CC BY
144
Химия растительного сырья. 2001. №1. С. 79-84.
УДК 630. 187.1 : 630.425 ЭФИРНЫЕ МАСЛА СОСНЫ КАК ИНДИКАТОР ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ
© О.В. Сотникова, Р.А. Степень*
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail [email protected]
Изучены и проанализированы данные по индикации окружающей среды по содержанию эфирного масла хвои и его компонентному составу. Показано, что по мере ее загрязнения возрастает содержание эфирного масла. Индикация по этим показателям объективнее и экспресснее по сравнению с визуальными наблюдениями и изменением элементного состава.
Введение
Усиливающееся загрязнение воздушной среды - реальность современного мира. Существующая система контроля ее состояния, опирающаяся в основном на физико-химические методы, позволяет оценить его компонентный состав, но из-за неполноты и сочетанного эффекта не дает должного представления о мере воздействия на живые организмы [1]. В связи с этим полученные данные часто дополняют результатами визуальных наблюдений и путем анализа минерального состава растений, произрастающих на этой территории. Такая информация может оказаться весьма полезной при оценке воздействия окружающей среды. Однако отмечаемые отклонения нередко проявляются со значительной задержкой, обусловливаются другими причинами или укладываются в диапазон адаптивного варьирования. По этой причине наряду с такими сведениями важно располагать данными по изменчивости соединений, участвующих в метаболизме. В связи с этим для оценки загрязнения воздушной среды городов и промышленных зон полезно использование информации по составу метаболитов растений, активно применяемых при озеленении.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служила сосна обыкновенная (Pinus silvestris L.), которая весьма чувствительна к загрязнению воздушной среды [2]. В качестве диагностического органа взята хвоя -ассимиляционный аппарат, который в первую очередь реагирует на изменения окружающей среды. В его тканях раньше всего проявляются вызванные промышленными эмиссиями изменения [3].
При проведении иследований было выбрано 6 пробных площадей сосны обыкновенной, 2 из которых взяты в качестве контрольных и 4 в разных районах Красноярска. Сопоставление данных по контрольным и подверженных различному антропогенному воздействию участков насаждений позволяет
* Автор, с которым следует вести переписку.
выявить обусловленные им изменения. Краткая характеристика пробных площадей приведена в таблице 1.
Изменение состояния насаждений изучали при сравнении содержания и состава эфирного масла и минеральных компонентов хвои. Ее отбор производили в середине крон 10-ти деревьев в течение 1998— 2000 гг. Для анализа использовали хвою в целом без деления по возрастам. Эфирное масло из хвои отгоняли с водяным паром. Его выход находили волюмометрическим, компонентный состав -хроматографическим путем. Концентрацию металлов определяли рентгено-флуоресцентным, серы -титрометрическим, фтора - колориметрическим методами.
Обсуждение результатов
Растительный организм характеризуется определенным адаптационным комплексом к условиям окружающей среды. Он обеспечивает относительную гомеостатичность самих организмов и видоспецифическую трансформацию веществ, используемых в процессе жизнедеятельности. Важную информацию об этих свойствах несет химический состав растений. В частности, заметную роль в продуцировании растениями органического вещества и регулировании его качественного состава играют металлы. В обычных условиях основным источником их поступления является почва и незначительным - атмосфера. В условиях аэротехногенного загрязнения существенно возрастает доля аэротехногенных загрязнителей [4].
Количественное содержание отдельных минеральных элементов в хвое, непосредственно характеризующих специфику поглощенных растениями загрязнений, приведено в таблице 2. Различия их концентраций свидетельствует о возможности индикации состояния деревьев по накоплению элементов. Особенно отчетливо оно проявляется при сопоставлении вклада главных загрязнителей атмосферы -фтора, серы и тяжелых металлов.
Так, хвоя сосны чистого насаждения (массив за городом) содержит почти вдвое меньше серы и фтора по сравнению с городскими насаждениями, где их концентрация также различна и зависит от степени техногенной нагрузки. В городских насаждениях от студгородка к парку «Сибтяжмаш» возрастает и содержание тяжелых металлов (Бе, Си, РЬ, N1, Сг, Т1, V, Мо, Со). Тенденция накопления марганца и цинка характеризуется противоположной направленностью. Ими, как правило, в большей мере обогащена хвоя деревьев, произрастающих в более чистых районах. Вероятно, это связано с проявлением антагонизма между этими элементами и железом [5].
Таблица 1. Характеристика опорных участков сосновых насаждений
Район произрастания Расположение участка Внешние признаки повреждения
Массив за городом 10 км за городом Видимых повреждений нет
Академгородок Окраина города Видимых повреждений нет
Студгородок Окраина города Слабое возобновление
Г ородской парк Центр города Заметны внешние признаки повреждений
Зеленая Роща Уличное озеленение Изреживание крон
Парк "Сибтяжмаш" Участок в промышленном районе Хвоя розеточного типа; значительная изреженность крон
Таблица 2. Концентрация отдельных элементов в хвое сосны разных участков, мг/кг абс. сухой массы
Элементы
Ее Си Мп 7п РЬ N1 Сг Ті V Мо Со Е Б
Парк «Сибтяжмаш» 600 10.0 41 39 1.96 5.55 8.52 0.17 1.85 0.481 1.26 190 2200
Зеленая Роща 395 13.0 58 39 2.27 6.35 6.40 0.16 1.83 0.336 0.96 210 2000
Студгородок 234 6.7 82 44 1.17 3.48 4.90 0.14 1.03 0.265 0.30 120 1800
Массив за городом 134 6.7 83 52 0.96 3.96 3.30 0.05 1.00 0.264 - 100 1300
Кроме того, антропогенное загрязнение атмосферы отражается на водном режиме растений. Возможно, это объясняется снижением поглощающей способности корней и нарушением слоя эпикутикулярного воска на поверхности хвои под действием загрязнителей [6]. Экспериментально такое представление подтверждается уменьшением влажности хвои по мере приближения к городу или повышением загрязнением среды. Влажность образцов, отобранных в массиве на станции Кемчуг (85 км к западу от Красноярска) - 55,7%, в пригородном лесу (10 км) - 54,9%, академгородке - 52,6%, городском парке - 51,4%, Зеленой Роще - 49,9%, парке «Сибтяжмаш» - 47,9%.
Одной из чувствительных реакций ранней диагностики состояния древостоя является изменение содержания и состава различных терпеноидных соединений. К ним относятся некоторые природные ростовые вещества, а также летучие терпеноиды, практически представляющие собою эфирные масла хвойных пород [3, 7].
Результаты обработки данных по содержанию эфирного масла в ассимиляционном аппарате сосновых насаждений, произрастающих на лесной и городских территориях, свидетельствуют о сложном характере его накопления (табл. 3).
Оно является результатом как минимум двух разных процессов. Прежде всего образование терпеноидов определяется скоростью протекания биоценотических реакций, которая зависит от эдафических и ряда других биоценотических факторов. Их некоторое различие, естественное для природных ассоциаций, обусловливает изменчивость вклада эфирного масла в ассимиляционном аппарате разных участков. Незначительное варьирование его содержания около определенного среднего уровня может рассматриваться как один из признаков стабильного состояния участков леса. Для пригородных сосняков (пробные площади заповедника «Столбы») оно найдено равным 1,06% от
а.с.м. [7].
Невысокий уровень загрязнения атмосферы как неблагоприятный фактор ведет к снижению интенсивности биосинтеза фитоорганических веществ, включая и терпеноиды. По-видимому, этим и объясняется уменьшение вклада эфирного масла в хвое соснового массива в академгородке.
Таблица 3. Содержание эфирного масла в хвое сосны обыкновенной, % от а.с.м.
Район произрастания Содержание эфирного масла
Пригородные леса 1,06
Академгородок 1,00
Городской парк 0,86
Зеленая Роща 1,24
Парк «Сибтяжмаш» 0,64
При дальнейшем нарастании аэротехногенной нагрузки «включается» механизм образования защитных, в том числе терпеноидных веществ [8, 9], что обусловливает повышение их запасов. Их синтез обеспечивается преимущественно за счет утилизации находящихся в растении простых и сложных углеводов [10]. При этом подтверждается представление о том, что накопление терпеноидов в хвое коррелирует с уровнем загрязнением воздушной среды. Хвоя сосны городского парка (среднее загрязнение) на 15%, а Зеленой Рощи (сильное загрязнение) на 40% богаче эфирным маслом по сравнению с хвоей относительно благополучного в экологическом отношении академгородка. Активизация его биосинтеза связана с необходимостью противодействия растительного организма негативному воздействию внешних факторов. Однако потенциальные возможности адаптации организма не безграничны. Этим, в частности, можно объяснить снижение запасов эфирного масла в хвое сильно загрязненных сосновых насаждений в парке «Сибтяжмаш» (на 25% по сравнению с академгородком).
Не менее чувствительным индикатором аэротехногенного загрязнениям воздушной среды служит варьирование компонентного состава эфирного масла ассимиляционного аппарата хвойных древесных пород. По-видимому, оно обусловлено некоторым изменением метаболизма, возникающим в растении под влиянием аэротехногенных выбросов (табл. 4).
Вклад монотерпеноидов, интенсивность образования которых коррелирует с освещенностью [11], возрастает с увеличением прозрачности атмосферы, т.е. со снижением загрязнения. В эфирном масле хвои городских насаждений вклад этих компонентов меньше, чем в масле сосны лесных участков.
Помимо этого отмечается перераспределение в составе монотерпеновых углеводородов (табл. 5). Так, с нарастанием загрязнения доля а-пинена в эфирных маслах хвои от суммы всех его компонентов несколько снижается, а среди монотерпеноидов возрастает.
Таблица 4. Содержание компонентов эфирного масла в хвое сосны разных участков, % от суммы компонентов
Компоненты
Номера участков* и расстояние от источника загрязнения, км
1/85 2/12 3/4 4 5 6
Трициклен 0,9 0,7 0,8 0,8 0,5 0,4
а-Пинен 35,0 31,0 30,4 29,1 27,9 28,7
Камфен 3,5 4,3 4,0 3,1 3,5 2,4
Р-Пинен 3,1 3,0 2,5 2,7 2,4 1,3
Мирцен 1,5 1,1 0,8 0,8 0,5 0,5
Д3-Карен 8,2 8,4 5,2 5,5 4,4 2,8
Лимонен + Р-фелландрен 2,8 2,1 1,4 1,3 1,1 0,8
у-Терпинен 1,4 1,2 0,9 0,9 0,8 0,5
Терпинолен 1,0 0,7 0,5 0,7 0,8 0,8
Сумма монотерпеноидов 56,5 52,5 46,5 44,9 41,9 38,2
Сумма кислородсодержащих соединений 2,4 2,0 3,5 3,8 4,0 5,3
Сумма сесквитерпеноидов 41.1 45.5 50.0 51.3 54.1 56.5
1 - Кемчуг; 2-3 - заповедник «Столбы»; 4 - академгородок; 5 - городской парк; 6 - парк «Сибтяжмаш».
Таблица 5. Содержание компонентов монотерпеноидной фракции эфирного масла, % от суммы монотерпеноидов
компоненты
Номера участков* и расстояние от источника загрязнения, км
1/85 2/12 3/4 4 5 6
Трициклен 1,6 1,3 1,7 1,8 1,2 1,0
а-Пинен 61,8 59,0 65,4 64,8 66,6 75,2
камфен 6,2 8,2 8,6 7,0 8,4 6,3
Р-Пинен 5,5 5,7 5,4 6,1 5,7 3,3
Мирцен 2,7 2,1 1,7 1,8 1,2 1,2
Д3-Карен 14,5 16,0 11,2 12,0 10,5 7,3
Лимонен + Р-фелландрен 3,5 4,0 3,0 2,9 2,6 2,2
у-Терпинен 2,5 2,4 1,9 2,0 1,9 1,4
Терпинолен 1,7 1,3 1,1 1,6 1,9 2,1
Всего монотерпеноидов 56,5 52,5 46,5 44,9 41,9 38,2
1 - Кемчуг; 2-3 - заповедник «Столбы»; 4 - академгородок; 5 - городской парк; 6 - парк «Сибтяжмаш».
Такой характер изменчивости свойственен для незначительного и среднего загрязнения атмосферы (заповедник «Столбы», академгородок, городской парк). При интенсивном воздействии, как это отмечается в парке «Сибтяжмаш», вклад а-пинена существенно увеличивается. Его нарастание объясняется, вероятно, тем, что монотерпены считаются основным средством защиты хвойных [9]. Снижение доли других монотерпенов в эфирных маслах хвои сосны загрязненных территорий, по-видимому, объясняется как спецификой механизма биосинтеза терпеноидов, так и их окислением. Известно, что для данной древесной породы образование монотерпенов «тормозится» именно на стадии после а-пинена [12]. Снижение же Д3-карена в значительной мере обусловливается окислением [13]. Его вклад в хвое сосны чистых отдаленных от города древостоях вдвое выше, чем в сильно загрязненном районе.
Массовая доля кислородсодержащих соединений, напротив, возрастает с повышением аэротехногенной нагрузки. По-видимому, это связанно с интенсификацией окислительных и других превращений, катализируемых поллютантами. В хвое сосны городских окраин их в 1,5 раза больше, чем в хвое деревьев внутри лесных массивов. Еще богаче этими компонентами масло сосны городского парка (в 1,7 раза) и парка «Сибтяжмаш» (в 2,2 раза).
Варьирование вклада сесквитерпеноидов, концентрация которых в эфирном масле приблизительно одинакова с монотерпеноидами, противоположно изменчивости последних. Их содержание увеличивается с повышением техногенной нагрузки. Одной из причин такого нарастания может служить слабая зависимость биосинтеза сесквитерпеноидов от освещенности.
Полученные данные свидетельствуют, что эфирные масла хвои сосны существенным образом изменяются под воздействием загрязнения и могут служить индикаторами диагностики состояния древостоев. Данные по их содержанию и составу дают объективную информацию о состоянии насаждений и о загазованности атмосферы.
Выводы
При проведении исследований показано, что при повышении загрязнения в хвое сосны: при слабой и
средней нагрузке увеличивается, а при сильной уменьшается содержание эфирного масла и вклад в нем
монотерпеноидов; возрастает концентрация серы, фтора и тяжелых металлов и убывает влажность.
Список литературы
1. Добровольский И.А., Гаевая Н.В., Шанда В.И. Вопросы фитоиндикации и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха с помощью древесных растений // Мониторинг исследования лесных экосистем степной зоны их охрана и рациональное использование. Днепропетровск, 1 988. С. 62-68.
2. Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. СПб., 1997. 210 с.
3. Фуксман И.Л., Пойкалайнен Я., Шредерс С.М. и др. Физиолого-биохимическая индикация состояния сосны обыкновенной в связи с воздействием промышленных поллютантов // Экология. 1997. №3. С. 213-217.
4. Парибок Т. А. Загрязнение растений металлами и его эколого-физиологические последствия // Растения в экстремальных условиях минерального питания. Л., 1983. С. 82-100.
5. Лукина Н.В., Никонов В.В. Поглощение аэротехногенных загрязнителей растениями сосняков на северо-западе Кольского полуострова // Лесоведение. 1996. №6. С. 34-41.
6. Хейнсоо К.К. Смачиваемость хвои как индикаторный признак загрязненности воздуха // Лесоведение. 1994. №4. С. 8-14.
7. Степень Р.А., Коловский Р.А., Калачева Г.С. Влияние техногенных выбросов на состояние пригородных лесов Красноярска // Экология. 1996. №6. С. 410-414.
8. Рощина В. Д., Рощина В.В. Выделительная функция высших растений. М., 1989. 214 с.
9. Рожков А.С., Массель Г.И. Смолистые вещества хвойных и насекомые-ксилофаги. Новосибирск, 1982. 151 с.
10. Судачкова Н.Е. Метаболизм хвойных и формирование древесины. Новосибирск, 1977. 224 с.
11. Пасешниченко В.А. Биосинтез и биологическая активность растительных терпеноидов и стероидов // Итоги науки и техники. Биологическая химия. М., 1987. Т. 25. С. 5-194.
12. Полтавченко Ю.А., Рудаков Г.А. Эволюция биосинтеза монотерпеновых в семействе сосновых // Растительные ресурсы. 1973. Т. 9. Вып. 4. С. 481-493.
1 3. Бардышев И. И., Шавырин В.С. Автоокисление терпеновых углеводородов // Синтетические продукты из канифоли и скипидара. Горький, 1 970. С. 203-21 4.
Поступило в редакцию 22 января 2001 г.
