Урок - "круглый стол" в 11 классе "Пестициды: за и против"
методическая разработка по биологии (11 класс) по теме

           Урок в 11 классе «Пестициды: за и против»

      Цель: Выяснить, почему человек не может справиться с вредителями, затрачивая много сил и средств; взвесить все "за" и "против" применения пестицидов; влияние на экосистемы, на здоровье человека.

      Образовательные задачи: 

- выяснить причины устойчивости вредителей к химическим средствам борьбы с ними;

- выяснить механизмы влияния ядохимикатов на экосистемы и здоровье человека.

      Развивающие задачи:

- развивать умение решать биологические задачи;

- развивать умение устанавливать причинно-следственные связи.

      Воспитательные задачи:

- воспитывать бережное отношение к природе, к своему здоровью.

                                             ХОД УРОКА:

      На первых минутах урока учитель представляет  прессу и специалистов (врач, юрист, агроном, эколог, химик, биолог, экономист, микробиолог, аналитик).

       Используется слайд 1, где изображены сельскохозяйственные поля с большим количеством сорняков и вредителей, зараженных различными заболеваниями и поля без сорняков и вредителей.

        - В настоящее время существует заколдованный круг агроценозов: выращивание всё более продуктивных сортов растений провоцирует увеличение биоразнообразия их вредителей. Почему становится невозможным разрыв этого круга?

       Микробиолог. Действительно, за последние 40 лет более чем в 30 раз увеличилось и продолжает возрастать количество выявленных новых рас возбудителей заболеваний пшеницы, кукурузы, риса, обладающих ранее не обнаруживаемыми генами болезнетворности. При переходе с диких растений на сорта интенсивного типа риса, кукурузы и пшеницы, зернобобовых культур резко увеличилось количество высокотоксичных штаммов грибов из рода фузариев, пенициллов, аспергиллов (20тыс.) слайд 2.

        Обладая более широкой нормой реакции, чем паразитирующие на диких или низкопродуктивных растениях слабо патогенные формы, они вытесняют последние из агроценозов и агроландшафта в целом. Одновременно новые расы вредителей снижают биоразнообразие сосуществующих с ними слабопатогенных, индифферентных или полезных видов микроорганизмов и насекомых.

      - Какие факторы, благоприятствующие бурной эволюции вредных организмов, известны сегодня?

        Биолог. Первый фактор-это сильное упрощение экосистем при выращивании сортов интенсивного типа. В данных условиях уничтожены или сильно угнетены виды-конкуренты вредных организмов.

         Второй фактор - биологические возможности растений сортов интенсивного типа. Выращивание генетически однородных сортов на огромных территориях в разных климатических зонах сделало эволюцию вредных организмов непрерывной. Чем более устойчив сорт, тем больше влияет отбор на его вредителя или возбудителя агента. Победа всегда оказывается на стороне патогена за счет высоких темпов мутирования, наличия богатой пищевой базы, обеспечивающих непрерывность действий движущего отбора. Этим объясняется, в частности, то, что новый сорт теряет устойчивость к вредителям через 3-5 лет возделывания. Для интенсивных сортов  исключена борьба за выживание, что в дополнение к высокой генетической однородности приводит к постоянному сужению их биоразнообразия.

           Резкое увеличение численности грызунов наблюдалось, когда содержание белка в растениях составляло 22%, и минимум численности при 14%. Дикие злаки, в известной степени, низко продуктивные сорта, возделываемые по экстенсивной технологии.           Третий фактор - повышенный темп мутирования вредных организмов в связи с длительным использованием пестицидов.

           У грибов, вызывающих эпидемические заболевания растений на посевах злаковых культур, происходит около 2500 мутаций на один локус. При не ограниченном легко доступном источнике питания такая интенсивность мутационного процесса, не увеличивая генетический груз в популяциях, способствует быстрому образованию новых штаммов, приспособленных к сорту с новыми генами устойчивости.

          Всемирная организация здравоохранения еще в 1963 г. в докладе посвященном устойчивости вредителей к пестицидам, указала 47 видов вредителей, устойчивых к ДДТ, и 65- к диэлдрину. В1989 г. зарегистрировано уже 200 видов, устойчивых к инсектицидам. Сейчас практически все виды вредителей имеют устойчивые к ним расы. Использование ДДТ против колорадского жука привело к тому, что появились генетические линии с такой группой ферментов экстераз, которая разрушает устойчивый пестицид до нетоксичных осколков.

