В природных средах протекает с участием как абиотических, так и биотических реакций.
К абиотическим процессам относится разложение пестицидов вследствие гидролиза, окисления кислородом воздуха, растворения, термической и фотохимической деструкции до простейших веществ.
1. Гидролиз пестицидов ведет к образованию их гидроксианалогов, не обладающих фитотоксичными свойствами. Гумусовые кислоты и глинистые минералы в этих процессах выполняют каталитическую роль, они повышают скорость разложения пестицида. Причем значительная роль почвенных минералов-катализаторов в абиотической деградации пестицидов была подтверждена только недавно (McBride, 1994; Huang, 1999, 2000). Наиболее легко гидролизу подвергаются фосфорорганические пестициды и карбаматы.
2. Фотохимическое превращение и разложение пестицидов происходит под действием энергии солнечного света, в котором наиболее важную роль играют УФ лучи. Фотохимическая деградация пестицидов — сложный физико-химический процесс, зависящий от химической природы и строения соединения, его физического состояния, интенсивности и длины волны света, природной среды, в которой находится пестицид, присутствия фотосенсибилизаторов, катализаторов и окислителей (Панин, 2002). Фотолиз эффективен в регионах с высокой солнечной активностью.
3. Среди окислительно-восстановительных реакций более значительную роль играют реакции окисления, которые катализируются ионами тяжелых металлов. При этом образуются органические радикалы, которые в дальнейшем могут вступать в разнообразные реакции.
Окисление пестицидов в водах возможно под влиянием перекиси водорода. Н2O2 — неотъемлемая часть природных вод. Она образуется преимущественно биохимическим путем диатомовыми и зелеными водорослями. Возможно образование ее как промежуточного продукта при фотохимических и каталитических реакциях окисления органических веществ. Содержание Н2O2 в природных водах может достигать 10-5 моль/л. Перекись водорода может играть ведущую роль в окислительной деструкции хлор — и фосфорорганических соединений, ГХЦГ, ДДТ, ПХБ, нефтепродуктов, соединений азота, фенола, тиосоединений. Эффект состоит в том, что на свету происходит фотолиз Н2O2, в результате образуются гидроксильные радикалы, которые взаимодействуют с органическими компонентами природных вод, образуя малореакционные соединения.
Биотические реакции разложения пестицидов протекают быстрее, чем абиотические. Считается, что именно биотические реакции контролируют деградацию пестицидов в окружающей среде. Но биотическая трансформация пестицидов ограничена влиянием абиотических трансформационных процессов, особенно процессами взаимодействия с почвенными минералами.
Абиотические процессы разложения пестицидов могут доминировать в некоторых условиях, например в аридных зонах, где в течение долгих сухих сезонов значительно снижена микробиологическая активность (Huang, 2000).
Структура большинства синтетических пестицидов представляет собой относительно простой углеводородный скелет с разнообразными заместителями (галогены, фосфатные группы, нитрогруппы), которые могут подвергаться воздействию микробных ферментов и использоваться в качестве энергетического субстрата.
Другие пестициды содержат структуры, не известные в природе, и многие из этих молекул устойчивы к биотрансформации, т. е. устойчивость к биоразложению обусловлена необычными химическими связями или заместителями в структуре ксенобиотика. После удаления этих заместителей углеродный скелет пестицида легко подвергается минерализации микроорганизмами.
Рассматриваются две стратегии микробной трансформации пестицидов: минерализация и кометаболизм.