Влияние антропогенных факторов на химический состав растений в условиях г. Тулы

Влияние антропогенных факторов на химический состав растений

в условиях г. Тулы

Растительный мир является важным элементом, который позволяет идентифицировать загрязненность окружающей среды. Во многих научных статьях именно растения рассматривают как наиболее чувствительные и точные индикаторы загрязненности окружающей их среды и атмосферы в целом. Растущие в городе растения, страдают от выхлопных газов автомобилей, от дыма труб и выбросов промышленных предприятий. Из-за антропогенного влияния на окружающую среду растения преждевременно стареют, желтеют и лишаются своих листьев. Для решения проблем сохранения биоразнообразия, повышенный интерес уделяется охране видового богатства. Затруднение эффективных мер по охране растений возникает из-за недостаточно изученной адаптации растений в среде их обитания. Поэтому очень важно дать оценку состояний естественных популяций и повышенного интереса заслуживают современные методы исследования.

Для проведения исследований были изучены места обитания растений с различной степенью антропогенного воздействия. Растения были собраны с территории рядом с промышленными предприятиями, которые наносят вред окружающей среде: АО «Тулачермет-Сталь» и АО «ЕВРАЗ Ванадий-Тула». По данным Комитета по охране окружающей среды Тульской области доля выбросов этих заводов в атмосферу составляет около 76% от суммарных выбросов всех предприятий г. Тулы.

Также были собраны растения в местах с наименьшей степенью антропогенного воздействия – это образцы, собранные на территории Платоновского леса и Центрального парка им. П.П. Белоусова г. Тулы.

В качестве объектов исследования были выбраны следующие травянистые виды растений, которые считаются индикаторами степени загрязнения окружающей среды. Были выбраны одинаковые виды растений, которые можно было найти в этих точках. Таким образом, объектами исследования стали: крапива двудомная, одуванчик лекарственный и лопух большой.

Крапи́ва двудо́мная (лат. Urtíca dióica) — многолетнее травянистое растение, вид рода Крапива (Urtica). 

Одува́нчик лекарственный (лат. Taráxacum) — многолетнее травянистое растение семейства Сложноцветные (Asteraceae). 

Лопу́х большой (лат. Árctium) — двулетнее растение семейства ложноцветные. 

В таблице 1 представлена принятая в данной работе нумерация образцов растений и места их сбора. Важно отметить, что растения, собранные вблизи с заводами, находились на открытой солнечной территории, а в парках в тенистой местности, с недостаточным освещением, из-за большого количества деревьев.

Таблица 1

Образцы растений и места их сбора

Первым этапом исследований стало определение влажности растительного сырья, которая проводилось в соответствии с методикой, представленной в ОФС «Определение влажности лекарственного растительного сырья и лекарственных растительных препаратов».

Количественное содержание влаги в растительном сырье изменяется от 7 до 12 %. Определение остаточной влажности в растениях необходимо для дальнейших расчетов при определении количественного содержания биологически активных веществ.

Следующим этапом исследований было определение аскорбиновой кислоты йодометрическим методом.

В основе данного метода лежит реакция окисления иодатом калия аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой кислоты. При этом, в качестве индикатора, в реакционный раствор добавляют несколько капель крахмала и раствор иодида калия. Далее раствор титруют 0,001М раствором KIO3. В точке эквивалентности, после добавления лишней капли иодата калия, происходит взаимодействие с иодидом калия, в результате чего образуется иод, как простое вещество, который взаимодействует с крахмалом и появляется синее окрашивание, не исчезающее в течение нескольких минут.

Аскорбиновая кислота (АК) выполняет защитные функции, тем самым повышая устойчивость растений к антропогенному воздействию. Аскорбиновая кислота способствует восстановлению свободных радикалов, является донором водородных ионов, и сводит к минимуму разрушения, вызванные неблагоприятными факторами. АК является ингибитором свободно-радикальных реакций.

По результатам проведенного количественного анализа, синтез аскорбиновой кислоты в крапиве повышается под действием загрязнённой атмосферы (образцы 1, 4).

Изучаемые образцы, произрастающие рядом с промышленными предприятиями (образцы 2, 5) являющимися основными загрязнителями города, содержат повышенное количество аскорбиновой кислоты, что указывает на влияние антропогенного воздействия на химический состав надземной части лопуха большого.

Аскорбиновая кислота является важнейшим компонентом в составе одуванчика лекарственного [1]. По полученным экспериментальным данным, можно предположить, что содержание аскорбиновой кислоты повышается из-за негативного воздействия окружающей среды (образцы 3, 6).

Следующим этапом было определение фотосинтетических пигментов в растениях спектрофотометрическим методом. При этом получают спиртовые экстракты растений и проводят спектрофотометрирование при следующих значениях длины волны: 665 нм, 649 нм, 470 нм.

Содержание пигментов рассчитывают по формулам указанным на слайдах:

Количество пигментов оценивается в мг/г сырой массы с использованием следующей формулы:

где:

F – масса пигмента в 1 г сырой массы листвы, мг/г

C – концентрация пигмента , мг/л

V – объем вытяжки, мл

m – масса навески листьев, мг

Пигменты принимают участие в защитных механизмах растений. В свою очередь хлорофилл a считается основным пигментом благодаря своей способности к быстрому разрушению, а хлорофилл b дополнительным, т. к. поглащает солнечную энергию и передаёт хлорофиллу а. Каротиноиды защищают фосфолипидный бислой мембран, поглощая свободные радикалы и АФК, тем самым уменьшают последствия стресса и разрушения хлорофиллов.

Известно, что соотношение хлорофилла a к хлорофиллу b и каротиноидов 5:3:2, отклонение говорит о стресс-факторах, влияющих на химический состав растений.

Соотношение пигментов хлорофиллов а, б и каротиноидов отличаются от нормального соотношения (5:3:2) в сторону увеличения содержания хлорофилла б и каротиноидов. Полученные экспериментальные данные нельзя интерпретировать однозначно, так как такое соотношение может быть обусловлено не только антропогенным воздействием, но и комплексом условий местообитания и видовыми особенностями растения. Так, например, крапива образцов 7 и 10, собранная в парках, произрастала в тени под деревьями, т.е. в условиях недостаточной освещенности, что и могло привезти к таким результатам.

Так, образцы 2 и 5, были собраны на открытой местности, которая не была лишена солнечной энергии, что, вероятно, и повлияло на содержание фотосинтетических пигментов. Для образцов одуванчика 3, 6, 9, 12 количество пигментов также отличается от соотношения 5:3:2, что свидетельствует о влиянии неблагоприятных условий окружающей среды и антропогенным воздействием.

Следующим этапом стало определение полифенольных веществ: дубильных веществ и флавоноидов.

Определение содержания дубильных веществ в растительном сырье проводилось перманганатометрическим титрованием по методу Левенталя.

Данный метод основан на легкой окисляемости дубильных веществ перманганатом калия в присутствии индигосульфокислоты в качестве индикатора, при комнатной температуре. Титрование ведут до появления золотисто-желтого окрашивания. Изменение окраски вызвано превращением индигосульфокислоты в изатин, который имеет желтую окраску.

Считается, что дубильные вещества накапливаются в растениях, как запасные вещества, которые обладают защитными свойствами. Они являются переносчиками кислорода в растениях (участвуют в ОВР).

По полученным экспериментальным данным, можно сделать вывод о том, что повышенное содержание дубильных веществ установлено в образцах растений, произрастающих в наиболее загрязнённой среде обитания крапивы («Тулачермет-Сталь» и «ЕВРАЗ Ванадий-Тула»). В образцах 1,4 количество данных фенольных соединений выше, чем в образцах 7,10, что свидетельствует о накоплении веществ с целью защиты от негативного воздействия стресс-факторов.

На примере другого растения (лопуха большого), также можно увидеть, что в образцах 2,5 (образцы собраны на территории около заводов) у растений под действием антропогенных факторов также наблюдается повышенное содержание дубильных веществ.

В ходе исследований выявлено увеличение содержания дубильных веществ в несколько раз в образцах 3 и 6, с большей антропогенной нагрузкой, по сравнению с образцами 9 и 12 с меньшей антропогенной нагрузкой.

