«Вот если бы Вы дали информацию о микроорганизмах-деструкторах 2,4-D, которые могут использоваться как активаторы компостирования, было бы интересно с практической точки зрения...» – такой запрос однажды появился в чате нашего журнала CompostPro. Мы очень дорожим нашей аудиторией и потому решили ответить на комментарий в данной статье.
Что такое 2,4-D? Секретный шифр, пароль? Вероятно, даже просвещенный читатель не ответит на этот вопрос, а между тем почти каждый агроном или фермер расшифрует эту комбинацию.
Что такое 2,4-D? Секретный шифр, пароль? Вероятно, даже просвещенный читатель не ответит на этот вопрос, а между тем почти каждый агроном или фермер расшифрует эту комбинацию.
2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D) представляет собой органическое соединение с химической формулой C8H6Cl2O3.
Графическое изображение формул 2,4-D и 2,4,5-T
Еще тридцать лет назад в России 50 % площадей под зерновыми обрабатывались гербицидами на основе 2,4-D. Данная группа имеет очень давнюю историю.
Открытие химического вещества произошло в 1940-м году в городе Вестпорт штата Коннектикут (США), в скромной лаборатории семейной химической компании Си Би Долдж. Молодой химик Роберт Покорни в ходе опытов получил два новых неизвестных ранее соединения, одно из которых - 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота. Сам первооткрыватель не имел полного представления о свойствах открытых им соединений.
Летом 1941 года Роберт опубликовал короткую заметку в журнале Американского Химического Общества, в которой описал химический синтез 2,4-D, а в 1942 году соединение классифицировали и отнесли к гормоноподобным веществам. Крупнейшая в мире американская химическая компания «Дюпон Де Немур» запатентовала вещество в качестве регулятора роста растений. В 1945-1946 гг. в США уже было организовано производство 2,4-D. Можно сказать, что вся синтетическая промышленность по выпуску гербицидов началась с этого периода.
В малых дозах 2,4-D действительно стимулирует рост растений, поскольку является синтетическим ауксином – аналогом гормонов. Но в больших количествах она уничтожает растения полностью, поскольку рост листьев и побегов становится неконтролируемым, из-за чего они перекручиваются и в итоге увядают. Это свойство позволило использовать смесь 2,4-D и 2,4,5-Т (2,4,5-трихлорфеноксиуксусную кислоту) как химическое оружие во Вьетнаме в 1962-1971 годах. Тогда же выяснилось, что при синтезе этих веществ в качестве побочных продуктов могут образовываться диоксины – одни из наиболее опасных экотоксикантов. В августе 2013 года Австралийское Управление по Пестицидам и Ветеринарной Медицине (APVMA) приняла решение запретить использование препаратов на основе высоколетучих эфиров 2,4-D, но по другой причине. Эта легко испаряющаяся форма 2,4-D действовала не только на сорные растения, но и на растения рядом с ними. Такой эффект был признан неприемлемым экологическим риском.
Одним из метаболитов 2,4-D, образующимся в организме млекопитающих, является фенол – токсичное соединение, которое может вызвать очень тяжелые поражения почек и печени.
2,4-D используется в качестве селективного гербицида против двудольных широколистных сорняков на посевах зерновых, насаждениях плодовых деревьев, лугах и газонах. В частности, он действует против маревых, амарантовых, крестоцветных и чертополоха.
В России отсутствует производство 2,4-D кислоты. Единственное подобное производство «Уфахимпром» было закрыто в 2004 г. из-за загрязнения атмосферного воздуха, почвы и аварийных ситуаций. Планы по созданию новых производств данного вещества нами выявлены не были. Российские производители гербицидов закупают необходимое сырье и изготавливают только формуляцию для препаратов.
Открытие химического вещества произошло в 1940-м году в городе Вестпорт штата Коннектикут (США), в скромной лаборатории семейной химической компании Си Би Долдж. Молодой химик Роберт Покорни в ходе опытов получил два новых неизвестных ранее соединения, одно из которых - 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота. Сам первооткрыватель не имел полного представления о свойствах открытых им соединений.
Летом 1941 года Роберт опубликовал короткую заметку в журнале Американского Химического Общества, в которой описал химический синтез 2,4-D, а в 1942 году соединение классифицировали и отнесли к гормоноподобным веществам. Крупнейшая в мире американская химическая компания «Дюпон Де Немур» запатентовала вещество в качестве регулятора роста растений. В 1945-1946 гг. в США уже было организовано производство 2,4-D. Можно сказать, что вся синтетическая промышленность по выпуску гербицидов началась с этого периода.