           Четвертый фактор - создание в посевах высокопродуктивных сортов условий для проявления фитопатогенами новых или усиления ранее не обязательных для их выживания признаков вредоносности. Синтез микотоксинов требует большого расхода энергии, которую грибы могут получить только от растений высокопродуктивных сортов. Быстро расширяется спектр микотоксинов, синтезирующих одним видом и даже штаммом гриба. Предоставляя постоянные богатые пищевые ресурсы вредителям, высокопродуктивные сорта благоприятствуют их отбору в сторону повышения вредоносности.      

         - У большинства присутствующих имеются либо дачи, либо огороды и всем известен враг номер один всех дачников - колорадский жук. Когда изобретают новый ядохимикат, то считают, что найдена панацея против крылатого врага. В начале обработок 99% насекомых уничтожается, а через 3-4 года использования данный пестицид становится неэффективным, и наши попытки справиться с жуком оказываются сизифовым трудом. Почему?

          Биолог. В самом деле, после первых обработок погибает 99% насекомых, выживает 1% генетически устойчивых к данному пестициду насекомых, которые дают такое же устойчивое потомство. И через 3-4 года вся популяция оказывается устойчивой к данному химикату. Все повторяется снова.  

        -Каков арсенал химических веществ в "войне" с вредителями? 

         Химик. Пестициды - общее название химических средств защиты растений от вредителей и болезней. Действие их направлено на определенную группу организмов:  

зооциды – против грызунов; гербициды - против "сорных" наземных растений; инсектициды - против насекомых; фунгициды - против грибковых заболеваний растений.

          - Какие выгоды получает экономика от применения пестицидов?

            Экономист. Применение пестицидов повышает производство пищевых продуктов, лучше удовлетворяются потребности быстро растущего мирового населения. Улучшается качество продуктов за счет уменьшения вреда, наносимого растениям вредными насекомыми и болезнями. Без защиты от грибков продукты питания даже могут стать ядовитыми. Продукты лучше хранятся благодаря применению пестицидов против вредителей запасов, грызунов и гнилей. Более гибкие системы земледелия дают экономические выгоды, позволяя повысить продуктивность земли со снижением себестоимости продукции. Получаются выгоды для окружающей среды, например от применения гербицидов вместо культивации почвы в целях снижения опасности эрозии почвы в районах с обильными осадками или сохранения влаги в районах недостаточного увлажнения. Во многих районах системы земледелия с низким расходом энергии, в которых используются гербициды для ускорения работ по борьбе с сорняками, позволяют возделывать два посева за период, в течение которого раньше выращивался только один.

              Агроном. В результате внедрения производных фенокислоты в качестве гормональных гербицидов в 1940 годы стало возможным беспрерывное возделывание зерновых в течение нескольких лет за счёт уничтожения сорняков, которое раньше достигалось частым чередованием культур.

              Возможным стало беспахотное земледелие (прямой посев) на подходящих для этого почвах. Этот приём позволяет сократить количество обработок почвы требуемое для установления нового посева. Прямой посев приносит определенную пользу для структуры почвы, защищая её от ветровой и водной эрозии. Происходит перераспределение органического вещества, количество растительных остатков недалеко от поверхности почвы увеличивается, создавая нечто вроде мульчи, которая снижает потерю воды.

             Врач. Во время второй Мировой войны известный пестицид ДДТ, ныне запрещенный, спас армии союзников от вшей и блох, помог ликвидировать тиф в Неаполе. Пестициды позволяют бороться с болезнями, распространяющимся насекомым и грызунам, особенно в тропических странах. При помощи пестицидов уничтожают малярийных комаров в Африке.

           - Принцип химического невмешательства гласит: "Любое химическое вещество, которое мы производим, не должно вызывать нарушений в естественных биологических циклах, приводящих к деградации систем жизнеобеспечения Земли". Как влияют пестициды на состояние окружающей среды?

             Химик. Некоторые из первых пестицидов представляли собой ядовитые вещества, например, мышьякосодержающие соединения и никотин, а другие, например, некоторые хлорорганические инсектициды, слишком долго сохраняли свою активность во внешней среде. ДДТ сохраняет свою активность до 20 лет.

             Эколог. После 2-й мировой войны большое количество пестицидов и гербицидов оказалось в окружающей среде. Среди первых - ДДТ (дихлордивинилтрихлорэтан), диэлтрин и алдрин. Эти вещества оказались очень ядовитыми, особенно для птиц, рыб, беспозвоночных. В середине 60-х годов появились сообщения о том, что ДДТ обнаружен в печени пингвинов в Антарктиде и тюленей в Арктике (слайд 3). ДДТ распространился по всему миру по двум причинам.

             Во-первых, он, хотя и в незначительных количествах, переносится водой. Если ДДТ смывается с сельскохозяйственных угодий, то по рекам часть его попадает в моря и концентрируется в морских пищевых цепях. Пингвины питаются рыбой, входящей в пищевые цепи.

              Во-вторых, ДДТ может распространяться в атмосфере, т.к. относится к летучим веществам и его распыляли в виде мелкого порошка, который может переноситься воздушными потоками на большие расстояния. ДДТ является причиной исчезновения на востоке США сапсана. Птицы наиболее уязвимы, т. к ДДТ вызывает гормональные изменения, влияющие на обмен кальция. В результате скорлупа откладываемых яиц становится тоньше, и они разбиваются.

             Ростовые вещества, предназначенные для уничтожения нежелательных трав, привели к обеднению растительности, что делает невозможным существование пчеловодства. Пчелы, посещая обработанные поля, приносят запах гербицидов в улей.  Такие пчелы в улей не запускаются "охраной ", считая запах чужим и они погибают.

             Агроном. Снижение травяного покрова в результате обработок гербицидами приводит к эрозии почвы и возникновению пыльных бурь.

             При обработке изменяется вкус ядовитых растений, и домашние животные отравляются лютиком. Поэтому в течение 3-х недель запрещается выпас животных. Дичь от отравлений не убережешь.

             Обработки способствуют размножению жуков - листоедов, приспособленных к питанию на одном виде растений, сдерживается под влиянием определенных веществ растения - хозяина, но который после обработки вкус меняет и растение уничтожается жуками.

          Уничтожая одни сорняки, мы приводим к процветанию других. Пестициды влияют и на обитателей почвы. Дождевые черви представляют собой большую ценность для почвы. В регионах умеренного климата они встречаются в большом количестве, но до некоторой степени заменяются термитами и муравьями в тропических почвах. Дождевые черви питаются растительными остатками и играют роль в повторном обращении веществ, которыми в свою очередь питаются растения, а их обширные системы подземных ходов улучшают стекание воды, однако особенности их питания способствует поглощению остатков химических препаратов. Черви составляют важную часть пищи многим птиц и мелких млекопитающих и поэтому могут передавать химические остатки высшим формам жизни.

          Так наблюдения над дождевыми червями могут дать своевременное предупреждение о нежелательных последствиях накапливания химических веществ.

          Микробиолог. В плодородной почве бактерии и другие v микроорганизмы обычно составляют большую массу, чем другая группа организмов. Они играют большую роль в разложении растительных и животных остатков, высвобождая минеральные питательные вещества, потребляемые культурными растениями. Некоторые группы бактерий принимают активное участие в фиксации азота из атмосферного воздуха с образованием соединений, которые тоже могут потребляться растениями. Под действием пестицидов может резко снижаться уровень микроорганизмов почвы. Очень осторожно надо использовать пестициды в регионе КМВ, где имеются серные источники, т.к. возможно уничтожение серобактерий.

          Врач. Стратегия нашего земледелия за последние 25-30 лет строилась главным образом на непрерывном наращивании средств химизации. Это привело к обострению медико-экологической обстановке в стране. Статистика показывает, что ежегодно 11,2 % детей рождается с физическими и умственными расстройствами, у 11- 12 тысяч детей на каждые 100 тысяч - онкологические заболевания.

Многие из пестицидов настолько напоминают природные соединения, что могут усваиваться организмом и взаимодействовать с некоторыми ферментами и другими системами. Именно они и создают проблемы. Организм может оказаться неспособным разлагать их или включать в метаболизм иным путем, т.е. они не биодеградирующие. В результате они нарушают его функционирование. При определенных дозах возможны острое отравление и смерть. Однако и небольшие дозы, получаемые на протяжении длительного периода приводят к весьма неприятным эффектам, например канцерогенному (развитие рака), мутагенному (появление мутаций) и тератогенному ( врожденные дефекты у детей). Кроме того, они могут вызвать серьезные заболевания печени и почек, бесплодие и многие другие физиологические расстройства. Использование гербицида "Agent orange " во Вьетнаме приводило к частным выкидышам беременных женщин, к рождению детей с пороками развития (слайд 4).

Химик. Наиболее опасны галогенированные углероды - органические соединения, в которых один или более атомов водорода замещены атомами хлора, брома, фтора.

Биолог. Хлорсодержащие пестициды разлагаются при очень высокой температуре, но в большинстве случаев в организме нет ферментов, способных их расщеплять. Они не выводятся с мочой, т.к. они растворяются гораздо лучше, чем в воде. В результате, поступая с пищей и жидкостями, эти вещества удерживаются и накапливаются в теле, как на фильтре. В жировых тканях у американцев обнаружено 12-16 частей на миллион таких веществ (ПДК=7ч. млн). Было замечено, что многие животные погибали от отравления ДДТ в те периоды, когда им не хватало пищи. Это объясняется тем, что в голодные годы жировые отложения животными использовались как источник питательных веществ, и ДДТ оказывался в крови, вызывая смерть животных.

Эколог. Опасность биоаккумуляции и биоконцентрирования хлорсодержащих углеводородов стала очевидной в 1960-е годы, когда обнаружилось сокращение популяции многих видов хищных птиц, в частности белоголового орлана и скопы, находящихся на последних трофических уровнях, вызвано биоаккумуляцией пестицида ДДТ. Многие места промышленной и спортивной рыбной ловли были закрыты в связи с опасными уровнями пестицидов, аккумулированных организмами рыб.

Ситуацию осложняет синергические эффекты. Ядохимикаты редко встречаются по отдельности, а 2 или более ядов вместе дают эффект, во много раз превосходящий сумму действий каждого из них. Галоген-углеродные и, возможно, другие химикаты ослабляют иммунную систему, в результате чего организм становится более подверженным действию инфекций и паразитов. Подозревают, что это причина недавнего катастрофического вымирания тюленей в Северном море.

- На рисунке показано, какие количества ДДТ содержатся на различных трофических уровнях в пищевой цепи. Если концентрация ДДТ в водесоставляет 1 часть, то во сколько раз она возрастает при переходе ДДТ 1) в планктон; 2) в мелких рыб; 3) в крупных рыб; 4) в тела хищных птиц, завершающих пищевую цепь?

-Что прописано законодательством Российской Федерации об использовании ядохимикатов?

Юрист. С целью охраны здоровья людей, окружающей природной среды в 1997 г. был принят федеральный Закон «О безопасном обращении с пестицидами и агрохимикатами». Федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие государственную регистрацию пестицидов и агрохимикатов, дают разрешение на производство, применение, транспортировку, хранение, уничтожение, рекламу, ввоз в РФ и вывоз из России пестицидов.

 - Какой путь проходит ядохимикат, прежде чем он попадает на поля?

Юрист. Для разработки и обоснования регламентов применения пестицидов проводятся их регистрационные испытания, которые включают в себя:

            - определение эффективности применения пестицидов (лабораторный и полевой скрининг) и разработку регламентов их применения;

            - оценку опасности негативного воздействия пестицидов на здоровье людей, разработку гигиенических нормативов, санитарных норм и правил;

             Для всех разрешенных к применению пестицидов установлены ПДК в объектах окружающей среды.

             В конце урока задается вопрос: "Сможем ли мы в будущем обойтись без ядохимикатов, и во что их использование нам обойдется?"

            Аналитик. Появление новых форм вредителей и патогенных микробов, устойчивых к соответствующим пестицидам, ставит перед наукой и производством трудную задачу постоянной смены этих пестицидов. Еще более ситуация усложняется при переходе к монокультуре, когда из года в год на одной и той же площади применяют одни и те же ядохимикаты, что резко ускоряет образование устойчивых форм.

Возникает известное противоречие: с одной стороны, быстрая смена препаратов препятствует возникновению устойчивых форм паразитов, с другой - она же мешает накоплению в почве специфической микрофлоры, способной разрушать конкретный ядохимикат.

Важно обеспечить сельскохозяйственное производство такими пестицидами, которые обладали бы узконаправленным спектром действия и не накапливались во внешней среде. Их применение должно быть органической частью общей системы защиты растений, включающей устойчивый сорт, соответствующую агротехнику.

И самое важное, пестициды в современных условиях применяются только при наличии на полях такой численности вредителей, когда проведение защитных мероприятий экономически оправдано. Плановое чередование применения пестицидов различных химических групп снижает кратность обработок, исключает опасность загрязнения остатками пестицидов среды, предупреждает развитие популяций вредных организмов.