Агрохимия, 2019, № 11, стр. 17-26

ВВЕДЕНИЕ

Одним из возможных негативных последствий применения пестицидов является загрязнение ими поверхностных вод и вредное воздействие на водные организмы (рыб, беспозвоночных, водоросли и высшие водные растения). В водоемы пестициды могут попадать за счет сноса потоками воздуха при обработке полей и садов, смыва с поверхности почвы с жидким и твердым стоком, миграции с дренажными водами. По сравнению с наземными и почвенными организмами, гидробионты более чувствительны к пестицидам в силу физиологических особенностей и из-за того, что вода является их постоянной средой обитания и менее буферна по отношению к загрязнителям, чем почва.

Чтобы контролировать и уменьшить влияние пестицидов на водные объекты, включая водные организмы, государством за последние годы принят ряд ограничительных мер. В 2015 г. Правительством РФ установлен “Перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования” [1]. Среди более 200 веществ-загрязнителей водных объектов, подлежащих государственному регулированию, есть и 15 пестицидов (альдрин, атразин, гексахлорбензол, ГХЦГ, 2,4-Д, дильдрин, каптан, карбофос, ДДТ, ДДД, прометрин, симазин, трифлуралин, ТХАН, фозалон). Однако логика формирования этого перечня пестицидов не совсем понятна. Достаточно сказать, что большинство из них (за исключением 2,4-Д, карбофоса, прометрина и фозалона) давно исключены из списка пестицидов, разрешенных на территории РФ [2]. Напротив, в перечне для приоритетного регулирования отсутствуют зарегистрированные в России пестициды с гораздо более высоким уровнем риска для гидробионтов.

Еще одним ограничением, принятым в 2013 г. “Водным кодексом Российской Федерации” [3] и призванным уменьшить воздействие пестицидов на водные организмы, является запрещение применения всех пестицидов в водоохранных зонах водных объектов. На наш взгляд, оно является чрезмерным из-за недифференцированного подхода к способности разных пестицидов оказывать негативное воздействие на гидробионты и ограничивает возможности защиты растений с использованием пестицидов, обладающих низким риском для этих нецелевых видов организмов.

Очевидно, что для формирования списка приоритетных пестицидов, подлежащих первоочередному регулированию и ограничениям применения, необходим объективный и научно обоснованный подход сравнительной оценки негативного воздействия пестицидов на гидробионты. Он должен базироваться не только на показателях токсичности пестицидов для гидробионтов, характеризующих их опасность для данной группы организмов, но и учитывать концентрации пестицидов в воде и их способность к биоаккумуляции. Чтобы объединить разнородные данные в один удобный показатель – индикатор риска, применяют разнообразные методы их агрегирования. В последние годы интерес к агрегированным показателям, как относительно простым и доступным инструментам планирования риска и принятия решений, значительно вырос как со стороны органов, регулирующих регистрацию и применение пестицидов, так и со стороны их потребителей. Неудивительно, что уже предложены десятки таких индикаторов, предприняты попытки их систематизации и выбора наиболее приемлемых (например, проект Европейского Союза “CAPER” [4]). Первые попытки разработки экологических индикаторов пестицидов связаны с оценкой их вреда для окружающей среды в целом, включая различные нецелевые виды организмов [5–7]. Но они оказались не совсем удачными, прежде всего из-за того, что ни один вид организмов не является одинаково чувствительным ко всем пестицидам. Большее развитие получили экологические индикаторы риска пестицидов для отдельных природных сред (воды, почвы, воздуха) и различных групп нецелевых организмов. В частности, стоит отметить проект Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), в рамках которого специально для гидробионтов разработаны 3 индикатора риска пестицидов: REXTOX, ADSCOR и SYSCOR [8], применимые в масштабах государства, региона и фермерского хозяйства для отдельных культур, пестицидов и их комбинаций. Общими недостатками этих 3-х индикаторов являются их сложность и использование скоринга (программы, которая в реальном времени оценивает все возможные риски, используя имеющиеся данные об объекте) для оценки уровня воздействия вместо более реалистичных моделей прогноза концентраций пестицидов в воде.

