Введение к работе
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 [Турова А.Д., 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 А.П., 2005; Иванов А.Ф., 1996; Куриленко В.В., 2003; Чукина Н.В., 2010; Цаценко Л.В., 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 A.K., 2009; Duraees N., 2008; Garty P., 2011; Лобанова А.А., 2004].
Цель исследования – изучить особенности влияния различных антропогенных факторов на химический состав лекарственного растительного сырья и биоиндикационные, кормовые растения-гидрофиты Тверского региона.
Задачи исследования:
-
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 рerforatum L.) по сравнению с фоновой зоной природного биосферного заповедника.
-
Исследовать химический состав контрольных и опытных образцов растительного сырья (Bidens tripartita, Hypericum рerforatum и Potentilla erecta) и установить специфику его изменения в зависимости от узла экологической напряжённости.
-
Выявить особенности воздействия антропогенной нагрузки на содержание фенольных соединений, химический и элементный состав образцов биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая (Lеmna mnor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.). Осуществить модельный эксперимент по изучению влияния солей аммония и металлов на данные растительные объекты.
-
Изучить воздействие ряда поллютантов на эпидермальный слой листовых пластинок растений-гидрофитов Ceratophyllum demersum и Lеmna mnor, 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:
-
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 рerforatum L.) зависит от места их произрастания и соответствующей антропогенной нагрузки.
-
Антропогенная нагрузка не оказывает существенного влияния на содержание фенольных соединений в образцах биоиндикационных и кормовых растений-гидрофитов: ряска малая (Lеmna mnor L.) и роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum L.).
-
Изменение интенсивности полос поглощения в ИК-спектрах практически во всех образцах изученного лекарственного, биоиндикационного и кормового растительного сырья вызвано воздействием ряда узлов экологической напряжённости.
-
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 Lеmna mnor. 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.
