Экологические эффекты генетически модифицированных культур (13)

03.07.200741160
Перейти к началу брошюры
«Экологические эффекты генетически модифицированных культур»

7. Влияние генетически модифицированных культур на почвенные экосистемы



Почва выполняет незаменимые для экосистемы функции, такие как обеспечение производства первичной наземной продукции, в том числе сельскохозяйственной. К основным функциям почвы относятся:
1) продукция биомассы;
2) регуляция качества и количества воды;
3) регуляция круговорота соединений (в том числе питательных веществ);
4) механическая поддержка живых организмов;
5) обеспечение естественной природной среды;
6) поддержание баланса углерода;
7) биоразрушение мусора (Cartwright et al. 2004).

Общего определения «качества почвы» не существует, однако его часто описывают как способность выполнять эти функции. Обычно для определения качества почвы используют химические, физические и биологические индикаторы. Однако интерпретация получаемых результатов очень сложна в силу высокой естественной вариабельности этих индикаторов во времени и пространстве.

Современные сельскохозяйственные системы влияют на различные параметры почвы: химические (например, сохраняющиеся в почвы пестициды), физические (например, эрозия и уплотнение при машинной обработке) и биологические (например, симбиотические азотфиксирующие бактерии). Влияние растений на почву осуществляется в основном через выделение корневых экссудатов, накопление растительных отходов, а также обмен воды, газов и питательных веществ (Cartwright et al. 2004). Эти взаимодействия оказывают ощутимое влияние на населяющие почву организмы (например, за счет внесения в почву углерода), в особенности на бактериальное сообщество. В то же время, изменения в бактериальном сообществе оказывают влияние на более высокие трофические уровни и изменяют почвенные процессы, такие как обмен азота, от которого зависит способность почвы обеспечивать производство первичной продукции.

Тесная взаимосвязь между растениями и почвенными экосистемами говорит о том, что, как и все остальные сельскохозяйственной растения, ГМ культуры оказывают влияние на почвенные экосистемы. В связи с этим у специалистов возникает целый ряд вопросов. В первую очередь необходимо установить, вызывает ли коммерческое культивирование ГМ культур изменения в биологическом разнообразии и протекающих в почве процессах, и не выходят ли эти изменения за рамки естественных вариаций, возникающих под воздействием множества природных факторов, и изменений, происходящих в традиционных сельскохозяйственных системах при смене выращиваемых культур, сортов, севообороте, а также применении различных методов обработки почвы. Очень важно провести оценку экологической значимости влияния ГМ культур в контексте этих изменений и выяснить, обратимы ли такие эффекты, как накопление токсинов и изменение структуры сообществ населяющих почву организмов.

В данной главе обсуждается вопрос непреднамеренного влияния Bt-токсинов, накапливающихся в почве при культивировании коммерциализированных Bt-культур, на почвенные организмы и процессы. Эффекты, оказываемые изменением методов борьбы с сорняками и сопровождающие культивирование устойчивых к гербицидам культур, будут обсуждены в главе 10.

7.1. Поступление Bt-токсинов в почву

Bacillus thuringiensis (Bt) является почвенным микроорганизмом, поэтому некоторое количество Bt-токсинов постоянно содержится в почве. Кроме того, спреи, в состав которых входят Bt-токсины, широко используются для борьбы с насекомыми-вредителями в сельском и лесном хозяйстве (Walker et al. 2003). Благодаря высокой специфичности такие спреи считаются экологически безопасными и практически не существует данных об их вредном влиянии на здоровье человека и нецелевые организмы (Glare & O’Callaghan 2000). Несмотря на длительное использование Bt-спреев, после внедрения Bt-культур в сельскохозяйственную практику вопросам, касающимся распространения Bt-токсинов в окружающей среде, стали придавать гораздо больше значения.

Синтезирующиеся Bt-культурами Cry-белки могут попадать в почву в составе корневых экссудатов, разлагающегося растительного материла, остающегося на поверхности или в толще почве после сбора урожая, а также слущивающихся мертвых корневых клеток (Saxena et al. 1999, Zwahlen et al. 2003a, Baumgarte & Tebbe 2005). При оценке количества попадающих в почву Bt-токсинов необходимо учитывать не только объем остающихся после сбора урожая растительных отходов, но и уровень экспрессии токсинов, значительно варьирующий в зависимости от сорта растения и типа растительной ткани.

