Содержание химических элементов в фитомассе некоторых представителей семейства Hydrocharitaceae

Химия растительного сырья. 2017. №1. С. 107-111. DOI: 10.14258/jcprm.2017011294

УДК 582.539:581.192

СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ФИТОМАССЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА HYDROCHARITACEAE

© А.Н. Ефремов1, Д.Е. Иминова2, Е.А. Алехина1, С. Т. Дюсембаев2

10мский государственный педагогический университет, наб. Тухачевского, 14, Омск, 644099

С использованием метода масс-сиектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с целью уточнения элементных профилей отдельных видов выполнено исследование содержания 14 химических элементов (Р, Na, Mg, К, Са, Сг, Мп, Fe, Со, Си, Zn, Se, Pb, А1) у четырех видов семейства Hydrocharitaceae (Elodea canadensis, Stratiotes aloides, Hydrocharis morsus-ranae, Hydrilla verticillata), произрастающих на территории Западной Сибири.

Несмотря на сходство полученных рядов биологического поглощения элементов выявлен ряд специфических особенностей. Так, Н. morsus-ranae отличается наиболее низкими концентрациями Fe (135±1) и Мп (24,4±0,4), Е. canadensis - А1 (0,93±0,01), Н. verticillata - Са (2890±40). Для Е. canadensis по сравнению с другими изученными видами характерны более высокие концентрации Na (28400±600), К (13740±90), Са (4250±40), Fe (750±10) и Мп (185±2), для S. aloides - Mg (30850±60), Са (4490±40) и Р (2910±40), для Я. verticillata -А1 (3,20±0,02).

Результаты кластерного анализа по содержанию химических элементов свидетельствуют о значительной обособленности S. aloides от остальной части семейства.

Ключевые слова'. Hydrocharitaceae, Stratiotes aloides, Elodea canadensis, Hydrocharis morsus-ranae, Hydrilla verticillata, элементный состав.

Работа выполнена при содействии гранта РФФИ р_урал_а № 15-44-00014. Введение

Одним из направлений расширения сырьевой базы растительных ресурсов является изучение химического элементного состава, актуальным считается исследование видовой специфичности. Виды растений семейства водокрасовые (Hydrocharitaceae) еще слабо изучены в этом отношении. На территории Западной Сибири семейство Hydrocharitaceae представлено пятью видами [1]. Многие представители семейства являются эдификаторами в пресноводных фитоценозах. Высокой продуктивностью отличаются сообщества с участием элодеи канадской Elodea canadensis Michx., телореза алоэвидного Stratiotes aloides L. и водо-краса обыкновенного Hydrocharis morsus-ranae L.; гидрилла мутовчатая Hydrilla verticillata (L. f.) Royle -редкий в регионе вид [2].

Установлено, что элементный состав растений определяется наличием элементов в субстрате и видо-специфичными физиологическими процессами, которые и определяют элементный профиль растений [3, 4]. Сравнительные исследования элементных профилей отдельных видов могут быть использованы для уточ-

Ефремов Андрей Николаевич - научный сотрудник, нения их таксономического положения [5]. В связи

e-mail: stratiotes@yandex.ru с Этим исследование элементного состава и особен-

НминоваДильрабаЕкатуновна -менеджерпо качеству, ~ ~ „ „

., , . ' , ., - - ностеи поглощении у растении семейства e-mail: d.iminova@mail.ru

Алехина Елена Анатольевна - доцент, Hydrocharitaceae представляет научный интерес,

e-mail: stratiotes@yandex.ru Стоит отметить, что для отдельных представи-

Дюсембаев Сергазы Турлыбекович - руководитель телей семейства Hydrocharitaceae исследование эле-

испытательной региональной лаборатории, e-mail: d.iminova@mail.ru

ментного состава уже ранее выполнялось (табл. 1).

Автор, с которым следует вести переписку.

108 A.H. Ефремов, Д.Е. Иминова, E.A. Алехина, C.T. Дюсембаев

Таблица 1. Содержание некоторых химических элементов в фитомассе растений семейства НуёгосИагЦассас

Вид Элементный состав

Elodea canadensis Южная Чехия: Ыа - 70, - 0,67-35, Са - 50, К - 120, Мп - 0,36, Сг - 0,61, Р - 7400, N - 1800 мг/кг абсолютно-сухого сырья [6].

Hydrocharis morsus-ranae Россия, Горьковское водохранилище: К - 2,5, № - 1,3 % абсолютно-сухого сырья [3]; Чехия: N - 2,94, Р - 0,55, К - 3,96, Ыа - 0,92, Са - 0,57, - 1,93, - 1,81, Б - 0,06, С1 - 4,52 % абсолютно-сухого сырья [6].

