Оценка элементного химического состава растений Leonurus quinquelobatus (на примере Западной Сибири)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка элементного химического состава растений Leonurus quinquelobatus (на примере Западной Сибири)

Ю.В. Загурская, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии; Т.И. Сиромля Институт почвоведения и агрохимии; СО РАН

Аннотация

Проведена экологическая оценка содержания и особенностей накопления химических элементов растениями Leonurus quinquelobatus в различных экологических условиях на юге Западной Сибири. Отмечена статистически значимая разница содержания Cu, Ga, Fe, K, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Sr, Ti, V, Y, Yb, Zn, Zr в растениях L. quinquelobatus из различных регионов Западной Сибири. В алтайских образцах выявлено наиболее высокое валовое содержание К и Cu, в кемеровских - Mn и Na, остальные элементы преобладали в растениях из Новосибирска. Более высокое валовое содержание ряда химических элементов может быть вызвано повышенной запыленностью растений (часть элементов содержится не в тканях растений, а в мелкодисперсных почвенных частицах, осевших на их поверхности), что подтверждают показатели содержания подвижных форм химических элементов и их степени извлекаемости.

Исследованные нами растения L. quinquelobatus соответствуют требованиям к общей зольности, содержанию золы, нерастворимой в 10%-ной HCl, а также концентрации нормируемых химических элементов в лекарственном растительном сырье. Отмечена значительная вариабельность коэффициентов биологического поглощения и биогеохимической подвижности. L. quinquelobatus относится к гумидокатному типу растений. Интенсивность накопления Cr, Pb, Co Zn и B ниже среднестатистических.

Ключевые слова: пустырник пятилопастной, потенциально токсичные элементы, тяжелые металлы, лекарственное растительное сырье, экологическая оценка

Abstract

Chemical Composition of Leonurus quinquelobatus in Western Siberia

Y.V. Zagurskaya, Federal research center on coal and coal chemistry; Т.І. Siromlya Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian branch, Russian academy of sciences

The chemical composition of plants should be studied in order to understand the role of environmental factors in accumulation of various chemical elements by them, as well as to make a better sense of the specifics of potential resource plants. The safety of the content and accumulation of chemical elements in the phytomass of Leonurus quinquelobatus Gilib. under different environmental conditions in the south of Western Siberia has been assessed. The concentrations of chemical elements have been studied using the ashes of plants grown from genetically homogeneous seeds in the following three regions of the south of Western Siberia: Kemerovo, Novosibirsk, and the Altai Republic (Kamlak).

The content of chemical elements in the ash of L. quinquelobatus has been determined by the atomic-emission method using a double-jet argon arc plasmatron and a multichannel analyzer of emission spectra. The content of chemical elements in the extracts has been determined by the atomic absorption method. The concentrations of As and Hg have been found according to the State Standard R 51766-2001 and R 53183-2008, respectively. Statistically significant (p < 0.05) differences in the content of chemical elements contained by the L. quinquelobatus phytomass from different geographical locations in Western Siberia have been revealed for Cu, Ga, Fe, K, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Sr, Ti, V, Y, Yb, Zn, and Zr. It has been shown that the concentrations of As and Hg are below the detection limit.

The phytomass of the samples from the Altai Republic has the highest K and Cu content. The contents of Mn and Na are highest in the samples from the Kemerovo region with other chemical elements showing highest levels in plants from the Novosibirsk region. The revealed content of the available forms of chemical elements in plants suggests that the high total concentration of some chemical elements in plants sampled from the Novosibirsk region is most likely due to dust accumulation, because some chemical elements have been shown to be contained in solid soil particles on the plant surface, rather than inside the plant phytomass. The coefficients of biological uptake and biogeochemical mobility vary to a significant degree. The overall total and insoluble (in 10% HCl) ash content and the content of chemical elements in the L. quinquelobatus plants have been found to comply with the regulation requirements for medicinal plants. The accumulation of cation-forming elements prevails in plants of this species. The accumulation of Cr, Pb, Co, Zn, and B in the L. quinquelobatus phytomass has been found to be below average values.

Keywords: Leonurus quinquelobatus Gilib., potentially toxic elements, heavy metals, raw material for herbal medicines, environmental assessment

химический растение запыленность экологический

Введение

Растения - одни из наиболее исследованных и признанных объектов биомониторинга загрязнения почв потенциально опасными химическими элементами (ХЭ). Изучение закономерностей концентрирования ХЭ высшими растениями, на которые наиболее значительное влияние оказывают условия среды и видовая специфика, дает возможность познания эволюционных процессов в биосфере и оценки ее устойчивости к интенсивным техногенным воздействиям [1].

Исследование элементного химического состава не только решает важную теоретическую задачу: определение роли факторов окружающей среды в накоплении связанных и подвижных форм химических элементов растениями различных таксонов, но и имеет огромное практическое значение для потенциально ресурсных растений. В настоящее время интенсивно развивается лекарственное растениеводство, особенно в направлении интродукции и реинтродукции редких и исчезающих видов растений [2], а также с целью повышения продуктивности биомассы растений и улучшения качества получаемого сырья, в том числе для рудеральных, разреженно произрастающих в большинстве ценопопуляций или ограниченно распространенных растений. При этом одной из основных проблем, отмечаемых исследователями, является снижение качества растительного лекарственного сырья вследствие влияния на растения индустриальной и транспортной нагрузки, что особенно актуально для крупных городов и прилегающих к ним территорий [3].

Антропогенное накопление и трансформация химических элементов в почвенной среде представляют собой реальную угрозу для здоровья живых организмов и устойчивости биосферы. Одним из наиболее масштабных источников загрязнения среды потенциально опасными элементами в настоящее время является автомобильный транспорт [4, 5]. Серьезной экологической проблемой является также загрязнение всех компонентов природных сред вредными веществами в районах интенсивной добычи, переработки и эксплуатации угля [6, 7].

Лекарственным действием обладают многие виды рода Leonurus L. (сем. Lamiaceae): в европейской медицине траву Leonurus cardiaca L. (пустырника сердечного) использовали при нервных и сердечных заболеваниях, расстройствах пищеварения, аменорее, а также наружно при ранах [8]. В современной медицине препараты травы пустырника принимают как нейро - и кардиопротекторное средство, действие которого обеспечивается богатым составом биологически активных веществ [9, 10]. Аналогичное действие на сердечно-сосудистую систему отмечено для растения китайской народной медицины Leonurus japonicus Houtt. [11]. Растение монгольской народной медицины - Leonurus sibiricus L. - применяется при лечении сахарного диабета 2-го типа [12], он также обладает антибактериальной активностью [13].

Leonurus quinquelobatus Gilib. (пустырник пятилопастной) - многолетнее травянистое лекарственное растение, которое в Российской Федерации применяется для создания лекарственных препаратов наряду с L. cardiaca, согласно Государственной фармакопее 1990 и 2015 гг. [14, 15], он также обладает выраженным седативным и антигипертензивным действием [16]. Вопросы содержания химических элементов и их зависимости от различных факторов практически не исследованы не только для растений вида L. quinquelobatus, но и для рода Leonurus в целом, включая наиболее филогенетически близкий таксон [17] - cardiaca L. (пустырник сердечный).

Цель настоящей работы - экологическая оценка содержания и особенностей накопления ХЭ растениями Leonurus quinquelobatus на примере Западной Сибири.

Для этого были поставлены следующие задачи: определить содержание ХЭ в растениях L. quinquelobatus при выращивании в различных экологических условиях на юге Западной Сибири и установить содержание подвижных форм ХЭ в растениях, а также рассчитать коэффициенты биологического накопления, биогеохимической подвижности, биогеохимической активности вида.

Материал и методы исследований

Растения выращивали из генетически однородного материала рассадным способом в трех регионах юга Западной Сибири на опытных участках: Кузбасский ботанический сад Института экологии человека СО РАН (г. Кемерово); Сад мичуринцев Новосибирского государственного аграрного университета (НГАУ) (г. Новосибирск); Горно-Алтайский ботанический сад (с. Камлак). Сбор образцов растений проводили в 2011 и 2012 гг. в фазу цветения согласно требованиям Государственной фармакопеи СССР [14], даты сбора различались в зависимости от года и региона [18]. Для сравнения исследовали образцы аптечного препарата Leonuri herba.

Сад мичуринцев НГАУ находится в урбанизированной среде г. Новосибирска, вблизи двух автомагистралей с интенсивным движением, что обусловливает существенную транспортную нагрузку на растения. Территория Кузбасского ботанического сада расположена на окраине левобережной части г. Кемерово, одного из крупнейших угледобывающих и перерабатывающих центров Западной Сибири. Контрольный участок - Горно-Алтайский ботанический сад - находится в окрестностях с. Камлак Шебалинского района Республики Алтай, занимает урочище Чистый луг в смешанном лесу. Все регионы проведения исследований имеют близкие показатели и сходные тенденции изменения климатических факторов. По суммарной степени загрязнения окружающей среды в результате хозяйственной деятельности человека наиболее высокие показатели характеризуют Кемеровскую и Новосибирскую области.

Общее содержание ХЭ определяли после сухого озоления методом атомноэмиссионного спектрографического анализа (установка для проведения исследований включает источник возбуждения спектров - дуговой аргоновый двухструйный плазмотрон (ДДП, Россия), устройство для распыления и подачи в плазменную струю исследуемого тонкодисперсного порошка, спектрометр (PGS-2, Германия), многоканальный анализатор эмиссионных спектров (МАЭС, Россия)). Концентрацию As и Hg определяли по ГОСТ Р 51766 -2001 и ГОСТ Р 53183-2008 [19, 20]. Анализ содержания ХЭ, извлекаемых из растений раствором 10%-ной HCl, проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе Квант-2А (Россия). Содержание ХЭ приведено в пересчете на абсолютно-сухое вещество.

В качестве стандартов использованы отраслевой стандартный образец состава травяной муки злаковой (гранулированной) (ТМЗг-01) ОСО № 10-176-2011 и стандартный образец состава листа березы (ЛБ-1) ГСО 8923-2007. Полученные результаты определения ХЭ в стандартах укладывались в их аттестованные значения. Общую зольность и количество золы, не растворимой в 10%-ной HCl, определяли согласно Государственной фармакопее Российской Федерации 2015 г. [21]. Степень извлечения а определяли как отношение содержания ХЭ, извлекаемого раствором 10%-ной HCl, к валовому содержанию ХЭ в растительном сырье, в процентах.

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью пакета программ SNEDECOR. Нормальность распределения исследуемых ХЭ определялась по критериям Уилка - Шапиро, проверка гипотез о равенстве дисперсий в нормально распределенных выборках проводилась по критериям Кохрена. При подтверждении гипотезы в дальнейшем проводился однофакторный параметрический дисперсионный анализ. Анормальное распределение было выявлено для Ca и Cr, для этих элементов вместо средних арифметических значений были рассчитаны медианы, а также проведен непараметрический дисперсионный анализ по критериям Краскела - Уоллиса. Во всех процедурах статистического анализа критический уровень значимости р принимался равным 0.05.

Результаты и их обсуждение

Согласно полученным данным в зависимости от региона выращивания существенно не различалось валовое содержание B, Ba, Be, Cd, Co, Mg, P, Ca и Cr (табл. 1), для остальных элементов разница статистически значима. Общая зольность и количество золы, нерастворимой в 10% -ной HCl, соответствуют требованиям Государственной фармакопеи РФ, предъявляемым к качеству сырья (12% и 6 % соответственно) [21]. Концентрация As и Hg оказалась ниже предела обнаружения.

Растения L. quinquelobatus, выращенные в условиях Горного Алтая, содержат наименьшее количество большинства исследованных ХЭ, в том числе тяжелых металлов. Помимо «экологической чистоты» данного региона, существенную роль играет почвенный фактор - почвы опытных участков характеризуются тяжелосуглинистым гранулометрическим составом (около 50% фракции физической глины) и содержат большое количество гумуса (около 8.5%), что приводит к уменьшению подвижности ХЭ в почвах и снижению их доступности растениям [22].

В алтайских образцах наиболее высокие содержания выявлены только для К (одного из жизненно необходимых элементов) и Cu (установленная концентрация входит в оптимальный диапазон [23], поэтому данный элемент стоит также рассматривать как жизненно необходимый). В растениях из Кемерово (региона с наибольшей техногенной нагрузкой) выявлено максимальное содержание Mn и Na, а вовсе не потенциально токсичных элементов. Максимум валового содержания большинства исследованных ХЭ, в том числе и потенциально опасных, характеризует не растения из Кемерово, а новосибирские образцы - Ga, Fe, Mo, Ni, Pb, Si, Sn, Sr, Ti, V,Y, Yb, Zn, Zr. Это напрямую связано с физико-химическими свойствами почв новосибирского экспериментального участка - они являются легкосуглинистыми и содержат практически в 2 раза меньше гумуса, чем алтайские почвы [22], что способствует увеличению подвижности ХЭ и делает их более доступными для растений.

Кроме того, новосибирские растения являются наиболее «запыленными» - содержание золы, нерастворимой в 10%-ной HCl, в них в 2-4 раза выше, чем в других регионах, что также может являться одной из причин максимального содержания большинства исследованных ХЭ в новосибирских образцах L. quinquelobatus и отражает повышенную транспортную нагрузку на эти растения. Их повышенную запыленность подтверждает содержание кремния и хром-никелевое отношение (в 2 раза выше, чем в алтайских образцах).

Табл. 1 Валовое содержание химических элементов в траве Leonurus quinquelobatus при выращивании в регионах Западной Сибири (мг/кг)

Исследованные нами растения L. quinquelobatus соответствуют требованиям Государственной фармакопеи РФ по содержанию золы, нерастворимой в 10%- ной HCl, и общей зольности, а также к количеству нормируемых химических элементов, предъявляемых к растительному лекарственному сырью и БАД на растительной основе. Валовое содержание большинства макро - и микроэлементов в западносибирских растениях L. quinquelobatus достаточно близко кларкам в растительности суши и диапазону оптимального содержания в листьях растений. Высокое содержание в растениях региона Ba и Sr уже отмечалось нами ранее, в том числе и для других видов растений, и связано как с почвенно-геохимической обстановкой, так и с природно-климатическими условиями.

Не выявлено статистически значимых региональных отличий в валовом содержании B, Ba, Be, Cd, Co, Mg, P, Ca и Cr. В алтайских образцах наиболее высокие содержания установлены для К и Cu, в кемеровских - для Mn и Na, в новосибирских - для Ga, Fe, Mo, Ni, Pb, Si, Sn, Sr, Ti, V,Y, Yb, Zn, Zr. Повышенная концентрация ХЭ в новосибирских растениях объясняется физико - химическими свойствами почв опытного участка (в частности, легким гранулометрическим составом и относительно низким содержанием гумуса), а также результатом более высокой транспортной нагрузки на данный экспериментальный участок, приводящей к увеличению запыленности растений, что отражается в существенном снижении степени извлекаемости ХЭ. Повышения содержания потенциально опасных химических элементов в растениях L. quinquelobatus в условиях промышленно развитого региона не наблюдается.

По накоплению катионогенных и анионогенных ХЭ L. quinquelobatus относится к гумидокатному типу растений. Для коэффициентов биологического поглощения и биогеохимической подвижности наблюдается определенная вариабельность, интенсивность накопления некоторых элементов (Cr, Pb, Co Zn и B) в условиях Западной Сибири оказалась несколько ниже среднестатистических, а для ХЭ, характеризующихся наибольшей подвижностью в почвах (Ca, Sr и Cd), коэффициент В_х оказался ниже, чем А_х.

Литература

1. Уфимцева М.Д. Закономерности накопления химических элементов высшими растениями и их реакции в аномальных биогеохимических провинциях // Геохимия. - 2015. - № 5. - C. 450-465.

2. Петрищева Т.Ю., Янович А.И. Вопросы реинтродукции и культуры выращивания лекарственных растений в условиях Центрального Черноземья // В мире науч. открытий. - 2016. - Т. 21, Вып. 9. - C. 105-112

3. Kosheleva N.E., Kasimov N.S., Vlasov D. V. Impact of geochemical barriers on the accumulation of heavy metals in urban soils // Dokl. Earth Sci. - 2014. - V. 458, No 1. - P. 1149-1153.

4. Asagba E. U., Okieimen F.E., Osokpor J. Screening and speciation of heavy metal contaminated soil from an automobile spare-parts market // Chem. Speciation Bioavailability. - 2007. - V. 19, No 1. - P. 9-15.

5. Вишневая Ю.С., Попова Л.Ф. Влияние автотранспорта на загрязнение почвенного покрова г. Архангельска тяжелыми металлами // Вестн. Северного (Арктического) фед. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2016. - № 2. - C. 32-41.

6. Galiulin R.V., GaliulinaR.A. Heavy metal pollution in the territory of Chelyabinsk upon coal combustion // Solid Fuel Chem. - 2013. - V. 47, No 2. - P. 129-131.

7. Тарасова Н.П., Осипов К.Ю., Осипова Н.А., Языков Е.Г. Тяжелые металлы в почвах в районах воздействия угольных предприятий и их влияние на здоровье населения // Безопасность в техносфере. - 2015. - Т. 4, № 2. - C. 16-26. -

8. Wojtyniak K., Szymanski M., Matlawska I. Leonurus cardiaca L. (Motherwort): A review of its phytochemistry and pharmacology // Phytother. Res. - 2012. - V. 27, No 8. - P. 1115-1120.

9. Ritter M., Melichar K., Strahler S., Kuchta K., Schulte J., Sartiani L., Cerbai E., Mugelli A., Mohr F.-W., RauwaldH. W., Dhein S. Cardiac and electrophysiological effects of primary and refined extracts from Leonurus cardiaca L. (Ph.Eur.) // Planta Med. - 2010. - V. 76, No 6. - P. 572-582.

10. Rastogi S., Pandey M.M., Rawat A.K.S. Traditional herbs: A remedy for cardiovascular disorders // Phytomedicine. - 2016. - V. 23, No 11. - P. 1082-1089.

