Продовольственная безопасность и экологическая устойчивость во многом зависят от качества и плодородия почвы. Однако чрезмерное и частое использование гербицидов, особенно в традиционном сельском хозяйстве, нарушило почвенную среду, изменив активность, количество и разнообразие микроорганизмов и биохимических процессов в почве. Это может привести к ухудшению физико-химических свойств почвы, которые иногда необратимы, и способствуют потере органического вещества почвы. Развитие направления почвенных разлагателей остатков гербицидов, например в виде специальных гелей, поможет изменить ситуацию.
Почва является одним из важнейших мест накопления гербицидов, где эти соединения взаимодействуют с микроорганизмами. Результатом накопления гербицидов является токсическое воздействие на микробиоту или микробная деградация в зависимости от абиотических и биотических факторов.
Гербициды прилипают к частицам почвы путем адсорбции и прочно адсорбируются на почвах с высоким содержанием глины или органических веществ.
Это связано с их химически активной и большой площадью поверхности, что придает химическим соединениям большую сорбционную способность. Кроме того, гербициды быстрее и легче поглощаются в сухих почвах, поскольку между водой и этими соединениями нет конкуренции за места связывания в почве. Гербициды, сорбированные частицами почвы, с большей вероятностью выживают в почве и более доступны для поглощения растениями и химической и микробной деградации.
Токсическое воздействие гербицидов на микроорганизмы обычно происходит, когда они применяются в количествах, которые трудно разлагаются в почве, что приводит к изменению скоростей многих микробных процессов.
Так, гербициды, которые действуют путем инактивации растительных ферментов, например, ацетилацетатсинтазы или 4-гидроксифенилпируват-диоксигеназы, проявляют токсичность для микроорганизмов. Микроорганизмы в почвенной среде важны, поскольку они выполняют несколько ключевых функций.
Воздействие гербицидов на разнообразие микроорганизмов зависит от различных факторов, например, типа и дозы гербицида и условий окружающей среды. Последние могут удалять загрязняющие вещества из окружающей среды путем иммобилизации (осаждения, биосорбции, биостимуляции и комплексообразования) и мобилизации (биовыщелачивания, ферментативного окисления, ферментативного восстановления, биостимуляции и биоаугментации).
Микроорганизмы защищают себя от токсического воздействия соединений, образуя гидрофобный или растворяющий насос, который защищает внешнюю клеточную мембрану.
Помимо микроорганизмов, ферменты, которые важны как с сельскохозяйственной, так и с экологической точки зрения, являются очень важными показателями для оценки качества почвы. Они участвуют в биохимических процессах и круговороте питательных веществ. Все биологические реакции происходят в почве посредством катализируемых веществ-специфических ферментов, которые влияют на стабилизацию структуры почвы и жизненные процессы микроорганизмов и участвуют в разложении органического материала и органических загрязнителей.
В почве есть ферменты, которые влияют на ее метаболические процессы, связанные с физическими, химическими, микробиологическими и биохимическими свойствами почвы. Ферменты постоянно синтезируются, накапливаются, инактивируются или деградируют.
Некоторые гербициды, например, дикамба, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д), метолахлор и глифосат, устойчивы к деградации в окружающей среде и могут представлять риск в севообороте или для здоровья человека.
Поэтому желательно искать новые стратегии удаления этих химикатов из почвенной среды, например, путем рекультивации территорий, загрязненных гербицидами. Основными целями этого процесса являются удаление загрязняющих веществ из почвы, увеличение их преобразования в менее опасные метаболиты или их иммобилизация без ухудшения функции почвы. Из всех методов рекультивации почвы использование сорбентов особенно интересно, так как при внесении в загрязненную почву они вызывают сорбцию и иммобилизацию токсичных соединений, снижая их биоудержание, инфильтрацию и биодоступность для организмов.
В последнее время макромолекулярные полимеры приобрели большую популярность в улучшении качества почвы из-за их доступности, множественных функциональных групп, пористой структуры, большой удельной площади поверхности и способности иммобилизовать загрязняющие вещества. Кроме того, эти вещества могут сохранять воду в сухих почвах, образовывать разлагаемую мульчу, контролировать высвобождение агрохимикатов, разлагать органические вещества и улучшать удержание питательных веществ и развитие растений.
Распространенным действующим веществом в гербицидных формулах является сулькотрион, который относится к группе трикетонных соединений, что приводит к нарушению синтеза каротиноидов, что разрушает хлорофилл и подавляет выработку пигмента. Это приводит к повреждению листьев и последующей гибели растений.
На этом фоне Малгожата Бачмага, Ядвига Вышковская и Ян Кухарски, ученые Кафедры почвоведения и микробиологии Факультета сельского и лесного хозяйства Варминско-Мазурского университета в Ольштыне провели исследование для оценки эффективности гидрогеля (альгината натрия) в стабилизации почвенной среды, подверженной давлению сулькотриона. Эта оценка основана на надежных биологических показателях, т. е. почвенных микроорганизмах и ферментах.
Важно отметить, что до сих пор не было исследований, которые оценивали бы эффективность альгината натрия в восстановлении баланса почв, подверженных воздействию сулькотриона.
Гипотеза исследования заключается в том, что (i) сулькотрион в избыточных количествах вызывает изменения в популяциях почвенных микроорганизмов и биохимической активности и (ii) обогащение почвы альгинатом натрия нейтрализует негативное воздействие сулькотриона и улучшает качество почвы.
Альгинат натрия (SA) — это полисахарид, извлеченный из клеток бурых водорослей Macrocystis pyrifera, Laminaria digitata, Laminaria cloustoni и Ascophyllum nodosum, которые принадлежат к семейству Phaeophyceace . Он составляет от 10% до 50% сухого веса клеток водорослей, обладает очень хорошими свойствами, а именно, нетоксичностью, биосовместимостью и биоразлагаемостью. Альгинат натрия обладает высокой водопоглощающей способностью и увеличивает водоудержание в песчаных почвах.
В лабораторных экспериментах было обнаружено, что как гербицид, так и альгинат натрия оказали значительное влияние на почвенную среду. Количество 10 г альгината натрия на кг было внесено в почву, в то время как сулькотрион вносили в почву в следующих количествах: 0,00 (C), 0,200 (R), 0,999 (5R) и 9,999 мг на кг (50R).
Сулькотрион стимулировал активность дегидрогеназ, каталазы, арилсульфатазы и β -глюкозидазы и ингибировал активность щелочной фосфатазы, кислой фосфатазы и уреазы, а также пролиферацию органотрофных бактерий, актинобактерий и грибов. Это вызвало увеличение индекса развития колоний органотрофных бактерий и грибов и снижение значения индекса развития колоний актинобактерий. Он также увеличил значение индекса экофизиологического разнообразия грибов.
Добавление альгината натрия в почву увеличило количество органотрофных бактерий, актинобактерий и грибов, а также активность дегидрогеназ, каталазы, уреазы, щелочной фосфатазы и арилсульфатазы. Гидрогель оказывал различное влияние на активность β -глюкозидазы. Кислая фосфатаза показала значительное снижение активности после добавления альгината натрия в почву.
Под влиянием альгината натрия наблюдалось увеличение индекса развития колоний актинобактерий и грибов, в то время как наблюдалось снижение органотрофных бактерий и индекса экофизиологического разнообразия актинобактерий и грибов.
«Альгинат натрия улучшает качество почвы, стимулируя рост микроорганизмов и активность большинства почвенных ферментов. Исследования показали, что альгинат натрия имеет потенциал быть перспективным сорбентом для рекультивации почв, загрязненных органическими соединениями, т. е. гербицидами. Однако необходимо провести дополнительные исследования для определения доз этого полимера, эффективных для восстановления гомеостаза почвы», заключили исследователи.
По статье группы авторов (Малгожата Бачмага, Ядвига Вышковская, Ян Кухарски), опубликованной в журнале Agriculture 2024 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.