Зниження забруднення ґрунту пестицидами на основі впровадження біотехнологічних заходів

Abstract

Кібаров О.І. Зниження забруднення ґрунту пестицидами на основі впровадження біотехнологічних заходів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 183 Технології захисту навколишнього середовища (18 Виробництво та технології). - Національний університет кораблебудування ім.адм.Макарова, Миколаїв, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науковоприкладної проблеми забруднення ґрунтів залишками гербіцидів в умовах інтенсивного землеробства. У роботі теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність використання різних фракцій гумінових речовин та мікробних інокулянтів для зниження фітотоксичності ґрунтового середовища та відновлення його біологічної активності. Перший розділ дисертації присвячено фундаментальному аналізу сучасного стану проблеми забруднення агросфери пестицидами, механізмів їхньої поведінки у навколишньому середовищі та існуючих стратегій мінімізації їхнього негативного впливу. В умовах інтенсифікації сільського господарства, коли світове споживання гербіцидів сягає мільйонів тонн щорічно, питання долі цих речовин у ґрунті набуває першочергового значення. У розділі детально розглядаються фізико - хімічні процеси, що визначають поведінку пестицидів у ґрунтовому профілі. Тематичні праці авторів з усього світу акцентують увагу на тому, що лише незначна частка внесених препаратів (часто менше 1%) досягає цільових об'єктів, тоді як основна маса потрапляє у ґрунт, де піддається складним трансформаціям. Ключовим процесом, що визначає мобільність та біодоступність гербіцидів, є сорбція на ґрунтових колоїдах. Аналіз літературних даних свідчить, що сорбційна здатність ґрунту залежить від вмісту органічного вуглецю, гранулометричного складу та pH середовища. Особливу увагу приділено явищу «старіння» пестицидів у ґрунті - процесу, при якому молекули ксенобіотиків дифундують у мікропори ґрунтових агрегатів або утворюють міцні комплекси з гумусовими речовинами, стаючи недоступними для мікробіологічної деградації, але зберігаючи потенційну токсичність при зміні умов (наприклад, при підкисленні ґрунту або внесенні фосфорних добрив). Окремий підрозділ присвячено гербіцидам на основі гліфосату, які є найбільш поширеними у світі. Попри поширену думку про їхню екологічну безпечність, сучасні дослідження вказують на накопичення продукту їхнього метаболізму - амінометилфосфонової кислоти (АМРА), яка є більш стійкою та токсичною сполукою. Розглядаються механізми взаємодії гліфосату з іонами металів (хелатування), що може призводити до блокування мікроелементів (Zn, Mn, Fe) у ґрунті та розвитку прихованого голодування рослин. Також перший розділ містить критичний огляд існуючих методів детоксикації ґрунтів, класифікуючи їх на фізичні, хімічні та біологічні. ● Фізичні методи (заміна ґрунту, термічна обробка) визнані економічно недоцільними для масштабного агровиробництва. ● Хімічні методи (окиснення, вилуговування) часто призводять до вторинного забруднення або руйнування структури ґрунту. ● Біологічні методи (біоремедіація, фіторемедіація) визначені як найбільш перспективні. Особливий акцент зроблено на використанні біостимуляторів на основі гумінових речовин (гумати, фульвокислоти) та мікробних препаратів. Проведено детальний аналіз ринку препаратів на основі гумінових речовин. Розглянуто відмінності у механізмах дії високо-молекулярних гумінових кислот (що діють як стабілізатори структури та сорбенти) та низько-молекулярних фульвокислот (що є активними транспортними агентами). Виявлено наукові прогалини у розумінні того, як саме різні фракції гумусових речовин впливають на міграцію сучасних пестицидів, що і стало основою для формування завдань дисертаційного дослідження. Обґрунтовано необхідність вивчення комбінованої дії гумінових речовин та специфічних мікроорганізмів - деструкторів для створення комплексних технологій відновлення ґрунтів. Другий розділ дисертації містить вичерпний опис методологічної бази дослідження, яка була розроблена для забезпечення високої точності, відтворюваності та валідності отриманих результатів. Автор застосував комплексний підхід, що поєднує лабораторне моделювання у контрольованих умовах (мікрокосми), польові випробування у реальних агрокліматичних умовах та передові інструментальні методи аналізу. Характеристика об'єктів дослідження включає детальний аналіз ґрунтового субстрату, фітоіндикатора та використаних агрохімікатів. В якості модельного субстрату використано Чорнозем південний важкосуглинистий. Вибір цього типу ґрунту є стратегічно важливим, оскільки він є типовим для зони інтенсивного землеробства України (Степ). Високий вміст глинистих мінералів (монтморилоніт, гідрослюда) та гумусу у цьому ґрунті забезпечує високу ємність катіонного обміну, що робить його ідеальним об'єктом для вивчення процесів сорбції та міграції ксенобіотиків. Для біологічної оцінки токсичності ґрунту обрано Суданську траву (Sorghum bicolor subsp. drummondii). Ця культура характеризується швидким ростом (С4-фотосинтез) та високою чутливістю кореневої системи до хімічних стресорів, що дозволяє фіксувати навіть сублетальні ефекти дії гербіцидів на ранніх стадіях розвитку. Серед агрохімікатів досліджувалися різні формуляції гербіцидів на основі гліфосату, зокрема калійна сіль («Ураган Форте») та ізопропіламінна сіль («Отаман», «Федерал»), що дозволило оцінити вплив хімічної природи катіона на поведінку діючої речовини. В якості ремедіантів використовувалися препарати фульвокислот («БіоФульво»), гумату калію та комплексний мікробно-ферментний деструктор («Деструктор стерні»). Дизайн експерименту та методологія включали чотири послідовні етапи. Першим етапом став пілотний скринінг для визначення оптимальних концентрацій біостимуляторів та оцінки їх сумісності з широким спектром гербіцидів. Наступним етапом був лабораторний вегетаційний дослід, який передбачав моделювання токсичного впливу в умовах фітотрону із застосуванням інноваційної схеми дворазового внесення біопрепаратів: профілактичної обробки ґрунту (за 14 діб до посіву) для активації аборигенної мікробіоти та сорбційних процесів, а також терапевтичної обробки вегетуючих рослин. Третій етап охоплював польові дослідження для перевірки ефективності розроблених схем в умовах природної інсоляції, коливань температури та вологості. Завершальним етапом став інструментальний аналіз, що включав рентген-флуоресцентний аналіз (XRF) та ІЧ-спектроскопію (ATR - FTIR). Використання портативного спектрометра Hitachi X - MET8000 дозволило проводити моніторинг вертикальної міграції хімічних елементів у ґрунтових колонках та вперше оцінити вплив фульвокислот на мобілізацію важких металів та макроелементів. Водночас застосування методу порушеного повного внутрішнього відбиття для аналізу ґрунтових витяжок дозволило ідентифікувати молекулярні маркери взаємодії (утворення комплексів, розрив хімічних зв'язків) без руйнування зразка. У третьому розділі представлено результати серії вегетаційних експериментів, спрямованих на вивчення фізіологічної відповіді рослиніндикаторів на комбіновану дію гербіцидів та біостимуляторів. Цей етап роботи дозволив встановити характер впливу різних фракцій гумусових речовин на виживання та продуктивність рослин в умовах хімічного стресу. В ході пілотних досліджень було виявлено, що попередня обробка ґрунту препаратом фульвокислот у концентрації 5% забезпечує проростання насіння суданської трави навіть на фоні летальних доз ґрунтових гербіцидів, де у контрольних варіантах спостерігалася повна загибель. Однак, було встановлено нелінійну залежність ефекту від дози: підвищення концентрації до 10% призводило до вторинного пригнічення росту. Це явище пояснюється здатністю фульвокислот у високих концентраціях різко знижувати pH ґрунтового розчину, створюючи кислотний стрес для