Влияние пестицидов на почвенную микрофлору

Получение высоких урожаев в растениеводстве требует применения пестицидов. Необходимость их использования возникает из-за существенных потерь урожая, которые по самым скромным подсчетам составляют от 24 до 46 % мирового сельскохозяйственного производства [1]. Однако при контакте с растениями пестициды могут вызвать фитоток-сическую реакцию, а при попадании в почву – нарушать баланс микрофлоры, тем самым препятствуя естественному процессу распада и ферментации растительных остатков [2; 3; 4]. Основной целью создания пестицидов для растение-водста является синтез химических веществ направленного действия против развития болезней, вредителей и сорной растительности в агроценозах. По химическому составу пестициды разделяют на: неорганические соединения (препараты меди, серы, марганца, железа и др.), органические (органо-синтетические) препараты – наиболее обширная группа пестицидов из различных классов химических соединений (хлорорганические, фосфорорганические, пиретроиды и др.) и биологические. По оценкам специалистов, в мире существует более 1000 действующих веществ, на их основе производятся десятки тысяч пестицидов. [5; 1]. Значительная доля этих соединений обладает активностью широкого спектра. Вместе с тем использование пестицидов связано с вредным воздействием на окружающую среду, проявляющимся в первую очередь на балансе биоценозов внутри экосистем. Кроме того, они влияют на микроорганизмы почвы, которые обеспечивают рост, развитие и экологическую адаптацию к стрессовым условиям растений [6; 7; 8].

Почвенные микробные сообщества являются одними из наиболее многочисленных и разнообразных биологических групп в природе. В одном грамме почвы можно обнаружить популяции бактерий, актиномицетов, грибов, архей и др. Наиболее распространенными микроорганизмами являются бактерии, которые составляют 70–90 % общей ее биомассы. Они играют важную роль в процессах почвообразования и разложения органических веществ [9; 10; 11; 12; 13].

Запас органического вещества в почве, большая часть которого находится в слое до 30 см, 400 т на 1 га. Остатки животных и растений являются основным компонентом органического вещества. Живая масса организмов на одном гектаре почвы составляет более 6 т. На соотношение отдельных систематических групп микроорганизмов влияет тип почвы, а ее различные физические и химические характеристики создают определенные условия для жизни организмов. Количество микроорганизмов наибольшее в обрабатываемой почве - 4,2 млрд/г, наименьшее - в лесных и песчаных - 1,2 млрд/г. Наиболее благоприятными для их жизни являются каштановые, сероземы и искусственно окультуренные почвы. В одном грамме таких почв численность бактерий может достигать десятков миллиардов. Напротив, бедные растительностью почвы бедны микрофлорой, тем не менее даже в песчаной почве численность бактерий может составлять 10-100 тыс. на 1 г. Наибольшая концентрация микроорганизмов наблюдается в поверхностном слое (5-15 см), где протекают биохимические процессы разложения органических веществ, обусловленные жизнедеятельностью микроорганизмов. С увеличением глубины до 20–30 см количество микроорганизмов уменьшается, а на глубине 30–40 см достигает минимума. Почвы с высокой концентрацией бактерий характеризуются повышенной биологической активностью [14]. Существует прямая корреляция между плодородием почвы и количеством микроорганизмов в ней. Исследования показали, что на гектар малоплодородной почвы приходится 2,5-3,0 т микробной массы, в то время как на гектар высокоплодородной - до 16 т [13].

В составе почвенной микрофлоры можно выделить следующие группы бактерий:

• 1.    Бактерии-аммонификаторы, вызывающие гниение трупов животных, остатков растений, разложение мочевины с образованием аммиака и других продуктов: аэробные бактерии - Bacillus subtilis , Bacillus mesentericus , Serratia marcescens ; бактерии рода Proteus ; грибы рода Aspergillus , Mucor , Penicillium ; анаэробы - Clostridium sporogenes , Clostridium putrificum ; уробактерии - Urobacillus pasteuri , Sarcina urea , расщепляющие мочевину;

• 2.    Нитрифицирующие бактерии: Nitrobacter (превращают азотистую кислоту в нитраты) и Nitrosomonas (окисляют аммиак до азотистой кислоты, образуя нитриты);

• 3.    Азотфиксирующие бактерии: усваивают из воздуха свободный кислород и в процессе своей жизнедеятельности из молекулярного азота синтезируют белки и другие органические соединения азота, используемые растениями;

• 4.    Бактерии, участвующие в круговороте серы, железа, фосфора и других элементов - серобактерии (окисляют сероводород до серной кислоты), железобактерии (окисляют соединения железа до гидрата окиси железа), фосфорные (способствуют образованию легко растворимых соединений фосфора) и т.д.;

• 5.    Бактерии, расщепляющие клетчатку, вызывающие брожение (молочнокислые, спиртовые, маслянокислые, уксусные, протионовые и др.) [15].

Область почвы, которая непосредственно контактирует с корнями растений называется ризосфера. Она представляет основную экологическую нишу для ризо-бактерий, где формируются оптимальные условия для их жизни. Ризосферные микроорганизмы необходимы для поддержания жизнеспособности растений. Они способствуют усвоению и переработке питательных веществ, обеспечивают за- щиту растений от патогенов, абиотических стрессов, таких как засуха, оказывают влияние на разложение пестицидов и тяжелых металлов, а также способствуют улучшению структуры почвы [13; 16; 17; 18; 19]. Состав и деятельность почвенных микроорганизмов активно влияют на процессы, проходящие в ризосфере, что сказывается на реализации урожайности растений. Концентрация бактерий, мик-ромицетов и других микроорганизмов значительно выше в ризосфере, чем в свободной от корней почвы. Она определяется отношением ризосфера/почва (R/S), которое рассчитывают для различных видов, родов и семейств обитателей прикорневого слоя почвы. Индекс R/S показывает, насколько больше количество определенной группы микроорганизмов вокруг корней одного растения, чем в почве. Для бактерий эта цифра варьирует от 10 до 100 [20]. Микрофлора ризосферы включает в себя грамотрица-тельные бактерии родов Azospirillum, Azotobacter, Аgrobacterium , Enterobacter, Klebsiella, Pseudomonas, Xantomonas и других, грамположительные бактерии рода Bacillus, актинобактерии родов Nocardia, Micromonospora, Streptomyces и других, микроскопические грибы родов Penicillium, Gliocladium, Talaromyces, Humi cola и других [21].

Впервые о ризосфере узнали в 1904 г. благодаря немецкому ученому Лоренцо Гильтнеру. Он заметил, что прикорневая зона некоторых травянистых растений содержит много микроорганизмов. Ученый предположил, что это связано с работой корней растений. Гильтнер ввел понятие «ризосфера» (от греч. «rhiza» – корень, «sphaira» – сфера), чтобы описать область вокруг корней растений. Таким образом, это та часть почвы, которая расположена рядом с корнями растения и содержит микроорганизмы [23].

Почвенные микроорганизмы активно участвуют в процессах минерализации органического вещества, образования гумуса, перемещения питательных веществ. От их деятельности во многом зависит плодородие почвы [23; 18; 22]. В тоже время они чувствительны к изменениям, вызванным использованием пестицидов в сельском хозяйстве. Сложность и многообразие взаимоотношений различных микроорганизмов между собой и с растением, а также с другими компонентами агробиоценоза определяют фитосанитар-ное состояние почвы и ее стабильность как системы в целом [24].

Применение различных средств для защиты растений, таких как гербициды, инсектициды и фунгициды, приводит не только к загрязнению почвы, но и сокращает разнообразие живых организмов в ней, а также снижает количество бактерий, разлагающих органические вещества. В результате происходит изменение соотношения видов микроорганизмов в почве, что, в свою очередь, ухудшает её плодородие [7; 6; 25; 2; 26].

Характер и степень влияния пестицидов на почвенную микрофлору различны и зависят от действующего вещества, нормы расхода препарата, длительности его сохранения в почве, видового состава микроорганизмов, гранулометрического состава почвы, ее температуры, влажности и других факторов [27]. При изучении действия пестицидов на почвенную микробиоту проводят анализ изменений численности и видового состава микроорганизмов из различных таксономических групп, оценивают влияние пестицидов на основные процессы, осуществляемые микроорганизмами в почве. Помимо этого, определяют изменения в составе и организации микроорганизмов, происходящие под их действием [28].

