Дипломная работа: Влияние микроконцентраций гербицида "Раундап" на развитие проростков озимого тритикале в лабораторном эксперименте
Большинство гербицидов – ингибиторов фотосинтеза – действуют на световую реакцию II, прерывая поток электронов к хлорофиллу и подавляя процесс фотолиза воды (реакция Хилла). Так проявляют себя нитрофенолы, производные карбаминовой кислоты, анилиды, гидроксибензонитрилы, производные мочевины, производные 1,2,5 – триазина, 1,2,4 – триазина, производные пиримидина, бензимидазолы, пиридазиноны, производные фурана (этофумезат) и производные тиадиазолов (бентазон) [28].
Перспективными являются гербициды, влияющие на синтез органических азотсодержащих веществ, в частности аминокислот в тканях растений. Сульфонилмочевины нарушают биосинтез валина и изолейцина, воздействуя на фермент ацетолактатсинтазу, катализирующую первый этап этого процесса. Аналогично действуют гербициды новой группы имидазолинонов (арсенал, АС 243997). Биосинтез ароматических аминокислот ингибирует раундап, гистидина – амитрол, глютамина – баста (фосфинотрицин).
Отсутствуют гербициды со специфичным действием на процесс дыхания растений. Некоторые препараты могут подавлять перенос электронов, блокируя отдельные этапы фосфорилирования, другие – разобщать фосфорилирование путем разрыва (гидролиза) высокоэнергетических молекул веществ, участвующих в переносе энергии, что приводит к непроизводительному расходованию энергии, освобождающейся при дыхании.
Ряд гербицидов изменяет активность клеточных ферментов, действуя на них прямо или косвенно. В первом случае молекулы гербицида взаимодействуют с веществами клеточных ядер, конкурируют с субстратом за активные места на молекулах ферментов, образуют комплексные соединения с ферментами или с их субстратами, что в одних условиях подавляет, а в других – стимулирует активность ферментов. Гербицид может конкурировать с кофакторами ферментативных белков: изменять состояние белкового кофактора и предотвращать активную связь кофактора с протеиновой частью фермента.
Косвенное действие гербицида на ферменты проявляется в торможении поступления в клетки энергии, необходимой для реакций образования АТФ, а также исходных материалов для синтеза коферментов и простетических групп, в изменении условий протекания ферментативных реакций [26].
1.3 Краткая характеристика и механизм действия глифосата (раундапа)
Глифосат является пестицидом широкого спектра действия, активно применяемым для уничтожения нежелательных растений, как в сельском хозяйстве, так и в несельскохозяйственных ландшафтах. Большинство продуктов, содержащих глифосат, либо изготовляется, либо используется вместе с поверхностно-активным веществом, помогающим глифосату проникнуть в клетки растений. Поверхностно-активное вещество, используемое в распространенном продукте на базе глифосата (известном под названием «Раундап»), более токсично, чем сам глифосат, а комбинация этих двух веществ еще более токсична [29].
Гербициды на базе глифосата, предлагаемые производителями как «мало токсичные и дружественные к окружающей среде», могут казаться панацеей при борьбе с нежелательными растениями. Между тем, продукты, содержащие глифосат, обладают острой токсичностью для животных, включая человека. Симптомы: раздражение глаз и кожи, головная боль, тошнота, оцепенение, повышенное кровяное давление и учащенное сердцебиение. Наблюдения за людьми (в основном фермерами), имеющими контакт с глифосатом, показали, что такой контакт ассоциируется с увеличением риска выкидышей, преждевременными родами и раковой лимфомой.
Препарат впервые был зарегистрирован в США в 1974 году и применяется для борьбы с сорняками в широком спектре сельскохозяйственных, городских, садово-парковых, водных и лесных ситуаций. Большинство гербицидов содержит изопропиламиновую соль глифосата [30].
Глифосат занимает место среди наиболее распространенных пестицидов в сельском хозяйстве. Наибольшее использование его отмечено при производстве соевых бобов, кукурузы, сена, на пастбищах и на землях под паром. Применение глифосата в настоящее время увеличивается, в основном вследствие недавней разработки с помощью генной инженерии и интродукции растений, толерантных к гербициду.
Глифосат, N – (фосфонометил) – глицин (рисунок 3) является неизбирательным гербицидом, действующим на весь организм, который используется для уничтожения широколиственных, травянистых и осоковых видов растений [31].
Рисунок 3 – Структурная формула глифосата
Глифосат хорошо поглощается надземными органами растений и передвигается в глубоко залегающие корни. К нему чувствительны однолетние и многолетние однодольные и двудольные растения, в том числе такие корневищные и корнеотпрысковые, как пырей, свинорой, гумай, острец, осот желтый, бодяк полевой, марь белая и другие. Передвигается глифосат с места нанесения медленно (7–10 дней), но на большие расстояния (на глубину до 2 м) и вызывает гибель корневищ в радиусе 30 см. Многолетние сорняки подавляются в течение всего вегетационного периода, однолетние – до повторного отрастания новых. Визуально наблюдаемый эффект проявляется на однолетних растениях через 2–4 дня, на многолетних – через 7–10 дней, а полная гибель сорняков наступает через 20 дней и более после применения препарата. Прохладная и облачная погода замедляет проявление фитотоксичности гербицида, а осадки, выпавшие менее чем через 2 часа после опрыскивания, могут снизить эффективность обработки.
Сорные растения сначала приобретают светло-зеленую окраску, затем желтеют, обесцвечиваются, теряют тургор, засыхают и через 14–20 дней погибают [16].
Механизм действия глифосата по данным EPA в настоящее время досконально не изучен. Но благодаря исследованиям установлено, что глифосат ингибирует ферментный путь с участием шихимовой кислоты, не позволяя растениям синтезировать три ароматических аминокислоты (триптофан, тирозин, фенилаланин). Ароматические аминокислоты выполняют важную роль в клеточном метаболизме. Они входят в состав белков и служат исходными соединениями для метаболизма фенилпропаноидов – «массовой продукции», образующейся в процессе роста растения. В их состав входят пигменты и полимер клеточных стенок – лигнин. Ключевой фермент, ингибируемый глифосатом, называется EPSP синтаза (5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтаза).
Глифосат может оказывать воздействие на ферменты растения не связанные с участием шихимовой кислоты. У сахарного тростника он снижает активность фермента, участвующего в метаболизме сахара. Он также ингибирует главный детоксифицирующий фермент растений [31].
Фактически каждый пестицид, кроме так называемого «активного» вещества, предназначенного для уничтожения растений, содержит также другие ингредиенты. Эти ингредиенты неточно называют «инертными». «Инертные» составляющие предназначены для облегчения использования продукта и увеличения его эффективности. Как правило, эти составляющие не указываются на этикетках пестицидных продуктов.
Глифосат является представителем органофосфонатов с активированной прямой С-Р связью и составляет основу многих гербицидов. Их отличает высокая токсичность и устойчивость к разложению. C-P связь органофосфонатов трудно гидролизуема химическим путем, но может быть разорвана с помощью особых ферментных систем микроорганизмов-деструкторов. Высвобождающийся фосфор используется микроорганизмами в качестве единственного источника этого компонента в процессах биосинтеза и энергетического обмена [32].
Стойкость глифосата в почве изменяется в широких пределах, и нет однозначного ответа на вопрос, сколько времени глифосат остается в почве. Периоды полураспада (время, необходимое для распада или уноса половины исходного количества глифосата), определенные производителем глифосата, составили от 3 до 141 дня [33].
Считается, что глифосат образует прочные комплексы с большинством почв, и поэтому он исключительно иммобилен. Это означает, что маловероятно заражение глифосатом воды и почвы вне участка его применения. Однако эта связь с почвой является обратимой. Например, некоторые исследования показали, что глифосат легко связывается с разными видами почв. Однако десорбция, когда глифосат отсоединяется от частиц почвы, происходит также легко.
Глифосат был обнаружен как в поверхностных, так и в грунтовых водах. Стойкость глифосата в воде ниже, чем в почве [34].
Глифосат может нанести ущерб многим организмам, не являющимся мишенью для пестицида. Имеются также и другие серьезные эффекты, такие, как влияние на редкие виды растений, ухудшение качества семян, снижение способности фиксировать азот, увеличение подверженности растений болезням и уменьшение активности микоризных грибов [35].
Качество семян. Cублетальная обработка хлопка «Раундапом» сильно ухудшает всхожесть семян и развитие рассады в полевых условиях. При наименьших проверенных концентрациях глифосата всхожесть семян уменьшилась в пределах от 24 до 85%, а вес рассады – от 19 до 83% [36].
Фиксация азота. Большинство живых существ не способно усваивать азот в чистом виде и получают его в виде аммиака и нитратов. Аммиак и нитраты образуются в результате процессов, которые называются фиксацией азота и нитрификацией. Эти процессы осуществляются бактериями, живущими в почве и в клубеньках на корнях бобовых и некоторых других растений.
При концентрациях, соответствующих типичным дозировкам применения, глифосат снижает на 70% число азотфиксирующих клубеньков у клевера, посаженного через 120 дней после обработки; аналогичная концентрация гербицида с глифосатом снижает на 27% число клубеньков у клевера, выращиваемого на гидропонике. Сходная концентрация глифосата уменьшает на 20% процесс фиксации азота бактериями в почве. Обработка гербицидом с глифосатом при самой низкой проверенной концентрации (в 10 раз меньшей, чем при типичной дозировке его применения) уменьшает число клубеньков у клевера на 68–95%.
Микоризные грибы – это полезные грибы, живущие на корнях и вокруг корней растений. Они помогают растениям усваивать питательные вещества и влагу из почвы и могут защитить их от холода и засухи. Обнаруживают токсичность «Раундапа» по отношению к микоризным грибам, ассоциированным с хвойными деревьями, при концентрациях от 1 части на миллион, что ниже концентраций в почве при типичных дозировках применения. У орхидных обработка глифосатом меняла полезное взаимодействие между орхидными и их микоризой на паразитическое взаимодействие (не приносящее пользы растениям) [37].
Болезни растений. Обработка глифосатом увеличивает подверженность культурных сельскохозяйственных растений ряду болезней. Например, глифосат увеличил заболевание корней и стеблей помидоров; снизил способность бобовых растений защищать себя от антракноза; увеличил распространение неспецифических гнилей в почве пшеничного поля и снизил пропорцию почвенных грибов – антогонистов гнилевых грибов; увеличил содержание в почве двух возбудителей болезней корней гороха. Кроме того, обработка соснового питомника ослабила защитную способность саженцев противостоять голубой гнили [38].
Для получения максимального эффекта от применения глифосатсодержащих гербицидов необходимо соблюдать следующие правила: