Гербициды: история, применение и влияние на сельское хозяйство

Введение

Тип химического вещества, используемого для уничтожения нежелательных растений.

Гербициды (/us/'/ɜːr//b//ɪ//s//aɪ//d//z/, /uk/'/h//ɜːr// /), также известные как средства от сорняков, – это вещества, используемые для борьбы с нежелательными растениями, также известными как сорняки. Селективные гербициды контролируют определенные виды сорняков, практически не повреждая целевые культуры, в то время как неселективные гербициды (иногда называемые "гербицидами сплошного действия") уничтожают растения без разбора. Совместное воздействие гербицидов, азотных удобрений и улучшенных сортов культур позволило увеличить урожайность (с акра) основных сельскохозяйственных культур в 3–6 раз в период с 1900 по 2000 год. В США в 2012 году около 91% всех гербицидов, определяемых по массе внесенного вещества, использовалось в сельском хозяйстве. В 2012 году мировые расходы на пестициды составили почти 24,7 миллиарда долларов; на гербициды пришлось около 44% этих продаж, что является наибольшей долей, за которой следуют инсектициды, фунгициды и фумиганты. Также было установлено, что определенные формулы подавляют лиственные породы в пользу хвойных после сплошной вырубки, а также применяются в пастбищных системах.

История

До широкого распространения гербицидов для борьбы с сорняками применяли агротехнические приемы, такие как изменение pH почвы, засоленности или уровня плодородия. Также для борьбы с сорняками использовались механические методы, включая обработку почвы и затопление. В конце XIX и начале XX веков для борьбы с сорняками применяли неорганические химические вещества, такие как серная кислота, мышьяк, соли меди, керосин и хлорат натрия, но эти вещества были либо токсичны, легковоспламеняемы или коррозионно-активны, а также дороги и неэффективны в борьбе с сорняками.

Первые гербициды

Основные прорывы произошли во время Второй мировой войны в результате исследований, проведенных независимо в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах, касающихся потенциального применения гербицидов в военных целях. Соединение 2,4 D впервые было синтезировано У. Г. Темплменом в компании Imperial Chemical Industries. В 1940 году его работа с индолуксусной кислотой и нафталилуксусной кислотой показала, что "вещества роста, применяемые надлежащим образом, способны уничтожать определенные широколистные сорняки в зерновых культурах, не повреждая посевы", однако эти вещества были слишком дорогими и быстро разлагались в почве под воздействием микроорганизмов, что делало их непрактичными для использования в сельском хозяйстве; к 1941 году его команда добилась успеха в синтезе широкого спектра химических веществ, позволяющих достичь того же эффекта при более низкой стоимости и большей эффективности, включая 2,4 D. В том же году Р. Покорный в США достиг аналогичных результатов. Независимо от этого, группа под руководством Джуды Хирша Квастеля, работавшая на экспериментальной станции Ротамстед, сделала то же открытие. Квастель получил от Совета по сельскохозяйственным исследованиям (ARC) задание найти способы повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Анализируя почву как динамическую систему, а не как инертное вещество, он смог применять такие методы, как перфузия. Квастель смог количественно оценить влияние различных растительных гормонов, ингибиторов и других химических веществ на активность микроорганизмов в почве и оценить их непосредственное воздействие на рост растений. Хотя результаты работы подразделения оставались в секрете, некоторые открытия были разработаны для коммерческого использования после войны, включая соединение 2,4 D. Когда 2,4 D поступил в коммерческую продажу в 1946 году, он стал первым успешным селективным гербицидом, вызвав всемирную революцию в сельскохозяйственном производстве. Он позволил значительно улучшить контроль над сорняками в пшенице, кукурузе, рисе и других подобных зерновых культурах, поскольку уничтожает двудольные (широколистные) растения, но не большинство однодольных (злаков). Низкая стоимость 2,4 D обусловила его продолжающееся использование и сегодня, и он остается одним из наиболее распространенных гербицидов в мире. Как и другие кислотные гербициды, современные препараты содержат либо аминовую соль (часто триметиламин), либо один из множества эфиров исходного соединения.

The major breakthroughs occurred during the Second World War as the result of research conducted independently in the United Kingdom and the United States into the potential use of herbicides in war. The compound 2,4 D was first synthesized by W. G. Templeman at Imperial Chemical Industries. In 1940, his work with indoleacetic acid and naphthaleneacetic acid indicated that "growth substances applied appropriately would kill certain broad leaved weeds in cereals without harming the crops," though these substances were too expensive and too short lived in soil due to degradation by microorganisms to be of practical agricultural use; by 1941, his team succeeded in synthesizing a wide range of chemicals to achieve the same effect at lower cost and better efficacy, including 2,4 D. In the same year, R. Pokorny in the US achieved this as well. Independently, a team under Juda Hirsch Quastel, working at the Rothamsted Experimental Station made the same discovery. Quastel was tasked by the Agricultural Research Council (ARC) to discover methods for improving crop yield. By analyzing soil as a dynamic system, rather than an inert substance, he was able to apply techniques such as perfusion. Quastel was able to quantify the influence of various plant hormones, inhibitors, and other chemicals on the activity of microorganisms in the soil and assess their direct impact on plant growth. While the full work of the unit remained secret, certain discoveries were developed for commercial use after the war, including the 2,4 D compound. When 2,4 D was commercially released in 1946, it became the first successful selective herbicide, triggering a worldwide revolution in agricultural output. It allowed for greatly enhanced weed control in wheat, maize (corn), rice, and similar cereal grass crops, because it kills dicots (broadleaf plants), but not most monocots (grasses). The low cost of 2,4 D has led to continued usage today, and it remains one of the most commonly used herbicides in the world. Like other acid herbicides, current formulations use either an amine salt (often trimethylamine) or one of many esters of the parent compound.

Дальнейшие открытия

Семейство гербицидов триазина, включающее атразин, было представлено в 1950-х годах; в настоящее время они выделяются как семейство гербицидов, вызывающих наибольшую обеспокоенность в отношении загрязнения грунтовых вод. Атразин не разлагается быстро (в течение нескольких недель) после применения к почвам с pH выше нейтрального. В щелочных почвенных условиях атразин может проникать в почвенный профиль до уровня грунтовых вод вместе с почвенной водой после дождей, вызывая вышеупомянутое загрязнение. Таким образом, говорят, что атразин обладает свойством "переноса" (carryover), что обычно нежелательно для гербицидов. Глифосат был впервые синтезирован в 1950-х годах, но его гербицидная активность была обнаружена только в 1960-х годах. Он был выпущен на рынок под названием Roundup в 1971 году. С развитием культурных растений, устойчивых к глифосату, он стал широко использоваться для селективного контроля сорняков в посевах. Сочетание гербицида с устойчивыми семенами способствовало консолидации семенной и химической промышленности в конце 1990-х годов. Многие современные гербициды, используемые в сельском хозяйстве и садоводстве, специально разработаны для быстрого разложения после применения.

Терминология

Гербициды можно классифицировать или объединять в группы по различным признакам, например, по характеру их действия, времени применения, способу применения, механизму действия и химическому строению.

Выборочность

Химическая структура гербицида в первую очередь определяет его эффективность. 2,4-D, мекопроп и дикамба контролируют многие широколиственные сорняки, но остаются неэффективными против злаковых трав. Химические добавки влияют на селективность. Поверхностно-активные вещества изменяют физические свойства рабочего раствора и общую фитотоксичность гербицида, усиливая его транслокацию. Протравители гербицидов повышают селективность, увеличивая устойчивость культуры к гербициду, но позволяя ему повреждать сорняки. Селективность определяется условиями и техникой применения. Климатические факторы влияют на поглощение, включая влажность, освещенность, осадки и температуру. Гербициды, применяемые по листу, легче проникают в лист при высокой влажности, за счет увеличения времени высыхания капель распыла и повышения гидратации кутикулы. Интенсивный свет может разрушать некоторые гербициды и вызывать утолщение кутикулы листа, что может препятствовать поглощению. Осадки могут смывать или удалять гербициды, примененные по листу, но увеличивают поглощение гербицидов, внесенных в почву, корнями. Растения, испытывающие водный стресс, менее склонны к транслокации гербицидов. С повышением температуры эффективность гербицидов может снижаться. Поглощение и транслокация могут уменьшаться в очень холодную погоду.

Неселективные гербициды

Неселективные гербициды, обычно известные как дефолианты, используются для очистки промышленных территорий, пустырей, железнодорожных путей и насыпей. Паракват, глюфосинат и глифосат являются неселективными гербицидами. Таким образом, ингибиторы ACCase влияют на образование клеточных мембран в меристемах злаковых растений. ACCase злаков чувствительны к этим гербицидам, в то время как ACCase двудольных растений – нет. Ингибиторы ALS: Ацетолактатсинтаза (ALS; также известная как ацетогидроксикислотсинтаза, или AHAS) участвует в первом этапе синтеза аминокислот с разветвленной цепью (валина, лейцина и изолейцина). Эти гербициды медленно лишают пораженные растения этих аминокислот, что в конечном итоге приводит к ингибированию синтеза ДНК. Они воздействуют как на злаки, так и на двудольные растения. Семейство ингибиторов ALS включает различные сульфонилмочевины (СМ) (такие как флуазульфурон и метсульфурон-метил), имидазолиноны (ИМИ), триазолопиримидины (ТП), пиримидинил оксибензоаты (ПОБ) и сульфониламинокарбонильные триазолиноны (СКТ). Биологический путь ALS существует только у растений и микроорганизмов (но не у животных), что делает ингибиторы ALS одними из самых безопасных гербицидов. Ингибиторы EPSPS: фермент энолпирувилшикимат-3-фосфатсинтаза (EPSPS) используется в синтезе аминокислот триптофана, фенилаланина и тирозина. Они воздействуют как на злаки, так и на двудольные растения. Глифосат (Раундап) – системный ингибитор EPSPS, инактивируемый при контакте с почвой. Другие представители этого класса – хлорбромурон, пиразон, изопротурон, бромацил и тербацил. Ингибиторы фотосистемы I отнимают электроны у ферредоксинов, в частности, по нормальному пути от FeS к Fdx к NADP+, что приводит к прямому высвобождению электронов на кислород. В результате образуются реактивные формы кислорода и происходят окислительные реакции, превышающие те, которые обычно переносятся клеткой, что приводит к гибели растения. Бипиридиниевые гербициды (такие как дикват и паракват) ингибируют переход от FeS к Fdx в этой цепи, в то время как дифениловые эфиры (такие как нитрофен, нитрофлюорфен и ацифлюорфен) ингибируют переход от Fdx к NADP+. Продукты распада тирозина используются растениями для синтеза каротиноидов, которые защищают хлорофилл в растениях от разрушения солнечным светом. Если это происходит, растения белеют из-за полной потери хлорофилла и погибают. Мезотрион и сулкотрион – гербициды этого класса; препарат нитизинон был открыт в ходе разработки этого класса гербицидов. Помимо классификации по механизму действия, гербициды часто классифицируются по их химической структуре или мотивам. Подобные структурные типы действуют схожим образом. Например, гербициды арилоксофеноксипропионаты (диклофоп, хлоразифоп, флуазифоп) все действуют как ингибиторы ACCase. Знание о группировке гербицидов по химическим семействам служит краткосрочной стратегией управления резистентностью к месту действия. Феноксиуксусная кислота имитирует природный ауксин – индолуксусную кислоту (IAA). В это семейство входят MCPA, 2,4-D и 2,4,5-T, пиклорам, дикамба, клопиралид и триклопир.

Non selective herbicides, generally known as defoliants, are used to clear industrial sites, waste grounds, railways, and railway embankments. Paraquat, glufosinate, and glyphosate are non selective herbicides. Thus, ACCase inhibitors affect cell membrane production in the meristems of the grass plant. The ACCases of grasses are sensitive to these herbicides, whereas the ACCases of dicot plants are not. ALS inhibitors: Acetolactate synthase (ALS; also known as acetohydroxyacid synthase, or AHAS) is part of the first step in the synthesis of the branched chain amino acids (valine, leucine, and isoleucine). These herbicides slowly starve affected plants of these amino acids, which eventually leads to the inhibition of DNA synthesis. They affect grasses and dicots alike. The ALS inhibitor family includes various sulfonylureas (SUs) (such as flazasulfuron and metsulfuron methyl), imidazolinones (IMIs), triazolopyrimidines (TPs), pyrimidinyl oxybenzoates (POBs), and sulfonylamino carbonyl triazolinones (SCTs). The ALS biological pathway exists only in plants and microorganisms (but not animals), thus making the ALS inhibitors among the safest herbicides. EPSPS inhibitors: Enolpyruvylshikimate 3 phosphate synthase enzyme (EPSPS) is used in the synthesis of the amino acids tryptophan, phenylalanine and tyrosine. They affect grasses and dicots alike. Glyphosate (Roundup) is a systemic EPSPS inhibitor inactivated by soil contact. Other members of this class are chlorbromuron, pyrazon, isoproturon, bromacil, and terbacil. Photosystem I inhibitors steal electrons from ferredoxins, specifically the normal pathway through FeS to Fdx to NADP+, leading to direct discharge of electrons on oxygen. As a result, reactive oxygen species are produced and oxidation reactions in excess of those normally tolerated by the cell occur, leading to plant death. Bipyridinium herbicides (such as diquat and paraquat) inhibit the FeS to Fdx step of that chain, while diphenyl ether herbicides (such as nitrofen, nitrofluorfen, and acifluorfen) inhibit the Fdx to NADP+ step. Tyrosine breakdown products are used by plants to make carotenoids, which protect chlorophyll in plants from being destroyed by sunlight. If this happens, the plants turn white due to complete loss of chlorophyll, and the plants die. Mesotrione and sulcotrione are herbicides in this class; a drug, nitisinone, was discovered in the course of developing this class of herbicides. Complementary to mechanism based classifications, herbicides are often classified according to their chemical structures or motifs. Similar structural types work in similar ways. For example, aryloxphenoxypropionates herbicides (diclofop chlorazifop, fluazifop) appear to all act as ACCase inhibitors. Knowing about herbicide chemical family grouping serves as a short term strategy for managing resistance to site of action. The phenoxyacetic acid mimic the natural auxin indoleacetic acid (IAA). This family includes MCPA, 2,4 D, and 2,4,5 T, picloram, dicamba, clopyralid, and triclopyr.

Классификация WSSA и HRAC

Используя системы Американского общества по изучению сорняков (WSSA) и устойчивости к гербицидам и мировых зерновых культур (HRAC), гербициды классифицируются по механизму действия. В конечном итоге, Комитет по действию гербицидов (HRAC) и Американское общество по изучению сорняков (WSSA) разработали систему классификации. Группы в системах WSSA и HRAC обозначаются номерами и буквами, чтобы повысить осведомленность пользователей о механизме действия гербицидов и предоставить более точные рекомендации по борьбе с устойчивостью.

Использование и применение

Большинство гербицидов применяются в виде водных распылений с использованием наземного оборудования. Наземное оборудование различается по конструкции, но большие площади могут быть обработаны самоходными опрыскивателями, оснащенными длинными штангами с распылительными форсунками, расположенными через определенные промежутки. Также используются прицепные, ручные и даже конные опрыскиватели. На больших площадях гербициды также иногда применяются с воздуха с помощью вертолетов или самолетов, или через ирригационные системы (известные как хемоирригация). Также может использоваться метод обработки сорняков с помощью протирания, когда фитиль, смоченный гербицидом, подвешивается к штанге и перетаскивается или прокатывается по верхушкам более высоких сорняков. Это позволяет обрабатывать высокие травянистые сорняки прямым контактом, не затрагивая родственные, но желательные более низкие растения в травяном покрове. Этот метод позволяет избежать сноса распылителя. В Уэльсе в 2015 году была запущена программа бесплатной аренды оборудования для протирания сорняков с целью снижения уровня MCPA в водоемах. В лесном хозяйстве на ранних стадиях роста мало различий, поскольку сходство высоты между растущими деревьями и однолетними культурами создает аналогичную проблему конкуренции с сорняками. Однако, в отличие от однолетних культур, дальнейшее применение в основном не требуется и, следовательно, в основном используется для сокращения времени между продуктивными экономическими циклами лесопосадок. Использование гербицидов в качестве химического оружия вооруженными силами США во время войны во Вьетнаме оказало ощутимое и долгосрочное воздействие на вьетнамский народ и американских солдат, работавших с этими химикатами. Более 20% лесов Южного Вьетнама и 3,2% его обрабатываемых земель были обработаны распылителями по крайней мере один раз в период войны. Правительство Вьетнама заявляет, что до четырех миллионов человек во Вьетнаме подверглись воздействию дефолиантов, и до трех миллионов человек заболели из-за «Агента Оранж», в то время как Вьетнамский Красный Крест оценивает, что до одного миллиона человек стали инвалидами или имеют проблемы со здоровьем в результате воздействия «Агента Оранж». Правительство Соединенных Штатов считает эти цифры недостоверными.

Most herbicides are applied as water based sprays using ground equipment. Ground equipment varies in design, but large areas can be sprayed using self propelled sprayers equipped with long booms, of with spray nozzles spaced every apart. Towed, handheld, and even horse drawn sprayers are also used. On large areas, herbicides may also at times be applied aerially using helicopters or airplanes, or through irrigation systems (known as chemigation). Weed wiping may also be used, where a wick wetted with herbicide is suspended from a boom and dragged or rolled across the tops of the taller weed plants. This allows treatment of taller grassland weeds by direct contact without affecting related but desirable shorter plants in the grassland sward beneath. The method has the benefit of avoiding spray drift. In Wales, a scheme offering free weed wiper hire was launched in 2015 in an effort to reduce the levels of MCPA in water courses. There is little difference in forestry in the early growth stages, when the height similarities between growing trees and growing annual crops yields a similar problem with weed competition. Unlike with annuals however, application is mostly unnecessary thereafter and is thus mostly used to decrease the delay between productive economic cycles of lumber crops. The use of herbicides as a chemical weapon by the U. S. military during the Vietnam War has left tangible, long term impacts upon the Vietnamese people and U. S soldiers that handled the chemicals. More than 20% of South Vietnam's forests and 3.2% of its cultivated land were sprayed at least once between during the war. The government of Vietnam says that up to four million people in Vietnam were exposed to the defoliant, and as many as three million people have suffered illness because of Agent Orange, while the Red Cross of Vietnam estimates that up to one million people were disabled or have health problems as a result of exposure to Agent Orange. The United States government has described these figures as unreliable.

