Продуцирование биологически активных веществ в тканях Urtica dioica L. на шламовом поле криолитового производства

Продуцирование биологически активных веществ в тканях Urtica Dioica L. на шламовом поле криолитового производства

А.А. Гладышев, соискатель, Н. Ф. Гусев, д.б.н., А. С. Королёв, к.т.н., Оренбургский ГАУ; О.Н.Немерешина, к.б.н., Оренбургская ГМА

Одной из наиболее значимых проблем экологии на данном этапе развития общества является исследование влияния отходов химических производств на природные и созданные человеком экосистемы. Среди предприятий Южного Урала, негативно влияющих на экосистемы, следует выделить Южно-Уральский криолитовый завод (ЮУКЗ), расположенный в г. Кувандыке Оренбургской области. Предприятие относится ко второму классу опасности и на сегодняшний день выпускает криолит искусственный технический, алюминия трифторид малокремнистый технический, алюминия сульфат технический очищенный и борную кислоту. Исходным сырьём для производства служит природный фторид кальция (плавиковый шпат, или флюорит).

Для производства криолита на заводе применяется кислотный способ, недостатком которого считается его экологическая опасность, так как в составе отходов содержатся: плавиковая кислота, гидроксид алюминия, карбонат натрия, кремнефтористоводородная кислота, серная кислота, тяжёлые металлы. Кроме того, криолитовый завод выбрасывает в атмосферу значительное количество сернистого газа, оксид и диоксид углерода, фтористый водород и взвешенные частицы. С 1941 по 1976 г. отходы производства складировались в шламонакопителе (старое

шламовое поле) ЮУКЗ, расположенном непосредственно вблизи завода на окраине Куванды-ка. Шламовое поле завода представляет собой открытую площадку с отходами производства, оказывающими негативное влияние на живые организмы. С 1976 г. отходы складируются на новом шламонакопителе, расположенном в отдалении от города, а на старом шламовом поле была проведена рекультивация, в результате чего отходы производства были засыпаны слоем глинистого грунта толщиной до 1,5 м. В настоящее время на рекультивированной территории идёт сукцессия, направленная на формирование естественного зонального фитоценоза.

Одним из видов рудеральной флоры региона, встречающимся на изучаемой территории, является крапива двудомная [1, 2].

Целью нашего исследования явилось изучение особенностей синтеза и накопления биологически активных веществ в тканях крапивы двудомной — Urtica dioica L., семейства крапивные — Urticaceae Juss., произрастающей на рекультивированном шламовом поле криолитового производства.

На территории оренбургского Предуралья крапива двудомная растёт как сорное и руде-ральное растение на сухих и влажных почвах, в зарослях кустарников, у жилья, в лесу, на вырубках и в оврагах [2]. Листья крапивы широко используются в качестве лекарственного сырья, содержащего витамины, органические кислоты, дубильные вещества, флавоноиды и микроэле-

1. Результаты фитохимического исследования Urtica dioica L. в различных местообитаниях

оренбургского Предуралья

Местообитание, район сбора растений Флавоноиды Алкалоиды (азотсодержащие вещества) Дубильные вещества

листья соцветия листья соцветия листья соцветия

Шламовое поле ЮУКЗ (г. Кувандык Оренбургской области) ++ ++ сл. + + +

Контроль-1 - поляна под пологом леса (окр. с. Ибрагимова Кувандыкского р-на) + + + + ++ +

Контроль-2 - западины (овраги в окр. с. Ибрагимова Кувандыкского р-на) ++ + + + ++ +

*Примечание: сл — следы (слабая реакция); + - наличие (выраженная реакция); ++ - ярко выраженная реакция

менты [3, 4]. В научной и народной медицине листья крапивы используют в виде настоя, настойки, жидкого экстракта и свежего сока. Препараты крапивы назначают при холециститах, язве желудка и 12-перстной кишки, при анемии, при маточных, почечных и лёгочных кровотечениях.

Крапива двудомная как рудеральное растение встречается в зоне влияния завода, на шламовом поле и на прилегающих территориях, что позволяет местному населению использовать её в качестве лекарственного и витаминного сырья. Вышеуказанное требует изучения содержания биологически активных веществ (БАВ) и элементарного состава в Urtica dioica L., встречающейся в техногенной (шламовое поле криолитового завода) и в экологически чистой зонах (контроль).

Ранее нами было установлено, что сырьё крапивы двудомной, заготовленное в зоне шламового поля, накапливает ряд тяжёлых металлов. Содержание некоторых из них превышает ПДК, установленные для пищевых растений.

Материалы и методы. Растительное сырьё (листья и соцветия) Urtica dioica L. заготавливали в период цветения растений (2010 г.) в различных местообитаниях (табл. 1) и высушивали воздушно-теневым способом.

Фитохимическое исследование Urtica dioica L. проводили методами, принятыми для анализа лекарственного растительного сырья [4—6]. Для обнаружения азотсодержащих веществ основного характера нами были использованы реакции осаждения, флавоноидов — реакции окрашивания, а дубильных (окисляемых) веществ — ре-

акции осаждения с растворами желатина и алкалоидами [4, 6]. При определении содержания тяжёлых металлов в сырье вида применён метод атомной адсорбционной спектроскопии.

Результаты исследований. В результате фитохимического исследования установлено, что сырьё Urtica dioica L. содержит флавоноиды, азотсодержащие и дубильные вещества (табл. 1).

Согласно данным литературных источников, Urtica dioica L. не является алкалоидоносным растением [4]. Однако извлечения из сырья крапивы показали положительные реакции на алкалоиды, что потребовало дальнейших исследований. Для идентификации азотсодержащих веществ в извлечениях Urtica dioica L. нами был применен метод хроматографии на бумаге со сменой систем растворителей:

1) н-бутанол — уксусная кислота — вода в соотношении 4 : 1 : 5;

2) уксусная кислота — вода (15 : 85);

3) н-бутанол — соляная кислота — вода (100 : 4 : вода до насыщения).

Во всех системах растворителей в извлечениях из сырья крапивы на хроматограммах при воздействии реактива Драгендорфа проявлялось по одному фиолетовому пятну с Rf 0,29; 0,81 и 0,16, что идентично чистому холину, взятому в качестве «свидетеля» (табл. 2).

Таким образом, в листьях и соцветиях крапивы двудомной обнаружено азотсодержащее вещество основного характера холин, относящееся к витаминам группы В [2].

Содержание биологически активных веществ (БАВ) в крапиве двудомной, собранной в зоне шламового поля и в контроле, имеет суще-

2. Хроматографическая характеристика азотсодержащих веществ в траве Urtica dioica L.

Оренбургской области

Наименование вещества и препаратов из сырья крапивы Значение Rf в системах

н-бутанол - уксусная кислота -вода в соотношении 4 : 1 : 5 уксусная кислота -вода

Холин-основание (свидетель) 0,29 0,81 0,16

Извлечение из листьев 0,29 0,80 0,16

Извлечение из соцветий 0,30 0,81 0,17

3. Содержание основных биологически активных веществ в листьях Urtica dioica L.

различных местообитаний

Местообитание, район сбора растений Флавоноиды Алкалоиды (азотсодержащие в-ва) Дубильные вещества

Шламовое поле ЮУКЗ (г. Кувандык Оренбургской области) 2,05±0,25 0,32±0,03 4,17±0,22

Поляна под пологом леса (окрестности с. Ибрагимова Кувандыкского р-на) 2,19±0,19 0,40±0,02 2,14±0,18

Небольшой овраг в окрестностях с. Ибрагимова Кувандыкского р-на 2,81±0,19 0,46±0,02 3,86±0,19

ственные отличия. Следует отметить повышение синтеза и накопления низкомолекулярных соединений азота и полифенолов (танидов) в растениях крапивы, собранных на шламовом поле. В растениях шламового поля отмечено пониженное содержание флавоноидов (на 27%) по сравнению с контролем. При этом следует предположить, что в Urtica dioica L. , произрастающей техногенно загрязнённой зоне, нарушается трансляционная активность клеток, что приводит к снижению флавоноидов (табл. 3). Указанная зависимость согласуется с литературными данными по увеличению синтеза низкомолекулярных соединений азота и полифенолов в растениях, подверженных действию стресс-факторов [7, 8]. К экологическим факторам, влияющим на синтез биологически активных веществ в растениях, относится и концентрация тяжёлых металлов в объектах окружающей среды (почве, воде, приземном слое атмосферы).

Проведённый анализ показал, что сырьё крапивы содержит широкий спектр эссенциальных элементов (микроэлементов), включающих Zn, Ni, Cr, Cu, Mn, Co, Mg.

Следует помнить, что биогенность большинства тяжёлых металлов позволяет отнести их к микро- и ультрамикроэлементам, поэтому употребление терминов «тяжёлые металлы» и «микроэлементы» связано с их концентрацией в живых организмах и окружающей их среде. В сырье крапивы двудомной для ряда тяжёлых металлов отмечены превышения ПДК (установленные для овощей и зелени) по содержанию кобальта, хрома, кадмия и свинца (табл. 4). Причём два последних элемента относятся к группе токсичных, так как биогенность для них на сегодняшний день не установлена.

Высокие концентрации тяжёлых металлов в окружающей среде, как известно [9, 10], приводят к нарушению проницаемости мембран митохондрий, ингибированию транспорта электронов и протонов в митохондриях, замедлению скорости дыхания, разобщению дыхания и окислительного фосфорилирова-ния в растениях [11, 12]. Снижение скорости дыхания связывают с изменением активности ферментов углеводного обмена [9, 11]. Повышение концентрации тяжёлых металлов в почве

также приводит к снижению содержания воды в клетках растений [8, 11] и уменьшению тургора растительных тканей [7, 11].

4. Содержание элементов в надземной части (трава) Urtica dioica L. Кувандыкского района Оренбургской области

Элемент Содержание тяжёлых металлов (мг/кг) ПДК, мг/кг

шламовое поле контроль

Cu 0,155 0,138 5

Pb 2,288 1,244 0,5

Cd 0,102 0,080 0,03

Zn 3,530 2,704 10

Fe 6,015 6,300 5

Mn 0,353 0,242 -

Ni 0,416 0,528 3

Cr 0,154 0,213 0,2

Co 0,070 0,100 0,03

Al 110 70 30

As 0,0008 0,0001 0,2

Hg - 0,003 0,02

Mg 2,012 1,327 -

Na 1,303 0,48 -

При загрязнении почвы кадмием снижаются темпы накопления азота, фосфора и калия, что, возможно, послужило причиной уменьшения выработки холина в растениях крапивы на шламовом поле криолитового завода [11]. В качестве одного из основных молекулярных механизмов отравления растений тяжёлыми металлами следует упомянуть повышение образования активных форм кислорода, автоокисление и Фентон-реакцию [7, 8]. Последняя является типичной для металлов с переменной валентностью, например таких, как железо и медь. На втором месте стоит блокирование функциональных групп в биомолекулах (в основном сульфгидридных), что характерно для таких редокс-неактивных тяжёлых металлов, как кадмий и ртуть [10].

Тяжёлые металлы, как известно [8], способны вызывать окислительное повреждение в тканях растений. Однако обзор литературы не предоставил доказательств адаптации растений к окислительному стрессу путём активации ферментативных антиоксидантных систем.

Предположительно указанное объясняется тем, что многие металлы инициируют образование гидроксильных радикалов, которые не обезвреживаются ферментативным звеном анти-оксидантной защиты. Воздействие на растения редокс-неактивных металлов также нередко приводит к повышению перекисного окисления липидов [12]. Для кадмия и некоторых других металлов установлена способность ингибировать антиоксидантные ферменты, особенно глутати-онредуктазу [11].

Данные о содержании низкомолекулярных антиоксидантов в растениях Urtica dioica L. техногенных и экологически чистых зон могут представлять интерес с точки зрения механизмов адаптации вида. Анализ сырья Urtica dioica L., собранного на территории шламового поля и в экологически чистой зоне, позволяет предположить, что флавоноиды, таниды и холин играют важную роль в повышении стрессоустойчивости исследуемого вида.

Выводы. Алкалоидоносность Urtica dioica L. обусловлена наличием азотистого соединения — холина, содержание которого в растениях техногенной зоны понижено по сравнению с контролем.

Содержание танидов в сырье Urtica dioica L., собранном на шламовом поле криолитового завода, повышено по сравнению с контрольными участками, а флавоноидов, являющихся антиоксидантами, стало пониженным.

Содержание кобальта, хрома, кадмия и свинца в траве Urtica dioica L., собранной на шламовом поле криолитового завода, превышает предельно

допустимые концентрации, установленные для салатных растений, что не позволяет использовать вид в медицинской практике, в косметике и в качестве витаминных добавок к кормам.

Литература

1. Гладышев А.А., Гусев Н.Ф., Петрова Г.В. и др. К оценке восстановления растительного покрова на шламовом поле криолитового производства // Управление природными, техногенными, пожарными и экологическими рисками: матер, междунар. науч.-практич. конф. Оренбург: ИЦ ОГАУ, 2011. С. 162-168.

2. Гусев Н. Ф. Лекарственные растения Оренбуржья (ресурсы, выращивание и использование). Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2007.

3. Махлакж, В.П. Лекарственные растения в народной медицине. М.: «Нива России», 1992. 478 с.

4. Муравьёва Д.А., Самылина И.А., Яковлев Г.П. Фармакогнозия: учебник. 4-е изд., перераб., доп. М.: Медицина, 2002. 656 с.

5. Государственная Фармакопея СССР. 11-е изд. М.: Медицина, 1990. 398 с.

6. Решетникова М.Д., Левинова В.Ф., Хлебников А.В. и др. Химический анализ биологически активных веществ лекарственного растительного сырья и продуктов животного происхождения: учебн. пос. / под ред. проф. Г.И. Олешко. Пермь, 2004. 335 с.

7. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф., Карпюк М.С. К вопросу активизации клеточной защиты растений под влиянием выбросов предприятий ГАзпрома // Проблемы анализа риска. 2011. Т. 8. №4. С. 36-46.

8. Ноздрюхина Л. Р. Нарушение микроэлементного обмена и пути его коррекции. М.: Наука, 1980.

9. Ильин В. Б. Элементарный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985.

10. Schtzendbel A., Polle A. Plant responses to abiotic stresses: heavy metal and induced oxidative stress and protection by mycorrhization. / Andres Sell tzend bel and Andrea Polle // Oxford Journals, Life Sciences, Journal of Experimental Botany, Volume 53, Issue 372. December 2, 2001. Pp. 1351 — 1365.

11. Buszewski B. Monitoring of Selected Heavy Metals Uptake by Plants and Soils in the Area of Toru . / B. Buszewski, A. Jastrz bska, T. Kowalkowski, A. G rna-Binkul // Poland Polish Journal of Environmental Studies Vol. 9, No. 6 (2000). P. 511—515.

12. Cataldo D. A., Wildung R. E. Soil and plant factors influencing the accumulation of heavy metals by plants. / D. A. Cataldo and R. E. Wildung / Environ Health Perspect. 1978 December; 27. Pp. 149-159.