Забруднення пестицидами, мінеральними добривами, структуроутворювачами грунту, регуляторами росту рослин

Пестициди – це токсичні речовини, їх сполуки або суміші речовин хімічного чи біологічного походження, призначені для боротьби зі шкідниками у сільському і лісовому господарстві, бур'яними, гризунами і хворобами рослин. Розрізняють пестициди за їхнім призначенням: гербіциди – препарати для знищення бур’янів, арборициди для зниження небажаних чагарникових рослин, альгіциди – для знищення водоростей, ретарданти – регулятори росту рослин, дефоліанти – для усунення листя, акарициди – для знищення кліщів, інсектициди – для знищення комах, репеленти – для відлякування комах, фунгіциди – для боротьби зі збудниками грибкових захворювань, зооциди – для боротьби з гризунами, антрактанти – для приваблювання комах тощо. Є ще група пестицидів біопрепаратів (мікробні, грибкові), антибіотики, одержані шляхом біотехнології. Широке використання пестицидів зумовлено тим, що за даними ФАО/ВООЗ потенційні щорічні втрати врожаю у світі можуть сягати внаслідок дії шкідників 13,8 %, хвороб – 11,6 % та бур'янів – 9,5 %, тобто сумарно більше третини (а саме 34,9 %) всього світового врожаю. Використання хімічних засобів захисту рослин дозволяє зберегти п'яту частину світового врожаю пшениці, шосту – картоплі, половину врожаю яблук. Захисні заходи забезпечують додатковий збір з кожного гектара сільськогосподарських угідь 2 – 3 ц зерна, 5 ц рису, 15 – 20 ц картоплі.

Світовий асортимент пестицидів налічує на сьогодні більше ніж 1000 найменувань, з яких широко використовуються близько 700 речовин. Світове виробництво пестицидів сягає 2 млн. тонн щорічно. У різних країнах світу рівень використання пестицидів значно відрізняється. За даними ВООЗ/ЮНЕП, середнє навантаження пестицидів на 1 га площі ріллі в США наприкінці XX століття становило 1,5 кг, в Європі – 1,9 кг, в Україні – 2,5 кг.

За хімічною структурою є фосфорорганічні, хлорорганічні пестициди, похідні карбамінової, тіо- і дитіокарбамінової кислот, похідні хлорфеноксикарбонових кислот, синтетичні піретроїди, хлорпохідні фенолу, похідні сечовини, гетероциклічні, неорганічні, металоорганічні сполуки тощо. Найбільш інтенсивно ґрунт сільськогосподарських угідь України забруднений стійкими хлорорганічними пестицидами, зокрема у Південних і Південно-західних регіонах. У структурі сільськогосподарського виробництва цих регіонів переважають садівництво та виноградарство. Хлорорганічні пестициди здатні до біоакумуляції, тому їхня концентрація вища у гідробіонтах, ніж у воді, а у продуктах тваринного походження вища, ніж у рослинних продуктах.

Забруднення ґрунту пестицидами є небезпечним при прямому контакті людини із ґрунтом та в разі міграції пестицидів з ґрунту у воду, повітря, рослини. При дії пестицидів можливі кількісні та якісні зміни популяцій ґрунтових мікроорганізмів, зміни мікробіоценозу ґрунту, що може призвести до погіршення процесів самоочищення. Безконтрольне використання хімічних засобів захисту рослин може викликати незворотні зміни в середовищі існування людини. Розширення асортименту та обсягів використання хімічних засобів захисту рослин у другій половині ХХ століття призвело до професійних отруєнь людей пестицидами. Міграція пестицидів з ґрунту в рослини, атмосферне повітря, підземні та поверхневі водойми збільшує пестицидне навантаження не тільки на професійні контингенти (сільськогосподарських робітників), але й на все населення в цілому, що є загрозою для здоров'я, передусім дітей. На показники захворюваності найбільше впливають хлорорганічні та фосфорорганічні сполуки. Їхня частка у сумарному територіальному навантаженні становить близько 15 %. Деякі пестициди, що надходять до організму людини з ґрунту за ланцюжками міграції, можуть збільшити частоту хромосомних аберацій у соматичних та статевих клітинах, що призводить до новоутворень, спонтанних абортів та перинатальної загибелі плода, уроджених аномалій розвитку, безпліддя тощо.