Здоровье человека

В целом существует множество вопросов относительно влияния многих гербицидов на здоровье и окружающую среду из-за большого числа гербицидов и множества потенциальных целей, преимущественно непреднамеренных. Например, в 1995 году комиссия из 13 ученых, рассматривавшая исследования канцерогенности 2,4-D, разделила мнения относительно вероятности того, что 2,4-D вызывает рак у людей. По состоянию на 1992 год, исследований по феноксигербицидам было недостаточно для точной оценки риска развития многих видов рака от этих гербицидов, хотя имелись более убедительные доказательства связи между воздействием этих гербицидов и повышенным риском саркомы мягких тканей и неходжкинской лимфомы. Гербициды обладают широким диапазоном токсичности, включая острую токсичность, возникающую при быстром проглатывании значительного количества, и хроническую токсичность, возникающую в результате длительного воздействия через окружающую среду и на производстве. Значительная часть общественного недоверия к гербицидам связана с путаницей между обоснованными утверждениями об острой токсичности и столь же обоснованными утверждениями об отсутствии хронической токсичности при рекомендуемых нормах применения. Например, хотя препараты глифосата с адъювантами на основе талломина обладают высокой острой токсичностью, их использование не коррелировало с какими-либо проблемами со здоровьем, такими как рак, в масштабном исследовании Министерства здравоохранения США, охватившем 90 000 членов фермерских семей в течение 23 лет. Иными словами, исследование показало отсутствие хронической токсичности, но не ставит под сомнение острую токсичность гербицида. Некоторые гербициды вызывают широкий спектр неблагоприятных последствий для здоровья, от кожных высыпаний до смерти. Пути воздействия могут быть преднамеренными или случайными, прямым употреблением, неправильным применением, приводящим к прямому контакту гербицида с людьми или дикими животными, вдыханием аэрозольных распылений или употреблением пищи до истечения указанного на этикетке срока ожидания перед сбором урожая. При определенных условиях некоторые гербициды могут переноситься путем выщелачивания или поверхностного стока, загрязняя грунтовые или отдаленные поверхностные воды. Обычно условия, способствующие переносу гербицидов, включают интенсивные штормовые явления (особенно вскоре после применения) и почвы с ограниченной способностью адсорбировать или удерживать гербициды. Свойства гербицидов, повышающие вероятность переноса, включают стойкость (устойчивость к разложению) и высокую растворимость в воде. Сообщалось о случаях загрязнения феноксигербицидов диоксинами, такими как TCDD; исследования показали, что такое загрязнение приводит к небольшому увеличению риска развития рака после профессионального воздействия этих гербицидов. Воздействие триазинов было связано с повышенным риском развития рака молочной железы, хотя причинно-следственная связь остается неясной. Производители гербицидов иногда делают ложные или вводящие в заблуждение заявления о безопасности своей продукции. Химическая компания Monsanto согласилась изменить свою рекламу после давления со стороны генерального прокурора штата Нью-Йорк Денниса Вако; Вако пожаловался на вводящие в заблуждение заявления о том, что ее гербициды на основе глифосата, включая Roundup, безопаснее поваренной соли и "практически нетоксичны" для млекопитающих, птиц и рыб (хотя найти доказательства того, что это когда-либо говорилось, сложно). Roundup токсичен и может привести к смерти после проглатывания в количествах от 85 до 200 мл, хотя он также был проглочен в количествах до 500 мл с лишь легкими или умеренными симптомами. Производитель Tordon 101 (Dow AgroSciences, принадлежащая Dow Chemical Company) утверждает, что Tordon 101 не оказывает никакого воздействия на животных и насекомых, несмотря на доказательства сильной канцерогенной активности активного ингредиента, пиклорама, в исследованиях на крысах.

