Накопление некоторых металлов в лекарственных растениях и их влияние на анатомо- морфологические особенности (на примере подорожника большого и мать-и-мачехи)

Растения являются промежуточным резервуаром, через который тяжелые металлы (ТМ) переходят из почв, воды и воздуха не только в животных, но и в человека. Накопление в организме человека ТМ происходит преимущественно (на 70-80 %) за счет загрязненной растительной пищи. Поступившие в организм человека и животных ТМ, выводятся очень медленно. Они способны к накоплению главным образом в почках и печени. Растительная продукция даже со слабозагрязненных почв способна вызывать кумулятивный эффект - постепенное увеличение содержания ТМ у человека [1].

Целью данной работы является изучение содержания некоторых металлов в лекарственных растениях и их влияния на анатомо-морфологические особенности этих растений в урбанизированных условиях. Задачи: 1. Определить содержание металлов (цинка, железа, марганца, меди) в почве; 2. Определить содержание цинка, железа, марганца, меди в вегетативных частях подорожника большого и мать-и-мачехи обыкновенной; 3. Вычислить коэффициент накопления определяемых металлов в подорожнике большом и мать-и-мачехе обыкновенной; 4. Изучить характер изменчивости клеток эпидермиса у подорожника большого.

Методика. Исследования проводились на территории г. Ижевска в мае 2018 года. Были отобраны образы почвы и растения - подорожник большой (рис. 1) и мать-и-мачеха обыкновенная (рис. 2). Материал собиралсявследующихрайонах:Ленинскийрайонг.Ижевска,шлакоотвалыпредприятия ОАО

«Ижсталь», контрольные образцы почвы и растений отбирались в Шарканском районе, также были отобраны материалы на территории ботанического сада при ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет» (рис. 3-5). Всего собрано 25 образцов почв и 25 образцов лекарственного растительного сырья (ЛРС) – 4 в районе шлакоотвалов ОАО «Ижсталь» г. Ижевска, 4 в районе Ботанического сада УдГУ, 15 проб почвы и растений в Ленинском районе г. Ижевска, 2 пробы – в районе п. Шаркан. Отбор проб почвы для химических исследований проводился методом «конверта» в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83

«Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб» [2]. Отобранные образцы почвы и растений высушивались, измельчались. Пробоподготовка почвы представлена на рис. 6. Для анализа были взяты образцы почв и лекарственного растительного сырья, учитывая, что для подобных исследований необходимо рассмотрение системы "почва - сырье". Количество ТМ в почве и ЛРС определялось с помощью атомно-абсорбционного анализа на спектрометре (рис. 7-8) в лаборатории экспериментальной и теоретической химии УдГУ [3]. Размер устьиц и количество клеток эпидермиса были определены с помощью окуляр-микрометра под микроскопом.

Результаты: Для удобства анализа в таблице 1 представлено среднее содержание металлов в изученных образцах почв, сгруппированных в следующие группы: контроль (в районе п. Шаркан), город (Ленинский район г. Ижевска), территория шлакоотвалов ОАО «Ижсталь», территория Ботанического сада УдГУ. Наибольшее количество Zn наблюдается в почвенных образцах, собранных на территории шлакоотвалов предприятия ОАО «Ижсталь» – 17,375 мг/кг. Территория шлакоотвалов расположена на правом берегу Ижевского водохранилища в районе микрорайона «Строитель». Наименьшее количество цинка выявлено в почвах на территории ботанического сада и в контроле – 2,439 мг/кг и 4,256 мг/кг соответственно. По литературным данным, среди всех тяжелых металлов цинк обладает наибольшей миграционной способностью и распределяется равномерно в слое почвы на глубине 0…20 см [4]. Концентрация меди максимальна в образцах почвы, отобранной на территории шлакоотвалов – 81,25 мг/кг; минимальна – на территории ботанического сада УдГУ – 6,54 мг/кг. По содержанию Fe максимально в почвах, отобранных на территории шлакоотвалов – 3355 мг/кг, а в остальных районах (контроль, город, ботанический сад) примерно одинаковые значения (от 2245 до 2514 мг/кг). Для почв территории шлакоотвалов также характерно и повышенное содержание Mn, а количество этого металла в остальных районах примерно одинаково. В почвах территории шлакоотвалов среднее валовое содержание марганца – 1140 мг/кг, в

почвах остальных районах исследования – от 453,75 мг/кг (бот.сад УдГУ) до 483 мг/кг (Ленинский район г. Ижевска). Таким образом, выявлена наибольшая концентрация всех металлов в почвах на территории шлакоотвалов. Это связано с тем, что эта территория наиболее подвержена загрязнению металлами, поскольку привозимые строительные и промышленные шлаки содержат повышенное их количество.

