Email this article Analysis of Features of Accumulation of Macro- and Microelements in Grass of Hollow of Five-Lobed Flora of Voronezh Region
- Authors: Dyakova N.A.1
-
Affiliations:
- Voronezh State University
- Issue: No 4 (2022)
- Pages: 24-32
- Section: Biological Sciences
- URL: https://vestnik.nvsu.ru/2311-1402/article/view/106206
- DOI: https://doi.org/10.36906/2311-4444/22-4/03
- ID: 106206
Cite item
Full Text
Abstract
Studies of the elemental composition of wild raw materials are relevant and significant due to the high efficiency and biological availability of organometallic forms contained in plants. The purpose of the study is to study the macro- and microelement composition of motherwort herb five-lobed natural phytocenosis of the Voronezh region. Raw materials were harvested during the flowering of the plant in the Voronezh State Natural Biosphere Reserve. The microelement composition of the samples was studied mass spectroscopically on an ELAN-DRC instrument. It was revealed that the content of the microelement complex is 5.8%, 59 elements were determined. Macroelements make up 96.31% of the total elemental composition of the five-lobed hollow grass. The macroelements are based on potassium (more than 30 mg/g), as well as calcium (more than 16 mg/g). Essential trace elements make up 3.08% of the total mineral complex of the five-lobed hollow grass. Among them, the highest content was noted for silicon (more than 1.4 mg/g), iron (more than 0.1 mg/g). The content of regulated heavy metals and arsenic in the grass of the five-bladed dummy complies with the requirements of regulatory documentation. Lead, mercury, cadmium and arsenic account for 0.0008% of the total mineral complex of raw materials. The share of toxic and little-studied elements in the total mineral complex of the grass of the five-lobed dummy is 0.61%. The highest content was observed for aluminum (191.4 μg/g), strontium (65.2 μg/g), barium (70.3 μg/g), titanium (19.2 μg/g), rubidium (5.68 μg/g). The high ability of the five-lobed puberty grass to accumulate phosphorus, potassium, copper, zinc, cadmium from the soil, as well as a significant opportunity to accumulate calcium, magnesium, molybdenum, nickel, strontium and tellurium, is shown.
Full Text
Введение. Урбанизация – одна из основных социально-экологических проблем нашего времени. В процессе роста и становления городов природные экосистемы территорий, занимаемых ими и близлежащих к ним, постепенно изменяются, и формируется новая антропогенная среда со специфическими чертами техногенного влияния, характеризующегося изменением состава атмосферного воздуха, почв и водных объектов. Рост уровня загрязнения приводит к дестабилизации природной среды и существованию организмов в предельных режимах биологических возможностей. Антропогенное влияние способствует деградации растительных сообществ, сокращению ареала растений, уменьшению их обилия в различных ассоциациях и формациях, изменению фитохимического и минерального состава растительных организмов [1-3].
Воронежская область традиционно является важнейшим районом растениеводства и земледелия. Однако, освоение минеральных ресурсов, активная химизация в сельском хозяйстве, последствия Чернобыльской аварии актуализировали вопрос снабжения пищевой промышленностей безопасным и эффективным растительным сырьем. Некачественное растительное сырье и получаемые из него продукты являются важными источниками поступления различных элементов, в частности, токсичных, в организм человека [4-7]. Содержащиеся в растениях микроэлементы, образуют с биологически активными веществами комплексы органической природы, которые значительно эффективнее усваиваются в организме человека, чем препараты на основе неорганических соединений [8-10]. Поэтому при изучении элементного состава лекарственного растительного сырья (ЛРС) особый интерес представляют те виды, которые используются в виде комплексных фитопрепаратов, в которых фармакологический эффект высокомолекулярных веществ потенцируется действием элементов [11-13].
