По содержанию химических элементов в лекарственных растениях в современной литературе приводится большой фактический материал. Актуальность этой темы вполне объяснима, так как знания количественных характеристик содержаний элементов в лекарственных растениях позволяют достоверно оценить качество лекарственного сырья и его пригодность для использования в профилактике и лечении заболеваний человека.
Состав и концентрация элементов в растениях зависит в основном от содержания их в почвенном слое и подстилающих породах, а также от подвижной формы элемента, способной участвовать в формировании естественного потока «почва–растение» [4, 8, 13]. Региональные особенности элементного состава лекарственных растений Западной Сибири определяются видовыми особенностями растений, своеобразием геохимических и климатических условий, спецификой литологического состава подстилающих пород, а также техногенной нагрузкой на территории [2, 11, 14].
В связи с изменениями, происходящими на территориях с развитыми процессами техногенеза, весьма актуальным является вопрос динамики изменения химического элементного состава растений. Как правило, для таких исследований используются депонирующие среды [1, 7, 10 и др.]. Однако исследования некоторыми авторами отдельных видов живых организмов показали перспективность использования гербарного материала в сравнении с современными образцами [12].
Черника обыкновенная (Vaccinium myrtillus) широко используется в медицине и питании человека, она занимает господствующее положение в травяно-кустарничковом ярусе бореальной зоны Западной Сибири [9]. Среднее содержание некоторых химических элементов в составе черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) оценивалось разными исследователями [2, 5, 14, 16]. Но, за исключением нескольких работ, оценки сведены к анализу содержания ограниченного количества химических элементов, в том числе есть некоторые сведения по содержанию радиоизотопов в ее составе [3, 14, 16]. Изучение динамики элементного состава черники ранее не проводилось.
Цель исследования: выявить особенности накопления химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) с учетом динамики на локальных территориях.
Материалы и методы исследования
Надземную часть черники собирали в летний период 2008–2012 гг. в Томской области. Также были отобраны образцы растений с 1886 по 2000 гг. в гербарии им. П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» и в гербарии Центрального сибирского ботанического сада СО РАН. Общее количество проб составило 49 шт. На основе данного материала проведено изучение динамики изменения химического состава и осуществлен анализ статистических и корреляционных показателей.
Изучение элементного состава выполняли методом нейтронно-активационного анализа с облучением тепловыми нейтронами на исследовательском ядерном реакторе Национального исследовательского Томского политехнического университета в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии, имеющей аккредитацию, по аттестованным методикам под руководством старшего научного сотрудника А.Ф. Судыко.
Таблица 1
