CC BY
125
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ФЛАВОНОИДОВ В РАСТЕНИЯХ СЕМЕЙСТВА НОРИЧНИКОВЫХ СТЕПНОГО ПРЕДУРАЛЬЯ
Содержание биологически активных веществ в растениях зависит от физико-химических характеристик среды обитания - экологических факторов. Особое место среди веществ вторичного синтеза занимают флавоноиды, предположительно повышающие толерантность растений к неблагоприятным условиям среды. Изучение растений семейства норичниковых (вероника колосистая Veronica spicata L., льнянка обыкновенная Linaria vulgaris L. и марьянник полевой Melampyrum pratense L.), собранных в степном Оренбуржье в зоне влияния промышленных выбросов Оренбургского газоперерабатывающего завода, позволило установить, что содержание суммы флавоноидов в биомассе растений, произрастающих в зоне действия атмосферных выбросов ОГПЗ, превышает количество флавоноидов в биомассе растений контрольных участков. Отмеченный факт свидетельствует об изменении хода метаболических процессов и фитохимического состава растений, вынужденных адаптироваться к загрязненной промышленными выбросами газовой среде.
Растения в процессе роста и развития накапливают вещества первичного и вторичного синтеза. Вещества первичного синтеза - белки, углеводы и липиды - образуются в процессе фотосинтеза и выполняют в основном функции запасных и структурных соединений.
Из литературных источников известно (Благовещенский, 1966; ОоПшюк, №иЪег1, 1970; Ноздрюхина, Гринкевич, 1980; Ильин, 1989; Олешко и др., 1997; Трембаля, 1997;), что процессы метаболизма в растениях зависят в значительной мере от наличия в них веществ вторичного синтеза и микроэлементов. Компоненты вторичного синтеза - флавоноиды, алкалоиды, фитонциды, эфирные масла, тани-ды, гликозиды, сапонины, ферменты, кумари-ны, органические минеральные кислоты, горечи, иридоиды и многие другие соединения, принимающие активное участие в процессах метаболизма растений, принято называть биологически активными веществами (БАВ). Биологически активные (действующие) вещества присутствуют во всех органах высших растений. Их содержание в растениях зависит от фазы развития, географической зоны и физико-химических характеристик среды обитания - экологических факторов.
Нами проведено исследование растений, собранных в степном Оренбуржье в зоне влияния промышленных выбросов Оренбургского газоперерабатывающего завода. В задачи исследования входило изучить влияние промышленных поллютантов на накопление биологически активных веществ - флавоноидов и фе-нолкарбоновых кислот. Сравнительный фитохимический анализ растительности, произрас-
тающей на техногенно загрязненных участках, имеет большое значение в плане изучения механизмов адаптации растений к негативному воздействию загрязненной среды. Поэтому фитохимические исследования - необходимая составная часть исследований биологических ресурсов степного Предуралья. Изучение веществ первичного синтеза в растениях, произрастающих вблизи Оренбургского газоперерабатывающего завода, проводилось ранее некоторыми исследователями (Рябинина, 1993). При этом была выявлена некоторая зависимость содержания веществ первичного синтеза в растениях от фазы развития и экологических условий. Изучения влияния промышленных выбросов Оренбургского газоперерабатывающего завода ООО «Оренбурггазпром» на общий габитус растений и накопление в них биологически активных веществ ранее не проводилось.
Исследования проводились на территории газоперерабатывающего комплекса и в его окрестностях. Для этого были взяты широко распространенные растения семейства норичниковых: вероника колосистая Veronica spicata L., льнянка обыкновенная Linaria vulgaris L. и марьянник полевой Melampyrum pratense L. Анализы проводились на содержание веществ флавоноидов и фенолкарбоновых (оксикорич-ных) кислот.
Флавоноиды являются наиболее обширной группой фенольных соединений и важной составной частью растительного организма. Среди веществ вторичного синтеза флавоноиды занимают особое место. Они принимают активное участие в окислительно-восстановительных процессах в растениях, являются необходимы-
ми компонентами дыхательной пероксидазной системы растений, играют роль поглотителей ультрафиолетовых лучей, предохраняя тем самым хлорофилл и плазму (Благовещенский, 1966; Георгиевский и др., 1989; Кенжебаева и др., 1998).