Следующим этапом наших исследований было определение количественного содержания суммы флавоноидов в листьях растений. Определение проводили спектрофотометрическим методом. Для этого навески измельченного сырья исследуемых растений экстрагировали 70% спиртовым раствором.

Данный метод основан на реакции комплексообразования флавоноидов со спиртовым раствором хлорида алюминия, уравнение данного процесса представлено на слайде. В результате этого, у полученного окрашенного раствора комплекса измеряют оптическую плотность на спектрофотометре, и рассчитывают сумму флавоноидов.

Флавоноиды являются постоянными компонентами растений, защищают растения от избыточного солнечного света, участвуют в окислительно-восстановительных процессах и тканевого дыхания. При воздействии абиотических и антропогенных факторов возрастает биосинтез флавоноидов с целью защиты растительных тканей. Чувствительность этих соединений позволяет использовать флавоноиды, как индикаторы, для определения уровня загрязнения в окружающей среде.

Известно, что содержание флавоноидов в листьях крапивы двудомной не нормируется. Исходя из результатов исследований Тринеева О. В. «Разработка и валидация методики количественного определения флавоноидов в листьях крапивы двудомной» содержание суммы флавоноидов в перерасчёте на рутин составило 1.55±0.034% [2]. Основываясь на этих данных, можно сказать, что крапива двудомная обитает в неблагоприятной среде в условиях г. Тулы, так как растение содержит большое количество флавоноидов. По результатам эксперимента нельзя сказать однозначно, что на сумму флавоноидов повлияло только действие человека на природу.

Известно, что суммарное содержание флавоноидов для лопуха большого 2.5% [3]. По результатам проведенных исследований, количество флавоноидов выше нормы в несколько раз. Лопух большой является достаточно устойчивым растением, он способен переносить высокие нагрузки.

В растениях содержание флавоноидов изменяется от 0,5 до 5% [1,4].  Уровень содержания флавоноидов в надземной части одуванчика в образцах 9 и 12 (в парках г. Тулы), не превышает содержания флавоноидов, указанных в литературных источниках. Однако, содержание флавоноидов в образцах, собранных с чистых точек (образцы 9,12) все-таки выше, чем в образцах 3,6, которые собраны в антропогенно загруженных участках, что может быть вызвано большим влиянием абиотических факторов, чем антропогенных.

В результате проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Было проанализировано 30 литературных источников по теме «Влияние антропогенных факторов на химический состав некоторых растений». Освоена и проработана методика эксперимента.

2. Было изучено влияние антропогенного и абиотического стресс-фактора на химический состав и физиологические процессы растений. 

3. В ходе эксперимента в листьях растений различных мест обитания, были выявлены разные концентрации аскорбиновой кислоты и фотосинтетических пигментов, указывающих на уровень стресса.

4. Изучены полифенольные вещества, такие как флавоноиды и дубильные вещества. Выявлено, что эти соединения способствуют адаптации растений к окружающей среде и выступают в роли защитников.

5. Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать вывод, что растения, произрастающие рядом с заводами, подвергаются наибольшему антропогенному воздействию.

Список литературы:

1. Евстафьев С.Н. Биологически активные вещества одуванчика лекарственного Taraxacum officinale. (Обзор)/ С.Н. Евстафьев, Н.П. Тигунцева // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2014, – № 1(6) – С. 18-29

2.Тринеева О. В. Разработка и валидация методики количественного определения флавоноидов в листьях крапивы двудомной/ О. В. Тринеева, А. И. Сливкин, С. С. Воропаева// Вестник ВГУ, СЕРИЯ: ХИМИЯ. БИОЛОГИЯ. ФАРМАЦИЯ, 2014, № 1– С. 138-144

3. Никитина В. С. Получение пектинов, флавоноидов и каротиноидов из корней лекарственных растений/ В. С. Никитина М. И. Абдуллин, Л. Т. Гайнанова// Вестник Башкирского университета. 2012. Т. 17. № 4

4. Бандюкова В.А. Распространение флавоноидов в некоторых семействах высших растений: Сем. Compositae // Растит. ресурсы. 1968. Т.4., вып. 3. С. 429–441.