Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

CHEMICAL ELEMENTS IN THE SOIL – LEAVES OF PLANTAGO MAJOR IN THE NOVOSIBIRSK

Siromlya T.I. 1 Myadelets M.A. 1 Okhlopkova O.V. 2 Kachkin K.V. 2
1 Institute of Soil Science and Agrochemistry Siberian Branch of RAS
2 Novosibirsk State Medical University Ministry of health of Russia
Исследовано содержание химических элементов (ХЭ) в системе почва - листья подорожника большого (Plantago major L.) и дана сравнительная оценка с аналогичными объектами других регионов. Рассчитана подвижность ХЭ в почве, коэффициенты биологического поглощения Aх и биогеохимической подвижности Вх, биогеохимическая активность вида. Для Fe, Li, K и Mg выявлена достоверная сильная корреляционная связь между их подвижностью в почве и коэффициентом Ах. Корреляция между подвижностью ХЭ и Вх отрицательная (разной степени силы) для всех исследованных ХЭ, кроме Mg и Na. Биогеохимическая активность P. major на исследованной территории меняется от 52,5 до 78,4. Растительное сырье P. major, собранное на территории г. Новосибирска, является экологически чистым по содержанию ХЭ и в целом соответствует образцам аптечного сырья.
The content of chemical elements (ChE) in the soil – leaves of Plantago major in the city of Novosibirsk and the comparative evaluation with similar objects in other regions. Calculated mobility of ChE in the soil, biological absorption coefficients Aх and biogeochemical mobility Вх, biogeochemical activity of the species. For Fe, Li, K and Mg revealed significant strong correlation between their mobility in the soil and the coefficient of Aх. The correlation between mobility ChE and Вх negative (varying degrees of strength) for all investigated HAE, except for Mg and Na. Biogeochemical activity of P. major in the studied area varies from 52,5 to 78.4. Vegetable materials P. major, gathered in the city of Novosibirsk, is environmentally friendly on the content of heavy metals and is generally consistent with patterns of pharmaceutical raw materials.
elemental chemical composition
soil
Plantago major L.
environmental assessment
herbal drugs
В настоящее время антропогенные факторы оказывают интенсивное воздействие на все компоненты природной среды. В связи с этим качество сырья лекарственных растений (ЛР), произрастающих в техногенно нарушенных местообитаниях, необходимо оценивать с учетом не только традиционных фармакопейных показателей, но и требований экологической чистоты, т.е. содержания химических элементов (ХЭ) в целом и тяжелых металлов (ТМ) в частности.

К приоритетным загрязнителям биосферы, подлежащим первоочередному контролю в пищевых продуктах и пищевом сырье, относят Cd, Pb, Hg, As. Кроме них, к числу контролируемых компонентов в продуктах питания объединенная комиссия ФАО и ВОЗ относит Си, Sr, Zn, Fe. Содержание ХЭ в сырье ЛР в России в настоящее время не нормируется, и в литературе в основном используются значения, приведенные в СанПиН 2.3.2.1078-01 для биологически активных добавок на растительной основе (чаи).

Факторы, влияющие на содержание ХЭ в ЛР, можно разделить на три группы: 1) элемент (содержание и формы соединений в почве); 2) растение (вид, фазы вегетации, распределение по органам и т.п.); 3) почва (гранулометрический и минералогический состав, рН, содержание органического вещества и полуторных оксидов, емкость катионного обмена и т.д.). Помимо изменения элементного химического состава, ХЭ почвы оказывают значительное влияние на биосинтез действующих веществ в ЛР [2]. Оптимальный синтез биологически активных веществ происходит только при определенных пределах концентраций и соотношениях ХЭ в растительном организме и среде [3].

В настоящее время для ЛР достаточно подробно изучено влияние автотранспорта и частично - промышленных предприятий. В основном на основании проведенных исследований авторы не рекомендуют проводить заготовку сырья ЛP ближе 200-300 м от автомагистралей. По нашим данным [7], у подорожника большого (Plantago major L.) не соответствует нормативам зольность растений, собранных на расстоянии до 25 м от автотрассы, а содержание ХЭ вообще существенно не отличается от фонового. И.В. Гравель и др. [1] отмечают, что содержание ХЭ в сырье ЛP, собранном в радиусе 3,5 км от эпицентра выброса предприятия, существенно выше фонового, однако концентрации не достигают реально опасных для здоровья человека.

В таком случае ЛР вообще можно рассматривать как источник дополнительного поступления ХЭ в организм человека, тем более что микроэлементы в сырье ЛР отличаются наиболее благоприятными соотношениями и находятся в органически связанной, легко доступной для усвоения форме. Для коррекции элементного баланса в организме человека предлагается даже использовать сырье, не удовлетворяющее требованиям Государственной фармакопеи (ГФ) по содержанию в нем биологически активных веществ [6].

Подорожник большой (Plantago major L.) является одним из наиболее известных и характерных представителей урбанофлоры. Это ценное лекарственное растение, листья которого включены в ГФ. Применяется при хронических гастритах с пониженной секрецией, энтеритах и колитах, при язвенной болезни, ускоряет заживление ран и язв, оказывает кровоостанавливающее, противовоспалительное и бактерицидное действие.

Целью работы стало исследование содержания ХЭ в системе почва - листья P. major в условиях г. Новосибирска и экологическая оценка данного лекарственного сырья.

Материал и методы исследования

Объектом исследования послужили образцы почв (глубина отбора 0-20 см в зоне расположения корневой системы по диагонали пробных площадок в 5 точках с последующим объединением в смешанный образец) и листья P. major, собранные в фазу цветения растений в вегетационные периоды 2011-2012 гг. на территории крупного промышленного центра - г. Новосибирска (табл. 1). В качестве объекта сравнения использовалось аптечное сырье производства разных производителей.

Таблица 1

Характеристика места сбора исследуемых образцов

точки

Место сбора

Расстояние от трассы, м

Физ. глина, %

pH

I

п. Плотниково (НСО)

5-10

24,5

6,9

II

Ост. «Куприна», ул. Никитина

4-10

11,6

7,7

III

Ост. «Сибирская ярмарка», Красный проспект

2-10

14,0

7,4

IV

Ост. «Горбольница», ул. Залесского

8-10

13,0

7,1

V

Ост. «Карьер Борок», ул. Большевистская

5-10

11,1

7,5

Отбор образцов проводили общепринятыми методами. В каждой точке отбирали не менее 3 средних проб, дважды в течение фазы цветения. Далее представлены средние арифметические значения (n=6 для рН, количества физической глины и валового содержания ХЭ в почве; для всех остальных показателей n=12). Содержание физической глины определяли по ГОСТ 12536-79, рНсол - по ГОСТ 26483-85. Определение общего содержания ХЭ проводили методом атомно-абсорбционного анализа. Содержание ХЭ в листьях растений исследовали после их предварительного сухого озоления. Подвижную форму ХЭ извлекали из почвы ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8 и анализировали атомно-абсорбционным методом по РД 52.18.289-90. Содержание ХЭ приведено в пересчете на воздушно-сухие образцы. Все анализы выполнены в трех аналитических повторностях.

Для оценки доступности ХЭ растениям рассчитывалась их подвижность в почве - отношение содержания подвижных форм к общему содержанию в почве. Для оценки способности растений накапливать ХЭ рассчитывали коэффициент биологического поглощения Ах - отношение содержания ХЭ в золе растения к общему содержанию в корнеобитаемом слое почвы [5]. Ах отражает скорее потенциальную биогеохимическую подвижность элементов, поэтому дополнительно был рассчитан коэффициент биогеохимической подвижности Вх - отношение содержания ХЭ в сухом веществе растений к его подвижной форме, извлекаемой из почвы ацетатно-аммонийным буфером. Данный показатель характеризует доступность элементов растениям и степень использования ими подвижных форм элементов, содержащихся в почве [5].

На основе данных о коэффициенте Ах для количественного выражения общей способности растений к увеличению концентрации ХЭ была рассчитана биогеохимическая активность вида (БХА) - суммарная величина, получаемая при сложении коэффициентов Ах отдельных ХЭ, которая позволяет судить об общей способности растения к увеличению концентрации ХЭ при извлечении их из почвы.

Результаты исследования и их обсуждение

Все исследованные почвы характеризуются близкой к нейтральной реакцией почвенного раствора. По гранулометрическому составу городские почвы являются супесчаными, а почвенные образцы из п. Плотниково - легкосуглинистыми, поэтому валовое содержание в них ТМ оценивается по разным критериям в соответствии с ГН 2.1.7.2511-09. В некоторых случаях обнаружено превышение ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) валового содержания ТМ в почве Ni (24,3 мг/кг), Pb (87,3 мг/кг) и Zn (72,0-95,5 мг/кг) (табл. 2). Значительное превышение ОДК по валовому содержанию Pb в точке II обусловливает и высокое содержание подвижных форм данного элемента, превышающее предельно допустимую концентрацию (ПДК). В данной точке повышена подвижность большинства элементов, что в целом характерно для загрязненных территорий [8]. Во всех остальных случаях превышения ПДК исследуемых ТМ не обнаружено. Для марганца, свинца и цинка выявлена сильная корреляционная связь (r > 0,9) между валовым содержанием и количеством подвижных форм. Анализируя степень подвижности ХЭ (рис. 1), как условный показатель доступности ХЭ растениям, следует отметить, что наибольшей подвижностью в исследуемых образцах обладают Sr (до 51,42%) и Cd (до 27,85%), наименьшей - Fe (до 0,15%) и Na (до 0,29%).

Рис. 1. Подвижность ХЭ в почвах, %.

Таблица 2

Химические элементы в системе почва - листья P. major

Химический элемент, мг/кг

образца

Ca

Cd

Cu

Fe

Li

K

Mg

Mn

Na

Ni

Pb

Sr

Zn

I

почва

общ.

8591

0,420

13,50

21026,8

16,79

8375

2633

694,4

11738

31,00

18,50

38,5

35,80

подв.

276

0,064

0,84

7,7

0,29

95

210

80,0

27

0,99

0,70

19,8

0,96

растение

31179

0,181

12,51

381,0

1,61

23144

2568

48,3

108

1,66

1,58

40,1

30,41

II

почва

общ.

14269

0,160

13,30

13613,2

8,534

9900

2026

295,9

16500

11,60

87,30

65,9

43,00

подв.

706

0,041

0,20

21,1

0,64

38

150

37,0

30

1,37

12,78

16,3

4,61

растение

31996

0,216

9,68

425,0

2,49

24596

3595

44,1

58

1,46

1,53

67,8

41,29

III

почва

общ.

7537

0,430

19,40

18140,8

13,14

10000

1150

448,7

13138

24,30

25,20

51,8

95,50

подв.

396

0,050

0,44

5,6

0,40

244

120

24,0

26

1,21

2,58

10,6

9,92

растение

24403

0,171

16,43

362,0

1,44

28884

2193

35,2

102

1,40

1,63

28,9

50,11

IV

почва

общ.

10366

0,280

22,50

18030,6

13,46

9723

1640

426,1

12688

16,20

26,90

62,0

72,00

подв.

336

0,078

0,41

11,1

0,30

189

157

33,0

27

0,85

1,68

16,6

11,20

растение

26712

0,174

13,81

331

1,69

29759

2769

36,2

85

1,65

1,78

39,9

49,16

V

почва

общ.

7533

0,180

10,30

10555,1

9,45

9953

1349

328,8

13058

15,40

11,60

53,6

26,40

подв.

296

0,032

0,22

16,1

0,48

60

154

37,0

38

0,66

1,16

19,4

1,20

растение

29615

0,265

15,86

579

2,81

21979

4314

44,5

148

1,84

1,58

87,6

68,48

Аптечное сырье

31564

0,288

11,62

518

3,340

23524

2806

48,2

135

1,58

1,93

87,5

34,85

Примечание: общ. - валовое содержание ХЭ в почве; подв. - содержание подвижных форм ХЭ; растение - общее содержание ХЭ в растениях; жирным шрифтом выделены значения, превышающие допустимые концентрации.

При сравнении содержания ТМ в исследуемых образцах растительного сырья с показателями ПДК по СанПиН 2.3.2.1078-01 превышения допустимых значений не отмечается. Согласно полученным данным, в более запыленных растениях выше содержание цинка. Значительное превышение ПДК подвижного свинца в точке II отражается на достоверно большем количестве этого элемента в растениях, но тем не менее оно в 5 раз ниже ПДК для БАД на растительной основе. В большей степени в листьях P. major варьирует количество Li (V=34%), Na (V=31%) и Zn (V=30%). Наиболее постоянным содержанием отличается Pb (V=9%), что, возможно, является проявлением физиологического барьера растений к ТМ [9]. Также незначительной изменчивостью количественного содержания характеризуются Ca и Ni (V=10%). Полученные данные в значительной степени совпадают с ранее полученными нами результатами по влиянию на элементный состав P. major автотранспортного загрязнения и приведенными в той же статье литературными данными [7]. Обращают на себя внимание данные В.Н. Шапурко [10] по содержанию ТМ (мг/кг) в фитомассе фоновых растений P. major Брянской области: Pb - 11,3-23,6; Zn - 73,4-247,0; Cu - 36,9-44,7; Ni - 16,0-19,5; Fe - 2232-5780; Mn - 89-233; что в разы и даже на порядок выше техногенно загрязненных растений P. major Новосибирской, Томской, Кемеровской, Красноярской, Волгоградской областей.

Ряд накопления ХЭ выглядит следующим образом:

Cd < Ni ≤ Pb ≤ Li < Cu < Mn ≤ Zn ≤ Sr < Na < Fe <<Mg << K ≤ Ca

Содержание ХЭ в сырье лекарственных растений в России в настоящее время не нормируется, но можно отметить, что достоверных отличий между содержанием ХЭ в аптечном сырье и сырье, собранном в исследуемых точках, не установлено. У аптечного сырья P. major, исследованного И.В. Гравель и др. [1], содержание Ni и Zn совпадает с полученными нами результатами, количество Fe, Mn, Cu, Pb и Cd примерно в два раза ниже.

Как показано на рис. 2, Ca и K проявляют себя как элементы интенсивного накопления (100>Aх≥10) во всех исследуемых точках произрастания P. major, у Mg и Zn пограничная ситуация, Cd, Cu и Sr характеризуются сильным накоплением (10>Aх≥1). К элементам слабого накопления (1>Aх≥0,1) относятся Fe, Li, Mn, Na, Ni, Pb. Очень низкий коэффициент Ах для Pb отмечается у P. major и в работах И.В. Гравель и др. [1]. Между подвижностью ХЭ в почве и Ах выявлена сильная корреляционная связь для Fe (r=0,78), Li (r=0,93), K (r=0,92), Mg (r=0,87). Коэффициент Вх также максимален для калия (118-647) и кальция (45-112). По другим элементам картина сходная, но резко меняются параметры для железа и стронция. Корреляция между подвижностью ХЭ и Вх отрицательная (разной степени силы) для всех исследованных элементов, кроме магния и натрия. Биогеохимическая активность P. major на исследованной территории меняется от 52,5 до 78,4.

Рис. 2. Диапазоны коэффициентов биологического поглощения Ах и биогеохимической подвижности Вх.

Также можно отметить, что содержание полисахаридов во всем исследованном сырье соответствует требованиям ГФ (не менее 12%), количество дубильных веществ изменяется в диапазоне 5,5-6,9% и в среднем несколько выше, чем в аптечном сырье. В точках II и V наблюдается несколько повышенная запыленность образцов, что сопровождается увеличением количества флавонолов и снижением содержания хлорофилла [4].

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют о том, что городские почвы могут быть загрязнены ХЭ в количествах, превышающих существующие нормативы, но это явление не распространено повсеместно и наблюдается не для всех исследованных ХЭ. Для Mn, Pb и Zn выявлена сильная корреляционная связь между валовым содержанием и количеством подвижных форм. Подвижность ХЭ резко отличается, изменяясь от 0,15 до 50%.

Содержание ХЭ в растениях P. major г. Новосибирска в значительной степени соответствует данным по Томской, Кемеровской, Красноярской, Волгоградской областям, но по Брянской области данные значительно выше.

Ca и K проявляют себя как элементы интенсивного накопления, у Mg и Zn пограничная ситуация, Cd, Cu и Sr характеризуются сильным накоплением. К элементам слабого накопления относятся Fe, Li, Mn, Na, Ni, Pb. Коэффициент Вх также максимален для К и Са, по другим ХЭ картина сходная, но резко меняются параметры для Fe и Sr. Между подвижностью ХЭ в почве и Ах выявлена сильная корреляционная связь для Fe, Li, K, Mg. Биогеохимическая активность вида меняется от 52,5 до 78,4. Растительное сырье P. major, выращенное даже на загрязненных территориях, отвечает требованиям ГФ, является экологически чистым по содержанию ХЭ и в целом соответствует образцам аптечного сырья.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-05-31211.

Рецензенты:

Якименко В.Н., д.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт почвоведения и агрохимии» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск.

Высочина Г.И., д.б.н., профессор, зав. лабораторией фитохимии, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Центральный сибирский ботанический сад» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск.