Подписаться
Оглавление

Коварные помощники человечества: пестициды

  • 994
  • 1,3
  • 0
  • 2
Добавить в избранное
Обзор

Современные пестициды отличаются большим разнообразием. Они незаменимы в сельском хозяйстве и других сферах.

В современном мире человечество использует более тысячи разных средств для борьбы с вредителями — пестицидов. Первые такие вещества появились тысячелетия назад. Сначала люди применяли средства природного происхождения, а примерно в середине XIX века на помощь фермерам пришли химики. Благодаря пестицидам мы не испытываем проблем с продовольствием и можем приобрести в супермаркетах любые продукты. Однако эффекты пестицидов не так однозначны: эти вещества могут быть токсичными, канцерогенными и мутагенными. Поэтому важно уметь точно определять и тщательно контролировать содержание пестицидов в пище и окружающей среде. Эта статья открывает цикл публикаций о пестицидах. В ней мы расскажем об истории создания и применения средств для борьбы с вредителями, рассмотрим их основные типы и классификации, обсудим вред для человека и окружающей среды, а также поговорим о том, какие существуют альтернативы пестицидам.

Пестициды

«МС-АНАЛИТИКА»

Партнер спецпроекта — компания «МС-АНАЛИТИКА», авторизованный дистрибьютор хроматографических и масс-спектрометрических систем Thermo Scientific в России и СНГ.


Пестициды — это химические средства, которые используются человеком для борьбы с разнообразными вредителями. В этом спецпроекте мы расскажем об истории создания и применения пестицидов, выясним, какие пестициды сейчас применяют и можно ли найти им альтернативы, а также обсудим, как определяют и контролируют уровень этих веществ в продуктах питания и окружающей среде.

Thermo Scientific

Примерно 12 тыс. лет назад в истории человечества начался процесс, который повлек за собой массу глобальных перемен: увеличилось население планеты, возникла цивилизация, появились первые государства, культура, экономика. Произошла неолитическая революция — переход от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству [1], [2].

К тому времени люди уже придумали немало довольно сложных специализированных орудий, включая оружие для охоты на животных и приспособления для рыбной ловли. Но стало понятно, что добывать пищу можно не только охотой, рыбалкой и собирательством — ее можно выращивать прямо рядом с домом. Люди приступили к одомашниванию растений, позже дело дошло и до животных. Почему начался этот процесс и как именно протекал — доподлинно не известно, и эти вопросы до сих пор служат предметом дискуссий [1].

Неолитическая революция происходила независимо в разных центрах: в Новой Гвинее (10 тыс. лет назад); на Ближнем Востоке, в так называемом Плодородном полумесяце (9–10 тыс. лет назад); в Центральной Америке, на юге современной Мексики (4–9 тыс. лет назад); на севере современного Китая (6–8,5 тыс. лет назад); в Южной Америке, в Андах (6 тыс. лет назад); в Северной Америке, в среднем течении Миссисипи (1,8–4 тыс. лет назад) [1].

Переход от охоты и собирательства к земледелию и животноводству в целом не очень хорошо повлиял на здоровье людей. Пища стала мягче, и из-за этого участились заболевания пародонта и кариес. Менее разнообразный рацион привел к нехватке некоторых питательных веществ. Из-за скученности и тесного соседства с животными стали быстрее распространяться инфекции. Хотя земледелие и скотоводство — труд нелегкий, с их приходом физическая активность в целом начала постепенно снижаться [2], [3].

Но новый образ жизни принес и плюсы. Благодаря неолитической революции появились все те блага цивилизации, которыми мы пользуемся и сегодня: поселения постепенно укрупнялись, формировались первые государства, законы, письменность, культура, разделение труда и товарообмен. Из-за стремительного повышения фертильности быстро росла численность населения [2].

К естественному отбору присоединился отбор искусственный, называемый в сельском хозяйстве селекцией. Человек отдавал предпочтение самым урожайным растениям и тем, которые приносили самые вкусные и крупные плоды. В результате такого отбора некоторые сельскохозяйственные культуры изменились до неузнаваемости по сравнению со своими дикими предками. Например, ученым стоило немалого труда отыскать растение, от которого произошла кукуруза (рис. 1). Тысячелетия искусственного отбора вызвали изменения в пяти генах, превратившие жиденькие колоски в сочные питательные початки [4].

Эволюция кукурузы в результате селекции

Рисунок 1. Эволюция кукурузы в результате селекции. По внешнему виду сразу и не скажешь, что первый и последний початки в ряду — родственники.

Итак, неолитическая революция с селекцией сделали еду доступнее и вкуснее. Но древние земледельцы столкнулись с новыми проблемами: болезнями растений, сорняками и вредителями. Для борьбы с ними в ход пошли религиозные ритуалы, народная магия, вещества растительного и минерального происхождения.

Прародители пестицидов из Древнего мира и Средних веков

Война людей с сельскохозяйстенными и прочими вредителями имеет долгую историю. Первые упоминания о применении инсектоакарицидов датируются 1 500 годом до н.э.: шумеры использовали соединения серы для борьбы с насекомыми и клещами (рис. 2) [5].

Основные вехи создания и применения пестицидов

Рисунок 2. Основные вехи создания и применения пестицидов в истории человечества.

Древние египтяне для защиты зерна в хранилищах смешивали его с пылью и золой: такая обработка вызывала обезвоживание и гибель некоторых насекомых-вредителей. Древнеегипетские жрецы широко применяли кадильницы, в которых вещества, способные убивать и отпугивать насекомых, подвергались пиролизу (термическому разложению) или испарялись. В зернохранилищах для отпугивания мышей и крыс нагревали навоз газелей [6].

В Китае для защиты цитрусовых «натравливали» хищных муравьёв на вредоносных гусениц и жучков. В «Илиаде» Гомера встречается упоминание о борьбе с саранчой с помощью огня [7]. Демокрит почти 2 500 лет назад советовал обрабатывать растения настоем маслин, так как это помогало защитить их от насекомых и предотвратить гниение.

