doi: 10.15389/agrobiology.2023.6.990rus
УДК 632.95:502.75:632.15
ЛИПОФИЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСТИЦИДОВ: БИОАККУМУЛЯЦИЯ
И БИОМАГНИФИКАЦИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЖИВОТНЫХ,
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ (обзор)
Л.К. КИШ1, О.И. ЛАВРУХИНА1, А.В. ТРЕТЬЯКОВ1,
Д.А. МАКАРОВ1, И.Н. НИКОНОВ2 ✉, И.И. КОЧИШ2
Проблема загрязнения окружающей среды пестицидами не теряет своей актуальности ввиду растущей потребности в продовольствии и в связи с многофакторностью процессов их биотрансформации и биоаккумуляции в живых организмах. По состоянию на 11 июля 2023 года в Российской Федерации зарегистрировано более 1200 препаративных форм разрешенных к применению инсектицидов, акарицидов и гербицидов (без учета фунгицидов, родентицидов, репеллентов, десикантов, регуляторов роста растений, микробиологический и биологических пестицидов и др.), многие из них входят в список особо опасных согласно данным PAN, например диазинон, хлорпирифос, диметоат, имидаклоприд, малатион, спиносад (PAN List of HHPs, 2021). Неконтролируемое применение пестицидов приводит к накоплению исходных соединений, метаболитов и продуктов разложения в почве, воде, растениях, организме животных и последующей биомагнификации стойких загрязнителей на более высоких трофических уровнях (V.P. Kalyabina с соавт., 2021; C.M. Volschenk с соавт., 2019; Z. Zhang. с соавт., 2019). Кроме целевых вредителей пестициды оказывают неблагоприятное воздействие на сами сельскохозяйственные культуры, микробиоту почвы, а также объекты природных экосистем и человека. Более безопасны биопестициды, но при одновременном решении нескольких агротехнических задач их высокая селективность становится недостатком (W.-H. Leong с соавт., 2020; De O.H. Gomes с соавт., 2020). Абсорбция, распределение и перемещение пестицидов в биологических системах определяются их липофильностью (T. Chmiel с соавт., 2019; R. Beiras, 2018; S.-K. Kim с соавт., 2019). Высокая липофильность создает условия для высокого метаболического клиренса соединений. Прогнозировать биологическую активность веществ в организме позволяет logP, описывающий их сродство к белкам-мишеням (T. Chmiel с соавт., 2019), где Р — коэффициент распределения, показывающий соотношение концентраций соединения в двух несмешивающихся фазах при равновесии. При чрезмерно высокой липофильности (logP > 5) пестициды могут связываться с гидрофобными мишенями, что приводит к неселективности и более высокой токсичности (C. Olisah с соавт., 2021). В настоящее время получено недостаточно данных о метаболизме и биоаккумуляции пестицидов в организме сельскохозяйственных животных и синергетических эффектах в реальных условиях. Распределение пестицидов в почве, грунтовых и поверхностных водах зависит, кроме их липофильности, от рН, температуры, количества изначально вносимых препаратов, содержания органических и неорганических веществ, сорбционных свойств твердых частиц (С.Д. Бурлака с соавт., 2019; S. Hintze с соавт., 2021; F.A.P.C. Gobas с соавт., 2018). Накопление пестицидов в почве приводит к снижению активности почвенных микроорганизмов, участвующих в круговороте элементов и разложении органических веществ, и может служить биологическим индикатором загрязнения экосистем. Содержание пестицидов в объектах окружающей среды в большинстве случаев определяют методами газовой, высокоэффективной и ультравысокоэффективной жидкостной хроматографии, иммуноферментным методом и капиллярным электрофорезом (A. Samsidar с соавт., 2018; S. Hintze с соавт., 2021; L. Fu с соавт., 2018). Газовая хроматография больше подходит для летучих и термически стабильных соединений, а высокоэффективная жидкостная хроматография — для нелетучих и полярных. Для реализации нецелевого подхода, позволяющего идентифицировать и определять не выявленные при целевом исследовании соединения, подходящим инструментом может быть сочетание хроматографического разделения с масс-спектрометрией высокого разрешения. Поиск безопасных средств защиты растений и прогнозирование их токсичности, процессов биоаккумуляции в объектах окружающей среды и переноса по пищевым цепям возможно с использованием «нецелевого поиска», позволяющего одновременно проводить целевой и нецелевой анализ пестицидов, а также их метаболитов, и современных математических моделей QSAR, основанных на связи физико-химических свойств молекул и их воздействия на живые организмы (A. Speck-Planche, 2020; Н.А. Илюшина, 2019; О.Г. Колумбин, 2020), а именно липофильных свойств с их биологической активностью.
Ключевые слова: пестициды, липофильность, биоаккумуляция, загрязнение окружающей среды, токсичность, микробиом.
L.K. Kish1, O.I. Lavrukhina1, A.V. Tretyakov1, D.A. Makarov1,
I.N. Nikonov2 ✉, I.I. Kochish2
The problem of pesticides contamination save actuality because of the growing demand for food and multi-factorial processes of their biotransformation and bioaccumulation in living organisms. As of July 11, 2023, more than 1,200 approved insecticides, acaricides and herbicides have been registered in Russian Federation (excluding fungicides, rodenticides, repellents, desiccants, plant growth regulators, microbiological and biological pesticides, etc.), many of them are included in the list of particularly dangerous according to PAN data, for example, diazinon, chlorpyrifos, dimethoate, imidacloprid, malathion, spinosad (PAN List of HHPs, 2021). Their uncontrolled using results the accumulation of parent compounds, metabolites and degradation products in soil, water, plants, and animals and the subsequent biomagnification of persistent pollutants at higher trophic levels (V.P. Kalyabina et al., 2021; C.M. Volschenk et al., 2019; Z. Zhang et al., 2019). Pesticides have an adverse effect not only for target pests, but also on the crops, soil microbiota, natural ecosystems objects and humans. Biopesticides are safer, but at the same time, their high selectivity becomes a disadvantage in solving several agrotechnical objectives (W.-H. Leong et al., 2020; De O.H. Gomes et al., 2020). The absorption, distribution, and transport of pesticides in biological systems are determined by their lipophilicity (T. Chmiel et al., 2019; R. Beiras, 2018; S.-K. Kim et al., 2019). High lipophilicity generates conditions for high metabolic clearance of compounds. The biological activity of substances in the organism could be predicted by logP which describes their affinity for target proteins (T. Chmiel et al., 2019), where P is the distribution coefficient showing the ratio of the compound concentrations in two immiscible phases at equilibrium state. The extremely lipophilicity of pesticides (logP > 5) can result to their binding to hydrophobic targets, which provides non-selectivity and higher toxicity (C. Olisah et al., 2021). Insufficient data has been obtained on the metabolism and bioaccumulation of pesticides in farm animals and synergistic effects in real conditions by this time. The distribution of pesticides in soil, ground and surface waters depends not only on their lipophilicity, but on pH, temperature, the initial amounts of preparations, organic and inorganic substances content, solids sorption properties (S.D. Burlaka et al., 2019; S. Hintze et al., 2021; F.A.P.C. Gobas et al., 2018). The accumulation of pesticides in the soil results the decreasing of the involved in the circulation of elements and organic substances degradation soil microorganism activity and can be the biological indicator of ecosystems pollution. Generally, the levels of pesticide residues in environment are measured by gas, high-performance and ultra-high-performance liquid chromatography, enzyme immunoassay and capillary electrophoresis (A. Samsidar et al., 2018; S. Hintze et al., 2021; L. Fu et al., 2018). Gas chromatography is appropriate for volatile and thermally stable compounds, while high-performance liquid chromatography is more relevant for non-volatile and polar compounds. A combination of chromatographic separation with high-resolution mass spectrometry could be required for non-targeted analysis that allows the not detected in the target study compounds identification and determination. The search for safe plant protection substances and forecasting of their toxicity, bioaccumulation processes in environment and the transfer through food chains, is possible using a combination of two approaches. These are «non-targeted search» and modern QSAR mathematical models. The «non-targeted search» allows both targeted and non-targeted analysis of pesticides and their metabolites, and QSAR models are based on the correlation of physicochemical, particularly lipophilic properties of molecules and their effects on living organisms (A. Speck-Planche, 2020; N.A. Ilyushina, 2019; O.G. Columbin, 2020).
Keywords: pesticides, lipophilicity, bioaccumulation, environmental pollution, toxicity, microbiome.
1Всероссийский государственный центр качества |
Поступила в редакцию |