Hydrilla verticillata Индия, Гуджарат: С<1 - 40, Со - 6,45, Си - 17,65, № - 14,26, РЬ - 1,37, гп - 160,17 мг/кг абсолютно-сухого сырья [7]; США, Флорида: Са - 10,8 %, Р - 0,32, К - 2,7, - 0,59, Ыа - 1,17, Бе - 1438, Си - 36, Zn - 50, Мп -158, Сг - 9,5 % абсолютно-сухого сырья [8].

Stratiotes aloides Венгрия, оз. Балатон: N - 1,13-1,83, Р - 0,07-0,12, К - 4,36-5,42, Ыа - 0,55-0,77, Са - 5,06-5,47, Щ -1,91-2,0, Бе - 0,319-0,587, Мп- 0,243-0,374 % абсолютно-сухого вещества [6]; Польша, оз. Варниак: N - 2,07, Р - 0,39, К - 6,38, Са - 0,57 % абсолютно-сухого вещества [3]; Украина, Киевское водохранилище: Р - 0,08, Са - 0,87, Н^ - 0,70 % абсолютно-сухого вещества [3]; Беларусь: Р - 0,07-0,12, К - 1,02-2,52, Са - 1,3-3,2, Щ - 0,8-1,6, Бе - 0,4-0,8, - 0,6-0,9, А1 - 0,51,9 % абсолютно-сухого вещества [3]; Россия, Угличское водохранилище: N - 2,8, Р - 0,25, Са - 1,57, Н^ - 0,69 % абсолютно-сухого вещества [3]; Россия, Омская область: РЬ - 0,6±0,4, Сс1 - 0,03±0,01, Zn - 130±50, № - 2,7±0,7, Си - 4,7±0,9, Мп -1400±500 мг/кг воздушно-сухого вещества, среднегодовое содержание. Способность к накоплению уменьшается в следующем ряду Мп > Ъп > Си > № > РЬ > Сс1 [9].

Экспериментальная часть

Материал для исследования был собран в 2014 г. в пойменных водоемах бассейна Иртыша в пределах лесостепной подзоны (табл. 2). Отбор проб растений проводили в фазу цветения - начала плодоношения (вегетации после цветения), в июле-августе. Биотопы, в которых выполнен отбор проб, отличаются сходным гидрологическим и гидрохимическим режимом, что минимизирует влияние разности гидрохимических особенностей субстрата на накопление отдельных элементов растениями.

Исследования выполнены на базе лаборатории органической химии Омского государственного педагогического университета (Россия) и испытательной региональной лаборатории инженерного профиля Научного центра радиоэкологических исследований государственного университета им. Шакарима г. Семей (Казахстан). Отобранные рандомизированным путем средние пробы фитомассы после первичной про-боподготовки хранили в морозильной камере при температуре минус 18-20 °С, перед проведением испытаний пробы высушивали до воздушно-сухого состояния.

Физико-химический анализ содержания элементов выполнен с использованием ГОСТ 316712012 [10], НСАМ №512-МС [11] и с учетом рекомендаций, изложенных в работе В.К. Карандашева с соавторами [9]. В качестве стандартного использовался раствор производства фирмы «Vanan» IV-ICPMS-71A с концентрацией 10 мкг/мл (48 элементов).

При подготовке проб для анализа образцы высушивали в течение 6-8 ч при температуре 60 °С в сушильном шкафу «SNOL 67/350» (Умега, Литва). Полученную пробу измельчали, навеску массой 0,1 г помещали в фарфоровые тигли с крышками и озоляли в муфельной печи «SNOL 7,2/1100» (Умега, Литва) в течение 6-7 ч при 400-450 °С. Для приготовления аналитических образцов применяли метод микроволнового разложения с помошью системы «Speedwave» (Berghof, Германия). Система микроволнового разложения «Speedwave» позволяет сократить время подготовки пробы до 15-45 мин за счет высоких температур и давления реакционной смеси, получаемых в поле микроволнового излучения. При микроволновом разложении навеску пробы помещали во фторопластовый вкладыш (реакционная емкость) и добавляли 5 мл азотной кислоты. Автоклав герметизировали и помещали в микроволновую печь и разлагали пробу, используя программу разложения (15 мин при 200 °С), рекомендованную производителем. Полученный раствор разбавляли в 10 раз 1% раствором азотной кислоты и измеряли на масс-спектрометре с индуктивно-связанной плазмой ISP-MS 820 (Varían, Австралия). Было исследовано содержание 14 химических элементов (Р, Na, Mg, К, Са, Cr, Mn, Fe, Со, Cu, Zn, Se, Pb, Al), содержание 26 элементов (Be, В, S, V, Ni, As, Rb, Sr, Ag, Cd, Cs, Th, U, Ce, Dy, Er, Eu, Ga, Gd, Но, La, Lu, Nd, Sm, Tm, Yb) в исследуемом материале находилось ниже предела обнаружения (менее 1><10"9мг/кг).

Таблица 2. Места сбора объектов исследования

Объект исследования Местонахождение Местообитание

Stratiotes aloides (побеги), Hydrocharis morsus-ranae (побеги) 55°13' 35" с. ш., 73°00' 23" в. д., Омская область, Любинский район, окрестности с. Лю-бино-Малороссы, долина Иртыша, протока Глубина 0,0-1,8, грунт черный гру-бодетритный ил, фитоценоз Stratiotes aloides aquiherbosa

Hydrilla verticillata (побеги), Elodea canadensis (побеги) 55°13' 14" с. ш., 72°59' 24" в. д, Омская область, Любинский район, окрестности с. Лю-бино-Малороссы, долина Иртыша, особо охраняемая природная территория «Пойма Любин-ская», протока Глубина 0,1-2,5, грунт глинистый с грубо детритным наилком, фигоце-нозы Elodea canadensis ригит и Elodea canadensis + Hydrilla verticillata

Статистическая обработка результатов выполнена средствами пакета Statistica 6.1 (описательная статистика, проверка на нормальность распределения) и PAleontological STatistics 3.08 (кластерный анализ методом парного сравнения) [10].

Обсуждение результатов

Результаты определения содержания химических элементов в фитомассе Е. canadensis, S. aloides, Я. morsus-ranae и Я. verticillata приведены в таблице 3.

Установлено, что Я. morsus-ranae отличается наиболее низкими концентрациями Fe (135±1 мг/кг воздушно-сухого вещества) и Мп (24,4±0,4), Я. verticillata - Са (2890±40), Е. canadensis - А1 (0,93±0,01). При этом по сравнению с другими изученными видами для Е. canadensis характерны более высокие концентрации Na (28400±600), К (13740±90), Са (4250±40), Fe (750±10) и Мп (185±2), для X aloides - Mg (30850±60), Са (4490±40) и Р (2910±40), а Я. verticillata -А1 (3,20±0,02). Полученные ряды биологического поглощения:

Hydrocharis morsus-ranae Na Ж >Са >Mg >Р >Fe >Zn >Mn>Cu > A1» Co > Pb ~ Cr >Se;

Elodea canadensis Na Ж >Ca >Mg >P >Fe >Mn > Zn>Cu > Co > A1 > Cr ~ Pb >Se;

Stratiotes aloides Mg >Na>K >Ca >P >Fe >Mn ж Zn >Cu > A1 > Co > Cr ~ Pb >Se;

Hydrilla verticillata Na Ж >Mg >Ca>P >Fe >Mn >Zn >Cu > A1 > Co > Cr ~ Pb >Se;

при общей схожести имеют ряд специфических особенностей. Наблюдается определенное сходство рядов биологического поглощения у исследуемых видов с результатами, полученными в других регионах [3-9].

Исследованные растения семейства Hydrocharitaceae характеризуются относительно высоким содержанием таких макроэлементов, как Na, К, Са, Mg, Р и Fe. Результаты кластерного анализа по содержанию химических элементов свидетельствуют о значительной обособленности от остальной части семейства S. aloides (рис.).

Таблица 3. Содержание химических элементов в фитомассе растений семейства НуёгосИагЦассас

Элемент Содержание элементов, мг/кг воздушно-сухого вещества

Hydrocharis morsus-ranae Elodea canadensis Stratiotes aloides Hydrilla verticillata

