Загрязнение сырья веществами, применяемыми в растениеводстве

Лекция 6

загрязнение сырья веществами, применяемыми в растениеводстве.

План занятия:

1. Характеристика пестицидов.

2. Использование регуляторов роста растений.

3. Удобрения.

4. Сточные воды и твердые отходы, используемые для орошения и удобрения.

В современном сельскохозяйственном производстве использу­ется широкий ассортимент химических средств, предназначенных для повышения урожайности, защиты и регуляции роста растений. К числу наиболее опасных химических средств, с точки зрения за­грязнения продуктов питания и влияния на здоровье населения, относят пестициды.

Рекомендуемые материалы

         Пестициды (лат.pestis — зараза и лат.caedo — убиваю) (сельскохозяйственные ядохимикаты) — собирательное название химических и биологических средств, используемых для борьбы с вредными организмами. Пестициды объединяют следующие группы таких веществ: гербициды, уничтожающие сорняки, инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей, фунгициды, уничтожающие патогенные грибы, зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных и т. д. Большая часть пестицидов — это яды, отравляющие организмы-мишени, но к ним относят также стерилизаторы (вещества, вызывающие бесплодие) и ингибиторы роста.

         Пестициды относятся к ингибиторам (отравителям) ферментов (биологических катализаторов). Под действием пестицидов часть биологических реакций перестаёт протекать и это позволяет: бороться с болезнями (антибиотики), дольше хранить пищу (консерванты), уничтожать насекомых (инсектициды), уничтожать сорняки (гербициды).

         Пестициды применяются главным образом в сельском хозяйстве, хотя их используют также для защиты запасов продовольствия, древесины и других природных продуктов. Во многих странах с помощью пестицидов ведётся химическая борьба с вредителями лесов, а также переносчиками заболеваний человека и домашних животных (например с малярийными комарами).

         Страны члены НАТО до сих пор не отказались от применения пестицидов в качестве химического оружия. Пестициды применялись странами членами НАТО, как химическое оружие, во Вьетнаме и ряде других государств.

         Пестициды (ядохимикаты) - химические препараты для защиты сельскохозяйственной продукции, растений, для уничтожения паразитов у животных, для борьбы с переносчиками опасных заболеваний и т.п.        Пестициды в зависимости от объекта подразделяются на:

         - Гербициды - для уничтожения сорной растительности;

         - Инсектициды - против вредных насекомых;

         - Зооциды - для борьбы с грызунами;

         - Фунгициды - с возбудителями грибковых заболеваний;

         - Дефолианты - для удаления листьев;

         - Дефлоранты - для удаления цветков.

         За последние десятилетия число различных типов пестицидов сильно возросло, только в США их количество достигло 900. По данным А.В. Яблокова (1988), в нашей стране в 1986 г. было применено пестицидов в среднем около 2 кг на 1 га (примерно на 87% пашни) или около 1,4 кг на душу населения, а в США 1,6 кг на 1 га (на 61% пашни) или 1,5 кг на душу населения.

         Пестициды распространяются на большие пространства, весьма удаленные от мест их применения. Многие из них могут сохраняться в почвах достаточно долго (период полураспада ДДТ в воде оценивается в 10 лет, а для диэлдрина он превышает 20 лет). При использовании даже наименее летучих компонентов более 50% активных веществ в момент воздействия переходят прямо в атмосферу, а для таких пестицидов, как ДДТ и диэлдрин, характерна дистилляция с парами воды на земной поверхности. Эта часть пестицидов, не достигших растений, подхватывается ветром и осаждается в районах суши или океана, весьма удаленных от зон применения вещества. Они в конечном итоге попадают в различные экосистемы, включая океан, пресноводные водоемы, наземные биомы и др., в значительных количествах накапливаются в почвах и увеличивают свои концентрации при движении по трофическим цепям.

         Пестициды являются единственным загрязнителем, который сознательно вносится человеком в окружающую среду. Пестициды поражают различные компоненты природных экосистем: уменьшают биологическую продуктивность фитоценозов, видовое разнообразие животного мира, снижают численность полезных насекомых и птиц, а в конечном итоге представляют опасность и для самого человека. Пестициды, содержащие хлор (ДДТ, гексахлоран, диоксин, дибензфуран и др.), отличаются не только высокой токсичностью, но и чрезвычайной биологической активностью и способностью накапливаться в различных звеньях пищевой цепи. Даже в ничтожных концентрациях пестициды подавляют иммунную систему организма, повышая таким образом его чувствительность к инфекционным заболеваниям. В более высоких концентрациях эти примеси оказывают мутагенное и канцерогенное действие на организм человека.

         Поэтому в некоторых странах (США, Франция, Германия) начинают уменьшать дозы применения пестицидов или полностью от них отказываться. В последние годы в СГА разработаны гербициды, не представляющие явной опасности для живых организмаов или быстро разрушающиеся в окружающей среде. Широкое применение биологических методов защиты растений позволит уменьшить степень загрязнения среды пестицидами.

         Влияние на организм

         Химические вещества в зависимости от свойств и строения воздействуют на организмы по-разному:

         1. Молекулярно-биологические воздействия.

         Многие химические вещества взаимодействуют с ферментами организма, изменяя их структуру. Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится понятным, почему любое изменение их структуры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства.

         Пример: цианиды блокируют фермент дыхания - цитохром-с-оксидазу; катионы Са2+ тормозят активность рибофлавинкитазы, которая является переносчиком фосфата на рибофлавин в клетках животных.

         2. Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке.

         Метаболизм клеток может быть нарушен под действием химических веществ. Реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, химические вещества вызывают неконтролируемые превращения, изменяют генетический код.

         Пример: нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое токсичными металлами, особенно соединениями меди и мышьяка; пентахлорфенол (ПХФ), триэтилсвинец, триэтилцинк и 2,4-динитрофенол разрывают цепь химических процессов дыхания на стадии реакции окислительного фосфорилирования; лидан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот; Хлорорганические пестициды и полихлорированные бифенилы (ПХБФ) вызывают нарушения работы щитовидной железы.

         3. Мутагенное и канцерогенное воздействие.

         Такие вещества как ДДТ, ПХБФ и полиароматические углеводороды (ПАУ) потенциально обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Их опасное воздействие на человека и животных проявляется в результате длительного контакта с этими веществами, содержащимися в воздухе и пищевых продуктах. По данным, полученным на основе экспериментов с животными, канцерогенное действие осуществляется в результате двухступенчатого механизма.

Профилактические мероприятия, направленные на устранение загрязнения производственного сырья и пищевых продуктов пестицидами

Профилактические мероприятия, направленные на устранение загрязнения производственного сырья и пищевых продуктов пестицидами, должны предусматривать:

1. Объединение усилий различных ведомств и организаций в де­ле контроля за применением пестицидов в сельском хозяйст­ве, их содержанием в продуктах питания; использование ре­зультатов мониторинга в санитарно-гигиенической практике; создание целевых комплексных межведомственных проектов безопасного применения пестицидов на основе современных методов анализа и эпидемиологического расследования при­чин загрязнения продуктов пестицидами.

2. Информирование населения о неблагоприятном воздействии этих соединений на организм.

Допустимые уровни содержания пестицидов в отдельных груп­пах пищевых продуктов даны в медико-биологических требованиях.

Использование регуляторов роста растений

Регуляторы роста растений (РРР) применяют с целью влияния на процессы роста, развития и жизнедеятельности растений, обес­печения урожайности, улучшения качества, облегчения уборки. К этой группе соединений можно отнести также гербициды, кото­рые вызывают задержку роста и гибель растений, хотя в зависи­мости от дозы могут проявлять как ингибирующее, так и стимули­рующее действие. РРР, в отличие от гербицидов, дают указанный эффект в значительно более низких дозах — граммах и миллиграм­мах действующего вещества на гектар.

Существующие РРР можно разделить на две группы: природ­ные и синтетические.

Природные РРР — присущие растениям соединения, выпол­няющие роль фитогормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен и др. Они не представляют какой-либо опасности для человека, так как в процессе эволюции человече­ского организма вырабатывались соответствующие механизмы их биотрансформации.

Синтетические РРР — получают химическим или микробиологическим путем. С физиологической точки зрения являются анало­гами эндогенных фитогормонов либо могут оказывать влияние на гормональный статус растений. К этой группе относятся:

• производные сульфонилмочевины — «Гранстар», «Ленок», «Хардин», «Круг» и «Эллипс» (20-50 и 10-20 г действующего вещества препарата на гектар),

• азоксофор (14,9 г/т семян),

• биферан (предпосевная обработка клубней картофеля — 1 г/т),

• кротонолактон (обработка семян риса — 7-7,8 г/т),

• квартазин (21 г/т семян ячменя, пшеницы, ржи),

• фумар (50-100 г на миллион саженцев) и т. д.

В отличие от природных, синтетические РРР могут оказывать вредное воздействие на организм человека как ксенобиотики. Вместе с тем степень опасности большинства РРР не изучена. Практически отсутствует информация о механизме действия РРР на растительный и животный организмы в плане как интоксикации, так и стимулирования процессов жизнедеятельности. Имеются еди­ничные сведения о биологической активности производных суль­фонилмочевины. Одни из них — «Гранстар», «Ленок», «Хардин» — в относительно высоких дозах (граммы на гектар) проявляют гербицидные свойства, другие — «Круг», «Эллипс» — в значительно меньших дозах (миллиграммы на гектар) оказывают ростстимули-рующее влияние. Механизм действия высоких доз РРР заключа­ется в подавлении активности ацетолактатсинтетазы — ключевого фермента на раннем этапе биосинтеза ряда аминокислот. Пред­полагают, что ростстимулирующее действие низких доз связано с влиянием РРР на эндогенный уровень природных гормонов или непосредственно на клеточные структуры.

РРР используют также для увеличения сроков хранения рас­тительных продуктов, например, картофеля, моркови, лука, репы и т. д. При этом сохраняется водный баланс, вкусовые качества, витамины, минеральные вещества, другие показатели пищевой ценности. Так, обработка посевов сахарной свеклы и моркови за 12-15 дней до уборки 0,3%-м и 1,5%-м растворами МГ-натрия, 60%-м настоем (действующее вещество — гидразин малеиновой кислоты) позволяет продлить срок хранения овощепродуктов с 3 до 7 мес, сократить потери сахаристости на 20-25 %, сохранить пи­тательную ценность. Вместе с тем ясны скрытые механизмы воз­действия РРР на обменные процессы растений, предполагается их негативное влияние, возможность которого связана с нарушением внутриклеточного обмена и образования токсичных соединений. Кроме того, остаточные количества РРР в продовольственном сырье и пищевых продуктах могут сами проявлять токсичные свой­ства. Потенциальная опасность РРР для человека усугубляется стойкостью этих соединений в окружающей среде и продуктах пи­тания.

Основные направления профилактических работ:

1. Применение наиболее безопасной технологии обработки се­менного и посадочного материала.

2. Соблюдение определенных условий использования: рН, тем­пература, наличие конкретной микрофлоры, другие факторы, вли­яющие на стабильность и активность РРР.

3. Накопление банка данных РРР по их экологической безо­пасности и степени опасности для человека.

4. Разработка доступных методов определения остаточных ко­личеств РРР и методических подходов к оценке токсичности.

Удобрения

Применение удобрений в сельском хозяйстве имеет важное значение для управления плодородием почв, повышения урожай­ности и пищевой ценности сельскохозяйственных культур. Нару­шение агрохимических и гигиенических регламентов применения удобрений приводит к чрезмерному накоплению их в почве, расте­ниях, они загрязняют продовольственное сырье и пищевые про­дукты, оказывая тем самым токсическое действие на организм че­ловека.

В зависимости от химического состава различают удобрения азотные, фосфорные, калийные, известковые, микроудобрения, бактериальные, комплексные и др. Условно их можно подразде­лить на минеральные и органические. Необходимость в удобрени­ях объясняется тем, что естественный круговорот азота, фосфора, калия, других питательных для растений соединений не может вос­полнить потери этих биоэлементов, уносимых из почвы с урожаем.

Азотные удобрения. В зависимости от формы соединения азота существуют:

аммиачные — азот присутствует в виде свободного аммиака (жидкий, водный и безводный);

аммонийные — азот представлен ионом аммония (сульфат ам­мония);

нитратные — азот находится в составе остатка азотной кислоты (натриевая и кальциевая селитры);

аммонийно-нитратные — содержат азот в аммонийной и нитрат­ной формах (аммиачная селитра);

амидные — представлены мочевиной — амидом карбаминовой кислоты, превращающимся в почве под воздействием уреазы бак­терий в углекислый аммоний.

К медленнодействующим азотным удобрениям относятся мочевино-формальдегидные, мочевино-альдегидные, изобутилдиенди-мочевина, оксамид и др.

Азот играет важную роль в жизнедеятельности растений в ка­честве компонента белков, нуклеиновых кислот, витаминов, других биологически активных веществ.

