CC BY
143
УДК 630.181:630.425
ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВЫСШИХ РАСТЕНИИ И ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ среды
© В. С. Никитина*, Р. Н. Аюпова, Э. З. Яминева
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450078 г. Уфа, ул. Мингажева, 100.
Тел.: +7 (347) 228 62 10.
*Email: [email protected]
Исследованы особенности накопления флавоноидов в надземной части четырех видов растений - клевера лугового Trifolium pratense L., полыни горькой Artemisia absinthium L., одуванчика лекарственного Tamxacum officinale L. и тысячелистника обыкновенного Achillea millefolium L. в условиях их многолетней адаптации к техногенным загрязнениям. Полученные данные \ соотнесены с качественным анализом почв на наличие тяжелых металлов, микроэлементов и органических примесей, а также с результатами лабораторного фитотестирования почв. Обсуждаются заключения о экспериментально выявленных изменениях в метаболических процессах биосинтеза флавоноидов высшими растениями, и высказывается предположение возможного их использования для диагностики состояния окружающей среды.
Ключевые слова: техногенные загрязнения, экология, фенольные соединения, вторичные метаболиты.
Введение
Интенсивное развитие промышленности в городской среде и рост техногенного загрязнения приводит к изменениям свойств и физико-химических характеристик окружающей среды. В связи с этим, изучение механизмов адаптации растений к антропогенным стрессорам имеет большое значение. В качестве биоиндикаторов состояния растений и среды их обитания преимущественно используют вещества вторичного метаболизма, поскольку изучение в этом качестве продуктов основного обмена, затруднено из-за сложной суточной и сезонной динамики [1, 2]. Разнообразие продуктов вторичного обмена позволяет растениям реагировать на изменения внешних условий изменением химического состава клеточного сока органов и тканей. Наиболее чувствительными в этом отношении веществами являются, по-видимому, фенольные соединения, поскольку они мало подвергаются катаболическим превращениям и, следовательно, большее время сохраняют информацию о воздействии стресса на растительный организм. Отличительной особенностью фенольных соединений является способность к образованию высокореакционных промежуточных продуктов типа семихинонных радикалов и орто-хи-нонов, к взаимодействию с белками за счет образования водородных связей, а также склонность к реакции комплексообразования с ионами металлов [34]. Кроме того, фенольные соединения согласно литературным данным проявляют антиоксидантные свойства, связывая активные формы кислорода, играют роль поглотителей ультрафиолетовых лучей. В ряде работ [5-9] показано, что под действием различных стрессоров происходит усиление синтеза фенольных соединений, в том числе и флавоноидов. Накопление растениями флавоноидов представляется механизмом защиты от обширного окислительного повреждения их фотосинтетического аппарата
под влиянием техногенного загрязнения. При тщательно подобранном контроле изменчивость концентрации флавоноидов в тканях растений может служить характеристикой устойчивости растений к воздействию стрессоров [3,10-12]. Данное исследование проведено с целью изучения влияния многолетних промышленных выбросов на процесс накопления флавоноидов в растениях разных видов, адаптированных к нагрузкам от воздействия ксенобиотиков. Основными задачами стали определение количественного содержания флавоноидов в образцах четырех видов растений, проведение качественного анализа почв с исследуемых участков и соотнесение полученных результатов.
Методическая часть
Исследования проводились на территории Уфимского нефтеперерабатывающего завода и его окрестностях. Объектами изучения служили широко распространенные в этой местности виды растений - клевер луговой Trifolium pratense L., полынь горькая Artemisia absinthium L., одуванчик лекарственный Taraxacum officinale L., тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L. Все образцы растений и почвы, на которой они произрастали, были отобраны одновременно в фазу конца вегетации.
Отбор образцов изучаемых растений и почв проводили на следующих участках: I участок - территория поселка Новоалександровка; II - территория очистных сооружений Уфимского НПЗ с северной стороны; III - территория очистных сооружений Уфимского НПЗ с восточной стороны. Контрольные образцы растений и почв отбирались на сравнительно удаленном от нефтеперерабатывающего завода участке (дер. Щепное, Республика Башкортостан).
Количественное определение флавоноидов в воздушно-сухом сырье проводили фотоколориметрическим методом на КФК-2. Фотометрический метод определения флавоноидов без предварительного
разделения компонентов основан на аддитивности значений оптической плотности всех флавоноидных компонентов смеси при одной длине волны. Метод достаточно прост в исполнении, является высокочувствительным и относительно недорогим, что делает его предпочтительным для использования в контрольно-аналитических лабораториях. Колори-метрирование осуществляли с использованием ком-плексообразующего реагента - 1%-ный раствор хлорида алюминия. Растительное сырье предварительно обрабатывали хлороформом, для удаления липо-фильных веществ, а затем трехкратно экстрагировали 70%-ным раствором этилового спирта. Расчет количества флавоноидов проводили по калибровочному графику, построенному по рутину (табл. 1).
Оценку степени загрязненности исследуемых почв осуществляли с помощью лабораторного фито-тестирования путем вегетации семян кресс-салата Lepidium sativum (плазменные семена ГОСТ Р 52171-2003, ООО Агроника) по описанной в литературе методике [13]. Семена кресс-салата проращивали на специально оборудованной светоплощадке. На одинаковую массу почвы, взятой с каждого анализируемого участка, высаживали по 175 семян. Полив посевов дистиллированной водой был одновременным и равным объемом воды. Результаты по выращиванию кресс-салата оценивали через 14 дней после посадки. Выращивание растений и анализ осуществляли в пятикратной повторности (табл. 2).
Все образцы почв анализировались на содержание микроэлементов и тяжелых металлов. Анализ осуществляли на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu AA-6300 (табл. 3). Содержание органических веществ определяли гравиметрическим методом путем экстракции хлороформом.
Результаты и их обсуждение
Исследование влияния факторов среды на накопление у растений флавоноидов с выявлением корреляции их синтеза с адаптивностью видов к
условиям местообитания сохраняет свою актуальность [15,16]. Данная работа проведена с целью изучения влияния многолетних промышленных выбросов на процесс накопления флавоноидов в растениях разных видов, адаптированных к нагрузкам от воздействия ксенобиотиков.
Исследовали изменчивость количественного содержания флавоноидов в растениях четырех видов, отобранных в промышленной зоне г. Уфы. Исходя из полученных результатов, можно заключить, что в стрессовых условиях уровень накопления флавонои-дов у исследуемых видов растений несколько отличался как в надземной части растений, так и в корнях.
В надземной части клевера и полыни максимальное количество флавоноидов содержалось в контрольных образцах растений. В надземной части одуванчика и тысячелистника наибольшие значения наблюдаются у растений, произрастающих на участке III. Минимальные показатели во всех исследуемых растениях приходятся на растения, отобранные на участке II.
В корнях исследуемых растений наблюдается несколько иная закономерность. Так в корнях клевера и полыни наибольшее количество флавоноидов обнаружено в растениях, произрастающих на III участке, наименьшие значения отмечены в растениях, произрастающих на I участке. В корнях одуванчика и тысячелистника количество флавоноидов в растениях, отобранных на контрольном и III участках значительно выше, чем в тех, что произрастали на I и II участках.
Вероятно, на изменение количества флавонои-дов в исследуемых растениях сказывается неравномерное распределение техногенного воздействия на почвы. Различная степень загрязненности почвы на исследуемых площадках может быть связана с особенностями географического положения изучаемой территории. Полученные данные также свидетельствуют о межвидовой специфичности растений в отклике на техногенные нагрузки.
Таблица 1
Содержание флавоноидов в надземной части и корнях клевера лугового, полыни горькой, одуванчика лекарственного, _тысячелистника обыкновенного, отобранных из диагностируемых почв_
Исследуемые части растения Количественный выход флавоноидов, мг/г сырья
контроль | I" | II6 | IIIе
Надземная часть Корень
Надземная часть Корень
Надземная часть Корень
1.46±0.15 1.2±0.12
1.61±0.16 0.23±0.02
1.02±0.10 0.23±0.02
Надземная часть 1.29±0.13
Корень 0.56±0.06
- территория поселка Новоалександровка;
- территория очистных сооружений Уфимского НПЗ
- территория очистных сооружений Уфимского НПЗ
Клевер луговой
0.87±0.08 0.36±0.04
0.46±0.05 0.94±0.09 Полынь горькая
0.69±0.07 0.59±0.06
0.22±0.02 0.26±0.03 Одуванчик лекарственный
1.10±0.11 1.09±0.11
0.14±0.01 0.13±0.01 Тысячелистник обыкновенный
1.26±0.13 0.39±0.04
0.23±0.02 0.27±0.03
с северной стороны; с восточной стороны.
1.2±0.12 1.79±0.18
1.41±0.14 0.54±0.05
1.45±0.15 0.22±0.02
1.48±0.15 0.33±0.03
б
Таблица 2
Биомасса кресс-салата, выращенного на испытуемых участках почвы относительно контроля, г_
Номер опыта Биомасса кресс-салата относительно контроля, г
Контроль 1 I 1 II 1 III
1 0.29±0.02 0.09±0.01 0.24±0.02 0.27±0.02
2 0.32±0.03 0.10±0.01 0.27±0.03 0.30±0.03
3 0.28±0.02 0.06±0.01 0.23±0.02 0.25±0.02
4 0.28±0.02 0.11±0.01 0.19±0.02 0.25±0.02
5 0.30±0.03 0.12±0.01 0.17±0.02 0.28±0.03 Среднее значение 0.29±0.02 0.10±0.01 0.22±0.02 0.27±0.02
Таблица 3
Количественное содержание тяжелых металлов и микроэлементов на исследуемых участках почвы _относительно контроля, мг/кг_
Образец Количественное содержание металлов, мг/кг
Медь Цинк Железо | Марганец | Кобальт | Свинец | Кадмий
Контроль 19.23
I 29.03
II 27.51
III 19.68
42.46 3444.55
52.45 3313.43
66.32 3234.32
69.98 3128.64
621.70 16.59
591.27 14.66
583.45 13.91
571.47 13.50
16.79 -
27.48 1.11
29.34 0.87
33.59 0.49
Некоторые дополнительные данные о степени техногенной загрязненности площадей, на которых произрастали растения, можно сделать, изучив результаты лабораторных посевов семян тестовых растений в исследуемые почвы. Качественными показателями морфологических изменений тест-растения под влиянием загрязнения почвы являлись количество и биомасса проростков, визуальная оценка их общего состояния.
Биомасса растений, произрастающих на почвах, подверженных техногенным воздействиям, несколько меньше биомассы растений с контрольных образцов почв. Значительное отклонение от контроля отмечено на I участке, вероятно, образцы почв с этого участка испытывают наибольшую антропогенную нагрузку. Анализ элементного состава исследуемых образцов почв коррелируется с результатами фито-теста.
Вероятно, лучшие показатели на контрольном участке по сравнению с испытуемыми связаны с отсутствием в контрольной почве кадмия, который описан в литературе [14] как сильнейший поллютант, угнетающий рост и развитие растительных организмов. Высокое содержание этого элемента в образцах почв, отобранных на I участке, объясняет низкие показатели по всхожести тест-растений на этом же участке. При количественном определении органических веществ в исследуемых образцах почв также было обнаружено, что содержание органических фракций в почвах, отобранных с I и II участков, в шесть и два раза соответственно превышает их содержание в контрольном образце. Что также характеризует степень загрязненности исследуемых участков.
Данные по фитоконтролю и элементному составу почв согласуются с описанными выше наблюдениями по изменчивости уровней накопления фла-воноидов у соответствующих видов дикорастущих растений, произрастающих на испытуемых участках.
Полученные результаты показали, что уровень накопления флавоноидов в четырех видах дикорастущих растений - клевер луговой Trifolium pratense L., полынь горькая Artemisia absinthium L., одуванчик лекарственный Taraxacum officinale L., тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L. - зависит от экологических условий их произрастания. Выявлены межвидовые различия в уровнях накопления растениями флавоноидов в условиях многолетней адаптации растений к техногенным нагрузкам: одуванчик лекарственный, по сравнению с другими видами, меньше изменяет уровень содержания фла-воноидов в зависимости от условий произрастания. Показано, что большей техногенной нагрузке подвержены исследуемые участки п. Новоалексан-дровка и северная часть территории очистных сооружений Уфимского НПЗ по сравнению с другими участками. Атомно-абсорбционным методом установлено повышенное содержание на этих участках ионов Cd, Pb, Zn, Cu, а экстракционным способом -повышенное содержание органических соединений. Установлено, что у растений, отобранных в зонах с большей техногенной нагрузкой, продукционная способность по синтезу флавоноидов ниже, чем у контрольных образцов, и коррелирует с уровнем загрязнения почвы.
Метаболический процесс накопления флавоно-идов у дикорастущих растений, изученных видов, вынужденных адаптироваться к загрязненной промышленными выбросами среде, как важный признак, по-видимому, может быть пригодным при углубленной диагностике почвы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Немерешина О. Н., Гусев Н. Ф. Влияние техногенного загрязнения на содержание флавонондов в растениях семейства норичниковых степного Предуралья // Вестник ОГУ. Естественные науки. 2004. №10. С. 123-126.
2. Андреевских М. А. Биохимические особенности адаптации 10. растений к нефтяному загрязнению среды. http://reftrend.ru/694317.html
3. Судачкова Н. Е., Шеин И. В., Романова Л. И., Милютина И.
А. и др. Биохимические индикаторы стрессового состояния 11.
древесных растений. / Новосибирск: Наука, 1997. С. 135.
4. Kutchan T. Ecological Arsenal and Developmental Dispatcher. // The paradigm of Secondary Metabolism. 2001. V.125. Р. 58-60.
5. Артемкина Н. А. Содержание фенольных соединений в V. Vitis-idaea L. сосновых лесов кольского полуострова // Ж. 12. Хим. Раст. Сырья. 2010. №3. С. 153-160.
6. Плаксина И. В., Судачкова Н. Е., Романова Л. И., Милютина И. Л. Сезонная динамика фенольных соединений в 13. лубе и хвое сосны обыкновенной и кедра сибирского в посадках различной густоты // Ж. Хим. Раст. Сырья. 2009. №1. С. 103-108.
7. Loponen J., Lempa K., Ossipov V., Kozlov M. V., Girs A., 14. Hangasmaa K., Haukioja E., Pihlaja К Patterns in content of phenolic compounds in leaves of mountain birches along a strong pollution gradient // Chemosphere. 2001. V. 45. №3. Pp. 15. 291-301.
8. Saleem A., Loponen J., Pihlaja K., Oksanen E. Effects of long-term open-field ozone exposure on leaf phenolics of European silver birch (Betula pendula ROTH) // Journal of Chemical 16. Ecology. 2001. V. 27. №>5. P. 1049-1062.
9. Кашулин П. А., Калачева H. В., Артемкина Н. А., Черноус С. А. Фотохимические процессы в растениях на Севере и окружающая среда // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2009. Т. 12. №1. С. 137-142.
Никитина В. С., Шендель Г. В., Оразов О. Э. Растительные фе-нольные соединения - индикаторы промышленного загрязнения среды // Актуальные проблемы экологии. Сб. материалов I Международной конференции. Гродно, 2004. С. 79-81. Никитина В. С. Растительные фенольные соединения в вопросах экологического мониторинга окружающей среды. Гуманитарные и естественные аспекты современной экологии, ч. 1. Сб. материалов докладов Всероссийской научно-практической конференции. Уфа: Башкирский институт социальных технологий, 2006. С. 106-108. Никитина В. С., Оразов О. Э. Экологический мониторинг окружающей среды комплексом растительных фенольных соединений // Безопасность жизнедеятельности. 2007. №9. С. 36-40. Кабиров Р. Р., Сагитова А. Р., Суханова Н. В. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории // Экология. 1997. №6. С. 408-411. Новоселова Е. И., Башкатов С. А. Влияние загрязнения кадмием на ферментативную активность чернозема обыкновенного // Вестник БашГУ. 2014. Т. 19, №>4. С. 1204-1207. Гусев Н. Ф., Немеришна О. Н. Влияние техногенного загрязнения на содержание флавоноидов в растениях семейства норичниковых Степного Предуралья // Вестник ОГУ. 2004. №>10ю С. 123-126.
Олешко Г. И., Зеленина М. В., Вотинова Г. И., Марценюк В. Б. Елабугина О. В., Челпанова Е. В. Влияние условий обитания на накопление флавоноидов некоторыми видами вероника и брусника региона Урала // Материалы юбилейной научно-практической конференции, посвященное 60-летию Пермской государственной фармацевтической академии. Пермь: ПФГА, 1997. С. 1 5-16.
Поступила в редакцию 07.03.2016 г.
ISSN 1998-4812
BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2016. T. 21. №2
307
PHENOLIC COMPOUNDS OF HIGHER PLANTS AND ENVIRONMENT DIAGNOSTICS
© V. S. Nikitina*, R. N. Ayupova, E. Z. Yamineva
Bashkir State University 100 Mingazhev St., 450078 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 228 62 10.
*Email: [email protected]
The features of the accumulation of flavonoids in the aerial parts of plants in conditions of long-term adaptation to man-made pollution of the soil were studied. Tests were conducted at three sites of the industrial zone of Ufa - Ufa Refinery area. As a control the soil region was elected remote from the aforementioned areas. As the test objects plants growing in these territories: red clover (Trifolium pratense L.), wormwood (Artemisia absinthium L.), dandelion (Taraxacum officinale L.) and yarrow (Achillea millefolium L) were selected. The selection of the studied plants and soil samples to the respective sample plots were carried out simultaneously in the late phase of the growing season. Soil samples from different sites were analyzed by atomic absorption method for the content of heavy metals and trace elements, as well as by the extraction method for the content of organic substances. It is shown that under stress the accumulation level of flavonoids in the studied species differed in the aboveground part of the plant and the roots. The received results show that in the zone (I site) where tech-nogenic contamination is stronger than in control areas the synthesis of flavonoids is lower. In moderate conditions of anthropogenic impact (III site) flavonoid synthesis activity was similar to controls. These findings are confirmed by the results of laboratory phyto-testing of soil samples from the test plots. During phyto-testing of soil the changes in the level of accumulation of flavonoids in a test plant cress (Lepidium sativum), grown under the same conditions on the same soil type, were determined. The data obtained are correlated with the results of analysis on the content in soil of heavy metals Cd, Pb, Zn, and Cu, trace elements, and organic compounds content. Marked changes in the metabolic processes of higher plants, namely the flavonoid levels in the biomass of plants selected from different sites with development pressure, can be used to diagnose the state of the environment.
Keywords: technogenic pollution, ecology, phenolic compounds, secondary metabolites.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Nemereshina O. N., Gusev N. F. Vestnik OGU. Estestvennye nauki. 2004. No. 10. Pp. 123-126.
2. Andreevskikh M. A.reftrend.ru/694317.html
3. Sudachkova N. E., Shein I. V., Romanova L. I., Milyutina I. A. i dr. Biokhimicheskie indikatory stressovogo sostoyaniya drevesnykh rastenii [Biochemical indicators of stress state of woody plants]. / Novosibirsk: Nauka, 1997. Pp. 135.
4. Kutchan T. The paradigm of Secondary Metabolism. 2001. V.125. Pp. 58-60.
5. Artemkina N. A. Zh. Khim. Rast. Syr'ya. 2010. No. 3. Pp. 153-160.
6. Plaksina I. V., Sudachkova N. E., Romanova L. I., Milyutina I. L. Zh. Khim. Rast. Syr'ya. 2009. No. 1. Pp. 103-108.
7. Loponen J., Lempa K., Ossipov V., Kozlov M. V., Girs A., Hangasmaa K., Haukioja E. Chemosphere. 2001. Vol. 45. No. 3. Pp. 291-301.
8. Saleem A., Loponen J., Pihlaja K., Oksanen E. Journal of Chemical Ecology. 2001. Vol. 27. No. 5. Pp. 1049-1062.
9. Kashulin P. A., Kalacheva H. B., Artemkina N. A., Chernous S. A. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2009. Vol. 12. No. 1. Pp. 137-142.
10. Nikitina V. S., Shendel' G. V., Orazov O. E. Aktual'nye problemy ekologii. Sb. materialov I Mezhdunarodnoi konferentsii. Grodno, 2004. Pp. 79-81.
11. Nikitina V. S. Rastitel'nye fenol'nye soedineniya v voprosakh ekologicheskogo monitoringa okruzhayushchei sredy. Gumanitarnye i estestvennye aspekty sovremennoi ekologii, ch. 1. Sb. materialov dokladov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Ufa: Bash-kirskii institut sotsial'nykh tekhnologii, 2006. Pp. 106-108.
12. Nikitina V. S., Orazov O. E. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti. 2007. No. 9. Pp. 36-40.
13. Kabirov R. R., Sagitova A. R., Sukhanova N. V. Ekologiya. 1997. No. 6. Pp. 408-411.
14. Novoselova E. I., Bashkatov S. A. Vestnik BashGU. 2014. Vol. 19, No. 4. Pp. 1204-1207.
15. Gusev N. F., Nemerishna O. N. Vestnik OGU. 2004. No. 10yu Pp. 123-126.
16. Oleshko G. I., Zelenina M. V., Votinova G. I., Martsenyuk V. B. Elabugina O. V., Chelpanova E. V. Materialy yubileinoi nauchno-praktich-eskoi konferentsii, posvyashchennoe 60-letiyu Permskoi gosudarstvennoi farmatsevticheskoi akademii. Perm': PFGA, 1997. Pp. 15-16.
Received 07.03.2016.
