Важную роль в сельском хозяйстве играют пестициды, которые уже более столетия вносят весомый вклад в повышение продуктивности сельскохозяйственных культур во всем мире, защищая их от многочисленных вредных организмов.
В первой части материала пойдет речь об истории поиска более эффективных и одновременно безопасных химических средств защиты растений и о месте пестицидов в современном земледелии.
История метода химической защиты растений уходит своими корнями в далекое прошлое и неразрывно связана с развитием земледелия. В его эволюции можно выделить условно неравнозначные по времени и содержанию периоды.
«Дохимический» период был самым долгим и характеризовался использованием неорганических и растительных соединений и веществ.
Первое поколение пестицидов. Систематизированные научные исследования применения химических веществ в сельском хозяйстве начинаются в середине XIX века. Большим прорывом стало открытие соединений мышьяка. В 1867 году в США впервые использовали парижскую зелень (смешанный ацетат-арсенит меди) против колорадского жука. А к началу ХХ столетия ее стали применять так широко, что понадобилось вводить специальные правила, ставшие, вероятно, первым в мире законодательным актом о пестицидах (Л.М. Попова, 2009).
Ацетат-арсенит меди или «Парижская зелень»
Первое протравливание семян ртутьорганическими соединениями в Германии в 1913 г. способствовало тому, что в первой половине ХХ века начали использовать вещества, содержащие тяжелые металлы. Но совсем скоро ученые обнаружили, что эти препараты подавляют развитие растений, накапливаются в организме и вызывают тяжелые отравления животных и человека. Кроме того, со временем возросла устойчивость вредителей к этим соединениям. Например, на начало XX века для уничтожения 90% вредителей было достаточно натянуть над цитрусовым деревом тент и напустить под него на короткое время синильную кислоту (HCN). К 1930-м годам тот же газ убивал уже лишь 3% вредителей. А потребность в пище все растущего населения требовала новых и новых решений для защиты культурных растений.
В России в начале ХХ века химические пестициды не производили, а использовали импортные неорганические препараты на основе соединений мышьяка. В борьбе с болезнями до 1915 г. доминировали препараты серы и меди. Затем распространение получили органические препараты ртути, показавшие большой эффект в борьбе с семенной инфекцией злаков. Против сорняков применялись такие гербициды, как сульфат железа, серная кислота, хлористый натрий. С 1916 года началось производство формалина в небольших количествах (Илларионов А.И., 2016).
Второе поколение пестицидов. В перерыв между первой и второй мировыми войнами количество химических пестицидов сильно выросло, а их состав усложнился. В годы второй мировой войны произошел качественный скачок в синтезе фосфорорганических соединений (ФОС), были открыты производные хлорфеноксиуксусной кислоты. В 1939 г. швейцарский химик Пауль Герман Мюллер открыл способность дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) к уничтожению не только вредителей сельскохозяйственных культур, но и переносчиков тифа и малярии. За это он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. ДДТ спасло миллионы человеческих жизней. Но в начале 1970-х его применение в развитых странах было запрещено по ряду причин (развитие устойчивости вредителей, наличие токсичных продуктов метаболизма ДДТ).
Пауль Герман Мюллер (Швейцария, 1899-1965 гг.)
Пример с ДДТ является показательным для пестицидов того времени. На том этапе развития общество начало «задумываться» о своих нововведениях, что повлекло за собой последующее усовершенствование качества и повышение безопасности пестицидов.
Третье и четвертое поколения. С 1945 года началась следующая эра защиты урожая от вредных организмов на фоне нового направления интенсификации сельскохозяйственного производства. В послевоенные годы было синтезировано много веществ: производные фосфористой, фосфорной, тиофосфорной, дитиофосфорной и фосфоновой кислот, производные сульфонилмочевины, применяемые как гербициды в посевах злаковых, льна, хлопка, арахиса, риса, сои и других культур. Триазолы, глифосаты также можно отнести к новому поколению пестицидов (Илларионов А.И., 2018).
В середине 70-х годов химики приступили к синтезу веществ, молекулы которых построены по аналогии с молекулами природных веществ, «применяемых» растениями для борьбы с насекомыми-вредителями. Наиболее удачной моделью для синтеза оказались вещества, выделяемые ромашкой (по латыни – Pyrethrum). Эта группа веществ получила название пиретроидов. Пиретроиды и карбаматы пришли на смену ДДТ и родственным ему хлорорганическим соединениям. Устойчивость к новым пестицидам развивалась значительно слабее, они практически не накапливались в жировых тканях. Однако некоторые из них обладали высокой токсичностью для теплокровных животных, поэтому не все пиретроиды получили широкое распространение.
Пиретроид (формула)
Вместе с тем рост производства пестицидов, широкомасштабное и бесконтрольное их применение породили ряд эколого-токсикологических проблем, что создало предпосылки для развития новых научных разделов в экотоксикологической науке. Требовалась объективная оценка соотношения экономической выгоды и экологической опасности. По результатам экотоксикологических исследований в 1960-1970-х годах было прекращено производство и применение всех неорганических инсектицидов как недостаточно эффективных (фтористый натрий, кремнефтористый натрий, хлористый барий) либо опасных для теплокровных животных и человека (препараты мышьяка: парижская зелень, арсенат кальция и натрия). Были запрещены в сельском хозяйстве такие высокотоксичные инсектициды, как ДДТ, тиофос, меркаптофос, метилэтилтиофос, алдрин. В числе аутсайдеров оказались и препараты на основе технического гексахлорана. Итак, из употреблявшихся в 1949 году 25 препаратов к 1980 году прекращено применение 17.
Порошок ДДТ из класса хлорорганических соединений, применялся в СССР до 1970 г.
С 1960 годов стала зарождаться новая концепция — интегрированная защита растений, которая предусматривала отказ от необоснованного и масштабного применения химических средств и интеграцию разных методов в единую стратегию борьбы с вредными организмами. Химический метод защиты растений стал рассматриваться с этого времени как элемент интегрированной защиты растений, надежно и быстро сокращающий плотность популяций вредных объектов до экономически приемлемого уровня, когда другими приемами и средствами нельзя выполнить эту задачу.
В 1970-1980 гг. был получен большой материал по экотоксикологической оценке пестицидов из других химических классов, что позволило провести их гигиеническое нормирование и регламентацию в различных объектах среды, урожае сельскохозяйственных культур и продуктах питания.
Разработанные нормативы способствовали повышению безопасности пестицидов для человека и окружающей среды за счет улучшения санитарно-гигиенических и экологических характеристик. Высокая эффективность, универсальность, оперативность и быстрота эффекта, простота и практическая доступность метода способствовали тому, что применение химических средств с середины ХХ века вышло на первое место в защите растений, а индустрия их производства стала стремительно наращивать обороты.
В 1960 году мировой рынок пестицидов оценивался менее чем в 10 млрд долларов и насчитывал около 100 зарегистрированных действующих веществ. Сегодня эта отрасль оценивается более чем в 50 млрд долларов (в 2018 году – 55,3 млрд долларов, в 2019 году – 57,561 млрд. долларов США, по данным Phillips McDougall). Около 600 действующих веществ доступны аграриям во всем мире (рис. 1). Количество химических групп выросло с 15 до более 40.
Рисунок 1. Общее количество действующих веществ на мировом рынке СЗР. Источник изображения: Phillips McDougall Database
Опыт мирового земледелия свидетельствует о прямой связи показателей производства валовой продукции сельского хозяйства и химизации земледелия на основе использования удобрений и пестицидов, наравне с селекционным прогрессом и развитием механизации. Так, средняя урожайность по всем культурам увеличилась с примерно 4 т/га в 1960 году до чуть более 6 т/га в 2015 году. Рост составил около 60%. Это помогло увеличить производство сельскохозяйственной продукции для удовлетворения спроса растущего населения без значительного увеличения пахотных земель (рис. 2).
Рисунок 2. Рост населения, растениеводство, посевные площади и урожайность в 1960-2016 гг. Источник изображения: FAOStat and Phillips McDougall analysis
С 1960 года мировое производство растениеводческой продукции выросло более чем втрое (рис. 3), причем преимущественно благодаря увеличению урожайности (рис. 4), а не расширению землепользования. Исходя из данных ФАО в период с 1975 по 2017 год, если бы не увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, пришлось бы распахать более 370 миллионов гектаров земли, что эквивалентно 60% тропических лесов Амазонки (Phillips McDougall, 2018).
Рисунок 3. Производство растениеводческой продукции с 1960 по 2016 годы. Источник данных: FAOStat; USDA PS&D database
Рисунок 4. Повышение средней урожайности топ-3 культур с 1960 по 2016 годы. Источник данных: FAOStat; USDA PS&D database
Как показывает мировой опыт, любая из ныне известных систем земледелия в условиях самой высокой и перспективной формы сельскохозяйственного производства не может быть успешной без эффективной защиты растений. Потери урожая важнейших культур от вредителей, болезней и сорных растений в мировом земледелии составляют примерно треть стоимости продукции, получаемой в соответствующих условиях производства (рис. 5).
Рисунок 5. Потери урожая при отсутствии защиты растений. Источник: Oerke, 2006
Достаточно сложная фитосанитарная обстановка складывается и в России. Проблема в том, что более 400 видов вредных организмов имеют трофические связи с основными сельскохозяйственными растениями.
Культурным растениям наносят вред:
- 130 видов насекомых и клещей;
- 20 видов грызунов;
- 138 видов возбудителей болезней;
- 150 видов сорных растений.
Из них 35 видов вредных организмов представляют особую опасность. Повреждение растений каждым видом из этой группы может приводить к потере более 30% урожая. Примерно 55-60 видов составляют группу экономически значимых вредных организмов, потери от которых могут находиться в пределах от 10 до 30% [Павлюшин В.А., 2005]. Поэтому в современных технологиях возделывания культур защита растений является неотъемлемым звеном и рассматривается как один из важных факторов увеличения производства продукции растениеводства и улучшения его качества.
Так, по данным А.Р. Семеренко (2015), проведение защитных мероприятий обеспечивает в среднем прибавку урожая зерна от 5,7 до 6,5 ц/га, картофеля, корнеплодов, плодов и овощей — 40-60 ц/га, льноволокна — 1,5-2 ц/га при окупаемости затрат в 1,7-2,0 и более раза. Уровень рентабельности защиты растений колеблется от 118,2% на зерновых культурах до 205,5% на картофеле. Ученые уверены, что и в обозримом будущем химический метод сохранит свое значение в рамках интегрированных систем защиты растений.
Итак, на протяжении многих десятилетий развитие химического метода защиты растений происходило в двух направлениях. Первое связано с поиском наиболее эффективных веществ и технологий их применения, а второе – с повышением безопасности химического метода в соответствии с требованиями, которые формировались на разных этапах развития защиты растений. В результате обозначился новый тренд современности - устойчивое развитие сельского хозяйства, включающее создание и рациональное использование эффективных и экологически приемлемых препаратов. Драйвером этого тренда выступают производители оригинальных средств защиты растений.
Об этом — в следующей части.
