Гербициды для биоты почвы – пища или убийца?

Микробное сообщество почвы — это стабильная и вместе с тем динамичная часть биогеоценоза, выполняющая важнейшие экологические функции биосферы. Структура, численность, функциональное разнообразие микробного сообщества зависит от множества условий. Комплексность и неоднородность почвенной среды способствуют поддержанию пула почвенных микроорганизмов с различными оптимумами экологических факторов. Тем не менее прослеживается соответствие структуры микробного сообщества и условий местообитания.

Сельскохозяйственная деятельность человека приводит к постоянному изменению среды обитания почвенных микроорганизмов, т.е. физических и химических свойств почвы. Это неизбежно отражается на состоянии почвенного микробного сообщества.

Одним из факторов, влияющих на их состав и функционирование в агротрансформированных почвах, является регулярное применение гербицидов. Они попадают в почву при непосредственном внесении, с отмершими растительными остатками, при смыве с листьев и в составе корневых выделений . В связи с этим, а так же под действием сопутствующих условий (характер и регулярность сельскохозяйственных обработок, возделываемая культура) изменяется структура и функциональное биоразнообразие, биологическая активность и обилие микробного сообщества почвы .

Один из наиболее используемых средств химического контроля сорной растительности — глифосат (N5(фосфонометил) глицин, C3H8NO5P), высокоэффективный системный малотоксичный гербицид. Действие глифосата на растения заключается в ингибировании энзима 5_энолпирувил_шикимат_3_фос_фат_синтазы (EPSPS), который необходим для образования ароматических аминокислот: тирозин, триптофан и фенилаланин , участвующих в синтезе протеина растений и в образовании многих вторичных растительных продуктов таких, как промоторы и ингибиторы роста, фенолы и лигнины.

Период полуразложения глифосата варьирует в зависимости от типа почвы и характера климата. Согласно данным Агентства защиты окружающей среды США, этот гербицид может сохраняться в почве до 150 сут .

При попадании в почву глифосат может:

- взаимодействовать с микроорганизмами,

-связываться в почве. Глифосат очень активно адсорбируется почвой путем образования хелатов с металлами, в основном с железом и алюминием, и становится биологически неактивным- он теряет свои гербицидные свойства . Глифосат, преимущественно адсорбируется на минеральной части почвы. Он устойчив к фото- и химической деградации.

Взаимодействие глифосата с микроорганизмами

Глифосат может оказывать как стимулирующее, так и подавляющее действие на микроорганизмы, составляющие микробный комплекс почвы; характер этого действия зависит от сопутствующих условий:

- С одной стороны, присутствие шикиматного пути биосинтеза аминокислот в грибах и некоторых бактериях может служить причиной их подавления глифосатом .

- С другой стороны, глифосат может служить питательным субстратом и источником азота и фосфора для микроорганизмов , тем самым стимулируя развитие гидролитической части микробного сообщества .

В научных работах представлены несколько основных путей микробиологического разложения пестицида:

1- Первый путь деградации протекает с расщеплением связи С-Р. Называют С-Р лиазный путь. Первичными продуктами разложения являются саркозин и неорганический фосфор Рi. Лиазный механизм расщепления глифосата недостаточно изучен и охарактеризован. В окружающей среде описанный механизм метаболизма возможен при дефиците внеклеточного неорганического фосфора, что не характерно для природных экосистем . В данном процессе разрушения гербицида участвуют бактерии, которые используют глифосат в качестве источника фосфора, к ним относятся Escherichia coli, Arthrobacter sp. GLP-1, Achrоmоbacter sp. MPS 12A, Pseudоmоnas sp. 4ASW, Pseudоmоnas sp. GLC11. Pseudоmоnas sp. PG2982, Streptomyces sp. StC

2- Второй путь биодеградации является наиболее распространенным, и протекает с образованием глиоксилата и аминометилфосфоновой кислоты. К микроорганизмам-деструкторам, находящимся в окружающей среде (почве, активном иле очистных сооружений), относятся Achrоmоbacter sp. LW9, Arthrobacter atrocyaneus ATCC 13752, Flavоbacterium sp. GD1, Оchrоbactrum anthrоpic GDОS, Оchrоbactrum anthrоpic GPK 3, Оchrоbactrum anthrоpic LBAA, Оchrоbactrum anthrоpic S5, Pseudоmоnas sp. LBr, Aspergillus niger, Penicillium chrysоgenum и др.

Скорость разрушения гербицида зависит от микробного сообщества, сорбционной способности почвы , кислотности и температуры почвы . Кроме того, деградация глифосата в воде протекает медленнее, чем в почве

Рассмотрим некоторые результаты опытов:

1. Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение глифосата модифицирует микробные структуры почвы - как при краткосрочном, так и при длительном воздействии. При краткосрочном воздействии эмиссия СО2 возрастает. Удельная метаболическая работа и функциональное разнообразие не зависят от фактора внесения гербицида, однако отмечено его воздействие на интенсивность потребления некоторых субстратов. В образцах с глифосатом выявлено увеличение устойчивости микробного сообщества. Общая численность прокариотной составляющей микробного сообщества при воздействии глифосата не изменяется. Однако, некоторые филогенетические группы прокариот обладают чувствительностью к долгосрочному воздействию гербицида: увеличивается число метаболически активных представителей групп Actinobacteria и снижается число Acidobacteria и представителей домена Archaea. Таким образом, гербицид глифосат оказывает на микробное сообщество дерновоподзолистой почвы стабилизирующее воздействие. Предположительно, наблюдаемые эффекты обусловлены тем, что данный гербицид является субстратом для некоторых групп микроорганизмов.

2.Исследования влияния глифосата на микробное сообщество естественной почвы не выявило негативное влияние, на модельно почве ( с минимальным биоразнообразием биоты) видно, что редуцированное микробное сообщество не справляется с утилизацией

3 Инокуляция культуры варианта P. alcaligenes 5/8 в концентрации 1,0·108 КОЕ см–3 в

стерильные образцы почвы, содержащей 2400 мкг·см–3 глифосата, привела к тому, что гербицид в почве неопределялся уже через 5 часов, что свидетельствует о

возможности создания с использованием данной глифосатрезистентной культуры

специальных препаратов для ремедиации загрязненных этим ксенобиотиком почв.

Как видно из представленных данных глифосат, потенциально может оказывать и угнетающее и стимулирующее действие на биоту почвы. Пожалуй единственное, что можно констатировать с большой долей уверенности-чем больше биоразнообразие биоты-тем быстрее произойдет разложение глифосата.

Для информации: Шикима́тный путь — метаболический путь, промежуточным метаболитом которого является шикимовая кислота. Шикиматный путь отмечается как специализированный путь биосинтеза бензоидных ароматических соединений. Действие глифосата на растения/некоторые прокариоты заключается в ингибировании энзима_энолпирувил_шикимат_3_фос_фат_синтазы (EPSPS), который необходим для образования ароматических аминокислот.

При подготовке сообщения использованы следующие материалы, опубликованные в открытых источниках:

Структурные и функциональные характеристики прокариотного комплекса дерново-подзолистой почвы под воздействием гербицида глифосата, А. Железова 2018

Глифосат: поведение в окружающей среде и уровни остатков, Е. М. Кузнецова, В. Д. Чмиль, 2010

Гербициды и экологические аспекты их применения, Н. А. Куликова, Г. Ф. Лебедева, 2010

Влияние биоугля на адсорбцию гербицидов в почве, А.Железова, Х.Седердунд, 2020

Биотехнологические аспекты определения токсичности пестицидов на клеточных и организменных тест-системах, Н.Е. Шувалова , 2021