Значительная пластичность флавоноидов в растениях, отмечаемая в большинстве исследований экологического характера, чаще всего связана со сменой климатических зон или широтным распределением по планете (Благовещенский, 1966). Однако особенности качественного состава флавоноидов и содержания отдельных компонентов в растениях одного и того же вида, собранных в различных местообитаниях в пределах небольших географических регионов, исследовались недостаточно.
Полагают, что флавоноиды являются неотъемлемой частью высших растений и участвуют в важных процессах обмена веществ. Ряд авторов выдвигает предположения о том, что флавоновые соединения повышают толерантность растений к неблагоприятным условиям среды (Георгиевский и др.,1989; Олешко и др., 1997; Храмова, 1998). Известно, что в нетипичных для вида местообитаниях его фла-воноидный комплекс, отражая специфический тип вторичного обмена, существенно меняется и не совпадает с аналогичными профилями, характерными для вида в данном регионе (Олешко и др., 1997).
Проводимое нами исследование особенностей флавоноидного комплекса вышеназванных растений, произрастающих в природных популяциях Оренбургского района, включало характеристику местообитаний по ряду признаков, геоботаническое описание, анатомо-мор-фологические особенности данных видов. Кроме того, в задачи исследования входило изучение флавоноидного комплекса для анализа эко-лого-ценотического ряда сообществ, произрастающих на территории газоперерабатывающего комплекса, санитарно-защитной зоны ОГПЗ и в контрольных участках.
Воздушно-сухое и измельченное сырье обрабатывали хлороформом для удаления сопутствующих веществ (смолы, хлорофилл, воск и другие примеси), мешающих анализу, и высушивали. Экстракцию флавоноидов проводили в трехкратной повторности этанолом 96%, 60% и 30%.
Определение наличия индивидуальных флавоноидов и их количества в растениях, произрастающих в зоне влияния выбросов ОГПЗ (на территории завода и на границе санитарно-защитной зоны) и на контрольной территории, проводили методом двумерной хроматографии на бумаге.
Хроматографирование проводили в системе 1 - н- бутанол - уксусная кислота - вода в соотношении 4 : 1 : 5 (БУВ 415), а затем в системе 2 - уксусная кислота - вода (15 : 85). Хроматограммы высушивали и просматривали в УФ-свете и парах аммиака, обводя простым карандашом контуры пятен и отмечая их окраску. Сплошной линией обводили пятна видимые в УФ-свете, а пятна, появившиеся после проявления, обводили прерывистой линией.
Затем хроматограммы проявляли хромогенными реактивами, в частности 1% спиртовым раствором хлорида аллюминия, являющимся классическим проявителем при определении флавоноидов и фенолкарбоновых кислот (Краснов и др., 1987). После проявления хроматограммы снова просматривали в УФ-свете, отмечая флуоресценцию пятен. Пятна, характерные для флавоноидов, отмечали сетчатой штриховкой, а для фенолкарбоновых кислот - линейной.
Количественное определение флавоноидов в сырье проводилось фотоколориметрическим методом на КФК-56П. Колориметрирование проводили с использованием комплексообразующих (раствор хлорида алюминия) и ионизирующих реактивов (раствор ацетата натрия), являющимися высокочувствительными при определении флавоноидов в растениях, в кюветах с толщиной слоя 0,75 мм и длиной волны 400 нм. Расчет количества флавоноидов проводили по калибровочному графику, построенному по цинарозиду (табл. 1).
В результате реакции наблюдали окрашивание извлечений от слабо желтого до ярко желтого, характерного для флавоноидов группы флавона. Установлено, что все изучаемые нами растения содержат флавоноиды группы флавона в значительных количествах. Наибольшее содержание флавоноидов обнаружено в траве вероники колосистой.
Изучение хроматограмм позволило установить, что качественный состав флавоноидов в изучаемых нами растениях, произрастающих в
зонах с различной техногенной нагрузкой, имеет отличия. Изменение концентрации (размеры пятен, интенсивность их флуоресценции на хроматограммах) и качественного состава флаво-ноидов и фенолкарбоновых кислот, видимо, является следствием воздействия на организмы растений атмосферного воздуха, содержащего фитотоксичные примеси в незначительных концентрациях (не превышающих ПДК). ИЗА в исследуемых точках можно охарактеризовать как низкий. Тем не менее газовая среда отличается от фоновой, что влечет за собой ряд изменений фитохимического состава растительного сырья.