Содержание элементов в составе черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) и в «обобщенном стандартном растении» по Markert, мг/кг сухого вещества
|
Элемент |
Черника обыкновенная (Vaccinium myrtillus) |
Markert, 1991 |
||
|
Томская область (N = 35) |
Алтай (N = 13) |
Западная Сибирь (N = 49) |
||
|
Na |
93 ± 17 |
369 ± 63 |
162 ± 27 |
150 |
|
Ca |
5579 ± 456 |
5776 ± 755 |
5599 ± 380 |
10000 |
|
Sc |
0,03 ± 0,006 |
0,03 ± 0,01 |
0,03 ± 0,005 |
0,02 |
|
Cr |
3,1 ± 0,7 |
7,6 ± 3,5 |
4,2 ± 1,1 |
1,5 |
|
Fe |
255 ± 40 |
611 ± 218 |
292 ± 71 |
150 |
|
Co |
0,4 ± 0,05 |
0,4 ± 0,1 |
0,4 ± 0,04 |
0,2 |
|
Zn |
25 ± 3,4 |
59 ± 19 |
34 ± 6 |
50 |
|
As |
0,2 ± 0,04 |
0,3 ± 0,06 |
0,2 ± 0,04 |
0,1 |
|
Br |
7,3 ± 1,0 |
13 ± 3 |
8,8 ± 1,1 |
4 |
|
Rb |
14 ± 1,4 |
12 ± 2,7 |
13,3 ± 1,3 |
50 |
|
Sr |
13 ± 1,5 |
16 ± 2,5 |
9,5 ± 1,7 |
50 |
|
Ag |
0,09 ± 0,02 |
0,06 ± 0,01 |
0,05 ± 0,02 |
0,2 |
|
Sb |
0,08 ± 0,01 |
0,07 ± 0,02 |
0,08 ± 0,01 |
0,1 |
|
Cs |
0,05 ± 0,007 |
0,05 ± 0,02 |
0,05 ± 0,007 |
0,2 |
|
Ba |
65 ± 5,7 |
69 ± 7 |
66 ± 4,5 |
40 |
|
La |
0,09 ± 0,02 |
0,1 ± 0,02 |
0,09 ± 0,01 |
0,2 |
|
Ce |
0,4 ± 0,07 |
0,3 ± 0,07 |
0,4 ± 0,06 |
0,5 |
|
Nd |
0,7 ± 0,1 |
0,9 ± 0,2 |
0,7 ± 0,1 |
0,2 |
|
Sm |
0,01 ± 0,002 |
0,02 ± 0,004 |
0,01 ± 0,002 |
0,04 |
|
Eu |
0,009 ± 0,002 |
0,007 ± 0,001 |
0,009 ± 0,002 |
0,008 |
|
Tb |
0,01 ± 0,002 |
0,01 ± 0,002 |
0,009 ± 0,002 |
0,008 |
|
Yb |
0,01 ± 0,003 |
0,008 ± 0,002 |
0,009 ± 0,002 |
0,02 |
|
Lu |
0,002 ± 0,0003 |
0,003 ± 0,0006 |
0,002±0,0003 |
0,003 |
|
Hf |
0,02 ± 0,002 |
0,03 ± 0,01 |
0,02 ± 0,004 |
0,05 |
|
Ta |
0,009 ± 0,002 |
0,006 ± 0,002 |
0,006 ± 0,002 |
0,001 |
|
Au |
0,03 ± 0,007 |
0,02 ± 0,003 |
0,03 ± 0,006 |
0,001 |
|
Th |
0,08 ± 0,02 |
0,05 ± 0,02 |
0,07 ± 0,02 |
0,005 |
|
U |
0,05 ± 0,009 |
0,13 ± 0,04 |
0,07 ± 0,01 |
0,01 |
|
Th/U |
1,4 |
0,3 |
1,0 |
– |
|
La/Yb |
7,3 |
14,1 |
8,7 |
– |
Результаты исследования и их обсуждение
В нашей работе оценено среднее содержание 28 химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) (табл. 1). Для выявления аномалий и нормирования полученных результатов в качестве стандарта мы используем данные B. Markert по «обобщенному стандартному растению» [15].
Обращает на себя внимание факт повышенного содержания (относительно данных по Markert, 1991) в составе черники, собранной на территории Западной Сибири, таких элементов как Cr, Fe, Co, As, Br, Ba, Nd, Eu, Tb, Ta, Au, Th, U. Более низкие концентрации характерны для Na, Ca, Zn, Rb, Sr, Cs, La, Ce, Sm, Yb, Lu, Hf. Величина Th/U отношения в целом по Западной Сибири равна 1,0. Это характерно для живого вещества в целом, что отмечается в ранее проведенных исследованиях [3]. Следует отметить, что оно выше в Томской области за счет более высокого тория и значительно ниже на Алтае.
La/Yb отношение в целом для растений Западной Сибири составляет 8,7. Оно в два раза выше для черники Республики Алтай, по сравнению с растениями Томской области, где происходит концентрирование тяжелых лантаноидов.
Коэффициенты концентрации, полученные при расчете содержаний химических элементов в образцах черники с изученных территорий относительно данных Markert, показали металлогеническую специфику каждого отдельного региона (табл. 2).
Сугубо специфическим компонентом в составе черники Республики Алтай является цинк, а в составе черники Томской области – европий.
Нами установлено существование положительных и отрицательных взаимосвязей между различными элементами и их группами (табл. 3). При выборке в 49 проб значимой считается корреляционная связь на уровне 0,27 (95 %)–0,35 (99 %).
Таблица 2
Коэффициенты концентрации элементов в составе черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) (относительно данных B.Markert, 1991)
|
Место сбора |
КК |
|
Томская область |
Au30 Th14 U7 Ta6 Nd3,5 Cr2,8 Br2,2 Co2 As2 Fe1,9 Ba1,7 Sc1,5 Eu1,13 Tb1,13 Na1,08 |
|
Республика Алтай |
Au20 U13 Th10 Ta6 Cr5 Nd4,5 Fe4 Br3,3 As3 Na2,46 Co2 Ba1,7 Sc1,5 Tb1,25 Zn1,18 Lu1 |
Примечание. Значения коэффициентов концентрации Au, Th, U, Ta, Nd завышены вследствие малого количества данных по содержанию этих элементов у B. Markert.
Таблица 3
Значимые корреляционные связи между химическими элементами в составе черники Западной Сибири
|
Элемент |
Химические ассоциации элемента |
Значение коэффициента корреляции |
|
1 |
2 |
3 |
|
Na |
Ca, Sc, Cr, Fe, Zn, As, Br, Sr, La, Nd, Sm, Lu, Hf, U |
от + 0,30 до + 0,63 |
|
Th |
– 0,33 |
|
|
Ca |
Cr, Fe, As, Br, Sr, Ba, Nd, Lu, Hf, U |
от + 0,32 до + 0,69 |
|
Th |
– 0,36 |
|
|
Sc |
Fe, Co, Zn, La, Ce, Sm, Yb, Hf |
от + 0,40 до + 0,72 |
|
Cr |
Fe, Br, Sr, Nd, Lu, Hf, U |
от + 0,34 до + 0,85 |
|
Fe |
Co, Zn, Br, La, Nd, Sm, Hf, U |
от + 0,38 до + 0,78 |
|
Co |
Zn,La, Ce, Sm, Eu, Tb, Hf, Au, Th |
от + 0,29 до + 0,69 |
|
Sr, Ba, Lu |
от – 0,34 до – 0,43 |
|
|
Zn |
Br, Rb, Hf |
от + 0,30 до + 0,39 |
|
As |
Sr, Ba, |
от + 0,30 до + 0,39 |
|
Br |
La, Sm, Hf, U |
от + 0,34 до + 0,56 |
|
Rb |
Ag, Ce, Tb, Ta, Th |
от + 0,29 до + 0,51 |
|
Sr, Lu |
от – 0,32 до – 0,42 |
|
|
Sr |
Ba, Lu, U |
от + 0,31 до + 0,64 |
|
Th |
– 0,39 |
|
|
Окончание табл. 3 |
||
|
1 |
2 |
3 |
|
Ag |
Tb, Th |
от + 0,52 до + 0,79 |
|
Sb |
Au |
+ 0,30 |
|
Cs |
Ta |
+ 0,31 |
|
Ba |
Ce, Th |
от – 0,29 до – 0,39 |
|
La |
Ce, Nd, Sm, Eu, Yb, Hf, U |
от + 0,31 до + 0,86 |
|
Ce |
Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Hf, Au, Th |
от + 0,31 до + 0,55 |
|
Nd |
Sm, Eu, Hf, U |
от + 0,29 до + 0,48 |
|
Sm |
Eu, Yb, Hf, U |
от + 0,34 до + 0,67 |
|
Eu |
Tb, Yb, Au |
от + 0,30 до + 0,48 |
|
Tb |
Ta, Th |
от + 0,52 до + 0,64 |
|
Yb |
Hf, Au |
от + 0,34 до + 0,48 |
|
Lu |
U |
+ 0,43 |
|
Th |
– 0,31 |
|
|
Hf |
U |
+ 0,67 |
|
Ta |
Th |
+ 0,42 |
Самые сильные корреляционные связи устанавливаются между Sm и La (рис. 1) (r = 0,86), а также U и Cr (r = 0,85). Уран также характеризуется сильной корреляционной взаимосвязью с гафнием. Такое сочетание может быть обусловлено как химическими свойствами редкоземельных элементов, так и характеризовать их взаимное поступление в условиях техногенеза и присутствие в минеральных формах в природных аномалиях.
Сильные отрицательные взаимосвязи отмечаются в паре Sr – Co (r = – 0,43); Lu – Rb (r = – 0,42); Th – Ba (r = – 0,39); Th – Sr (r = – 0,39).
Следует отметить, что в целом между элементами устанавливается больше положительных взаимосвязей, чем отрицательных. Отмечается устойчивая отрицательная корреляционная связь тория с основными физиологически значимыми элементами Na и Ca. В свою очередь Na и Ca устанавливают положительные взаимосвязи с ураном. Сильные корреляционные связи устанавливаются между элементами группы лантаноидов.
Рис. 1. Зависимость уровня содержания самария от лантана, урана от хрома и урана от гафния в сборах черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) на территории Западной Сибири. Томская область: 1 – Верхнекетский район, п. Суйга, 1958 г., 2 – п. Киреевск, 1968 г., 3 – Колпашевский район, д. Павловка, 1970 г., 7 – Верхнекетский район, п. Сайга, 2008 г., 8 – п. Тимирязево, 2011 г., 9 – Томский район, п. Самусь 1964 г., 12 – п. Тимирязево, 1966 г., 13 – Томский район, п. Самусь 2008 г. Республика Алтай: 4 – Шебалинский район, гора Сарлык, 1985 г., 5 – Усть-Коксинский район, низовье р. Сакал, 1987 г., 6 – Турочакский район, верховье р. Лебедь, 2000 г., 10 – Улаганский район, долина Нижнего Ильдугема, 1984 г., 11 – Усть-Коксинский район, верхнее Мультинское озеро, 1986 г., 14 – Усть-Коксинский район, р. Мульта, 1983 г.
Рис. 2. Ассоциативные связи химических элементов черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus), собранной на территории Западной Сибири (N = 49)
1. Ag–Tb-Th; Ta-Rb;
2. Eu-Yb-Au; Ce-Co-Zn; Sm-La-Sc;
3. Ca-Sr-Ba-Lu;
4. U-Cr-Nd; Hf-Fe-Br-Na.
На наш взгляд, данные ассоциации во многом обусловлены локальными факторами окружающей среды, формирующими элементный состав растительности. При рассмотрении ассоциаций химических элементов в растениях отдельных локальных территорий Томской области можно проследить ряд элементных ассоциаций. Так, в районе п. Тимирязево Томской области наблюдается тенденция к накоплению золота, повышенные концентрации которого отмечены в ежегодных сборах черники. Ассоциация элементов Ta-Th-Tb-Ag приурочена к северо-западу Томской области (п. Мыльджино, п. Развилы, р. Ларь-Еган).
Повышенное содержание группы редкоземельных элементов (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf) явно проявляется с начала 1958 года, однако в гербарных экземплярах, отобранных до 1945 года, также фиксируются пики повышенных концентраций элементов, но их уровень значительно ниже уровня пиков после 1958 года. Ассоциация территориально приурочена главным образом к Томскому району Томской области. В качестве примера можно привести динамику содержания лантана в чернике юга Западной Сибири (рис. 3).
Рис. 3. Динамика содержания лантана в чернике обыкновенной (Vaccínium myrtíllus) на территории юга Западной Сибири. а – общая динамика по Западной Сибири; б – Томская область; в – п. Тимирязево (Томская область)
Изучение динамики элементного состава черники позволяет сделать вывод о том, что, возможно, ведущим фактором в формировании этой ассоциации является, в первую очередь, природный, вследствие распространения на данной территории циркон-ильменитовых россыпей, а с 1958 года к этому фактору добавляется еще и техногенный.
Изучение динамики поступления стронция в состав черники, показало, что пик его концентрации фиксируется в 1968 году и далее он распределен только по современным сборам и территориально сопряжен также с Томским районом Томской области. Стронций имеет отрицательные корреляционные связи либо очень слабые положительные на уровне r = 0,1 с элементами группы лантаноидов, что также может указывать на различные пути поступления этих элементов в окружающую среду и, как следствие, в растения. Вероятнее всего, здесь ведущим фактором поступления является техногенный, обусловленный, в первую очередь, ядерным техногенезом, т.к. в период 60–70 гг. проводились интенсивные ядерные испытания в атмосфере на полигоне Лобнор (Китай), которые, по данным наблюдений радиометрической сети, привели к значительному загрязнению территории России [4]. Это ярко демонстрирует график концентрирования плутония в чернике (рис. 4).
Рис. 4. Динамика содержания 239+240 Pu и 238 Pu в составе Vaccinium myrtillus, собранной в районе п. Тимирязево Томской области в разные годы, Бк/кг сухого вещества
На территории Алтая полиэлементная ассоциация наблюдается в районе верховья р. Лебедь (Cr, Fe, Zn, Br, Sr, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Lu, Hf, U). На данной территории широко распространены подстилающие породы гранитоидного состава, а также месторождения свинцово-цинковых руд и, вполне вероятно, что растительность отражает данную специфику литологического состава подстилающих пород.
Ассоциация группы редкоземельных элементов (La, Ce, Eu, Yb, Lu, Hf) приурочена к горным районам южной и юго-восточной частей Алтая (долина Нижнего Ильдугема, низовье р.Сакал, верхнее Мультинское озеро). Стронций отмечен на Семинском перевале, п. Белокуриха и хребте Катунские белки, а также в полиэлементной ассоциации верховья р.Лебедь. Он имеет положительные корреляционные связи с Eu, Nd, La, Sm, Lu, Hf и U отрицательную корреляционную связь с торием.
Таким образом, следует отметить, что локальные ассоциации элементов в большей степени отражают природную составляющую. Отдельные показатели изменения динамики содержания химических элементов в составе черники свидетельствуют о привносе специфических элементов, характеризующих процессы ядерного техногенеза.
Выводы
Анализ гербарного и современного растительного материала показал, что в формировании химического состава растительности принимают участие как природные, так и техногенные факторы. Изучение динамики элементного состава растительности позволяет проследить во времени изменение геохимии окружающей среды. Элементный состав черники может быть индикатором как природных, так и техногенных процессов в окружающей среде.
Данные об элементном составе черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) и ее региональных особенностей накопления химических элементов возможно использовать для разработки эффективных лекарственных средств растительного происхождения.
Авторы выражают благодарность сотрудникам «НИ Томского государственного университета»: заведующей гербарием П.Н. Крылова, д.б.н., профессору кафедры ботаники И.И. Гуреевой; д.б.н., профессору кафедры экологического менеджмента М.В. Олоновой; старшему лаборанту гербария П.Н. Крылова Н.В. Курбатской; а также сотрудникам Центрального сибирского ботанического сада СО РАН: старшему научному сотруднику к.б.н. И.Г. Боярских и научному сотруднику С.А. Красниковой за помощь в организации отбора проб гербарного материала, а также профессору, д.г.-м.н Л.П. Рихванову за консультации и помощь при написании статьи.
Рецензенты:Попов В.К., д.г.-м.н., профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;
Бабенко А.С., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой защиты растений, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск.
Работа поступила в редакцию 02.02.2015.