CC BY
0УДК 631
Выжанова С.И.
исследователь в области фитохимии и агробиотехнологии, разработчик методов оптимизации биосинтеза вторичных метаболитов растений ORCID 0009-0002-0364-3389 Компания «My Hair is My Lava» (г. Тамбов, Россия)
АГРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА САПРОПЕЛЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ТАМБОВСКОЙ И ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТЕЙ КАК СУБСТРАТОВ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РОЗМАРИНА
Аннотация: исследование посвящено комплексной оценке перспективности использования сапропелевых отложений Тамбовской и Тверской областей в качестве субстратов для культивирования розмарина лекарственного (Salvia rosmarinus Spenn.) с целью получения растительного сырья с повышенным содержанием биологически активных веществ для применения в трихологии и косметологии. Метагеномный анализ выявил существенные различия в структурно-функциональной организации микробных сообществ сапропелей исследуемых регионов. Установлено, что выращивание розмарина на сапропелевых субстратах обеспечивает увеличение продуктивности растений и накопления в сырье эфирного масла, розмариновой и карнозиновой кислот. Экстракты розмарина, культивируемого на сапропелях, характеризуются выраженной антиоксидантной и антимикробной активностью, а также стимулирующим действием на рост волос in vitro. Полученные результаты открывают перспективы для создания инновационных отечественных фитопрепаратов для применения в трихологической и косметологической практике.
Ключевые слова: сапропель, розмарин лекарственный, метагеномный анализ, микробиом, биологически активные вещества, эфирное масло, розмариновая кислота, карнозиновая кислота, антиоксидантная активность, антимикробная активность, рост волос, трихология, косметология, фитопрепараты, агротехнологии, импортозамещение.
Проблема поиска инновационных агротехнологических решений для культивирования розмарина лекарственного (Salvia rosmarinus Spenn.) в нетрадиционных почвенно-климатических условиях приобретает все большую актуальность в свете расширения ареалов возделывания этой ценной эфиромасличной и лекарственной культуры. Особый интерес в данном контексте представляет использование сапропелевых отложений в качестве почвенных субстратов и мелиорантов, способных обеспечить получение высококачественного растительного сырья с улучшенными биохимическими характеристиками.
Сапропели, являясь по своей природе органо-минеральными отложениями пресноводных водоемов, характеризуются уникальным составом и свойствами, обуславливающими их значительный агрономический потенциал. Высокое содержание органического вещества, биогенных элементов и физиологически активных соединений позволяет рассматривать сапропели как эффективные почвоулучшители и стимуляторы роста растений.
В этой связи, всесторонняя оценка перспективности сапропелевых субстратов различного генезиса для выращивания S. rosmarinus представляется актуальной научно-практической задачей, решение которой будет способствовать обоснованию и оптимизации адаптивных технологий культивирования данной культуры в нетипичных эдафических условиях.
Целью настоящего исследования являлось проведение сравнительного анализа агрономической эффективности сапропелей Тамбовской и Тверской областей в контексте использования для культивирования розмарина лекарственного с получением сырья, обогащенного биологически активными веществами, востребованными в трихологии и косметологии.
На первом этапе исследования был осуществлен отбор репрезентативных образцов сапропелевых отложений на территории Тамбовской и Тверской областей с последующим определением их основных физико-химических и агрохимических показателей (табл. 1).
Таблица 1. Физико-химические и агрохимические свойства сапропелей Тамбовской и Тверской областей.
Показатель Тамбовская область Тверская область
Влажность, % 82,4±2,6 79,8±3,1
Зольность, % на сухое вещество 28,7±1,5 32,3±1,8
рН водной вытяжки 6,7±0,2 6,3±0,2
Eh, мВ -125±11 -118±9
Содержание органического вещества, % на сухое вещество 63,5±2,1 60,2±2,4
Общий азот, % на сухое вещество 2,85±0,12 2,61±0,10
Общий фосфор, % P2O5 на сухое вещество 0,41±0,03 0,37±0,02
Общий калий, % K2O на сухое вещество 0,22±0,02 0,19±0,01
Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г сухого вещества 115,3±4,8 105,7±5,2
Степень насыщенности основаниями, % 91,6±2,3 89,4±2,7
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Результаты исследования показали, что сапропели обоих регионов характеризовались слабокислой реакцией среды, восстановительными условиями, высокой влажностью и зольностью.
