Источники образования диоксинов и пути проникновения их в неживую и живую природу весьма разнообразны. Диоксины имеют исключительно техногенное происхождение. Их появление в окружающей среде связано в первую очередь с производством и использованием хлорорганических соединений и утилизацией их отходов. В воздушную среду диоксины попадают с дымом при сжигании промышленных и бытовых отходов, а также с выхлопными газами автомобилей. С воздушными массами они переносятся на значительные расстояния и могут быть причиной глобального загрязнения.
Диоксины концентрируются наиболее активно в организме рыб и дойных коров. С рыбной продукцией, молоком и мясом они попадают в организм человека.
Регуляторы роста растений – химические соединения с высокой биологической активностью. Их применяют в небольших количествах (от миллиграммов до нескольких граммов на 1 га), чтобы повлиять на рост, развитие и жизнедеятельность растений, облегчить уборку урожая, улучшить его качество и сохранность и т.д.
Регуляторы роста подразделяются на природные и синтетические.
Природные регуляторы – это соединения, присущие растениям и выполняющие роль фитогормонов (абсцизовая кислота, ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен и др.). Названные соединения не опасны для человека, поскольку в процессе эволюции у него выработались механизмы их биотрансформации. К сожалению, возможность получения естественных регуляторов роста растений в требуемых объемах ограничена из-за трудностей в синтезе и высокой стоимости, поэтому наибольшее применение получили синтетические вещества.
Синтетические регуляторы роста производят химическим или микробиологическим путем. В основном они являются малостойкими веществами с периодом полураспада около 1 мес.
Степень опасности большинства искусственных регуляторов роста для растительных и животных организмов практически не изучена. Отсутствует систематизированная информация о механизме действия данных препаратов на растения и животных. Между тем установлена способность накопления некоторых регуляторов в организме.
Регуляторы роста растений представляют опасность для человека, поэтому необходимо создание таких технологий, которые исключали бы попадание этих веществ в продукты питания.
Лекарственные средства. Пищевые продукты могут загрязняться различными лекарственными веществами, применяемыми для лечения и профилактики заболеваний животных, регуляции беременности, улучшения усвояемости кормов, ускорения роста, сохраняемости продуктов и пр. Некоторые из этих веществ могут достаточно долго находиться в продуктах животноводства и попадать в организм человека, представляя угрозу для здоровья.
Особенно опасны антибиотики, нитрофураны, сульфаниламидные, гормональные препараты.
Остатки антибиотиков в пищевых продуктах могут вызвать аллергические реакции, дисбактериоз, подавление ферментов.
Замечено, что чем чаще применяют разнообразные антибиотики, тем менее эффективно они действуют. Увеличение числа устойчивых штаммов микроорганизмов прямо пропорционально повышению числа антимикробных средств. Перспектива – поиск соединений, способствующих образованию антимикробных веществ.
Продукты жизнедеятельности вредителей, афлатоксины и другие микотоксины.
Продукты жизнедеятельности вредителей. Вредители нетолько снижают продуктивность сельскохозяйственных культур, но и существенно ухудшают качество урожая. При этом изменяются химический состав и вкусовые свойства продуктов питания.
Вредители причиняют прямой и косвенный ущерб.
К прямому ущербу относятся потери массы продукции, ухудшение ее качества, снижение посевных качеств семенного материала, загрязнение продуктами жизнедеятельности, в том числе экскрементами.
Косвенные повреждения связаны с тем, что вредители могут вызывать самосогревание зерна и перемещение влаги в зерновой массе. Вредители способствуют распространению микрофлоры, иногда переносят возбудителей болезней человека или сами вызывают болезни человека и животных.
Гусеницы плодожорки, поражая плоды яблони, выделяют экскременты, в составе которых содержатся вещества, обладающие канцерогенным действием. Эти вещества называют инсектотоксинами. Инсектотоксиканты – продукты жизнедеятельности вредителей, выделяемые ими при поражении растений и обладающие токсическим (канцерогенным) действием на человека и животных.
Амбарный долгоносик поражает зерно ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы и продукты ее переработки. Поврежденное зерно непригодно для употребления в пищу, так как может вызывать расстройство органов пищеварения, воспаление кишечника.
При поражении зерна малым мучным хрущаком мука становится комковатой, приобретает неприятные вкус и запах. Такая мука вредна для человека и животных и подлежит уничтожению.
Личинки зернового точильщика проникают внутрь зерновки, развиваются там, выделяют экскременты. При сильном заражении в зерновой массе накапливается много фекальной пыли, которая имеет медово-плесенный запах, характерный для заражения зерна точильщиком. Зерновой точильщик повреждает зерно пшеницы, риса, овса, ржи, сорго, кукурузы и гречихи.
Среди известных микотоксинов лучше всего изучены афлатоксины – токсины, которые накапливаются в тканях или органах отдельных видов растений, особенно произрастающих в тропическом поясе. Микотоксины представляют собой пятичленное многоядерное гетероциклическое соединение. Грибные токсины в большинстве своем – яды экзогенного действия, т.е. выделяются и находятся в субстрате, на котором растет гриб, а не в структуре гриба. Они обладают очень высокой устойчивостью к нагреванию, длительному ультрафиолетовому облучению; некоторые устойчивы к действию кислот и щелочей.
Микробные токсины вредны для клетки уже в незначительных концентрациях. ПДК их составляет 0,5 мкг/кг. Между тем встречаются штаммы грибов, продуцирующие токсины в концентрации 40 000 мг/кг. Механизм действия микотоксинов заключается в блокировке жизненно важных аминокислот (аланина, тирозина, триптофана) и образовании аминосоединений (аминов). Последние даже в незначительных количествах могут сильно воздействовать на кровеносные сосуды. У растений под влиянием токсичных веществ гриба теряется тургор, обесцвечиваются листья, отмечается побурение сосудов и ухудшаются обменные процессы. Микотоксины – это плазматические яды.
В организм человека микробные токсины могут попадать с продуктами питания растительного и животного происхождения (причем последние менее опасны в связи с распадом и частичной инактивацией ядов в организме животных). Остаточные количества микотоксинов в продуктах вызывают канцерогенный и мутагенный эффектыния. И «чистота» этих продуктов определяется свойствами почвы, ее самоочищающей и буферной способностями, которые в значительной степени зависят от содержания гумуса, кислотности почвы, гранулометрического и минералогического составов, окислительно-восстановительных условий, плотности почвы.
Оценивая основные почвенно-экологические факторы, определяющие безопасность сельскохозяйственной продукции, необходимо принимать во внимание следующее.
Гумус в почве выполняет ряд экологических функций. Обладая высокой сорбционной способностью, гумусовые вещества образуют с токсикантами (например, с тяжелыми металлами) малоподвижные соединения и тем самым предотвращают поступление токсикантов в сельскохозяйственные продукты. Так, гуминовые кислоты почвы, содержащей 4 % гумуса, могут связать (в расчете на 1 га): 17 929 кг железа, 4500 кг свинца, 1517 кг меди, 1015 кг цинка, 913 кг марганца.
Гумус не только сорбирует вещества, но и активизирует почвенную биоту, нормализует структуру микробного ценоза, блокирует таким образом появление микотоксинов и загрязнение ими продуктов питания.
В связи с этим на почвах подзолистого типа, бедных органическим веществом, опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции значительно выше, чем на черноземах.
Экологическая безопасность сельскохозяйственной продукции зависит и от кислотности почвы (рН), влияющей на растворимость токсикантов и их поступление в растения. В почвах, имеющих реакцию, близкую к нейтральной, опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции (например, тяжелыми металлами) снижается. При увеличении же кислотности, как и щелочности, растворимость тяжелых металлов возрастает, и миграция их в растения увеличивается. Как и гумус, рН почвы влияет на структуру микробного ценоза, снижая или повышая опасность микотоксинового загрязнения пищевых продуктов. Учет фактической кислотности почв при размещении сельскохозяйственных культур и ликвидация избыточной кислотности с помощью известкования очень важны для получения безопасной продукции.
Гранулометрический и минералогический составы почвы влияют на емкость катионного обмена, что обусловливает различную подвижность токсикантов, а следовательно, разную степень поступления их в сельскохозяйственную продукцию. Так, на почвах тяжелого гранулометрического состава, имеющих большую площадь поверхности частиц, емкость катионного обмена выше, что уменьшает подвижность токсиканта и поступление его в пищевые продукты.
Сельскохозяйственная продукция, выращенная на почвах, в состав которых входят минералы с невысокой емкостью катионного обмена (например, каолиниты), легче загрязняется токсикантами, чем выращенная на почвах, представленных минералами монтмориллонитовой группы.
На переувлажненных почвах (глееватых, глеевых) увеличивается опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции токсикантами (тяжелыми металлами) вследствие увеличения их подвижности. Избыток воды в почве способствует появлению в ней металлов с низкой валентностью в более растворимой форме. Использовать для выращивания сельскохозяйственных культур почвы с нарушенным гидрологическим режимом следует только после мелиоративных работ.
Уплотнение почвы увеличивает подвижность токсикантов (тяжелых металлов), что делает опасным выращивание сельскохозяйственных культур.
Определенную роль в вопросах «здоровья» почвы, а следовательно, качества выращиваемой сельскохозяйственной продукции, играют населяющие почву живые организмы, особенно микробиота. При попадании токсикантов в почву их дальнейшая судьба зависит от активности и структуры микробных ценозов, которые определяют самоочищающую способность почвы. Эта способность тесно взаимосвязана с рассмотренными ранее почвенно-экологическими факторами.
Таким образом, сохранение и увеличение содержания гумуса в почве, оптимизация почвенной кислотности и разуплотнение почвы – важные условия получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Приемы снижения негативного действия токсикантов.
Значительные площади наиболее загрязненных почв на многие годы безвозвратно выпали из сельскохозяйственного оборота. Однако многолетние исследования, отечественный и зарубежный опыт позволяют рекомендовать производству достаточно выверенные приемы, обеспечивающие полную или частичную рекультивацию загрязненных почв. Это химическая, физико-химическая и биологическая мелиорация, а также специальные агротехнические мероприятия.
Использование в качестве мелиорантов известковых материалов, калийных удобрений и других химических средств дает возможность:
•довести реакцию среды (рН почвы) до уровня, когда подвижные соединения тяжелых металлов, радиоактивных элементов и других токсикантов переходят в недоступную или менее доступную для сельскохозяйственных растений форму;
создать в почвенном растворе повышенную концентрацию элементов-антагонистов (например, калия, фосфора, кальция и др.) и таким образом сократить поступление токсичных элементов в выращиваемые растения;
•в результате химической реакции в почвенном растворе перевести токсичные соединения в менее опасные формы.
Физико-химическая мелиорация основана на способности различных мелиорантов адсорбировать токсичные элементы и удерживать их на поверхности или в структуре кристаллической решетки, что в значительной степени блокирует поступление токсикантов в сельскохозяйственные растения. К таким мелиорантам относятся активированный уголь, цеолиты, монтмориллониты, вермикулит и т.д. Примером физико-химической мелиорации может служить использование ионитов, действие которых заключается в обмене ионов нетоксичных элементов (веществ) на токсичные.
Сложилось несколько направлений биологической рекультивации. Среди них выращивание растений – концентраторов токсичных веществ (ежа сборная, волоснец песчаный, гречиха сахалинская и т.д.). С помощью этих растений можно извлекать токсиканты из почвы. Повышение биологической активности почвы в результате внесения органических удобрений, известкования, разуплотнения почвы способствует переводу более токсичных соединений в менее токсичные.
Специальные агротехнические мероприятия включают удаление или глубокую заделку загрязненного слоя, землевание и др.
Использование достижений биотехнологии. Среди новых направлений биотехнологии, способствующих получению экологически безопасной продукции, следует отметить применение микробиологических удобрений, промышленную переработку бытовых отходов, индустриальную технологию компостирования отходов животноводства – технологию переработки экскрементов с использованием навозной мухи, переработку отходов для получения биогаза и экологически чистых органических удобрений и др.