Нитратная форма удобрений в допустимых дозах способствует образованию в растениях аскорбиновой кислоты и кальция, аммо­нийная — фосфора.

Фосфорные удобрения. Различаются количеством оксида фосфора (P2O5 ). Один из самых распространенных видов — супер­фосфат. Накопление в почве и растениях большого количества Р₂0₅ тормозит протекающие в них биологические процессы.

Калийные удобрения — калийная соль (хлористый калий), калиймагнезиальное удобрение (КС1 + NaС1 + MgS0₄), калийно-аммиачная селитра (КNO₃ + NН₄С1) и др. Калий не входит в органиче­ский состав веществ растений, но он активно участвует в углевод­ном и белковом обменах.

Микроудобрения — необходимы для обогащения почвы микроэлементами. Наибольшее распространение получили борные, молибденовые, медные, марганцевые, цинковые, кобальтовые.

Комплексные удобрения — содержат комплекс питательных для растений элементов (фосфорно-азотные, фосфорно-калийные).

Органические удобрения. Играют важную роль в улучшении плодородия почв с низким содержанием гумуса, а также тяжелых почв с непрочной структурой. С экскрементами коровы за год вы­деляется 46 кг азота, 27 кг Р₂0₅, 67 кг К₂0, свиньи соответствен­но — 62, 45 и 28 кг.

4 Основы техники метаний - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Нарушение гигиенических правил использования удобрений, особенно неорганической природы, приводит к накоплению боль­шого количества отдельных элементов и их соединений в почве и сельскохозяйственном сырье, создает проблему загрязнения пи­щевой продукции. Типичным примером может служить проблема нитратов, нитритов и нитрозаминов при неконтролируемом приме­нении азотных удобрений.

Определенную перспективу имеют микробные биоудобрения, получаемые при помощи биологической очистки сточных вод животноводческих комплексов. Путем аэробной переработки произ­водят две фракции удобрений: твердую — осадок первичных от­стойников — и биомассу микроорганизмов. Смесь активных микро­организмов ила с осадками отстойников в соотношении 1 : 1 высу­шивают при температуре выше 100 °С и получают биоудобрение «Бамил» (биомасса активных микроорганизмов ила). Опыт такой работы имеется на свинооткормочном комплексе «Восточный» Ле­нинградской области. Ежегодно на этом комплексе по откорму 108 тыс. голов получают до 10 тыс. т биоудобрений, эффективных для многих сельскохозяйственных культур.

По агрохимическим свойствам «Бамил» отличается от других органических удобрений высоким содержанием азота (5 %), фос­фора (1,6 %), калия (0,5 %), магния (2 %), кальция (7 %), ряда мик­роэлементов. Отмечено благоприятное влияние удобрения на био­логическую активность почвы. Санитарно-гигиеническая оценка «Бамила» показала полное отсутствие тяжелых металлов, яиц гель­минтов, снижение общей микробной обсемененности на 99,9 %, т. е. этот препарат отвечает экологическим требованиям по ис­пользованию удобрений.

Вода, выходящая из биопрудов, имеет коли-титор 0,001, мик­робное число 7000, способна по своему составу стимулировать рост растительности и может быть пригодна для разведения траво­ядных рыб — карпа и толстолобика.

Одним из новых источников удобрений могут быть отходы фло­тации угля (ОФУ). Каждый год их накапливается огромное коли­чество. ОФУ имеют сложный состав: в них содержатся минераль­ные вещества, около 2 % примесей (мелкодисперсный уголь, смо­лы, масла, флотореагенты), обнаружены тяжелые металлы, поли­циклические ароматические углеводороды, нитрозосоединения. При неправильном сборе и хранении они могут стать источником загрязнения воздушного бассейна, подземных и поверхностных во­доисточников.

При оценке возможности использования отходов в качестве удобрений ведущим компонентом ОФУ, оказывающим вредное воздействие, определен бенз(а)пирен (БП). Проведение комплексных гигиениче­ских исследований показало, что предельно допустимой дозой внесения ОФУ в почву является 3 кг на 1 кг или 10 т/га. При таком варианте ни один из неблагоприятных компонентов отходов, в том числе БП, не поступает в сельскохозяйственные растения, атмо­сферный воздух и грунтовые воды в количествах, превышающих ПДК, что исключает загрязнение пищевых продуктов, делает ОФУ ценным и безопасным удобрением.