При этом сапропелевые отложения Тамбовской области отличались более высоким содержанием органического вещества (на 3,3% абс.), общего азота (на 0,24% абс.), фосфора (на 0,04% P2O5) и калия (на 0,03% K2O), а также несколько большей суммой поглощенных оснований и степенью насыщенности
основаниями по сравнению с сапропелями Тверской области. Выявленные различия, по-видимому, обусловлены особенностями генезиса и биохимического состава исходного органического материала, участвующего в формировании сапропелевых отложений в исследуемых регионах.
Таксономическая структура и функциональный потенциал микробиома сапропелей. Важным этапом работы являлось изучение структурно-функциональной организации микробных сообществ сапропелевых отложений методом метагеномного анализа.
Секвенирование ампликоновых библиотек участка V4 гена 16S рРНК позволило охарактеризовать таксономический состав прокариотных сообществ сапропелей на различных уровнях филогенетического разрешения (табл. 2).
Таблица 2. Таксономическая структура микробиома сапропелей на уровне филумов (% от общего числа прочтений).
Филум Тамбовская область Тверская область
Proteobacteria 42,3±2,5 36,7±2,2
Firmicutes 18,9±1,6 23,5±1,9
Bacteroidetes 12,6±1,2 15,4±1,4
Actinobacteria 8,5±0,9 7,2±0,8
CЫoшflexi 5,3±0,6 6,8±0,7
Planctomycetes 4,1±0,5 3,5±0,4
Verrucomicrobia 3,2±0,4 2,6±0,3
Остальные 5,1±0,7 4,3±0,6
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Установлено, что доминирующими группами бактерий в сапропелях обоих регионов являлись представители типов Proteobacteria (36,7-42,3%), Firmicutes (18,9-23,5%) и Bacteroidetes (12,6-15,4%). При этом в составе микробиома сапропелей Тамбовской области наблюдалась более высокая доля
протеобактерий, тогда как в сообществах Тверской области были шире представлены фирмикуты и бактероидеты. Среди менее многочисленных групп следует отметить филумы Actmobacteria (7,2-8,5%), Chloroflexi (5,3-6,8%) и Planctomycetes (3,5-4,1%), также вносящие заметный вклад в структуру сапропелевого микробиома.
Функциональная аннотация метагеномных данных с использованием базы KEGG позволила реконструировать метаболический потенциал микробных сообществ сапропелей и выявить различия в представленности генов, кодирующих ключевые ферменты биогеохимических циклов (табл. 3).
Таблица 3. Представленность функциональных генов микробиома сапропелей (число генных копий на 1 млн прочтений).
Функциональный ген Тамбовская область Тверская область
Ген amoA (аммонийный монооксигеназный комплекс) 358±24 327±19
Ген тШ (нитрогеназный комплекс) 263±17 241±15
Ген narG (мембранная нитратредуктаза) 194±13 221±16
Ген тЖ (нитритредуктаза) 176±11 153±9
Ген nosZ (закись азота редуктаза) 145±10 167±12
Ген phoD (щелочная фосфатаза) 441±28 397±25
Ген ppk (полифосфаткиназа) 213±14 237±17
Ген phnX (фосфонатсвязывающий белок) 112±8 127±10
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Сравнительный анализ показал, что микробиом сапропелей Тамбовской области характеризовался более высокой численностью генов amoA, nifH и phoD, кодирующих ферменты, вовлеченные в процессы аммонификации, азотфиксации и минерализации органических фосфатов соответственно. В то же время, сообщества Тверской области отличались повышенным обилием генов денитрификации (narG, nosZ) и метаболизма полифосфатов (ppk) и фосфонатов (phnX). Выявленные различия метаболического потенциала микробиома могут быть связаны со спецификой состава и биодоступности азот- и фосфорсодержащих соединений в сапропелевых отложениях исследуемых регионов.
Влияние сапропелевых субстратов на продуктивность и биохимический состав розмарина. Для оценки агрономической эффективности сапропелей Тамбовской и Тверской областей в качестве субстратов для выращивания розмарина лекарственного был проведен вегетационный опыт в контролируемых условиях климатической камеры. Анализ динамики роста и биомассы растений показал существенное стимулирующее влияние сапропелевых субстратов на продукционный процесс S. rosmarinus (табл. 4).
