Pesticídy a prírodné ekosystémy

Pre Lesoochranárske zoskupenie VLK napísala Caroline Cox

[1] [2] [3]

Pesticídy sú jedinečné chemikálie. Boli vytvorené, aby usmrcovali alebo iným spôsobom poškodzovali živé organizmy a sú - ako napísala americká Národná výskumná rada (U.S. National Research Council) - "možno jediným druhom toxických chemikálií, ktorý je zámerne aplikovaný v životnom prostredí" (National Research Council, 1993). Množstvo problémov spôsobených polstoročným intenzívnym používaním syntetickych pesticídov je šokujúce. Pesticídy majú nepriaznivý vplyv na zdravie človeka: spôsobujú rakovinu, poškodzujú genetický materiál a nervový a hormonálny systém. Pesticídy kontaminujú vodné toky a pramene a dostali sa do každého kúta na zemeguli. Pesticídy kontaminujú dážď, sneh a hmlu a ničia aj stratosferický ozón. No najpodstatnejšie je, že nepoškodzujú len tie živé organizmy, na ničenie ktorých boli vytvorené, ale aj iné a zároveň narúšajú komplexnú sieť biologických interakcií spájajúcich navzájom rastliny a živočíchy.

Termín "pesticíd" sa často používa ako synonymum pre termín "insecticíd". V tomto referáte budem používať termín "pesticíd" v súlade s definíciou v zákonoch USA, teda ako všeobecný termín zahŕňajúci insekticídy, herbicídy, fungicídy a všetky ostatné výrobky, ktoré "ničia, odpudzujú alebo eliminujú škodcov alebo sú aplikované ako prevencia voči nim" (Federálny zákon USA o insekticídoch, fungicídoch a rodenticídoch, § 2(a)).

Nie je prekvapujúce, že pesticídy poškodzujú aj iné druhy, nielen škodcu, ktorý je jeho "cieľom". Nemáme aplikačnú technológiu, ktorá by umožnila aplikáciu pesticídov len na škodcov, pričom by ich účinku nevystavila iné organizmy, a ani pesticídy, ktoré by boli pôsobili výlučne na konkrétneho škodcu. Okrem účinku na škodcu samotného predstavujú pesticídy takmer vždy určité nebezpečenstvo aj pre iné živé organizmy.

Mnohé pesticídy sú okrem toho chemicky dosť odlišné od nebezpečných chemikálií vyskytujúcich sa v prírode, s prítomnosťou ktorých sa živé organizmy počas evolúcie naučili žiť. Rachel Carsonová zhrnula tento problém elegantne vo svojej klasickej knihe Tichá jar (Silent Spring): "Život je konfrontovaný s požiadavkou prispôsobiť sa chemikáliám, ktorými tentoraz nie sú len vápnik a kremeň a meď a všetky ostatné minerály vyluhované z hornín a transportované riekami to morí, ale sú to syntetické výtvory vynaliezavého ľudského ducha, namiešané v laboratóriách, ktoré nemajú v prírode obdoby." Pesticídy teda môžu predstavovať nový druh nebezpečenstva pre živé organizmy: nebezpečenstva, na ktoré nie sú pripravené.

Hoci účinky pesticídov na širší ekosystém sú známe, postup používaný v USA na registráciu pesticídov väčšinu z nich ignoruje (proces registrácie v mnohých ďalších krajinách je podobný). Pesticídy sú testované ohľadom ich akútnej toxicity na malý počet druhov, pre ktoré nie sú určené - niekoľko druhov rýb, vtákov, vodných bezstavovcov a včely. Požaduje sa aj niekoľko ďalších testov chronického pôsobenia: testy pôsobenia na úspešnosť reprodukcie jedného vtáčieho druhu a pôsobenia na niekoľko druhov mladých rýb. Neexistujú v podstate žiadne testy, ktoré by skúmali účinok na interakciu medzi druhmi.

Napriek tomu, že neexistujú požiadavky na testovanie ekologických účinkov používania pesticídov, výskumníci v mnohých situáciách zaznamenali takéto účinky. V tomto referáte predstavím príklady takýchto štúdií. Moje príklady sa vzťahujú na bežne používané pesticídy glyfozát, cypermetrin a bentazon.

Môj prvý príklad pochádza z výskumu s herbicídom glyfozátom, ktorý je bežne v predaji pod obchodnou značkou Roundup. Tento veľmi ziskový pesticíd sa používa v širokej miere v poľnospodárstve a lesnom hospodárstve, no má aj mnohé spôsoby komerčného a domáceho využitia, vrátane aplikácie na golfových ihriskách. Masívna reklama prezentuje tento prípravok ako ekologicky a toxikologicky neškodný. Tu je typický citát z reklamného materiálu: "Keď sa Roundup dostane do pôdy, rozloží sa na prírodné materiály ako oxid uhličitý a dusík a nemá žiadny iný reziduálny vplyv na prostredie" (Ortho a Scotts, nedatované). No tento pesticíd má v skutočnosti množstvo účinkov na druhy, ktoré nie sú jeho vlastným cieľom. Glyfozát je účinný a širokospektrálny herbicíd, ktorý ničí väčšinu zelených rastlín. Hoci jeho akútna toxicita voči vtákom, malým cicavcom a hmyzu je pomerne nízka, jeho aplikácia môže mať významný vplyv na živočíchy závislé od zelených rastlín, ktoré im poskytujú potravu alebo úkryt.

Jednu z prvých štúdií preukazujúcu tento druh účinku vykonal v 80-tych rokoch 20. storočia David Santillo a jeho kolegovia na University of Maine v Orono v Maine. Analyzovali šesť stanovíšť v miešanom jedľovo-smrekovo-listnatom lese. Na stanovištiach štúdie bol 5 rokov pred jej začiatkom vykonaný holorub a na dvoch zo šiestich stanovíšť bol z lietadla aplikovaný glyfozát. Aplikácia na jednom stanovišti prebehla dva roky pred štúdiou, na druhom stanovišti v prvom roku štúdie. To znamená, že výskumníci mohli analyzovať účinky až do troch rokoch po aplikácii (Santillo, Leslie a Brown, 1989).

Ako sa očakávalo, aplikácia glyfozátu spôsobila dramatický pokles diverzity vegetácie na miestach aplikácie. Vegetácia všetkých bežných bylín (okrem jedného druhu) bola potlačená, prišlo aj k poklesu rozmanitosti bylín a krov. Väčšina parametrov vegetácie (hustota lístia, výška vegetácie, atď.) bola po troch rokoch menšia ako parametre na stanovištiach, na ktorých sa aplikácia nerealizovala (Santillo, Brown a Leslie, 1989)

Účinky aplikácie glyfozátu na živočíchy boli dôsledkom účinkov na vegetáciu. Počet bylinožravého hmyzu poklesol o 89 percent. Celkový výskyt bezstavovcov rok po aplikácii prípravku dosahoval asi 50 % výskytu na stanovištiach, kde sa prípravok neaplikoval, a ešte tri roky po postreku zostával na nižšej úrovni (asi 70 %). Výskyt malých cicavcov na stanovištiach s aplikáciou prípravku dosahoval rok po postreku zhruba 70 % v porovnaní so stanovišťami bez aplikácie a tri roky po postreku to bolo dokonca ešte menej (okolo 60 % v porovnaní so stanovišťami bez postreku) (Santillo, Leslie a Brown, 1989). Na obr. 1 sú uvedené podrobnejšie výsledky. Podobný vplyv bol zaznamenaný u vtákov. Celková hustota teritoriálnych samčekov na stanovištiach s aplikáciou prípravku dosahovala 70-percentnú úroveň v porovnaní so stanovišťami bez aplikácie. Hustota troch najbežnejších vtáčích druhov (goethlypis trichas, melospiza lincolnii a empidonax alnorum) bola na stanovištiach s aplikáciou prípravku nižšia než na stanovištiach bez aplikácie (Santillo, Brown a Leslie, 1989).

Ďalšia štúdia, ktorú vykonali D.S. MacKinnon a B. Freedman na Dalhousie University v provincii Nova Scotia v Kanade, priniesla podobné výsledky. MacKinnon a Freedman pozorovali hniezdiacich vtákov na regenerujúcich sa holoruboch počas päťročného obdobia (jeden rok pred postrekom a štyri roky po postreku). Najrozšírenejšie druhy stromov tu boli smrek červený (picea rubens), jedľa balzamová (abies balsamea), javor červený (acer rubrum) a breza žltá (betula lutea). Na študijných stanovištiach bol letecky aplikovaný glyfozát. Ako sa očakávalo, postrek priniesol veľký pokles výskytu vegetácie na stanovištiach s aplikáciou. Zmena vegetácie spôsobila pokles výskytu bežných druhov vtákov na stanovištiach s aplikáciou, predovšetkým dvoch najbežnejších druhov, zonotrichia albicollis a geothlypis trichas. Štyri roky po postreku sa populácie týchto dvoch druhov obnovili takmer až na úroveň obdobia pred postrekom. Na stanovišti, kde sa aplikácia nevykonala, sa usídlili štyri nové druhy spolu s priebehom sukcesie vegetácie. K tomuto neprišlo na stanovištiach s postrekom, pretože herbicíd vrátil vegetáciu naspäť na predošlý stupeň sukcesie (MacKinnon a Freedman, 1993).
Pretože neexistuje veľa štúdií o účinkoch pesticídov v teréne, je často nevyhnutné využiť výsledky laboratórnych štúdií, aby bolo možné vyvodiť pravdepodobné dôsledky pre prírodné ekosystémy, v ktorých sa aplikujú pesticídy. Laboratórne štúdie napríklad naznačujú, že glyfozát má významný účinok na istú dôležitú ekologickú interakciu - vzťah medzi mykoríznymi hubami a kvitnúcou rastlinou. Mnohé rastliny majú symbiotické vzťahy s týmito hubami, pričom huby absorbujú minerály z pôdy, ktoré môžu rastliny využívať, a rastlina poskytuje hube organické molekuly (potravu).

Orchidey (a nielen oni, aj iné rastliny a stromy) majú tzv. "nestabilný" vzťah s mykoríznymi hubami, čo znamená, že táto interakcia môže byť buď normálna mykorízna interakcia, parazitizmus alebo odmietnutie. Jednou z vecí podmieňujúcou typ interakcie sú živiny, ktoré má rastlina k dispozícii. Glyfozát však môže takisto determinovať typ interakcie. H.L. Beyrle a kolegovia z University of Adelaide v Austrálii študovali interakciu medzi orchis morio a mykoríznym druhom Rhizoctonia. Zistili, že aplikácia glyfozátu zmenila mykoríznu interakciu na parazitickú. Huba rýchlo rástla v protokormách orchidey (podzemné stonky) využívanej v tomto experimente, ale úplne dezorganizovaným spôsobom, čo spôsobilo odumretie orchidey. Vedci z toho vyvodili, že glyfozát spôsobil, že rastlina stratila schopnosť kontrolovať rast mykoríznych húb (Beyrle, et al, 1994).

Ďalšie príklady, na ktoré chcem poukázať, sa týkajú insekticídu cypermetrinu. Cypermetrin je členom rodiny syntetických pyretroidov a podobne ako všetky insekticídy v tejto rodine narúša nervový systém živočícha. Cypermetrin sa využíva v celosvetovom meradle najmä pri pestovaní bavlny, no existuje množstvo ďalších interiérových a exteriérových aplikácií.

Cypermetrin má pomerne nízku akútnu toxicitu voči vtákom (U.S. EPA, 1989), môže mať však závažné účinky na vtáky živiace sa hmyzom, keďže likviduje ich korisť.

Dobrým príkladom je štúdia realizovaná v 80-tych rokoch minulého storočia zameraná na hniezdenie sýkorky belasej. Túto štúdiu spracovali Juan Pascual a Salvador Peris na Univerzite Salamanca v Španielsku. Štúdia prebiehala v španielskych dubových lesoch. Štúdia skúmala tri lokality: na jednej nebol prípravok aplikovaný, na ďalšej bol aplikovaný práškový prípravok cypermetrinu (75 g/ha) a na poslednej sa vykonala ultranízka aplikácia (UNA) cypermetrinu (3,75 g/ha).

Priame počítanie článkonožcov v korunách dubov preukázalo, že aplikácia insekticídu zredukovala výskyt of článkonožcov, najmä húseníc, ktoré sú primárnou potravou sýkoriek belasých. Na stanovištiach, kde prebehla aplikácia práškového cypermetrinu, bola mortalita "rýchla a vysoká", výskyt húseníc poklesol doslova na nulu. Účinky postreku UNA sa prejavili pomalšie a neboli také výrazné, napriek tomu boli stále významné.

Tento účinok na výskyt húseníc spôsobil pokles úspešnosti hniezdenia sýkoriek belasých. Na lokalite s aplikáciou práškového prípravku presiahla mortalita mláďat 80 %, pričom na mieste, kde neprebehla aplikácia, bola mortalita na úrovni 7 %. Na stanovišti s UNA dosiahla mortalita mláďat 29 % v porovnaní s 8 % na mieste bez aplikácie (pozri obr. 2). Na stanovištiach, na ktorých sa aplikoval práškový prípravok, bola hmotnosť mláďat asi o 10 % nižšia než v lokalite bez aplikácie (Pascual a Peris, 1992)

Cypermetrin môže mať aj vplyv na ryby, pretože tieto sú dosť citlivé na syntetické pyretroidové insekticídy a pretože cypermetrin môže mať katastrofálne účinky na vodný hmyz, ktorý je potravou pre mnohé ryby. Dobrým príkladom je štúdia, ktorú vykonali biológovia z Komisie pre vnútrozemské rybárstvo (Inland Fisheries Commission) na eukalyptovej plantáži na Tasmánii. Výskumníci - P.E. Davies a L.S.J. Cook - študovali vodný hmyz a ryby vo vodných tokoch, ktoré odvodňovali 230-hektárovú plantáž, po leteckej aplikácii cypermetrinu (Davies a Cook, 1993).

Počas aplikácie bola balónmi označená nárazníková zóna pozdĺž brehov tokov a aplikátor sa snažil minimalizovať rozptyl postreku mimo cieľových plôch. Napriek týmto opatreniam boli v označených oblastiach zaznamenané stopy cypermetrinu.

Davies a Cook zistili, že bezprostredne po postreku dramaticky vzrástlo množstvo hmyzu unášaného vodou po prúde (vyše 200-násobne). Po postreku bola navyše väčšina hmyzu uhynutá. Zvýšené množstvá unášaného hmyzu pretrvávali osem dní po postreku. Podľa všetkého podliehali cypermetrinu v toku obzvlášť allocapnia a vážky. Tieto dva druhy tvorili významný podiel unášaného hmyzu (90 %). Výskyt týchto druhov na skalách na dolnej časti tokov sa znížil, pretože veľké množstvo z nich uhynulo a bolo unášaných dole prúdom. Úplné obnovenie populácií bezstavovcov trvalo šesť mesiacov.

Davies a Cook skúmali aj pstruha hnedého žijúceho v týchto tokoch počas postreku. Zistili, že tieto ryby intenzívne požierali uhynutý hmyz, na základe čoho ochoreli. Pstruhy strácali schopnosť koordinácie pohybov a rýchlosť reakcie pri ohrození, stávali sa letargické, boli anemické a vyvinul sa u nich prúžkovaný farebný vzor, čo bolo doprevádzané tvrdnutím svalstva (Davies a Cook, 1993).

Ďalšie príklady sa týkajú bentazonu, herbicídu, ktorý ničí rastliny tým, že narušuje proces fotosyntézy. V USA sa aplikuje na sóju a podzemnicu olejnú a tiež na trávniky (U.S. EPA, 1994). EPA zastáva názor, že bentazón pravdepodobne kontaminuje spodnú a povrchovú vodu, pretože unikanie bentazónu cez pôdu je "hlavnou cestou unikania do prostredia" a "má vysoký rozpustný a odtokový potenciál" (U.S. EPA, 1994).

S bentazonom bolo vykonaných len veľmi málo štúdií v teréne, a preto sú závery založené na laboratórnych štúdiach jediným spôsobom prognózovania ekologických následkov používania tejto chemikálie. NCAP objavila dve z týchto štúdií. Prvá je štúdiou o účinkoch bentazonu na symbiotickú baktériu Rhizobium leguminosarum viažucu dusík. Viazanie dusíka je rozhodujúcim faktorom fungovania zdravých ekosystémov: premieňa atmosferický dusík na formu, ktorú môžu využiť rastliny. Keďže dusík je často limitujúcou živinou, narušenie tohto procesu môže mať podstatné ekologické následky.

Štúdiu realizoval A.M. Martensson na Švédskej univerzite poľnohospodárskych vied v Uppsale. S využitím ďaleliny lúčnej (Trifoliom pratense) štúdia preukázala, že aplikácia bentazonu na lístky sadeníc ďateliny v koncentráciách ekvivalentných poľnohospodárskemu využívaniu znížilo počet uzlíkov baktérie Rhizobium na koreňoch rastliny. Najvyššia testovaná koncentrácia bentazonu úplne eliminovala tvorbu uzlíkov. Martensson tiež preukázal, že bentazon spôsobil poruchy rastu ďateliny lúčnej, čo viedlo k deformáciám jej koreňového systému. Výskumník z toho vyvodil záver, že tieto deformácie potlačovali syntézu baktérie Rhizobium a viedli k tomu, že na rastline bolo menej uzlíkov tejto baktérie (Martensson, 1992).

Druhá štúdia je jednou zo série štúdií realizovaných Medzinárodnou organizáciou pre biologickú kontrolu (IOBC). Štúdie skúmajú účinky pesticídu na prirodzených nepriateľov. Testované organizmy zahŕňali 20 článkonožcov (vrátanie niekoľkých parazitoidov: niekoľko dravých roztočov, niekoľko druhov dravého hmyzu, jeden druh pavúka, jeden druh hlísty a niekoľko druhov húb). Pesticídy, ktoré sú toxické pre prirodzených nepriateľov, spôsobili explóziu určitého druhu hmyzu tým, že zlikvidovali druh, ktorý fungoval ako jeho prirodzený nepriateľ. Štúdie boli realizované pre poľnohospodárske účely, aby sa zistilo, ktoré pesticídy by mohli byť využité v "integrovaných kontrolných programoch", ale rovnaký účinok je možný v prírodnom ekosystéme, ak pesticíd usmrtí predátorov, huby vyvolávajúce ochorenia alebo parazitoidy.

Pri štúdii IOBC nebol bentazonový herbicíd Basagran toxický voči väčšine testovaných predátorov a parazitoidov. Keďže je to herbicíd, nie je zrejme prekvapujúce, že bentazon nemá vplyv na väčšinu druhov hmyzu alebo roztočov. Prekvapujúce však bolo, že najvyššia mortalita spôsobená bentazonom (vyše 99-percentná mortalita) sa vyskytla v prípade dravého pavúka Chiracantium mildei (toto bol jediný testovaný pavúčí druh). Basagran bol tiež mierne škodlivý (spôsoboval vyše 80-percentnú mortalitu) voči dvom skúmaným druhom húb, a to Beauveria Bassiana a Metarhizium anisopliae. Tento fakt by zrejme vôbec nebol prekvapujúci, ak by išlo o fungicíd, ale je menej očakávaný v prípade herbicídu, akým je bentazon (Hassan et al., 1994). Oba výsledky naznačujú, že používanie Basagranu by mohlo spôsobit nárasť populácií druhov určitého hmyzu, ktoré sú za normálnych okolností pod kontrolou predácie pavúkov alebo chorôb.

Tieto príklady demonštrovali len nepatrný zlomok interakcií medzi druhmi, ktoré môžu byť narušené pesticídmi. Dúfam však, že všetky tieto príklady poskytujú dobrý prehľad o tom, čo môžeme očakávať ako nezamýšľaný dôsledok zásahov proti škodcom založených na intenzívnom využívaní chemikálií.

Ekológovia už tradične využívajú metaforu divadla na popísanie ekosystémov a komplexných interakcií medzi nimi. Ako napísal britský ekológ John Harper: "Klíma a substrát predstavujú scénu a pódium pre účinkovanie rastlinných a živočíšnych hercov, ktorí prichádzajú a odchádzajú." (Harper, 1977). V divadle ekosystému sú pesticídy nepríjemným prekvapením: vypadnutý text, výpadok elektriny, stratená podpora alebo herecká hviezda so zápalom hrdla v deň premiéry. Takéto "prekvapenia" jasne demonštrujú potrebu nahradiť konvenčné metódy zásahov proti škodcom inými, trvalo udržatelnými postupmi.

Literatúra

• BEYRLE, H. F., SMITH S. E., PETERSON, R. L., FRANCO, C. M., 1995: Colonization of Orchis morio protocorms by a mycorrhizal fungus: effects of nitrogen nutrition and glyphosate in modifying the responses. Can. J. Bot. 73: 1128-1140.
  
• DAVIES, P. E., COOK, L. S. J., 1993: Catastrophic macroinvertebrate drift and sublethal effects on brown trout, Salmo trutta, caused by cypermethrin spraying on a Tasmanian stream. Aquat. Toxicol. 27: 201-224.
  
• HASSAN, S. A. et al., 1994: Results of the sixth joint pesticide testing programme of the IOBC/WPRS-Working Group "Pesticides and Beneficial Organisms." Entomophaga 39: 107-119.
  
• HARPER, J. L., 1977: Population biology of plants. London, U. K.: Academic Press, 705-706 pp.
  
• Mac KINNON, D. S., FREEDMAN, B., 1993: Effects of silvicultural use of the herbicide glyphosate on breeding birds of regenerating clearcuts in Nova Scotia, Canada. J. Appl. Ecol. 30: 395-406.
  
• MARTENSSON, A. M., 1992: Effects of agrichemicals and heavy metals on fast-growing Rhizobia and their symbiosis with small-seeded legumes. Soil Biol. Biochem. 24: 435-445.
  
• National Research Council.Board on Agriculture. Committee on Long-range Soil and Water Conservation. Soil and water quality: An agenda for agriculture. Washington, D. C.: National Academy Press, 334 p.
  
• ORTHO, SCOTTS: Undated. Frequently asked questions about Roundup. www.roundup.com [4].
  
• PASCUAL, J. A., PERIS, S. J., 1992: Effects of forest spraying with two application rates of cypermethrin on food supply and on breeding success of the blue tit (Parus caeruleus). Environ. Toxicol. Chem. 11: 1271-1280.
  
• SANTILLO, D. J., BROWN, P. W., LESLIE, D. M., 1989: Response of songbirds to glyphosate-induced habitat changes on clearcuts. J. Wildl. Manage. 53: 64-71.
  
• SANTILLO, D. J., LESLIE, D. M., BROWN P. W., 1989: Responses of small mammals and habitat to glyphosate application on clearcuts. J. Wildl. Manage. 53: 164-172.
  
• U.S. EPA. Office of Pesticides and Toxic Substances. Office of Pesticide Programs. 1989. Pesticide fact sheet: Cypermethrin. Washington, D. C., Jan. 3.
  
• U.S. EPA. Office of Prevention, Pesticides and Toxic Substances. 1994. Reregistration eligibility decision (RED): Bentazon. Washington, D. C., Sept.