In general, many questions exist about the health and environmental effects of many herbicides because of the large number of herbicides and the myriad potential targets, mostly unintended. For example, a 1995 panel of 13 scientists reviewing studies on the carcinogenicity of 2,4 D had divided opinions on the likelihood 2,4 D causes cancer in humans. as of 1992, studies on phenoxy herbicides were too few to accurately assess the risk of many types of cancer from these herbicides, even although evidence was stronger that exposure to these herbicides is associated with increased risk of soft tissue sarcoma and non Hodgkin lymphoma. Herbicides have widely variable toxicity in addition to acute toxicity arising from ingestion of a significant quantity rapidly, and chronic toxicity arising from environmental and occupational exposure over long periods. Much public suspicion of herbicides revolves around a confusion between valid statements of acute toxicity as opposed to equally valid statements of lack of chronic toxicity at the recommended levels of usage. For instance, while glyphosate formulations with tallowamine adjuvants are acutely toxic, their use was found to be uncorrelated with any health issues like cancer in a massive US Department of Health study on 90,000 members of farmer families for over a period of 23 years. That is, the study shows lack of chronic toxicity, but cannot question the herbicide's acute toxicity. Some herbicides cause a range of health effects ranging from skin rashes to death. The pathway of attack can arise from intentional or unintentional direct consumption, improper application resulting in the herbicide coming into direct contact with people or wildlife, inhalation of aerial sprays, or food consumption prior to the labelled preharvest interval. Under some conditions, certain herbicides can be transported via leaching or surface runoff to contaminate groundwater or distant surface water sources. Generally, the conditions that promote herbicide transport include intense storm events (particularly shortly after application) and soils with limited capacity to adsorb or retain the herbicides. Herbicide properties that increase likelihood of transport include persistence (resistance to degradation) and high water solubility. Cases have been reported where Phenoxy herbicides are contaminated with dioxins such as TCDD; research has suggested such contamination results in a small rise in cancer risk after occupational exposure to these herbicides. Triazine exposure has been implicated in a likely relationship to increased risk of breast cancer, although a causal relationship remains unclear. Herbicide manufacturers have at times made false or misleading claims about the safety of their products. Chemical manufacturer Monsanto Company agreed to change its advertising after pressure from New York attorney general Dennis Vacco; Vacco complained about misleading claims that its spray on glyphosate based herbicides, including Roundup, were safer than table salt and "practically non toxic" to mammals, birds, and fish (though proof that this was ever said is hard to find). Roundup is toxic and has resulted in death after being ingested in quantities ranging from 85 to 200 ml, although it has also been ingested in quantities as large as 500 ml with only mild or moderate symptoms. The manufacturer of Tordon 101 (Dow AgroSciences, owned by the Dow Chemical Company) has claimed Tordon 101 has no effects on animals and insects, in spite of evidence of strong carcinogenic activity of the active ingredient, picloram, in studies on rats.

Экологические последствия

Использование гербицидов обычно оказывает негативное воздействие на многие аспекты окружающей среды. Насекомые, нецелевые растения, животные и водные экосистемы подвергаются серьезному ущербу от гербицидов. Степень воздействия сильно варьируется.

Водная жизнь

Атразин часто обвиняют во влиянии на репродуктивное поведение водных организмов, однако данные этого не подтверждают.

Популяции птиц

Популяции птиц – один из многих индикаторов ущерба от применения гербицидов. Большинство наблюдаемых эффектов обусловлены не токсичностью, а изменениями в среде обитания и сокращением численности видов, от которых птицы зависят в плане пищи или укрытия. Применение гербицидов в лесном хозяйстве, используемых для стимулирования роста определенных видов после сплошной рубки, может приводить к значительному снижению популяций птиц. Даже при использовании гербицидов с низкой токсичностью для птиц, они уменьшают обилие многих видов растительности, необходимых птицам. Применение гербицидов в сельском хозяйстве Великобритании связывают со снижением численности семеноядных птиц, зависящих от сорняков, уничтожаемых гербицидами. Интенсивное использование гербицидов в неотропических сельскохозяйственных районах является одним из многих факторов, ограничивающих пригодность этих земель для зимовки перелетных птиц.

