2.2. Загрязнение водных объектов пестицидами
Пестициды (от лат. pestis – зараза и caedo – убиваю, ядохимикаты) – это широкая группа химических веществ, обладающих токсическими свойствами по отношению к тем или иным живым организмам – от бактерий и грибков до растений и вредных теплокровных животных. Пестициды используются для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорняками, вредителями хранящейся сельскохозяйственной продукции, с эктопаразитами у домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных. К пестицидам также относятся химические средства стимулирования роста растений (ауксины, гиббереллины, ретарданты) и его торможения, препараты для предуборочного удаления листьев и подсушивания растений.
Принят несколько классификаций пестицидов по различным признакам.
1) Пестициды классифицируют по назначению.
Гербициды – препараты для борьбы с сорняками, для подавления их роста.
Инсектициды – средства для борьбы с насекомыми-вредителями.
Фунгициды – средства, убивающие грибы и их споры.
Специфические пестициды, к которым относятся:
бактерициды – применяются против бактериальных инфекций;
ратициды – уничтожают крыс, мышей, сусликов;
зооциды – уничтожают животных;
афициды – для борьбы с тлёй;
акарициды – против клещей;
лимациды – для борьбы с моллюсками;
нематоциды – для борьбы с круглыми червями;
граминициды – уничтожают нежелательные злаки;
арборициды – уничтожают древесную и кустарниковую растительность;
реппеленты – используются для отпугивания животных;
аттрактанты – для привлечения животных;
хемостерилизаторы – для стерилизации животных;
дефлоранты – для удаления цветов и завязей;
дефолианты – химические препараты, вызывающие старение листьев и искусственный листопад, что ускоряет созревание и облегчает уборку, в основном хлопчатника;
десиканты – химические препараты, вызывающие обезвоживание тканей растений, что ускоряет их созревание и облегчает уборку урожая, в основном хлопчатника, риса, клещевины, картофеля.
2) Пестициды классифицируют по химическому составу.
Хлорпроизводные углеводороды, которые обычно слабо растворимы в воде, очень устойчивы ко всем видам разложения и могут сохраняться в почве десятилетиями, аккумулируясь при систематическом применении. К ним относятся:
4,4-дихлордифенилтрихлорметил (ДДТ),
1, 2, 3, 4, 5, 6-Гексахлорциклогексан.
Фосфорорганические соединения (ФОС) (карбофос, фосфамид, метафос, амифос и др.) в почве и других природных средах распадаются сравнительно быстро. При этом они отличаются высокой эффективностью и избирательностью действия и их применение весьма перспективно. К ним относятся:
тиофос,
карбофос,
дихлофос.
Производные карбоматов – сложные эфиры карбаминовой кислоты. Широко используются в современном сельском хозяйстве. Отличаясь высокой токсичностью для отдельных видов насекомых, эти препараты почти полностью безвредны для теплокровных животных и человека. Например,
1-нафтил-N-метилкарбамат (севин).
Производные хлорфеноксикислот – производные простых органических кислот (уксусной, масляной, пропионовой). К ним относятся:
2, 4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D),
2, 4, 5-трихлорфеноксиуксусная кислота (2, 4, 5-D).
3) Пестициды классифицируют по характеру действия:
Сплошные – действующие на все виды растений и использующиеся для уничтожения нежелательной растительности вокруг промышленных предприятий, на обочинах дорог, лесных вырубках, в канавах и водоемах и т.п.
Избирательные (селективные) – опасные для определенных видов растительности и используемые для уничтожения сорняков в агроценозах.
4) Пестициды классифицируют по токсичности (при однократном поступлении в организм).
Сильнодействующие – с величиной средней летальной дозы (ЛД50) до 50 мг/кг.
Высокотоксичные – с величиной ЛД50 50…200 мг/кг.
Среднетоксичные – с величиной ЛД50 200…1000 мг/кг.
Малотоксичные – с величиной ЛД50 более 1000 мг/кг.
5) По кумулятивным свойствам пестициды делятся на обладающие:
сверхкумуляцией – коэффициент кумуляции менее 1;
выраженной кумуляцией – коэффициент кумуляции 1…3;
умеренной кумуляцией – коэффициент кумуляции 3…5;
слабовыраженной кумуляцией – коэффициент кумуляции более 5,
где коэффициент кумуляции – отношение суммарной дозы препарата при многократном введении к дозе, вызывающей гибель животных при однократном введении [4].
Пестициды – это яды, которые поражают не только животных вредителей, растений-сорняков и возбудителей болезней культурных растений, но и многих полезных животных и растений, а также представляют серьёзную опасность для человека, нарушая обмен веществ, повреждая структуры клеток, в том числе аппарат наследственности. Результаты исследований по воздействию пестицидов свидетельствуют об их мутагенном, канцерогенном, гонадотоксическом и терратогенном действии на животных и человека. Многие пестициды проникают в организм на ранних этапах эмбрионального развития. Они могут накапливаться в репродуктивных органах, оказывать воздействие на генеративную функцию, что фиксируется при изучении потомства по возрастанию погибших эмбрионов, появлению врождённых уродств. Рассмотрим воздействие на организм человека ДДТ.
ДДТ был первым из множества пестицидов, при помощи которых люди надеялись улучшить качество своей жизни. Учёные до сих пор пытаются понять, каким образом он вызывает широкое и неожиданное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.
ДДТ широко использовали по всему миру в 1950–60-е годы, как в сельском хозяйстве, так и для борьбы с малярией. В связи с воздействием ДДТ на популяции диких животных и птиц (особенно хищных), в 1970-е годы многие страны постепенно отказались то применения ДДТ. В некоторых регионах мира продолжали использовать этот пестицид для борьбы с малярией, хотя в настоящее время многие страны используют комплекс других мер контроля за заболеванием.
ДДТ впервые синтезировали в 1874 году, а в 1930-х годах швейцарский химик Пауль Мюлллер открыл возможность его использования в качестве инсектицида. Он оказался настолько эффективным в здравоохранении и военной гигиене (преимущественно в качестве дезинсектанта против вшей), что в 1948 году Мюллеру была присуждена Нобелевская премия в области медицины и физиологии.
Во времена Второй Мировой войны солдат и население обрабатывали порошком ДДТ для предупреждения болезней (сыпной тиф), которые передаются насекомыми (вшами). В результате это была первая из войн, в которой от тифа погибло меньше людей, чем от пуль противника.
На протяжении 1950–60-х годов ДДТ активно использовался в сельском хозяйстве для защиты полей от насекомых. В это время он рассматривался как чудо в борьбе против переносчиков таких болезней, как малярия и энцефалит. Использование ДДТ против комаров-переносчиков малярии резко снизило смертность от этого заболевания. Если ещё в 1948 году только в Индии погибло от малярии более трёх миллионов человек, то в 1965 году в этой стране не было зарегистрировано ни одного случая малярии. В Греции в 1938 году был один миллион больных малярией, а в 1959 году всего 1200 человек.
Именно благодаря ДДТ удалось спасти миллионы жизней, и именно за это Мюллер по праву получил Нобелевскую премию. В своё время Всемирная организация здравоохранения утверждала, что недостаточное количество ДДТ является угрозой здоровью общества. Однако, спустя 2…3 десятилетия, выявилось и негативные экологические последствия использования ДДТ и других пестицидов.
Впервые негативные последствия применения ДДТ были обнаружены в штате Флорида, где орнитолог-любитель, с 1939 года наблюдавший за поведением орлов, в 1947 году обратил внимание на неудачные попытки птиц обзавестись потомством и их необычное брачное поведение. На другом побережье США были зарегистрированы нарушения репродуктивной функции чаек. Эти явления связывали с воздействием ДДТ. В 80-е годы негативное воздействие ДДТ и др. хлорорганических пестицидов проявилось также в нарушении репродуктивного здоровья аллигаторов озера Алопка. В крови самцов крокодилов было менее половины нормального уровня мужского гормона тестостерона.
ДДТ, как и некоторые другие СОЗ (стойкие органические загрязнители), распространяются в окружающей среде всего земного шара, даже пингвины Антарктиды содержат в своём теле ДДТ. Особое беспокойство вызывает их накопление в окружающей среде Арктики – одной из наиболее ранимых экосистем.
Из-за широкого спектра воздействия ДДТ вместе с вредными насекомыми уничтожились и полезные. А устойчивость приводила к тому, что ДДТ накапливался в пищевых цепях и оказывал губительное воздействие на их верхние звенья. Дальнейшие исследования показали, что ДДТ оказывает влияние практически на все живые организмы. Он накапливается в тканях млекопитающих и является канцерогеном, мутагеном, эмбриотоксином, нейротоксином, иммунотоксином, изменяет гормональную систему, вызывает анемию, болезни печени.
ДДТ сильно влияет на птиц, приводя к утончению скорлупы, препятствуя тем самым нормальному выведению птенцов, уменьшает воспроизводство у рыб и змей.
При исследовании экосистемы озера Мичиган была обнаружена следующая градация накопления ДДТ в пищевых цепях: в донном иле озера – 0,014 мг/кг, в ракообразных, питающихся на дне – 0,4 мг/кг, в различных рыбах – 3…6 мг/кг, в жировой ткани чаек, питающихся этой рыбой – свыше 200 мг/кг.
Один из наиболее ярких примеров простой пищевой цепи с участием ДДТ описан Рэчел Карсон. Для уничтожения гриба-возбудителя голландской болезни вязов- парковые насаждения обрабатывали ДДТ. Остатки осевшего на деревьях ДДТ попадали затем с дождевой водой или с опавшей листвой в почву или листовую подстилку. Там ДДТ поглощали дождевые черви. Затем ДДТ попадал в организм перелетных дроздов, которые в основном питаются дождевыми червями. Это не всегда приводит к гибели птиц, но вызывает у них нарушение способности к размножению. Они становятся стерильными или откладывают бесплодные яйца, или умирают их птенцы, особенно если их родители кормят их дождевыми червями. Поэтому борьба с голландской болезнью вязов с помощью ДДТ привела почти к полному исчезновению перелетных дроздов на значительной части территории США.
ДДТ находят в жировых тканях человека, в грудном молоке кормящих матерей, он может попадать в систему кровообращения. Было установлено, что в грудном молоке кормящих матерей в США содержатся в 4 раза больше ДДТ, чем допускается санитарными нормами для коровьего молока.
Остаточные концентрации ДДТ и его метаболитов были обнаружены в образцах человеческой крови, сыворотки и грудного молока во многих странах мира. В настоящее время ДДТ можно обнаружить в крови и тканях новорожденного ребенка в любой точке планеты. Обнаруживаемые уровни ДДТ в организме человека в последнее время значительно сократились в тех странах, где применение этого вещества было запрещено (особенно в странах, где этот пестицид широко использовали в сельском хозяйстве в 1950–60-е гг.).
В настоящее время в большинстве стран введен запрет на применение ДДТ. Последовательность введения запрета была следующая: Новая Зеландия, СССР, Венгрия, Швеция, Дания, Финляндия, далее прочие страны. Однако запрет на применение ДДТ существует не во всех странах. Кроме того, во многих странах имеются солидные запасы ДДТ.
В СССР активное производство и использование ДДТ началось в 1946–47 гг., когда были построены заводы в Москве, Дзержинске и Чебоксарах. В течение 1950–70-х гг. использовались около 20 тыс. тонн гербицида в год, в результате чего загрязнено огромное количество земель по всей территории бывшего Советского Союза.
В 1969–70 гг. ДДТ был исключен из официального списка пестицидов, используемых в бывшем СССР. Однако и после этого производство и применение ДДТ не прекратилось. Даже в 1986 г., через 16 лет после официального запрета, производство ДДТ составляло 10 тыс. тонн в год. До конца 80-х годов ДДТ использовался «в порядке исключения» в Узбекистане и во многих областях России.
Пестициды поступают в биосферу путём непосредственного внесения или с протравленными семенами, отмирающими частями растений, трупами насекомых; мигрируют в почве, водах. Они оказывают неодинаковое воздействие на почвенную биоту и биохимическую активность почв. Особую опасность представляют стойкие и кумулятивные пестициды: триазин, сим триазин, хлордан, гептахлор – они обнаруживаются в почве спустя десять и более лет после применения. Поступая в почву, пестициды мигрируют вниз по профилю с нисходящими токами дождевых и оросительных вод, причём скорость и глубина миграции зависят от дозы токсиканта, его летучести и адсорбируемости, а также от водного и теплового режимов почвы. Остаточные количества пестицидов обнаруживают на глубине 200 см и более.
При поверхностном стоке, вызываемом осадками или орошением, пестициды перемещаются по поверхности почвы, скапливаясь в её депрессиях. Попадая в почвенно-грунтовые воды в малых концентрациях, пестициды изменяют к худшему органолептические свойства воды (вкус, запах). Присутствие 5…10 мкг/л дихлорфенола придаёт воде специфический запах и делает её непригодной для питья. В годы массового применения ДДТ на хлопковых полях этот пестицид обнаруживали в артезианских скважинах на глубине 80 м, а его концентрация в арыках превышала допустимую в 3…4, а иногда и в десятки раз.
Содержание стойких пестицидов в природных водах обычно очень мало (в природной воде – 10–7 мкг/л и 10–9 мкг/л – в морской) благодаря эффекту разбавления. Однако они способны накапливаться в различных звеньях трофической цепи. В конечных звеньях трофической цепи концентрация пестицидов может достигать высоких значений и приводить к катастрофическим результатам. Например, было замечено снижение воспроизводства некоторых хищных птиц, таких как коричневый пеликан, бермудский буревестник, скопа, орёл. Изучение данного факта показало, что накапливаемые в организме пестициды способны подавлять деятельность ферментов, контролирующих обмен кальция в организме. Это ведёт к тому, что скорлупа яиц становится тонкой и слабой, легко повреждается при механических воздействиях.
Пестициды накапливаются также и в организме рыб. Последствием этого является снижение сопротивляемости болезням, уменьшение толщины жаберных мембран, нарушение теплорегуляции, учащенное дыхание, ухудшение репродуктивных функций. В конечном счёте, это ведёт к уменьшению рыбных популяций.
Фосфорорганические соединения обычно менее устойчивы, чем хлорорганические производные, но зато чрезвычайно токсичны. Например, паратион примерно в 30 раз более ядовит, чем мышьяк. А тетраэтилпирофосфат настолько токсичен, что одна его капля при приёме внутрь или при контакте с кожей ведёт к летальному исходу.
К счастью, эффект накопления фосфорорганических соединений в трофической цепи практически равен нулю. Это, впрочем, не должно особенно успокаивать, поскольку во многих случаях поведение продуктов распада этих соединений в воде плохо изучено. Не исключено, что сами эти продукты являются токсичными и устойчивыми. В частности, уже упомянутый выше паратион распадается на тиофосфорную кислоту и n-нитрофенол. Оба эти вещества способны оказать серьёзное воздействие на водную систему, в которой они могут сохраняться продолжительное время (при определённых условиях).
Установлено, что распад пестицидов происходит быстрее в южных районах и медленнее в условиях холодного климата. Замечено также, что влияние пестицидов оказывается более длительным в щелочной среде, в нижнем течении рек и понижениях рельефа.