В рамках сравнительного исследования установлено, что токсины Bt-кукурузы, Bt-картофеля и Bt-риса попадают в почву в основном за счет корневых экссудатов, в то время как для Bt-хлопка, Bt-рапса и Bt-табака характерны другие пути поступления (Saxena et al. 2004). При сравнении 12 экспрессирующих белок Cry1Ab гибридов Bt-кукурузы, представляющих 3 сорта (Bt11, MON810 и Event 176), не выявлено различий в уровнях экссудации Bt-токсинов (Saxena et al. 2002). В рамках трехлетних полевых испытаний сорта Bt-кукурузы MON810 установлено, что выделение Bt-токсинов продолжается в течение всего вегетационного периода и уровень их содержания в почве не зависит от фазы культивирования (Nguyen Thu 2004, Baumgarte & Tebbe 2005). Как можно предположить, постоянное поступление токсинов с корневыми экссудатами приводит к их повышенному содержанию в ризосфере по сравнению с окружающей почвой.

Поступление Bt-токсинов в составе растительного материала происходит преимущественно за счет разлагающейся биомассы, остающейся на поверхности или в толще почвы после сбора урожая. Вклад токсинов, содержащихся в растительных тканях, зависит от исходного уровня экспрессии, скорости распада растительных клеток и остающейся в поле биомассы. Например, уровень экспрессии Bt-токсина в листьях Bt-кукурузы сорта MON810 в 4-7 раз выше уровня экспрессии белка в корнях растения (Mendelsohn et al. 2003). В то же время при анализе состава остающегося в поле растительного материала оказалось, что разлагающиеся листья содержат лишь 0,2% от исходной концентрации токсина, в то время как для корней этот показатель составляет 12% (Baumgarte & Tebbe 2005). Вероятнее всего, это объясняется более быстрым разрушением лиственной биомассы по сравнению с корневой. Таким образом, можно сделать вывод, что основным резервуаром Bt-токсинов в почве являются корни Bt-кукурузы.

7.2. Сохранность и биологическая активность Bt-токсинов в почве

Сохранность Bt-токсинов в почве главным образом зависит от их количества (см. раздел 7.1.), а также скорости инактивации и деградации под действием биотических и абиотических факторов (Dubelman et al. 2005). Скорость деградации Bt-токсинов зависит от типа почвы, условий окружающей среды, источника белка (очищенный белок в составе спреев либо белок растительного происхождения), а также от особенностей каждого конкретного Cry-белка (Clark et al. 2005).

Сохранность белка в окружающей среде можно выражать разными способами, что затрудняет сравнение результатов отдельных работ. Термин «период полураспада» означает время, необходимое для разложения 50% исходного количества вещества. Для оценки сохранности можно использовать также понятие «следовых количеств». Например, если период полураспада продолжительностью 1-2 дня свидетельствует о быстром разложении, то наличие следового количества вещества в почве через 2-6 месяцев после сбора урожая свидетельствует о сохранении небольшим количеством белка его биологической (если идентифицируется с помощью биопробы), или иммунологической (если идентифицируется с помощью иммуноферментного метода) активности. Выявление следовых количеств свидетельствует о содержании вещества, которое можно выявить с помощью аналитических методов, но не обязательно свидетельствует о сохранении его биологической активности. Для подтверждения биологической активности необходимо использовать специфически чувствительный организм (Clark et al. 2005).

Сохранность, деградация и инактивация Bt-токсинов оценивалась в рамках нескольких работ (табл. 3). Большинство работ посвящено изучению Bt-кукурузы, экспрессирующей белок Cry1Ab, в том числе три работы, оценивающие сохранность и биологическую активность токсинов в почве при коммерческом культивировании Bt-кукурузы (Saxena & Stotzky 2000, Hopkins & Gregorich 2003, Dubelman et al. 2005). В рамках еще нескольких работ изучались особенности выращивания Bt-хлопка, экспрессирующего другие Cry-белки, а также поведение в почве очищенных Bt-токсинов.

При сравнении результатов оценки сохранности, деградации и инактивации Bt-токсинов в почве необходимо учитывать, что авторы разных работах рассматривали различные воздействующие факторы, такие как температура и тип почвы, а также использовали различные параметры и схемы эксперимента. Оценка периода полураспада варьирует от нескольких часов (Herman et al. 2001) до 32 дней (Sims & Ream 1997) (табл. 3). В отличие от данных Sims & Ream (1997), результаты большинства исследований указывают на нестабильность Cry-белков и быструю потерю токсичности.



Результаты оценки сохранности и биологической активности токсинов, проводимые в рамках полевых испытаний, варьируют от «признаки наличия токсинов в почве после культивирования Bt-культур отсутствуют» (Head et al. 2002, Dubelman et al. 2005) до «по окончании полевых испытаний Bt-токсины обнаруживаются в следовых количествах» (Zwahlen et al. 2003a).