P 1910±40 2440±20 2910±40 1810±20

Na 8710±80 28400±600 13800±200 14200±200

Mg 3380±60 3850±40 30850±60 4440±70

К 7290±90 13740±90 6320±70 7710±80

Са 3570±60 4250±40 4490±40 2890±40

Cr 0,85±0,02 0,75±0,01 0,78±0,01 0,87±0,02

Mn 24,4±0,4 185±2 47,4±0,5 45,3±0,5

Fe 135±1 750±10 339±3 280±5

Co 1,36±0,02 2,40±0,02 1,68±0,01 2,13±0,02

Cu 18,6±0,2 21,75±0,33 24,3±0,5 27,7±0,3

Zn 69,9±0,9 49,9±0,9 43,4±0,8 37,0±0,5

Se 0,092±0,001 0,087±0,001 0,134±0,002 0,113±0,002

Pb 0,95±0,02 0,52±0,01 0,56±0,01 0,75±0,01

A1 1,61±0,02 0,93±0,01 2,40±0,03 3,20±0,02

110

А.Н. Ефремов, Д.Е. Иминова, Е.А. Алехина, С.Т. Дюсембаев

Сходство исследуемых представителей Hydrocharitaceae по содержанию химических элементов.

Выводы

У четырех представителей семейства Hydrocharitaceae (Е. canadensis, S. aloides, Я. morsus-ranae и Я. verticil lata) исследовано содержание 14 химических элементов (Р, Na, Mg, К, Са, Cr, Mn, Fe, Со, Си, Zn, Se, Pb, Al).

Несмотря на сходство полученных рядов биологического поглощения элементов выявляется ряд специфических особенностей. Я. morsus-ranae отличается наиболее низкими концентрациями Fe

Дальнейшее исследование элементного состава и особенностей поглощения химических элементов растениями семейства Hydrocharitaceae может быть использовано для целей хемосистематики и уточнения порогов толерантности к накоплению отдельных элементов в системе «вода - растение».

Список литературы

1. Гребенюк А.В. Семейство Hydrocharitaceae .Tuss. // Конспект флоры Азиатской России: сосудистые растения. Новосибирск, 2012. С. 431-432.

2. Свириденко Б.Ф. Флора и растительность водоемов Северного Казахстана. Омск, 2000. 196 с.

3. Ноздрюхина Л.Г., Гринкевич Н.И. Нарушение микроэлементного обмена и пути его коррекции. М., 1980. 280 с.

4. Круглов Д.С. Микроэлементный спектр в хемосистематике рода Pulmonaria // Проблемы изучения растительного покрова Сибири: материалы IV Международной научной конференции. Томск, 2010. С. 26-28.

5. Erdtman H.G.H. Chemical principles in chemosystematics // Recen tadvances in phytochemestry / Eds. T.J. Mabry, R.E. Alston, V.C. Reuneckles. New York, 1968. Vol. 1. Pp. 263-268.

6. Дубына Д.В., Стойко C.M., Сытник K.M. и др. Макрофиты - индикаторы изменений природной среды. Киев, 1993.434 с.

7. Nirmal Kumar J.I., Soni Н., Hkumar R.N. Valuation of biomonitoring approach to study lake contamination by accumulation of trace elements in selected aquatic macrophytes: a case study of Kanewal community reserve, Gujarat, India // Applied Ecology and Environmental Research. 2008. Vol. 6(1). Pp. 65-76.

8. Easley J.F., Shirley R.L. Nutrient elements for livestock in aquatic plants // Hyacinth control Journal. 1974. Vol. 12 (82). Pp. 82-85.

9. Ефремов A.H., Алехина E.A., Филимонова M.B., Свириденко Б.Ф., Шалыгин С.П., Русак С.Н. Компонентный состав Stratiotes aloides (Hydrocharitaceae) водоемах бассейна Среднего Иртыша // Химия растительного сырья. 2012. №4. С. 161-166. '

10. ГОСТ 31671-2012 (EN 13805:2002) Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Подготовка проб методом минерализации при повышенном давлении. М., 2014. 11с.

11. НСАМ №512-МС «Определение элементного состава образцов растительного происхождения (травы, листья) атомно-эмиссионным и масс-спектральным методами анализа». М., 2011. 50 с.

12. Карандашев В.К., Туранов А.Н., Орлова Т.А., Лежнев А.Е., Носенко С.В., Золотарева Н.И., Москвина И.Р. Использование метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в элементном анализе объектов окружающей среды // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73, №1. С. 12-22.

13. Hammer О., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electrónica. 2001. Vol. 4( 1). 9 p.

Постутто в редакцию 7 мая 2016 г.

После переработки 2 сентября 2016 г.

