СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АГРОЭКОСИСТЕМ УЗБЕКИСТАНА: МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕСТИЦИДОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

АННОТАЦИЯ

В условиях интенсификации аграрного сектора Узбекистана проблема совместного загрязнения почвенно-растительного комплекса остаточными количествами пестицидов и тяжелыми металлами приобретает критическое значение для продовольственной безопасности и охраны здоровья населения. Традиционные подходы к оценке риска, основанные на анализе изолированного действия контаминантов, не учитывают эффекты синергетического взаимодействия поллютантов. В настоящем исследовании впервые проведен комплексный анализ сочетанной токсичности фосфорорганических пестицидов и приоритетных тяжелых металлов (Pb, Cd, As) в агроэкосистемах Узбекистана. На основе анализа 1200 проб методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой установлено, что присутствие кадмия повышает биоаккумуляцию хлорпирифоса в зерне пшеницы на 35-50% за счет модификации проницаемости клеточных мембран корневых систем. Научная новизна работы заключается в разработке прогностической модели синергетического риска для аридных агроэкосистем и экспериментальном подтверждении эффекта потенциации при комбинированном загрязнении. Полученные результаты служат основой для совершенствования системы нормативного регулирования и мониторинга безопасности сельскохозяйственной продукции в рамках реализации Национальной стратегии развития на 2026-2030 гг.

ABSTRACT

In the context of the intensification of Uzbekistan's agricultural sector, the problem of simultaneous contamination of the soil-plant complex with residual pesticides and heavy metals is becoming critical for food security and public health. Traditional risk assessment approaches, based on analyzing the isolated effects of contaminants, fail to account for the synergistic interactions between pollutants. This study presents the first comprehensive analysis of the combined toxicity of organophosphate pesticides and priority heavy metals (Pb, Cd, As) within Uzbekistan’s agroecosystems. Based on the analysis of 1,200 samples using High-Performance Liquid Chromatography with tandem Mass Spectrometry (HPLC-MS/MS) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), it was established that the presence of cadmium increases the bioaccumulation of chlorpyrifos in wheat grain by 35–50% due to the modification of root cell membrane permeability. The scientific novelty of this work lies in the development of a predictive synergistic risk model for arid agroecosystems and the experimental confirmation of the potentiation effect under combined contamination. The results obtained serve as a basis for improving the regulatory framework and monitoring systems for agricultural product safety as part of the National Development Strategy for 2026–2030.

Ключевые слова: синергетическая токсичность, продовольственная безопасность, тяжелые металлы, пестициды, комбинированное загрязнение, агроэкосистемы Узбекистана, биоаккумуляция, оценка рисков.

Keywords: synergistic toxicity, food security, heavy metals, pesticides, combined contamination, agroecosystems of Uzbekistan, bioaccumulation, risk assessment.

Введение. Современный этап развития агропромышленного комплекса Узбекистана характеризуется интенсивным применением средств химизации растениеводства, включая пестициды различных классов, при одновременном присутствии в объектах окружающей среды тяжелых металлов как природного, так и техногенного происхождения. Особую актуальность проблема комбинированного загрязнения приобретает в регионах с высокой антропогенной нагрузкой, включая Кашкадарьинскую область, где функционируют крупные газохимические комплексы.

Анализ современного состояния проблемы показывает, что существующая система нормирования, базирующаяся на концепции предельно допустимых концентраций и максимально допустимых уровней остаточных количеств пестицидов, не учитывает эффекты межкомпонентного взаимодействия поллютантов. Согласно современным токсикологическим данным, тяжелые металлы способны модифицировать токсикокинетику и токсикодинамику пестицидных соединений, что приводит к развитию эффекта "коктейля", при котором суммарная токсичность превышает аддитивный эффект отдельных компонентов.

Недостаточная изученность механизмов синергетического взаимодействия пестицидов и тяжелых металлов в специфических условиях аридных агроэкосистем Узбекистана, характеризующихся высокой минерализацией почв, щелочной реакцией среды и интенсивным водопотреблением, определяет актуальность настоящего исследования.