В результате исследования в траве вероники колосистой, произрастающей в условиях промышленного воздействия, нами обнаружено от 4-х (район администрации завода и окрестности установок первой очереди) и до 6-ти флавоноидов (пос. Холодные Ключи). Кроме того, на хроматограммах экземпляров растений, собранных на административной территории завода, было обнаружено 7 пятен, принадлежащих фенолкарбоновым (полифенольным) кислотам. Количество фенолкарбоновых кислот у вероники колосистой контрольной зоны равно восьми, из них одно вещество обнаруживает себя только после проявления в парах аммиака. На территории санитарной зоны выявлено 6 фенолкарбоновых кислот. Максимальное количество фенолкарбоновых кислот отмечено в растениях, произрастающих на территории предприятия в промышленной зоне - 9 веществ.
Исследования травы льнянки обыкновенной, произрастающей в условиях промышленного воздействия (в окрестностях завода и санитарно-защитной зоне), на наличие флавоноидов и фенолкарбоновых кислот показали наличие не менее 8 флавоновых веществ. Хроматограммы экземпляров растений, собранных в промышленной зоне и в окрестностях административного корпуса, выявили также 3 пятна, принадлежащих фенолкарбоновым кислотам. В растениях контрольных участков анализ выявил 8 флаво-ноидов и 2 фенолкарбоновые кислоты. В санитарно-защитной зоне (пос. Холодные Ключи) количество флавоноидов равно 8, что не превышает контрольные показатели. Число фенолкар-боновых равно 4, что превышает контрольные показатели и показатели льнянки обыкновенной в окрестностях завода.
Трава марьянника полевого, собранная в промышленной зоне, обнаруживает на двумерной хроматограмме не менее 6 (в зоне влияния установок первой очереди завода) и 8 (возле административного корпуса завода) флавоно-идов. Соответственно 4 и 6 веществ обнаруживают себя до проявления раствором хлорида аллюминия по темной и темно-коричневой окраске в УФ-свете. У двух веществ пятна видны лишь после проявления хроматограммы, что свидетельствует о незначительном их количестве в исследуемом растении. В зоне влияния установок первой очереди обнаружено 2 пятна, принадлежащих фенолкарбоновым кислотам. На хроматограммах растений контрольной зоны выявлено 2 пятна, принадлежащих фенолкарбоновым кислотам, которые обнаруживаются лишь после проявления в парах аммиака.
Из приведенных данных видно, что спектр содержания веществ вторичного синтеза меняется у растений, произрастающих в условиях атмосферного загрязнения, в зоне влияния выбросов крупного газоперерабатывающего предприятия. Все исследуемые нами виды, за исключением льнянки обыкновенной, собранные в техногенной зоне, вырабатывают больше флавоноидов, чем растения, собранные вдали от газоперерабатывающего предприятия, и в условиях повышенного техногенного воздействия показали увеличение спектра вырабатываемых фенолкарбоновых кислот. Что связано, по всей вероятности, с необходимостью выработки адаптационных систем к изменению газовой среды.
Наибольшее количество флавоноидов обнаружено в траве, произрастающей в окрестностях ОГПЗ (на территории завода и в санитарнозащитной зоне). Следовательно, можно предположить, что содержание и накопление флавоно-идов зависит от наличия и концентрации техногенных примесей в атмосфере. Повышенная выработка и накопление флавоноидов и фенолкар-боновых кислот являются следствием ответной реакции организмов растений на наличие в атмосфере примесей - выбросов ОГПЗ.
В ходе исследования установлено, что растения каждого вида, собранные в различных экологических условиях, отличаются уровнем содержания флавоноидов. Наибольшее количество общей суммы флавоноидов отмечено у
растений, произрастающих в загрязненной атмосфере (в районе промышленных установок 1-й очереди, возле поселка Холодные Ключи). Меньшее количество флавоноидов отмечается в траве растений, произрастающих в контрольной зоне, вдали от действующих промышленных предприятий и автодорог.
Наименьшее различие в количестве флаво-ноидов отмечается у льнянки обыкновенной (6% и 5% в санитарной зоне, в районе промышленных площадок - 10% и 11%). Наибольшие отличия в количественном содержании флаво-ноидов наблюдались у марьянника полевого: 35% (ОГПЗ, 1998 г.), 41% (Холодные Ключи, 1998 г.), 64% (Холодные Ключи, 1999 г.). Различие по показателю у растений вероники колосистой составило в районе установок первой очереди - 12% и 16% (1998-99 гг.). В поселке Холодные Ключи контрольные показатели превышались всего на 4%.
Содержание суммы флавоноидов в биомассе растений, произрастающих в зоне действия атмосферных выбросов ОГПЗ, превышает ко-
Таблица 1. Сводные данные по содержанию флавоноидов в травянистых растениях (мг % сухого сырья)
Вид растения 1998 г. 1999 г.
огпз Сан. зона Контроль огпз Сан. зона Контроль
Linaria vulgaris 2,89±0,07 3,00±0,09 2,73±0,09 2,94±0,07 3,07±0,08 2,78±0,07
Melampyrum pratense 1,66±0,07 1,74±0,09 1,23±0,05 - 1,60±0,05 0,97±0,04
Veronica spicata 6,62±0,09 6,16±0,09 5,91±0,07 6,77±0,09 - 5,80±0,08
личество флавоноидов в биомассе растений контрольных участков (табл. 1). Отмеченный факт свидетельствует об изменении хода метаболических процессов и фитохимического состава растений, вынужденных адаптироваться к загрязненной промышленными выбросами газовой среде. Повышение уровня содержания и концентрации флавоноидов в надземной фитомассе растений может использоваться в качестве диагностического признака, свидетельствующего о наличии антропогенного прессинга (атмосферного промышленного загрязнения) на организмы растений.
Список использованной литературы:
1. Благовещенский A.b. Биохимическая эволюция цветковых растений. М.: Наука, 1966. 327 с.
2. Воин М.И. Возможности снижения экологической опасности экотоксикантов в сельском хозяйстве // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 5. - С. 38-40.
3. Георгиевский В.П., Рыбаченко A.^ и др. Физико-химические и аналитические характеристики флавоноидных соединений // Северо-Кавказский научный центр высшей школы. - Ростов на/Д.: Изд. Ростовск. ун-та, 1988. - 143 с.
4. Гончарик М.Н. Влияние экологических условий на физиологию культурных растений. Минск: Изд. AH БССР, 1962.
5. Ильин В.Б. Элементарный химический состав растений. - Новосибирск: Наука, 1985. - 129 с.
6. Кенжебаева С.Т., Кульмагамбетова ЭА., Прибыткова Л.Н., Aдекенов С.М. Флавоноиды Achillea glabella Kar. Et Kir. // Физиолого-биохимические аспекты изучения лекарственных растений / Мат-лы междунар. совещ., посв-о памяти Минаевой В.Г. Новосибирск, 1998. С. 56.
7. Ноздрюхина Л.Р., Гринкевич Н.И. Нарушение микроэлементного обмена и пути его коррекции. М.: «Наука», 1980. - 280 с.
8. Олешко Г.И., Зеленина М.В., Вотинова Т.И., Марценюк В.Б., Елабугина О.В., Челпанова Е.В. Влияние условий обитания на накопление флавоноидов некоторыми видами рода вероника и брусника региона Урала // Мат. юбилейной науч-практ. конференции, посв. 60-летию Пермской государственной фармацевтической академии. Пермь: ПГФA, 1997. - С. 15-16.
9. Просовский МА. Фармакологическое изучение ромашки душистой. Aвтореф. дис. канд. фарм. наук. Пермь, 1986.
10. Рябинина З.Н., Семенова Н.В., Пушкарева Е.В. Влияние выбросов ОГПЗ на культурные и дикорастущие растения //Оренбургская область: Мат-лы науч.-метод. конференции. Оренбург, 1993. - С. 25.
11. Трембаля Я.С. Влияние микроудобрений на сезонный ритм развития тысячелистника обыкновенного в условиях культуры // Сб. науч. тр., Курский гос. мед. ун-т. - Курск, 1997. - С. 172-174.
12. Gollmick F., Neubert P., Vielemeyer H.P. Moglickeiten und Grenzen der Pflanzenanalyse bei der Ermittlung des Mineralstoffbedarfs landwirtschaflicher Kylturpflanzen. - Fortschrittsberichte fur die Landwirtschaft und Nabrungsguterwirtschaft, 1970, Bd. 8, H. 4 -S. 5-83.