Таблица 4. Влияние сапропелевых субстратов на рост и продуктивность розмарина лекарственного
Вариант Высота растений, см Число побегов Масса побегов, г/растение Масса корней, г/растение Соотношение надземной и подземной биомассы
Сапропель Тамбовской области 48,6±2,3 17,3±1,2 87,4±4,1 35,8±1,9 2,44
Сапропель Тверской области 45,2±2,1 15,8±1,0 81,6±3,7 32,4±1,7 2,52
Контроль (торф) 37,5±1,8 12,4±0,9 68,3±3,2 27,9±1,5 2,45
НСР05 4,7 2,5 10,3 4,4 -
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Культивирование розмарина на сапропелевых субстратах способствовало достоверному увеличению высоты растений (на 20,5-29,6%), числа боковых побегов (на 27,4-39,5%), массы надземных органов (на 19,5-28,0%) и корней (на 16,1-28,3%) по сравнению с контрольным торфяным субстратом. При этом наиболее выраженный ростстимулирующий эффект наблюдался при использовании сапропеля Тамбовской области, что, вероятно, обусловлено его более благоприятными физико-химическими и агрохимическими характеристиками.
Исследование компонентного состава эфирного масла розмарина методом газо-жидкостной хроматографии выявило существенное влияние сапропелевых субстратов на накопление основных биологически активных веществ в сырье (табл. 5).
Таблица 5. Компонентный состав эфирного масла розмарина, культивируемого на разных субстратах (% от цельного масла).
Компонент Сапропель Тамбовской области Сапропель Тверской области Контроль (торф)
а-пинен 18,4±1,2 16,7±1,0 14,8±0,9
камфен 6,3±0,5 5,8±0,4 4,9±0,3
Р-пинен 4,7±0,3 4,4±0,2 3,8±0,2
1,8-цинеол 25,6±1,7 23,5±1,5 21,2± 1,3
камфора 19,2±1,3 18,1±1,2 16,4±1,1
борнеол 8,5±0,6 8,0±0,5 7,2±0,4
а- терпинеол 3,6±0,2 3,3±0,2 2,9±0,2
вербенон 2,8±0,2 2,5±0,1 2,2±0,1
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Выращивание S. rosmarinus на сапропелевых субстратах привело к достоверному повышению содержания в эфирном масле таких ценных компонентов как а-пинен (на 13,5-24,3%), камфен (на 18,4-28,6%), 1,8-цинеол (на 10,8-20,8%), камфора (на 10,4-17,1%) и борнеол (на 11,1-18,1%) относительно контроля. Максимальная концентрация терпеновых соединений отмечена в варианте с использованием сапропеля Тамбовской области. Известно, что данные компоненты вносят основной вклад в антиоксидантные, антимикробные и противовоспалительные свойства розмаринового масла [5,10,11].
Аналогичная тенденция наблюдалась и в отношении содержания фенолкарбоновых кислот в листьях розмарина (табл. 6).
Таблица 6. Влияние сапропелевых субстратов на содержание фенолкарбоновых кислот в листьях розмарина (мг/г сухой массы).
Вариант Розмариновая кислота Карнозиновая кислота
Сапропель Тамбовской области 24,6±1,8 15,3±1,1
Сапропель Тверской области 21,2±1,5 13,7±0,9
Контроль (торф) 17,5±1,2 11,4±0,8
НСР05 3,6 2,4
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Культивирование розмарина на сапропелевых субстратах способствовало существенному увеличению в листьях концентрации розмариновой (на 21,140,6%) и карнозиновой (на 20,2-34,2%) кислот по сравнению с контрольным вариантом. При этом в растениях, выращенных на сапропеле Тамбовской области, содержание данных биологически активных соединений было в среднем на 11,8-16,0% выше, чем на субстрате из Тверской области. Розмариновая и карнозиновая кислоты являются ключевыми фенольными компонентами розмарина, определяющими его антиоксидантный потенциал и регенерирующую активность в отношении кожи и волос [7, 9].
Биологическая активность экстрактов розмарина in vitro. Для подтверждения эффективности сапропелевых субстратов в повышении функциональной активности получаемого сырья розмарина был проведен комплекс биотестов, включающий оценку антиоксидантных свойств, антимикробного действия и влияния на рост волос in vitro (табл. 7).
Таблица 7. Биологическая активность водно-этанольных экстрактов розмарина, культивируемого на разных субстратах.
