Действие некоторых пестицидов на дождевых червей ( lumbricus terrestris L. )

Работа выполнена на кафедре общей и биологической химии в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет»

Научный руководитель:	доктор биологических наук, профессор Каменёк Людмила Кирилловна
Официальные оппоненты:
	доктор биологических наук, доцент кафедры биотехнологии и биоэкологии биологического факультета Астраханского государственного университета, главный научный сотрудник лаборатории биотехнологий
Ведущая организация:

Защита состоится «___» ___________ 2012 г. в «______» часов на заседании диссертационного совета Д ______________ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: ул. Набережной реки Свияги, 106, корп.1, ауд.703.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом - на сайте ВУЗа www.uni.ulsu.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан _____________ 20_____ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук С.В. Пантелеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сельскохозяйственное производство входит в число основных загрязняющих факторов почвенного покрова, что связано с применением средств защиты возделываемых культур. К сожалению, множество используемых в прошлом и настоящем препаратов обладают выраженным отрицательным действием на сельскохозяйственные культуры, проявляющемся в мутагенном, кластогенном (Гиляров, 1974; Голиков, 1986; Голованова, 2003; и др.), гаметоцидном (Добровольский, 1997; Карташев, 2006) и общем токсическом действии, что в итоге приводит к снижению продуктивности растений (Курдюков, 1982; Кузнецова, 2005). Исследования ряда ученых показали, что отказ от использования средств защиты растений снижает рентабельность сельскохозяйственного производства в связи с резким падением урожайности агрокультур (Соколов, 1994; Попов, 2003; и др.). В данном аспекте совершенно ясно, что отказаться от использования пестицидов не представляется возможным, поэтому определение среди применяемых и предлагаемых к производству препаратов наименее токсичных для биотического компонента агроэкосистем является актуальным экологическим направлением, имеющим большую практическую ценность.

Пестициды являются биологически активными веществами, в той или иной мере оказывающими отрицательное воздействие на биоту, в том числе на фауну беспозвоночных животных агроэкосистем и представителей почвенной биоты, имеющих важное значение в почвообразовательном процессе (Малевич, 1950; Чекановская, 1960; Перель, 1959, 1977, 1979; Матвеева, 1982; Криволуцкий, 1987). Дождевые черви принимают активное участие в процессах утилизации растительной биомассы, минерализации органических веществ, при этом они аккумулируют пестициды и другие химические вещества, в количествах в сотни раз превышающих их содержание в почве (Чернышев, 1989; Козлов К.С., 2003; Тиунов, 2007). Это дает предпосылку для использования их в эколого-токсикологических исследованиях влияния пестицидов на почвенную биоту (Лунев, 2005; и др.). Данному направлению посвящены работы П.В. Терещенко (1996, 1997), Ф.В. Атощенкова (1999), Butt Kevin R. (2000), К.С. Козлова (2003), Е.В. Головановой (2003), А.Г. Карташева с соавторами (2006), Н.П. Битюцкому с соавторами (2008), В.В. Смольникова (2011), Д.Э. Эмировой с соавторами (2011) и ряда других ученых. В тоже время в научных публикациях практически отсутствуют данные о сравнительной оценке действия различных классов пестицидов, в том числе биогенного происхождения, на дождевых червей. Актуальность и недостаточная изученность данного вопроса послужила предпосылкой для настоящего исследования.

Цель настоящего исследования – исследовать влияние загрязнения почвы различными классами пестицидов на представителей почвенной мезофауны на примере дождевых червей Lumbricus terrestris L.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

• 
  исследовать поведенческие реакции и морфофизиологические изменения дождевых червей в условиях влияния разных классов пестицидов в лабораторных и полевых условиях;
  
• 
  оценить влияние острой и хронической токсичности исследуемых пестицидов на выживаемость и жизнедеятельность дождевых червей;
  
• 
  изучить репродуктивную способность червей в зависимости от класса и концентрации препаратов в лабораторных и полевых условиях.
  

Научная новизна.

• 
  впервые проведены исследования по влиянию пестицидов классов триазиновых, неоникотиноидов и препарата на основе белкового дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis на дождевых червей;
  
• 
  установлены эколого-токсикологические характеристики исследуемых препаратов для дождевых червей;
  
• 
  изучены поведенческие реакции и морфофизиологические изменения дождевых червей при загрязнении почвы исследуемыми пестицидами;
  
• 
  установлены дозозависимый и дозовременной эффекты действия исследуемых препаратов на смертность дождевых червей;
  
• 
  выявлен характер токсичного влияния исследуемых пестицидов на репродуктивные способности особей дождевых червей, отражающий неконкурентный кооперативный тип зависимости.
  