Цель работы – предложить простой и понятный метод ранжирования пестицидов по их рискам для водных организмов с использованием: 1 – имеющихся данных по токсичности пестицидов для гидробионтов и их биоаккумуляции, 2 – спрогнозированных концентраций пестицидов в поверхностных водах, 3 – обобщения данных для расчета агрегированного индикатора риска. Предполагается, что рассчитанные рейтинги риска пестицидов для гидробионтов могут быть использованы для научно обоснованных управленческих решений по регулированию обращения пестицидов и при выборе приоритетных пестицидов для национального мониторинга в поверхностных водоемах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Методология оценки опасности и риска пестицидов для водных организмов. Поэтапная схема процедур оценки опасности, рисков и определения рейтингов агрегированного риска пестицидов для гидробионтов приведена на рис. 1. Под опасностью пестицида для гидробионтов понимали его способность оказывать негативное воздействие на эти нецелевые организмы. Одним из основных видов опасностей пестицида является его токсичность для водных организмов. Риск пестицида – это возможность реализации его опасности (прежде всего токсичности) в конкретных условиях окружающей среды и регламента применения пестицида. Количественно риски пестицида для гидробионтов характеризовали отношением показателей токсичности пестицида к его прогнозируемой концентрации в воде. Для обобщения нормализованных показателей риска острой и хронической токсичности, коэффициентов биоаккумуляции пестицидов использовали один из самых простых и общепринятых методов агрегирования данных – сложение баллов, который позволил составить рейтинги агрегированного риска пестицидов для водных организмов.

Данные о токсичности и биоаккумуляции пестицидов. Это исследование охватывает практически все действующие вещества гербицидов, фунгицидов и инсектицидов (всего 200 веществ), входящих в состав пестицидных препаратов, зарегистрированных для применения в РФ [2]. Источниками данных о токсичности пестицидов для гидробионтов и их биоаккумуляции служила база данных PPDB (Pesticide Property Data Base) [9], в основу которой положены результаты испытаний, полученные в процессе разработки и регистрации пестицидов, а также открытые научные публикации. В PPDB представлены данные об острой и хронической токсичностях действующих веществ пестицидов для рыб (типичный представитель – радужная форель, Oncorhynchus mykiss), водных беспозвоночных (дафнии, Daphnia magna), водорослей (зеленые водоросли, в основном – Selenastrum capricornutum). Показатели острой токсичности пестицидов – LC₅₀ и ЕC₅₀ (96-часовые тесты для рыб и 48-часовые для дафний соответственно), их хронической токсичности NOEC (14–21-суточные тесты) для этих же гидробионтов, а также токсичности для водорослей (ЕC₅₀) и биоаккумуляции в рыбах (BCF), как правило, определены по методикам испытаний химикатов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). В настоящее время эти методики переведены на русский язык и оформлены в виде межгосударственных стандартов [10–15].

Классификации опасности пестицидов для гидробионтов. Для классификации и описания характеристик опасности пестицидов для водных организмов использовали 2 государственных стандарта [16, 17]. Оба ГОСТа подготовлены на основе международного документа – “Согласованной на глобальном уровне системе классификации опасности и маркировки химической продукции (СГС)” [18]. В обобщенном и адаптированном для пестицидов виде классификации острой и хронической токсичности пестицидов для гидробионтов представлены в табл. 1 и 2.

Прогноз концентраций пестицидов в поверхностных водах. При оценке риска пестицидов для водных организмов, кроме данных о токсичности пестицидов для гидробионтов, необходимо знать их концентрации в воде поверхностных водоемов. Натурные эксперименты и мониторинговые наблюдения по определению концентраций пестицидов в поверхностных водоемах слишком дороги и не учитывают всего разнообразия водоемов, почвенно-климатических условий, рельефа местности и регламентов применения пестицидов. Поэтому в последнее время широко применяют прогнозы концентраций пестицидов в поверхностных водах с использованием математических моделей. Они являются одними из основных инструментов прогноза концентраций пестицидов в водной среде в Европейском Союзе [19] и их начинают применять в Российской Федерации [20].

В данной работе использована модель STEP2, разработанная в Европейском Союзе [21]. Это достаточно простая универсальная модель с ограниченным количеством входных данных, не требующая детальной информации о свойствах почв, рельефе и метеоусловиях. Она позволяет рассчитать максимальные актуальные и средневзвешенные концентрации пестицида в воде на 1, 2, 4, 7, 14, 21, 28, 42, 50 и 100-е сут после его применения. В качестве условного стандартного водоема в модели STEP2 используют один простой вид водоема со следующими параметрами: отношение ширины к его длине – 1 : 10 при уклоне 5%, глубина – 30 см, мощность донного осадка – 5 см. Модель принимает в расчет перехват пестицида культурой, а также учитывает воздушный снос пестицида на поверхность водоема при обработке поля и его миграцию в водоем за счет поверхностного стока и дренажа из почвы. Для прогноза концентраций пестицидов в поверхностных водах и последующих расчетов их рисков для гидробионтов использовали максимально рекомендуемые однократные нормы применения пестицидов на основных сельскохозяйственных культурах, выращиваемых в России. Если пестицид применяли только для обработки семян, то его норму применения рассчитывали с учетом гектарной нормы высева культуры.

