Accumulation and distribution of chemical elements in Taraxacum officinale (L.) Weber ex F.H. plants. Wigg of the Transbaikal region

Full Text

Введение Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale (L.) Weber ex F.H. Wigg) - многолетнее травянистое растение семейства сложноцветных. Лекарственным сырьем являются корни одуванчика, которые заготавливают ранней весной (апрель-май) или осенью (сентябрь - октябрь). Химический состав представлен тритерпеновыми соединениями, стеринами, витаминами А, В1, В2, С, смолами, углеводами (до 18 %). Биологически активные соединения одуванчика лекарственного обладают желчегонными, спазмолитическими, слабительными, снотворными, мочегонными свойствами. В медицине используются корни - для улучшения деятельности пищеварительного тракта, при лечении кожных заболеваний; листья - при гиповитаминозе, подагре, кожных заболеваниях[90]. Содержание химических элементов в растениях зависит как от биологических особенностей, так и от условий местообитания вида. При наличии техногенного загрязнения лекарственные растения могут накапливать токсиканты в различных частях растения, в том числе и тех, которые используются в качестве лекарственного сырья. На изучаемой территории можно выделить ряд факторов, которые негативно влияют на дикорастущие лекарственные растения: загрязнение окружающей среды промышленными и сельскохозяйственными предприятиями, лесозаготовка, добыча и переработка полезных ископаемых [4]. Цель исследования - изучить особенности накопления и распределения некоторых химических элементов (Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pb) в растениях Taraxacum officinale. Материалы и методы Исследования проводились на территории Забайкальского края в Дульдургинском районе (окрестности с. Иля, белоберезовый остепненный лес с мерзлотно-таежными дерновыми почвами, Р 1) и в Акшинском районе (окрестности с. Курулга, сосново-лиственничный лес с мерзлотными лугово-черноземными почвами, Р 2). Отбор проб растений для анализа проводили в стадию их цветения (июль 2021 г.). Отбирались здоровые, без внешних повреждений растения. В работе использовали надземную и подземную часть T. officinale. Растения очищали от загрязнений, промывали в проточной, а затем в дистиллированной воде и сушили до воздушно-сухого состояния. Образцы почв отбирали на месте произрастания растений на глубине 0-20 см, очищали от крупных примесей, просеивали и составляли смешанную пробу для проведения химического анализа. Определение микроэлементов (Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pb) в почве (валовое содержание и подвижные формы) и растительных образцах выполнено методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на спектрометре S2 Picofox (Bruker Nano, Germany) после предварительного разложения почв смесью минеральных кислот или экстракции подвижных форм аммонийно-ацетатным буферным раствором (рН = 4,7), растений - после озоления проб в муфельной печи и последующего разложения золы концентрированными кислотами и перекисью водорода. Оценку степени загрязненности почв проводили по индексу геоаккумуляции (Igeo) [5]: , где Bm - фоновая концентрация элемента в почве по А.П. Виноградову (см. [6]); Cm - измеренная концентрация химического элемента в почве; 1,5 - коэффициент коррекции, позволяющий анализировать естественные отклонения в содержании элемента в природе и снижать антропогенное влияние. Градация интенсивности загрязнения имеет следующее шкалирование: <0 - практически незагрязненная, >0-1 - от незагрязненной до умеренной, >1-2 - умеренная, >2-3 - от умеренной до сильной, >3-4 сильная, >4-5 - от сильной до очень сильной, >5 - очень сильная [5]. Для оценки степени накопления химических элементов в растительных образцах рассчитан коэффициент корневого барьера (Ккб) - отношение величин содержания элементов в корне растения и надземных органах. Величины ПДК и ориентировочных допустимых концентраций ОДК для почв приведены в соответствии с СанПиНом 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Полученные данные были подвергнуты обработке методами описательной статистики с помощью пакета Microsoft Excel 2010 и PAST 3.25 [7]. Результаты и обсуждение Почвы исследованных районов - мерзлотно-таежные дерновые и мерзлотные лугово-черноземные, характеризуются низким содержанием гумуса (табл. 1). Кислотность почв близка к нейтральной. Как видно из приведенных данных, содержание валовых и подвижных форм Mn, Fe, Co, Ni и Zn на территории Акшинского района выше, чем на территории Дульдургинского, однако их количества не превышали величины предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочных допустимых концентраций (ОДК). Выявлено превышение кларка для почв Акшинского района по Mn, Zn, Co и Pb. Количества Fe, Ni, Cu значительно ниже кларковых значений. По величине индекса геоаккумуляции все пробы почв характеризовались как практически незагрязненные (табл. 1). Таблица 1. Содержание химических элементов в почве районов исследования (мг/кг) и индекс геоаккумуляции (Igeo) по валовому содержанию микроэлементов Показатели рН Гумус, % Микроэлементы Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Валовые формы Р 1 7,20 3,15 279,2 6927,9 0,2 3,6 5,7 24,6 20,8 Igeo -2,2 -3,1 -5,6 -4,1 -2,4 -1,6 0,5 Р 2 7,24 3,76 1172,3 7560,6 11,7 18,4 1,5 155,1 10,2 Igeo -0,1 -2,9 -0,03 -1,7 -4,3 1,1 -0,6 Подвижные формы Р 1 7,20 3,15 0,2 6,5 0,1 0,2 0,2 2,9 1,2 Р 2 7,24 3,76 69,8 243,4 0,2 3,9 0,1 3,1 0,8 Кларк почв Земли [6] 850,0 38000,0 8,0 40,0 20,0 50,0 10,0 ПДК ОДК1 ВФ 1500 - - - - 80,0 - 132,0 - 220,0 - 130,0 ПФ 100 - - 5,0 - 4,0 - 3,0 - 23,0 - 6,0 - Примечание. 1 СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Постановление от 28 января 2021 года № 2 // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (дата обращения: 25.12.2024). Источник: составлено О.А. Лесковой, Е.А. Бондаревичем, Н.Н. Коцюржинской, А.П. Лесковым Table 1. Content of chemical elements in the soil of the study areas (mg/kg) and geoaccumulation index (Igeo) by gross content of trace elements Indicators рН Humus, % Micronutrients Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Gross forms Р 1 7.20 3.15 279.2 6927.9 0.2 3.6 5.7 24.6 20.8 Igeo -2.2 -3.1 -5.6 -4.1 -2.4 -1.6 0.5 Р 2 7.24 3.76 1172.3 7560.6 11.7 18.4 1.5 155.1 10.2 Igeo -0.1 -2.9 -0.03 -1.7 -4.3 1.1 -0.6 Movable forms Р 1 7.20 3.15 0.2 6.5 0.1 0.2 0.2 2.9 1.2 Р 2 7.24 3.76 6908 243.4 0.2 3.9 0.1 3.1 0.8 Clark Earth Soils [6] 850.0 38000.0 8.0 40.0 20.0 50.0 10.0 MPC APC1 WF 1500 - - - - 80.0 - 132.0 - 220.0 - 130.0 PF 100 - - 5.0 - 4.0 - 3.0 - 23.0 - 6.0 - Note. 1 SanPiN 1.2.3685-21 “Hygiene standards and requirements for ensuring safety and (or) harmlessness to human factors of habitat”. Decree dated on January 28, 2021 No. 2. Electronic fund for legal and regulatory documents. (In Russ.). Available from: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (accessed: 25.12.2024). Source: compiled by O.A. Leskova, E.A. Bondarevich, N.N. Kotsyurzhinskaya, A.P. Leskov. На химический состав растений одновременно оказывают влияние разные факторы: рН, механический состав, тип почвы, видовая специфичность растения, наличие развитых барьерных механизмов и др. Среди изучаемых микроэлементов в надземной и подземной частях одуванчика лекарственного наибольшие значения зафиксированы для железа (табл. 2). Известно, что железо необходимо растениям для процесса фотосинтеза, осуществления окислительно-восстановительных реакций [8]. Количество данного элемента в растениях может варьировать в широких пределах (18-1000 мг/кг сухой массы) [9]. В нашем случае максимальное содержание отмечено в соцветиях одуванчика с Р 2 - 1697,9 мг/кг. Необходимо отметить достаточно высокие концентрации подвижных форм железа в почвах Акшинского района, которая характеризуется максимальной биодоступностью. Количество Fe во всех органах исследуемого растения превышало кларк для наземных растений в 1,3-18 раз. Оценивая содержание железа в изучаемом виде, произрастающего на территории России, выявлено, что вид с территории Забайкальского края концентрирует элемент в меньшей степени. Так, максимальное содержание данного элемента в одуванчике отмечалось в Свердловской области (256,8-3306,50 мг/кг) [10], тогда как в условиях Забайкальского края пределы варьирования концентрации существенно меньшие (378,4-631,3 мг/кг) (табл. 2). По количественному содержанию в растениях T. officinale второе место принадлежало цинку, что обусловлено его высокой биологической активностью, так как ионы элемента принимают участие в образовании хлорофилла, активации ферментов, стабилизации структуры ДНК [8; 12]. По этой причине растения активно поглощают цинк из окружающей среды и создают его резервы. Таблица 2. Среднее содержание химических элементов в надземной и подземной частях T. officinale, мг/кг сухой массы Пункты отбора и нормирующие показатели Микроэлементы Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Корни Р 1 40,1 631,3 0,5 3,3 24,2 125,8 0,5 Р 2 34,9 378,4 0,5 4,9 16,9 51,0 0,3 Листья Р 1 52,4 686,6 0,9 3,9 11,5 73,1 0,4 Р 2 14,9 405,9 0,4 7,3 4,8 11,4 0,2 Цветоносы Р 1 13,7 186,8 0,7 1,0 7,1 36,4 0,4 Р 2 21,8 856,3 0,6 19,2 14,2 43,1 0,3 Соцветия Р 1 30,8 229,9 0,8 1,5 3,5 68,4 0,4 Р 2 74,5 1697,9 0,8 19,7 8,7 24,9 0,6 Кларк наземных растений [12] 630,0 140,0 0,5 3,0 14,0 100,0 2,7 ПДК для БАД[91] - - - - - - 6,0 ПДК для сухих овощей[92] - - - - 5,0 10,0 - Источник: составлено О.А. Лесковой, Е.А. Бондаревичем, Н.Н. Коцюржинской, А.П. Лесковым. Table 2. Average content of chemical elements in above-ground and underground parts of T. officinale, mg/kg dry weight Sampling points and standardising indicators Micronutrients Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Roots Р 1 40.1 631.3 0.5 3.3 24.2 125.8 0.5 Р 2 34.9 378.4 0.5 4.9 16.9 51.0 0.3 Leaves Р 1 52.4 686.6 0.9 3.9 11.5 73.1 0.4 Р 2 14.9 405.9 0.4 7.3 4.8 11.4 0.2 Flower stalks Р 1 13.7 186.8 0.7 1.0 7.1 36.4 0.4 Р 2 21.8 856.3 0.6 19.2 14.2 43.1 0.3 Inflorescences Р 1 30.8 229.9 0.8 1.5 3.5 68.4 0.4 Р 2 74.5 1697.9 0.8 19.7 8.7 24.9 0.6 Clark terrestrial plants [12] 630.0 140.0 0.5 3.0 14.0 100.0 2.7 MPC for dietary supplements[93] - - - - - - 6.0 MPC for dried vegetables[94] - - - - 5.0 10.0 - Source: compiled by O.A. Leskova, E.A. Bondarevich, N.N. Kotsyurzhinskaya, A.P. Leskov. Из изученных химических элементов Zn наиболее растворим в почвах, и чем больше концентрация элемента, тем активнее растения его поглощают. Содержание данного элемента в фитомассе травянистых растений колеблется от 12 до 47 мг/кг [9]. В нашем эксперименте максимальные количества обнаружены в корнях растения с Р 1 - 125,8 мг/кг, при этом превышение кларка наземных растений не зафиксировано. Обнаружены превышения ПДК по Zn (для сухих овощей) для всех органов T. officinale. Установлено, что по сравнению с аналогичным видом, произрастающим на других территориях Российской Федерации, T. officinale содержит либо такое же количество микроэлемента - Новосибирская (125,60 мг/кг) [13] и Воронежская области (20,17-97,47 мг/кг) [14; 15], либо вариация содержания была меньшей - Свердловская (11,72-40,75 мг/кг) [10] и Кемеровская (6,29-11,1 мг/кг) области [16]. На третьем месте по количественному содержанию в наземной и подземной фитомассе растения находился марганец. Данный элемент принимает участие в активации ферментов, синтезе аскорбиновой кислоты и таннинов [17]. Для Mn характерна высокая подвижность по растению в связи с преобладанием его низкомолекулярных подвижных форм, не связанных с клеточными структурами [9]. Содержание элемента может колебаться в широких пределах: 7-334 мг/кг [9]. В исследуемом виде максимальные концентрации зафиксированы для соцветия с Р 2 - 74,5 мг/кг. Превышение кларка наземных растений не выявлено. В нашем исследовании в подземной части растения отмечен более высокий уровень содержания данного элемента (34,9-40,1 мг/кг) по сравнению с аналогичным видом, произрастающим на территории Кемеровской области (26,0-30,2 мг/кг) [16]. Медь принимает участие в процессе фотосинтеза, дыхания, ее содержание в растениях колеблется в пределах 6,4-16,4 мг/кг [9]. При определении количества Cu зафиксировано максимальное значение в корнях с Р 1 - 24,2 мг/кг, в подземной фитомассе растения Cu больше, чем в надземной. Известно, что передвижение Cu в надземные органы ограничено за счет связывания веществами клеточной стенки [9]. Некоторые авторы указывают на высокую накопительную способность по отношению Сu в корнях одуванчика лекарственного [10; 18]. Обнаружено превышение ПДК по Cu для сухих овощей для всех органов изучаемого вида. Превышение кларка наземных растений отмечено для корней одуванчика лекарственного в 1,21 и 1,73 раза. При изучении содержания элемента у данного вида, произрастающего в других регионах, выявлено, что в Забайкалье концентрация микроэлемента меньше, чем в корнях одуванчика, произрастающего в Свердловской области (11,65-95,02 мг/кг) [10], но больше, чем у растений, произрастающих на территории Кемеровской (5,73-9,51 мг/кг) [16], Воронежской (4,17-14,63 мг/кг) [14; 15] и Новосибирской (2,37-3,33 мг/кг) [13] областей. Никель принимает участие в организации пространственной структуры нуклеиновых кислот [19; 20]. Содержание никеля колеблется от 0,1 до 1,7 мг/кг [10]. Нами установлены максимальные значения для соцветия T. officinale, собранного в Р 2 - 19,7 мг/кг. Превышение кларка наземных растений зафиксировано для наземной и подземной частей растения, произрастающего в Акшинском районе. При изучении содержания никеля в корнях одуванчика, обитающего на территории Забайкальского края, обнаружено достаточно высокое содержание элемента (3,3-4,98 мг/кг), что больше, чем у видов с территории Кемеровской (1,87-3,15 мг/кг) [16], Воронежской (0,67-4,14 мг/кг) [14; 15] и меньше, чем у растений с территории Новосибирской (19,0-17,2 мг/кг) [13] областей. Известно, что соли никеля в почвах находятся в растворенном состоянии, но в растение поступают небольшие концентрации элемента, что, вероятно, связано с выработкой физиологического барьера к накоплению [14]. Наименьшие концентрации среди изучаемых металлов отмечены для кобальта и свинца. Кобальт участвует в окислительно-восстановительных реакциях, способствует повышению концентрации пигментов в листьях [18]. Среднее содержание элемента в травянистых растениях 0,03-0,27 мг/кг [10]. Максимальные значения зафиксированы в листьях T. officinale в Р 2 - 0,9 мг/кг. Данный химический элемент в наибольшем количестве содержался в надземной фитомассе изучаемого вида, при этом превышение кларка для наземных растений незначительное. При изучении количества элемента в корнях вида с различных территорий России можно отметить примерно одинаково низкие концентрации кобальта (от 0,4 до 0,56 мг/кг) за исключением вида, обитающего на территории Воронежской области (4,90-14,81 мг/кг) [14; 15]. Превышений пределов колебаний содержания свинца в растениях из незагрязненных регионов мира (0,1-10,0 мг/кг) [9] для исследуемых пунктов исследования не зафиксировано. Максимальные концентрации свинца (0,6 мг/кг) обнаружены в соцветиях растений Акшинского района (Р 2). Распределение данного элемента по растению относительно равномерное. Превышения содержания микроэлемента по кларку для наземных растений и по величине ПДК свинца (6 мг/кг) для лекарственных растений не выявлено[95]. Следует отметить незначительную концентрацию элемента в корнях T. officinale, произрастающего на изучаемых территориях (от 0,3 до 2,86 мг/кг). Известно, что Pb среди тяжелых металлов наименее подвижен и находится в труднорастворимой и часто мало доступной для растений форме [19; 21]. Связи между содержанием элемента в почве и образцах T. officinale не обнаружено, что, вероятно, связано с биологическими и физиологическими особенностями вида. В целом, анализируя полученные данные, можно выстроить следующую последовательность накопления химических элементов: Fe > Zn > Mn > Cu > Ni > Co > Pb. По суммарному содержанию химических элементов в органах T. officinale можно отметить максимальные значения в соцветиях Р 2, при этом вклад железа в этот показатель более 90 %. Наименьшее суммарное количество микроэлементов фиксировалось для цветоносов Р 1, однако вклад содержания железа был более 75 % (рис.). Суммарное содержание исследуемых химических элементов в одуванчике лекарственном, мг/кг Источник: составлено О.А. Лесковой, Е.А. Бондаревичем, Н.Н. Коцюржинской, А.П. Лесковым. Total content of the studied chemical elements in dandelion medicinal, mg/kg Source: compiled by O.A. Leskova, E.A. Bondarevich, N.N. Kotsyurzhinskaya, A.P. Leskov. Концентрация химических элементов связана с видовыми особенностями, наличием физиологических барьеров в системе «корень - лист, лист - стебель, стебель - цветонос». Значения Ккб > 1 свидетельствуют о наличии барьера при поступлении элементов в надземную фитомассу [23]. В проведенном исследовании расчет коэффициентов корневого барьера показал, что барьерный тип накопления выявлен для T. officinale по Zn, Cu, Pb и Mn (табл. 3). Для цветоносов одуванчика лекарственного, произрастающего в Дульдургинском районе для всех элементов Ккб > 1; в этом же районе отмечены наименьшие суммарные значения химических элементов в цветоносах (рис. 1). Таблица 3. Коэффициент корневого барьера в растениях T. officinale Пункт Микроэлементы Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Листья Р 1 0,8 0,9 0,6 1,0 2,1 1,7 1,3 Р 2 2,3 0,9 1,3 0,7 3,5 4,5 1,5 Цветоносы Р 1 2,9 3,4 0,7 3,3 3,4 3,5 1,3 Р 2 1,6 0,4 0,8 0,2 1,2 1,2 1,0 Соцветия Р 1 1,3 2,8 0,6 2,2 6,9 1,8 1,3 Р 2 0,5 0,2 0,6 0,3 1,9 2,1 0,5 Источник: составлено О.А. Лесковой, Е.А. Бондаревичем, Н.Н. Коцюржинской, А.П. Лесковым. Table 3. Root barrier coefficient in T. officinale plants Item Micronutrients Mn Fe Co Ni Cu Zn Pb Leaves Р 1 0.8 0.9 0.6 1.0 2.1 1.7 1.3 Р 2 2.3 0.9 1.3 0.7 3.5 4.5 1.5 Flower stalks Р 1 2.9 3.4 0.7 3.3 3.4 3.5 1.3 Р 2 1.6 0.4 0.8 0.2 1.2 1.2 1.0 Inflorescences Р 1 1.3 2.8 0.6 2.2 6.9 1.8 1.3 Р 2 0.5 0.2 0.6 0.3 1.9 2.1 0.5 Source: compiled by O.A. Leskova, E.A. Bondarevich, N.N. Kotsyurzhinskaya, A.P. Leskov. Для цветоносов и соцветий одуванчика лекарственного с Акшинского района (Р 2) отмечен коэффициент корневого барьера ниже единицы для Mn, Fe, Co, Ni, что указывает на безбарьерный переход элементов из подземных органов в надземные. Известно, что уровень содержания химических элементов в надземной фитомассе определяется видовыми особенностями растения, степенью подвижности элементов в почве, которая зависит от кислотно- основных и окислительно-восстановительных свойств [23]. Выводы 1. В результате проведенных исследований были определены содержания Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pb в почвах и растении T. officinale, произрастающем на территории Забайкальского края. Содержание валовых и подвижных форм химических элементов в почвах не превышает ПДК и ОДК. По величине индекса геоаккумуляции почвы исследованных территорий относятся к практически незагрязненным. 2. Количество химических элементов в растениях разных районов края значительно отличаются. В целом можно выстроить ряд по количественному содержанию элементов в органах изучаемого вида: Fe > Zn > Mn > Cu > Ni > > Co > Pb. 3. Для одуванчика лекарственного, произрастающего на территории края, можно отметить большие концентрации Mn, Zn, Cu, чем у аналогичного вида, произрастающего в других регионах России, и меньшие концентрации по Co и Pb. 4. Концентрация Fe и Ni у T. officinale пунктов исследования больше величины кларка для наземных растений, а Mn и Pb - меньше этого нормирующего показателя. 5. Обнаружены превышения ПДК по Zn и Cu для сухих овощей в надземной и подземной фитомассе растения. Превышения ПДК по Pb для лекарственных растений и БАД не зафиксировано. 6. Расчет коэффициента корневого барьера показал, что для Zn, Mn, Cu и Pb характерен барьерный тип поступления и накопления в органах и тканях T. officinale в условиях лесостепных районов Забайкалья.

About the authors

Olga A. Leskova

Chita State Medical Academy

Author for correspondence.
Email: leskova-olga@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-9565-3546
SPIN-code: 5811-9793

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Chemistry and Biochemistry

39a St. Gorky, Chita, 672000, Russian Federation

Evgeniy A. Bondarevich

Chita State Medical Academy

Email: bondarevich84@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0032-3155
SPIN-code: 2664-0626

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Chemistry and Biochemistry

39a St. Gorky, Chita, 672000, Russian Federation

Natalia N. Kotsyurzhinskaya

Chita State Medical Academy

Email: nata_nik_k@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0061-8014
SPIN-code: 9009-1380

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Chemistry and Biochemistry

39a St. Gorky, Chita, 672000, Russian Federation

Artem P. Leskov

Transbaikal State University

Email: leskova-olga@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-4158-5952
SPIN-code: 6790-8613

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biology, Chemistry and Methods of Their Education

30 Alexandro-Zavodskaya St, Chita, 672039, Russian Federation

References

Supplementary files