Методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА СИ) определено содержание 19 химических элементов в вегетативных и генеративных органах Astragalus glycyphyllos L. (астрагал сладколистный) и в почвах, на которых он произрастает. Показано изменение элементного состава этого вида астрагала в течение вегетационного периода. Вычислены коэффициенты биологического накопления микроэлементов (КБН), характеризующие степень их концентрации в растении.
Введение
Одним из основных направлений расширения сырьевой базы полезных растений и выявления новых возможностей их использования является изучение химического элементного состава растений. Актуальным теоретическим и прикладным аспектом этого направления среди многих других считается изучение видовой специфичности элементного состава растений и создания на этой основе банка данных многоцелевого использования. Растительные объекты в этом контексте рассматриваются как перспективные источники макро- и микроэлементов. Их нативные комплексы могут быть использованы в качестве лекарственных и профилактических средств в комплексной терапии различных заболеваний, а также в качестве маркеров в биогеохимических, биологоэкологических и фитохимических исследованиях. Состав и содержание микроэлементов, по мнению А.В. Кисличенко, обусловлены элементным обменом данного растения, условиями произрастания и микроэлементным составом почвы [1]. В составе химических элементов в почвах разных природногеоморфологических районов проявляются особенности природных условий их формирования, индикаторами которых являются микроэлементы (As, Cu, Mo, P, Sn, Zn, а также B, Br, I и Sr) [2]. Виды рода Astragalus L. семейства Leguminosae Juss. в этом отношении до сих пор остаются не до конца изученными. Известно, что астрагалы - концентраторы таких микроэлементов, как Mo, V, Co, Li, Ba, Sr, Ni, Se, каждый из которых, в свою очередь, влияет на синтез биологически активных соединений различных групп физиологического действия [3]. Кроме того, виды рода содержат уникальный природный комплекс токоферолов и селена, необходимый для мышечной деятельности (при различных мышечных дистрофиях), а некоторые из них нормализует функцию свертывающей и антисвертывающей системы крови. Фармакопейные виды A. dasyanthus (Herba Astragali dasyanthi) и A. falcatus (Folia et flores Astragali falcate) содержат Mn, Zn, Cu в терапевтических дозах (50-200 мкг), концентрируют Fe, Mo, Ba, Se. Они же характеризуются накоплением флавоноидов, алкалоидов, сапонинов, кумаринов, тритерпеноидов, обладающих высокой антиоксидантной активностью, что, значительно увеличивает ценность этих видов в качестве лекарственного сырья [4]. Astragalus glycyphyllos считается аналогом официнального A. dasyanthus, запасы которого практически исчерпаны. В
растениях этого вида Н.Х. Ибрагимовой и С.С. Кожабековой методом атомно-абсорбционной спектроскопии были определены следующие микроэлементы: Al, Ba, V, Co, Zn, Cu, Mn, Mo, Cr, Ni, Pb, но не были обнаружены: Be, Bi, N, Ge, Cd, As, Sn, Ag, Sb [5]. Содержание в растениях Astragalus glycyphyllos таких химических элементов как V, Se, Mo, Sr и некоторых других сильно варьировало в зависимости от почвенноклиматических условий [6]. Для этого вида астрагала известны также коэффициенты биологического накопления, характеризующие степень аккумуляции Se, Zn, Mg, Cr. Исследования этих же авторов астрагала сладколистного из различных мест произрастания позволяют утвердительно говорить о геохимическом аспекте накопления биологически активных соединений и, следовательно, качества лекарственного сырья этого вида [7]. Работ по изучению элементного состава астрагалов и, в частности, астрагала сладко-листного, произрастающего в лесостепной зоне Западной Сибири, нам не известно.
В связи с этим цель настоящей работы - выявление особенностей элементного состава Astragalus glycyphyllos L. лесостепной зоны Западной Сибири.
Экспериментальная часть
Объектом нашего иследования служил A. glycyphyllos из дикорастущей популяции в окрестностях Новосибирска (смешанный лес). Образцы вегетативных и генеративных органов астрагала сладколистного вегетационного периода 2009 г. были собраны по фазам развития: начало вегетации (отрастание), цветение, начало и конец плодоношения. Для определения содержания химических элементов среднюю пробу для анализа брали с 25 особей A. glycyphyllos. Растения освобождали от механических примесей (не промывали), разделяли на органы, высушивали в тени до воздушно-сухого состояния.
Определение элементного состава в образцах было проведено методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА СИ) на станции элементного анализа (накопитель ВЭПП-3) в Сибирском центре синхротронного излучения Института ядерной физики им. Г.И. Буткера СО РАН [8].
Пробоподготовка для анализа РФА СИ состояла в следующем. Навеску сухого сырья (1 г) размельчали и перетирали в агатовой ступке до гомогенного состояния (5-10 мин). Одновременно с отбором образцов растений брали пробы почв, на которых произрастали анализируемые растения. Почву отбирали с почвенного горизонта А0–А1 на глубине до 15-20 см, т.е. включая лесную подстилку и гумусовый слой. Почву также перетирали в ступке до порошкообразного состояния. Из подготовленной к анализу пробы бралась навеска 30 мг, из которой в специально сконструированной прессформе прессовали таблетку диаметром 1 см. Образец в виде таблетки упаковывался во фторопластовые кольца между двумя химически чистыми пленками толщиной 5 мкм.
Метод РФА СИ, благодаря высокой интенсивности возбуждающего излучения, позволяет проводить элементный анализ образцов с чувствительностью обнаружения 10–7 г/г и воспроизводимостью по концентрациям элементов 5-20%. Анализ проводили при энергии возбуждения - 22 кэВ. Для определения концентрации элементов (мкг/г) применяли метод внешнего стандарта. В качестве внешнего стандарта, как наиболее близкого по составу к определяемым образцам, использован российский стандарт растительного материала СОРМ1 ГСО 8242-2003 для растительных тканей и БИЛ-1 ГСО 7126-94 для почвенных образцов.
По результатам анализа вычислены коэффициенты биологического накопления микроэлементов (КБН). КБН = отношение содержания элементов в растении к их содержанию в почве (3). Результаты исследования представлены в таблицах 1-3.
Обсуждение результатов
С помощью метода РФА СИ были определены 19 химических элементов в вегетативных и генеративных органах астрагала сладколистного по фазам развития в течение вегетационного периода 2009 г. Как известно, элементный состав растений видоспецифичен, зависит от многих факторов окружающей среды и может варьировать в довольно широких пределах.
Топография химических элементов A glycyphyllos имела следующие особенности. Максимальные и минимальные количества обнаруженных химических элементов накапливались в разных органах астрагала сладколистного, в основном, во второй половине вегетации. Из макроэлементов были определены калий и кальций. Так, Са (мкг/г) в максимальных количествах содержался в листьях в фазе начала плодоношения.
Максимальные К (мкг/г)и минимальные Са количества накапливались в створках спелых бобов астрагала в фазе окончания плодоношения. В этот же период в корнях были обнаружены минимальные количества К. Соотношения максимальных : минимальных количеств для К и Са составлял 5,2 и 5,8 соответственно. Отношение К : Са (мкг/г) в листьях в течение вегетации изменяется по фазам развития и составляет 7,6 в начале вегетации; 4,8 - в фазе цветения; 2,08 - в начальный период плодоношения и 2,68 - в конечный. В стеблях и корнях этот показатель также уменьшается к концу вегетации. В целом, по максимальным значениям, калия накапливается в 3,5 раза больше, чем кальция.
Накопление максимальных количеств микроэлементов начинается со второй половины вегетации, с фазы начала плодоношения. В этот период содержатся максимальные количества следующих элементов: 1) Mn и Sr - в листьях; 2) Rb - в зеленых бобах и в их створках; 3) Cu, Zn и Pb - в зеленых семенах и Ni -в бурых. В завершающий период вегетации, в фазе конца плодоношения, накапливается максимум Br в листьях и Ti, V, Cr, Fe, Co, Y, Zr, Nb, Mo - в корнях. По органам накопление максимальных количеств элементов в растениях астрагала сладколистного выглядит следующим образом: 1) в корнях были обнаружены Ti, V, Cr, Fe, Co, Y, Zr, Nb, Mo; 2) в листьях - Mn, Sr, Br; 3) в зеленых семенах - Cu, Zn, Pb; 4) в бурых семенах присутствовало максимальное количество Ni, а в зеленых бобах и в их створках - Rb.
Минимальные количества микроэлементов присутствовали также во второй половине вегетации, за исключением Rb в корнях и Y в листьях, которые были отмечены в фазе начала вегетации (табл 1).
Отношения максимальных количеств микроэлементов к минимальным варьирует в очень широких пределах, причем, по мнению О. А. Ельчиновой, этот факт для растений обусловлен в большей степени систематической принадлежностью вида исследованным органам растения и в меньшей - местом произрастания [10]. Для астрагала сладколистного соотношение максимальных:минимальных количеств физиологически значимых для растений микроэлементов варьировало от 2,75 (Cu) до 6,5 (Mn и Zn) и 7,4 (Fe). Для потенциально токсичных микроэлементов это соотношение составляло 8,3 (Pb), 12,0 (Sr), 31,0 (Ti), 74,0 (Nb) и 171,0 (Zr). В целом величина данного соотношения для всех исследованных микроэлементов укладывалась в интервал 2,6 (Br) - 101,0 (Mo) и 171,0 (Zr). Отметим, что деление микроэлементов на вышеназванные группы достаточно условно, так как даже считающиеся физиологически значимыми микроэлементы могут быть токсичными в определенных концентрациях, а так называемые токсичные в малых концентрациях необходимы для жизнедеятельности растений. Например, содержание Pb, как одного из самых опасных элементов - токсикантов, составляло в растении A. glycyphyllos 0,8-6,6 мкг/г в течение всего периода вегетации и было локализовано в разных органах. В зеленых семенах присутствовало максимальное количество свинца. В общем количественные показатели данного элемента укладываются в диапазон нормальных содержаний - 0,1-10,0 мг/кг сухой массы при средней концентрации 2 мг/кг [9] и не превышают уровня ПДК для чая, взятого за стандарт [11].
Взаимодействия между химическими элементами чрезвычайно важны для нормального роста и развития растений [9]. Максимальное количество Мn, Са и Sr накапливалось в листьях A. glycyphyllos в фазе начала плодоношения. В зеленых семенах обнаружено максимальное количество Zn, Cu и Pb. Максимальному количеству Rb в зеленых бобах и их створках соответствовало минимальное количество Y, Pb и V, Fe, Co, Nb, Mo соответственно. Корни в период конца плодоношения содержали максимальное количество Mo, Zr, Cr, Co, Fe, Y, Ti, V и минимальное - К. В этот же период в створках спелых бобов обнаружено максимальное количество К и минимальное - Ca.
В некоторых органах растений A. glycyphyllos в фазах цветения и плодоношения содержание V, Cr, Y, Zr, Nb находилось ниже предела обнаружения методом РФА СИ. Так, V не был обнаружен в створках зеленых бобов, Cr - в листьях и стеблях в фазе начала плодоношения. В этот же период в зеленых бобах не был обнаружен Y, а в бурых семенах - Zr. Nb отсутствовал в стеблях, створках зеленых бобов и в спелых семенах в периоды цветения - плодоношения (табл. 1). Содержание As в вегетативных и генеративных органах A. glycyphyllos в течение всего периода вегетации также находилось ниже предела обнаружения данным методом, несмотря на его наличие в почвенных пробах из мест произрастания исследуемого вида. Ранее методом атомно-абсорбционнной спектроскопии Н.Х. Ибрагимовой и С. С. Кожабековой также не был обнаружен мышьяк в растениях A glycyphyllos, произрастающих в условиях Казахстана [5]. Данному явлению не было дано достаточного объяснения, хотя в научной литературе имеются сведения о растениях, не накапливающих в своих тканях некоторые химические элементы даже в том случае, если они содержатся в почве в повышенных дозах [9]. Требуются более детальные исследования этого факта.
Содержание химических элементов в почвенных образцах из мест произрастания A. Glycyphyllos, мкг/г
Микроэлементы
К Са Ti V Cr Mn Fe 17058 Co Ni Cu Zn As Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Pb
12321 11968 1489 59 30 597 9,0 27 15 34 2,7 2,0 51 162 22 496 13 0,8 20
Степень концентрации микроэлементов (КБН)
в листьях и стеблях A glycyphyllos в течение вегетационного периода 2009 г.Микроэлементы (КБН*) Фаза Ряды накопления
Mo Br Zn Mn Zr Ni Cu Rb Pb Sr Nb Cr Y Fe Co Ti V
Листья
Начало вегетации Mo Zn Br Cu Ni Rb Sr Cr Mn Pb Nb Fe Co Zr Ti V Y
Цветение Mo Br Zn Cu Rb Sr Ni Zr Pb Mn Nb Cr Fe Co Y V Ti
Начало плодоношения Br Sr Zn Mo Cu Mn Rb Ni Nb Pb Y Fe Co V= Zr Ti Cr
Конец плодоношения Br Mo Zn Cu Sr Mn Rb Cr Pb Ni Nb Fe Co Y Zr Ti= V
Стебли
Цветение Mo Mn Br Pb Sr Zn Cu Ni Rb Cr Y Fe Zr Co Ti= V Nb
Начало плодоношения Sr Br Cu Zn Rb Mo Pb Mn Ni Y V= Nb= Fe Co Ti= Zr Cr
Конец плодоношения Mo Br Sr Zn Cu Mn Rb Nb Pb= Ni Cr Y= Fe V= Co Zr Ti
Примечание: *КБН - коэффициент биологического накопления.
Коэффициенты биологического накопления (КБН) A. glycyphyllos показали, что по степени максимальных концентраций микроэлементов их можно расположить в виде следующего ряда, в порядке убывания: Mo>Br>Zn>Mn>Zr>Ni>Cu>Rb>Pb>Sr>Nb>Cr>Y>Fe>Co>Ti>V. Очевидно, что A. glycyphyllos является концентратором Br и Zn (КБН > 1) и сверхконцентратором Mo (КБН > 10). Последние в этом ряду - Co (0,022), Ti (0,011) и V (0,007) (табл. 1, 2). По степени концентрации микроэлементов в отдельных органах в разные фазы вегетации наблюдались различия, но, как правило, Mo, Br и Zn находились на лидирующих позициях, иногда уступая место Sr (в листьях и стеблях в фазе плодоношения), а также Mn в фазе цветения и Cu - плодоношения (в стеблях) (табл. 3). Самая низкая степень концентрации отмечена для следующих микроэлементов: Cr, Ti, V, Zr. Так, Cr не был обнаружен в листьях и стеблях, Zr - в бурых семенах - в период начала плодоношения. Ti и V (КБН 0,001) присутствовали в разных органах в течение вегетационного периода (табл. 3).
Выводы
1. Методом РФА СИ с синхротронным излучением были обнаружены в растениях Astragalus glycyphyllos - астрагала сладколистного 19 химических элементов, которые относятся ко всем восьми группам таблицы Менделеева. Изучена их динамика по органам и фазам развития A. glycyphyllos в течение вегетационного периода.
2. Максимальные и минимальные количества макроэлементов (К и Са) обнаружены во второй половине вегетации в разных органах A glycyphyllos. Калия накапливалось больше, чем кальция в 3,5 раза, причем максимальному содержанию калия соответствовало минимальное кальция. Соотношения максимальных и минимальных количеств для К и Са составляло 5,2 и 5,8 соответственно. Величина отношения К к Са в листьях, стеблях и корнях снижалась в течение периода вегетации.
3. Максимальные и минимальные количества микроэлементов (Cr, Y, Fe, Co, Ti, V, Mo, Br, Zn, Mn, Zr, Ni, Cu, Rb, Pb, Sr, Nb) обнаружены в разных органах A. glycyphyllos, в основном, во второй половине вегетации. Максимальные количества Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Br, Rb, Sr,Y, Nb, Mo, Pb накапливались в корнях, Mn, Sr, Br - в листьях, Cu, Zn, Pb - в зеленых семенах, Ni - в бурых, a Rb - в зеленых бобах и их створках. Отношение максимальных количеств к минимальным у исследованных микроэлементов разли-чалось в десятки и сотни раз.
4. Содержание As в вегетативных и генеративных органах A. glycyphyllos в течение всего периода вегетации, а V, Cr, Y, Zr, Nb в отдельных органах этого вида в периоды цветения - плодоношения находилось ниже предела обнаружения методом РФА СИ.
5. По степени концентрации коэффициенты биологического накопления (КБН) A. glycyphyllos можно расположить в следующий ряд (в порядке убывания): Mo>Br>Zn>Mn>Zr>Ni>Cu>Rb>Pb>Sr>Nb>Cr>Y> >Fe>Co>Ti>V. Установлено, что A. glycyphyllos является концентратором Br (листья, КБН 1,33) и Zn (зеле-ные семена, КБН 1,16) и сверхконцентратором Мо (корни, КБН 13,5).
6. Содержание Pb (0,8-6,6 мкг/г) - одного из самых опасных элементов - токсикантов в вегетативных и генеративных органах A. glycyphyllos находится в диапазоне общепринятых норм и не превышает уровень ПДК для чая.
Список литературы
1. Кисличенко B.C. Лекарственные растения - источники минерального питания // Провизор. 1999. №20. С. 45–48.
2. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири. Новосибирск, 2007. 277 с.
3. Ловкова М.Я., Рабинович A.M., Пономарева СМ., Бузук Г.Н., Соколова СМ. Почему растения лечат. М., 1990. 256 с.
4. Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование; Семейства Hydrangeaceae-Haloragaceae. Л., 1987. 326 с.
5. Ибрагимова Н.Х., Кожабекова С.С. Исследование некоторых видов астрагалов, произрастающих в Казахстане // Некоторые проблемы фармацевтической науки и практики: мат. I съезда фармацевтов Казахстана. Алма-Ата, 1975. С. 224-227.
6. Самсонова О.Е., Белоус В.Н., Дударь Ю.А., Авдеева О.А. Экологохимическая характеристика астрагала сладколистного // Доклады Россельхозакадемии. 2005. №1. С. 28-29.
7. Белоус В.Н., Самсонова О.Е. Астрагалы Ставрополья как перспективные источники биологически активных соединений // Успехи современного естествознания. 2003. №6. С. 111.
8. Барышев В.Б., Колмогоров Ю.П., Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ с использованием синхротронного излучения//Журнал аналитической химии. 1986. Т. 41,вып. 3. С. 389–401.
9. Кабатта-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989. 439 с.
10. Ельчинова О.А. Микроэлементы в наземных экосистемах Алтайской горной области: автореф. … дис. д-ра с-х. наук. Барнаул, 2009. 32 с.
11. СанПиН 2.3.2.1078-01. Санитарные правила и нормы. Продовольственное сырье и пищевые продукты. М., 2005. С. 59.
Lobanova I.E., Chankina O.V. ELEMENT COMPOSITION OF ASTRAGALUS GLYCYPHYLLOS
Content of 19 chemical elements in vegetative and generative organs Astragalus glycyphyllos L. and in soils, which he sprouts was studied by method of X-ray flyuorescencent analysis using of synchrotron radiation (RFA SI). The change of element composition during a vegetation period is shown. The coefficients of biological accumulation of microelements (KBN) showing the degree of their concentration in the plant are calculated.
References
1. Kislichenko V.S. Provizor, 1999, no. 20, pp. 45–48. (in Russ.).
2. Syso A.I. Zakonomernosti raspredelenija himicheskih jelementov v pochvoobrazujuwih porodah i pochvah Zapadnoj Sibiri. [Patterns of distribution of chemical elements in the parent material and soils in Western Siberia]. Novosibirsk, 2007, 277 p. (in Russ.).
3. Lovkova M.Ja., Rabinovich A.M., Ponomareva S.M., Buzuk G.N., Sokolova S.M. Pochemu rastenija lechat. [Why plants are treated]. Moscow, 1990. 256 p. (in Russ.).
4. Rastitel'nye resursy SSSR: Cvetkovye rastenija, ih himicheskij sostav, ispol'zovanie; Semejstva Hydrangeaceae– Haloragaceae. [Plant Resources of the USSR: Flowering plants, their chemical composition, the use, Families Hydrangeaceae-Haloragaceae]. Leningrad, 1987, 326 p. (in Russ.).
5. Ibragimova N.H., Kozhabekova S.S. Nekotorye problemy farmacevticheskoj nauki i praktiki: mater. I s'ezda farmacevtov Kazahstana. [Some problems of pharmaceutical science and practice: proc. of I Congress pharmacists Kazakhstan]. Alma-Ata, 1975, pp. 224–227. (in Russ.).
6. Samsonova O.E., Belous V.N., Dudar' Ju.A., Avdeeva O.A. Doklady Rossel'hozakademii, 2005, no. 1, pp. 28–29. (in Russ.).
7. Belous V.N., Samsonova O.E. Uspehi sovremennogo estestvoznanija, 2003, no. 6, pp. 111. (in Russ.).
8. Baryshev V.B., Kolmogorov Ju.P., Kulipanov G.N., Skrinskij A.N. Zhurnal analiticheskoj himii, 1986, vol. 41, no. 3, pp. 389–401. (in Russ.).
9. Kabatta-Pendias A., Pendias H. Mikrojelementy v pochvah i rastenijah. [Trace elements in soils and plants]. Moscow, 1989, 439 p. (in Russ.).
10. El'chinova O.A. Mikrojelementy v nazemnyh jekosistemah Altajskoj gornoj oblasti: avtoref. … diss. doktora s-h. nauk. [Trace elements in the terrestrial ecosystems of the Altai mountain region: Abstract of thesis. Doctor of Agricultural Sciences]. Barnaul, 2009, 32 p. (in Russ.).
11. SanPiN 2.3.2.1078-01. Sanitarnye pravila i normy. Prodovol'stvennoe syr'e i piwevye produkty. [SanPiN 2.3.2.1078-01. Health regulations and standards. Food raw materials and food products.]. Moscow, 2005, pp. 59.