Цель работы — количественная оценка синергетических эффектов комбинированного загрязнения агроэкосистем Узбекистана пестицидами и тяжелыми металлами с разработкой прогностической модели интегрального риска для здоровья населения.

Материалы и методы исследований. Исследования проведены в четырех агроэкологических зонах Узбекистана с дифференциацией по уровню техногенной нагрузки. Объектами исследования выбраны Кашкадарьинская область (южный аридный пояс) как территория сопряжения газохимического производства и интенсивного земледелия, Ферганская долина (восточный плодово-овощной пояс) и Хорезмская область (северный орошаемый пояс).

Отбор 1200 проб осуществлялся по матричному принципу: почва (горизонты 0-20 и 20-40 см), оросительная вода, растительная продукция (пшеница мягкая, томаты). Пробоподготовка включала микроволновое кислотное разложение для определения валовых форм тяжелых металлов и экстракцию по методу QuEChERS для пестицидного анализа.

Количественное определение тяжелых металлов (Pb, Cd, As, Hg, Cr) выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе Agilent 7800. Идентификацию и количественное определение пестицидов проводили методами газовой и жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией на системах Agilent 7000 и Shimadzu LCMS-8060.

С учетом щелочной реакции почвенного раствора (pH 8,2-8,8) введен коэффициент биодоступности (Bioavailability Adjustment Factor), корректирующий валовые концентрации с учетом pH-зависимой миграционной способности элементов.

Оценка синергетического взаимодействия выполнена с использованием методологии токсических единиц (Toxic Unit approach):

где C_i — концентрация i-го компонента, EC_50,i — концентрация, вызывающая 50% эффект. Критерием потенциальной токсичности смеси служит TU_mixture > 1.

Интегральный индекс опасности (HI_int) рассчитывали с учетом возрастных групп населения и особенностей потребления локальной сельскохозяйственной продукции.

Статистическая обработка результатов выполнена с использованием пакета программ SPSS 26.0 с применением корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа.

Результаты исследований

Анализ пространственного распределения контаминантов выявил устойчивую закономерность формирования зон сочетанного загрязнения в районах расположения промышленных объектов. В Гузарском и Мубарекском районах Кашкадарьинской области установлено превышение ПДК по свинцу в 2,1-2,5 раза, по кадмию — в 1,5-1,8 раза при одновременной контаминации почв остаточными количествами хлорпирифоса.

Таблица 1.

Содержание приоритетных поллютантов и показатели интегрального риска в исследуемых регионах

Ключевым научным результатом исследования явилось экспериментальное подтверждение синергетического эффекта при сочетанном присутствии кадмия и хлорпирифоса. В вегетационных опытах установлено достоверное увеличение коэффициента биоаккумуляции хлорпирифоса в зерне пшеницы на 35-50% в присутствии кадмия в концентрациях 0,1-0,3 мг/кг почвы. Механизм выявленного эффекта обусловлен модификацией барьерных функций корневых систем под воздействием кадмия, что приводит к усилению транслокации пестицида в генеративные органы растений.

Расчет интегрального индекса опасности для детского населения, проживающего в зонах сочетанного загрязнения, показал значение HI_int = 3,42, что на 70% превышает прогноз, полученный при использовании аддитивной модели. Данный факт свидетельствует о существенной недооценке реальных рисков для здоровья при традиционном подходе к нормированию.

Обсуждение результатов

Выявленные закономерности пространственного распределения поллютантов подтверждают формирование устойчивых геохимических аномалий в районах размещения газохимических комплексов. Установленные концентрации свинца и кадмия в почвах Кашкадарьинской области превышают фоновые значения в 3-5 раз, что коррелирует с данными мониторинговых исследований в сходных промышленно-аграрных регионах.

Особого внимания заслуживает обнаруженный эффект потенциации биоаккумуляции пестицидов под воздействием тяжелых металлов. Полученные данные согласуются с современными представлениями о молекулярных механизмах взаимодействия поллютантов, включающих:

1. ингибирование систем детоксикации растений;
2. модификацию липидного состава мембран;
3. конкуренцию за транспортные белки;
4. образование комплексных соединений с повышенной липофильностью.

Разработанная прогностическая модель синергетического риска для аридных агроэкосистем учитывает pH-зависимую биодоступность металлов и коэффициент кумуляции пестицидов в товарной части продукции. Апробация модели на независимой выборке проб показала удовлетворительную предсказательную способность (R² = 0,82-0,88).

Практическая значимость полученных результатов заключается в обосновании необходимости пересмотра существующих нормативов безопасности сельскохозяйственной продукции с учетом коэффициентов синергетического взаимодействия контаминантов. Предложенный подход позволяет повысить точность прогноза реальных рисков для здоровья населения на 30-40% по сравнению с традиционными методами оценки.

Заключение

В результате проведенных исследований впервые для агроэкосистем Узбекистана получены количественные характеристики синергетического взаимодействия приоритетных тяжелых металлов и пестицидов. Установлено, что присутствие кадмия усиливает биоаккумуляцию хлорпирифоса в сельскохозяйственных культурах на 35-50%, что приводит к формированию интегрального индекса опасности, превышающего аддитивный прогноз на 70%.

Научная новизна работы заключается в:

• экспериментальном подтверждении механизмов синергетического взаимодействия поллютантов в системе "почва-растение" в условиях аридного климата;
• разработке прогностической модели интегрального риска с учетом региональных особенностей миграции контаминантов;
• количественной оценке вклада промышленных источников эмиссии в формирование зон сочетанного загрязнения.

Полученные результаты служат научным обоснованием для совершенствования системы экологического нормирования и разработки адаптированных к региональным условиям программ мониторинга безопасности сельскохозяйственной продукции в рамках реализации Национальной стратегии развития Республики Узбекистан до 2030 года.

Список литературы:

1. Мирхайдарова Г., Рузметов М., Турдалиев Ж. Факторы и проблемы химического загрязнения почв в Узбекистане // E3S Web of Conferences. 2024. Vol. 563. Art. 03032.
2. Аленгебави А., Абдельхалек С. Т., Куреши С. Р., Ван М. К. Токсичность тяжелых металлов и пестицидов в сельскохозяйственных почвах и растениях: экологические риски и последствия для здоровья человека // Toxics. 2021. Vol. 9, № 3. P. 42.
3. Эрнандес А. Ф., Хиль Ф., Лакасанья М. Гербициды и пестициды синергически взаимодействуют при низких концентрациях в сложных смесях // Chemosphere. 2024. Vol. 353. Art. 141431.
4. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО). Обсуждение прогресса в области рационального использования опасных химических веществ в сельском хозяйстве Узбекистана // Новости страновых профилей ФАО. 2025. [Электронный ресурс].
5. Абдин С. А., Эль-Хефни Д. Э., Гома Х. Х. и др. Оценка взаимодействия между применением пестицидов и содержанием тяжелых металлов в почвах и растениях // Assiut Journal of Agricultural Sciences. 2024. Vol. 55, № 5. P. 115–129.
6. Узаков З., Каримов Х., Узаков З. Восстановление загрязненных почв сельскохозяйственными культурами // AIP Conference Proceedings. 2024. Vol. 3184, № 1. Art. 020033.
7. Международный союз охраны природы (МСОП). Узбекистан встает на путь защиты своих ландшафтов и обеспечения безопасности продовольственных систем // Новости МСОП. 2025. [Электронный ресурс].
8. Узаков З. З., Каримов К. Н., Узаков З. У., Эшонкулов Р. А. Аккумуляция тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах и экологические ряды размещения культур // Baghdad Science Journal. 2023. Vol. 20, № 1.
9. СанПиН 0366-19. Гигиенические нормативы безопасности пищевой продукции : санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы Республики Узбекистан. Ташкент, 2019.
10. Каннингем С. Д., Берти В. Р. Рекультивация загрязненных почв с помощью зеленых растений: обзор // In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant. 1993. Vol. 29. P. 207–212.