Учёные ЮФУ: интенсивное земледелие может подорвать здоровье земли
Ученые ЮФУ экспериментально доказали, что широко используемые в сельском хозяйстве пестициды даже в малых дозах могут представлять скрытую угрозу для почвенных бактерий. Более точный биоскрининг показывает, что безопасные для растений препараты у микроорганизмов, которые отвечают за здоровье почвы, вызывают окислительный стресс, повреждают ДНК, резко усиливают частоту мутаций.
Интенсивное сельское хозяйство требует жертв: невозможно вырастить хороший урожай и обеспечить человечество едой, не вооружившись против самых разных вредителей. Вредные насекомые и их личинки уничтожают урожай, — от этого могут спасти только инсектициды. Поле заросло сорняками, которые конкурируют с культурными растениями за воду, свет и питательные вещества — помогут гербициды. Растения заболели грибками, гниют и ржавеют — пора применять фунгициды. Почва оскудела на полезные вещества — можно добавить органоминеральные удобрения.
Только вот почва — это не просто грунт, не инертная химическая смесь, а живая среда, плодородная до тех пор, пока не нарушен её микробиологический баланс. Бактерии, живущие в земле, тоже получают дозу всех тех веществ, которыми опыляют поля. Если перестараться с агрохимикатами и случайно навредить микробному сообществу почвы, то нечего больше будет защищать: ни от насекомых, ни от грибков, ни от сорняков.
Коллектив лаборатории экологии и молекулярной биологии Южного федерального университета под руководством профессоров Ивана Сазыкина и Марины Сазыкиной провел комплексное исследование по оценке токсикологического воздействия на подопытные клеточные культуры трёх коммерческих пестицидов и двух удобрений, широко используемых в агропромышленном комплексе Юга России.
Перед выходом на рынок все эти препараты прошли проверку на экотоксичность, но до сих пор это понятие означало исключительно опасность для растений и животных. Единой методики проверки токсичности веществ для бактерий и одноклеточных существ пока нет, ею может стать как раз технология учёных ЮФУ.
«Мы использовали для оценки экотоксичности передовые методы биотестирования, где роль чувствительных «детекторов» выполняли специально созданные штаммы бактерий. Так, в качестве люминесцентных биосенсоров выступили генномодифицированные клетки кишечной палочки (E. coli), которые начинают светиться в ответ на конкретный тип стресса», — рассказал Иван Сазыкин.
Штаммы pSoxS-lux и pKatG-lux светились при появлении в клетке супероксид-радикалов и пероксидов соответственно, так учёные понимали, что микробы «жалуются» на окислительный стресс, а штаммы pRecA-lux и pAlkA-lux реагировали светом на разрывы в ДНК и на её алкилирование.
Препараты тестировали в широком диапазоне концентраций — от 0.00001% до 1%, что позволяло моделировать как момент внесения, так и остаточные, фоновые уровни загрязнения.
«Наибольшую опасность представляет изученный нами инсектицид. Установлено, что он обладает самым высоким уровнем токсичности, вызывает окислительный стресс и повреждение ДНК у бактерий, а также в несколько раз усиливает частоту мутаций. При этом в малых дозах этот пестицид стимулирует образование бактериальных биопленок, что может указывать на адаптационный стресс микроорганизмов», — рассказал Иван Сазыкин.
Проанализированные гербицид и фунгицид также демонстрируют токсичность к братьям нашим суперменьшим. Они способны вызывать окислительный стресс, повреждать ДНК и, что особенно важно, подавлять образование бактериальных биопленок. Биопленки являются доминирующей формой жизни бактерий в почве, и они важны для её здоровья, поэтому их угнетение нарушает ключевые функции микробного сообщества.
«Даже «биоудобрения» могут нести риск. Один препарат на основе гуминовых кислот показал способность к повреждению ДНК и усилению мутагенеза в высоких концентрациях, что свидетельствует о необходимости строгого дозирования и контроля за его применением. А вот гумат калия, наоборот, показал положительный эффект — он подавлял частоту мутаций и стимулировал развитие бактериальных биопленок, способствуя стабильности почвенной микробиоты», — объяснил Иван Сазыкин.
Полученные данные указывают на то, что даже широко используемые и разрешенные пестициды могут оказывать скрытое негативное влияние на почвенный микробиом. Дестабилизация бактериального генома, усиление мутагенеза и подавление биопленок в долгосрочной перспективе могут подорвать здоровье почв и снизить их плодородие.
«Наше исследование подчеркивает острую необходимость в обязательном комплексном эколого-токсикологическом скрининге как новых, так и уже применяющихся в сельском хозяйстве препаратов с использованием представительного набора биотестов. Наука шагнула далеко вперёд с тех пор, как многим бытовым и сельскохозяйственным химикатам присваивался тот или иной класс опасности. С помощью генномодифицированных бактерий и клеточных культур в роли сенсоров и индикаторов мы сегодня можем в десятки раз подробнее ответить на вопрос, опасен или безопасен тот или иной препарат и какова его предельная концентрация для тех или иных целей», — подытожил Иван Сазыкин.
Результаты работы имеют важное прикладное значение для агропромышленного комплекса. Они помогут в разработке рекомендаций по более безопасному и устойчивому применению средств защиты растений, минимизирующему ущерб для почв. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания.
Результаты работы опубликованы в международном научном журнале «Environmental Science andPollution Research».