11. Zhao J., Lv G.P., Chen Y.W., Li S.P. Advanced development in analysis of phytochemicals from medicine and food dual purposes plants used in China // J. Chromatogr. A. - 2011. - V. 1218, No 42. - P. 7453-7475.

12. Schmidt S., Jakab M., Jav S., Streif D., Pitschmann A., Zehl M., Purevsuren S., Glasl S., Ritter M. Extracts from Leonurus sibiricus L. increase insulin secretion and proliferation of rat INS-1E insulinoma cells // J. Ethnopharmacol. - 2013. -V. 150, No 1. - P. 85-94.

13. Ahmed F., Islam MA., Rahman M.M. Antibacterial activity of Leonurus sibiricus aerial parts // Fitoterapia. - 2006. - V. 77, No 4. - P. 316-317

14. Государственная фармакопея СССР: Вып. 2. - М.: Медицина, 1990. - 400 с.

15. Государственная фармакопея Российской Федерации XIII издания. Т. 2. - М, 2015. - 1004 с.

16. Rвcz G., Rвcz-Kotilla E. Sedative and Antihypertensive Activity of Leonurus quinque- lobatus // Planta Med. - 1989. - V. 55, No 1. - P. 97.

17. Marciniuk P., Gawrohska B., Marciniuk J., Joachimiak A.J. Taxonomic individuality of Leonurus cardiaca and Leonurus quinquelobatus in view of morphological and molecular studies // Plant Syst. Evol. - 2014. - V. 300, No 2. - P. 255-261.

18. Загурская Ю.В., Баяндина И.И., Сиромля Т.И., Сысо А.И., Дымина Е.В., Вронская О.О., Казанцева Л.М. Качество сырья лекарственных растений при выращивании в антропогенно нарушенных регионах Западной Сибири на примере Hypericum perforatum L. и Leonurus quinquelobatus Gilib // Химия растительного сырья. - 2013. - № 4. - С. 141-150.

19. ГОСТ Р 51766-2001. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения мышьяка. - М., 2011. - 10 с.

20. ГОСТ Р 53183-2008. Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Определение ртути методом атомно-абсорбционной спектрометрии холодного пара с предварительной минерализацией пробы под давлением. - М., 2009. - 8 с.

21. Государственная фармакопея Российской Федерации XIII издания. Т. 3. - М., 2015. - 1294 с.

22. Сиромля Т.И., Сысо А.И., Загурская Ю.В., Баяндина И.И. Эколого-агрохимическая оценка состава и свойств почв ботанических садов юго-востока Западной Сибири // Агрохимия. - 2017. - № 10. - С. 16-23.

23. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. - Boca Raton, FL: Crc Press., 2010. - 548 p.

24. Губанов И.А., Киселева К.В., Новиков В.С., Тихомиров В.Н. Иллюстрированный определитель растений Средней России: в 3 т. - М.: Т-во науч. изд. КМК, 2004. - Т. 3: Покрытосеменные (двудольные: раздельнолепестные). - 665 с.

25. Перельман А.И., КасимовН.С. Геохимия ландшафта. - М.: Астрея-2000, 1999. - 610 с.

26. Романкевич Е.А. Живое вещество Земли (биогеохимические аспекты проблемы) // Геохимия. - 1988. - № 2. - С. 292-306.

27. СанПиН 2.3.2.1078-01 Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. - M., 2001. - 144 с.

28. Рупасава Ж.А., Русаленка В.Г., Ігнаценка В.А., Рудакоуская Р.М., Афанаскіна Ї.П. Асаблівасці мінеральнага абмену лекавых культур ваумовах Беларусі // Весці Акад. навук Беларусі. Сер.біялагічньїх. навук. - 1994. - № 2. - С. 3-9.

29. Тарасенко С.А., Брилева С.В., Белоус О.А. Физиолого-биохимические основы высокой продуктивности лекарственных растений в агроценозах. - Гродно: ГГАУ, 2008. - 191 с.

30. Самсонова О.Е., Маликова И.В., Федотова Н.Н., Надеин О.Н., Судакова Н.В. Фронтальный элементный анализ как критерий качества растительного сырья // Вестн. Северо-Кавказ. фед. ун-та. - 2015. - T. 48, № 3. - С. 35-37.

31. Остапко И.Н. Сравнительный анализ содержания элементов полезных растений из коллекций Донецкого ботанического сада НАН Украины // Промышл. ботаника. - 2003. - № 3. - С. 87-90.

32. Ловкова М.Я., Рабинович А.М., Пономарева С.М., Бузук Г.Н., Соколова С.Н. Почему растения лечат. - М.: Наука, 1990. - С. 142-143.