Однако пестициды оказывают неравномерное воздействие на разных членов природных микробных сообществ в почве [27]. К действию инсектицидов, которые широко используются для борьбы с вредителями растений и переносчиками болезней человека и скота, почвенные микроорганизмы имеют различную чувствительность. Независимо от способа применения, а также от того используются ли инсектициды в сельском хозяйстве или в здравоохранении, они никогда не остаются на месте применения и в конечном итоге попадают в почву [29; 30]. Чувствительность отдельных групп микроорганизмов к инсектицидам растет в ряду: бактерии, актиномицеты, грибы. Нитри- фицирующие и некоторые аэробные бактерии, разлагающие целлюлозу, более чувствительны к инсектицидам, чем азотобактер. Поэтому длительное и систематическое применение инсектицидов может вызвать накопление в почве целлюлозы растительных остатков [27].

При изучении влияния неоникотино-идного инсектицида тиаметоксама на состав и метаболическую функцию почвенного бактериального сообщества исследователи Wu Ch. с соавторами (2021) установили, что «обработка тиаметокса-мом значительно повлияла на численность почвенных бактерий, снизила микробное разнообразие и изменила структуру бактериального сообщества, но вскоре изучаемые показатели вернулись в стабильное состояние. Были обнаружены некоторые бактерии ризосферы, способствующие росту растений, включая Actinobacteria , их популяции сократились, в то время как популяции бактерии, разрушающие загрязняющие вещества, включая Firmicutes увеличились. Обработка тиаметоксамом незначительно способствовала или ингибировала множественные метаболические процессы» [30].

Фосфорорганический инсектицид с действующим веществом диазинон (600 г/л) оказывал негативное влияние только при самой высокой норме расхода, снижая численность бактерий даже через 28 суток после применения. В нормах 7,0 и 35,0 мг/кг препарат увеличивал численность азотфиксирующих бактерий примерно на 20 % по сравнению с контролем. При применении самых низких норм расхода не было обнаружено влияния инсектицида на почвенные микроорганизмы [27].

Некоторые инсектициды воздействуют на гидролизующие мочевину организмы, гетеротрофные азотфиксаторы, нитрифи-каторы, гетеротрофные бактерии и грибы. Обработка перитроидом на основе ци-перметрин (250 г/л) приводила к снижению активности дегидрогеназы в почве на 32,8 % и количества нитрифицирующих бактерий на 74 %, неоникотиноидом ти-аметоксамом (350 г/л) – к снижению активности фосфатазы на 6,5 % и количества нитрифицирующих бактерий на 58,1 % [27].

В исследованиях Gundi V.A. с соавторами (2007) определено, что «инсектициды на основе органофосфатов (монокро-тофос, 100 г/л и хиналфос, 150 г/л) и пиретроида (циперметрин, 250 г/л) имели тенденцию повышать активность ферментов целлюлазы и амилазы. Так, комбинации монокротофоса (100 г/л) с ци-перметрином (250 г/л) продемонстрировали синергический и антагонистический эффект на оба фермента почвенной активности – арилсульфатазу и β-гликозидазу, что показывает влияние пестицидов на S-минерализацию почв и общий окислительный потенциал микроорганизмов» [31].

При изучении микробной диградации фипронила (800 г/кг) Zhu G., Wu H., Guo J. and Kimaro F.M.E. (2004) определили, что «нестерильная суглинистая почва имела жизнеспособные микроорганизмы на протяжении всего эксперимента. Фи-пронил не оказывал неблагоприятного воздействия на микроорганизмы, как только они адаптировались к присутствию пестицида в суглинковой почве» [32].

Фунгициды много лет используются для борьбы с различными патогенами растений и являются биотоксичными веществами, которые не только влияют на биохимические и физиологические реакции фитопатогенов, но и на популяции микроорганизмов в почве [27]. Так, ученный Cui Sh. с коллегами (2005) изучал безопасность фунгицида на основе тебу-коназола (60 г/л). Они определяли влияние его различных концентраций на популяцию почвенных микроорганизмов и их дыхание. Результаты исследований показали, что «спустя сутки после применения фунгицида в низких концентрациях (1,0 мг/кг, 0,5 мг/кг), увеличивалось количество бактерий на 49,5 и 20,9 %, грибов 13,3 и 178,4, а актиномицетов 19,4 и 81,9 %, соответственно. Через 8 суток рост бактерий и грибов сильно стимулировался, тогда как актиномицеты возвращались к нормальному уровню спустя 4 суток после обработки фунгицидом» [33].

Ученные Baćmaga M., Wyszkowska J., Borowik A. и Kucharski J. (2022) установили, что «тебуконазол стимулирует пролиферацию органотрофных бактерий и грибов, а также активность почвенных ферментов, ответственных за метаболизм фосфора, серы и углерода. Все проанализированные образцы почвы были в основном заселены бактериями из филума Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Gemmatimonadetes, Acidobacteria, Plan-ctomycetes и Chloroflexi. Бактерии из родов Kaistobacter, Arthrobacter и Streptomyces преобладали в почвах, загрязненных тебуконазолом, тогда как бактерии из рода Gemmata были инактивированы этим препаратом» [34].

В исследовании действия гербицидов на почвенную микрофлору, проведенном Zsolt S. с соавторами (2007) было установлено, что «через 6 и 12 недель после применения препаратов Аценита (ацетохлор, 800 г/л), Фронтьера (диметена-мид-П, 720 г/л), Мерлина (изоксафлютол, 750 г/л) и Винга (диметенамид-P, 212,5 г/л; пендиметалин, 250 г/л) наблюдалось увеличение количества аэробных целлюлозоразрушающих бактерий» [35]. Вместе с тем в опытах Gigliotti C. с соавторами (1998) с гербицидом на основе бензолфу-рон-метил выявлено, что «пестицид практически не влиял на развитие аэробных и анаэробных азотфиксаторов, нитрифика-торов и активность «дыхания» почвы и только целлюлолитические микроорганизмы значительно уменьшались в количестве» [36].

Донкова Р. (1997) в опыте по изучению биологической активности гербицида, содержащего хлоросульфурон (25 г/кг) в рекомендуемых и 10-кратных повышенных дозах, на трех различных типах почвы установила, что «наблюдаются лишь кратковременные изменения в общей биологической активности (определяемой по объему выделяемого СО 2 ), а также в нитрифицирующей активности и активности ферментов инвертазы и дегидрогеназы. Наибольшее воздействие эти изменения оказали на аллювиально-луговую почву, в то время как на выщелоченной смолнице их влияние оказалось менее заметным» [37].

По данным Ismail B.S., Goh K.M. и Kader J. (1999), «гербицид, содержащий метсульфурон-метил (600 г/кг), применяемый в концентрациях от 0,05 до 2,00 мг/кг на глинистой почве, способствовал сокращению количества бактериальных популяций в течение первых суток. Затем происходило восстановление исходных уровней численности этих микроорганизмов и в дальнейшем наблюдался рост численности бактерий в сравнении с контролем. В то же время после применения метсульфурон-метила резко увеличилось количество толерантных грибов на фоне значительного снижения количества ак-тиномицетов. Активность пероксидазы водорода и полифенолоксидазы в почвенных образцах после внесения гербицида была заметно ниже, чем в контроле» [38].

Ratcliff A.W., Busse M.D., Shestak C.J. (2006) считают, что «внесение гербицида на основе глифосата (540 г/л) в рекомендуемой полевой норме в суглинок и лесную песчаную почву приводило к небольшим изменениям в структуре микробного сообщества. Напротив, высокая концентрация глифосата (превышение полевой нормы в 100 раз) существенно изменяла бактериальное сообщество в обеих почвах. Происходило увеличение общего количества бактерий с 1 % от общей популяции до 25 % при высокой концентрации к 7 суткам после внесения, что указывает на обогащение бактерий-генералистов. Состав сообщества в обеих почвах сместился от грибного доминирования к равному соотношению бактерий и грибов» [39].

Пестициды оказывают существенное воздействие на жизнедеятельность как отдельных микроорганизмов, так и микробных сообществ почвы. Их влияние во многом определяется химической структурой и спецификой состава почвенной микробиоты. Существует различная чувствительность микроорганизмов к пестицидам: некоторые виды показывают высокую восприимчивость, в то время как другие обладают значительной устойчивостью. Тем не менее токсическое воздействие пестицидов, как правило, является обратимым [40].

Микроорганизмы участвуют в преобразовании и разложении пестицидов, используя их как источники питания и энергии. Это зачастую приводит к изме- нению состава микробного сообщества, способствует увеличению численности тех видов, которые способны разлагать синтетические удобрения и пестициды, а также влияет на общее состояние почвы. Бактерии, способные трансформировать или разлагать пестициды, превосходят бактерии, стимулирующие рост растений [41]. Они могут метаболизировать даже самые стойкие пестициды либо за счет использования в качестве источников энергии, либо за счет совместного метаболизма с другими субстратами, поддерживающими рост микробов [42; 43]. В трансформации и детоксикации пестицидов участвуют бесспоровые бактерии из родов Pseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium; актиномицеты рода Nocardia; виды низших грибов, относящиеся к родам Fusarium, Aspergillus, PёnicШium [45].

Эффективное разложение средств защиты растений в почве требует создания идеальных условий для выработки ферментов, которые необходимы для катализа процессов преобразования пестицидов и осуществления ферментативных реакций их переработки, а также присутствие специфических микроорганизмов, способных разлагать химические соединения пестицидов. Вместе с тем доля микроорганизмов участвующих в разложении пестицидов может варьироваться от 10 до 70 %. При нарушении любого из этих условий деградация пестицидов в почве невозможна [32; 45].

В целях определения наиболее подходящих для тестирования микроорганизмов и организмов-индикаторов можно использовать скрининговые методы, такие как тесты на чувствительность, устойчивые бактерии и биологические индикаторы. Процесс поиска и выделения чистых культур микроорганизмов, которые способны эффективно разлагать разнообразные химические соединения, играет ключевую роль в разработке стратегий биоремедиации, направленных на очищение почвы от остатков пестицидов. Данный этап необходим для того, чтобы понять механизмы взаимодействия бактерий и загрязняющих веществ и помочь найти оптимальные пути восстановления экосистем. Сравнение разных видов микроорганизмов позволяет создать более эффективные методы очистки от пестицидов. В конечном итоге, правильный выбор микроорганизмов и их использование в биоремедиационных мероприятиях позволяют значительно улучшить экологическую ситуацию в загрязненных территориях [46; 43].

Таким образом благодаря микроорганизмам, находящимся в почве и в том числе ризосфере, растения сохраняют свою жизнеспособность, поглощают и перерабатывают питательные вещества, а также защищают себя от патогенов и абиотических стрессов. Процессы, протекающие в ризосфере, оказывают влияние на реализацию потенциала растений и в значительной степени зависят от состава и активности микробиоты. Микробные сообщества в экосистемах являются наиболее уязвимыми элементами по отношению к изменениям в окружающей среде, которые могут быть вызваны различными аспектами сельскохозяйственной деятельности, включая применение пестицидов. Это приводит к изменению состава микробного сообщества, что способствует увеличению численности видов, способных разлагать пестициды. Характер влияния средств защиты растений во многом определяется их химическим составом, дозировкой, устойчивостью в окружающей среде и почвенной микробиотой. Существуют определённые виды микроорганизмов, которые демонстрируют большую чувствительность и выраженную толерантность к пестицидам. Они занимают ведущее место в процессе преобразования и разложения пестицидов, применяя их в качестве источников углерода, азота, фосфора и энергии. Поэтому выявление бактерий, микромицетов и иных микроорганизмов, обладающих способностью разлагать средства защиты растений в почве, является важным этапом в ее защите от загрязнения, вызванного пестицидами.