Efremov A.N.1 * Eminova D.E.2, Alekhina E.A. \ Dyusembaev S. Tr THE CONTENT OF CHEMICAL ELEMENTS IN BIOMASS OF SOME SPECIES OF THE HYDROCHARITACEAE FM IILY

'Omsk}1 State Pedagogical University, nab. Tukhachevsky, 14, Omsk, 644099

The study of the content of 14 chemical elements (P, Na, Mg, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Cr, Zn, Se, Pb, Al) in five species of the Hydrocharitaceae family growing in the territory of the Western Siberia (Elodea canadensis, Stratiotes aloides, Hydrocharis morsus-ranae, Hydrillaverticillata) was implemented. Inductively coupled plasma mass spectrometry was used in the study to clarify the elemental profiles of certain species.

Despite the similarity of the obtained series of the biological absorption of elements, a number of specific features are identified. For example, H. morsus-ranae has the lowest concentration of Fe (135±1) andMn (24,4±0,4), E. canadensis is characterized by the lowest concentration of Al (0,93±0,01), H. verticillata - Ca (2890±40). E. canadensis in comparison with other studied species has a higher concentration of Na (28400±600), K (13740±90), Ca (4250±40), Fe (750±10) and Mn (185±2), S. aloides is characterized by higher concentration of Mg (30850±60), Ca (4490±40) and P (2910±40), H. verticillata -Al (3,20±0,02). The results of the cluster analysis of the chemical element content show the considerable isolation of S. aloides from the rest of the family.

Keywords'. Hydrocharitaceae, Stratiotes aloides, Elodea canadensis, Hydrocharis morsus-ranae, Hydrilla verticillata, elemental composition.

References

1. Grebeniuk A. V. Konspekt flory Aziatskoi Rossii: sosudistye rasteniia. [Abstract flora of Asian Russia: vascular plants], Novosibirsk, 2012, pp. 431-432. (inRuss.).

2. Sviridenko B.F. Flora i rastitel'nost' vodoemov Seveniogo Kazakhstana. [Flora and vegetation of water bodies in Northern Kazakhstan], Omsk, 2000, 196 p. (in Russ.).

3. Nozdriukhina L.G., Grinkevich N.I. Narushenie mikroelementnogo obmena i puti ego korrektsii. [Violation of microelement exchange and ways of its correction], Moscow, 1980, 280 p. (in Russ.).

4. Kruglov D.S. Materialv IVMezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii «Problemy izucheniia rastitel'nogopokrova Sibiri». [Proceedings ofthe IV International Conference "Problems of Siberian vegetation"]. Tomsk, 2010, pp. 26-28. (inRuss.).

5. Erdtman H.G.H. Recen tadvances in phytochemestty, eds. T..T. Mabry, R.E. Alston, V.C. Reuneckles. New York, 1968, vol. l,pp. 263-268.

6. Dubyna D.V., Stoiko S.M., Sytnik K.M. i dr. Makrofity - indiliatory izmenenii prirodnoi sredy. [Macrophytes -indicators of environmental changes], Kiev, 1993, 434 p. (in Russ.).

7. Nirmal Kumar J.I., Soni H, Hkumar R.N. Applied Ecology and Environmental Research, 2008, vol. 6(1), pp. 65-76.

8. Easley J.F., Shirley R.L. Hyacinth control Journal, 1974, vol. 12 (82), pp. 82-85.

9. Efremov A.N., Alekhina E.A., Filimonova M.V., Sviridenko B.F., Shalygin S.P., Rusak S.N. Khimiia rastitel'nogo syr'ia, 2012, no. 4, pp. 161-166. (in Russ.).

10. GOST 31671-2012 (EN 13805:2002) Produkly pishchevye. Opredelenie sledovykh elementov. Podgotovka prob metodom mineralizatsiipripovyshennom davlenii. [GOST 31671-2012 (EN 13805: 2002) Foodstuffs. Determination of trace elements. Sample preparation method mineralization at elevated pressure], Moscow, 2014, lip. (in Russ.).

11. NSM1M512-MS «Opredelenie elementnogo sostava obraztsov rastitel'nogoproiskhozhdeniia (travv, list'ia) atomno-emissionnym i mass-spektral'nym metodami analiza». [NCAY 512-MS "Detennining the elemental composition of samples of vegetable origin (grass, leaves) atomic emission and mass spectral analysis methods"]. Moscow, 2011, 50 p. (inRuss.).

12. Karandashev V.K., Turanov A.N., Orlova T.A., Lezhnev A.E., Nosenko S.V., Zolotareva N.I., Moskvina I.R. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov, 2007, vol. 73, no. 1, pp. 12-22. (in Russ.).

13. Hammer 0., Harper D.A.T., Ryan P.D. PalaeontologiaElectronica, 2001, vol. 4(1), 9 p.

Received May 7, 2016 Revised September 2, 2016

Corresponding author.