АГРОХИМИЯ, 2007, № 10, с. 50-61
- Пестициды
УДК 632.954
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕСТИЦИДОВ В ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ
ПРИМЕНЕНИЯ
© 2007 г. Н. Н. Семенова
Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений (ВИЗР) РАСХН 196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3, Россия E-mail: vizrspb@mail333.com Поступила в редакцию 28.02.2007 г.
На основе разработанной ранее динамической модели перераспределения пестицидов в листьях растений предложен алгоритм сравнительной оценки доли пестицидов, проникших в мезофилл, использующий физико-химические свойства пестицидов и морфологические особенности обрабатываемых сельскохозяйственных культур. В зависимости от физико-химических свойств пестицидов выявлено три типа их деградации в листьях. Показано значение межфазных взаимодействий как регулирующего механизма деградации неполярных пестицидов в растении.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка экологически рациональных регламентов применения химических средств защиты растений (ХСЗР) предполагает изучение поведения этих соединений в защищаемом растении. Основными процессами, обуславливающими поведение ХСЗР, являются их транслокация и трансформация. Взаимовлиянием этих двух процессов в конечном итоге определяется скорость разложения пестицидов, так как характер их распределения в тканях растения тесно связан с процессом их деградации. В силу недостаточной изученности механизмов взаимодействия пестицидов с растением, сложностью унификации связей между физико-химическими свойствами пестицидов и анато-мо-морфологическими особенностями и физиологическим состоянием растения их математическое описание ведется в основном в русле эмпирико-ста-тистического подхода. Однако существуют и детерминированные модели, построенные с учетом общих закономерностей, присущих системе растение-пестицид [1, 2].
Разработанная нами имитационная модель перераспределения пестицидов в листьях растений при опрыскивании дифференцированно описывает процессы деградации на поверхности листьев и внутри растения, сорбцию пестицида листьями в жидкой фазе с учетом их морфологического строения [3, 4]. Построение такой модели было продиктовано необходимостью оценки биологической эффективности и экологической опасности пестицидов на основании их физико-химических свойств для конкретной сельскохозяйственной культуры. Быстрое проникновение инсектицидов и фунгицидов в листья растений во многих случаях является
гарантией эффективности их действия. В случае применения инсектицидов против сосущих вредителей большое значение имеет характер распределения действующего вещества в листьях. Без оценки количества препарата, попавшего внутрь листьев, трудно понять механизм действия системных пестицидов. На таких оценках может быть основан анализ безопасности послевсходо-вых химических обработок посевов гербицидами.
С использованием разработанной модели проведена интерпретация результатов исследований процессов проникновения и деградации пиретро-идных инсектицидов (цимбуш, сумицидин) при разных режимах орошения и фосфорорганических инсектицидов (метафос, фосфамид и фозалон), при традиционном и комбинированном применении в сочетании с пестицидами другого фитосани-тарного назначения в посевах озимой пшеницы [5]. Получена количественная оценка влияния абиотических и биотических факторов на параметры, определяющие общую скорость разложения инсектицидов в листьях пшеницы. Показано, что условия выращивания и сопутствующие агрохими-каты могут изменять как скорость разложения пестицидов в самом растении, так и параметры процесса проникновения их в листья. Исследования такого характера открывают возможность осуществления управления процессами деградации пестицидов в агроэкосистемах [6].
В последнее десятилетие появились работы, в которых найдены эмпирические зависимости, связывающие физико-химические свойства широкого класса пестицидов с особенностями листовой поверхности некоторых культур, для определения их проницаемости [7-10], что дало возможность
априорной оценки параметров, входящих в разработанную нами модель.
В настоящей публикации демонстрируется возможность использования модели перераспределения пестицидов в листьях с учетом неравномерности распада на листовой поверхности и в тканях листа для предварительного сравнительного анализа проникновения пестицидов в жидкой фазе в листья ряда культур: оценки доли проникающего в мезофилл пестицида и скоростей его проникновения через кутикулу. Показывается связь между характером разложения пестицидов в листьях в зависимости от такого физико-химического свойства как липофильность. Расчеты, выполненные на основе модели, учитывающей взаимовлияния процессов транслокации и трансформации пестицидов, дают возможность предсказать направленность влияния какого-либо фактора на содержание общего количества пестицида в растении. Так как зависимость общей скорости деградации пестицида от параметров, характеризующих растение и пестицид, существенно нелинейна, в рамках регрессионного подхода получить оценки подобного рода было бы затруднительно.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В разработанной имитационной модели перераспределения пестицидов в листьях растений при опрыскивании ключевыми процессами считаются деградация и проникновение пестицидов в листья в жидкой фазе в виде бинарного раствора. Проникновение пестицидов в листья в паровой фазе не рассматривается. В случае многокомпонентного раствора влияние различного рода добавок (ПАВ, агрохимикаты, пестициды и т.д.) может быть учтено косвенно, как влияние на параметры процессов деградации и проникновения в листья. Процесс проникновения пестицида в растение описывается на основе гипотезы пассивного транспорта пестицида, зависящего от устьично-кутикулярно-го сопротивления листьев. Модель отражает наиболее характерные особенности взаимодействия пестицидов с листовой поверхностью с учетом их физико-химических свойств, а также анатомо-мор-фологических характеристик обрабатываемых растений. Поскольку составной частью модели является имитационная модель роста сельскохозяйственной культуры, то при различной ее детализации может учитываться как эффект биоразбавления, так и в зависимости от погодных условий изменение устьичного сопротивления.
Предполагается, что основной движущей силой проникновения пестицида в лист является разность концентраций в поверхностном отложении и в мезофилле. Учитываются два пути проникновения внутрь листа: через кутикулу и устьица. В рассматриваемой гетерогенной среде кутикула листа является границей раздела фаз:
поверхностное отложение пестицида - растение. Процессы, происходящие на этой границе, определяют характер перераспределения пестицида между двумя фазами. Для описания проникновения пестицида в растение были выделены следующие процессы: перехват пестицида листовой поверхностью растения и образование поверхностного слоя; диффузия пестицида к поверхности раздела фаз; сорбция пестицидов кутикулой листа; диффузия пестицида через эпидермис в мезофилл.
Анализ различных путей деградации пестицидов и факторов, влияющих на эти процессы, для широкого круга с.-х. культур показывает, что для экстракутикулярных отложений пестицидов разложение осуществляется в основном под влиянием факторов небиологической природы (фотохимическое и гидролитическое разрушение) и эпифит-ной микрофлоры, а субкутикулярные отложения трансформируются прежде всего биологическим путем под воздействием ферментных систем растения [2, 11-14]. Хотя невозможно четкое разграничение между факторами, воздействующими на экстра- и субкутикулярные отложения, каждой из зон локализации присуща система процессов, определяющих их разложения. Следует также отметить, что в зависимости от наличия восков на листьях растений будет преобладать либо химический, либо метаболический путь разрушения пестицидов [11, 15]. Пролонгированность действия пиретроид-ных инсектицидов не в последнюю очередь определяется их медленным разложением в восковом слое кутикулы.
В разработанной модели разложение пестицидов описывается дифференцировано для поверхностных, субкутикулярных и кутикулярных отложений. Скорость разложения в каждом из ком-партментов изучаемой системы, представляет собой интегральный показатель совокупности процессов, характеризующих различные пути элиминирования пестицида в области его локализации. Так исчезновение пестицида с листовой поверхности будет происходить не только в результате фотолиза и гидролиза, но и за счет перехода в газообразную фазу и смыва осадками, а содержание пестицидов в листьях будет уменьшаться как под воздействием ферментных систем растения, так и вследствие транслокации его нисходящими и восходящими потоками.
Подробное описание модели приведено в работе [4].
В исследовании использованы пестициды различного фитосанитарного назначения (инсектициды, гербициды и фунгициды), относящиеся к разным химическим классам, применяющиеся при защите таких сельскохозяйственных культур, как пшеница, картофель, капуста (табл. 1). За исключением ряда фосфорорганических инсектицидов,
Таблица 1. Физико-химические свойства пестицидов [16-18]
Пестицид* Молекулярная масса, г мол-1 Молярный объем, мл мол-1 Растворимость в воде, мг л-1, 20°C Давление насыщенных паров, мПа, 20°C
1. 2,4-Д кислота (Г) 221.1 155.5 568 0.018
2. Альфа-циперметрин (И) 416.3 325.2 0.01 0.0023
3. Дельтаметрин (И) 510 320.8 0.002 0.008
4. Диазинон (И) 304.4 274.2 40 11
5. Диметоат (И) 229.6 179.8 23000 0.29
6. Зетациперметрин (И) 416.3 341.5 0.045 0.0025
7. Имидаклоприд (И) 255.7 165.5 514 0.0002
8. Малатион (И) 330.3 268.5 145 5.3
9. Метрибузин (Г) 214.3 167.4 1050 0.058
10. Паратионметил (И) 263.2 193.8 55 1.3
11. Перметрин (И) 390 325 0.77 0.007
12. Пиримифосметил (И) 305.3 260.9 5 2
13. Прометрин (Г) 241.4 209.4 40.5 0.08
14. Пропиконазол (Ф) 342 265.1 100 0.056
15. Прохлораз (Ф) 377 265.5 34.5 0.15
16. Тебуконазол (Ф) 308 246.4 36 0.0017
17. Тиаметоксам (И) 291.7 182.3 4100 0.0066
18. Триадимефон (Ф) 294 229.7 64 0.02
19. Трихлорфон (И) 257.4 148.8 123000 0.21
20. Фамоксадон (Ф) 370 270.1 3.67 0.00064
2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.