В малых дозах 2,4-D действительно стимулирует рост растений, поскольку является синтетическим ауксином – аналогом гормонов. Но в больших количествах она уничтожает растения полностью, поскольку рост листьев и побегов становится неконтролируемым, из-за чего они перекручиваются и в итоге увядают. Это свойство позволило использовать смесь 2,4-D и 2,4,5-Т (2,4,5-трихлорфеноксиуксусную кислоту) как химическое оружие во Вьетнаме в 1962-1971 годах. Тогда же выяснилось, что при синтезе этих веществ в качестве побочных продуктов могут образовываться диоксины – одни из наиболее опасных экотоксикантов. В августе 2013 года Австралийское Управление по Пестицидам и Ветеринарной Медицине (APVMA) приняла решение запретить использование препаратов на основе высоколетучих эфиров 2,4-D, но по другой причине. Эта легко испаряющаяся форма 2,4-D действовала не только на сорные растения, но и на растения рядом с ними. Такой эффект был признан неприемлемым экологическим риском.
Одним из метаболитов 2,4-D, образующимся в организме млекопитающих, является фенол – токсичное соединение, которое может вызвать очень тяжелые поражения почек и печени.
2,4-D используется в качестве селективного гербицида против двудольных широколистных сорняков на посевах зерновых, насаждениях плодовых деревьев, лугах и газонах. В частности, он действует против маревых, амарантовых, крестоцветных и чертополоха.
В России отсутствует производство 2,4-D кислоты. Единственное подобное производство «Уфахимпром» было закрыто в 2004 г. из-за загрязнения атмосферного воздуха, почвы и аварийных ситуаций. Планы по созданию новых производств данного вещества нами выявлены не были. Российские производители гербицидов закупают необходимое сырье и изготавливают только формуляцию для препаратов.
Территория бывшего ОАО "Уфахимпром"
2,4-D – умеренно стойкое вещество, способное циркулировать в окружающей среде и сохраняться в воде до 6 месяцев. Относится ко 2 классу опасности (высокотоксичный препарат). В питьевой воде ПДК 0,03 мг/дм3, в природных водах 1,0 мг/дм3. Остаточное количество 2,4-D является одним из важных критериев в ежегодном полном химическом анализе питьевой воды. Попытаемся разобраться, какой вред может принести человеку это химическое соединение, если производитель бутилированной воды не контролирует этот показатель.
Международное агентство по исследованию рака в 2015 году классифицировало 2,4-D как «возможно канцерогенный» (группа 2B). Мужчины, которые работают с 2,4-D подвергаются опасности образования неправильно сформированных сперматозоидов и как следствие, бесплодия. Степень риска зависит от количества, длительности воздействия и других факторов. Регулярное поступление в организм остаточных количеств гербицида с водой приводит к развитию иммунной недостаточности, нарушений в работе легких, печени, желудочно-кишечного тракта.
Исследователи из Калифорнийского Университета в Сан-Диего (США) обнаружили, что ухудшение нейроповеденческих характеристик подростков связано с двумя наиболее широко используемыми гербицидами - глифосат и 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D).
Бытует мнение, что гербициды меньше взаимодействуют с тем, что мы едим, однако это неверно. Через грунтовые воды и почву гербициды отравляют соседние растения и окружающую среду, нанося вред и природе, и здоровью людей. Один из основных вопросов, касающихся безопасности гербицидов, заключается в несовершенстве методики проводимых проверок. Например, согласно требованиям Агентства по охране окружающей среды США (EPA), тестируется действующее вещество, но не всегда учитывается влияние неактивных компонентов. Как правило, не проверяется эффект, даваемый смесью химикатов, например, двух гербицидов или гербицида с пестицидом. А ведь уже доказано, что продукты взаимодействия веществ могут быть более опасны, чем каждый компонент в отдельности.
Производители и потребители компоста часто задают вопрос: «Каким должен быть компост? Каковы нормативные требования к его качеству?». Главное требование к компостам - это, конечно, безопасность. Никаких российских исследований о содержании примесей 2,4-D в компостах мы не нашли. Однако, группа японских ученых в 2004 году обнаружила в компостах 2,4-D, алахлор и атразин методом жидкостной экстракции под давлением (PLE) с последующей газовой хроматографией-масс-спектрометрией (ГХ-МС).
Отсутствие стандартов, регламентирующих качество компоста, является причиной того, что санитарно-гигиеническое регламентирование содержания в агрохимикате вредных примесей базируется на тех же основополагающих принципах, что и их ограничение в чистой почве и других средах, предназначенных для выращивания сельскохозяйственной продукции.
Величина предельно допустимой концентрации (ПДК) 2,4-D в почве указана в ГН 1.2.270 и составляет 0,1 мг/кг. В ряде научных исследований было отмечено, что микробная деградация ксенобиотиков играет важную роль в вовлечении чужеродных производных в обмен веществ в современной биосфере. Известно, что микроорганизмы способны осуществлять деструкцию значительного числа химических субстанций и поэтому их использование лежит в основе наиболее экологически выгодных способов очистки окружающей среды. Прежде всего, это замечание было отнесено к бактериям. Изучением микроорганизмов-деструкторов 2,4-D занимались многие научно-исследовательские институты, однако наибольший интерес представляет работа ученых Худайгулова Г.Г., Старикова С.Н., Столяровой Е.А., Логиновой Е.В. и Четверикова С.П. (Уфимского института биологии УФИЦ РАН) «Оценка потенциала биодеградации 2,4-Д в почве штаммами-деструкторами галогенорганических соединений», опубликованная в журнале Экобиотех, 2022, Том 5, № 4 С. 208-217, http://ecobiotech-journal.ru).
Перед учеными стояла конкретная задача – рекультивация (санация) территорий предприятий производителей продуктов галогенорганической химии, находящихся в стадии ликвидации, в частности, ОАО «Уфахимпром». На сегодняшний день площадь загрязнения на территории предприятия составляет 142,9 га, а в его шламонакопителях находится около 500 тыс. куб. м неочищенных отходов. При этом шлам и ил шламонакопителей, почва и грунт на территории «Уфахимпрома» загрязнены хлорфеноксиуксусными гербицидами (2,4-D и 2,4,5-Т), хлорбензолами, хлорфенолами, полихлорированными бензолами, дифенилсульфоном, диоксинами, нефтепродуктами и тяжелыми металлами.
Международное агентство по исследованию рака в 2015 году классифицировало 2,4-D как «возможно канцерогенный» (группа 2B). Мужчины, которые работают с 2,4-D подвергаются опасности образования неправильно сформированных сперматозоидов и как следствие, бесплодия. Степень риска зависит от количества, длительности воздействия и других факторов. Регулярное поступление в организм остаточных количеств гербицида с водой приводит к развитию иммунной недостаточности, нарушений в работе легких, печени, желудочно-кишечного тракта.
Исследователи из Калифорнийского Университета в Сан-Диего (США) обнаружили, что ухудшение нейроповеденческих характеристик подростков связано с двумя наиболее широко используемыми гербицидами - глифосат и 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D).
Бытует мнение, что гербициды меньше взаимодействуют с тем, что мы едим, однако это неверно. Через грунтовые воды и почву гербициды отравляют соседние растения и окружающую среду, нанося вред и природе, и здоровью людей. Один из основных вопросов, касающихся безопасности гербицидов, заключается в несовершенстве методики проводимых проверок. Например, согласно требованиям Агентства по охране окружающей среды США (EPA), тестируется действующее вещество, но не всегда учитывается влияние неактивных компонентов. Как правило, не проверяется эффект, даваемый смесью химикатов, например, двух гербицидов или гербицида с пестицидом. А ведь уже доказано, что продукты взаимодействия веществ могут быть более опасны, чем каждый компонент в отдельности.
Производители и потребители компоста часто задают вопрос: «Каким должен быть компост? Каковы нормативные требования к его качеству?». Главное требование к компостам - это, конечно, безопасность. Никаких российских исследований о содержании примесей 2,4-D в компостах мы не нашли. Однако, группа японских ученых в 2004 году обнаружила в компостах 2,4-D, алахлор и атразин методом жидкостной экстракции под давлением (PLE) с последующей газовой хроматографией-масс-спектрометрией (ГХ-МС).
Отсутствие стандартов, регламентирующих качество компоста, является причиной того, что санитарно-гигиеническое регламентирование содержания в агрохимикате вредных примесей базируется на тех же основополагающих принципах, что и их ограничение в чистой почве и других средах, предназначенных для выращивания сельскохозяйственной продукции.
Величина предельно допустимой концентрации (ПДК) 2,4-D в почве указана в ГН 1.2.270 и составляет 0,1 мг/кг. В ряде научных исследований было отмечено, что микробная деградация ксенобиотиков играет важную роль в вовлечении чужеродных производных в обмен веществ в современной биосфере. Известно, что микроорганизмы способны осуществлять деструкцию значительного числа химических субстанций и поэтому их использование лежит в основе наиболее экологически выгодных способов очистки окружающей среды. Прежде всего, это замечание было отнесено к бактериям. Изучением микроорганизмов-деструкторов 2,4-D занимались многие научно-исследовательские институты, однако наибольший интерес представляет работа ученых Худайгулова Г.Г., Старикова С.Н., Столяровой Е.А., Логиновой Е.В. и Четверикова С.П. (Уфимского института биологии УФИЦ РАН) «Оценка потенциала биодеградации 2,4-Д в почве штаммами-деструкторами галогенорганических соединений», опубликованная в журнале Экобиотех, 2022, Том 5, № 4 С. 208-217, http://ecobiotech-journal.ru).