В таблице № 2 представлено содержание металлов в лекарственном растительном сырье (ЛРС) подорожника большого и мать-и-мачехи обыкновенной. Наибольшее содержание валовых форм всех изучаемых нами металлов в подорожнике большом отмечается в образцах лекарственного растительного сырья собранного с территории шлакоотвалов. Наименьшие концентрации валовых форм цинка, железа, меди, марганца отмечаются в подорожнике большом с территории ботанического сада УдГУ и с контрольной территории (п. Шаркан). Наибольшее содержание валовых форм цинка, железа, меди, марганца отмечается в мать-и-мачихе, собранной с территории шлакоотвалов. Наименьшие концентрации отмечаются в сырье с территории ботанического сада УдГУ и с контрольной территории (п. Шаркан).

Нами рассчитана биоаккумуляция (коэффициент биологического накопления) как отношение среднего содержания тяжелых металлов в растениях к их среднему содержанию в почвах [5] (таблица № 3). Наибольшим биологическим накоплением в вегетативных частях подорожника большого и мать-и-мачехи обыкновенной отличаются медь и цинк, что подтверждается в статье К.И. Малеевой «Использование растений и грибов для индикации загрязнения среды металлами» [6]. Коэффициент накопления цинка в подорожнике большом изменяется от 1,25 (территория шлакоотвалов) до 1,75 (территория Ленинского района г. Ижевска), в мать-и-мачихе коэффициент накопления цинка варьирует от 1,2 (территория Ленинского района г. Ижевска) до 1,6 (контрольные образцы, собранные вблизи п. Шаркан). Коэффициент накопления меди в подорожнике большом изменяется от 1,07 (территория шлакоотвалов) до 1,5 (территория Ленинского района г. Ижевска), в мать-и-мачихе коэффициент накопления цинка варьирует от 1,09 (контрольные образцы, собранные вблизи п. Шаркан) до 2 (территория шлакоотвалов предприятия ОАО «Ижсталь»). Подорожник большой и мать-и-мачеха не являются растениями биоаккумуляторами железа и марганца. Таким образом, наибольшей концентрационной способностью отличаются биогенные металлы – цинк и медь, что подтверждается и в исследованиях других авторов [6].

В ходе исследования нами были определены анатомо-морфологические особенности подорожника на участках исследования (таблица 4). Размер устьиц подорожника большого изменяется от 0,02109 мм (территория шлакоотвалов) до 0,02671 мм (территория бот сада УдГУ). Количество устьиц на 1 мм² составляет от 107,687 шт/мм² (контрольная территория вблизи п. Шаркан) до 121,318 шт/мм² (территория шлакоотвалов). Количество эпидермальных клеток на 1мм² было максимальным в образцах подорожника, произрастающих на территории шлакоотвалов – 389,564 шт. на 1мм², а минимальным – на контрольной территории вблизи п. Шаркан. В городских условиях с повышенным содержанием ТМ лекарственные растения приобретают ксероморфные признаки, в том числе: уменьшение размеров устьиц, увеличение количества устьиц, эпидермальных клеток. Эти биологические показатели можно использовать для установления примерных уровней содержания металлов в ЛРС подорожника большого и мать-и-мачехи обыкновенной. Это своего рода защита растений в городских условиях от негативного воздействия окружающей среды. Это способствует большей устойчивости в городских условиях к загрязняющим веществам. Согласно литературным данным, существует зависимость размера устьиц от содержания Fe в почве. Чем больше металла в почве, тем меньше размер устьиц. Уменьшение размеров устьиц также является подтверждением о ксероморфных признаках, которые приобретаются растениями в городских условиях. Данная закономерность подтверждается и нашими исследованиями. В почвах на территории шлакоотвалов содержится наибольшее количество железа, также растения с данной территории имеют наименьший размер устьиц по сравнению с растениями с других изучаемых территорий.

Литература:

1. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск.: Наука. 1991. - 152 с.

2. ГОСТ 17.4.3.01-83 Почвы. Общие требования к отбору проб.

3. Кузнецов М. Ф. Микроэлементы в почвах Удмуртии,- Ижевск: УдГУ, 1994.-284 с.

4. Головко А.И., Куценко С.А., Ивницкий Ю.Ю. и др. Экотоксикология. - СПб.: НИИХВ СПбГУ, 1999.–

124 с.

5. Авессаламов И.А. Геохимические показатели при изучении ландшафтов / И.А. Авессаламов. – М.,

1987. – 108 с.

6. Малеев К.И. Использование растений и грибов для индикации загрязнения среды металлами / К.И. Малеев, Л.Е. Механошин // Экологическая безопасность зон промышленных агломераций Западного Урала.: Тез. докл. семин. - Пермь, 1983. - С. 50-51.

Среднее содержание металлов в почвах, мг/кг

Таблица 2. Среднее содержание металлов в сырье подорожника большого и мать-и-мачехи обыкновенной, мг/кг

Таблица 3. Коэффициент биологического накопления (КБН) металлов в вегетативных частях изучаемых растений

Таблица 4.

Биологические показатели подорожника большого

• Цели
• Задачи
• Актуальность
• Результаты
• Применение
• Оборудование