Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новосибирский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»
(ГОУ ВПО НГМУ Росздрава)
Экологический факультет
Кафедра
экологии
Выпускная квалификационная работа
специализация - экология человека
Влияние
антропогенного загрязнения на фитохимический состав листьев подорожника
большого
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
.1 Биологическая роль химических элементов в растениях
.2 Основные факторы формирования химического (элементного) состава растений
.3 Источники поступления тяжёлых металлов в экосистемы
.4 Защитные возможности растений
.5 Практическое значение сведений об элементном химическом составе растений
.6 Подорожник большой. Химический состав и применение
.7 Водорастворимые полисахариды. Их строение и фармакологическое действие
.8 Влияние антропогенных факторов на содержание хлорофилла
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
.1 Методы определения золы. ГОСТ 13979.6 - 69
.1.1 Метод определения массовой доли общей золы
.1.2 Метод определения массовой доли золы, не растворимой в растворе соляной кислоты с массовой долей 10%
.2 Подготовка проб при валовом определении микроэлементов в растениях. ГОСТ 30178 - 96
.3 Подготовка проб при определении микроэлементов в водном извлечении из листьев растения
.4 Извлечение подвижных форм металлов ацетатно-аммонийным буферным раствором с pH=4,8
.5 Атомно-абсорбционная спектрометрия
.5.1 Общая схема аналитического процесса при атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС)
.6 Количественное определение полисахаридов
.7 Метод определения содержания суммы хлорофиллов
.8 Статистический анализ результатов исследования
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
.1 Зольность листьев П. большого в зависимости от места сбора
.2 Определение массовой доли золы, не растворимой в растворе соляной кислоты с массовой долей 10%
.3 Элементный состав листьев П. большого
.4 Количество элементов в водном извлечении из листьев П. большого на разном расстоянии от автотрассы
.5 Определение микроэлементного состава почвы под П. большим
.6 Сравнение содержания различных элементов в П. большом с литературными данными
.7 Динамика накопления хлорофилла-а в листьях подорожника на разном удалении от автотрассы
.8 Содержание водорастворимых полисахаридов в листьях растения
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ВЫВОДЫ
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одной из главных проблем стала глобальная эмиссия тяжелых металлов в воду и почву. Растения обладают способностью аккумулировать металлы из почвы, воды и атмосферы. Проблема поглощения металлов растениями складывается из многих составляющих: необходимости разработки методов защиты пищевых цепей от проникновения металлов в значительных концентрациях, изучения токсичности тяжелых металлов для растений, возможность использования растений как биоиндикаторов загрязнения среды тяжелыми металлами.
Степень загрязнения придорожных полос тяжёлыми металлами более чётко выражается в химическом составе растений, чем в составе почвы (Глуховский А.Б.,1994). При постоянно возрастающем уровне загрязнения концентрации тяжёлых металлов в растениях могут возрастать в десятки и сотни раз (Черных Н.А.,1999). Увеличивающийся токсический прессинг, накапливаясь по цепочке питания, может негативно отражаться на здоровье человека. Живые организмы способны накапливать токсические вещества. Результат - пагубные последствия, как для самого организма, так и для организмов, использующих данный биологический вид в качестве пищи. Причём, перемещение токсиканта от организмов жертв к организмам - консументам может сопровождаться увеличением концентрации вещества в тканях каждого последнего организма - звена пищевой цепи (Касатиков В.А.,1991, Махлаюк В.П., 1993).
Интенсивная антропогенная нагрузка на растения вызывает изменение их химического состава. Автотранспортное загрязнение является одним из наиболее опасных, оказывающих жёсткое влияние на придорожные экосистемы. В выхлопных газах обнаружено более 200 различных веществ, из которых только 5 нетоксичны (Ведина О.Т.,1994). С работой автомобильного транспорта связано загрязнение почв в наибольших количествах тяжёлыми металлами, а именно, свинцом, кадмием и цинком (Ведина О.Т.,1994, Ермохин Ю.И., 1998, Красницкий В.М., 2002). Подорожник большой является ценным лекарственным растением. Его листья содержат большую группу биологически активных веществ: полисахариды, флавоноиды, фенолкарбоновые кислоты, витамины C и K, дубильные вещества и др. (Растительные ресурсы…, 1990.) Водные настои и экстракты из листьев Подорожника большого оказывают регулирующее влияние на желудочную секрецию, используются как отхаркивающее средство. Сок подорожника используют в качестве наружного противовоспалительного, ранозаживляющего и противомикробного средства (Государственная фармакопея…, 1987).
Наряду с этим, Plantago major L. имеет наивысший пятый класс константности и входит в состав широко распространённого класса синантропной растительности Plantaginetea majoris R.Tx. et Prsg. in R.Tx 1950 Подорожник большой произрастает в хорошо освещённых и достаточно увлажнённых местообитаниях, легко переносит повышенное уплотнение почвы. Сообщества данного типа повсеместно представлены на дворовых площадках, вдоль тропинок и дорог, на местах активного отдыха людей. Виды растений данной ассоциации легко выдерживают высокую рекреационную нагрузку вследствие низкорослости и преобладающей розеточной жизненной формы (Мирин Б.М., Наумова Л.Г., 1998).
Широкое распространение Подорожника большого в нарушенных деятельностью человека обитаниях и его высокая ценность в качестве лекарственного сырья, выводят на передний план вопрос о влиянии антропогенного воздействия на микроэлементный состав листьев растения.
Цель исследования.
Целью нашего исследования стала оценка качества и безопасности листьев подорожника большого, собранного на разном удалении от автотрассы, в качестве лекарственного сырья, а также использования его при индикации загрязнения окружающей среды.
Задачи исследования:
. Определить количество общей и растворимой в 10% соляной кислоте золы, концентрацию экстрагируемых (10% НСl и водным раствором) форм макро- и микроэлементов (Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Pb, Sr) в листьях подорожника, собранного на разном удалении от автотрассы.
. Определить концентрацию подвижной формы Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Pb, Sr в почвах под растениями подорожника на разном удалении от автотрассы.
. Изучить содержание полисахаридов и хлорофилла в листьях Подорожника большого, собранного на разном расстоянии от автотрассы.
. Выяснить связи между составом БАС, с одной стороны, и содержанием макро- и микроэлементов в листьях П. большого, с другой стороны.
. Оценить качество и безопасность листьев П. большого как лекарственного сырья, собранного на разном удалении от автотрассы.
Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка антропогенного влияния на микроэлементный состав сухого сырья и водного извлечения из листьев П. большого, а также исследование зависимости содержания водорастворимых полисахаридов и хлорофилла от степени антропогенной нагрузки.
Практическая значимость работы. Полученные данные могут быть использованы для определения допустимости использования листьев Подорожника большого, собранных в загрязненных районах, в качестве лекарственного растительного сырья. В перспективе возможно расширение ресурсной базы лекарственного растительного сырья.
Использование полученных данных для применения
растений П. большого в качестве биоиндикатора загрязнения окружающей среды.
ГЛАВА I.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
.1 Биологическая роль химических элементов в растениях
Для решения многих вопросов, связанных с охраной здоровья человека, очень часто необходимо привлекать сведения о естественном («нормальном») содержании тяжёлых металлов в растительной лекарственной продукции. Согласно исследованиям германских авторов (Vetter H., Mahlhop R., 1974), основное количество (75 - 80%) тяжёлых металлов поступает в организм человека с растительной пищей.
В группу «тяжёлых металлов» объединяют химические элементы с металлическими (Zn, Pb, Cu, Co, Hg, Cd, Ti и др.) и неметаллическими (As, Se, Sb и др.) свойствами и с неодинаковой биологической ролью. Академик А.П. Виноградов (1952) высказал мысль о том, что большое биологическое разнообразие и исключительная пестрота геохимических ситуаций на Земле способствовали использованию любого химического элемента с определёнными метаболическими задачами. В подтверждение сказанному можно привести результаты исследований последних лет: выявлены важные физиологические функции в живых организмах таких элементов, как As, Cd, Pb (Авцын П.А., Жаворноков А.А., 1991). Эти функции реализуются в ничтожно малых концентрациях.
В природе нет токсичных и нетоксичных химических элементов, есть токсичные и нетоксичные концентрации. Концентрация химических элементов в почве играет определяющую роль в их экологической классификации (Сысо А.И. и др., 2004).
Cd - кадмий. Хорошо известен как токсичный элемент, но он же относится к группе «новых» микроэлементов (кадмий, ванадий, олово, фтор), жизненная необходимость которых животным доказана сравнительно недавно в тонких опытах (Авцын П.А., Жаворноков А.А., 1991): в низких концентрациях Cd способен стимулировать их рост. Для высших растений необходимость в кадмии достоверно не установлена. Основные проблемы, связанные у человечества с этим элементом, обусловлены техногенным загрязнением окружающей среды и его токсичностью для живых организмов уже при низких концентрациях. Кадмий способен сравнительно легко поступать в растения из почвы через корневую систему, а также из атмосферы через листья. Растения обладают разной способностью аккумулировать его (Андреева И.В. и др., 2000). Основной причиной токсичности кадмия для растений считается нарушение активности ферментов. Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию CO2, ингибирует биологическое восстановление NO2 до NO. Фитотоксичность кадмия появляется также в затруднении поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания (Zn, Cu, Mn, Ni, Se, Ca, Mg, P). Этот антагонизм можно использовать, подавляя избыточное накопление кадмия в растениях путём улучшения снабжения их названными элементами.
В результате деятельности человека глобальное обогащение окружающей среды кадмием в 3 раза превысило поступление его за счёт естественных источников. Существует опасность для здоровья и жизни человека и животных от потребления в пищу растений, загрязнённых кадмием. При этом внешне такие растения могут не иметь признаков отравления: токсичный для них уровень выше, чем для животных и человека. В животных организмах кадмий обладает способностью легко усваиваться из пищи и воды и проникать в различные органы и ткани. Кадмий ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, его избыток нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), может вызвать их дефицит.
В мире и России существуют жесткие ограничения на поступление Cd в организм человека и животных, содержание его в различных объектах природной среды, пище и воде. Среднесуточное потребление кадмия человеком, по данным ВОЗ/ФАО, ограничивается 57,1 - 71,4 мкг в день, в США оно уменьшено до39 мкг. ПДК Cd в почве в разных странах колеблется от 2 до 5 мг/ кг. Предельно допустимая норма содержания металла в воде (мг/л): питьевой - 0,001 (Россия) и 0,01 (США), оросительной - 0,01 - 0,05; в кормах - 1 мг/кг сух. в-ва.
Cu - медь. Металл играет важную роль во многих физиологических процессах, протекающих в живых организмах. В растениях - это фотосинтез, дыхание, перераспределение углеводов, восстановление и фиксация азота и т.д. Столь разностороннее участие объясняется способностью Cu, также как и Fe, Mn, Co и Mo, менять валентность. Медь, наряду с цинком, отвечает за процессы репродукции: её дефицит приводит к уменьшению образования зёрен. Обычно количество меди в растениях варьирует от 1 до 20 мг/кг сухого вещества. Животным организмам медь необходима для синтеза гемоглобина и участия во многих биологических процессах, аналогичных вышеописанным для растений.
У животных и человека дефицит меди (гипокупероз) приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы при острой нехватке металла (менее 2 - 3 мг/сут) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба. Причина дефицита - низкое содержание меди в кормах и продуктах питания, а также неблагоприятное её соотношение с другими элементами - Ca, Zn, Mn, Pb и пр. Избыток этих элементов-антогонистов снижает поступление меди в организм и её усвоение.
Природный избыток меди в пищевой цепи маловероятен. На территориях же, подверженных интенсивному антропогенному загрязнению (в зонах воздействия промышленных предприятий, на приусадебных и садово-огородных участках), может иметь место накопление меди в растительной продукции, превышающее нормативы. В России содержание меди в звеньях пищевой цепи ограничивают несколькими санитарно-гигиеническими показателями. Так, ПДК для почв составляет (мг/кг): а) валовое содержание в песчаных и супесчаных - 33; в суглинистых и глинистых кислых - 66; в суглинистых и глинистых нейтральных - 132; б) кислотнорастворимая форма (l н. HCl или HNO3) 50 - 100; в) обменная форма (ацетатно-аммонийный буфер с pH 4.8) - 3 - 6. ПДК Cu в растительной продукции в России равняется 30 мг/кг сухого вещества. ПДК меди в питьевой воде во многих странах мира примерно одинаковы и не превышают 1 мг/л (Сысо А.И. и др., 2004).
Fe - железо. Широко распространённый в природе элемент, однако в биологических объектах его концентрация невелика, что позволяет отнести его к разряду микроэлементов. Физиологическая роль железа в растительных и животных организмах связана, прежде всего, с преобразованием энергии, необходимой для синтеза и других процессов метаболизма в клетке. Свою биологическую функцию железо осуществляет, находясь в составе биологически активных соединений - Fe-протеинов и более70 различных ферментов. Дефицит железа, как правило, наблюдается в почвах с низким содержанием его доступной для растений формы (песчаных и супесчаных, а также техногенно загрязнённых тяжёлыми металлами - Mn, Ni, Co - антагонистами железа).
У животных и человека при низком содержании железа в пище возникает железодефицит (гипосидероз) - одна из наиболее распространённых болезней, вызванных недостатком микроэлементов. Её проявления - гипорофная анемия, атрофический ринит, гастрит и др. (Кальницкий Б.Д., 1985, Авцын П.А., Жаворонков А.А., 1991). Дефицит железа в животных организмах тесно связан с его низким количеством в растениях. Болезненные проявления у животных начинаются при содержании Fe в кормах менее 25 мг/кг сухого вещества.
Избыток железа также губителен для живых организмов. Чрезмерное поглощение железа растениями наблюдается на кислых пойменных, болотных, засоленных и бедных фосфором и основаниями почвах. При содержании Fe в растениях свыше 150 - 250 мг/кг сухого вещества происходит уменьшение поглощения марганца и нарушение соотношения Fe/Mn (Alvazer-Tinaut M.C., Leal A., 1980). Количество железа в рационе питания человека должно составлять не менее 10 мг/сут, нормой считается 10 - 30 мг/кг (Скальный А.В., 2004). Избыточное поступление железа в пищевую цепь в России регламентируется санитарно-гигиеническими нормативами только по его концентрации в питьевых водах, равной 0,3 мг/л (СанПин 2.1.4.1074-01).