проростків. Основний етап досліджень виявив принципові відмінності у дії досліджуваних препаратів. Гумат калію продемонстрував найвищу протекторну ефективність. У варіантах з його застосуванням (концентрація 1/300) смертність рослин від дії гербіциду «Ураган Форте» знизилася до 33%, тоді як у контролі вона становила 100%. Механізм дії пов'язаний не лише з фізичною сорбцією токсину, але й з прямою фізіологічною стимуляцією рослин за рахунок іонів калію, що сприяють осморегуляції та підтримці тургору клітин. Мікробний інокулянт виявив складну двофазну динаміку. На початковому етапі (8 - 14 доба) високі концентрації препарату викликали тимчасове інгібування росту рослин (на 25 - 50%). Це пояснюється конкуренцією інтродукованих мікроорганізмів (Bacillus, Trichoderma) з рослинами за доступний азот у ґрунті. Однак, у довгостроковій перспективі (після 18 - ї доби) саме цей варіант забезпечив найінтенсивніше відновлення біомаси, що свідчить про успішний запуск процесів мікробної деградації гліфосату та вивільнення поживних речовин з відмерлої мікробної біомаси. Фульвокислоти проявили амбівалентну дію. Незважаючи на стимуляцію росту у «чистих» умовах, на фоні внесення системних гербіцидів вони показали меншу захисну ефективність (смертність 66%). Це підтверджує гіпотезу про те, що фульвокислоти можуть діяти як «транспортні агенти», полегшуючи проникнення молекул гербіциду через клітинні мембрани рослин, тим самим посилюючи його фітотоксичність на ранніх етапах. Важливим науковим результатом стало виявлення здатності гуматів калію подовжувати життя рослин на 5 - 7 діб навіть в умовах критичного навантаження (суміш гліфосату та дикамби). Цей часовий лаг має величезне практичне значення, оскільки в польових умовах він дає культурі шанс дочекатися опадів, які знизять концентрацію гербіциду в ґрунтовому розчині, або дозволить рослині активувати власні механізми детоксикації. Четвертий розділ присвячено дослідженню геохімічних аспектів взаємодії агрохімікатів з ґрунтовим середовищем. Застосування методу рентген - флуоресцентного аналізу (XRF) дозволило вперше детально описати міграцію хімічних елементів у профілі чорнозему під впливом різних типів гумінових речовин. Центральним результатом цього розділу є експериментальне доведення діаметрально протилежної ролі гумінових та фульвових кислот у процесах ґрунтової міграціїю. Встановлено, що внесення препарату на основі фульвокислот призводить до інтенсивного вимивання ряду елементів з орного горизонту. Зокрема, зафіксовано різке зниження концентрації цинку (Zn) та заліза (Fe) у середній частині ґрунтової колонки, що свідчить про утворення високорухомих фульватних комплексів, які мігрують у нижні шари. Найбільш вражаючим є виявлений ефект «гіпермобілізації» заліза при спільному внесенні фульвокислот та гліфосату: концентрація розчинного заліза зросла до 21 592 ppm (на 39% вище контролю). Це вказує на синергічну дію фульвокислот та фосфонатних груп гліфосату, що розчиняють ґрунтові мінерали. Цей факт є пересторогою щодо використання фульвокислот на легких піщаних ґрунтах, де існує високий ризик забруднення ґрунтових вод важкими металами. На противагу фульвокислотам, гумат калію продемонстрував виражений ефект іммобілізації. Внесення цього препарату сприяло формуванню геохімічного бар'єру у верхньому шарі ґрунту (0 - 10 см). Зокрема, зафіксовано зниження концентрації рухомих форм свинцю (Pb) та стабілізацію кальцію. Механізм цього явища полягає у флокуляції ґрунтових колоїдів та утворенні нерозчинних органо - мінеральних комплексів, що фізично «замикають» токсиканти та запобігають їх вертикальній міграції. Дослідження гуматно-мікробного препарату виявило специфічний тип розподілу елементів - біогенну кумуляцію. Високий вміст мікроелементів (Zn, Mn) у верхньому горизонті пояснюється їх активним поглинанням мікробною біомасою, що бурхливо розвивається в ризосфері. Це створює ефект «живого депо» поживних