Ежегодно возрастающий интерес к препаратам на основе растительного сырья объясняется высокой терапевтической эффективностью таких лекарственных средств, а также, что наиболее важно, безвредностью и отсутствием побочных эффектов. Значительная доля заготовок лекарственных растений осуществляется в Центральной полосе России, отличающейся высокой плотностью населения, активной хозяйственной деятельностью, развитой сетью транспортных магистралей, большим количеством промышленных производств, интенсивными технологиями ведения сельского хозяйства. В данных условиях нарастает угроза заготовки растительного сырья в экологически неблагоприятных районах, а потому – становится актуальным выявление влияния антропогенного загрязнения на химический состав растений. Известно, что лекарственные растения содержат не только эссенциальные элементы, но и различные соединения антропогенного происхождения, среди которых наиболее распространенными являются тяжелые металлы [14-16].
Анализ данных литературы показал, что лекарственные растения Центрального Черноземья практически не исследованы на содержание элементов. Имеющиеся сведения о содержании элементов в ЛРС региона показали, что эти исследования проводятся в основном по нескольким элементам, что не позволяет определить полный химический состав ЛРС и описать специфику накопления в них различных элементов [6; 10; 17].
Одним из видов, сырье которого заготавливается от дикорастущих особей, является пустырник пятилопастной (Leonurus quinquelobatus Gilib.) – многолетнее, повсеместно встречающееся, травянистое растение, широко используемое в медицине и фармации в качестве седативного, гипотензивного, спазмолитического, кровоостанавливающего, мочегонного средства. Широкое фармацевтическое и медицинское применение данного ЛРС обусловлено не только высоким содержанием органических биологически активных веществ, основу которых составляют флавоноиды, иридоиды, алкалоиды, эфирное масло, дубильные вещества, горечи, витамин С, каротин, но богатым макро- и микроэлементным комплексом [6; 9; 18; 19].
Целью данного исследования стало изучение особенностей накопления макро- и микроэлементов в траве пустырника пятилопастного естественного фитоценоза Воронежской области.
Материалы и методы исследования. Заготовку травы пустырника пятилопастного осуществляли по фармакопейным правилам [20] в экологически чистом месте в естественной заросли, вдали от крупных городов, транспортных магистралей и промышленных предприятий, в период цветения растения (в июле 2020 г) в Воронежском государственном природном биосферном заповеднике имени В.М. Пескова в Рамонском районе г. Воронежа.
Траву пустырника пятилопастного срезали ножницами, сушили теневым способом. Также отбирали пробы верхних слов почв с места произрастания объекта исследования.
Из заготовленных образцов отбирались образцы для анализа, которые подвергались кислотному разложению смесью кислот с использованием систем микроволновой пробоподготовки. Навеску образца помещали во фторопластовый вкладыш и добавляли 5 мл смеси азотной и плавиковой кислоты. Автоклав с пробой во вкладыше помещали в микроволновую печь и разлагали пробу, используя программу разложения, рекомендованную производителем печи. Растворенную пробу количественно переносили в пробирку объемом 15 мл, троекратно встряхивая вкладыш с крышкой с 1 мл деионизованной воды и перенося каждый смыв в пробирку, доводили объем до 10 мл той же водой, закрывали и перемешивали. Автоматическим дозатором со сменным наконечником отбирали аликвотную часть 1 мл и доводили до 10 мл 0,5%-ной азотной кислотой, закрывали защитной лабораторной пленкой. Для контроля правильности определения использовался метод добавок. Рабочие стандартные растворы для этого готовили путем смешивания нескольких опорных многоэлементных стандартных растворов для масс-спектрометрии (“Perkin-Elmer”), содержащие разные группы элементов.
Микроэлементный состав проб изучали масс-спектроскопически на приборе “ELAN-DRC” с индуктивно связанной плазмой в соответствии с МУК 4.1.1483-03 «Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, препаратах и биологически активных добавках методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной аргоновой плазмой».
Для оценки особенностей накопления элементов из почв в траве полыни горькой рассчитывали коэффициенты накопления по формуле:
где КН – коэффициент накопления тяжелого металла; СЛРС – концентрация тяжелого металла в лекарственном растительном сырье; Спочва – концентрация тяжелого металла в верхних слоях почвы [2; 4].
Содержание микро- и мактоэлементов в ЛРС и в образцах почвы проводилось по 60 элементам. Каждое определение проводили трижды, полученные результаты статистически обрабатывали при доверительной вероятности 0,95.
Результаты исследования и их обсуждение. Результаты, полученные при изучении элементного состава исследуемых образцов приведены в таблице.
Таблица. Содержание микро- и мактоэлементов в ЛРС и в образцах почвы
Элемент | Содержание в ЛРС, мкг/г | Доля в общем элементном комплексе, % | Содержание в почве, мкг/г | Коэффициент накопления |
Макроэлементы | ||||
Калий | 30612,1 | 52,72 | 10500 | 2,92 |
Кальций | 16905,4 | 29,11 | 19660 | 0,86 |
Натрий | 56,4 | 0,10 | 3300 | 0,02 |
Магний | 4018,9 | 6,92 | 4400 | 0,91 |
Фосфор | 4329,6 | 7,46 | 730 | 5,93 |
Всего | 55922,4 | 96,31 | 38590 | - |
Эссенциальные микроэлементы | ||||
Ванадий | 0,76 | 0,00131 | 78 | 0,01 |
Железо | 192,1 | 0,33083 | 19100 | 0,01 |
Кобальт | 0,56 | 0,00096 | 3,3 | 0,17 |
Кремний | 1498,6 | 2,58087 | 347000 | <0,01 |
Литий | 0,284 | 0,00049 | 8,5 | 0,03 |
Никель | 1,39 | 0,00239 | 2,3 | 0,60 |
Марганец | 60,3 | 0,10385 | 370 | 0,16 |
Медь | 6,47 | 0,01114 | 3,1 | 2,09 |
Молибден | 0,67 | 0,00115 | 0,87 | 0,77 |
Селен | 0,03 | 0,00005 | 8,5 | <0,01 |
Хром | 0,34 | 0,00059 | 4,2 | 0,08 |
Цинк | 27 | 0,04650 | 12 | 2,25 |
Всего | 1788,5 | 3,08 | 366590,77 | - |
Нормируемые токсичные микроэлементы | ||||
Кадмий | 0,034 | 0,00006 | 0,023 | 1,48 |
Мышьяк | 0,19 | 0,00033 | 0,9 | 0,21 |
Ртуть | 0,0041 | 0,000007 | 0,05 | 0,08 |
Свинец | 0,23 | 0,000396 | 4,0 | 0,06 |
Всего | 0,46 | 0,00079 | 4,97 |
|
Другие токсичные и малоизученные элементы | ||||
Алюминий | 191,4 | 0,329626 | 31100 | 0,01 |
Барий | 70,3 | 0,121070 | 290 | 0,24 |
Бериллий | 0,015 | 0,000026 | 2,0 | 0,01 |
Вольфрам | 0,0096 | 0,000017 | 0,78 | 0,01 |
Висмут | 0,001 | 0,000002 | 0,11 | 0,01 |
Гадолиний | 0,019 | 0,000033 | 3,0 | 0,01 |
Галлий | 0,069 | 0,000119 | 8,8 | 0,01 |
Гафний | 0,015 | 0,000026 | 1,6 | 0,01 |
Германий | 0,0087 | 0,000015 | 1,1 | 0,01 |
Гольмий | 0,007 | 0,000012 | 0,36 | 0,02 |
Диспрозий | 0,011 | 0,000019 | 2,0 | 0,01 |
Европий | 0,001 | 0,000002 | 0,65 | <0,01 |
Золото | 0,0032 | 0,000006 | 0,06 | 0,05 |
Иттербий | 0,005 | 0,000009 | 1,1 | <0,01 |
Иттрий | 0,069 | 0,000119 | 9,9 | 0,01 |
Лантан | 0,086 | 0,000148 | 18 | <0,01 |
Лютеций | 0,003 | 0,000005 | 0,16 | 0,02 |
Неодим | 0,11 | 0,000189 | 15,0 | 0,01 |
Ниобий | 0,029 | 0,000050 | 6,7 | <0,01 |
Олово | 0,42 | 0,000723 | 1,2 | 0,35 |
Празеодим | 0,021 | 0,000036 | 4,1 | 0,01 |
Рубидий | 5,68 | 0,009782 | 63 | 0,09 |
Самарий | 0,047 | 0,000081 | 3,2 | 0,01 |
Серебро | 0,028 | 0,000048 | 0,19 | 0,15 |
Скандий | 0,92 | 0,001584 | 50,0 | 0,02 |
Стронций | 65,2 | 0,112287 | 73,0 | 0,89 |
Сурьма | 0,031 | 0,000053 | 0,41 | 0,08 |
Таллий | 0,0069 | 0,000012 | 0,23 | 0,03 |
Тантал | 0,0017 | 0,000003 | 0,5 | <0,01 |
Теллур | 0,053 | 0,000091 | 0,1 | 0,53 |
Тербий | 0,005 | 0,000009 | 0,44 | 0,01 |
Титан | 19,2 | 0,033066 | 2400,0 | 0,01 |
Торий | 0,016 | 0,000028 | 5,4 | <0,01 |
Тулий | 0,003 | 0,000005 | 0,16 | 0,02 |
Уран | 0,0069 | 0,000012 | 1,2 | 0,01 |
Цезий | 0,019 | 0,000033 | 2,3 | 0,01 |
Церий | 0,18 | 0,000310 | 38 | <0,01 |
Цирконий | 0,36 | 0,000620 | 78 | <0,01 |
Эрбий | 0,0069 | 0,000012 | 1,2 | 0,01 |
Всего | 354,37 | 0,61 | 34183,95 | - |
Согласно данным, представленным в таблице, отмечается, что содержание микроэлементного комплекса составляет 4,4% в пересчете на абсолютно сухое сырье.
Масс-спектроскопически определено 59 элементов, условно разделенных на макроэлементы, содержащиеся в значительных количествах (более 0,1% массы тела); микроэлементы, содержание которых варьирует в пределах от 0,001% до 0,00001%. Среди микроэлементов особую группу составляют эссенциальные микроэлементы, для которых установлена роль в обеспечении жизнедеятельности. Токсичные и малоизученные микроэлементы включают элементы, для которых биологическая роль недостаточно изучена, многие из них обладают значительной токсичностью [12; 13].
Макроэлементы составляют 96,31% всего элементного состава травы пустырника пятилопастного (рис. 1). Основу макроэлементов составляет калий (более 30 мг/г), а также кальций (более 16 мг/г) (рис. 2). В целом, по содержанию макроэлементов можно выстроить следующий ряд убывания: калий > кальций > фосфор > магний > натрий.
Рис. 1. Содержание основных групп биологически значимых элементов в траве пустырника пятилопастного, мкг/г
Рис. 2. Содержание макроэлементов в траве пустырника пятилопастного, мкг/г
Рассчитанные коэффициенты накопления элементов из почв показали высокую способность травы пустырника пятилопастного к аккумуляции фосфора, а также калия, содержание которых в ЛРС значительно превышает их концентрацию в почвах. С заметной эффективностью, однако, менее 100% от содержания в грунте, накапливаются в изучаемом сырье магний и кальций. При этом натрий практически не накапливается в данном виде ЛРС (около 2% от содержания в почве переходит в траву пустырника пятилопастного).
Эссенциальные микроэлементы составляют 3,08% общего минерального комплекса травы пустырника пятилопастного. Среди них наибольшее содержание отмечено для кремния (более 1,4 мг/г), железа (более 0,1 мг/г). Ряд убывания содержания эссенциальных микроэлементов в сырье выглядит следующим образом: кремний > железо > марганец > цинк > медь > никель > ванадий > молибден > кобальт > хром > литий > селен. При этом показана высокая способность к аккумуляции из почв в траве пустырника пятилопастного меди и цинка (коэффициенты накопления больше 2,0). Эффективно переходит в состав ЛРС также никель и молибден. Кремний, отличающийся высокой концентрацией в составе ЛРС, накапливается в количестве менее 1% от содержания в почве произрастания вида. Остальные эссенциальные элементы имели также низкие коэффициенты накопления (не более 0,17).
Содержание нормируемых тяжелых металлов и мышьяка в траве пустырника пятилопастного соответствует требованиям нормативной документации [20]. На долю свинца, ртути, кадмия и мышьяка приходится 0,0008% общего минерального комплекса сырья (рис. 3).
Из данной группы элементов в ЛРС в наибольшей степени аккумулируется кадмий, а также – мышьяк, коэффициенты накопления составили 1,48 и 0,21 соответственно. Остальные элементы накапливаются из почв неактивно – рассчитанные показатели не превышают 0,08.
Рис. 3. Содержание нормируемых микроэлементов в траве пустырника пятилопастного, мкг/г
Доля токсичных и малоизученных элементов в общем минеральном комплексе травы пустырника пятилопастного составляет 0,61%. Наибольшее содержание отмечено для алюминия (191,4 мкг/г), стронция (65,2 мкг/г), бария (70,3 мкг/г), титана (19,2 мкг/г), рубидия (5,68 мкг/г). Выявлена способность к аккумуляции из почв в траве пустырника пятилопастного стронция, теллура, олова, бария, а также серебра (коэффициенты накопления составили 0,89, 0,53, 0,35, 0,24, 0,15 соответственно). Остальные элементы аккумулировались в изучаемом ЛРС не столь активно, коэффициенты накопления – менее 0,1.
Выводы. Результаты исследования показали весьма разнообразный макро- и микроэлементный состав травы пустырника пятилопастного, заготовленной в естественном фитоценозе Воронежской области. Выявлено, что содержание нормируемых токсичных тяжелых металлов и мышьяка не превышает предельно допустимых концентраций, установленных для оценки качества ЛРС.
Отмечено относительно высокое содержание, наряду с макроэлементами, кремния, железа, алюминия. Показана высокая способность травы пустырника пятилопастного к накоплению из почвы фосфора, калия, меди, цинка, кадмия, а также значительная возможность к аккумуляции кальция, магния, молибдена, никеля, стронция и теллура.
Полученные данные представляют интерес и могут служить основой для проведения дальнейших исследований с целью использования их результатов в медицинской и фармацевтической практике для создания лекарственных препаратов и биологически активных добавок для коррекции физиологических норм содержания элементов в организме человека.
About the authors
Nina A. Dyakova
Voronezh State University
Author for correspondence.
Email: Ninochka_V89@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0766-3881
SPIN-code: 3477-0510
Scopus Author ID: 57202334263
Ph.D.
Russian Federation, VoronezhReferences
- D'yakova, N.A. (2019). Otsenka zagryazneniya tyazhelymi metallami verkhnikh sloev pochv urbo- i agroekosistem Tsentral'nogo Chernozem'ya. Vestnik IrGSKhA, (95), 19-30. (in Russ.)
- Kurkin, V.A. (2007). Farmakognoziya. Samara. (in Russ.)
- Gudkova, A.A., Chistyakova, A.S., Slivkin, A.I., & Sorokina, A.A. (2019). Sravnitel'noe izuchenie mineral'nogo kompleksa travy gortsa pochechuinogo (Polygonum persicaria L.) i gortsa voilochnogo (Persicaria tomentosa (Schrank) E.P. Bicknell). Mikroelementy v meditsine, 20(1), 35-42. (in Russ.)
- Rudaya, M.A., Trineeva, O.V., & Slivkin, A.I. (2018). Issledovanie elementnogo sostava plodov oblepikhi krushinovidnoi (Hippophae rhamnoides L.) razlichnykh sortov. Mikroelementy v meditsine, 19(3), 49-59. (in Russ.)
- Popov, A.I. (1993). Frontal'nyi elementnyi analiz tsvetkov pizhmy. Farmatsiya, 32(1), 51-53. (in Russ.)
- Dyakova, N.A. (2021). Accumulation of Heavy Metals and Arsenic in Grass Leonurus quinquelobatumGilib. Bulletin of Nizhnevartovsk State University, (2(54)), 48–56. (in Russ.). https://doi.org/10.36906/2311-4444/21-2/06
- Skal'nyi, A.V., & Rudakov I.A. (2005). Bioelementologiya – novyi termin ili novoe nauchnoe napravlenie? Vestnik OGU, (2), 4-8. (in Russ.).
- Gravel', I.V., Levushkin, D.V., Mikheev, I.V., & Skibina, A.A. (2021). Soderzhanie makroelementov v grudnom sbore №4. Traditsionnaya meditsina, 3(66), 19-26. (in Russ.).
- Gravel', I.V., Nguen, T.N.K., Alekseeva, N.A., & Tarasenko, O.A. (2013). Izuchenie mineral'nogo sostava syr'ya i vodnykh izvlechenii dvukh vidov myaty. Farmatsiya, (3), 24-27. (in Russ.).
- Gravel', I.V., Ivashchenko, N.V., & Samylina, I.A. (2011). Mikroelementnyi sostav spazmoliticheskogo sbora i ego komponentov. Farmatsiya, (1), 9-11. (in Russ.).
- Zagurskaya, Yu.V. (2014). Sistematika, morfologiya i lekarstvennye svoistva rasteniya Leonurus quinquelobatus Gilib. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya, (12), 56-59. (in Russ.).
- Skal'nyi, A.V. (2019). Mikroelementy: bodrost', zdorov'e, dolgoletie. Moscow. (in Russ.).
- Skal'nyi, A.V., Skal'naya, M.G., Kirichuk, A.A., & Tin'kov, A.A. (2021). Meditsinskaya elementologiya. Moscow. (in Russ.).
- Zaitseva, M.V., Kravchenko, A.L., Stekol'nikov, Yu.A., & Sotnikov, V.A. (2013). Tyazhelye metally v sisteme pochva-rastenie v usloviyakh zagryazneniya. Uchenye zapiski Orlovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye, tekhnicheskie i meditsinskie nauki, (3), 190-192. (in Russ.).
- Nemereshina, O.N., Gusev, N.F., Petrova, G.V., & Shaikhutdinova, A.A. (2012). Nekotorye aspekty adaptatsii Polygonum aviculare L. k zagryazneniyu pochvy tyazhelymi metallami. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, (1 (33)), 230-234. (in Russ.).
- Bityukova, V.R., Kasimov, N.S., & Vlasov, D.V. (2011). Ekologicheskii portret rossiiskikh gorodov. Ekologiya i promyshlennost' Rossii, (2), 6–11. (in Russ.).
- Fedoseeva, L.V., & Popov, D.M. (1997). Kolichestvennoe opredelenie iridoidov v syr'e pustyrnika. Farmatsiya, (4), 18-21. (in Russ.).
- Khishova, O.M., & Golyak, Yu.A. (2003). Farmakologicheskoe deistvie i primenenie v meditsine pustyrnika. Vestnik farmatsii, (4), 54-56. (in Russ.).
- Parfenov, A.A., & Fursa, N.S. (2007). Aminokisloty travy pustyrnika pyatilopastnogo. Farmatsiya, (7), 6-7. (in Russ.).
- Gosudarstvennaya farmakopeya Rossiiskoi Federatsii (2018). Moscow. (in Russ.).
Supplementary files