Пестициди поділяють на чотири класи небезпечності: 1-й клас – надзвичайно небезпечні, 2-й клас – небезпечні, 3-й клас – помірно небезпечні, 4-й клас – малонебезпечні. Критеріями класів небезпечності пестицидів є їхня токсичність при надходженні в шлунок, через шкіру, кумулятивні властивості, подразнювальна дія, алергенність, мутагенність, канцерогенність, тератогенність, ембріотоксичність, репродуктивна токсичність, стабільність у воді, грунті, коефіцієнт міграції з грунту у воду, повітря, рослини, стійкість у вегетуючих сільськогосподарських культурах і сировині. Нині значна увага надається підвищенню безпечності використання пестицидів. У всіх країнах світу суворо обмежено використання пестицидів 1-го класу небезпечності та стійких хлорорганічних сполук. Зараз заборонено або обмежено поширення 22 органічних забруднювачів (Стокгольмська конвенція про стійкі органічні забруднювачі, 2001 р., Україною ратифікована у 2007 р.), більшість серед яких – пестициди: альдрін, діелдрін, ендрін, мірекс, гептахлор, токсафен, дихлордифенілтрихлоретан (ДДТ), гексахлорциклогексан (ГХЦГ), ліндан, хлордан, поліхлоровані біфеніли ПХБ, а також поліхлордібензодіоксини, поліхлордібензофурани тощо. Більш токсичні та стійкі пестициди замінюють менш небезпечними, удосконалюють їхні препаративні форми з метою зменшення рухомості та міграційної здатності. Науково обґрунтовують гігієнічні нормативи та регламенти застосування пестицидів.

Особлива вимога висувається до персистентності пестицидів (тривалість збереження ними біологічної активності у природному середовищі). Сонячне світло, волога, вуглекислий газ, кисень повітря та інші абіотичні і біотичні фактори сприяють руйнуванню (біодеградації) пестицидів у навколишньому середовищі (рис. 17).

Неодмінною умовою застосування пестициду є його розпад у рослинах на момент збору врожаю. Персистентність препаратів, що вносять у ґрунт, не повинна перевищувати одного вегетаційного періоду (для гербіцидів) чи двох вегетаційних періодів (для засобів боротьби зі шкідниками, що живуть у ґрунті).

	Фотохімічне руйнування у воді		Розсіювання в атмосфері		Фотохімічне руйнування в атмосфері

Гідроліз та руйнування гідробіонтами		Гідроліз та окиснення на поверхні ґрунту та рослин
Метаболізм у рослинах і тваринах Руйнування фауною		Руйнування ґрунтовою мікрофлорою

Рис. 17. Основні фактори, що сприяють руйнуванню пестицидів у навколишньому середовищі.

Важливими є наступні вимоги до пестицидів: вибірковість їхньої дії (дія лише на шкідників) і слабкі кумулятивні властивості, що виключає можливі несприятливі наслідки для організму людини, тварин, птахів і гідробіонтів; безпечна і зручна форма застосування препарату, що дозволяє наносити його тільки на ділянки, що підлягають обробленню і яка після розпаду не утворює більш токсичні і небезпечні продукти; мала стабільність у навколишньому середовищі.

Забруднення навколишнього середовища пестицидами є однією з найважливіших екологічних проблем: нераціональне застосування отрутохімікатів у сільському господарстві призводить до негативних змін у різних ланках екосистем, змінює основні властивості ґрунту, води, повітря, рослинності і харчових продуктів, що призводить до погіршення стану здоров’я та умов життя населення (рис. 18).

Найбільш суттєвими наслідками негативного впливу пестицидів на біосферу та біоту є порушення індивідуального розвитку організмів, чисельності вікових і статевих відмінностей внутрішньовидових популяцій, генетичних відмінностей популяцій, екологічної рівноваги екосистем, трофічних ланцюгів і пірамід, складу і структури сукупностей, кругообігу хімічних елементів і сполук у природі.

Залежно від класу небезпечності та дози пестициди можуть викликати гострі, підгострі та хронічні отруєння, спричиняти алергічний, канцеро-, терато-, мутагенний, ембріо- і гонадотропний ефекти. Проблема забруднення пестицидами біосфери потребує комплексного вирішення за наступними напрямками: зниження токсичності пестицидів для людини, тварин і рослин; зменшення їхньої персистентності у навколишньому середовищі; розроблення оптимальних технологій їхнього використання; заміна отрутохімікатів біологічними засобами захисту рослин; підвищення загальної екологічної культури населення; уведення суворого контролю за виробництвом, транспортуванням, зберіганням, застосуванням і утилізацією пестицидів.

ВОДА

ЛЮДИНА

ГРУНТ

РОСЛИНА

МОЛОЧНА І ЗАБІЙНА ХУДОБА

МОЛОКО М’ЯСО

ПЛАНКТОН

РИБА

ГРУДНЕ МОЛОКО

НЕМОВЛЯТА

Рис. 18. Шляхи міграції пестицидів у навколишньому середовищі

Мінеральні добрива. До мінеральних добрив належать неорганічні хімічні сполуки, які використовуються в сільському господарстві з метою підвищення родючості ґрунтів. Розрізняють макро- та мікродобрива. Мінеральні макродобрива - це речовини, до складу яких входять основні елементи, котрі підвищують родючість (азот, фосфор, калій). Макродобрива поділяються на азотні, фосфатні, калійні та комплексні.

При внесенні в грунт частина добрив надходить до рослин, інша – вимивається в підземні води, мігрує з поверхневим стоком, розкладається в ґрунті з утворенням летких продуктів, які надходять у приземний шар атмосферного повітря. Компоненти азотних добрив (аміак, нітрати, сечовина) при надмірному внесенні в ґрунт можуть мігрувати в поверхневі та підземні водойми, що призводить до їхнього забруднення. При забрудненні джерел водопостачання нітратами в концентраціях, що перевищують 50 мг/дм³, у немовлят, які знаходяться на штучному вигодовуванні, та осіб похилого віку може виникнути водно-нітратна метгемоглобінемія. Вміст нітратів у різних рослинних продуктах визначається біологічними особливостями рослин і умовами їхнього вирощування. Найбільша концентрація нітратів у зелені, коренеплодах та інших овочах (більше – у ранніх овочах та овочах, вирощених у закритому ґрунті) і баштанних. У столових буряках, редьці, редисі, ревені, листовому салаті, петрушці, шпинаті концентрація нітратів може досягати 2500 - 3500 мг/кг і більше, у картоплі, капусті, моркві – у 5 - 10 разів менше, а в інших овочах і зелені – до 0,5 - 1,5 мг/кг (у розрахунку на іон нітрату).

Основним джерелом нітратів для людини є овочі – буряк, картопля, морква і капуста (додаток 4). З ними в організм потрапляє близько 70 % добової кількості нітратів. З питною водою – близько 20 %, решта припадає на продукти тваринного походження, переважно молоко. Концентрація нітратів у коров’ячому молоці може становити 5 - 50 мг/л, у грудному молоці – 0,2 – 40 мг/л.

З нітратів в об’єктах навколишнього середовища можуть утворюватися нітрозосполуки, більшість з яких має мутагенні та канцерогенні властивості. У грунті і сільськогосподарських рослинах за умов надмірного використання азотних добрив у присутності амінів та амідів можуть утворюватися нітрозаміни та нітрозаміди (N-нітрозодіметиламін, N-нітрозодіетиламін та інші). Нітрозосполуки відносно стабільні в об'єктах навколишнього середовища, помірно розчинні у воді, більшість з них високолеткі. За експертними оцінками в організм людини з питною водою, продуктами харчування, атмосферним повітрям може надійти за добу до 5 – 10 мкг нітрозамінів. Нітрозосполуки можуть утворюватись й в організмі людини. Це так званий ендогенний синтез нітрозамінів та нітрозамідів, який може сягати 7 мкг на добу. На сьогодні більшість з нітрозамінів та нітрозамідів визнана найсильнішими з хімічних канцерогенів. Деякі нітрозосполуки (N-нітрозометилсечовина, N-нітрозоетилсечовина) під час вагітності можуть трансплацентарно надходити в організм плода та спричиняти ембріотоксичну та тератогенну дії.

Надходження у відкриті (поверхневі) водойми добрив, які містять азот та фосфор, викликає їхню евтрофікацію, тобто сприяє розмноженню мікрофітів та водних рослин, стимулює "цвітіння" водойм. За цих умов погіршуються органолептичні властивості води, руйнуються нормальні водні біоценози, порушуються процеси самоочищення водойм. Такі водойми непридатні для централізованого господарсько-питного водопостачання.

За умов надмірного використання фосфатних добрив у ґрунті накопичується Р₂О₅ у такій кількості, яка здатна гальмувати процеси самоочищення. Поглинені ґрунтом фосфати малорухомі та майже не вимиваються з орного шару. Фосфатні добрива містять домішки фторвмісних сполук (від 0,2 % до 4 %), заліза, стронцію, селену, миш'яку (не менше 0,006 %), важких металів (не менше 0,008 %), у тому числі кадмію (10 – 30 мг/кг), радіонуклідів (урану, торію). Тому при перевищені обґрунтованих норм витрат фосфатних добрив зазначені речовини можуть забруднювати ґрунт, рослини, воду підземних та поверхневих водойм.

Калій, що входить до складу калійних добрив, не впливає на здатність ґрунтів до самоочищення та ґрунтовий біоценоз і мігрує з грунту надзвичайно повільно. Однак разом з калійними добривами у ґрунт надходять хлоридні аніони, які можуть призводити до штучного засолення ґрунтів, а значна кількість калію у ґрунті – до порушення співвідношення між калієм та натрієм у питній воді та харчових продуктах.

Мінеральні мікродобрива вносять у ґрунт для підвищення його родючості у відносно невеликих кількостях (у 10 - 100 разів менше, ніж макродобрива). До їхнього складу входять різноманітні мікроелементи. Найбільш широко використовують борні, молібденові, мідні, марганцеві, цинкові, кобальтові та полімікродобрива. У разі перевищення норм витрат мікродобрив мікроелементи можуть накопичуватися у ґрунті та рослинах у підвищених кількостях та негативно впливати на здоров'я населення. Крім того, мікродобрива містять свинець, а також кадмій та миш'як. За умов нераціонального використання мікродобрив існує загроза забруднення ґрунту цими важкими металами.

Структуроутворювачі ґрунту. Під структуроутворювачами ґрунту розуміють хімічні речовини, які вносять у ґрунт сільськогосподарських ланів з метою покращання його структури. До них належать поверхнево-активні речовини, які є нестійкими сполуками та відносно швидко руйнуються при дії ґрунтових мікроорганізмів.

Регулятори росту рослин – це природні та синтетичні органічні сполуки, які в малих дозах активно впливають на обмін речовин у рослинах. До них належать похідні етилену, нікотинові сполуки, карбамати, фосфонієві сполуки та інші. Рівень залишкових кількостей цих речовин в ґрунті та рослинах залежить від норм витрат. Термін збереження препаратів у ґрунті збільшується при використанні їх разом з азотними добривами. Синтетичні регулятори росту стабільні у ґрунті і є досить токсичними речовинами.