речовин, які утримуються від вимивання, але залишаються потенційно доступними для рослин після відмирання мікроорганізмів. Результати цього розділу мають фундаментальне значення для розробки екологічно безпечних регламентів застосування агрохімікатів, вказуючи на необхідність диференційованого підходу до вибору типу гумінового препарату залежно від типу ґрунту та цілей ремедіації. П'ятий розділ поєднує результати молекулярного аналізу та біологічних спостережень, розкриваючи механізми взаємодії на рівні хімічних зв'язків. Використання ATR-FTIR спектроскопії дозволило детальніше проаналізувати специфіку ґрунтових процесів у зразках. Аналіз ІЧ-спектрів ацетонових екстрактів ґрунту дозволив ідентифікувати унікальні маркери для різних варіантів обробки. У зразках, оброблених гуматом калію, виявлено спектральні смуги, характерні для складних полімерних структур (ідентифіковані бібліотеками як "Saran Resin" та різні типи адгезивів). Це можна інтерпретувати як доказ утворення надмолекулярних структур, у яких молекули гербіциду та супутніх ПАР фізично захоплюються (інкапсулюються) матрицею гумінових кислот. Цей процес знижує хімічну активність гербіциду та його контактну токсичність для кореневої системи, реалізуючи механізм детоксикації через зв'язування. У варіантах із застосуванням фульвокислот та мікробних деструкторів зафіксовано появу нових піків, що відповідають карбоновим кислотам, зокрема олеїновій та пеларгоновій. Наявність олеїнової кислоти (компонента мембран бактерій) є прямим індикатором спалаху мікробіологічної активності. Поява пеларгонової кислоти свідчить про гідроліз жирних кислот, що входять до складу ад'ювантів гербіциду. Це є прямим хімічним підтвердженням того, що в цих варіантах відбувається активна біодеградація ксенобіотиків. Порівняння лабораторних та польових даних виявило важливий ефект гомогенізації посівів. У неконтрольованих умовах відкритого ґрунту, де рослини зазнають температурного та водного стресу, коренева система формується більш розгалуженою, але більш тендітною. Застосування гуматів у цих умовах виявилося критичним фактором, що забезпечив збереження архітектури кореня та однорідність посівів. Також встановлено, що ефективність калійної солі гліфосату в польових умовах є вищою, ніж у лабораторних, що слід враховувати при плануванні норм внесення. На основі отриманих даних розроблено та обґрунтовано трирівневу технологічну схему застосування гумінових препаратів. Вона передбачає передпосівне внесення мікробно-гумінових комплексів для глибокої біоремедіації ґрунту, застосування бакових сумішей з гуматом калію для протекції посівів від стрессу, а також використання фульвокислот як ад'ювантів для зниження норм гербіцидів, але з суворим контролем дозування для уникнення вимивання елементів. Заключний шостий розділ дисертації присвячено перевірці економічної доцільності запропонованих наукових рішень. Було використано методику аналізу «витрати-вигоди» (Cost-Benefit Analysis) для розрахунку ефективності впровадження розроблених технологій у виробничих умовах. Розрахунки проведено на прикладі модельного господарства, що вирощує соняшник - культуру, високочутливу до післядії гербіцидів. За базовий сценарій прийнято втрату 25% врожаю внаслідок токсифікації ґрунту. Результати моделювання демонструють надзвичайно високу ефективність запропонованих заходів. Також економічний розділ враховує непрямі вигоди, зокрема економію на мінеральних добривах. Доведено, що спільне застосування гуматів дозволяє підвищити коефіцієнт засвоєння NPK на 10 - 15%. Розрахункова економія на добривах фактично повністю покриває витрати на закупівлю гумінових препаратів, роблячи технологію «cost-neutral» (безвитратною) для бюджету господарства у середньостроковій перспективі. Порівняльний аналіз з альтернативними методами ремедіації (сорбенти, механічна обробка) підтверджує, що біологічний метод є оптимальним за співвідношенням ціни та якості.