  Теоретическая значимость работы. Изучение особенностей физиологического реагирования гумусообразующей мезофауны почвы расширяют теоретические представления о характере воздействия биологических и химических препаратов на биоту, а также вносят большой вклад в экологию наземных экосистем.
  
  Практическая значимость работы. Результаты проведенного исследования, отражающие эколого-токсикологическое действие пестицидов на дождевых червей Lumbricus terrestris, могут быть использованы для создания системы экологического мониторинга наземных систем в зонах использования данных препаратов, так как на основании изменения физиологических, поведенческих, биохимических реакций одного вида можно прогнозировать воздействие загрязнителей на другие виды.
  
  Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена в ходе научного направления кафедры общей и биологической химии в области экологического мониторинга.
  
  Декларация личного участия автора. Автором определена цель и поставлены задачи, подобраны основные методы исследований. Автор непосредственно участвовал в выполнении экспериментальных лабораторных полевых исследований, проведении статистического анализа, обсуждения и обобщения данных. Написание текста диссертации, формулирование основных теоретических положений и выводов осуществлено по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.
  
  Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением современных методов, значительным объемом проведенных лабораторных и полевых исследований, использованием статистических методов обработки и анализа полученных результатов.
  

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Эколого-токсикологическая характеристика пестицидов различных классов для дождевых червей;

2) Применение биологического препарата на основе дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis не оказывает влияния на жизнедеятельность дождевых червей;

3) Малые дозы химических препаратов из группы неоникотиновых и триазиновых пестицидов токсичны для дождевых червей, снижая их репродуктивную способность и вызывая иммобилизацию.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: II Международной научной конференции «Наука в современном обществе» (Ставрополь, 2012); XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2010» (Москва, 2010); XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2012» (Москва, 2012); I Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов, материалов и методов исследования, экспериментальной главы, выводов общим объёмом 177 страниц компьютерного набора. Работа иллюстрирована 51 таблицей и 73 рисунками. Список литературы состоит из 115 наименований, в том числе 21 наименование на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

Глава I содержит обзор литературы по изучаемой проблеме и состоит из 4 подразделов, которые содержат информацию об экологических аспектах действия пестицидов на педосферу и использовании дождевых червей как объектов биоиндикации почв. Представлена подробная характеристика используемых пестицидов и биология дождевых червей.

В настоящее время существует несколько причин широкого распространения химических средств защиты растений. Сравнительная дешевизна, высокая техническая эффективность, быстрота действия, вызывающая 80-100 % гибель вредителей в течение нескольких часов или даже минут, способствовали быстрому внедрению пестицидов в сельскохозяйственное производство.

Пестициды как тонкодисперсные вещества в почве подвержены многочисленным воздействиям биотического и небиотического характера, определяющие их поведение, преобразование и минерализацию. Тип и скорость преобразований зависят от химической структуры действующего вещества и его устойчивости, механического состава и строения почв, химических свойств почв, состава флоры и фауны почв, интенсивности влияния внешних воздействий и системы ведения сельского хозяйства.

По скорости разложения в почве пестициды предложено разделить на следующие шесть групп.

1) препараты с продолжительностью действия более 18 месяцев (большинство хлорорганических пестицидов);

2) препараты с продолжительностью действия около 18 месяцев (некоторые производные мочевины, пиклорам, симазин и другие триазины);

3) пестициды с продолжительностью сохранения в почве до 12 месяцев (производные бензойной кислоты, амиды кислот);

4) препараты с продолжительностью сохранения в почве до 6 месяцев (нитроанилины, акрилоксиалканкарбоновые кислоты и другие);

5) пестициды с продолжительностью сохранения в почве более 3 месяцев (производные карбаминовой кислоты, алифатические карбоновые кислоты и другие);

6) пестициды с продолжительностью сохранения в почве менее 3 месяцев (органические соединения фосфора и другие).

Такое деление носит условный характер, так как персистентность пестицидов зависит не только от их строения, но и от активности почвенных микроорганизмов и других факторов.

Адсорбция пестицидов в почве – комплексный процесс, зависящий от многочисленных факторов. Она играет важную роль в перемещении пестицидов и служит для временного поддержания в парообразном или растворенном состоянии или в виде суспензии на поверхности почвенных частиц. Особо важную роль в адсорбции пестицидов играют ил и органическое вещество почвы, составляющие «коллоидальный комплекс» почвы.

Передвижение пестицидов в почве происходит с почвенным раствором или одновременно с перемещением коллоидных частиц, на которых они адсорбированы. Это зависит как от процессов диффузии, так и массового тока (разжижение), которые представляют собой обычный способ вымывания.