Сопротивление

Одним из основных осложнений использования гербицидов для борьбы с сорняками является способность растений развивать устойчивость к гербицидам, что делает гербициды неэффективными против целевых растений. Из 31 известного механизма действия гербицидов, сорняки выработали устойчивость к 21. Известно, что 268 видов растений хотя бы раз развили устойчивость к гербицидам. Устойчивость к гербицидам была впервые зафиксирована в 1957 году и с тех пор многократно возникала у сорных видов из 30 семейств по всему миру. Устойчивость сорняков к гербицидам стала серьезной проблемой в мировом сельском хозяйстве. Часто устойчивость к гербицидам связывают с чрезмерным использованием и сильным эволюционным давлением на пораженные сорняки. Для минимизации устойчивости широко применяются ротационные схемы применения гербицидов, включающие препараты с различными механизмами действия. Это создавало чрезвычайно сильное селективное давление на сорняки, способствуя сохранению и распространению мутаций, обеспечивающих устойчивость к глифосату. Однако в 2015 году масштабное исследование показало увеличение устойчивости к гербицидам в результате ротации и рекомендовало вместо этого смешивать несколько гербицидов для одновременного применения. По состоянию на 2023 год эффективность комбинирования гербицидов также вызывает вопросы, особенно в связи с ростом устойчивости, не связанной с целевыми участками. Растения относительно рано приобрели устойчивость к атразину и ингибиторам АЛС, но в последнее время наблюдается резкий рост устойчивости к глифосату. Марь белая – один из видов сорняков, выработавших устойчивость к глифосату. Сорняки, устойчивые к глифосату, присутствуют на подавляющем большинстве полей с соей, хлопком и кукурузой в некоторых штатах США. Распространяются сорняки, устойчивые к нескольким другим гербицидам. Мало новых гербицидов приближаются к коммерциализации, и ни один из них не обладает новым механизмом действия, к которому еще не развилась устойчивость. Поскольку большинство гербицидов не уничтожают все сорняки, фермеры чередуют культуры и гербициды, чтобы предотвратить развитие устойчивых сорняков. Опрос, проведенный в 2008–2009 годах среди 144 популяций амброзии полыннолистной в 41 округе штата Миссури, показал, что 69% из них устойчивы к глифосату. Исследование образцов амброзии полыннолистной, собранных в 2011 и 2012 годах на 500 участках по всему штату Айова, выявило устойчивость к глифосату примерно в 64% образцов. По состоянию на 2023 год устойчивость к глифосату развили 58 видов сорняков. Растения, устойчивые к нескольким гербицидам с совершенно разными биологическими механизмами действия, становятся все более распространенными. В Миссури 43% образцов амброзии полыннолистной были устойчивы к двум различным гербицидам, 6% – к трем и 0,5% – к четырем. В Айове 89% образцов амброзии полыннолистной устойчивы к двум или более гербицидам, 25% – к трем и 10% – к пяти. Ежегодная метлюга, собранная на поле для гольфа в штате Теннесси в 2020 году, оказалась устойчивой сразу к семи гербицидам. Ржанец многолетний и ежегодная метлюга разделяют признание видов с подтвержденной устойчивостью к наибольшему количеству механизмов действия гербицидов – оба демонстрируют подтвержденную устойчивость к 12 различным механизмам действия; однако это число отражает количество форм устойчивости к гербицидам, которые, как известно, возникли у вида в какой-то момент времени, а не количество, обнаруженных одновременно в одном растении. В 2015 году компания Monsanto выпустила сорта семян, устойчивые как к дикамбе, так и к глифосату, что позволило использовать более широкий спектр гербицидов на полях, не нанося вреда сельскохозяйственным культурам. К 2020 году, через пять лет после выпуска семян, устойчивых к дикамбе, в одном месте был обнаружен первый образец пальмера амаранта, устойчивого к дикамбе.

One major complications to the use of herbicides for weed control is the ability of plants to evolve herbicide resistance, rendering the herbicides ineffective against target plants. Out of 31 known herbicide modes of action, weeds have evolved resistance to 21. 268 plant species are known to have evolved herbicide resistance at least once. Herbicide resistance was first observed in 1957, and since has evolved repeatedly in weed species from 30 families across the globe. Weed resistance to herbicides has become a major concern in crop production worldwide. Resistance to herbicides is often attributed to overuse as well as the strong evolutionary pressure on the affected weeds. To minimize resistance, rotational programs of herbicide application, where herbicides with multiple modes of action are used, have been widely promoted. This caused incredibly strong selective pressure upon weeds, encouraging mutations conferring glyphosate resistance to persist and spread. However, in 2015, an expansive study showed an increase in herbicide resistance as a result of rotation, and instead recommended mixing multiple herbicides for simultaneous application. As of 2023, the effectiveness of combining herbicides is also questioned, particularly in light of the rise of non target site resistance. Plants developed resistance to atrazine and to ALS inhibitors relatively early, but more recently, glyphosate resistance has dramatically risen. Marestail is one weed that has developed glyphosate resistance. Glyphosate resistant weeds are present in the vast majority of soybean, cotton and corn farms in some U. S. states. Weeds that can resist multiple other herbicides are spreading. Few new herbicides are near commercialization, and none with a molecular mode of action for which there is no resistance. Because most herbicides could not kill all weeds, farmers rotate crops and herbicides to stop the development of resistant weeds. A 2008–2009 survey of 144 populations of waterhemp in 41 Missouri counties revealed glyphosate resistance in 69%. Weeds from some 500 sites throughout Iowa in 2011 and 2012 revealed glyphosate resistance in approximately 64% of waterhemp samples. As of 2023, 58 weed species have developed glyphosate resistance. Weeds resistant to multiple herbicides with completely different biological action modes are on the rise. In Missouri, 43% of waterhemp samples were resistant to two different herbicides; 6% resisted three; and 0.5% resisted four. In Iowa 89% of waterhemp samples resist two or more herbicides, 25% resist three, and 10% resist five. Annual bluegrass collected from a golf course in the U. S. state of Tennessee was found in 2020 to be resistant to seven herbicides at once. Rigid ryegrass and annual bluegrass share the distinction of the species with confirmed resistance to the largest number of herbicide modes of action, both with confirmed resistance to 12 different modes of action; however, this number references how many forms of herbicide resistance are known to have emerged in the species at some point, not how many have been found simultaneously in a single plant. In 2015, Monsanto released crop seed varieties resistant to both dicamba and glyphosate, allowing for use of a greater variety of herbicides on fields without harming the crops. By 2020, five years after the release of dicamba resistant seed, the first example of dicamba resistant Palmer amaranth was found in one location.

