объясняется их бактерицидным, фунгицидным и альгицидным эффектом. Чувствительность отдельных видов микроорганизмов к пестицидам является неодинаковой. В силу этого воздействие пестицидов на микрофлору почвы носит более или менее выраженный избирательный характер. Поскольку ассоциация почвенных микроорганизмов представляет единое целое, то отдельные виды и группы наиболее чувствительных из них можно рассматривать как своего рода «мишени». Отсюда степень и характер изменений потаенно-микробиологических процессов в целом зависят от места микроорганизмов-мишеней в структуре миьшобного сообщества и ме-табиотическом цикле круговорота веществ.

Не вызывает сомнения, что пестициды (особенно малорастворимые в воде) распределяются дискретно и неравномерно по почвенному профилю. Поэтому действие пестицидов на микрофлору почвы имеет микрозональный характер. В результате этого происходит перегруппировка микроорганизмов, где центром формирования микро зон (нового сообщества) являются отдельные частицы пестицидов. При этом по градиенту диффузии пестицидов характер их действия на одни и те же группы микроорганизмов может изменяться от отрицательного к положительному.

Динамика токсического эффекта пестицидов на микроорганизмы имеет вид V-образной кривой. Численность микроорганизмов-" ми-шеней" со временем восстанавливается до контрольного уровня,.

— 17,8 характерного для данного типа почвы. Время восстановления обусловливается токсичностью пестицида и персистентностью его в почве.

Важным результатом повторных многократных обработок почвы пестицидами является снижение видового разнообразия и повышение индекса доминирования. Некоторые наиболее чувствительные виды микроорганизмов надолго «выбиваются» из микробного ценоза почвы.

Косвенный эффект гербицидов на микрофлору связан с изменением технологии механической обработки почвы и перераспределения в ней растительных остатков. При эффективном использовании гербицидов рост сорняков практически полностью блокируется, поэтому роль их как источников энергии и питания для микроорганизмов сводится к нулю.

Систематическое применение гербицидов на многолетних культурах непременно приводит к истощению органического вещества, изменению физико-химических свойств почвы и, следовательно, к деградации почвенного плодородия. Отсюда напрашивается вывод о необходимости периодического внесения в такие почвы органических удобрений в виде навоза, растительных остатков и посева промежуточных и сидеральных культур.

Из всего сказанного вытекает, что последствия применения гербицидов на микрофлору и плодородие почвы можно прогнозировать. Этот прогноз складывается из лабораторной оценки биоцидного эффекта пестицидов и анализа технологического процесса возделывания сельскохозяйственных культур. Исходные данные для такого прогноза представлены на схеме (рис. 3.23).

Рис. 3.23. С-хема, отражающая прямое и опосредованное, действие гербицидов на микрофлору и физико-химические свойства почвы.

4. ГЕРБИЦИДЫ И СИМБИОТИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ С БОБОВЫМИ РАСТЕНИЯМИ.

Гербициды широко используются в посевах бобовых растений для борьбы, с сорняками.

Отличительная черта физиологии бобовых заключается в том, что они растут в симбиозе с клубеньковыми бактериями. Суть этого симбиоза в том, что бактерии, используя энергетический материал растений, фиксируют молекулярный азот, обеспечивая потребности бобовых культур в азотном питании. Характер и эффективность симбиоза зависит от состояния обоих партнеров. Поэтому влияние: тех или иных факторов на одного из них оказывает существенное влияние на процессы симбиотической фиксации молекулярного азота и продуктивность бобовых культур в целом.

Гербициды являются физиологически активными веществами. Поэтому теоретически важно понять и практически оценить характер тех изменений, которые происходят, в симбиотической системе, с целью разработки наиболее рациональных способов использования гербицидов под бобовые культуры.

Имеется огромная литература, посвященная изучению механизма действия гербицидов на высшие растения и, в частности, на бобовые культуры. Материалы этих исследований обобщены в ряде монографий (Крафтс-, 1963; Маштаков и др., Г967- Кадыров, 1970; Майер-Боде, 1972; Чканников, Соколов, I973-Audus, 1964; Ashton, Crafts, ,.1981 И Др.).

В результате отобраны гербициды, которые широко используются в сельскохозяйственном производстве для борьбы с сорной растительностью в посевах бобовых культур. Среди них имеются соединения, относящиеся к производным феноксиалкилкарбоновых кислот,.

— 181 алифатических карболовых кислот, карбаминовой и тиокарбашшовой кислот, а также симметричных триазинов, фенилмочевины и других. Кроме того, необходимо учитывать возможное воздействие на бобовые растения препаратов, вносимых под предшествующую культуру севооборота.

Концентрации гербицидов, токсичные для растений, колеблются в широком диапазоне, но даже для устойчивых видов и сортов не превышают 10−2^ мг/кг.

Механизм их действия на. физиолого-биохимический аппарат растений весьма разнообразен, но изучен в разной степени. Некоторые физиолого-биохимические изменения, происходящие у бобовых растений под влиянием гербицидов, суммированы нами в таблице 4.1.

На основании этого материала, можно, как нам кажется, достаточно хорошо представить характер и глубину воздействия герби-цидных веществ на высшие растения, как одного из партнеров сим-бяотической системыЕстественно, характер, степень и длительность такого воздействия, зависит от используемой дозы гербицида, способа и времени обработки.

Однако, практически все исследования, касающиеся механизма, действия гербицидов на бобовые растения, были проведены без учета их физиологии как симбионтов.

Токсичность гербицидов для клубеньковых бактерий изучалась в ряде работ. Оценка эффекта их проводилась на жидких питательных средах и в агаризованных культурах, главным образом, путем учета скорости их размножения и диффузионным методом.

Используя диффузионный метод в агаре, Винтикова с соавторами С тпп-Ысоуа et а1., 1965) нашла, что гербицид, далапон является нетоксичным для 36 штаммов различных видов клубеньковых.