Организация производства и рациональное использование биопрепаратов в перспективе дадут возможность повысить продуктивность основных сельскохозяйственных культур в среднем на 20-25 %, обеспечить получение продукции более высокого качества, сократить период вегетации возделываемых растений на 15-25 %, повысить рентабельность производства. Кроме того, как показывают результаты исследований, применение микробных инокулянтов позволит экономить до 50-60 кг азотных удобрений на 1 га, значительно уменьшить применение пестицидов и т.д. Все это в конечном итоге весьма существенно для формирования и развития процессов экологизации сельскохозяйственного производства.
Адаптивно-ландшафтная система земледелия включает в себя дифференциацию земледелия применительно к различным экологическим условиям, адаптацию к разным уровням интенсификации производства, хозяйственным особенностям и рыночным отношениям.
Термин «адаптивная» означает адаптированность системы земледелия ко всему комплексу условий в пределах агроэкологических типов земель (т.е. участков, однородных по условиям возделывания культуры или группы культур с близкими агроэкологическими требованиями), приемы обработки почвы, посева дифференцированы в соответствии с элементами мезорельефа, а организация территории осуществляется с учетом структуры ландшафта.
Переход к ландшафтно-экологическим системам земледелия создает условия для экологически безопасного и экономически целесообразного использования природных и антропогенных ресурсов с целью получения экологически чистой или безопасной продукции.
Для прогнозирования процессов развития и формирования агроландшафтов во времени необходимо иметь дополнительную информацию по растениеводческим и агротехническим показателям: структуре агроландшафта и сельскохозяйственных угодий; противоэрозионной почвозащитной организации территорий; системе севооборотов; видам возделываемых культур; принятой системе основной обработки почвы; технологии возделывания сельскохозяйственных культур, включая систему удобрения и защиты растений; соблюдению принципа экологической безопасности реализуемых приемов; использованию таких совокупностей или комплексов агрономических приемов, которые дают синергический эффект.
Исходя из этого в современных системах земледелия теоретически правильно и практически необходимо рассматривать почву и растение как единое целое, как основной фактор, определяющий эффективность всей системы.
В основе разработки ландшафтно-экологических систем земледелия должны лежать принципы, следование которым обеспечит условия для расширенного воспроизводства плодородия почв и устойчивое ведение отрасли.
Принцип экологичности заключается в умении земледельца управлять поступающей энергией солнца путем различных методов воздействия на почву и растения с целью увеличения использования ее растениями.
Принцип экологичности систем земледелия подразумевает рациональное использование природных ресурсов и их воспроизводство, сохранение среды обитания живых организмов как саморегулирующейся и саморазвивающейся системы.
Принцип энергопоглощающей способности тесно связан с энергоемкостью. Любая система земледелия способна поглощать и трансформировать прямо или косвенно в органическое вещество лишь ограниченное количество энергии, поступающей в данный агроландшафтный комплекс (энергия солнца, осадков, привносимого органического вещества, механического воздействия на почву, минеральных удобрений, пестицидов и др.). Чрезмерное, свыше экологической способности, насыщение системы энергией приводит не только к непроизводительным тратам ресурсов, но и к существенному сбою в работе самой системы, а следовательно, к снижению прибыли и рентабельности производства. Прежде чем проектировать уровень интенсификации любой рациональной системы земледелия или рекомендовать ее для отдельной культуры, необходимо обладать четкими знаниями об энергопоглощающей способности естественных фитоценозов в целом за вегетацию или в отдельные ее периоды.
Принцип целостности подразумевает наличие в структуре системы земледелия необходимых для эффективного функционирования элементов (звеньев), которые находятся во взаимосвязи друг с другом и представляют собой единое целое.
Принцип дифференциации предусматривает разработку систем земледелия в зависимости от климатических условий ландшафта, материального обеспечения (интенсивности) и специализации хозяйства, спроса и предложения продукции и сырья на рынке.
Принцип адаптивности указывает на то, что все элементы систем земледелия должны соответствовать природным и организационно-экономическим условиям хозяйства (быть приспособлены к конкретным условиям ландшафта, традициям и опыту земледелия). Принцип предполагает необходимость обоснования соотношения сельскохозяйственных угодий (пашня, сенокосы, пастбища, залежь, многолетние насаждения) и способа их использования по элементам ландшафта.