Управление сопротивлением

В связи с устойчивостью сорняков к гербицидам – серьезной проблемой в сельском хозяйстве – многие продукты сочетают гербициды с различными механизмами действия. Интегрированная защита растений может включать использование гербицидов в сочетании с другими методами борьбы с вредителями. Интегрированный подход к борьбе с сорняками (IWM) использует несколько тактик для борьбы с сорняками и предотвращения развития устойчивости. Этот подход снижает зависимость от гербицидов, что должно уменьшить селективное давление. Пример полностью реализованной этикетки, соответствующей рекомендациям USEPA по маркировке для управления устойчивостью, можно увидеть на образце этикетки гербицида хлорансулам-метил, обновленной в 2022 году. Оптимизация внесения гербицидов до экономического порога вредоносности позволяет избежать избыточного использования гербицидов и снизить селективное давление. Для достижения максимальной эффективности гербициды следует применять, обеспечивая оптимальные сроки, дозы, способы внесения, а также подходящие почвенные и климатические условия для проявления активности. В Великобритании частично устойчивые злаковые сорняки, такие как Alopecurus myosuroides (чёрная овсяница) и род Avena (дикий овёс), часто можно эффективно контролировать при применении гербицидов на стадии 2-3 листьев, в то время как более поздние обработки на стадии 2-3 побегов могут оказаться неэффективными. Локальное опрыскивание, то есть внесение гербицида только на сильно зараженные участки поля, является еще одним способом сократить общее количество используемых гербицидов.

Сельскохозяйственные практики и сопротивляемость: исследование

Устойчивость к гербицидам стала критической проблемой в австралийском сельском хозяйстве после того, как многие австралийские овцеводы начали выращивать исключительно пшеницу на своих пастбищах в 1970-х годах. Интродуцированные сорта райграса, хотя и подходили для выпаса овец, интенсивно конкурировали с пшеницей. Райграс производит так много семян, что при отсутствии контроля может полностью подавить поле. Гербициды обеспечивали отличный контроль, одновременно снижая нарушение структуры почвы из-за уменьшения потребности в вспашке. В течение чуть более десятилетия райграс и другие сорняки начали развивать устойчивость. В ответ австралийские фермеры изменили свои методы. К 1983 году на отдельных участках появились популяции райграса, устойчивые к Хоеграссу (диклофоп-метилу) – семейству гербицидов, ингибирующих фермент ацетилкоэнзим А карбоксилазу. Популяции райграса были большими и обладали значительным генетическим разнообразием, поскольку фермеры высаживали множество сортов. Райграс опыляется ветром, что обеспечивает частую рекомбинацию генов. Для контроля распространения фермеры использовали недорогой Хоеграсс, создавая селективное давление. Кроме того, фермеры иногда разбавляли гербицид, чтобы сэкономить средства, что позволяло некоторым растениям выживать после обработки. Когда появилась устойчивость, фермеры перешли к гербицидам, блокирующим ацетолактатсинтазу. Вновь, райграс в Австралии развил своего рода "перекрестную устойчивость", позволяющую ему быстро разлагать различные гербициды. Всего за несколько лет четыре класса гербицидов стали неэффективными. В 2013 году только два класса гербицидов – ингибиторы фотосистемы II и ингибиторы длинноцепочечных жирных кислот – оставались эффективными против райграса.