Относительно длительный период полураспада выявлен при проведении двух полу-полевых экспериментов (Zwahlen et al. 2003a). На первом этапе 80% и 62% деградации происходило в течение 60 и 40 дней соответственно. В конце эксперимента, соответственно 240 и 200 дней спустя, идентифицировалось менее 1,5% исходного содержания токсина. В конце осени/начале зимы исследователи закапывали в землю мусорные пакеты с растительным материалом и одновременно делали на поверхности земли насыпи, внутрь которых также помещались растительные отходы. В отличие от других работ, обычно проводимых при температуре 24-28°С, средняя температура при проведении описываемого эксперимента составила 9°С, при этом значительная его часть пришлась на зимний период, в течение которого деградация предположительно не происходит.

Температура является важным фактором, оказывающим значительное влияние на скорость деградации: повышение температуры почвы на 10°С повышает микробную активность в 2-3 раза, что ведет к ускорению деградации органических соединений (Pont & Nentwig 2005). В соответствии с относительно длительной сохранностью, описанной Zwahlen et al. (2003a), инсектицидная активность остаточных количеств Bt-токсинов, предположительно из-за низкой температуры, наблюдалась в течение нескольких месяцев после первых заморозков (Saxena & Stotzky 2000). В то же время изучение сохранности и инсектицидной активности белка Cry1Ab после коммерческого культивирования Bt-кукурузы не выявило даже следовых количеств токсина (Hopkins & Gregorich 2003, Dubelman et al. 2005). Повторное выращивание экспрессирующей белок Cry1Ab кукурузы в течение трех и более сезонов без смены поля не привело к накоплению токсина в почве (Dubelman et al. 2005). Аналогично, при многолетнем культивировании Bt-хлопка, ни биопробы, ни иммуноферментный анализ не выявили содержания в почве белка Cry1Ac (Head et al. 2002). Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об отсутствии инсектицидной активности и накопления Bt-токсинов в почве при коммерческом культивировании Bt-культур.

Некоторые вариации в скорости разложения токсинов, обнаруженные Zwahlen et al. (2003a) и Head et al. (2002) можно объяснить межсортовыми отличиями в относительном содержании в растительном материале углерода и азота. Так, например, различия в химическом составе обуславливают в 2-3 раза более высокую скорость разложения растений хлопка по сравнению с кукурузной биомассой. Еще одним фактором является способность токсинов связываться с поверхностно-активными частицами почвы. Результаты нескольких работ указывают на то, что Bt-токсины быстро вступают во взаимодействие с глинистыми частицами и соединениями гуминовой кислоты (Venkateswerlu & Stotzky 1992, Tapp & Stotzky 1998, Saxena et al. 1999, Saxena & Stotzky 2000, Stotzky 2004). Такое взаимодействие снижает восприимчивость токсинов к воздействию микроорганизмов и, соответственно, снижает скорость биодеградации. Результаты биопроб свидетельствуют о сохранении связанными формами токсинов инсектицидной активности. Вследствие этого уровень сохранности и биологическая активность токсинов могут изменяться в зависимости от типа почвы.

В целом представленные результаты свидетельствуют об экспоненциальном характере деградации Bt-токсинов. После непродолжительной лаг-фазы (латентного периода), в течение которой происходит разрушение растительных клеток, происходит быстрое разложение Bt-токсинов, не исключающее сохранения небольшого их количества в почве до начала следующего сезона. Устойчивость Bt-токсинов и сохранение ими инсектицидных свойств частично могут быть обусловлены их связыванием с поверхностно-активными глинистыми частицами.

На настоящий момент не существует данных о накоплении Bt-токсинов в почве при культивировании Bt-сортов в течение нескольких лет. Наблюдения, полученные при коммерческом культивировании, свидетельствуют о том, что в естественных условиях Bt-токсины быстро разрушаются. Несмотря на то, что оценка степени устойчивости Bt-токсинов в различных работах варьирует от нескольких часов до нескольких месяцев, полученные результаты не являются взаимоисключающими. Большинство из описанных несоответствий можно объяснить использованием разных параметров и особенностями планирования экспериментов.

Кроме условий окружающей среды, зависящих от сезона и региона, скорость деградации и сохранность Bt-токсинов зависят от огромного количества факторов, в том числе от типа токсина (например, Cry1Ab), культивируемого сорта (например, отличия в относительном содержании углерода и азота), биотической активности (например, температуры), типа почвы (например, содержания глины) и метода обработки почвы (например, нулевая обработка, при которой корни остаются в почве).

Перевод: Евгения Рябцева,
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/

Продолжение: Влияние генетически модифицированных культур на почвенные организмы

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей