Параметры оценки биологической активности органического вещества сапропелей

Химия растительного сырья. 1998. №4. С. 33-38

УДК 662.73:616-003.725

ПАРАМЕТРЫ ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА САПРОПЕЛЕЙ

© Н.В. Юдина, С.И. Писарева, В.И. Пынченков, Ю.В. Лоскутова

Институт химии нефти СОРАН, Томск (Россия) E-mail: canc@ihn.tomsk.su

Изучены состав и свойства сапропелевых и торфосапропелевых отложений озер Томской области. Разработан комплекс параметров дифференцированного использования сапропелей в качестве источника биологически активных веществ и минеральных компонентов в производстве косметических, лечебно-профилактических средств, удобрений, кормовых добавок.

Введение

Основным фактором, определяющим целесообразность использования отдельных видов сапропелей и его компонентов в бальнеотерапии, пелоидотерапии и фармакологии, является наличие в них биологически активных веществ той или иной химической природы.

Углубленное изучение состава значительно увеличивает и удорожает процесс тестирования образцов с целью выявления их специфических свойств. Применение сапропелей в качестве лечебных грязей, удобрений или добавок в корм животным основано на эмпирическом подходе, не позволяющем создать научно обоснованные рекомендации для их рационального использования в практике. Однако уже сейчас накоплен огромный экспериментальный материал, позволяющий прогнозировать биологическую активность озерных осадков. Работы [1-3] по изучению состава и специфических свойств органического вещества (ОВ) современных осадков (липидов, антиоксидантов, полифенолов, полисахаридов, гуматов) позволили установить зависимость между ингибирующими-инициирующими свойствами и биологической активностью ОВ сапропелей, исключая дорогостоящие эксперименты на животных.

Целью настоящего исследования явилось изучение специфических свойств выделенных из са-пропелей концентратов биологически активных веществ (БАВ) и разработка комплекса параметров, позволяющих обосновать рекомендации по их дифференцированному использованию.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования были использованы образцы сапропелей различных типов, отобранные из озер Томской области: Карасевое (торфосапропель), Кирек 1 (органожелезистый), Кирек 2 (известковистый), Яково (органический). Для выделения основных концентратов БАВ применяли упрощенные методики, позволяющие рекомендовать их при разработке технологий переработки сапропелей.

Углевододный и фенольный комплексы (УГ, ФК), включающий полисахариды, полифенолы, аминокислоты, водорастворимые витамины и минеральные компоненты, извлекали из осадка водой в соотношении осадок: экстрагент 1 : 10-12 при перемешивании и нагревании до 90 С. в течение 30 мин. Экстракцию проводили трижды, полученные экстракты объединяли и концентрировали в вакууме до уменьшения объема в 5 раз.

Затем в полученный экстракт добавляли 30% об. этилового спирта. Полисахариды при этом выпадают в осадок. Их фильтровали через плотный фильтр и высушивали в вакуумном сушильном шкафу. Комплекс полифенольных соединений выделяется из водноспиртового раствора путем отгона растворителя на роторном испарителе при температуре 50°С и давлении 0.7 мПа.

Липидный комплекс (ЛК), содержащий углеводороды, кислородсодержащие соединения, ка-ротиноиды, хлорофиллы, выделяли из осадка, после удаления водорастворимых соединений, экстракцией 70-80% этанолом при перемешивании и нагревании до 50°С. Экстракцию проводили трижды, полученные экстракты объединяли и концентрировали в вакууме досуха при температуре не выше 50°С.

Гуминовый комплекс (ГК), содержащий гуми-новые и фульвовые кислоты, получали из осадка после удаления водорастворимых и липидных веществ. Для этого осадок обрабатывали 0.1 н раствором щелочи или, в случае карбонатных осадков, раствором смеси 0.1 н пирофосфата натрия и 0.1 н гидроокиси натрия при нагревании до 60°С и перемешивании в течение 30 мин. Затем суспензию оставляли на 12 час. После этого суспензию центрифугировали и осадок повторно дважды экстрагировали водой. Полученные экстракты объединяли и далее вели разделение гуми-новых и фульвовых кислот. Для этого в экстракт добавляли соляную кислоту до нейтральной реакции. Гуминовые кислоты выпадают в осадок, в растворе остаются фульвокислоты. Высушивание образцов производится в вакууме при температуре не выше 50°С.

Определен элементный состав сапропелей и выделенных комплексов. Сняты ИК- и УФ-спектры.

В работе для предварительного скрининга биологической эффективности сложных природных объектов использовался кинетический метод анализа антиоксидантов на основе модельной реак-

ции инициированного окисления кумола [4], а также модифицированный метод для анализа водных и водно-спиртовых экстрактов [5]. Метод реализуется с помощью автоматизированной га-зометричекой установки, совмещенной с ЭВМ. Количественный анализ АО основан на изучении кинетики инициированного окисления кумола в присутствии анализируемых объектов. Эксперименты проводились при температуре 60°С, т.е. в режиме, когда образующаяся гидроперекись не разрушается. Достоверность получаемых результатов зависит от точности измерения количества поглощенного кумолом кислорода особенно в начале эксперимента, когда реакция может быть значительно замедлена тестируемым веществом.

Обсуждение результатов

Элементный и групповой составы сапропелей представлены в таблицах 1 и 2 и дают общую характеристику разным типам сапропелей. Наибольшее количество органического углерода, азота и серы присутствует в торфосапропеле оз. Карасевое и органическом сапропеле оз. Яково. Соответственно, в них выше содержание выделенных групп БАВ. В обоих типах сапропелей оз. Кирек высока доля минеральных компонентов. Спектральные характеристики (ИК, УФ) указанных групп соединений малоинформативны. Поэтому на основании этих данных невозможно судить об их биологической эффективности.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о важной, а подчас определяющей роли свободнорадикальных реакций.

Интенсивность свободнорадикальных процессов, непрерывно протекающих во всех тканях живого организма, играет важную роль при старении и в развитии ряда патологических состояний -росте злокачественных опухолей, радиационном поражении, мутагенезе, действии некоторых отравляющих веществ и т. д.

Таблица 1

Элементный состав сапропелей

Тип сапропеля Содержание элементов, % мас.

С Н N S O

Торфосапрпель 41.86 5.32 2.77 0.35 23.30

Органический 20.46 1.87 1.04 0.15 27.08

Органожелезистый 17.07 1.21 0.17 0.09 31.76

Известковистый 15.92 2.72 0.17 0.05 28.14

Таблица 2

Групповой состав различных типов сапропелей

Содержание комплексов БАВ,%

Тип сапропеля Углеводный Липидный Гуминовый

ПС ПФ ГК ФК

Торфосапропель 2.90 5.23 1.23 20.93 25.12

Органический 0.70 1.25 2.54 33.91 18.48

Органожелезистый 0.23 0.10 0.79 11.86 31.56

Известковистый 0.75 0.95 0.28 4.29 12.56

В биологических объектах регуляция свободно-радикальных процессов осуществляется с помощью антиоксидантных систем, способных к взаимодействию с радикалами разного типа [4]. Радикально-цепной процесс окисления угасает из-за реакций обрыва цепей за счет взаимодействия радикалов друг с другом или с антиоксидантами (АО), либо образуется нейтральная молекула и более активный радикал, который инициирует процесс окисления. Поэтому вещества, обладающие ингибирующими свойствами, играют важную роль в предотвращении развития патологических процессов. Вещества, проявляющие свойства инициатора радикально-цепного процесса окисления, напротив, могут стимулировать биохимические процессы. Результаты исследования антиокси-дантных свойств полученных объектов представлены в таблицах 3, 4.

В таблице 3 отмечено, что углеводные и липидные комплексы обладают антиокислительной способностью, в углеводном присутствует один тип антиоксидантов, в липидном - два, отличающихся по реакционной активности. Конечные скорости окисления кумола в их присутствии за-

нижены. Все это свидетельствует об эффективном и длительном торможении данными объектами радикально-цепного процесса окисления, что открывает перспективы для их практического использования. В липидных комплексах, полученных из сапропеля оз. Кирек, отмечается наибольшее содержание АО. Данные комплексы можно рекомендовать для изучения их специфической активности биологическими методами.

Гуминовые комплексы не содержат АО, для них наблюдается небольшое увеличение скорости окисления. Увеличение скорости окисления кумола в сравнении с фоном (95-100 мм3/мин) в неин-гибированном режиме свидетельствует о потенциальных биостимулирующих свойствах данных объектов. Для подтверждения данного предположения приводим экспериментальные данные исследования взаимосвязи биостимулирующей активности с инициирующими свойствами модифицированных фракций (1-3) гуминовых кислот торфа [4], полученных в Томском НИИ торфа в качестве стимуляторов роста растений. Результаты представлены в таблицах 4, 5.

На основании полученных данных возможно

прогнозирование биологической активности гу-миновых стимуляторов по изменению параметра К, используя соотношение:

К =-

100%,

ф

где К - критерий биологической активности гума-тов; W0 - скорость окисления в присутствии гума-тов; WФ - скорость окисления без добавок (фон).

Полученные результаты коррелируют с данными биологических тестов - предпосевной обработкой семян пшеницы растворами гуминовых стимуляторов роста различных концентраций. Степень ростового действия препаратов определяли по приросту сухой биомассы и массы корней по сравнению с контрольным вариантом - обработкой семян дистиллированной водой. Фракция 3

проявляет наибольшую активность по сравнению с другими гуминовыми препаратами.

В таблице 5 показано, что фракция 3 активизирует энергию или скорость прорастания семян (1 срок показания всхожести, определяемый на 4-й день после посева), повышает урожай зеленой массы и массы корней 7-дневных проростков пшеницы в исследованном интервале концентраций.

Таким образом, возможно прогнозирование биологической активности гуминовых стимуляторов роста растений по изменению скорости инициированного окисления кумола в их присутствии, что подтверждено результатами биологических тестов.

Таблица 3

Антиоксидантные свойства ОВ сапропелей

Тип сапропеля Содержание АО, моль/кг Скорость окисления, мм3/мин Реакционная способность-104, л/моль-с

% 2к7

Торфосапропель

Углеводный 0.12 79 - 0.8

Липидный 0.21 72 3.4 0.7

Гуминовый - 108 - -

С >рганический

Углеводный 0.09 80 - 0.6

Липидный 0.17 75 - 0.8

Гуминовый - 105 - -

Срг й 3 н с и з е ел •€ о н а

Углеводный 0.13 75 - 0.7

Липидный 0.38 70 4.4 0.7

Гуминовый - 95 - -

Из й 3 н с и в о к н с е в

Углеводный 0.07 70 - 0.5

Липидный 0.30 70 3.6 0.6

Гуминовый - 97 - -

Ошибка определения константы скорости ингибирования 10%.

Таблица 4

Кинетическая характеристика гуминовых стимуляторов роста растений

Препарат Скорость окисления, мм3 /мин Критерий биологической активности

Фракция 1 83.9 -16.5

Фракция 2 105.4 4.9

Фракция 3 120.8 20.2

Кумол + ДМСО (фон) 100.5 -

Таблица 5

Влияние концентрации гуминового стимулятора на характеристики проростков пшеницы, %

Концентрация фракции Прирост к контролю

3, % мас. энергия проростання сухой зеленой массы сухой массы корней

1.50 8.0 8.1 10.3

1.00 7.3 14.3 43.8

0.75 8.8 2.3 27.8

0.50 11.5 5.9 30.3

0.25 7.3 8.9 21.3

0.10 3.9 19.5 24.4

0.01 3.6 -6.9 5.0

0.005 10.4 15.9 35.8

0.001 11.2 17.4 33.9

0.0001 10.4 6.8 -7.2

Анализ качественного состава и специфических свойств ОВ исследованных сапропелей Томской области позволяет выделить в отдельные группы параметры, характеризующие биологическую активность, пищевую ценность сапропелей и возможность использования их в качестве удобрений. В качестве параметров, характеризующих биологическую активность, использовали следующие характеристики: высокое содержание ингибиторов окисления в липидном комплексе, высокое содержание элементной серы в осадках, содержание микроэлентов. Сапропели и комплексы БАВ, полученные из них, и обладающие данными характеристиками, могут рассматриваться в качестве потенциального сырья для производства косметических и лечебно-профилактических

средств. Одним из важных параметров для оценки сырья при производстве удобрений и ростовых веществ являются инициирующие свойства са-пропелей в окислительных процессах.

Выводы

1. Кинетическим методом анализа антиоксидантов изучены ингибирующие - инициирующие свойства органического вещества лечебных грязей. Установлено, что липидный и углеводный комплексы тормозят развитие радикально-цепных процессов окисления, а гуминовый и его модификаторы инициируют процессы окисления.

2. Показано, что наиболее выраженной биологической активностью отличаются сапропели озера Кирек. Биостимулирующие свойства проявились у фракций сапропелей оз. Яково, Карасевое. Сапропели этих источников можно рекомендовать использовать в качестве органического сырья для получения удобрений и стимуляторов роста.

Список литературы

1. Буркова В.Н., Венгеровский А.И., Опалин-ская А.М., Писарева С.И. Антиоксидантные свойства и

биологическая активность липидов современных озерных осадков различного генезиса. Томск., 1988. 38 с.

2. А.с. 389053 (СССР), МКИ А 61 К 35/00. Способ получения каратиноидов / Кураколова Е.А., Матис Е.Я., Буркова В.Н. // Заявлено 5.05.86. ДСП.

3. Nataliya V.Yudina, Svetlana I.Pisareva, Lubov V. Kasimova, Tatyana A. Filipova. Biological efficiency of humic stimulants for plant growth //10th International Peat Congress, Stuttgart. 1996. V. 2 Proceedings. Р. 286-292.

4. Эмануэль Н.М., Гладышев Г.П., Денисов Е.Г. Порядок тестирования химических соединений как стабилизаторов полимерных материалов. М., 1976. 35 с.

5. А.с.1578651 (СССР), МКИ О 01 N 33/18. Способ определения полифенольных соединений в водных и водно-спиртовых растительных экстрактах / Писарева С.И., Буркова В.Н., Калинкина Г.И., Сидоренко А.А. // N 4436941/310-4; Заявлено 6.06.88. публ. 15.07.90. Бюл. №26 Открытия. Изобретения. 1990. №26. С. 204.

Поступило в редакцию 13.05.98