Перед учеными стояла конкретная задача – рекультивация (санация) территорий предприятий производителей продуктов галогенорганической химии, находящихся в стадии ликвидации, в частности, ОАО «Уфахимпром». На сегодняшний день площадь загрязнения на территории предприятия составляет 142,9 га, а в его шламонакопителях находится около 500 тыс. куб. м неочищенных отходов. При этом шлам и ил шламонакопителей, почва и грунт на территории «Уфахимпрома» загрязнены хлорфеноксиуксусными гербицидами (2,4-D и 2,4,5-Т), хлорбензолами, хлорфенолами, полихлорированными бензолами, дифенилсульфоном, диоксинами, нефтепродуктами и тяжелыми металлами.
Промышленная площадка бывшего химического завода
В работе уфимских ученых описана способность штаммов Рseudomonas plecoglossicida 2.4-D и Pseudomonas sp. DD4 утилизировать в почве 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту с высокой степенью эффективности. Изучена динамика роста бактерий и убыли концентрации 2,4-D в почве. В модельном эксперименте с почвой загрязненной 2,4-D показано, что при высоких концентрациях загрязнения (до 100 мг/кг) после периода адаптации исследуемые штаммы утилизировали ксенобиотик с эффективностью до 100%.
Pseudomonas – это род бактерий, который находится в семье Pseudomonaceae (Псевдомонадовые). Первое описание этих микроорганизмов было сделано немецким микологом Вальтером Мигулой в 1894 году. Pseudomonas plecoglossicida – не флуоресцентная, грамотрицательная, палочковидная, подвижная бактерия. Род имеет повсеместное экологическое и географическое распространение в связи с его способностью развиваться в разнообразных средах. Они хемотрофы и легко выращиваются в питательных средах на агаре. Ни один из видов рода не переносит pH менее 4,5.
Как ризосферные бактерии, так и гуминовые вещества (ГВ) могут стимулировать рост растений при индивидуальном применении. Ученые Уфимского института биологии в соавторстве со специалистами Уфимского государственного нефтяного технологического университета провели исследование, целью которого было выяснить важность стимулирующего действия ГВ на рост бактерий и влияния комбинации бактерий и ГВ на сами растения.
На X Съезде общества физиологов растений России в рамках Всероссийской научной конференции «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата», которая проходила в Уфе 18-23 сентября 2023 г. была представлена работа группы ученых: Феоктистова А.В., Тимергалина М.Д., Рамеева Т.В., Четверикова С.П. (Уфимский Институт биологии УФИЦ РАН): «Влияние сочетания штамма бактерий Pseudomonas plecoglossicida 2,4- D с гуминовыми веществами на рост и гормональный статус растений пшеницы при дефиците почвенной влаги».
В работе использовали проростки мягкой яровой пшеницы (Triticum aestivum L.), штамм бактерий Pseudomonas plecoglossicida 2,4-D и гуминовые вещества (ГВ), извлеченные из бурого угля. Растения обрабатывали опрыскиванием суспензией бактерий и/или гуматами. Контрольные растения поливали до 80% от полной влагоемкости песка, а засуху поддерживали на уровне 20-30%. Содержание фитогормонов определяли через 3 дня после обработки растений, а показатели роста - через неделю. Засуха значительно снижала массу побегов и корней растений, однако обработка бактериями и ГВ повышала массу корня, но наиболее эффективной было их совместное действие. Таким образом, было выявлено накопление массы корня у растений пшеницы при обработке их комбинацией P. plecoglossicida 2,4-D и ГВ в условиях засухи. Более высокая эффективность совместного действия на растения комбинации бактерий и гуматов может быть связана с суммарным действием этих обработок на гормональный статус.
Из всего вышесказанного следует вывод, что внесением препарата на основе Pseudomonas plecoglossicida в компост, мы решаем сразу две задачи: утилизацию в компосте 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, а также повышение урожайности сельскохозяйственных культур даже в условиях засухи. Бактерии Pseudomonas plecoglossicida – бойцы невидимого фронта, а свойства этого вида еще до конца не изучены. Лабораторией биотехнологии Уфимского института биологии УФИЦ РАН выделены и идентифицированы штаммы Pseudomonas plecoglossicida 2,4-D, представлена схема их биотрансформации.
“Мы проводили полевые эксперименты препарата на основе штамма 2.4-D. При помощи этого препарата удалось нивелировать гербицидный стресс растений, негативное влияние засухи и получить прибавку урожая до 20%”, – сообщил нашему журналу кандидат биологических наук Худайгулов Гайсар Гараевич. В данный момент препарат проходит государственную регистрацию, а сроки и нормы его внесения для активации компостирования еще предстоит выяснить. Мы надеемся, что эта амбициозная задача будет решена в самое ближайшее время.
Автор: Давлебаева Лия Мунировна - ученый агроном, выпускающий редактор журнала CompostPro.