VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время существуют экологические проблемы городов и сел, которые связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия. Количество экологически чистых зон и парков отдыха как в городской черте, так и в прилегающих территориях становится все меньше и они приобретают все большую ценность. Поэтому возникает необходимость в экспресс-методах оценки экологической обстановки различных территорий [3].

Одними из наиболее распространенных и сильных загрязнителей на указанных территориях являются ионы кадмия, так как загрязнения такого рода - прямое следствие человеческой деятельности, оказывающее сильное воздействие на биосферу [5].

Кадмий - один из самых токсичных тяжелых металлов, некоторые источники даже называют кадмий "наиболее опасным экотоксикантом на рубеже тысячелетий" [1]. Живые организмы, в том числе и растения, интенсивно аккумулируют кадмий, что сказывается на процессах их жизнедеятельности. Согласно экологическим пищевым цепям, накопленный растениями кадмий, поступает в организм человека через желудочно-кишечный тракт и оказывает токсическое действие. Поэтому остается актуальным вопрос накопления кадмия в растениях, использование этого свойства как маркера загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и его влияние на количественное содержание растительных пигментов [5].

Хлорофи́лл (от греч.χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, обусловливающий окраску хлоропластов растений в зелёный цвет. При его участии осуществляется процесс фотосинтеза. По химическому строению хлорофиллы — магниевые комплексы различныхтетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и структурно близки гему.

Хлорофилл обладает очень важной функций: перехват солнечных лучей и преобразование полученной энергии в питательные вещества — простые сахара, которые получаются из воды и углекислого газа. Эти сахара являются основой питания растений — источниками углеводов, необходимых для роста и развития. Во время процесса производства питательных веществ хлорофилл разрушается, так как непрерывно используется. Несмотря на это, в течение сезона роста, растения снова и снова восстанавливают запасы хлорофилла. Большой запас хлорофилла позволяет листьям оставаться зелёными.

Поздним летом жилки, переносящие соки в лист и из листа, постепенно закрываются. Это происходит по мере того, как в основании каждого листа формируется пробковый клеточный слой.

Помимо зеленых пигментов в хлоропластах и хлороформах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды – это жирорастворимые желтые и оранжевые пигменты алифатического строения, производные изопрена. К каротиноидам относится три группы соединений: 1) оранжевые или красные пигменты каротины (С₄₀Н₅₆); 2) желтые ксантофиллы (С₄₀Н₅₆О₂ и С₄₀Н₅₆О₄); 3) каротиноидные кислоты – продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой и карбоксильными группами (например, С₂₀Н₂₄О₄ – кроцетин, имеющий две карбоксильные группы) [7].

Основными каротиноидами пластид высших растений и водорослей являются β-каротин, лютеин, виолаксантин и неоксантин. Синтез каротиноидов начинается с ацетил-СоА через мевалоновую кислоту, геранилпирофосфат до ликопина, который является предшественником всех других каротиноидов. Синтез происходит в темноте, но значительно ускоряется при действии света [ 10].

Каротиноиды являются обязательными компонентами пигментных систем всех фотосинтезирующих организмов. Они выполняют ряд важнейших функций в процессе фотосинтеза: 1) антенная функция, которая предполагает энергетическое взаимодействие каротиноидов и хлорофилла в процессе которого каротиноиды являются дополнительными пигментами в поглощении солнечной энергии; 2) защитная функция: каротиноиды в антенном комплексе и реакционном спектре выполняют уникальную защитную функцию, которая связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлорофилла и синглетного кислорода; 3) фотопротекторная функция, которая состоит в защите фотосинтетического аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света [2].

Объектом нашего исследования является одуванчик лекарственный (Taraxacumofficinale Wigg.)

Многолетнее травянистое растение семейства сложноцветных (Asteraceae), до 50 см высоты, с толстым стержневым корнем (до 2 см в диаметре, длиной до 60 см). Массовое цветение в мае, отдельно цветущие растения встречаются до осени. Плоды созревают в июне - августе. Нередко наблюдается повторное цветение и плодоношение в течение всего лета. Распространен по всей территории СНГ. Растет на свежих и влажных супесчаных, суглинистых и глинистых почвах на лугах, полянах, лесных опушках, вырубках, по обочинам дорог, в садах и огородах, посевах [6].

Сбор и сушка сырья производились согласно «Инструкции по сбору и сушке лекарственного растительного сырья» от 1985 г. изд.

Образцы растительного сырья отбирались на следующих объектах: восточный район г. Оренбурга (ул. Луговая), п. Новосергиевка Оренбургская обл., с. Буранное Соль-Илецкий район Оренбургская обл., г. Стерлитамаке (РБ), г. Алга (Казахстан). Сбор производился в два этапа: в начале вегетационного периода (весной) и в конце вегетационного периода(осенью).

Экологическая обстановка в местах сбора такова, что имеются потенциальные источники загрязнения атмосферы и почвы кадмием: промышленные предприятия различной направленности, автомобильные и железнодорожные пути.

В отобранном сырье производилось количественное определение содержания кадмия атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААS-4 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения государственный центр агрохимической службы «Оренбургский». Анализ проводился в соответствии с ГОСТ 27996 – 88. В результате анализа получены следующие данные, представленные в виде диаграммы.

Рис 1. Количественное содержание кадмия в одуванчике лекарственном, мг/кг.

Также проводились измерения содержания пигментов на спектрофотометре при длине волны 644 нм, 662 нм, 440 нм. Содержание хлорофиллов a и b, каротиноидов в одуванчике лекарственном рассчитывали с использованием следующих формул:

а) определение концентрации (мг/л) пигментов в растении по формулам Смита и Бенитеза для 96%-го этилового спирта [9]:

С_{хлорофиллa}= 13,7*D662 – 5,76* D644

С_{хлорофилл}b= 25,8*D644 – 7,6* D662

С_{каротиноидов}= 4,695*D440 – 0,268* (_{Схлорофиллa}+ С_{хлорофилл}b)

б) определение количества пигментов в растении (мг/г сырой массы):

А= (V*C)/(Р*1000),

где V - объем спиртовой вытяжки (10 мл); С - концентрация пигментов в спиртовой вытяжке (мг/л); Р – навеска исследуемого материала (0,1г) [4].

На основе данных по содержанию хлорофилла a, хлорофилла b и каротиноидов рассчитывалось следующее:

1. общее содержание хлорофиллов (х_общ.);

2. отношение хлорофилла a к хлорофиллу b (хл a/b);

3. отношение суммы хлорофиллов к каротиноидам (хл/кар).

В испытуемом сырье были получены следующие результаты по содержанию растительных пигментов:

№ пробы, населенный пункт	Содержание каротиноидов весной, мг/г сухой массы	Содержание каротиноидов осенью, мг/г сухой массы
Город Алга	0,31±0,05	0,08±0,02
Город Стерлитамак	0,16±0,03	0,05±0,02
Город Оренбург	2,38±0,08	1,46±0,05
Поселок Новосергиевка	1,56±0,006	0,60±0,03
Село Буранное	0,35±0,04	0,20±0,03

Рис 2. Количественное содержание каротиноидов в одуванчике лекарственном, мг/г.

№ пробы, населенный пункт	Схлорофилла А весной (мг/л)	Схлорофилла А осенью (мг/л)	Схлорофилла В весной (мг/л)	Схлорофилла В осенью (мг/л)
Город Алга	34,95±0,075	9,38±0,019	12,26±0,03	2,93±0,011
Город Стерлитамак	18,60±0,05	5,34±0,009	4,22±0,015	3,93±0,02
Город Оренбург	14,55±0,04	4,23±0,006	3,21±0,017	1,35±0,001
Поселок Новосергиевка	15,63±0,05	6,01±0,01	3,81±0,019	1,48±0,001
Село Буранное	29,32±0,07	7,10±0,015	6,32±0,025	2,03±0,01

Рис 3. Количественное содержание хлорофилла А и В в одуванчике лекарственном, мг/л.

Проанализировав полученные результаты, мы видим увеличение содержания кадмия в растениях в течение всего вегетационного периода приблизительно в 2 раза. То есть, одуванчик интенсивно накапливает кадмий, и тем самым может быть использован в процессе объекта фиторемедиации и биофильтрации.

Также было установлено, что содержание хлорофилла и каротиноидов весной значительно больше, чем осенью. И при накоплении кадмия в растительном сырье параллельно отмечалось снижение концентрации этих пигментов, происходила деградация. Это говорит нам о том, что накопление ионы тяжелых металлов растениями приводит к изменениям их метаболизма.

Таким образом, действие ионов кадмия оказывает негативное действие на состояние пигментного комплекса данного растения; и одуванчик лекарственный может служить маркером загрязнения окружающий среды тяжелыми металлами (в частности кадмием).

Литература

1. www.water.ru.

2. Алехина Н. Д., Балнокин Ю. В., Гавриленко В. Ф. и др.; Под редакцией И. П. Ермакова: Физиология растений: учебник для студентов вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 640с.

3. Андреева А.В., Бузников А.А., Тимофеев А.А., Алексеева-Попов Н.В., Беляева А.И., Оценка экологического состояния окружающей среды по спектрам отражения индикаторных видов растительности, С.265-270

4. Бикмуллин, Р.Х. Об эколого-физиологических особенностях береза повислой (BetulapendulaRoth) в условиях нефтехимического загрязнения окружающей среды на примере г. Казань/ Р.Х. Бикмуллин, А.А. Кулагин// Материалы Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения член-корреспондента АН СССР П.И. Лапина – Москва, 2009. – С. 678-682.

5. Жуйкова Т.В., Безель В.С., Вестник Удмуртского Университета Адаптация растительных систем к химическому стрессу: популяционный аспект, 2009. Вып., С.31

6. Куркин В.А., Фармакогнозия учебник для фармацевтических вузов и факультетов, Самара: СамГМУ, 2004, 1180с

7. Полева В. В. Физиология растений: Учеб. для биол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 464 с.

8. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Мальцева Е.Ю., Фролов Е.М., Бессережнова М.И. Антиоксидантный статус растений в условиях загрязнения кадмием городской среды, С.16-23

9. Шлык, А.А. О спектрофотометрическом определение хлорофиллов а и b/ А.А.Шлык // Биохимия.-1968.-Т.33, вып.2.- С.275-285

10. Якушкина Н. И. Физиология растений: Учеб. пособие для студентов биол. спец, пед. ин-тов. — M.: Просвещение, 1980. — 303 с

Код для цитирования: Скопировать