В Древнем Риме тщательно продумывали расположение и обустройство зернохранилищ. Они должны были хорошо продуваться ветром либо, наоборот, находиться под землей, без доступа воздуха. Изнутри пустые амбары тщательно покрывали пастой из осадка нефильтрованного оливкового масла (amurca), извести и измельченной листвы некоторых растений [6].

Авиценна предлагал использовать для борьбы с насекомыми шишки кипариса, листья олеандра, мирт и полынь [6].

В Средние века с вредителями по-прежнему боролись веществами растительного происхождения и некоторыми простыми неорганическими соединениями. Параллельно из уст в уста передавались всевозможные заговоры, молитвы и магические ритуалы.

Постепенно научное мировоззрение брало верх над мистическим. Примерно с середины XIX столетия начался расцвет производства химических препаратов для защиты растений. С 1867 года начали использовать соединения мышьяка, с 1880 года в США — полисульфиды кальция, с 1890 года в Германии — эмульсию каменноугольных масел. Для борьбы с кровососущими насекомыми в 1896 году были предложены керосиново-известковые и керосиново-мыльные эмульсии. Применяли и препараты растительного происхождения, такие как никотин-сульфат [9].

С изобретением ДДТ в борьбу с вредителями вступила «тяжелая артиллерия». Но на самом деле эпоха химических пестицидов началась намного раньше. Некоторые соединения первого поколения, предложенные в XIX столетии, оказались настолько удачными, что их применяют до сих пор.

Так, в 1887 году во французском регионе Бордо П.-М. А. Мийярде и У. Гейон предложили использовать смесь из раствора медного купороса и известкового молока. Полученное соединение назвали бородской жидкостью и до сих пор используют в растениеводстве для борьбы с грибками [9].

Пестицид ДДТ: лучший друг человека или тайный враг?

ДДТ

Рисунок 3. Химическая формула ДДТ. 4,4'-дихлордифенилтрихлорэтан получают конденсацией хлорбензола (C6H5Cl) с хлоралем (C2HCl3O) в присутствии концентрированной серной кислоты (H2SO4).

В 1874 году австрийский химик Отмар Цайдлер синтезировал вещество под названием 4,4'-дихлордифенилтрихлорэтан, сокращенно — ДДТ (рис. 3). Более полувека этот пестицид оставался без дела, и о его существовании за пределами научных кругов мало кто знал [10].

Популяризатором ДДТ стал швейцарский химик Пауль Герман Мюллер (рис. 4). Начав свою карьеру с изучения красителей и дубильных веществ, в 1935 году он решил найти «идеальный инсектицид», который мог бы эффективно уничтожать насекомых-вредителей без причинения вреда растениям, человеку и другим млекопитающим. Кроме того, химик ожидал от этого вещества медленного разрушения и продолжительно действия, и конечно, экономической целесообразности его применения. Мюллер распылил небольшое количество ДДТ в контейнере, где находились насекомые, и те погибли. Затем он очистил контейнер и посадил в него других насекомых — не выжили и они [10], [11].

Пауль Герман Мюллер

Рисунок 4. Пауль Герман Мюллер. Ученый, благодаря которому мир узнал, что есть такой пестицид — ДДТ.

Во время Второй мировой войны ДДТ хорошо зарекомендовал себя в борьбе со вшами, которые переносили сыпной тиф. Позже пестицид широко применяли для уничтожения малярийных комаров и других насекомых — переносчиков инфекций. Правительство Швейцарии и Департамент сельского хозяйства США успешно использовали дихлордифенилтрихлорэтан для борьбы с колорадским жуком [10], [11].

Поначалу изобретение Цайдлера восприняли с воодушевлением (рис. 5, 6). ДДТ зарекомендовал себя как эффективное и в то же время, как тогда казалось, безопасное средство для борьбы с вредными насекомыми. Во многом благодаря этому пестициду наконец удалось взять под контроль свирепствовавшую в СССР и других регионах мира малярию. В 1944 году Уинстон Черчилль сказал:

Мы обнаружили много профилактических средств против тропических болезней и насекомых-переносчиков всех видов, от вшей до комаров. Превосходный порошок ДДТ, который… как было обнаружено, дает удивительные результаты, отныне будет широко использоваться британскими войсками в Бирме и американскими и австралийскими войсками в Тихом океане и Индии на всех театрах боевых действий.

В 1948 году Мюллер был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине «За открытие высокой эффективности ДДТ как контактного яда» [11].

Пляж 1945 года

Рисунок 5. Пляж 1945 года. Облако, которое распыляют из машины, — ДДТ. В то время это вещество считалось безопасным для человека.

Time, 1947 г.

Рисунок 6. Изображение из журнала Time, 1947 г. Надпись гласит: «ДДТ — это хорошо для меня!» Позже всеобщий восторг сменится критикой, неприятными открытиями и запретом.

В промышленных масштабах ДДТ начали производить с 1943 года. Для борьбы с насекомыми — переносчиками болезней требовались лишь небольшие количества химиката. Куда более масштабным его применение стало после 1945 года, когда ДДТ начали использовать для уничтожения вредителей в сельском хозяйстве и лесоводстве. Уже в начале 1960-х во всем мире ежегодно производилось 400 тыс. тонн дихлордифенилтрихлорэтана, из которых 70–80% предназначалось для сельского хозяйства [12]. Тогда же появились и первые заявления о том, что «превосходный порошок» не так уж превосходен и безопасен.

В 1962 году вышла книга морского биолога Рэйчел Карсон «Безмолвная весна» (рис. 7). В ней автор утверждала, что ДДТ и его метаболиты негативно влияют на окружающую среду, особенно на птиц. В частности, под воздействием ДДТ истончается скорлупа птичьих яиц, что приводит к гибели эмбрионов. В книге также поднимались вопросы влияния ДДТ на здоровье человека и обсуждалась вероятность того, что при неумеренном использовании пестицидов вредители могут выработать резистентность к ним. «Безмолвная весна» вызвала широкий общественный резонанс, но ДДТ продолжали активно применять еще десятилетие [11], [13].

Рэйчел Карсон и ее книга

Рисунок 7. Рэйчел Карсон, начавшая борьбу против применения ДДТ (а), и обложка ее книги «Безмолвная весна» (б). Карсон первой заговорила о том, что пестициды не только уничтожают вредителей, но и наносят вред окружающей среде. Ее книга смогла изменить американское законодательство в части обращения пестицидов и способствовала запрету на применение ДДТ в США.

Оказалось, что дихлордифенилтрихлорэтан накапливается в почве и водоемах, и опасен он не только для птиц, но и для рыб, земноводных, морских микроорганизмов. Он задерживается в жировой и других тканях организма, проникает в грудное молоко. Есть данные и о вреде ДДТ для человека. Некоторые исследования связывают воздействие химиката с повышенным риском развития миеломы, рака печени и поджелудочной железы. Однако эту взаимосвязь нельзя считать абсолютно доказанной, поэтому ДДТ классифицируют как вероятный канцероген. Есть опасения, что этот пестицид может вызывать эндокринные нарушения и повышать риск развития рака молочной железы [11], [14].

В 1970 году Швеция стала первой страной, которая запретила ДДТ по экологическим соображениям. Вскоре ее примеру последовали другие развитые страны, в том числе СССР. Однако мир не отказался от применения ДДТ полностью. Так, в 1990 году общие объемы его производства составили около 13 млн тонн [11].

Главными причинами запрета ДДТ как сельскохозяйственного пестицида стали токсические эффекты в отношении животных (в первую очередь рыб и птиц), его накопление в окружающей среде и потенциальные риски для людей, а также быстрое формирование устойчивости к пестициду у ряда вредителей.

В 2004 году вступила в силу Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях (СОЗ). Это международное соглашение разрешает использовать ДДТ исключительно как средство для борьбы с комарами, переносящими возбудителя малярии. В 2006 году эксперты ВОЗ заявили, что допускают применение дихлордифенилтрихлорэтана в помещениях в африканских странах, где малярия считается серьезной проблемой здравоохранения. В таких случаях польза от пестицидов перевешивает риск вреда, который они могут причинить окружающей среде и здоровью человека [13].

Такие разные пестициды

В настоящее время существует более 1 000 разных пестицидов, их классифицируют разными способами: в зависимости от происхождения и химической структуры, механизма действия, группы подавляемых вредителей, степени опасности. Ниже мы рассмотрим основные классификации.

Классификация пестицидов в зависимости от их химической природы

В зависимости от химического строения пестициды делят на две большие группы — органические и неорганические.

Неорганические пестициды известны человечеству с древнейших времен и отличаются относительно простой структурой молекул. Обычно эти вещества представляют собой кристаллы, неплохо растворимые в воде. Типичные неорганические пестициды — сера и известь.

Органические пестициды устроены сложнее. Основу их молекул составляет (как и у любой органики) углеродный скелет, зачастую «приправленный» атомами кислорода, фосфора, серы. Подавляющая часть современных пестицидов — органические [15]. В свою очередь, они делятся на две подгруппы — естественного происхождения и синтетические.

Пестициды естественного происхождения чаще всего получают из растений. Как пример можно привести пестицид широкого спектра действия ротенонизофлавоноид, который содержится в разных органах хикамы и некоторых других растений, преимущественно семейства Бобовые. В качестве инсектицидов применяют пиретрины — вещества, содержащиеся в цветках пиретрума (далматской ромашки) [16].

Синтетические пестициды производят искусственно. Их структурное разнообразие очень велико, поэтому рассмотрим лишь основные группы.

Классификация пестицидов в зависимости от цели применения

Вредители бывают разными. Действие пестицидов может быть направлено против вирусов, бактерий, грибков, простейших, сорных растений, членистоногих, моллюсков, грызунов и других млекопитающих. Некоторые препараты приводят к гибели «нежелательных гостей», в то время как другие их отпугивают, нарушают размножение, рост, развитие. В зависимости от этих особенностей выделяют несколько разных групп пестицидов (табл. 1).

Таблица 1. Классификация пестицидов в зависимости от целей применения. [24]
Название группыИспользованиеПредставители
Вирициды Уничтожение вирусов Рибавирин
Бактерициды Уничтожение бактерий, поражающих растения и находящихся в почве Гидроксид меди, касугамицин, стрептомицин, тетрациклин
Фунгициды Борьба с грибками и оомицетами Цимоксанил, карпропамид, металаксил, карбоксин, ауреофунгин, касугамицин,
стрептомицин, валидамицин, карбендазим, тиабендазол, тиофанат-метил, ципроконазол,
дифеноконазол, флусилазол, тебуконазол, триадимефон, бордоская смесь, хлорокись меди, ипродион,
каптан, фербам, тирам, зирам, манкоцеб, манеб, метирам, пропинеб, цинеб, изопротиолан, тридеморф,
эдифенфос, фосетил-Al, фенаримол, тритиконазол
Альгициды Уничтожение водорослей Сульфат меди, диурон, изопротурон, оксифлуорфен, симазин
Гербициды Уничтожение, подавление роста и развития сорных растений Алахлор, бутахлор, метолахлор, претилахлор, метабензтиазурон, пендиметалин,
оксифлуорфен, имазетапир, анилофос, глифосат, оксадиаргил, оксадиазон, клодинафоп, цигалофоп,
квизалофоп, паракват, атразин, изопротурон, линурон, метоксурон, хлоримурон, сульфосульфурон
Антидоты гербицидов Защита сельскохозяйственных растений во время работы гербицидов Беноксакор, клоквинтоцет, циометринил, ципросульфамид
Акарициды Уничтожение клещей, нарушение их роста и развития ДДТ, дикофол, карбофуран, метиокарб, пропоксур, абамектин, милбемецин, флуфеноксурон, хлорпирифос, оксидеметон-метил, форат, фосалон,
фенпироксимат, фипронил, бифентрин, цигалотрин, флувалинат, перметрин, хлорфенапир
Инсектициды Уничтожение насекомых либо нарушение их роста и развития Азадирахтин, пиретрины, карбофуран, карбосульфан, метомил, бупрофезин, дифлубензурон,
феноксикарб, авермектины, милбемецин, спиносад, картап, клотианидин, имидаклоприд,
тиаметоксам, ацетамиприд, тиаклоприд, ДДТ, линдан, эндосульфан, дихлофос, монокротофос,
фосфамидон, деметон-О-метил, этион, малатион, форат, диметоат, фосалон, азинфос-метил,
хлорпирифос, пиримифос-метил, хинальфос, триазофос, цифлутрин, цигалотрин, циперметрин, цифенотрин, дельтаметрин, фенпропатрин, эсфенвалерат, флувалинат,
имипротрин, хлорфенапир, клотианидин, тиаметоксам, тиаклоприд, изопротиолан
Регуляторы роста насекомых Нарушение роста и развития насекомых Дифлубензурон, бупрофезин
Хемостерилянты Стерилизация насекомых-вредителей. Механизмы действия этих веществ:

  • нарушают производство яиц;
  • приводят к гибели яиц;
  • вызывают повреждения генетического материала, которые делают насекомое бесплодным
Метотрексат, аминоптерин, фторурацил, хлорамбуцил, афолат, афоксид, триазины, ксилогидрохинон, некоторые антибиотики, алкалоиды, аналоги гормонов насекомых
Антифиданты Защита растений и различных материалов от поедания животными (как правило, насекомыми) Хлордимефорн, фентин и азадирахтин
Репелленты насекомых Отпугивание насекомых Цитронелловое масло, перметрин
Аттрактанты насекомых Заманивание насекомых-вредителей в ловушки с целью предотвращения их контакта с сельскохозяйственными культурами, животными, хранящимися продуктами
  • Половые аттрактанты(привлекают к местам спаривания).
  • Пищевые аттрактанты (привлекают как корм).
  • Аттрактанты, которые привлекают как субстрат для откладки яиц
Нематициды Уничтожение растительноядных нематод Абамектин, беномил, карбофуран, карбосульфан, метилбромид, фенамифос, фосфамидон, хлорпирифос,
диметоат, форат, триазофос
Моллюскоциды Уничтожение улиток и слизней Сульфат меди,
метальдегид, тиаклоприд, тиодикарб
Авициды Уничтожение птиц, которые выклевывают посевы, создают помехи на автострадах и аэродромах Фентион, стрихнин
Репелленты птиц Отпугивание птиц Хлорокись меди, диазинон, метиокарб, тирам, зирам
Родентициды Уничтожение крыс, мышей и других грызунов Стрихнин,
бромадиолон, кумахлор, куматетралил, варфарин, фосфид цинка, линдан, фосфид алюминия
Репелленты млекопитающих Отпугивание млекопитающих от посевов и хранящихся продуктов Нафтенат меди, триметакарб,
нафтенат цинка, цирам
Вещества-синергисты Вещества, которые сами по себе не токсичны для вредителей, но повышают токсичность пестицидов Пиперонилбутоксид

Полный список пестицидов, которые применяются в России, содержит «Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации», опубликованный Министерством сельского хозяйства РФ.

Классификация пестицидов в зависимости от степени токсичности

В прошлом столетии в разных странах применялись различные классификации химических веществ по степени опасности, действовали разные маркировки. В 1992 году во время Конференции ООН в Рио-де-Жанейро эксперты решили разработать к 2000 году единую классификацию и общепринятые понятные маркировки. Так появилась Согласованная на глобальном уровне система классификации и маркировки химических веществ (СГС, GHS, Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals). В ее основу положена полулетальная доза (ЛД50/LD50) — средняя дозировка, вызывающая смерть половины членов экспериментальной группы животных при введении веществ крысам перорально, то есть путем проглатывания, и дермально — путем нанесения на кожу (табл. 2) [25].

Таблица 2. Классификация пестицидов в зависимости от степени токсичности по GHS. [25]
Категория токсичностиКритерии классификации
При пероральном применении При дермальном применении
ЛД50 (мг/кгмассы тела) Степень опасности ЛД50 (мг/кгмассы тела) Степень опасности
1 <5 Смертельно при проглатывании <50 Смертельно при контакте с кожей
2 5–50 Смертельно при проглатывании 50–200 Смертельно при контакте с кожей
3 50–300 Токсично при проглатывании 200–1000 Токсично при контакте с кожей
4 300–2000 Вредно при проглатывании 1000–2000 Вредно при контакте с кожей
5 2000–5000 Может быть вредно при проглатывании 2000–5000 Может быть вредно при контакте с кожей

Также существует классификация пестицидов Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) (табл. 3).

Таблица 3. Классификация пестицидов в зависимости от степени токсичности по ВОЗ. [25]
Класс токсичности ЛД50 при введении крысам (мг/кгмассы тела)
Перорально Дермально
В твердой форме В жидкой форме В твердой форме В жидкой форме
Ia Чрезвычайно опасные 5 и менее 20 и менее 10 и менее 40 и менее
Ib Очень опасные 5–50 20–200 10–100 40–400
II Умеренно опасные 50–500 200–2000 100–1000 400–4000
III Слегка опасные 500 и более 2000 и более 1000 и более 4000 и более

Классификации пестицидов в зависимости от пути проникновения в организм и механизмов действия

Контактные пестициды (в эту группу входит ДДТ) вызывают гибель нежелательного объекта при контакте с любой частью его тела. Их добавляют в воду, распыляют в виде аэрозолей, наносят на листья растений. Простейший пример — аэрозоли, которые распыляют для борьбы с комарами. Как правило, механизм действия контактных пестицидов основан на том, что они нарушают работу дыхательной и нервной систем вредителя или же блокируют различные метаболические пути растений и микроорганизмов [15].

Желудочно-кишечные пестициды оказывают свое действие, когда попадают в пищеварительную систему и всасываются в кровоток. Приманки, содержащие токсины, успешно используют для борьбы с тараканами, муравьями и другими насекомыми. Для уничтожения грызунов часто применяют антикоагулянты: они нарушают свертываемость крови, и животное погибает от кровотечения. Преимущество таких пестицидов в том, что они действуют спустя несколько дней после поедания приманки со смертельной дозой. Если отраву случайно съест человек, домашний питомец или сельскохозяйственное животное, останется достаточно времени, чтобы ввести антидот — витамин K1 [15].

Системные пестициды защищают животных или растения от вредителей изнутри: вещество разносится по всем тканям защищаемого объекта и убивает желающих попитаться на нём. В качестве «бытового» примера системных пестицидов можно привести средства против клещей и блох [15].

Фумиганты представляют собой газы. С их помощью уничтожают членистоногих и грызунов [15].

Чаще всего пестициды выпускают в виде таблеток, водорастворимых и смачивающихся порошков, минерально-масляных эмульсий, водных растворов, гранул, концентратов эмульсии.

Человечество изобрело много разных способов применения пестицидов, и перечислять их можно очень долго. Мы живем в эпоху третьего поколения пестицидов: сейчас существует более 1 000 средств для борьбы с вредителями [26]. Отказаться от этих химикатов невозможно: если перестать их использовать, потери урожая из-за насекомых, грызунов, сорняков и микроорганизмов увеличатся вдвое. Количество продовольствия сократится на 30–40%, и на планете неизбежно начнется голод. Но есть и оборотная сторона медали: большинство пестицидов не отличается избирательностью действия, они накапливаются в окружающей среде и могут негативно влиять на многих животных, включая человека [27].

Вредны ли пестициды для человека?

Пестициды способны нанести вред здоровью человека, но степень этого вреда зависит от многих факторов:

  • типа пестицида: инсектициды, например, для человека обычно более токсичны, чем гербициды [26];
  • токсикокинетики конкретного вещества — механизма всасывания, распределения, накопления, выведения из организма [19];
  • пути проникновения в организм: через кожу, при вдыхании, при проглатывании [19], [26];
  • дозы вредного вещества: самому высокому риску подвержены люди, которые непосредственно контактируют с пестицидами, — сельскохозяйственные работники и фермеры [19];
  • частоты и продолжительности воздействия [19];
  • особенностей организма: генетических, возрастных, половых, метаболических, да и просто от состояния здоровья [19];
  • образа жизни, питания: пестициды сильнее влияют на здоровье людей, испытывающих дефицит белка и находящихся в состоянии обезвоживания.

Согласно данным ВОЗ, ежегодно в мире происходит от 500 тыс. до 1 млн отравлений пестицидами. До 20 тыс. человек в результате интоксикации погибает. Около 50% отравлений и 75% смертей приходится на людей, которые непосредственно контактируют с пестицидами, — в основном работников сельского хозяйства. Известны и бытовые случаи, связанные с неправильным применением средств для борьбы с вредителями в домах и на приусадебных участках [19].

В апреле 2017 года международная ассоциация Pesticide Action Network (PAN) опубликовала отчет, в котором были представлены данные по 106 странам. В нём содержался список из 370 активных компонентов пестицидов и их комбинаций, использование которых в этих странах было запрещено [28]. В первую очередь под запрет попали стойкие органические загрязнители (вещества, которые могут длительно сохраняться в окружающей среде) и генотоксичные препараты (вызывающие мутации, которые могут стать причиной пороков развития или онкологических заболеваний). Средства, которые сейчас разрешены к применению, могут навредить лишь в случае, когда их дозы превышают установленный безопасный уровень [26].

В таблице 4 представлены группы пестицидов, которые оказывают наиболее значительное влияние на здоровье человека, и их основные токсические эффекты.

Таблица 4. Токсичность различных групп пестицидов
НазваниеТоксические эффекты
Фосфорорганические соединения Блокируют фермент ацетилхолинэстеразу, в результате чего повышается концентрация нейромедиатора ацетилхолина.
Симптомы отравления:
  • головная боль;
  • снижение рефлексов;
  • головокружение;
  • тошнота;
  • судороги;
  • галлюцинации;
  • непроизвольное отхождение стула и мочи;
  • бронхоспазм;
  • кома и смерть.
Есть данные о том, что фосфорорганические соединения обладают свойствами алкилирующих агентов, а значит, могут рассматриваться как потенциальные мутагены и канцерогены [19], [29].
Эта группа пестицидов — «родственники» опасных нервно-паралитических ядов, которые начали применять в боевых действиях еще до Второй мировой войны. А вот противоядие создали относительно недавно [30]
Карбаматы Чаще всего отравления происходят у сельскохозяйственных работников при воздействии пестицида на кожу, но известны случаи массовых интоксикаций в развивающихся странах при употреблении пищи с повышенным содержанием карбаматов. Поскольку эти вещества тоже ингибируют ацетилхолинэстеразу, симптомы отравления ими и фосфорорганическими соединениями схожи. Они возникают примерно через пять минут после попадания пестицида в организм [19], [31]. Некоторые карбаматы обладают мутагенными и канцерогенными свойствами [32], [33]
Хлорорганические соединения Если оставить в стороне работников сельского хозяйства и рассматривать население в целом, то хлороганические соединения поступают в организм преимущественно с продуктами животного происхождения, которые богаты жирами: мясом, рыбой, молочными продуктами.
Пестициды из этой группы способствуют развитию гипертонии, нарушают работу эндокринной системы, приводят к нервно-мышечным расстройствам. Многие из них нейротоксичны и канцерогенны. Некоторые исследования связывают воздействие хлорорганических соединений с развитием рака простаты, сахарного диабета II типа, синдрома гиперактивности с дефицитом внимания (СДВГ) у детей.
Эти пестициды нарушают потоки ионов калия и натрия через мембраны нервных клеток, что может вести к судорогам и смерти [17], [19]
Пиретроиды Для млекопитающих они примерно в 2 500 раз менее токсичны, чем для насекомых. Однако при воздействии слишком больших доз могут появляться некоторые симптомы:
  • при попадании на кожу: парестезия (онемение, неприятное покалывание, «ползание мурашек»), усиливающаяся под действием тепла, света, воды;
  • при проглатывании: в течение нескольких минут возникают боль в горле, тошнота и рвота, боль в животе;
  • системное воздействие при поступлении в организм: в течение 4–48 часов возникают головокружение, головная боль, чувство усталости, учащенное сердцебиение, чувство стеснения в груди, нарушение зрения [34]

Отравление при попадании в организм больших доз — наиболее яркое, очевидное, но далеко не единственное проявление токсических эффектов пестицидов. На самом деле они куда более коварны. Лишь 5% токсина достигает цели — поражает вредителя. Около 95% пестицида попадают в окружающую среду. Его молекулы разносятся на большие расстояния со сточными водами, ветром, происходит их биоаккумуляция. Крупные хищники, венчающие пищевую цепь, могут поглощать настолько большие количества пестицидов, что это негативно сказывается на их выживании и размножении. Не стоит забывать, что один из таких хищников — человек. Рост заболеваемости, смертности, нарушение фертильности, изменение соотношения полов у некоторых организмов — нельзя исключить, что всем этим мы (хотя бы частично) обязаны крупномасштабному применению пестицидов [36].

Эксперты ВОЗ считают, что защитить людей от вредных эффектов пестицидов можно с помощью следующих мер:

  • запрета пестицидов, которые наиболее токсичны для людей, долго сохраняются в почве, воде и воздухе;
  • строгого регулирования и контроля производства и применения пестицидов;
  • установления минимальных значений допустимого содержания пестицидов в продуктах питания и воде;
  • регулярного мониторинга содержания различных веществ в продуктах и окружающей среде [26].

Все меры по защите населения перечислены в Международном кодексе поведения в области распределения и использования пестицидов, принятом в 2002 году Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (Food and Agriculture Organization, FAO). О мониторинге пестицидов и методах, которые для этого используются, мы расскажем подробнее во второй статье цикла.

Существует ли альтернатива?

История применения пестицидов на протяжении последнего столетия заставляет сделать некоторые неутешительные выводы.

  • Широкое применение пестицидов во многом контрпродуктивно.
  • Из-за вреда для окружающей среды и здоровья человека требуется тщательное регулирование, которое не всегда возможно.
  • Ряд факторов снижает выгоды от применения пестицидов.
  • Пестициды — не панацея. Со временем вредители становятся к ним менее чувствительными, и приходится применять еще больше разных химикатов. Создавать новые, более эффективные и безопасные средства, становится всё сложнее [36], [37].

Современное человечество находится в поиске альтернатив. В качестве замены пестицидам чаще всего предлагают применять «органические» агроприемы, биопестициды и ГМО.

«Органическое» производство

Спрос на «органические» продукты постоянно растет. Например, в США их рынок в 1996 году составлял 3,5 млрд долларов, а в 2010 году — уже 28,6 млрд. Слово «органический» стало для многих людей неким триггером, гарантией того, что эта пища однозначно полезна и не содержит никакой «вредной химии». Это сильно сказывается на ценах: как правило, «органика» стόит намного дороже, чем «обычная» еда. Действительно, зачастую в таких продуктах нет пестицидов, и в этом их преимущество. Только нужно помнить, что под словом «органический» производители и продавцы могут подразумевать разные вещи. Чаще всего используется следующая терминология [38]:

  • «100% органические продукты» содержат исключительно ингредиенты органического происхождения (за исключением воды и соли);
  • «органические продукты» содержат 95% органических ингредиентов;
  • «сделано из органических ингредиентов» означает, что продукт содержит 75% компонентов органического происхождения;
  • «натуральные продукты» не содержат искусственных добавок и красителей [38].

То, что в «органике» нет пестицидов, не означает, что она более полезна. Не проводилось никаких серьезных исследований, которые бы показали, что люди, употребляющие такие продукты, обладают более крепким здоровьем или лучше защищены от каких-либо заболеваний. Несомненный плюс «органического» земледелия и скотоводства в том, что они меньше загрязняют окружающую среду и зачастую органично вписываются в экосистему.

Однако есть и минусы. По сути «органика» — это отказ от пестицидов без каких-либо альтернатив. Если население Земли примет такую стратегию в глобальных масштабах — сможет ли оно прокормить себя, теряя значительную часть урожая из-за полчищ вредителей и патогенов и стремительно наращивая при этом собственную численность? Этот вопрос возвращает нас к истокам — собственно, причинам, по которым люди и прибегли к помощи пестицидов [38].

Хотя методология «органического» сельского хозяйства не оказывает такого пагубного влияния на экосистемы, как пестициды, его нельзя назвать безопасными для климата планеты. В 2018 году коллектив ученых из США, Швеции, Германии и Франции пришел к такому заключению: из-за отказа от удобрений и пестицидов снижается урожайность, поэтому для производства необходимого количества пищи приходится задействовать больше земли, что в итоге повышает непрямые эмиссии углекислого газа. Зачастую пастбища и поля для выращивания сельхозкультур — это территории, отвоеванные человеком у леса. Согласно расчетам ученых, шведский «органический» горох на 50% сильнее влияет на климат планеты, чем выращенный с применением «химии». Для шведской «органической» озимой пшеницы этот показатель еще выше — 70% [39].

Таким образом, использование «органики» не может претендовать на звание панацеи, которая решит существующие проблемы в сельском хозяйстве. Не исключено, что массовый переход на подобный тип хозяйствования, с одной стороны, вызовет дефицит продовольствия, а с другой — нанесет серьезный урон окружающей среде. Поэтому стόит задуматься и об альтернативных «обходных» путях, которые помогут сократить использование химических пестицидов. На сегодняшний день самыми реальными из них можно назвать использование биопестицидов и генетически модифицированных организмов.

Биопестициды

Биопестициды — это органические пестициды естественного происхождения (рис. 9). Ученые считают, что для борьбы с вредителями вполне пригодны разные виды вирусов, бактерий, грибков, а также вещества, которые они вырабатывают. Например, перспективным считают семейство бакуловирусов, вызывающих эпизоотии (эпидемии) у некоторых видов насекомых [40], [41].

По сравнению с синтетическими пестицидами биопестициды имеют ряд преимуществ:

  • не загрязняют окружающую среду;
  • не оказывают губительного влияния на экосистемы, а, напротив, органично вписываются в них;
  • не поражают (или слабо поражают) «нецелевых» организмов;
  • знание, что те или иные продукты выращены с применением натуральных соединений, больше располагает потребителя к их приобретению;
  • разработка и производство биопестицидов обходятся относительно недорого.

По сути, биопестициды стирают грань между «органическими» продуктами и продуктами, выращенными «обычным» способом. В дополнение можно использовать средства защиты растений, которые применялись в древности: часть из них остается эффективной. Ученые считают, что нужно немного поработать с терминологией: слово «биопестицид» несет некоторый негативный оттенок [37].

Типы органических пестицидов

Рисунок 9. Типы органических пестицидов: синтетические соединения и биопестициды. Биопестициды весьма многообразны. К ним относятся микробные пестициды, биохимические пестициды, а также вещества, которые вырабатывают для защиты от вредителей сами растения благодаря генетической модификации.

рисунок Елены Беловой по [41]

Конечно же, нельзя идеализировать вещества естественного происхождения и считать, что они всегда однозначно лучше «вредной химии». Разные группы биопестицидов имеют свои недостатки, не все они полностью безопасны для человека и окружающей среды. Так что третья альтернатива пестицидам — применение генно-инженерных технологий, — пожалуй, оказывается самой перспективной.

ГМО

Технологии ГМО по сути мало отличаются от применения тех же биопестицидов. А суть состоит в том, что, например, в интересующее растение встраивают ген , продукт которого обеспечивает защиту от вредителей. Один из наглядных примеров — использование гена Bt бактерии Bacillus thuringiensis. Его встраивают в геном кукурузы, хлопка, сои, картофеля, в результате чего растения производят белок, обладающий инсектицидной активностью. Показано, что этот белок не вызывает аллергических реакций, не токсичен для человека и не вредит здоровью при пероральном приеме в больших дозах. Использование этой технологии уже позволило сократить применение пестицидов (рис. 10) [41–43].

Подробнее о генно-инженерных методиках и о том, как они могут повлиять на нашу жизнь, читайте в статьях: «Биотехнология. Генная инженерия» [44], «От ГМО к растениям будущего. Всё самое интересное о сложной работе современного селекционера» [45] и «12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники» [46].

Использование ГМО и пестицидов в США в 1998–2011 гг.

Рисунок 10. Использование ГМО и пестицидов в США в 1998–2011 гг. Слева — Процент применения генетически модифицированной кукурузы с геном Bt (красная линия), кукурузы, устойчивой к глифосату (зеленая линия), и сои, устойчивой к глифосату (синяя линия). Справа — Использование инсектицидов при выращивании кукурузы (кг/га): зеленые линии — препараты для протравливания семян, синие — другие инсектициды, черная линия — коэффициент воздействия на окружающую среду (EIQ, environmental impact quotient).

рисунок Елены Беловой по [42]

Генно-инженерные методики можно применять и для того, чтобы защитить сельскохозяйственные растения от гербицидов и обеспечить избирательное уничтожение сорняков. Например, существуют ГМ-растения, устойчивые к глифосату, который более безопасен по сравнению с другими гербицидами (хотя и обсуждается вопрос о его канцерогенном потенциале) [41], [42].

Известны случаи, когда генная инженерия помогла спасти сельское хозяйство в целых странах. Например, в начале 1990-х годов на Гавайях начал стремительно распространяться вирус кольцевой пятнистости папайи. Ситуация приняла масштабы катастрофы. Единственный выход, который смогли найти ученые, — создать генетически модифицированную папайю, устойчивую к возбудителю. Сейчас примерно 80% папайи на Гавайях — ГМО. Химические препараты для борьбы с вирусом не удалось создать до сих пор [43]. Биологи разрабатывают и другие способы совершенствования сельского хозяйства в тропиках. Например, с помощью анализа метилирования ДНК можно было бы заблаговременно распознавать непригодные для выращивания пальмы, которые будут давать слишком мало пальмового масла [47]. Но это уже совсем другая история, не имеющая отношения к ГМ-технологиям.

О том, что генетически модифицированные организмы полностью заменят пестициды, пока говорить рано. Сегодня на пути создания и широкого внедрения таких организмов существует множество препятствий. Прежде всего, процесс этот не самый простой и дешевый. Не всегда удается оценить экономическую целесообразность использования конкретного ГМО, а этот вопрос очень важен для производителей. Есть некоторые потенциальные риски для здоровья человека, и хотя многие мифы уже развеяны, этот вопрос продолжает обсуждаться. Ученым приходится считаться и с общественным мнением: многие люди не понимают, что такое ГМО, относятся к ним негативно и не хотят покупать трансгенные продукты [36], [43].

Опасны ли ГМО? Читайте об этом в наших статьях «ГМО: бояться нельзя питаться. Биологи знают, где поставить запятую!» [48], «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [49] и «Биоэтика в вопросах питания» [50].

На данный момент пестициды незаменимы. Важно использовать их в разумных пределах, выбирать наиболее безопасные соединения и постепенно внедрять альтернативные способы защиты от вредителей и болезней. В свою очередь, разумное использование пестицидов невозможно без их точной идентификации, без анализов, которые помогали бы эффективно обнаруживать и учитывать их содержание в пище, воде, почве, воздухе и живых организмах, включая человека. Вопросы контроля и регулирования применения пестицидов в современном мире мы рассмотрим во второй статье цикла.

Литература

  1. Mazoyer M. and Roudart L. A history of world agriculture. From the Neolithic age to curremt crisis. London: Sterling, 2006;
  2. Colin G. Scanes. (2018). The Neolithic Revolution, Animal Domestication, and Early Forms of Animal Agriculture. Animals and Human Society. 103-131;
  3. Latham K.J. Human health and the Neolithic Revolution: an overview of impacts of the agricultural transition on oral health, epidemiology, and the human body. University of Nebraska-Lincoln, 2013;
  4. Evolution of Corn. Learn.Genetics;
  5. Wiltshire J.W. Integrated fruit production in the New Zealand pipfruit industry. New Zealand, 2003. — 25 p.;
  6. H. Levinson, A. Levinson. (1998). Control of stored food pests in the ancient Orient and classical antiquity. Journal of Applied Entomology. 122, 137-144;
  7. Hong Zhang, Lansun Chen, Juan J. Nieto. (2008). A delayed epidemic model with stage-structure and pulses for pest management strategy. Nonlinear Analysis: Real World Applications. 9, 1714-1726;
  8. Medieval pest control. Medievalists.net;
  9. Ганиев М.М. и Недорезков В.Д. Химические средства защиты растений. М.: «КолосС», 2006. — 248 с.;
  10. Paul Hermann Müller. (2019). Encyclopaedia Britannica;
  11. Bate R. (2007). The rise, fall, rise, and imminent fall of DDT. American Enterprise Institute;
  12. Vladimir Turusov, Valery Rakitsky, Lorenzo Tomatis. (2002). Dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT): ubiquity, persistence, and risks.. Environmental Health Perspectives. 110, 125-128;
  13. DDT — a brief history and status. United States Environmental Protection Agency;
  14. IARC monographs evaluate DDT, lindane, and 2,4-D. (2015). International Agency for Research on Cancer;
  15. Eldridge B.F. Pesticide classifications and formulations. In: Pesticide Application and Safety Training for Applicators of Public Health Pesticides. California, 2008;
  16. Пиретроиды. «Пестициды.ru»;
  17. Ravindran Jayaraj, Pankajshan Megha, Puthur Sreedev. (2016). Review Article. Organochlorine pesticides, their toxic effects on living organisms and their fate in the environment. Interdisciplinary Toxicology. 9, 90-100;
  18. Organochlorine pesticides. (2015). Delaware Health and Social Services;
  19. Garcia F.P., Cortés Ascencio S.Y., Gaytan Oyarzun J.C., Ceruelo Hernandez A., Vazquez Alavarado P. (2012). Pesticides: classification, uses and toxicity. Measures of exposure and genotoxic risks. Journal of Research in Environmental Science and Toxicology. 1, 279–293;
  20. Карбаматы. «Пестициды.ru»;
  21. Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов;
  22. Фунгициды группы фениламидов. РГАУ-МСХА;
  23. Триазины. «Пестициды.ru»;
  24. Pesticide classification on use, chemical nature, formulation, toxicity and mode of action etc. Pesticide Management Division, NIPHM, Hyderabad-30;
  25. The WHO recommended classification of pesticides by hazard and guidelines to classification 2009. (2009). WHO;
  26. Pesticide residues in food. (2018). WHO;
  27. Seyed Soheil Saeedi Saravi, Mohammad Shokrzadeh. (2011). Role of Pesticides in Human Life in the Modern Age: A Review. Pesticides in the Modern World - Risks and Benefits;
  28. Watts M. (2017). PAN international consolidated list of banned pesticides. PAN International;
  29. Robb E.L. and Baker M.B. (2018). Organophosphate toxicity. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing;
  30. «Дизайнерские» ферменты защищают от нервно-паралитических ядов;
  31. Silberman J. and Taylor A. Carbamate toxicity. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing;
  32. Sarbani Giri, Anirudha Giri, Gouri Dutt Sharma, Surya Bali Prasad. (2002). Mutagenic effects of carbosulfan, a carbamate pesticide. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 519, 75-82;
  33. Carbamate pesticides: a general introduction. (1986). WHO;
  34. Sally M Bradberry, Sarah A Cage, Alex T Proudfoot, J Allister Vale. (2005). Poisoning due to Pyrethroids. Toxicological Reviews. 24, 93-106;
  35. Kollbrunner T. (2017).The Yavatmal scandal. Public Eye;
  36. J.C. Zadoks, H. Waibel. (2000). From pesticides to genetically modified plants: history, economics and politics. NJAS - Wageningen Journal of Life Sciences. 48, 125-149;
  37. Biological alternatives to chemical pesticides. (2008). ScienceDaily;
  38. J. Forman, J. Silverstein, COMMITTEE ON NUTRITION, COUNCIL ON ENVIRONMENTAL HEALTH. (2012). Organic Foods: Health and Environmental Advantages and Disadvantages. PEDIATRICS. 130, e1406-e1415;
  39. Timothy D. Searchinger, Stefan Wirsenius, Tim Beringer, Patrice Dumas. (2018). Assessing the efficiency of changes in land use for mitigating climate change. Nature. 564, 249-253;
  40. Aparna S. Kalawate. (2014). Microbial Viral Insecticides. Basic and Applied Aspects of Biopesticides. 47-68;
  41. Hsaio J. (2015). GMOs and pesticides: helpful or harmful? Genetically Modified Organisms and Our Food;
  42. Edward D. Perry, Federico Ciliberto, David A. Hennessy, GianCarlo Moschini. (2016). Genetically engineered crops and pesticide use in U.S. maize and soybeans. Sci. Adv.. 2, e1600850;
  43. A. S. Bawa, K. R. Anilakumar. (2013). Genetically modified foods: safety, risks and public concerns—a review. J Food Sci Technol. 50, 1035-1046;
  44. Биотехнология. Генная инженерия;
  45. От ГМО к растениям будущего. Всё самое интересное о сложной работе современного селекционера;
  46. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
  47. Плохая Karma портит масличные пальмы;
  48. ГМО: бояться нельзя питаться. Биологи знают, где поставить запятую!;
  49. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
  50. Биоэтика в вопросах питания.

Комментарии