Современная диагностика почв использует достижения всех разделов почвоведения, применяя данные по морфологии, химии, физике и минералогии почв. Биология почв располагает показателями, характеризующими динамические свойства («почва-момент», «почва-жизнь») и являющимися индикаторами современного режима почвы. Поэтому использование биологических методов диагностики и индикации необходимо для общей характеристики состояния почвы и оценки ее плодородия

Глава II посвящена описанию объектов, материалов и методов исследований. Представлена характеристика агроклиматических условий Ульяновской области, схема проведения почвенно-экологических и лабораторных исследований.

Почвенно-экологические исследования проводились в период 2008-2010 гг. на территории областной станции «Опытная» (п. Тимирязевский, Ульяновская область) на участках агрокультур картофеля (сорт Ильинский) и моркови (сорт Королева осени), обрабатываемых пестицидами. На контрольных участках обработка не производилась. Для оценки влияния острой токсичности различных доз пестицидов на поведение и выживаемость дождевых червей в естественном агробиоценозе были заложены по единой методике модельные площадки по 1 м² с дозированным внесением пестицидов:

• 
  «Актара» (д.в. тиаметоксам) – 0,05; 0,5; 1; 10 г/м²;
  
• 
  «Гезагард» (д.в. концентрат суспенции 500 г/л прометрина) – 0,05; 0,5; 1; 10; 50 г/м²;
  
• 
  «Дельта-2» (на основе дельта-эндотоксин B. Thuringiensis) – 0,05; 0,5; 1; 10; 50 г/м².
  

Каждый вариант был представлен в 5-кратной повторности. Всего было заложено 65 модельных площадок, три из которых были контрольными. Наблюдения и учеты на площадках проводились через 3, 10, 30, 60 и 90 дней.

Полученный материал обрабатывался в лаборатории кафедры общей и биологической химии УлГУ, согласно стандартной методике (Парель, 1979; Количественные методы в почвенной зоологии, 1987). Определялся видовой состав, проводился анализ коконов дождевых червей, количественных и морфометрических характеристик (Зоология беспозвоночных…, 2000).

Учет дождевых червей в почвенном покрове проводили по стандартной методике (Зоология беспозвоночных…, 2000).

В лабораторных условиях изучались закономерности поведенческих реакций и изменения численности дождевых червей под влиянием различных классов пестицидов в зависимости от концентрации и времени экспозиции. Были проведены опыты по исследованию острой и хронической токсичности препаратов для дождевых червей с использованием естественной (условно чистой) почвы, в которую искусственно вносили определенные концентрации пестицидов; опыты по определению репродуктивной способности червей в загрязненной почве (EPS 1/RM/43, 2007); цитологический анализ проводили по стандартным методикам морфометрии (Быков, 2002; Голованова, 2009). Исследования были проведены по модифированной методике, разработанной на основе стандартных методик (OECD 207, 1984; ISO 11268-1, 1995; ISO 11268-2, 1998; ISO 11268-3, 1999; EPS 1/RM/43, 2007), с учетом практических выводов 2-го международного симпозиума по экотоксикологии дождевых червей (EPS 1/RM/43, 2007).

В экспериментах использовались половозрелые особи дождевого червя Lumbricus terrestris из маточной популяции. В первом опыте червей вносили через сутки после подготовки субстрата по 10 особей в контейнер, содержали 7 дней при T _{воздуха} = 20±2 °С. Во втором – по 10 особей на контейнер, содержали 28 дней при T _{воздуха} = 20±2 °С.

В качестве контроля использовали почву с навозом, но без загрязнителей. Была зафиксирована 93% выживаемость червей в течение 28 дней. Таким образом, исходный субстрат соответствовал требованиям используемых методик и был пригоден для использования в экспериментах.

На каждую концентрацию пестицида ставилось по 5 кювет. Опыты проводились при комнатной температуре +20 °С. В экспериментах использовались 100 половозрелых особей дождевых червей на каждую концентрацию препарата.

Все полученные данные подвергали математической обработке: вычисляли средние арифметические рядов, ошибки средних арифметических, стандартные отклонения, доверительные интервалы, соответствующие корреляционные отношения на основе линейного корреляционного анализа, определяли коэффициент достоверности по Стьюденту (Румшинский, 1971; Фаддеев, 2002). В работе использованы также методы системного и дисперсионного анализов.

Статистическую обработку результатов исследования проводили на персональной ЭВМ типа IBM «Pentium-IV», графическая обработка материалов выполнена с помощью пакета прикладных программ Exсel-2003. При математической обработке данных использовали пакет СSS3.1 «Компьютерная биометрия». Проверка на нормальность распределения экспериментальных данных осуществлялась с использованием пакета программы Statplus 2009.

Глава III включает 4 раздела и посвящена изложению и обсуждению собственных результатов, полученных в ходе исследования.