Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 7
1.1. Состав эфирных масел, распространение и общие методы получения 7
1.2. Влияние условий обитания на образование эфирных масел 12
1.3. Функции терпеноидов в растительном мире. Биологическое действие и
применение эфирных масел 17
1. 4. Биологические ресурсы эфирномасличных растений 27
ГЛАВА 2. РАЙОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 31
2.1. Общая характеристика района и объектов исследований 31
2.2. Методы выделения эфирного масла 37
2.3. Методы исследования химического состава эфирного масла 38
2.4. Методы определения запасов сырья 43
2.6. Статистическая обработка результатов 44
ГЛАВА 3. РАЗНООБРАЗИЕ, БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ОЦЕНКА ЗАПАСОВ ПОЛЫНЕЙ БУРЯТИИ 46
3.1. Жизненные формы и экологические группы полыней 46
3.2. Эколого-географический анализ распространения Artemisia frigida Willd., Artemisia sievcrsiana Willd. и Artemisia sahviscosa Turcz.ex Bess 59
3.3. Запасы Artemisia frigida Willd. и Artemisia sahviscosa Turcz.ex Bess, в исследованных растительных сообществах 63
3.3.1. Вариабельность морфометрических параметров полыней 64
3.3.2. Урожайность (плотность запасов) сырья Artemisia frigida Willd., Artemisia subviscosa Turcz.ex Bess., Artemisia siversiana Willd 65
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАКОПЛЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ПОЛЫНЕЙ БУРЯТИИ.. 68
4 J Степень химической изученности рода Artemisia L., хозяйственная и лекарственная ценность . ..68
4.2. Химический состав эфирного масла полыней флоры Бурятии в зависимости от стадии фенологического развития растений и температурно-влажностных условий 74
4.2.1. Сравнительное исследование эфирных масел полыней 75
4.2.2. Изменение количественного и качественного состава эфирных масел полыней в зависимости от экстремальности погодных условий... 81
4.2.3. Изменение качественного и количественного состава эфирных масел полыней в зависимости от фенологической фазы развития растений 93
4.2.4. Влияние условий произрастания на накопление, качественный и количественный состав эфирного масла Artemisia frigida Willd 103
4.2.5. Выделение и идентификация из эфирного масла Artemisia subviscosa Turcz.ex Bess, неизвестного соединения. 110
4.3. Биологическая активность эфирных масел полыней 114
ВЫВОДЫ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
- Состав эфирных масел, распространение и общие методы получения
- Методы исследования химического состава эфирного масла
- Запасы Artemisia frigida Willd. и Artemisia sahviscosa Turcz.ex Bess, в исследованных растительных сообществах
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Регион Байкальской Сибири, в
который входит и Бурятия, составляет сложный фитогеографический узел на
пересечении экосистем Северной и Центральной Азии. Уникальность биоты
Бурятии связана со спецификой регионального положения озера Байкал на
Евроазиатском материке и со сложной орографией территории (Бурятия.,.,
1998). В соответствии с природными особенностями разнообразен и
растительный мир Бурятии,здесь отмечаются как широко распространенные
виды, так виды с очень ограниченным ареалом. Байкальская Сибирь
укладывается в границы Ангарского флористического центра и составляет
один из локусов наибольшего разнообразия полыней (Artemisia L.) Евразии.
Родовой комплекс полыни представлен в Бурятии 46 видами (Намзалов,
2001), многие из них имеют обширный ареал и формируют значительную
фитомассу, что определяет перспективы их практического использования.
Ряд из них издавна используются в народной медицине при заболеваниях
желудочно-кишечного тракта. Физиологическая активность полыней
обусловлена разнообразием содержащихся биологически активных
соединений. Установлено, что они обладают антимикробной,
противовоспалительной и анфунгальной активностью. Исследование химического состава эфирных масел в зависимости от экологических факторов раскрывает особенности аллелопатических явлений в фитоценозах и имеет важное практическое значение.
Цель и задачи исследования. Целью работы является анализ видового разнообразия полыней и изучение влияния экологических факторов на накопление, содержание и состав эфирного масла представителей рода Artemisia L.t произрастающих в природно-климатических условиях Бурятии.
Для выполнения цели работы необходимо решение следующих взаимосвязанных задач;
1. Анализ фитоценотических и ботанико-географических' данных
(ареала распространения, экологических особенностей) для выбора
объектов - видов полыней, богатых эфирными маслами и имеющих
достаточные запасы;
Определение количественного и качественного состава эфирных масел полыней в зависимости от экстремалыгости погодных условий и стадии фенологического развития растения, а также особенности аккумуляции их в различных органах растения;
Установление зависимости биологической активности эфирных масел от их химического состава;
Оценка запасов Artemisia frigida Willd, Artemisia sieversiana Willd. и Artemisia sttbviscosa Turch. Ex Bess, в исследованных популяциях.
Научная новизна. В работе приведена наиболее полная в границах Бурятии таксономическая сводка разнообразия видов рода Artemisia L., дифференцирующегося на три подрода Artemisia, Dractmcuhts и Seriphidium. Впервые дам анализ экологического и биоморфологического его состава на подродовом уровне, при этом выявилась специфика соотношения элементов в подроде Dracimculus, в котором характерно отсутствие полукустарничковых форм и видов мезофитной экологии.
Данная работа является первым систематическим исследованием особенностей химического состава эфирных масел растений Бурятии в зависимости от экологических факторов. В эфирном масле полыни холодной из Бурятии - региона с экстремальными условиями идентифицирован ряд новых для этого вида соединений (р-селинен, /ї-мент-2-ен-І-ол, цис-} транс-пиперитол, миртенол, эйкарвон, пинокарвон), что является адаптивной реакцией на климатический стресс. Впервые выделено и исследовано эфирное масло криофитного эндемичного вида Северного Прибайкалья Artemisia sabviscosa Turcz., из которого выделено хроматографическими методами незвестное для Artemisia L. соединение, и с помощью методов
6 ЯМР 'н, ГЗС, УФ-, масс-спектроскопии было установлено, что оно является ацифилловой кислотой.
Практическая значимость. Полученные данные существенно расширяют и дополняют сведения по химическому составу и экологическим особенностям произрастания растений Бурятии, позволяют расширить сырьевую базу эфирномасличных растений за счет видов рода Artemisia L., произрастающей на территории Бурятии. Рассмотрены возможности использования исследованных видов полыней в качестве эфирномасличного сырья, оценена их ресурсная база. Материалы работы нашли применение в преподавании курса «Химия природных соединений» на химическом факультете Бурятского государственного университета. Полученные результаты представляют интерес для преподавания курсов экологии растений.
Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ согласно планам НИР кафедры органической химии Бурятского государственного университета по теме «Исследование липидов животного и растительного происхождения Байкальского региона»; ФЦП «Интеграция» проекты «Экспедиционные и полевые исследования растений, используемых в традиционной медицинской системе», «Использование современных технологий для получения новых высокоэффективных лекарственных средств».
Состав эфирных масел, распространение и общие методы получения
Эфирные масла представляют собой сложные многокомпонентные смеси летучих душистых и разнообразных по структуре органических веществ, образующихся в растениях в процессе жизнедеятельности. Основную группу среди них представляют терпеноидьг (моно - и сесквитерпеноиды) (Горяев, Плива, 1962). Эти соединения объединены на основе общности строения (изопреноидные системы) и единства путей биосинтеза, первоначальным этапом которого является конденсация диметилалилфосфата и изопептилдифосфата с образованием геранилдифосфата, а последующее кратное увеличение углеродной цепи происходит путем конденсации различных компонентов этого монотипного процесса.
Основная часть структур терпеновых соединений относится к монотерпеноидам, в основе которых лежит С-10 углеродный скелет, дитсрпеноидам (С-20) и тритерпеноидам (С-30). Широко распространены в растениях и сесквитерпеноиды с С-15 углеродным скелетом (Пигулевский,1942; П.деМайо, 1963).
Дитерпеноиды входят в состав живицы (смоляные кислоты) хвойных растений и смол цветковых растений. Тритерпеноиды представляют повсеместно распространенную группу сапонинов и считаются биогенетически родственными со стероидными соединениями (Попа, 1976; Шатар,1998).
Моно - и сесквитерпеноиды составляют основу большинства эфирных масел, синтезируемых растениями и определяющих их ароматические з свойства. Все монотерпеновые соединения можно разделить на 4 основные группы - ациклические, моно -,би - и трициклические.
Из ациклических монотерпеноидов в природе чаще всего встречается соединения с 2,6-диметилоктановым скелетом (рис.1). Менее распространены соединения так называемых нерегулярных структур -лавандулана и артемизана. Основная часть моноциклических монотерпеноидов относится к типу н-ментана. Бициклические монотерпеноиды представлены несколькими типами и достаточно широко распространены в природе. К ним относятся тип пинана, камфана, карана, изокамфана, фенхапа и туйана (сабинана). Единственным представителем трициклической структуры является трициклен.
Сесквитерпеновые соединения также делят на ациклические, моно -,би - и трициклические.Из ациклических в природе встречаются соединения со скелетом фарнезана.Среди моноциклических сесквитерпеноидов наиболее распространена структура бисаболана. Реже отмечены соединения типа элемана, гумулана и гермакрана. Бициклические сесквитерпеноиды представлены в основном соединениями нафталинового и азуленового типов. Из первых распространены структуры кадинана и эидесмана. Азуленовый ряд наиболее часто представлен гвайяновым типом. Из структур» не относящихся к этим рядам, очень широко встречается в природе тип кариофиллана.
Очень велико разнообразие три циклических производных. Их основные структурные типы представлены скелетами копана, аромадендрана и др.
Все существующее многообразие моно - и сесквитерпеноидов складывается на основе этих структурных типов путем различных преобразований, связанных с реакциями гидроксилирования, дегидрирования, дегидратации, этерификации и т.д.
Секреторный аппарат биосинтеза терпеиоидов встречается, начиная с низших представителей растительного мира и кончая самыми молодыми таксономическим группами высших растений. Терпеноидсодержащие вместилища найдены у грибов рода Lactarius. Вещества терпеноидной природы отмечены у некоторых видов настоящих папоротников порядка Dryopteris (Денисова, 1989). Хвойные растения хорошо изучены в отношении накопления и состава моно - и сесквитерпеноидов (Терпеноиды хвойных, 1987;Чернодубов, 1993). Достоверные данные о накоплении этих соединений имеются для лиственных древесных растений родов Eucalyptus, Eucommia, Citrus, Acacia, Camelia, Cinnamomum, Cryptocaria, Juglans, Laurus, Maagnolia, Melia, Melaleuca, Nectarda, Pistacia, Sambucus, Trachycarpus, Psididum, иногда определяющих характер местных флор, а также кустарниковых и травянистых растений родов Artemisia, Amorpha, Anethum, Apium, Anthemis, Asamm, Arnica, Ageratum, Aralia, Boswellia, Bunium, Chenopodium, Chrysanthemum, Coriandrum, Cymbopogon, Carum, Cumium, Cardamon, Cephalophora, Cistus, Chaerophyllum, Calamus, Cedrella, Croton, Citronella, Cyperus, Coleus, Calamintha, Daphne, Daucus, Dusrosia, Dracocephalum, Elsholltzia, Eryngium, Eugenia, Fortunella, Foeniculum, Filipendula, Ferula, Fatsia, Gardenia, Gossipium, Gaillardia, Heracleum, Hyssopus, Heterotheca, Humulus, Heodema, Heterothalmus, Juncus, Jungennanis, Kippistia, Lavandula, Libanotis, Leptospermum, Lippia, Ledum, Lantana, Lumbella, Lindera, Lophantus, Matricaria, Majorana, Mentha, Monarda, Myrtus, Michelia, Melissa, Machilus, Micromeria, Myrica, Minthostachis, Myrcianthus, Nepeta, Neolitsea, Nymphaea, Ocimum, Origanum, Oenanthe, Ononis, Oliveria, Petesites, Pluchea, Petroselinum, Pelargonium, Peucedanum, Pastinaca, Pogostemon, Psaidia, Psamogemon, Rosa, Rosmarin, Rhododendron, Rhanterium, Ruscus, Rudbeskia, Ribes, Salvia, Satureja, Seseli, Solidago, Sideritis, Selinium, Stewartta, Santolina, Schinus, Sium, Syringa, Sassafras, Stellaria, Skimia, Schinopeta, Tageetes, Thymus, Trifolium, Thea, Torilis, Teucrium, Tanacetum, Valeriana, Vitex, Vetiveria, Viburnum, Xanthium, Xylopia, Xanthoxylum, Yucca, Zanthoxylum, Zingiber, Ziziphora (Супронов, 1972; Танасиенко, 1985; Кинтя и др., 1990;).
Методы исследования химического состава эфирного масла
Основными методами исследования компонентного состава эфирных масел в настоящее время являются хроматографический и хромато-масс-спектрометрический методы анализа (ХМС). Теоретически при этом не требуется выделения веществ в индивидуальном виде и изучение их характеристик другими спектральными методами. Данная процедура необходима только для впервые выделяемых веществ. Однако успешное решение задач идентификации возможно только при наличии подробного и надежного информационного обеспечения - баз данных, содержащих важнейшие аналитические параметры исследуемых соединений. Согласно И.Г. Зенкевича (1996), минимальный набор масс-спектрометрических данных, необходимых и достаточных для решения большинства практических задач идентификации компонентов эфирного масла, включает в себя во всех случаях регистрацию сигналов молекулярных ионов и массовые числа максимальных сигналов спектров (т/г)тш которые могут иметь несколько значений для каждого соединения. Это обусловлено особенностями воспроизводимости стандартных масс-спектров на различных приборах. На практике этого недостаточно и нужны полные масс-спектры, так как имеются соединения, которые имеют одинаковые массовые числа максимальных сигналов, но различные полные масс-спектры (рис. 4).. Масс-спектры гамма-кадинена, гамма-аморфена и дельта-аморфена Однако масс-спектрометрия как метод структурного анализа органических соединений имеет ограничения и во многих случаях не может обеспечить надежную идентификацию изомерных соединений. В подобных случаях необходимо привлечение дополнительных данных, основанных на иных физико-химических свойствах характеризуемых веществ, прежде всего газохроматографических индексов удерживания /ДИУ).
На абсолютные значения времен удерживания могут влиять ошибки эксперимента. Влияние экспериментальных ошибок на результаты хроматографирования можно значительно снизить, заменив абсолютные величины характеристик удерживания на относительные: приведенные времена удерживания определяемого компонента и стандарта соответственно. Стандарт выбирают так, чтобы его характеристики удерживания лежали между характеристиками удерживания исследуемых компонентов. Это необходимо как для более точных характеристик удерживания, так из адсорбционных требований.
Попытки найти универсальное стандартное соединение (на колонках с твердым носителем существенно различной полярности характеристики удерживания такого соединения будут сильно различаться) или систематизировать расчет значений удерживания стандартных соединений не привели к успеху (Комерс, Крейчи, 1982).
Трудности, возникающие из-за использования для идентификации относительных характеристик удерживания, в значительной степени преодолены Ковачем, который ввел так называемые индексы удерживания.
Индексы удерживания Ковача опираются на существование в изотермических условиях анализа линейной зависимости между логарифмами исправленных времен удерживания реперных соединений (н-апканов) и числом атома углерода в них (и), или индексами, равными по определению 100«. где /Xi /„, /„+/ - времена удерживания исследуемого вещества и //-алканов с числом атомов углерода п и п+1 и индексами 1„ и ln+i соответственно; а и b - постоянные.
Линейная зависимость, лежащая в основе индексов Ковача, дает возможность использовать в качестве стандартных соединений при расчете индексов любые компоненты анализируемой смеси, индексы которых в данных условиях анализа известны, что дает возможность использовать и-алканы не только с разницей числа атомов углерода равной единице.
При изменении температуры колонки по линейному закону температуры удерживания прямо пропорциональны временам удерживания и фактически индексы удерживания можно рассчитать по формуле полные времена удерживания изучаемых и стандартных веществ.
Наиболее универсальной является система линейно-логарифметических ИУ с использованием параметра {t+qlgi), применимая как в изотермических условиях, так и в режимах программирования температуры (Зенкевич, 1984):
Запасы Artemisia frigida Willd. и Artemisia sahviscosa Turcz.ex Bess, в исследованных растительных сообществах
Использование растений возможно при условии изучения их природных запасов. Природная флора включает в себя огромный потенциальный запас лекарственных, пищевых, эфиромасличных и других растений. Основная цель ботанического ресурсоведения состоит во всесторонней мобилизации ресурсов растительного мира для нужд экономики.
Нами определены запасы сырья на небольшой территории для популяций, из которых были отобраны образцы для выделения масла. Запасы сырья исследовали на конкретных зарослях методом учетных площадок (Борисова, Шретер, 1966; Методика..., 1986; Энциклопедический словарь..., 1999).
Нами были измерены такие морфометрические параметры растений, как высота, диаметр основания куста, а также вычислена средняя масса одной особи растения. Результаты приведены в таблице 6. При сравнении морфометрических показателей полыней видно, что крупные экземпляры полыней собраны в Баргузинской долине. Это вероятно объясняется особым ландшафтным положением участков, а именно в долине - на низких террасах реки Баргузин, что отразилось в лучшей гидрологической обеспеченности местообитаний (степени увлажнения, положительного нивального режима), что находит отражение в величине особей.
Таблица 6. Морфометрические параметры полыней
Вид растения Район исследования Высотарастения,см Диаметроснованиякуста, см Масса надземнойчасти растения, гУрожайность (плотность запасов) сырья Artemisia frigida Willd., Artemisia subviscosa Turcz.cx Bess., Artemisia siversiana Willd.
При обследовании ресурсов растительного сырья мы использовали следующие понятия (Энциклопедический словарь..., 1999):
Урожайность (плотность запаса сырья)- величина сырьевой фитомассы, полученная с единицы площади (м2, га), занятой особями растений или их зарослью.
Биологический запас - величина сырьевой фитомассы, образованной всеми (товарными и нетоварными) экземплярами данного вида на любых участках, как пригодных, так и непригодных для заготовки. Расчет ведется по верхнему пределу урожайности (М+2т).
Эксплуатационный (промысловый) запас - величина сырьевой фитомассы, образованной товарными экземплярами на участках, пригодных для промысловых заготовок. Расчет ведется по нижнему пределу урожайности (М-2т).
Очередность заготовки - периодичность использования выявленных при ресурсоведческом обследовании массивов растений. Для надземных органов (травы) многолетних растений один раз в 4-6 лет.
Возможная ежегодная заготовка - та часть эксплуатационных запасов, которую можно планировать для заготовки, учитывая необходимость очередности эксплуатации участков заготовки. Каждая заросль в массиве должна эксплуатироваться не чаще одного раза в пять лет. Объем ежегодной заготовки сырья рассчитывают как частное от деления эксплуатационных запасов сырья на оборот заготовки, включающий год заготовки и продолжительность периода восстановления.
Плотность запасов сырья Artemisia frigida Willd. изменяется от 23,0±1,3 (Иволгинская. долина) до 37,4±4,0 г/м2 (Баргузинская долина), на 1 м2 встречается от 2,б±0,22 до 3,2±0,3 экземпляров соответственно. Величина возможной ежегодной заготовки сырья Artemisia frigida Willd. колеблется от 1751,4 до 2331,4 кг в год в зависимости от района (табл. 7). Как отмечалось в параграфе 3.3 настоящей работы выделяют, холоднопольшные формации степей, площади которых составляют 61тыс. га (Рещиков, 1961), или это 3-4% от площади степного ландшафта Бурятии (Бойков и др., 2002). Таким образом, при условии урожайности 20,4 г/м2, в целом по республике, имеются запасы сырья в размере 12444 т., в год возможна заготовка 1777,7 т травы полыни холодной..
Следует отметить, что несмотря на большую урожайность Artemisia subviscosa Turcz. ex Bess. 500,0 ±23,6 г/м практически весь запас растений данного вида (5417280 кг) сосредоточен на территории площадью 990 га (табл. 7).
Хотя расчеты показывают, что возможна заготовка 640388,6 кг данного вида полыни, но нужно исходить из того, что каждая заросль должна эксплуатироваться не чаще одного раза в 5 лет. Так как по указанной выше причине нет практической возможности наладить оборот зарослей для заготовок, то реальные цифры заготовок должны быть существенно ниже. Принимая во внимание то, что данный участок находится в зоне повышенного антропогенного влияния, необходимо разработать ряд мероприятий по охране данного вида полыни, как и введение его в культуру.
Оценка запасов сырья Artemisia sieversiana Willd. затруднено тем, что данный вид выступает в качестве сорного растения и встречается на залежах, вдоль дорог, на огородах, выгонах. Этим и можно объяснить как колебания численности растений полыни Сиверса на 1 м от 3,5 ±0,2 (Баргузинская долина) до 30,2 ±0,7 (Удинская долина) экземпляров, так и урожайности от 111±5,б до 690±11,8 г/м2 (табл. 7).
