Индукция синтеза антиоксидантов Achillea nobilis L. в зоне влияния выбросов предприятий Газпрома Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Индукция синтеза антиоксидантов Achillea nobllls l. в зоне влияния выбросов

предприятиями Газпрома

О.Н. Немерешина, к.б.н., Оренбургская ГМА; Г.В. Петрова, д.с.-х.н, профессор, Н.Ф. Гусев, д.б.н, Оренбургский ГАУ; Н.В. Чуклова, к.б.н., Оренбургский ГИМ

Учитывая возрастание антропотехногенной нагрузки и нестабильность фитоценозов на

Южном Урале, проблема формирования теоретических представлений о механизмах метаболической адаптации растений к техногенному влиянию является актуальной [1, 2]. Создание единой универсальной схемы не представляется возможным, так как необходимо учитывать ре-

гиональные условия, характер и концентрации веществ-загрязнителей [3, 6—8].

Распространённой причиной повреждения и гибели растительных клеток является высокий уровень окислительного стресса, нередко приводящий к апоптозу [1, 3, 9]. Проблеме окислительного стресса растений до недавнего времени уделялось мало внимания, хотя роль активных форм кислорода (АФК) в их мембранных структурах очень велика [2], так как фотосинтезирующие ткани подвергаются воздействию светового излучения и существуют при высоких концентрациях молекулярного кислорода, выделяемого при фотоокислении воды на мембранах тилакоидов. Благодаря этому у растений эволюционно сформировалась эффективная многокомпонентная система защиты от свободных радикалов [1, 3, 4, 9]. Тем не менее под действием интенсивного УФ-излучения и в присутствии фитотоксичных атмосферных загрязнителей нередко происходит интенсификация окислительных процессов, которая может привести к фотоокислительной смерти растений («выгоранию»).

В техногенных зонах значительно чаще отмечаются отмирание почек, хлорозы, некрозы, завядание растений [1, 2, 6]. Наиболее агрессивно воздействуют на растения газообразные растворимые вещества (N02, 802, Н28, углеводороды, озон) [5—7]. Например, диоксид серы способствует образованию в хлоропластах серосодержащих свободных радикалов (80% 8% Н8^). Продукты горения углеводородов, попадая в растения, повышают уровень содержания свободных радикалов. При фотохимическом окислении углеводородов образуется пероксиацетилни-трат (ПАН), повреждающий ткани молодых листьев [9]. Следовательно, виды с невысоким уровнем антиокислительной защиты в условиях техногенного воздействия должны постепенно вытесняться из фитоценозов более экоустойчи-выми видами. Растения обладают способностью индуцировать активность антиоксидантных систем в неблагоприятных условиях [3, 7].

Объекты и методы. С целью изучения механизмов адаптации к загрязнению среды обитания на техногенно загрязнённых участках и в контроле нами были собраны образцы растений

Achillea nobilis L. и проведены фитохимические исследования на содержание в них основных групп низкомолекулярных антиоксидантов [1, 4, 7, 8]. Наиболее удобными для изучения нам представляются ассимилирующие органы растений, непосредственно осуществляющие газообмен [1, 6, 7].

В качестве источника выбросов нами был выбран Оренбургский газоперерабатывающий завод (ООО «Газпром добыча Оренбург»), являющийся предприятием первой категории опасности. Границы санитарно-защитной зоны ОГПЗ определены на расстоянии 5 км от крайних источников выбросов. В атмосферных выбросах ОГПЗ содержатся сероводород, диоксид серы, нитрозные газы, оксид углерода, углеводороды метанового ряда, пыль цеолитовая и металлическая, пыль серная, сажа, бенз(а)пирен, меркаптаны, метанол, пыли окиси алюминия и ванадия, марганец, фтористый водород.

Объектом исследования был выбран тысячелистник благородный Achillea nobilis L. семейства сложноцветные Compositae (Asteraceae) [4]. Образцы растительного сырья Achillea nobilis L. (трава) были собраны в зоне действующих установок ОГПЗ, в санитарно-защитной зоне (5 км от источников выбросов) и в контроле (44 км от Оренбурга вблизи п. Каменноозёрное). Анализ был проведён на основные группы биологически активных веществ (БАВ).

Результаты исследований. В комплексе БАВ сырья тысячелистника выявлено преобладание флавоноидов (табл. 1).

Флавоноиды — обширная группа фенольных соединений, принимающих активное участие в окислительно-восстановительных процессах в растениях и играющих роль поглотителей свободных радикалов, предотвращая гибель клеток [1, 2, 4, 5, 9]. Для обнаружения флавоноидов нами применялись реакции окрашивания. В результате было установлено, что трава Achillea nobilis L. содержит флавоноиды группы флавона в значительных количествах (табл. 2).

Идентификация флавоноидов и оценка их количества в растениях Achillea nobilis L., произрастающих в зоне влияния атмосферных промышленных выбросов ОГПЗ (на территории завода и на границе санитарно-защитной зоны)

1. Результаты фитохимического исследования Achillea nobilis L. на содержание основных групп биологически активных веществ

Вещество Алкалоиды Флавоноиды Таниды Сапонины Кума рины Иридоиды

1 2 1 2 1 2 пена гемолиз 1 2 1 2

1 2 1 2

Содержание ++ + +++ + ++ ++ + - о - ++ - - -

Примечания: 1 — результаты исследования; 2 — литературные данные; сл — следы, едва заметная реакция; + — наличие, заметная реакция, окрашивание появляется через 5-8 мин восстановления; ++ — значительное количество, выраженная реакция, появляющаяся сразу после добавления реактива; +++ — высокое содержание, ярко выраженная реакция, появляющаяся сразу после реакции и при стоянии усиливающаяся.

и на контрольной территории, проводилась методом двумерной хроматографии (системы БУВ 4:1:5 и 15% ацетат) на бумаге восходящим способом.

Применение метода двумерной хроматографии позволило установить, что состав флавонои-дов и фенолокислотAchillea nobilis L. различается в зонах с различной техногенной нагрузкой. Нами отмечено изменение концентрации (раз-

меры пятен, интенсивность их флуоресценции на хроматограммах) и качественного состава флаво-ноидов и фенолкарбоновых кислот (табл. 2, 3, 4).

Трава Achillea nobilis L., собранная в промышленной зоне (в районе первой очереди завода), обнаруживает на двумерной хроматограмме шесть веществ флавоновой природы, около корпуса администрации завода — семь веществ, а на границе санитарной зоны завода — восемь флаво-

2. Хроматограммы полифенольных соединений в извлечениях из травы Achillea nobilis L. контрольной зоны

Значение Rfi Значение Rf2 Окраска пятен в УФ-свете

до проявления в парах аммиака после проявления AlCl3

0,06 0,23 тёмно- фиолетовый грязно-жёлтый светло-жёлтый

0,12 0,01 тёмно- фиолетовый тёмно-фиолетовый -

0,17 0,34 тёмно-фиолетовый ярко-фиолетовый -

0,19 0,04 тёмно-фиолетовый ярко-фиолетовый светло-жёлтый

0,19 0,10 фиолетовый тёмно-фиолетовый светло-жёлтый

0,42 0,13 грязно-зелёный коричневый светло-жёлтый

0,56 0,67 голубой зелёно-голубой -

0,62 0,19 фиолетовый ярко-фиолетовый светло-жёлтый

0,79 0,39 зелёно-голубой зелёно-голубой -

0,77 0,52 голубой ярко-голубой -

3. Хроматограммы полифенольных соединений в извлечениях из травы Achillea nobilis L. на границе санитарной зоны ГПЗ

Значение Rf1 Значение Rf2 Окраска пятен в УФ-свете

до проявления в парах аммиака после проявления AlCl3

0,15 0,01 грязно-жёлтый жёлто-коричневый жёлтый

0,23 0,34 фиолетовый фиолетовый -

0,26 0,42 фиолетовый фиолетовый -

0,27 0,12 тёмно-фиолетовый жёлто-зелёный светло-жёлтый

0,39 0,13 тёмно-фиолетовый грязно-жёлтый -

0,43 0,23 тёмно-фиолетовый ярко-фиолетовый -

0,42 0,33 тёмно-фиолетовый коричневый светло-жёлтый

0,40 0,63 ярко-голубой ярко-голубой -

0,54 0,12 тёмно-фиолетовый тёмно-фиолетовый -

0,61 0,63 - - ярко-голубой

0,60 0,68 жёлто-голубой зелёно-голубой светло-жёлтый

0,62 0,50 голубой ярко-голубой -

0,67 0,35 голубой ярко-голубой -

0,77 0,51 голубой ярко-голубой -

0,79 0,39 зелёно-голубой зелёно-голубой -

0,89 0,23 тёмно-фиолетовый фиолетовый -

4. Хроматограммы полифенольных соединений в извлечениях из травы Achillea nobilis L. возле административного корпуса ГПЗ

Значение Rf1 Значение Rf2 Окраска пятен в УФ-свете

до проявления в парах аммиака после проявления AlCl3

0,08 0 грязно-жёлтый грязно-жёлтый светло-жёлтый

0,12 0,06 грязно-жёлтый грязно-жёлтый -

0,19 0,08 тёмно-фиолетовый фиолетовый жёлтый

0,19 0,57 бледно-фиолетовый бледно-фиолетовый -

0,25 0,24 фиолетовый бледно-фиолетовый -

0,24 0,69 фиолетовый буро-фиолетовый светло-жёлтый

0,36 0,23 фиолетовый ярко-фиолетовый -

0,44 0,42 фиолетовый ярко-фиолетовый -

0,43 0,59 фиолетовый буро-фиолетовый -

0,56 0,28 - бледно-фиолетовый -

0,57 0,91 бледно-голубой зелёно-голубой -

0,76 0,67 голубой ярко-голубой -

0,89 0,47 тёмно-фиолетовый ярко-фиолетовый -

0,79 0,79 голубой ярко-голубой -

5. Хроматограммы полифенольных соединений в извлечениях из травы Achillea nobilis L. возле установок первой очереди ГПЗ

Значение Rf1 Значение Rf2 Окраска пятен в УФ-свете

до проявления в парах аммиака после проявления AlCl3

0,10 0,01 грязно-жёлтый грязно-жёлтый светло-жёлтый

0,15 0,06 фиолетовый ярко-фиолетовый грязно-жёлтый

0,19 0,09 фиолетовый буро-фиолетовый жёлтый

0,20 0,17 светло-фиолетовый жёлто-зелёный -

0,27 0,09 бледно-голубой светло-жёлтый светло-жёлтый

0,36 0,12 фиолетовый жёлто-зелёный -

0,42 0,13 фиолетовый фиолетовый -

0,32 0,56 светло-фиолетовый светло-фиолетовый -

0,52 0,63 тёмно-фиолетовый буро-фиолетовый светло-жёлтый

0,81 0,07 жёлто-голубой светло-фиолетовый -

0,76 0,67 голубой зелёно-голубой -

0,79 0,79 светло-голубой ярко-голубой -

0,67 0,83 ярко-голубой ярко-голубой -

6. Результаты количественного определения флавоноидов в сырье Achillea nobilis L., мг%

Место Год Июнь Июль Август

фенофаза бутонизация -начало цветения цветение цветение - начало плодоношения

2008 6,45±0,09 6,15±0,07 6,58±0,09

ОГПЗ 2009 6,34±0,05 6,16±0,07 6,56±0,04

2010 7,77±0,06 - 6,87±0,09

2008 6,81±0,04 6,40±0,09 -

Холодные 2009 6,91±0,05 6,41±0,07 6,72±0,06

2010 7,65±0,07 7,06±0,06 7,46±0,08

2008 4,83±0,09 4,55±0,05 4,78±0,05

Контроль 2009 4,54±0,04 4,45±0,04 4,87±0,05

2010 5,01±0,06 - 5,52±0,06

ноидов. При исследовании сырья, собранного в промзоне, на хроматограммах обнаружено шесть пятен, принадлежащих фенолкарбоновым кислотам. На хроматограммах растений контрольной зоны выявлено четыре пятна, принадлежащих фенолкислотам, и шесть — флавоноидов. На границе санитарно-защитной зоны исследуемые растения вырабатывают семь фенолокислот и девять флавоноидов.

Результаты хроматографии свидетельствуют о расширении спектра синтезируемых соединений полифенольной группы у растений, произрастающих в зоне влияния выбросов газоперерабатывающего предприятия (табл. 2, 3, 4, 5). Указанная тенденция характерна как для группы флавоноидов, так и для фенолкарбоновых кислот. Возможно индукция синтеза полифенольных соединений является одним из механизмов адаптации Achillea nobilis L. к изменению газовой среды.

На втором этапе нами проведен количественный анализ сырья Achillea nobilis L. на содержание соединений, способных проявлять антиокислительную активность: флавоноидов, фенолкарбоновых кислот, дубильных веществ, аскорбиновой кислоты и каротина (табл. 6—8).

Для количественного определения флавоноидов использовали метод фотоколориметрии [5].

Максимальное содержание флавоноидов отмечено у растений, произрастающих в районе промышленных установок первой очереди завода и на границе санитарной зоны в (окрестности пос. Холодные Ключи). Меньшее количество флавоноидов отмечается в траве растений, произрастающих в контрольной зоне, вдали от действующих промышленных предприятий и автодорог (табл. 6).

Обнаруженные в сырье Achillea nobilis L. дубильные вещества (таниды) представляют собой широко распространенные в растениях поли-фенольные соединения, обладающие вяжущим вкусом, способные осаждать белки, алкалоиды, связывать тяжёлые металлы и обезвреживать свободные радикалы.

Наибольшее количество танидов отмечено в сырье Achillea nobilis L., собранном на границе санитарной зоны и вблизи административного корпуса ГПЗ. В зоне промышленных установок ГПЗ содержание танидов было ниже контрольного, что, возможно, связано с подавлением процессов синтеза на фоне дистресса растений (табл. 7).

Оценку содержания каротиноидов в сырье Achillea nobilis L. проводили с применением метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (табл. 8). Каротиноиды — высо-

У. Содержание танизов в траве Achillea nobilis L. (% на абс. сухую массу) (X±Sx)

Место сбора Год

2008 2009

Промзона установок ОГПЗ 5,11±0,04 5,13±0,04

Территория административного корпуса ОГПЗ 6,02±0,05 6,06±0,07

Граница санитарной зоны ГПЗ (п. Холодные Ключи) 6,15±0,06 6,12±0,05

Контроль 5,50±0,03 5,22±0,04

8. Содержание каротина в свежем и сухом сырье Achillea nobilis L., % (X±Sx)

Содержание в сухих листьях

Год сбора промышленная площадка первой очереди контроль

2006 4,5±0,04 2,5±0,02

2008 3,9±0,03 2,7±0,02

коэффективные липофильные ингибиторы пероксидрадикалов и синглетного кислорода. Содержание каротиноидов было повышено в тканях растений, произрастающих в техногенной зоне.

Многие специалисты отмечают, что аскорбиновая кислота способствует повышению устойчивости растений к неблагоприятным условиям обитания [1, 3, 8]. Результаты количественного определения аскорбата свидетельствуют о повышении синтеза аскорбиновой кислоты в листьях Achillea nobilis L., произрастающих в загрязненной атмосфере (табл. 9).

Все исследуемые биологически активные вещества обладают выраженными антиокис-лительными свойствами и являются частью неферментативного звена системы защиты растений от окислительного стресса [3, 5]. Таким образом, можно предположить, что индукция их синтеза в растениях техногенных зон вероятнее всего связана с антиоксидантным (мембраностабилизирующим, цитозащитным) действием указанных соединений [1, 2, 6—8].

Выводы.

1. Анализ биологически активных веществ в надземных органах Achillea nobilis L. выявил наличие низкомолекулярных антиоксидантов —

полифенольных соединений (флавоноидов, танидов) каротина и витамина С.

2. В результате проведенных исследований в тканях A. nobilis L., произрастающих в техногенной зоне, отмечена индукция синтеза компонентов неферментативного звена анти-окислительной защиты (флавоноидов, танидов, каротиноидов и аскорбата), что, предположи-

тельно, является одним из механизмов адаптации растений к повышенной химической нагрузке.

Литература

1. Гусев Н.Ф., Немерешина О.Н. О некоторых аспектах рационального использования лекарственных растений Предуралья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. № 2 (22). С. 308-311.

2. Мерзляк М.Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки // Итоги науки и техники. Сер. Физиология растений. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 6. С. 1-168.

3. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф. О влиянии гипоксии на некоторые компоненты неферментативной антиокислительной защиты Linaria vulgaris Mül // Вестник ИрГСХА. 2011. № 4 (44). С. 88-95.

4. Кенжебаева С.Т., Прибыткова Л.Н., Адекенов С.М. Флавоно-иды Achillea glabella Kar. Et Kir. // Физиолого-биохимические аспекты изучения лекарственных растений: матер. междунар. совещ., посвящ. памяти В.Г. Минаевой. Новосибирск, 1998. С. 56.

5. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф., Карпюк М.С. К вопросу активизации клеточной защиты растений под влиянием выбросов предприятий Газпрома // Проблемы анализа риска. Т. 8 (4). М., 2011. С. 36-46.

6. Levine A., Tenhaken R., Dixon R., Lamb С. H202 from the oxidative birst orchestrates the plant hypersensitive disease resistence response. II Cell. 1994. V. 79. P. 583-593. 94.

7. Thomashov M.F. Free Radicals, оxidative Stress and Antioxidants // Plant cold acclimation: freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. 1999. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 50: 571-591.

8. Vinson Joe A. Plant Flavonoids, Especially Tea Flavonols, Are Powerful Antioxidants Using an in Vitro Oxidation Model for Heart Disease // Food Chem.. 1995. 43 (11), pp. 2800-2802.

9. Sroka Z., Fecka I., Cisowski W. Antiradical and anti-H2O2 properties of polyphenolic compounds from an aqueous peppermint extract // Z. Naturforsch. 2005. Vol. 60, No. 11-12. P. 826-832.

9. Содержание аскорбиновой кислоты в сырье Achillea nobilis L., % (X±Sx)

Год сбора Содержание в свежих листьях Содержание в сухих листьях

промышленная площадка первой очереди контроль промышленная площадка первой очереди контроль

2006 3,8±0,04 2,4±0,04 6,7±0,04 4,0±0,04

2008 2,7±0,04 2,1±0,04 5,2±0,04 3,3±0,04