Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние антропогенного фактора на химический состав лекарственного и кормового растительного сырья

ВАК РФ 03.01.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние антропогенного фактора на химический состав лекарственного и кормового растительного сырья"

На правах рукописи

Ильяшенко Надежда Владимировна

Влияние антропогенного фактора на химический состав лекарственного и кормового растительного сырья

03.01.04 - Биохимия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

1 0 ыАП 2012

Тверь-2012

005017322

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» на кафедре физической химии

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Пахомов Павел Михайлович

Официальные оппоненты: Базанов Геннадий Александрович, доктор

медицинских наук, профессор кафедры фундаментальной и клинической фармакологии ГБОУ ВПО «Тверская государственная медицинская академия»

Карцева Софья Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биотехнологии и химии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Ведущая организация Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета ДМ 212.263.08 в Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, пр. Чайковского 70/1Б, корп. 5, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государственного университета по адресу: 170100, г. Тверь, ул. Володарского, 44 а.

Автореферат разослан « апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Костюк Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эксплуатация промышленных предприятий и автотранспорта привели к серьёзным нарушениям природных ландшафтов, загрязнению почвы, воды, воздуха различными отходами. Поллютанты постоянно попадают в окружающую среду и поглощаются растениями, многие из которых используются человеком в приготовлении лекарственных препаратов, а также кормов для сельскохозяйственных животных [Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году», 2009]. Поэтому проведение исследований по изучению биохимического состава и химических превращений растительного сырья под влиянием факторов окружающей среды и технологических воздействий является актуальной задачей и играет важнейшую роль для улучшения качества и повышения выхода производимых целевых лекарственных и кормовых продуктов [Алексеев В.А., 1990; Ефимов С.Н., 2004; Иванов А.Ф., 1996].

Одними из наиболее распространённых и ценных источников лекарственного растительного сырья, как в РФ, так и в Тверской области, являются лапчатка прямостоячая, череда трехраздельная, зверобой продырявленный [Гурова АД, 1982], заготовки которых ведутся в промышленных масштабах.

Особое место среди растительных объектов-гидрофитов Тверского региона занимают ряска малая и роголистник темно-зелёный, которые помимо обладания биондикационными свойствами, являются источником ценного кормового растительного сырья [Садчиков АЛ, 2005; Иванов АФ., 1996; Куриленко В.В., 2003; ЧукинаНВ, 2010; Цаценко JLB., 1998].

Кроме того, актуальность работы определяется тенденциями при решении проблем биомониторинга, а также улучшения качества лекарственного и кормового растительного сырья, включающими такие аспекты, как анализ воздействия зон экологической напряжённости на сырье с использованием ряда современных точных комплексных методов [Pathan А.К., 2009; Duraees N., 2008; Garty P., 2011; Лобанова A.A., 2004].

Цель исследования — изучить особенности влияния различных антропогенных факторов на химический состав лекарственного растительного сырья и биоиндикационные, кормовые растения-гидрофиты Тверского региона.

Задачи исследования:

1. Изучить влияние различной антропогенной нагрузки на содержание и состав фенольных соединений в образцах растительного сырья, полученного из лекарственных растений: лапчатка прямостоячая (Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череда трёхраздельная (Bidens tripartita L.), зверобой

продырявленный (Hypericum perforatum L.) по сравнению с фоновой зоной природного биосферного заповедника.

2. Исследовать химический состав контрольных и опытных образцов растительного сырья (Bidens tripartita, Hypericum perforatum и Potentilla erecta) и установить специфику его изменения в зависимости от узла экологической напряжённости.

3. Выявить особенности воздействия антропогенной нагрузки на содержание фенольных соединений, химический и элементный состав образцов биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая (Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.). Осуществить модельный эксперимент по изучению влияния солей аммония и металлов на данные растительные объекты.

4. Изучить воздействие ряда поллютантов на эпидермальный слой листовых пластинок растений-гидрофитов Ceratophyllum demersum и Lemna minor, как в природной популяции, так и модельном эксперименте.

Научная новизна

Впервые проведено комплексное исследование влияния различных видов антропогенной нагрузки на химический состав ряда растительных объектов, используемых в качестве лекарственного и кормового сырья, а также обладающих биоиндикационными функциями, с использованием широкого спектра современных методов исследования. Установлено наличие сложных и неоднотипных изменений фенольной компоненты, элементного и химического состава растительного сырья в зависимости, как от степени антропогенного воздействия, так и от индивидуальных особенностей изученных объектов.

Теоретическая значимость работы

Теоретическое значение работы связано с выяснением специфики влияния различных видов антропогенной нагрузки на ряд химических параметров, как лекарственного, так и кормового растительного сырья, что позволяет глубже проанализировать проявление защитных механизмов растительных объектов, подвергающихся воздействию поллютантов.

Выявлена связь между характером загрязнения водоёма и химическим составом листовой пластинки растений-биоиндикаторов.

Полученные данные могут быть заложены в основу разработки нового алгоритма оценки воздействия факторов окружающей среды на некоторых представителей лекарственных, кормовых и биоиндикационных растений.

Практическая значимость работы

Разработаны практические рекомендации, касающиеся путей оптимизации контроля биохимического состава лекарственного и кормового растительного сырья с использованием современных комплексных методов химического анализа. Проведённые исследования могут иметь большое прикладное значение в области внедрения новых

подходов в экологическом мониторинге. При этом значительно расширяются возможности использования роголистника темно-зелененого и ряски малой в мониторинге гидросферы.

Полученные экспериментальные данные используются автором на кафедре физической химии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» при проведении лекционных и лабораторных занятий по курсу «Физико-химические методы исследования», а также при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры. Также результаты работы могут быть рекомендованы для обучения студентов биологических и медицинских специальностей.

Результаты диссертационного исследования вошли в ряд научно-исследовательских работ: 1) Гранты Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник Молодёжного Научно-инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), ГК № 8754р/14008, 2011-2012 г.; 2) ГК № 14.740.11.1281 по теме: «Разработка методики биомониторинга состояния атмосферы и гидросферы с использованием Фурье-ИК спектроскопии» в рамках Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, 3) Договор № 09-08-09 от 01.10.2009 «Эколого-фитоценотический анализ, численность и биомасса фитопланктона водных экосистем региона Калининской АЭС» (в озёрах Песьво, Удомля, Наволок и Кезадра).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение состава и содержания фенольных соединений в образцах растительного сырья, полученного из лекарственных растений: лапчатка прямостоячая (Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череда трехраздельная (Bidens tripartita L.) и зверобой продырявленный (Hypericum perforatum L.) зависит от места их произрастания и соответствующей антропогенной нагрузки.

2. Антропогенная нагрузка не оказывает существенного влияния на содержание фенольных соединений в образцах биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая (Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.).

3. Изменение интенсивности полос поглощения в ИК-спектрах практически во всех образцах изученного лекарственного, биоиндикационного и кормового растительного сырья вызвано воздействием ряда узлов экологической напряжённости.

4. Наибольшие изменения элементного состава, выражающиеся в увеличении концентрации металлов (железо, марганец и барий) и неметаллов (сера, хлор и кремний), характерны для Ceratophyllum demersum и в меньшей степени для Lemna minor. При этом значительное увеличение кремния объясняется обрастанием листовых пластинок диатомовыми водорослями. Соли металлов и соли аммония могут

разрушать эпидермальный слой, а также откладываться в виде конкреций на листовой части растений, особенно в образцах Ceratophyllum demersum.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Полученные результаты соответствуют пунктам 3, 16 паспорта специальности 03.01.04 «Биохимия» (биологические науки).

Апробация и реализация результатов исследования: материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на VI, VII научных конференциях студентов и аспирантов (Тверь, 2008, 2009); XV-XIX Региональных Каргинских чтениях (Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии») (Тверь, 2008-2012); Международной научно-практической конференции «Вопросы дальнейшего развития регионов России в условиях мирового финансового кризиса» (Шарья, 2009); Международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома, 2010); III Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз-Россия 2010» и школе-конференции «Инновационные подходы в изучении биосистем» в рамках конгресса (Нижний Новгород, 2010); X, XI ежегодной международной молодёжной конференции ИБХФ РАН-Вузы «Биохимическая физика» (Москва, 2010, 2011); Международной междисциплинарной научной конференции с элементами научной школы для молодёжи 7-ые Курдюмовские чтения: «Синергетика в естественных науках» (Тверь,

2011); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» и «Ломоносов-2012» (Москва, 2011,

2012); IV Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз России 2011» (Воронеж, 2011); Международной конференции "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine" (Санкт-Петербург, 2011); Ежегодной студенческой научно-технической школе «Кадры будущего» (Дубна, 2011); 4-ом Всероссийском фестивале науки - Научно-популярная лекция: «О контроле качества лекарственного сырья» (Москва, 2011); VI Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Результаты исследования отражены в 25 публикациях, 3 из которых в рецензируемых научных журналах, включённых в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части и методов исследований, результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 151 источник, приложения. Работа иллюстрирована 16 таблицами и 37 рисунками.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являлись фармакологически значимые части растений: корневище лапчатки прямостоячей (Potentilla erecta (L.) Raeusch), цветы череды трехраздельной (Bidens tripartite L.), цветы зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum L.) и кормовые биоиндикационные растения-гидрофиты: листец (тело) ряски малой (Lemna minor L.), листья и стебли роголистника темно-зеленого (Ceratophyllum demersum L.), собранные в г. Твери и Тверской области в период цветения 2009-2011 гг. в фоновых зонах, относящихся к ООПТ (Особо охраняемая природная территория) — Центрально-лесной государственный природный биосферный заповедник (ЦЛГПБЗ) и оз. Сиг Осташковского р-на Тверской области, а также в местах с различным антропогенным воздействием: в окрестностях ТЭЦ-3 (0,5 и 30-40м) г. Твери; АЗС «Роснефть» г. Твери; в зоне влияния предприятий Химволокно г. Твери - Хлебный ручей; ж/д ст. Чуприяновка, несколько точек вдоль трассы Москва — Санкт-Петербург (Московское шоссе в пос. Химинститут и д. Голениха); исторический центр г. Твери - р. Лазурь -район старого антропогенного освоения с интенсивным движением автотранспорта; в озере-охладителе Удомля г. Удомля Тверской области; в сточном канале ОАО «Редкинский опытный завод», пос. Редкино Конаковского р-на Тверской обл.

Фенольные соединения исследуемых растений изучались с помощью качественных реакций на флавоноиды, катехины, сапонины и дубильные вещества [Ефимов С.Н., 2004; Запрометов М.Н., 1974; Красильникова Л.А., 2004], методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с помощью системы «Alliance 2695» с 2996 PDA [Ефимов С.Н., 2004; Столяров Б.В., 1998], УФ-спектроскопии проводили на спектрофотометрах «Specord М40» «Carl Zeiss» и Thermo Scientific Evolution Array UV-VIS [Лобанова A.A., 2004; Запрометов M.H., 1974]; химический состав изучался методом Фурье-ИК спектроскопии на спектрометре «Equinox 55» «Bruker» [Ramamurthy N., 2007; Schulz H., 2007; Socrates G., 1994; DeviA.G., 2011; Komal Kumar J., 2011]; методом рентгеновского микроанализа исследовался элементный состав образцов растений на приставке INCA Energy350 Х-Мах 20 OXFORD INSTRUMENTS [Garty P., 2011; Stoltz E., 2002; Basile A., 2001]; морфо-анатомические изменения растительных объектов изучались с помощью растровой электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV [Pathan А.К., 2009]; осуществлялось моделирование по изучению влияния ряда поллютантов (соли тяжелых металлов (Hg2S04, NiS04) и соли аммония ((NH4)2S04, NH4NO3)) на растения-гидрофиты [Garty Р., 2011; Duraees N., 2008; Waclawska I., 2011]; химический анализ проб воды в местах произрастания исследуемых растений-гидрофитов определялся

методами спектрофлуориметрии и капиллярного электрофореза с помощью спектрофлуориметра «Флюорат-02-панорама» и системы капиллярного электрофореза «Капель-105» «Люмэкс» [Каменцев Я.С., 2002; Гладилович Д.Б., 2001].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Изменение состава и содержания фенольных соединений в образцах лекарственного и кормового растительного сырья под действием антропогенной нагрузки

Посредством качественных реакций в извлечениях лекарственных растений (лапчатки прямостоячей, череды трёхраздельной и зверобоя продырявленного) установлено наличие следующих фенольных соединений (ФС): гидролизуемые и конденсированные дубильные вещества, сапонины, флавоноиды.

Качественный УФ-спектральный анализ всех образцов исследуемых растений подтверждает наличие в составе сырья ФС (простых фенолов, гликозидов и флавоноидов), так как в спектрах присутствуют полосы поглощения с максимумами в коротковолновой (255-280 нм) и длинноволновой (330-370 нм) областях, отвечающие поглощению бензольного кольца. Например, в УФ-спектрах извлечений из В. tripartita имеются полосы поглощения с максимумами на длинах волн t ~ 258 нм, ^тпах2 ~ 270 НМ, Хшиз ~ 330 нм (рис. 1)

Рис. 1. УФ-спектры цветов В. tripartita:

I- ЦЛГПБЗ (фоновая зона);

II - г. Тверь, «Химволокно»;

III - центр г. Тверь, р. Лазурь;

IV - АЗС «Роснефть»; ФС рутина

500 нм

Данные по количественному содержанию ФС в образцах растительного сырья определялись методом Фолина-Чокальтеу с помощью УФ-спектроскопии (табл. 1) [Запрометов М.Н., 1974; Лобанова A.A., 2004; Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище, 2003].

Общее содержание ФС, как правило, возрастало в 1,5-3 раза по отношению к фоновым значениям. Однако, для лапчатки, собранной в

районе ТЭЦ-3, было характерно лишь незначительно увеличение этой группы веществ. Полученные результаты, свидетельствующие о нарастании концентрации ФС в растительных организмах, согласуются с литературными данными [Ефимов С.Н., 2004].

Таблица 1. Содержание ФС в изученных образцах растительного сырья в _зависимости от их места сбора (по методу Фолина-Чокальтеу)

Растение № образца Место сбора С, мг-экв галловой кислоты

P.erecta I Осташковский р-н Тверской обл., оз. Сиг, ООГГГ (фоновый участок) 5,11

II г. Тверь, в 0,5 м от канала ТЭЦ-3 3,11

III г. Тверь, в 30-40 м от канала ТЭЦ-3 6,76

IV г. Тверь, Московское шоссе, пос. Химинституга 4,90

В. tripartita I ЦЛГПБЗ, р. Межа, Тверской обл. (фоновый участок) 7,29

II г. Тверь, «Химволокно», р. Хлебный Ручей 13,20

III Центр г. Тверь, р. Лазурь 23,87

IV г. Тверь, АЗС «Роснефть» 7,37

Н. perforatum . I ЦЛГПБЗ, фоновый участок 14,44

II Ж/д. станция Чуприяновка 25,80

III Центр г. Тверь, р. Лазурь 23,03

IV Трасса Москва-С.Петербург (д. Голениха) 21,73

С. demersum I ЦЛГПБЗ, фоновый участок 3,08

II Озеро-охладитель Удомля Калининской АЭС 1,87

III Сточный канал «Редкинский опытный завод», п. Редкино Конаковского р-на Тверской обл. 2,25

L. minor I ЦЛГПБЗ, фоновый участок 1,37

II Озеро-охладитель Удомля 2,29

III Сточный канал «Редкинский опытный завод» 2,11

Как видно из табл. 1 для роголистника наблюдалось незначительное увеличение содержания ФС в узлах экологической напряжённости по сравнению с фоновой зоной. Образцы ряски, собранные в оз. Удомля и в канале ОАО «Редкинский опытный завод», характеризовались снижением доли ФС. Это свидетельствует о том, что растения-гидрофиты в меньшей степени, чем изученные лекарственные растения, подвержены накоплению ФС.

Таким образом, повышенное содержание ФС в высушенном лекарственном сырье прямо связано с исходной антропогенной нагрузкой, что, в свою очередь, свидетельствует о защитной адаптационной

способности лекарственных растений, в большей степени череды, и в меньшей степени зверобоя и лапчатки, накапливать в тканях ФС.

В экстрактах, выделенных из корневища Р. erecta идентифицирован целый ряд ФС (рис. 2). При этом преобладающими ФС в образцах I и III являлись гликозид диоксибензола (арбутин), в образце II — арбутин и фенолокислоты (галловая кислота), в образце IV — флавоноиды (рутин). Обнаружено сходство в хроматограммах образцов корневищ лапчатки прямостоячей, собранных в фоновой (образец I) и частично удаленной от экологического узла напряженности (образец III) зонах. Для образца II, собранного в непосредственной близости от крупного шоссе, было

Рис. 2. Хроматограммы извлечений из корневища Р. erecta для различных мест сбора: образец I - оз. Сиг - фоновая зона (1 - арбутин, 2 — рутин, 3 - гидрохинон); образец II - г. Тверь, в 0,5 м от канала ТЭЦ-3 (1 - арбутин, 2 - галловая кислота, 3 - рутин, 4 -гидрохинон); образец III - г. Тверь, в 30-40 м от канала ТЭЦ-3 (1 - арбутин, 2 -рутин, 3 - гидрохинон); образец IV - г. Тверь, Московское шоссе, пос. Химинститута (1 - галловая кислота, 2 - рутин).

В экстрактах образцов цветов В. tripartita обнаружены галловая кислота и арбутин, а также ряд не идентифицированных веществ, особенно в образцах,

собранных в центре г. Тверь.

В экстрактах цветов Н. perforatum также идентифицированы ФС, при этом в образцах, собранных в ЦЛГПБЗ (фоновая зона) и в центре города г. Тверь — арбутин, галловая кислота; в образце, полученном в окрестностях ж/д станции Чуприяновка — арбутин, галловая кислота, пирокатехин; а в образце, собранном вдоль трассы Москва-С. Петербург - арбутин, галловая кислота, резорцин и кофейная кислота. Обнаружено сходство состава ФС в образцах цветов Н. perforatum, собранных в фоновой зоне и узлах экологического напряженности. Таким образом, наблюдались определённые перестройки, а, возможно, и химические превращения в качественном составе ФС, содержащихся в лекарственном растительном сырье. Наиболее лабильными были следующие фракции: простые ФС (резорцин, пирокатехин, гидрохинон), фенолгликозиды (арбутин), фенолокислоты (галловая кислота), оксикоричные кислоты (кофейная кислота).

2. Результаты исследования химического состава образцов лекарственных и кормовых растений с использованием метода Фурье-ИК-спектроскопии

Изучение ИК-спектров лапчатки позволило выявить изменения химического состава исследованных образцов, обусловленные степенью загрязнения местообитаний. Это подтверждается появлением в ИК-спектрах полос поглощения групп сульфонов (vaS02 —1317 и 778 см-1). Для образцов череды трехраздельной, произрастающей в районе предприятий «Химволокно», центра города и АЗС (см. табл. 1) наблюдались и другие изменения в интенсивности ИК полос поглощения валентных колебаний карбонильной и эфирной групп (vc=o) -1717 и 1741 см-1 и появление новой полосы валентных колебаний R-SO2-OH группы -1228см-1 (сульфокислоты) [Schulz Н., 2007; Socrates G., 1994; Duraees N., 2008; Мейсурова А.Ф., 2011; Devi A.G., 2011], что может объясняться поглощением растением выбросов серосодержащих присадок автомобильного топлива в центре города. В образцах зверобоя продырявленного отмечено появление в спектрах ряда полос поглощения, отвечающих колебаниям сульфогрупп -778 (6502) и алкилнитратов -825 см"1 5(0-N-0) [Socrates G.,1994] (районы ж/д станции и федеральной трассы). Проявление таких изменений в растениях, собранных вдоль железной дороги и в населённом пункте на обочине федерального шоссе, свидетельствует о постоянной и сильной антропогенной нагрузки на биоту. Данные ИК-спектрального анализа согласуются не только с полученными результатами по показателям примесей в водоёмах произрастания растений, но и с указанным выше увеличением пула ФС.

В спектрах образцов ряски, собранной в оз. Удомля и канале п. Редкино, появлялись полосы поглощения, отвечающие колебаниям сульфо- и нитрогрупп. Кроме того, в спектрах образцов, полученных из

канала, добавлялись изменения полосы Амид П (изменение белков) [Ramamurthy N.,2007; Socrates G.,1994],

Наиболее сильные изменения в спектрах зафиксированы для образцов роголистника (рис.3).

Г* А

Если в образцах, собранных в оз. Удомля, изменялась интенсивность полосы Амид II, то в спектрах образцов, полученных из канала, появлялись интенсивные полосы поглощения, отвечающие колебаниям сульфогрупп -876 и 712 см"1, валентным колебаниям С=0, отмечена высокая интенсивность полосы 1431см"1 (vasS02, ôN_H) [Schulz H., 2007; Socrates G.,1994; Duraees N., 2008].

Сравнительный анализ спектров ряски и роголистника из разных мест обитания позволяет предположить, что рост интенсивности выше указанных полос поглощения в образцах, взятых из загрязнённых водоёмов, может быть связан с аккумуляцией и усвоением химических соединений, не свойственных растению, содержащих тиольные, углерод- и азотсодержащие группы.

3. Изменения в элементном составе и морфо-анатомическом строении растений-гидрофитов под воздействием антропогенных факторов

Методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеновского микроанализа (РМА) выявлены изменения в элементном составе, обнаружены деформация и разрушение клеток эпидермиса, зафиксированы конкреции и диатомовые водоросли (Diatomea sp.) на эпидермальном слое (рис. 4).

Большое количество кремния, обнаруженного в образцах ряски и, особенно, роголистника, связано с наличием кремнезёма в створках диатомовых водорослей. Однако, на наш взгляд, может происходить процесс взаимного обогащения кремнием, как листьев роголистника, так диатомовых водорослей [Белякова Г. А., 2006; Cattaneo А., 2011].

.......-1

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 СМ

Рис. 3. ИК-спектры образцов С. йетегБит:

I- ЦЛГПБЗ (фоновая зона);

II - оз. Удомля К АЭС;

III - сточный канал п. Редкино

Обращает на себя внимание факт появления на листьях роголистника, собранного в промышленном канале, поверхностных конкреций солей бария и марганца, что также согласуется с полученными данными рентгеновского анализа (рис. 3). Такие химические образования на листьях водного растения свидетельствуют о высокой антропогенной нагрузке на растение и о проявлении его защитных адаптационных функций. Конкреции повреждают эпидермальный слой, а плазматическая мембрана служит селективным барьером на пути поступления металлов в клетку [Егорова И.Н., 2010; Титов А.Ф., 2007].

Рис. 4. Электронные микрофотографии и рентгеновские спектры образцов листьев С. ¿ететашя: II - оз. Удомля КАЭС; III - сточный канал п. Редкино при увеличении (х500, 600)

Методом РМА определён элементный состав образцов. В спектрах образцов гидрофитов, собранных в водоёмах оз. Удомля и канале (п. Редкино), обнаружена высокая концентрация натрия, серы, хлора, железа, марганца и бария, не свойственных в таком количестве химическому составу растений.

Анализ накопления фитомассой гидрофитов техногенных элементов показал, что с учётом зональности наибольшей способностью к накоплению химических элементов отличаются погруженные гидрофиты (С. demersum).

4. Влияние ряда поллютантов на химический состав и морфо-анатомические характеристики Lemna minor L. и Ceratophyllum demersum L. в условиях модельного эксперимента

В модельном эксперименте под действием солей тяжёлых металлов (Hg2S04, NiS04) и солей аммония ((NH4)2S04, NH4NO3) на природную популяцию растений-гидрофитов (С. demersum и L. minor) из фоновой зоны в модельном эксперименте были обнаружены изменения в образцах, как на химическом, так и на морфо-анатомическом уровнях.

При воздействии сульфатсодержащих солей отмечены изменения в ИК-спектрах образцов растений для характеристических полос поглощения, содержащих сульфогруппы. При воздействии солей аммония на образцы ряски и роголистника, имеются различия в интенсивности полосы поглощения нитрогрупп 1384 см-1 (vs_ono2), которая увеличивается со временем экспозиции солями аммония [Duraees N., 2008; Ramamurthy N.,2007; Schulz H., 2007].

ИК-спектральный анализ гидрофитов показал, что основные изменения в ИК-спектрах образцов, связанных с воздействием солей тяжёлых металлов Hg2S04, NiS04, проявляются в области низкочастотных колебаний, интенсивность которых также увеличивалась пропорционально времени проведения эксперимента.

При исследовании образцов ряски и роголистника методами РЭМ и РМА выявлены не только обрастание растений диатомовыми водорослями (Diatomea sp.), но и деструкция - изменения в эпидермальном слое, проявляющиеся в утолщении клеточных стенок в эпителии, очевидно, за счёт солей, использованных в моделировании. Кроме того на эпителиальной поверхности растений-гидрофитов обнаружены кристаллы и конкреции солей металлов и солей аммония.

Таким образом, сравнительный анализ собственных результатов натурного и модельного исследования накопительной способности гидрофитов С. demersum и L. minor, показал, что высшим водным растениям свойственна высокая избирательная способность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, а также солей тяжёлых металлов.

ВЫВОДЫ

1. Выявлено существенное (в 1,5-3,0 раза) повышение содержания фенольных соединений в образцах растительного сырья, полученных из лекарственных растений: череда трехраздельная (Bidens tripartita L.), зверобой продырявленный (Hypericum perforatum L.), собранных в местах с различной антропогенной нагрузкой (в районе ж/д станции, центра города, федеральной трассы, автозаправочной станции) по сравнению с фоновой зоной природного биосферного заповедника. Тогда как в образцах лапчатки прямостоячей (Potentilla erecta (L.) Raeusch.) такой зависимости не обнаружено.

2. В опытных образцах Bidens tripartita, Hypericum perforatum и Potentilla erecta отмечено появление арбутина, гидрохинона и рутина, а для образцов Potentilla erecta, собранных в районе ТЭЦ, было, в том числе, выявлено появление галловой кислоты. В ИК-спектрах образцов Bidens tripartita и Potentilla erecta обнаружено изменение интенсивности полосы валентных колебаний карбонильной и эфирной групп и появление полос поглощения, связанных с колебанием сульфогрупп. Тогда как в спектрах образцов Hypericum perforatum изменения произошли ещё и в области полос поглощения алкинитратов и амидной группы (Амид II).

3. Антропогенная нагрузка (сточный канал промышленного предприятия, озеро-охладитель АЭС) не оказывает существенного влияния на изменение содержания фенольных соединений в образцах биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая (Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.). В ИК-спектрах образцов Ceratophyllum demersum зарегистрированы интенсивные полосы поглощения, отвечающие колебаниям сульфогрупп, карбонильной и эфирной групп, а в спектрах образцов Lemna minor отмечено также появление характеристических полос амидной группы (Амид II) и нитрогрупп.

4. Обнаружено повышение концентрации металлов (железо, марганец и барий), а также увеличение содержания серы, хлора и кремния в листовых пластинках Ceratophyllum demersum, произраставшего в сточном канале; при этом наблюдалось образование конкреций и появление колоний диатомовых водорослей (как одного из возможных источников возрастания концентрации кремния) на поверхности повреждённого эпидермального слоя. Для опытных образцов Lemna minor обнаружены сходные изменения, однако не происходило образование конкреций и накопление бария. Проведение модельного эксперимента по изучению влияния солей металлов — (Hg2S04, NiS04) и солей аммония ((NH4)iS04, NH4NO3) на образцы исследованных растений-гидрофитов выявило сходные изменения в химическом составе образцов роголистника темно-зеленого и ряски малой.

5. Повышение содержания фенольных соединений, серо- и азотсодержащих групп, металлов и неметаллов, обнаруженное в лекарственном и кормовом растительном сырье, связано не только с исходной антропогенной нагрузкой, но и с рядом индивидуальных особенностей изученных растительных объектов, проявляющихся, очевидно, в защитных адаптационных функциях растений по сохранению относительной устойчивости их химического состава.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. С целью повышения качества производимых целевых лекарственных препаратов на основе растительного сырья рекомендуется проводить первоначальный, более углублённый химический анализ сырья (с использованием современных методов высокоэффективной жидкостной хроматографии, УФ- и ИК-спектроскопии).

2. Для совершенствования методов контроля за химическим составом различных водных объектов естественного и искусственного происхождения рекомендуется внедрить в систему экологического мониторинга гидросферы изученные растения: ряска малая (Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Рецензируемые научные журналы, включённые в перечень ВАК:

1. Ильяшенко Н.Ь. Устойчивость химического состава надземных частей Hypericum perforatum L. к антропогенному воздействию. Данные метода Фурье-ИК спектроскопии / В.Д. Ильяшенко, Н.В. Ильяшенко, С.М. Дементьева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Вестник ТвГУ. Сер. Биология и экология, 2008. Вып. 8. С.71-76.

2. Ильяшенко Н.В. Использование метода Фурье-ИК спектроскопии для изучения изменений химического состава Potentilla erecta (L.) Raeusch. под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко, С.М. Дементьева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов, В.Д. Ильяшенко // Вестник ТвГУ. Серия Биология и экология, 2009. Вып. 13. С. 211-220.

3. Ильяшенко Н.В. Влияние факторов окружающей среды на изменения химического состава в листовых пластинках биоиндикационных растений-гидрофитов на примере роголистника темно-зеленого (Ceratophyllum demersum L.) / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева, А.И. Иванова, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 2 URL: http://www.science-education.ru/102-5714

Другие публикации:

4. Ильяшенко Н.В. Устойчивость химического состава Achillea millefolium L, Hypericum perforatum L методом Фурье-ИК спектроскопии / H.B. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко // Материалы VI научной конференции студентов и аспирантов: Сб. ст. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2008. С. 56-57.

5. Ильяшенко Н.В. Изучение химического состава Achillea Millefolium L, Hypericum perforatum L методом Фурье-ИК спектроскопии / Н.В. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко // Тезисы докладов XV Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тверь, 2008. С. 37.

6. Ильяшенко Н.В. Использование метода Фурье-ИК спектроскопии в изучении изменений химического состава Bidens tripartita L. под действием антропогенных

факторов / H.B. Ильяшенко, С.М. Дементьева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов, В.Д. Ильяшенко // Материалы Международной научно-практической конференции «Вопросы дальнейшего развития регионов России в условиях мирового финансового кризиса». Шарья, 22-25 апр. 2009 г. / Сост. А.М. Базанков, И.Г. Криницын,

A.П. Липаев. Шарья, 2009. С. 87-90.

7. Ильяшенко Н.В. Применение метода Фурье-ИК спектроскопии для изучения изменений химического состава Bidens Tripartita L. под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко // Тезисы докладов XVI Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тверь, 2009. С. 42.

8. Ильяшенко Н.В. Изменения в химическом составе Potentilla erecta (L.) Raeusch, под действием антропогенного фактора / В.Д. Ильяшенко // Материалы III Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов-биологов "Симбиоз-Россия 2010". Нижний Новгород, 2010. С. 18-19.

9. Ильяшенко Н.В. Изучение изменений химического состава Potentilla erecta L. под действием антропогенного фактора методами оптической спектроскопии / Н.В. Ильяшенко, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов, В.Д. Ильященко // Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. Тр. Тверь: ТвГУ, 2010. Вып. 16. С. 266-272.

10. Ильяшенко Н.В. Исследование изменений химического состава Potentilla erecta (L.) Raeusch, под влиянием ашропогенного воздействия / Н.В. Ильяшенко, Е.А. Рогова // Труды X Ежегодной Международной молодежной конференции ИБХФ РАН ВУЗы «Биохимическая физика». 8-10 ноября 2010. Москва, 2010. С. 83-86.

11. Ильяшенко Н.В. Изучение методами оптической спектроскопии изменений химического состава Potentilla erecta L. под действием ашропогенного фактора // Тезисы докладов XVII Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии», Тверь, 2010. С. 37.

12. Ильяшенко Н.В. Изучение фенольного состава зверобоя продырявленного спектральными методами / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева // Тезисы докладов XVIII Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тверь, 2011. С. 34.

13. Ильяшенко Н.В. Спектральные методы в изучении изменений химического состава Bidens tripartita Ь.под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко, И.П. Шевчук, Г.С. Куликов // Тезисы докладов XVIII Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тверь, 2011. С. 35.

14. Ильяшенко Н.В. К изучению изменений химического состава Potentilla erecta L. (Raeusch.) методами оптической спектроскопии / Н.В. Ильяшенко,

B.Д. Ильяшенко, П.М. Пахомов // Материалы Международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развили», г. Кострома-Шарья, 2830 апр. 2010 г. в 2 т. / Сост. A.M. Базанков, И.Г. Криницын, А.П. Липаев. Шарья, 2011. Т. 2. С. 117-123.

15. Ильяшенко Н.В. Фурье-ИК спектроскопия в изучении изменений химического состава Bidens tripartita L. под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко,

C.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Материалы Международной междисциплинарной

научной конференции с элементами научной школы для молодёжи Седьмые Курдюмовские чтения: «Синергетика в естественных науках», 2011. С. 211 -214.

16. Ильяшенко Н.В. Изменение содержания фенольных соединений Potentilla erecta L. Raeusch, и Bidens tripartita L. в зависимости от влияния антропогенного воздействия / Н.В. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко, П.М. Пахомов, С.Д. Хижняк // Симбиоз России 2011: Материалы IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов-биологов. Воронеж, 23-27 мая 2011 г., в 2 томах / Издательский полиграфический центр ВГУ, 2011. Т. 1. С. 17-19.

17. Ильяшенко Н.В. Методы спектроскопии в изучении изменений химического состава Bidens tripartita L под действием антропогенных факторов // Материалы Международного молодежного научного форума «JIOMOHOCOB-2011» / Отв. ред. ИА. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электронный ресурс] М.: МАКС Пресс, 2011. Секция "Химия", подсекция «Физическая химия-1», 2011.

18. Ilyashenko N.V. Effect of anthropogenic factor on the content of biologically active compounds in Bidens tripartita L. And Potentilla erecta L. / N.V. Ilyashenko, S.D. Khizhnyak, P.M. Pakhomov // Materials of International Conference "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine". Saint-Petersburg, June 21-24,2011. P. 265-266.

19. Ильяшенко H.B. ИК спектральный анализ в биомонигоринге окружающей среды на примере водных растений / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева, С.Д Хижняк, П.М. Пахомов // Труды XI ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗы «Биохимическая физика». 9-11 ноября 2011. Москва, 2011. С. 97-101.

20. Ильяшенко Н.В. Изменения в химическом составе фенольных соединений корневища Potentilla erecta (L.) под действием антропогенного фактора/ Н.В. Ильяшенко, Е.А Рогова, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. Тр. Тверь: ТвГУ, 2011. Вып. 17. С. 195-203.

21. Ильяшенко Н.В. Изучение влияния солей тяжелых металлов на химический состав ряски малой методом ИК спектроскопии / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева // Тезисы докладов XIX Региональных Каргинских чтений. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тверь, 2012. С. 36

22. Ильяшенко Н.В. ИК спектральный анализ в биомониторинге гидросферы на примере растений-гидрофитов / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. Тр. Тверь: ТвГУ, 2012. Вып. 18. С. 214-220.

23. Ильяшенко Н.В. Изучение влияния солей тяжелых металлов на химический состав и морфологические особенности ряски малой физико-химическими методами / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева // Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012», Т. 4, С. 451

24. Ильяшенко Н.В. Изменение химического состава череды трехраздельной под действием атмосферного загрязнения / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева, H.A. Соловьева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. Тр. Тверь: ТвГУ, 2012. Вып. 18. С. 227—234.

25. Ильяшенко H.B. Изучение воздействия солей тяжелых металлов на химический состав и морфологию роголистника темно-зеленого физико-химическими методами / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева // Материалы Международного молодежного научного форума «JIOMOHOCOB-2012» / Отв. ред. И.А. Андреев, A.B. Андриянов, Е.А. Антипов, М.В Чистякова. [Электронный ресурс] М.: МАКС Пресс, 2012. Секция "Химия", подсекция «Химия живых систем, нанобиоматериалы и нанобиотехнологии», 2012.

Технический редактор A.B. Жильцов Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 196. Тверской государственный университет Редакционно-издательское управление Адрес: 170100, г. Тверь, ул. Желябова, 33. Тел. РИУ: (4822) 35-60-63

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ильяшенко, Надежда Владимировна, Тверь

61 12-3/1030

Тверской государственный университет

На правах рукописи

Ильяшенко Надежда Владимировна

ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ФАКТОРА НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛЕКАРСТВЕННОГО И КОРМОВОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

03.01.04 - биохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор химических наук профессор, Пахомов Павел Михайлович

Тверь - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Список сокращений, используемых в работе...................................................5

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................13

1.1. Характеристика и особенности объектов исследования....................13

1.1.1. Ботанико-систематическая, морфологическая и экологическая характеристики объектов исследования...........................................................13

1.1.2. Химический состав и фармакологические свойства объектов

19

исследования........................................................................................................1У

1.1.3. Фенольные соединения, содержащиеся в растительном сырье...........22

1.2. Влияние загрязнения окружающей среды

на растительные ресурсы................................................................................28

1.2.1. Особенности действия загрязняющих веществ на растения в условиях

техногенной среды..............................................................................................28

1.2.2. Характеристика основных загрязнителей и их отрицательное

99

воздействие на растения.....................................................................................¿у

1.3. Специфика методов изучения влияния загрязнения окружающей среды на лекарственные и биоиндикационные растения........................35

1.3.1. Особенности экологического мониторинга. Биоиндикационные характеристики растений-гидрофитов..............................................................35

1.3.2. Оценка влияния антропогенного загрязнения на химический состав лекарственного растительного сырья и растений-биоиндикаторов с помощью физико-химических методов исследования.....................................................39

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................44

2.1 Объекты и организация исследований...................................................44

2.2. Подготовка экспериментальных образцов для исследований: методы сбора растений, высушивание по ГОСТу и измельчение........................48

2.3. Методики исследования химического состава образцов растительного сырья........................................................................................49

2.3.1. Качественные реакции на фенольные соединения................................49

2.3.2. Проведение анализа образцов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии...............................................................................50

2.3.3. Изучение растительных объектов методом УФ-спектроскопии..........51

2.3.4. Анализ химического состава растительных образцов методом Фурье-ИК-спектроскопии..................................................................................55

2.3.5. Исследование элементного состава образцов методом рентгеновского микроанализа.......................................................................................................56

2.4. Исследование морфо-анатомических изменений растительных объектов с помощью растровой электронной микроскопии...................57

2.5. Модельный эксперимент по изучению влияния ряда поллютантов на растения-гидрофиты.........................................................................................58

2.6. Химический анализ проб воды в местах произрастания (водоемах) исследуемых растений-гидрофитов...............................................................59

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..........64

3.1. Изменение состава фенольных соединений в образцах лапчатки прямостоячей {Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череды трёхраздельной (Bídens tripartita L.) и зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum L.J в зависимости от мест сбора......................................................................64

3.1.1. Наличие фенольных соединений в исследуемых образцах..................64

3.1.2. Изменение состава фенольных соединений в образцах растительного сырья в зависимости от места сбора (на основе данных высокоэффективной жидкостной хроматографии и УФ-спектроскопии)........................................67

3.2. Результаты исследования химического состава образцов лекарственных и кормовых растений с использованием метода Фурье-ИК-спектроскопии............................................................................................80

3.3. Химический анализ проб воды из р. Межа, оз. Удомля, основного стока ОАО «Редкинский опытный завод», из пруда АЗС «Роснефть», канала ТЭЦ-3, г. Тверь как местах произрастания исследованных растительных объектов....................................................................................90

3.4. Изменения в морфо-анатомическом строении и элементном составе растений-гидрофитов под воздействием антропогенных факторов.......91

3.5. Влияние ряда поллютантов на химический состав и морфо-анатомические характеристики Lemna minor L. и Ceratophyllum demersum L. в условиях модельного эксперимента....................................97

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...........107

4.1. Сравнительная характеристика изменений ряда химических параметров исследованных образцов лекарственного растительного сырья в зависимости от факторов окружающей среды............................107

4.2. Особенности влияния загрязнения водоемов на химический состав

исследованных растений-биоиндикаторов..................................................116

ВЫВОДЫ............................................................................................................128

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ........................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список сокращений, используемых в работе ФС - фенольные соединения

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография УФ-спектроскопия - ультрафиолетовая спектроскопия

Фурье-ИК-спектроскопия - инфракрасная спектроскопия с Фурье преобразованием

РЭМ - растровая электронная микроскопия

РМА - рентгеновский микроанализ

PCO - раствор стандартного образца

БАВ - биологически активные вещества

ООПТ - особо охраняемая природная территория

ЦЛГПБЗ - Центрально-лесной государственный природный биосферный заповедник

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эксплуатация промышленных предприятий и автотранспорта привели к серьезным нарушениям природных ландшафтов, загрязнению почвы, воды, воздуха различными отходами. Поллютанты постоянно попадают в окружающую среду и поглощаются растениями, многие из которых используются человеком в приготовлении лекарственных препаратов, а также кормов для сельскохозяйственных животных [34]. Поэтому проведение исследований по изучению биохимического состава и химических превращений растительного сырья под влиянием факторов окружающей среды и технологических воздействий является актуальной задачей и играет важнейшую роль для улучшения качества и повышения выхода производимых целевых лекарственных и кормовых продуктов [1; 4-6;

8; 14; 23; 34; 46; 132].

Основными веществами, загрязняющими атмосферный воздух Тверской области, как на автомагистралях, так и в зоне жилой застройки, являются пыль, окислы азота, окись углерода, сернистый газ, которые растения интенсивно поглощают и аккумулируют [133]. Сбор лекарственного и кормового сырья организациями и населением производится в местах с минимальной антропогенной нагрузкой, но может производиться и в узлах экологической напряжённости [11; 34; 41; 91; 110; 125; 134]. Следует отметить, что одними из наиболее распространенных и ценных источников растительного сырья, как в РФ, так и в Тверской области, являются лапчатка прямостоячая {Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череда трёхраздельная {Bidens tripartita L.), зверобой продырявленный {Hypericum perforatum L.). Заготовка сырья из этих растительных объектов осуществляется ежегодно в промышленных масштабах. Так, лапчатка входит в состав не только сборов и настоек, но медицинских препаратов и БАДов: «Эндокринол», «Лапчатка+», «Эндонорм» и др. Большое распространение получили современные медицинские препараты на основе череды: «Лептопротект» (антибактериальное и противовирусное действие),

«Эндонорм» (противовоспалительные проявления при терапии аутоиммунного тиреоидита). Препараты, изготовленные на основе зверобоя продырявленного уже давно используются не только в народной, но и в официальной медицине, включая такие антидепрессанты, как: «Негрустин», «Деприм», «Доппельгерц Нервотоник», «Туриневрин», «Гелариум Гиперикум» и многие другие.

В связи с этим, возрастает актуальность и значение проведения более качественных и комплексных биомониторинговых исследований окружающей среды на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций, сообществ, экосистем и биосферы в целом. Однако, до настоящего времени в РФ биомониторинг, как правило, заключается в диагностике жизненного состояния растения визуальными и сравнительными методами (плотность особей вида на единицу площади, возрастная структура популяции, морфологические изменения и др.), а сами биоиндикационные методы, применяемые в РФ, не отвечают современным требованиям и, в частности, имеют низкую точность и достаточно большую возможность ошибки [8; 11; 16; 47; 48; 63; 66; 86; 91; 92; 97].

Вместе с тем, большую роль в биоиндикации играет ряд высших водных растений, которые способны накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, что позволяет использовать их в системе мониторинга и контроля за состоянием окружающей среды и делает их идеальными тестовыми объектами, как в нативных, так и в модельных условиях, для определения антропогенных химических нагрузок на водоем. [17; 25; 49; 95]. Особое место среди данных растительных объектов занимают ряска малая (Lemna minor L.) и роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.), которые помимо обладания биондикационными свойствами ещё и являются источником ценного кормового растительного сырья [8; 9; 14; 17; 35; 37; 46; 66; 68; 104; 105; 127-129].

Актуальность работы также определяется и современными тенденциями при решении проблем биомониторинга, а также качества лекарственного и кормового растительного сырья, включающими такие аспекты, как анализ воздействия зон экологической напряжённости на сырье с использованием современных точных комплексных методов, таких как Фурье-ИК-спектроскопия, УФ-спектроскопия, высокоэффективная жидкостная хроматография, растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ [18; 19; 44; 57; 67; 69; 76; 77; 100; 114; 140-143; 145; 146; 148].

В соответствии с вышеизложенным, была поставлена цель и определены задачи исследования.

Цель исследования - изучить особенности влияния различных антропогенных факторов на химический состав лекарственного растительного сырья и биоиндикационные, кормовые растения-гидрофиты Тверского региона.

Задачи исследования:

1. Изучить влияние различной антропогенной нагрузки на содержание и состав фенольных соединений в образцах растительного сырья, полученного из лекарственных растений: лапчатка прямостоячая {Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череда трёхраздельная (Bidens tripartita L.), зверобой продырявленный (Hypericum perforatum L.) по сравнению с фоновой зоной природного биосферного заповедника.

2. Исследовать химический состав контрольных и опытных образцов растительного сырья {Bidens tripartita, Hypericum perforatum и Potentilla erecta) и установить специфику его изменения в зависимости от узла экологической напряжённости.

3. Выявить особенности воздействия антропогенной нагрузки на содержание фенольных соединений, химический и элементный состав образцов биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая {Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный {Ceratophyllum demersum L.).

Осуществить модельный эксперимент по изучению влияния солей аммония и металлов на данные растительные объекты.

4. Изучить воздействие ряда поллютантов на эпидермальный слой листовых пластинок растений-гидрофитов Ceratophyllum demersum и Lemna minor, как в природной популяции, так и модельном эксперименте.

Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное исследование влияния различных видов антропогенной нагрузки на химический состав ряда растительных объектов, используемых в качестве лекарственного и кормового сырья, а также обладающих биоиндикационными функциями, с использованием широкого спектра современных методов исследования, включая Фурье-ИК и УФ-спектроскопию, высокоэффективную жидкостную хроматографию, растровую электронную микроскопию и рентгеновский микроанализ. Установлено наличие сложных и неоднотипных изменений фенольной компоненты, элементного и химического состава растительного сырья в зависимости, как от степени антропогенного воздействия, так и индивидуальных особенностей изученных объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение состава и содержания фенольных соединений в образцах растительного сырья, полученного из лекарственных растений: лапчатка прямостоячая {Potentilla erecta (L.) Raeusch.), череда трехраздельная {Bidens tripartita L.) и зверобой продырявленный {Hypericum perforatum L.) зависит от места их произрастания и соответствующей антропогенной нагрузки.

2. Антропогенная нагрузка не оказывает существенного влияния на содержание фенольных соединений в образцах биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая {Lemna minor L.) и роголистник темно-зелёный {Ceratophyllum demersum L.).

3. Изменение интенсивности полос поглощения в ИК-спектрах практически во всех образцах изученного лекарственного, биоиндикационного и кормового растительного сырья вызвано воздействием ряда узлов экологической напряжённости.

4. Наибольшие изменения элементного состава, выражающиеся в увеличении концентрации металлов (железо, марганец и барий) и неметаллов (сера, хлор и кремний), характерны для Ceratophyllum demersum и в меньшей степени для Lemria minor. При этом значительное увеличение кремния объясняется обрастанием листовых пластинок диатомовыми водорослями. Соли металлов и соли аммония могут разрушать эпидермальный слой, а также откладываться в виде конкреций на листовой части растений, особенно в образцах Ceratophyllum demersum.

Теоретическая значимость работы. Теоретическое значение работы связано с выяснением специфики влияния различных видов антропогенной нагрузки на ряд химических параметров, как лекарственного, так и кормового растительного сырья, что позволяет глубже проанализировать проявление защитных механизмов растительных объектов, подвергающихся воздействию поллютантов. Выявлена связь между характером загрязнения водоёма и химическим составом листовой пластинки растений-биоиндикаторов.

Полученные данные могут быть заложены в основу разработки нового алгоритма оценки воздействия факторов окружающей среды на некоторых представителей лекарственных, кормовых и биоиндикационных растений.

Практическая значимость работы. Разработаны практические рекомендации, касающиеся путей оптимизации контроля биохимического состава лекарственного и кормового растительного сырья, с использованием современных комплексных методов химического анализа.

Проведённые исследования могут иметь большое прикладное значение в области внедрения новых подходов в экологическом мониторинге. При

этом, значительно расширяются возможности использования роголистника темно-зелененого и ряски малой в биомониторинге гидросферы.

Полученные экспериментальные данные используются автором на кафедре физической химии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» при проведении лекционных и лабораторных занятий по курсу «Физико-химические методы исследования», а также при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры. Также результаты работы могут быть рекомендованы для обучения студентов биологических и медицинских специальностей.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на VI, VII научных конференциях студентов и аспирантов (Тверь, 2008, 2009); XV - XIX Региональных Каргинских чтениях (Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии») (Тверь, 2008-2012); Международной научно-практической конференции «Вопросы дальнейшего развития регионов России в условиях мирового финансового кризиса» (Шарья, 2009); Международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома, 2010); III Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз-Россия 2010» и школе-конференции «Инновационные подходы в изучении биосистем» в рамках конгресса (Нижний Новгород, 2010); X, XI ежегодной международной молодёжной конференции ИБХФ РАН-Вузы «Биохимическая физика» (Москва, 2010, 2011); Международной междисциплинарной научной конференции с элементами научной школы для молодёжи 7-ые Курдюмовские чтения: «Синергетика в естественных науках» (Тверь, 2011); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» и «Ломоносов-2012» (Москва, 2011, 2012); IV Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и

аспирантов-биологов «Симбиоз России 2011» (Воронеж, 2011); Международной конференции "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine" (Сан