CC BY
61
Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 125-129
УДК 582.475.4:547.913
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И РЕСУРСНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ЛЕТУЧИХ ТЕРПЕНОИДОВ СОСНЯКОВ СРЕДНЕЙ СИБИРИ
© Р.А. Степень
Сибирский государственный технологический университет, Красноярск (Россия) E-mail: [email protected]
Исследованы содержание и состав эфирного масла основных частей дерева и терпеноидов в воздухе под пологом сосняков лесостепной зоны и их суточная, сезонная и возрастная изменчивость.
Введение
Летучие терпеноиды играют важную роль в жизнедеятельности растений и создании фитоорганического фона атмосферы, к которому в течение тысячелетий адаптировался организм человека [1]. Они участвуют в синтезе хлорофилла, каро-тиноидов и других жизненно важных компонентов. Существенна значимость терпеноидов в сре-дообразовании и эволюции атмосферы [2]. Кроме того, эти соединения, благодаря своим потребительским свойствам, находят все более возрастающий спрос в различных отраслях производства. Поэтому несомненна актуальность изучения летучих терпеноидов как в биомассе растений, так и в воздушной среде лесов.
В работе обсуждаются результаты исследования содержания и состава летучих терпеноидов в основных органах дерева и воздушной среде сосняков лесостепной зоны Красноярского края, изменчивость этих показателей в компонентах фитоценозов в зависимости от возраста древосто-ев, времени года и суток.
Экспериментальная часть
Основные исследования проводили в сосняках бруснично-разнотравных естественного происхождения и в культурах на территории эксперимен-
тальной базы Института леса СО РАН «Погорельский бор», расположенной в 39 км к северу от Красноярска [3]. Летучие терпеноиды охвоенных побегов и стволовой массы (эфирное масло) выделяли гидродистиляцией, их выход определяли во-люметрически. Летучие терпеноиды воздушной среды улавливали адсорбционным способом, их концентрацию находили химическим путем [4]. Компонентный состав выделенных препаратов изучали методом ГЖХ.
Обсуждение результатов
Эфирное масло сосны распределено примерно в равном количестве между охвоенными побегами и стволом, хотя его концентрация в этих частях дерева существенно различается. В стволе содержится 0.1-0.3% масла, в побегах его концентрация выше и расхождения в выходе значительнее -
0.5-1.2% от абс. сухого сырья. В годичной динамике накопления летучих терпеноидов в охвоен-ных побегах проявляется два максимума: весенний - в мае и основной - в сентябре. Начиная с октября и до конца марта доля масла постоянно уменьшается. Затем после небольшого подъема его содержание вновь снижается из-за расхода пластических веществ на рост и развитие хвои и формирование смоляных каналов. По завершении этих процессов происходит накопление эфирного
масла вплоть до достижения максимального уровня в сентябре.
Насыщенность стволовой массы терпеноидами незначительна - около 0.2%. Ее варьирование подобно изменчивости эфирного масла в охвоенных побегах: минимум отмечается в июне, максимум в сентябре. Пересчет полученных данных на биомассу сосняка на 1 га показывает, что биологические запасы летучих терпеноидов на одном и том же участке леса в Красноярской лесостепи, например, в приспевающем древостое изменяются от 250-280 в июне до 350-390 кг/га в сентябре, то есть увеличиваются в 1.5 раза. В связи с этим при комплексной переработке биомассы с получением эфирного масла важен вопрос о сроках заготовки древесного сырья.
Летучие терпеноиды атмосферы, в основном, поступают из охвоенных побегов. Их вклад в органическую фракцию воздуха из других органов растения менее значителен. Так, в 10-15-летних сосняках ствол, сучья и корни экскретируют лишь до 10% суммарных терпеноидов. Характер сезонного варьирования концентрации терпеноидов в атмосфере существенно отличается от ее изменчивости в биомассе. Максимальное содержание этих соединений отмечается в конце июня - начале июля. Затем их количество постоянно снижается к концу августа, несколько повышается в первой половине сентября и резко уменьшается в его третьей декаде, когда концентрация веществ в 71 0 раз ниже июльского уровня. Выделение терпе-ноидов наблюдается и в более поздние сроки, о чем свидетельствует их обнаружение в лежащем на ветках снеге. Представление об эмиссии этих веществ зимой подтверждается и литературными сведениями [5].
Терпеноидная фракция воздуха сосняков по составу близка к эфирному маслу охвоенных побегов (табл. 1), что подтверждает представление об этих органах как об основном источнике поступления терпеноидов в атмосферу. Вместе с тем терпеноидная фракция воздуха содержит больше
монотерпеновых углеводородов, чем выделяемые гидродистилляцией масла. В теплые июльские дни последние составляют свыше 90% от суммарного количества терпеноидов в экзометаболитах. Весной и особенно осенью их вклад уменьшается и достигает к концу сентября 50-55%. Еще в большей мере варьирует концентрация отдельных индивидуальных соединений. Содержание а-пинена в течение сезона, даже судя по средним ежемесячным данным, различается примерно втрое [3].
Таблица 1 . Содержание компонентов эфирного масла и терпеноидов воздушной среды сосняков, %
Эфирное Терпеноиды
Основные компоненты масло побе- воздушной
гов среды
а-пинен 26.3 33.5
Камфен 7.8 13.3
Р-пинен 10.3 3.1
Р-мирцен 6.9 4.4
Д3-карен 11.3 9.4
Лимонен + Р-фелландрен 14.4 8.3
Другие 11.1
Всего монотерпеновых углеводородов 76.8 83.1
Фенхон 4.4 1.5
Изофенхон 0.7 0.4
у-терпенеол 0.4 1.4
Борнеол 0.9 1.2
Борнилацетат 2.7 1.6
Т ерпинилацетат 0.8 0.6
Другие 7.7
Всего кислородсодержащих веществ 9.9 14.4
Лонгифолен 1.6 1.1
Кариофиллен 2.7 0.4
е-муролен 0.6 0.1
Р-бизаболен 4.1 0.3
а-муролен 4.3 0.2
Другие 0.4
Всего сесквитерпено-вых соединений 13.3 2.5
Вклад Д3-карена, способствующего появлению дерматитов и аллергии [6], с мая по сентябрь изменялся в пределах 5-18%.
Более значителен в фитоорганических выделениях вклад кислородсодержащих терпеноидов. Впрочем, их высокое содержание достигается преимущественно за счет веществ, образующихся в результате окислительных превращений исходных компонентов [7]. На долю этих соединений в некоторые жаркие дни приходится 10-13% от общей массы экзометаболитов.
Сесквитерпеновых углеводородов в летучих выделениях в течение всего исследуемого периода найдено меньше, чем в эфирных маслах. Это объясняется трудностью их эмиссии в атмосферу из растений, что, по-видимому, в значительной мере обусловливается большей молекулярной массой и меньшей летучестью сесквитерпеноидов.
Компонентный состав эфирного масла охвоен-ных побегов изменяется в сезонной динамике аналогичным образом. Изучение закономерностей его варьирования позволяет дать рекомендации для приготовления на основе соснового масла препаратов для оздоровления атмосферы бытовых и служебных помещений. Они должны содержать меньше Д3-карена и сесквитерпеноидов, оказывающих неблагоприятное влияние на человека [6, 8]. Учитывая такое ограничение для приготовления санирующих препаратов предпочтительно использование легколетучей монотерпеновой фракции эфирного масла древесной зелени осенне-зимней заготовки, обедненного Д3-кареном.
Суточная изменчивость насыщенности летучими терпеноидами охвоенных побегов и воздушной среды сосняков характеризуется одинаковой направленностью. Их минимальная концентрация наблюдается глубокой ночью, максимальная - в полдень. Однако, если в охвоенных побегах она изменяется в 1.2-1.3 раза, то в воздушной среде -в 5-7 раз.
Подобное варьирование свойственно и для компонентного состава сравниваемых продуктов.
Характерной особенностью суточной динамики является повышение процентного содержания более тяжелых кислородсодержащей и сесквитер-пеновой фракции в образцах, взятых в ночной период. В летучих выделениях сосны их концентрация практически удваивается (табл. 2).
Представляется, что такие изменения обусловлены различной зависимостью скорости биосинтеза терпеноидов разных классов от освещенности.
Возраст деревьев также оказывает существенное влияние на содержание эфирного масла в ох-военных побегах и стволовой части. Биомасса побегов наиболее богата ими на стадии молодняков, стволовая масса - подроста. При снижении или увеличении возраста насыщенность летучими терпеноидами растительных материалов уменьшается. Вероятно, это связано с изменением интенсивности биохимических процессов, обусловленных сменой ферментативных систем [9]. Тем не менее в ходе онтогенеза общие биологические запасы эфирного масла в биомассе сосняков постоянно повышаются. Их ежегодное накопление в среднем составляет для подроста и молодня-ков - 3-5 кг/га, для спелых и перестойных древо-стоев - 2-3 кг/га. При этом вклад эфирного масла, находящегося в охвоенных побегах и стволовой части, характеризуется противоположной направленностью. Если долевое участие масла стволов при старении фитоценоза возрастает, достигая 6070% от общей суммы, то охвоенных ветвей, напротив, снижается.
С увеличением возраста древостоев уменьшается и концентрация терпеноидов в воздушной среде под пологом леса. В атмосфере молодняков их содержится практически вдвое больше по сравнению с приспевающими насаждениями. Еще меньше концентрация терпеноидов в воздухе перестойных древостоев. Снижение их содержания обусловлено преимущественно изменением физиологического состояния и пространственного расположения охвоенных побегов в процессе онтогенеза.
Таблица 2. Компонентный состав летучих терпеноидов воздушной среды под пологом сосновых древостоев в разное время суток, %
Компоненты День Ночь
Сантен 1.8 3.4
Трициклен 1.6 3.1
а-пинен 36.6 29.2
Камфен 7.0 5.3
Р-пинен 4.2 2.2
Р-мирцен 5.9 4.6
Д3-карен 11.6 3.4
Лимонен 8.7 6.1
Р-фелландрен 3.5 4.3
у-терпинен 1.2 0.9
Терпенолен Всего монотерпено- 0.1 0.2
вых углеводородов 82.2 66.5
Фенхон 1.9 1.6
Изофенхон 0.4 0.5
Фенхол 0.2 0.1
Камфора 2.1 2.9
у-терпенеол 2.0 2.4
Терпенеол 1.6 1.2
Изоборнеол 2.2 1.8
Борнеол 0.4 0.7
Борнилацетат 1.1 3.2
Х1,75 2.2 5.8
Х1,87 1.2 3.9
Х2,03 0.3 1.3
Х2,23 0.5 2.1
Терпенилацетат Всего кислородсо- 0.3 0.5
держащих веществ 16.4 28.0
Лонгифолен 0.3 0.9
Кариофиллен 0.4 0.9
е-муролен 0.1 0.7
Р-гумулен 0.1 0.4
Р-бизаболен 0.2 1.2
а-муролен Всего сесквитерпе- 0.3 1.4
новых соединений 1.4 5.5
Компонентный состав эфирного масла и экзаметаболитов сосняков разного возраста различается незначительно. В основном наблюдаются раз-
личия в варьировании вклада пиненов, в увеличении их доли со старением древостоев. С учетом изменчивости концентрации летучих терпеноидов под пологом леса следует отметить большую санитарно-гигиеническую значимость спелых и
перестойных насаждений.
Заключение
Проведенные исследования позволили изучить содержание и компонентный состав эфирного масла охвоенных побегов и стволовой массы, а также насыщенность терпеноидами атмосферы сосняков. Максимальная концентрация эфирных масел в течение сезона наблюдается в сентябре, терпеноидных экзометаболитов и вклада в них монотерпенов - в июле. Суточная динамика характеризуется существенным снижением содержания суммарных с одновременным повышением доли кислородсодержащих и сесквитерпеноидных соединений в ночное время. Для возрастной динамики характерна максимальная концентрация тер-пеноидов в охвоенных побегах и в воздушной среде молодняков при практически неизменном их компонентном составе в сосняках разного возраста. Полученные данные по содержанию, составу и изменчивости летучих терпеноидов могут быть полезны при оценке санитарно-гигиенической роли сосновых насаждений, разработке рецептур препаратов для оздоровления воздуха и в производстве соснового эфирного масла. В теоретическом плане результаты проведенных исследований могут рассматриваться как объективная количественная характеристика некоторых компонентов ресурсного и экологического потенциалов леса.
Список литературы
1. Кинтя П.К., Фадеев Ю.М., Акимов Ю.А. Терпе-ноиды растений. Кишинев, 1990. 151 с.
2. Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. Л., 1985. 264 с.
3. Степень Р.А., Чуркин С.П. Летучие выделения сосны. Красноярск, 1982. 138 с.
4. Федорова А.И., Степень Р.А., Чуркин С.П. Тер-пеновые соединения в летучих выделениях и вегетативных органах лиственницы сибирской // Лесоведение. 1983. №6. С. 15-22.
5. Yokouchi Y., Hijikata A., Ambe Y. Seasonal variation of monoterpene emission rate in a pine forest // Che-mosphere. 1984. Vol. 13, №2. P. 255-259.
6. Артюховский А.К. Санитарно-гигиенические и лечебные свойства леса. Воронеж, 1985. 104 с.
7. Полудницина С.Э., Усольцева Л.П., Бараков
Т.В., Степень Р.А. Об окислении терпеновых соединений // Лиственница и ее использование. Красноярск, 1978. С. 157-165.
8. Полтавченко Ю.А. Эфирные масла хвойных деревьев Прибайкалья и генезис монотерпенов: Автореф. дисс. ... канд. Иркутск, 1974. 24 с.
9. Пасешниченко В.А. Биосинтез и биологическая активность растительных терпеноидов и стероидов // Итоги науки и техники. Биологическая химия. М., 1987. Т. 25. С. 5-194.
Поступило в редакцию 14.05.1999.