Обобщение данных и составление рейтингов рисков. Достаточно большое количество исходных данных, характеризующих разные стороны негативного воздействия пестицидов на гидробионты, осложняет их сравнительную оценку. Поэтому в данной работе использовали следующие приемы обобщения и уменьшения объемов исходной информации:

1 – использование данных по токсичности пестицида только для наиболее чувствительной группы гидробионтов;

2 – преобразование показателей токсичности и концентрации в коэффициенты риска острой (R_остр) и хронической (R_хрон) токсичности:

где LC₅₀ или ЕC₅₀ – полуэффективная концентрация пестицида, C_макс – максимальная прогнозируемая концентрация пестицида в воде; где NOEC – неэффективная наблюдаемая концентрация пестицида, C_21 сут – средневзвешенная за 21 сут прогнозируемая концентрация пестицида в воде;

3 – приведение разнородных данных по рискам и биоаккумуляции в один формат – баллы (нормализация данных);

4 – суммирование баллов по рискам обоих видов токсичности и биоаккумуляции и преобразование их в индикатор агрегированного риска пестицидов для гидробионтов HARIP (Hydrobionts Aggregate Risk Indicator for Pesticides).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Токсичность пестицидов для гидробионтов и их опасность для водной среды. Данные о токсичности для водных организмов применяемых в РФ пестицидов до настоящего времени в России практически не были систематизированы. На основании информации, взятой из PPDB [9], были составлены рейтинги острой и хронической токсичности 200 действующих веществ пестицидов (80 гербицидов, 73 фунгицида и 47 инсектицидов), разрешенных для применения в Российской Федерации [2]. В табл. 4 в порядке убывания токсичности представлены двадцатки наиболее токсичных пестицидов для 3-х групп гидробионтов: рыб (показатели острой и хронической токсичности LC₅₀ и NOEC соответственно), беспозвоночных – дафний (EC₅₀ и NOEC) и водорослей (EC₅₀). Подавляющее большинство среди перечисленных пестицидов – инсектициды (80%), фунгицидов и гербицидов примерно по 10%, причем последние, как и ожидалось, токсичнее всего для водорослей.

При классификации опасности веществ для водной среды в целом обычно используют показатели их токсичности для наиболее чувствительной группы гидробионтов. Пример такого обобщения данных приведен в табл. 5, где представлены данные для 20 наиболее токсичных пестицидов. В приведенных двадцатках оказались только инсектициды, единственное исключение – гербицид дифлюфеникан, а среди наиболее чувствительных гидробионтов заметно преобладали дафнии. Согласно классификациям опасности химической продукции для водной среды (табл. 2 и 3), большинство пестицидов (137 из двухсот, разрешенных для применения в РФ) относятся к 1-му классу опасности по острой токсичности. Опасностью 1-го класса по хронической токсичности обладают 90 пестицидов. Несмотря на то что многие пестициды относятся к 1-му классу опасности, реализация этой опасности в конкретных условиях применения пестицидов не всегда очевидна и зависит от их концентраций в воде водоемов.

Концентрации пестицидов в воде. Токсичность пестицида для гидробионтов негативно проявится, если он будет присутствовать в достаточной концентрации в водоеме. Концентрация пестицида в воде поверхностного водоема зависит от нормы применения пестицида, особенностей его поведения и распределения в окружающей среде после применения. Пестицид может поступать в водоем за счет воздушного сноса, передвижения по поверхности почвы с жидким и твердым стоком, с дренажными водами. Все эти факторы и процессы при прогнозе концентраций пестицида в водоеме учитывает модель STEP2 [21]. Модель STEP2 обычно завышает концентрации пестицидов в воде водоемов по сравнению с реально измеренными, например, для инсектицидов это наблюдалось в 86% случаев [22]. Это связано с использованием в модели упрощенных механизмов описания распределения пестицида в системе почва–водоем, а также применением сценариев входных данных, отражающих (как в данной работе) вариант “худшего случая” – максимальную норму применения пестицида, небольшой перехват его растениями, минимальную сорбцию пестицида почвой. Однако эти упрощения и допущения в равной мере касаются всех пестицидов и поэтому данные прогноза концентраций в воде вполне пригодны при сравнительной оценке риска пестицидов для водных организмов.