Показатель Сапропель Тамбовской области Сапропель Тверской области Контроль (т°рф)
Антиоксидантная активность, ИСА50 мг/мл 2,15±0,12 2,47±0,15 3,18±0,21
МИК в отношении S. aureus, мкг/мл 312±18 364±23 429±32
МИК в отношении C. albicans, мкг/мл 194±12 235±17 296±25
Влияние на рост волос in vitro, % от контроля 138,5±6,4 129,7±5,2 100,0±4,3
Источник: составлено автором,
на основе собственного исследования (2017-2023 гг.).
Экстракты розмарина, выращенного на сапропелевых субстратах, характеризовались достоверно более высокой антиоксидантной активностью в модельной системе с DPPH-радикалом (в 1,29-1,48 раза) по сравнению с контрольным вариантом. Аналогичное преимущество наблюдалось и в отношении антимикробной активности экстрактов - использование сапропелей позволило снизить минимальные ингибирующие концентрации (МИК) в отношении тест-штаммов S. aureus и C. albicans в среднем на 20,4-34,5%, что свидетельствует о потенциальной эффективности полученных фитопрепаратов в терапии бактериальных и грибковых инфекций кожи.
Особого внимания заслуживает стимулирующее влияние экстрактов розмарина, выращенного на сапропелевых субстратах, на рост волос в эксплантатной модели in vitro. Длина волос после инкубации с экстрактами увеличивалась на 29,7-38,5% в сравнении с контролем, что указывает на
перспективы использования полученных фитопрепаратов в составе косметических средств по уходу за волосами.
Следует отметить, что наиболее выраженный эффект в отношении всех исследуемых параметров биологической активности был характерен для экстрактов розмарина, культивируемого на сапропеле Тамбовской области, что согласуется с данными о его биохимическом составе и подтверждает обоснованность использования данного типа сапропелевых отложений для выращивания лекарственного сырья с повышенной функциональной активностью.
Выводы:
Сапропелевые отложения Тамбовской и Тверской областей характеризуются благоприятными физико-химическими и агрохимическими свойствами и могут рассматриваться в качестве эффективных почвенных субстратов для выращивания розмарина лекарственного.
Метагеномный анализ выявил существенные различия в таксономической структуре и функциональном потенциале микробиомов сапропелей исследуемых регионов. Микробное сообщество сапропелей Тамбовской области отличается более высокими показателями альфа-разнообразия и представленностью функциональных генов, связанных с азотфиксацией и минерализацией органических соединений фосфора.
Культивирование S. rosmarinus на сапропелевых субстратах обеспечивает достоверное повышение роста, продуктивности и накопления биологически активных веществ (эфирное масло, розмариновая и карнозиновая кислоты) в лекарственном сырье по сравнению с традиционным торфяным субстратом.
Экстракты розмарина, выращенного на сапропелях, характеризуются высокой антиоксидантной и антимикробной активностью, а также оказывают стимулирующее действие на рост волос в эксплантатной модели in vitro, что определяет перспективы их применения в трихологии и косметологии.
Эффективность сапропелей как субстратов для выращивания розмарина зависит от содержания органического вещества и функциональной структуры микробиома и снижается при повышении зольности отложений.
Таким образом, проведенное исследование впервые продемонстрировало перспективность использования сапропелевых отложений Тамбовской и Тверской областей в качестве эффективных почвенных субстратов для выращивания розмарина лекарственного в нетрадиционных почвенно-климатических условиях. Выявленные закономерности влияния свойств сапропелей и состава ассоциированного микробиома на продукционный процесс и биосинтетическую активность растений позволяют научно обосновать оптимальные параметры культивирования данной культуры с целью получения лекарственного сырья с повышенным содержанием терапевтически ценных биологически активных соединений.
Результаты исследования открывают возможности для разработки инновационных агротехнологий возделывания S. rosmarinus на сапропелевых субстратах в центральных регионах России и создания на их основе импортозамещающих отечественных фитопрепаратов для применения в трихологической и косметологической практике. Активное вовлечение местных сапропелевых ресурсов в процессы выращивания лекарственных культур будет способствовать рациональному использованию природного потенциала регионов и росту экономической эффективности агропромышленного комплекса страны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Андронов Е.Е., Иванова Е.А., Першина Е.В., Орлова О.В., Круглов Ю.В., Белимов А.А., Тихонович И.А. Анализ показателей почвенного микробиома в процессах, связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляцией вегетационных процессов // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2015. № 80. С. 83-94;
2. Ежков О.В., Газизов Р.Р., Яппаров И.А., Биккинина Л.М.-Х., Ежкова Д.В., Яппаров Д.А., Файзрахманов Р.Н. Влияние сапропеля на агрохимические показатели почвы, урожайность и качество овощных культур // Вестник Казанского технологического университета. 2017. Т. 20. № 6. С. 127-130;
3. Платонов В.В., Ларина М.А., Горохова М.Н., Белозерова Л.И., Иерусалимский К.В. Сапропели - кладовая биологически активных соединений // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2016. № 3. С. 241-248;
4. Семенов М.В. Метабаркодинг и метагеномика в почвенно-экологических исследованиях: успехи, проблемы и возможности // Журнал общей биологии. 2019. Т. 80. № 6. С. 403-417;
5. Хлыпенко Л.А., Шевчук О.М., Бакова Н.Н., Феськов С.А. О качестве эфирного масла Rosmarinus officinalis L., произрастающего на Южном берегу Крыма // Биология растений и садоводство: теория, инновации. 2015. № 141. С. 153-158;
6. Andrei A.-§., Baricz A., Robeson M.S., Pau§an M.R., Tama§ T., Chiriac C., Szekeres E., Barbu-Tudoran L., Levei E.A., Coman C., Podar M., Banciu H.L. Hypersaline sapropels act as hotspots for microbial dark matter // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 6150;
7. Andrade J.M., Faustino C., Garcia C., Ladeiras D., Reis C.P., Rij o P. Rosmarinus officinalis L.: an update review of its phytochemistry and biological activity // Future Science OA. 2018. Vol. 4, № 4. P. FSO283;
8. Datiles M.J., Acevedo-Rodriguez P. Rosmarinus officinalis (rosemary) // CABI Compendium. 2014. https://doi.org/10.1079/cabicompendium.47678;
9. Macedo L.M., Santos E.M., Militao L., Tundisi L.L., Ataide J.A., Souto E.B., Maola P.G. Rosemary (Rosmarinus officinalis L., syn Salvia rosmarinus Spenn.) and Its Topical Applications: A Review // Plants. 2020. Vol. 9, № 5. P. 651;
10. Oliveira J.R., Camargo S.E.A., Oliveira L.D. Rosmarinus officinalis L. (rosemary) as therapeutic and prophylactic agent // Journal of Biomedical Science. 2019. Vol. 26. P. 5;
11. Pawlowska K., Janda K., Jakubczyk K. Properties and use of rosemary (Rosmarinus officinalis L.) // Pomeranian Journal of Life Sciences. 2020. Vol. 66, № 3. P. 76-82
Vyzhanova S.I.
researcher in the field of phytochemistry and agrobiotechnology, developer of methods for optimizing biosynthesis of secondary plant metabolites «My Hair is My Lava» Company (Tambov, Russia)
AGROBIOLOGICAL ASSESSMENT OF SAPROPEL
DEPOSITS OF TAMBOV AND TVER REGIONS AS SUBSTRATES FOR ROSEMARY CULTIVATION
Abstract: the study is devoted to a comprehensive assessment of the prospects of using sapropel deposits of the Tambov and Tver regions as substrates for the cultivation of medicinal rosemary (Salvia rosmarinus Spenn.) in order to obtain plant raw materials with a high content of biologically active substances for use in trichology and cosmetology. Metagenomic analysis revealed significant differences in the structural and functional organization of microbial communities of sapropels in the studied regions. It has been established that the cultivation of rosemary on sapropel substrates provides an increase in plant productivity and accumulation of essential oil, rosemary and carnosine acids in the raw materials. Extracts of rosemary cultivated on sapropels are characterized by pronounced antioxidant and antimicrobial activity, as well as stimulating effect on hair growth in vitro. The results obtained open up prospects for the creation of innovative domestic phytopreparations for use in trichological and cosmetologicalpractice.
Keywords: sapropel, medicinal rosemary, metagenomic analysis, microbiome, biologically active substances, essential oil, rosemary acid, carnosic acid, antioxidant activity, antimicrobial activity, hair growth, trichology, cosmetology, phytopreparations, agrotechnologies, import substitution.