Прогноз концентраций пестицидов в водоеме по модели STEP2 (табл. 5) показал, что поверхностные воды в первую очередь будут загрязняться гербицидами – они занимают первые 11 позиций в рейтинге концентраций. Фунгицидов и инсектицидов в топовых двадцатках – всего 3 и 2 наименования соответственно. Миграции гербицидов в водоемы, помимо высоких норм применения, способствуют их низкая сорбционная способность и умеренная стойкость в почве, а также то, что их применяют в ранних фазах развития защищаемой культуры.

Биоаккумуляция. Пестициды могут не только загрязнять водоемы и отравлять водные организмы, но и, накапливаясь в тканях гидробионтов (прежде всего, рыб), причинять им дополнительный вред, не только гидробионтам, но и наземным организмам, таким как рыбоядные птицы и млекопитающие. Способность пестицида к биоаккумуляции в рыбах обычно оценивают в лабораторных опытах [15] и характеризуют коэффициентом биоаккумуляции (BioConcentration Factor – BCF) – чем больше его величина, тем больше склонность пестицида к накоплению в тканях рыб. В топ-двадцатке пестицидов по способности к биоаккумуляции (табл. 4), как и в рейтинге токсичности, существенно преобладают инсектициды – их 14, гербицидов – 4, фунгицидов – 2.

Риски острой и хронической токсичности пестицидов для гидробионтов. Показателем негативного воздействия пестицида на водные организмы, учитывающим его токсичность и концентрацию в водоеме, обычно является их соотношение, которое характеризует риск пестицида для гидробионтов: чем меньше это соотношение, тем выше риск. Для целей регулирования принято считать низким (приемлемым) риск острой токсичности, если его показатель LC₅₀(EC₅₀)/C_макс > 100 для рыб и беспозвоночных и >10 – для водорослей, а риск хронической токсичности будет низким при отношении NOEC/C_{21 сутки} > 10 [23]. В табл. 5 приведены показатели риска топовых двадцаток пестицидов по 2-м видам токсичностей для наиболее чувствительной группы гидробионтов. Из двухсот рассмотренных пестицидов к категории низкого риска острой и хронической токсичности для гидробионтов отнесены соответственно 122 и 127 действующих веществ. Для таких пестицидов при регистрации обычно требуется меньший объем данных по водной токсикологии и сведены к минимуму ограничения по их применению в буферных водоохранных зонах водоемов.

Индикатор агрегированного риска HARIP. Для расчета индексов HARIP (Hydrobionts Aggregate Risk Indicator for Pesticides) суммировали баллы – нормализованные величины показателей острой, хронической токсичности и биоаккумуляции. В табл. 6 в порядке убывания агрегированного риска представлены 20 позиций рейтинга, куда вошли 24 пестицида: 19 инсектицидов, 4 гербицида и один фунгицид. С заметным отрывом от остальных пестицидов в данном рейтинге расположились 3 инсектицида с максимальным уровнем агрегированного риска для водных организмов – хлорпирифос, тефлутрин и диазинон. Их можно рассматривать в качестве первоочередных кандидатов среди возможных пестицидов-загрязнителей водной среды, подлежащих государственному регулированию и мониторингу.

ВЫВОДЫ

1. Систематизированы данные о токсичности для гидробионтов и биоаккумуляции 200 действующих веществ пестицидов, зарегистрированных в Российской Федерации. Установлены классы опасности пестицидов для водной среды в соответствии с современными классификациями опасности химической продукции для окружающей среды. Примерно 2/3 пестицидов относятся к первому классу опасности. Среди наиболее опасных пестицидов преобладают инсектициды, а самая чувствительная к пестицидам группа гидробионтов – беспозвоночные (дафнии).

2. С помощью модели STEP2 cпрогнозированы концентрации пестицидов в воде условного поверхностного водоема. Эти данные использованы при оценке рисков проявления острой и хронической токсичностей пестицидов для гидробионтов. В целом, исходя из уровней спрогнозированных концентраций пестицидов в воде, основными загрязнителями поверхностных вод являются гербициды.

3. Предложен агрегированный показатель риска пестицидов для водных организмов – индикатор HARIP, учитывающий риски их токсичности и биоаккумуляцию. Рассчитаны его численные показатели – индексы и составлен рейтинг пестицидов, который можно использовать при выборе приоритетных пестицидов-загрязнителей поверхностных водоемов Российской Федерации.