Установление влияния антропогенного стресса на жизнедеятельность растений путём определения концентрации витамина С в вегетативных органах

XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Установление влияния антропогенного стресса на жизнедеятельность растений путём определения концентрации витамина С в вегетативных органах

Удовиченко А.Н. 1
1ГОУ ЛНР "АГ им. П.Н.Липовенко"
Беденко О.Г. 1
1ГОУ ЛНР "АГ им. П.Н. Липовенко"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В биологии стресс - реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), влияющие на систему в зависимости от различных факторов. (Goring, 1982).

В природных условиях практически все организмы постоянно испытывают на себе влияние разных стрессоров. Многие организмы приспособились к этим стрессам путем периодического изменения активности из-за чего они становятся устойчивыми к влиянию стрессоров. Другие организмы при помощи специфических адаптаций избегают стрессовых воздействий условий среды; некоторые растения ставят на пути стрессоров физические или химические барьеры. Это так называемые адаптивные реакции.

В некоторых адаптивных реакциях принимают участие разнообразные химические продукты, возникающие в процессе химических реакций, протекающих в организме. Это так называемые вторичные метаболиты, различной природы, которые являются важными показателями благополучия произрастания растений. Аскорбиновая кислота - один из таких метаболитов, количество которой под действием антропогенного стресса изменяется в течение вегетации. Эта АК принимает участие в большинстве процессов жизнедеятельности растений: цветении, вегетативной и репродуктивной дифференциации, росте, в водном обмене, стимуляции реакций метаболизма, которые связанны с обменом нуклеиновых веществ, регуляции ферментативной активности, и синтезом белка, в защитных реакциях растений[5].
АК участвует во всех сферах жизнедеятельности растений и относится к важнейшим соединениям автотрофных организмов. Большую стойкость растительному организму придаёт наличие АК в растении, и ее участие в дыхательной системе [1]. 

Значит, содержание АК в вегетативных органах растений – это один из показателей характеризующих адаптивные реакции и растений.

Кроме вышесказанного, мы не можем не знать, что необходимыми веществами для нормальной жизнедеятельности человека являются витамины. Это утверждение на сегодняшний день не вызывает сомнения. Невозможно выделить какой из витаминов является важнейшим. Однако именно витамин С рекомендуют принимать для быстрого повышения иммунитета при простуде и не только. Его важность для человеческого и детского организма в частности подтверждается тем, что его вводят в рацион школьных столовых в качестве витаминной добавки. Наша работа позволит оценить возможность использования исследованного растительного сырья в качестве источника витамина С.

Актуальность: Оценив влияние концентрации аскорбиновой кислоты на степень адаптивных реакций растений в зависимости от степени антропогенного воздействия, мы сможем не только попробовать установить различия в концентрации витамина С в зависимости от экологических условий произрастания растения, но выработать рекомендации для возможности использования исследованных растений в качестве источников аскорбиновой кислоты. Получение витамина С из заготовленного в вегетационный период растительного сырья, позволит без затрат повысить уровень присутствия данного вещества в рационе любого человека. Также не маловажным является возможность сбора такого сырья в шаговой доступности от дома.

Цель: Установить влияет ли антропогенный стресс на жизнедеятельность растительных организмов путём сравнения содержания аскорбиновой кислоты в различных вегетативных органах разных растений произрастающих в пределах нашего города; оценить возможность использования заготовленного растительного сырья в качестве источника аскорбиновой кислоты в условиях школьной лаборатории.

Задачи:

- изучить научную литературу по данному вопросу.

- изучить различные методики определения качественного и количественного содержания аскорбиновой кислоты в растительном сырье;

- заготовить растительное сырье для дальнейшего лабораторного исследования;

- провести лабораторные опыты по определению количественного содержания аскорбиновой кислоты в собранных образцах;

- обобщить и систематизировать полученные данные.

Объект исследования: аскорбиновая кислота.

Предмет исследования: Ромашка лекарственная (лат.Matricāria chamomīlla), сосна обыкновенная (лат. Pinus sylvestris), одуванчик обыкновенный (лат. Taráxacum officinále).

Методы исследования:

– теоретические, экспериментальные, наблюдение, анализ и обобщение полученных данных.

Практическая значимость: полученные результаты помогут наглядно продемонстрировать влияние антропогенных стрессов на жизнедеятельность растений, а также будут способствовать выработке рекомендаций по введению в рацион жителей нашего города растительного сырья, содержащего достаточное количество витамина С.

Гипотеза: так как при существовании в условиях городской среды растения постоянно испытывают антропогенный стресс, то концентрация аскорбиновой кислоты (АК) будет выше в растениях, на которые техногенное давление выше.

Личный вклад: Исследования проводились автором самостоятельно.

РАЗДЕЛ 1 СТРЕСС И АДАПТАЦИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЯВЛЕНИЙ

Что такое «стрессор» и «стресс» для растительного организма

В природных условиях организмы растений очень часто попадают под воздействие неблагоприятных экологических факторов. Стрессорный фактор (стрессор) – это влияющий фактор внешней среды, вызывающий в организме нарушения, провоцирующий отклонения от гомеостаза, повреждения, или даже приводящий к смерти [12].

Умение защищаться от повреждающих и неблагоприятных воздействий среды – непреложная способность каждого организма. Все возникающие ответные реакции, провоцируемые в организме внешними факторами, объединяют термином «адаптационный синдром», а также термином «стресс». «Стресс - это интегральный (лат. Integer - единый, цельный) неспецифический ответ растения на повреждающее действие, направленный на выживание организма за счет мобилизации, формирования защитных систем» [12].

Классификация экологических факторов

По существующей классификации экологические факторы можно разделить на абиотические биотические и антропогенные.

Абиотические факторы:

а) климатические – влага (включая влажность почвы и воздуха, осадки в любых формах), свет, воздух (его состав и движение), тепло; б) эдафические (почвенно-грунтовые) – химический и механический состав почв, их физические свойства и т. д.; в) топографические (или орографические) – условия рельефа.

Биотические факторы:

а) фитогенные – влияние растений-сообитателей, и прямое (симбиоз, механические контакты, поселение эпифитов, паразитизм), и косвенное (фитогенные изменения среды обитания для растений); б) зоогенные – влияние животных (вытаптывание, поедание и другие механические воздействия, опыление, косвенное влияние на среду); в) микробогенные факторы; г) микогенные факторы; [12]

Изменения природной среды, произошедшие в результате хозяйственной и другой деятельности человека, обусловлены антропогенными факторами.

К антропогенным факторам воздействующим на растительные организмы, относятся такие виды: 1. Химические.2. Физические.

В число химических антропогенных факторов входят загрязнение всех земных оболочек транспортными и промышленными отходами, а также применение минеральных удобрений и ядовитых химических веществ, предназначенных для обработки полей. К физическим факторам относятся повышение уровня шума и вибрации в результате деятельности человека (включая использование средств передвижения), использование ядерной энергии.

1.3 Процессы, вызываемые стрессом в растительных организмах.

Факторы, способные вызвать стресс у растений, можно подразделить на три основные группы: физические (недостаточные или избыточные влажность, освещенность, температура,), химические (соли, газы, ксенобиотики, промышленные отходы и биологические).

Выводы. Изучив научную литературу должны отметить, что знания о механизме стресса у растений позволило по-новому посмотреть на физиологию растительного организма.

В природных условиях нашей местности на растения воздействуют всевозможные неблагоприятные экологические факторы (как абиотические, та и биотические): климатические, почвенно-грунтовые, орографические, фитогенные, зоогенные, микробогенные, а также микогенные. Эти факторы являются стрессорами, под влиянием которых организмы растений испытывают стресс. В результате ответных реакций (мобилизация и формирование защитных систем) меняется концентрация АК в фитоорганизме. Но в городской среде становится очень значительным антропогенное влияние на жизнедеятельность произрастающих в нём растений.

РАЗДЕЛ 2 ХАРАКТРИСТИКА АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

Витамин С как химическое соединение.

Аскорбиновая кислота – лактон кислоты, который по структуре похож на глюкозу. Существует в двух формах: аскорбиновой кислоты (восстановленной) и дегидроаскорбиновой кислоты (окисленной).

Структура аскорбиновой кислоты и дегидроаскорбиновой кислоты

Рис.2.1

Аскорбиновая кислота таутомерная форма

Рис.2.2

Масштабная модель молекулы аскорбиновой кислоты

Рис. 2.3

Эти формы АК участвуют в окислительно-восстановительных реакциях в качестве коферментов и обратимо и быстро переходят друг в друга.

Аскорбиновая кислота окисляется пероксидом, кислородом воздуха и другими окислителями. Потеря биологической активности и разрушение лактонового кольца происходят в слабощелочной среде.

2.2 Биохимические функции аскорбиновой кислоты.

В автотрофных организмах роль АК разнообразна. Раскрывая тему физиологической роли витамина С в растениях, Чикай и Сингх утверждают, что он активирует реакции метаболизма, необходимые для обмена нуклеиновых кислот. Таким образом, данный витамин для синтеза мРНК освобождает большее число матриц. Физиологическое воздействие витамина С на растения вызвано влиянием на ферментативную активность. В его присутствии усиливается синтез РНК и активность РНК-азы, активируется мирозиназа, тиоглюкозидаза, амилазы, хотя некоторые исследования последнее не подтверждают [9].

АК выполняет защитную функцию в растительных организмах, что прежде всего проявляется в отношении растений к пониженным температурам. В ряде работ показана роль АК в формировании зимостойкости. Ответная реакция на многие поражения растений – это усиленный биосинтез АК. Например, в листьях виноградной лозы, которые восприимчивы к антракнозу, обнаружено повышенное содержание АК при высокой активности. [9]. Пребывание в стрессе у растения вызывает состояние, называемое оксидативным стрессом. Из-за высокой активности, АФК способны вызывать повреждение важнейших биополимеров. Этот процесс называется перекисным окислением, а совокупность этих реакций – окислительными. Ввиду того, что клетка является мембранной структурой наиболее выраженным действием АФК является повреждение именно клеточных мембран.

Аскорбиновая кислота может прямо (без апофермента) и в качестве кофактора аскорбатоксидазы инактивировать свободные радикалы, а также косвенно принимать участие в детоксикации, восстанавливая токоферол.

Витамин C найден в хлоропластах, цитозоле, вакуолях и внеклеточных

компартментах клетки[9]. Логично заключить, что повышение степени техногенной нагрузки приводит к возникновению стресса в растительном организме, что влечёт за собой возрастание содержания аскорбиновой кислоты в листьях растений.

2.3 Источники витамина С.

2.3.1 Источники витамина С для человека – продукты питания.

Суточная потребность человека в АК составляет 50-75 мг. ( 45 г черной смородиины\ 225 г лимона)

Аскорбатоксидаза – анти-витамин, препятствующий усвоению АК, содержащийс в значительных количествах в кабачках и огурцах.

2.3.2 Содержание витамина С в вегетативных органах растений.

Почти все витамины образуются в растениях. Витамин C в растениях образуется из гексозов [7]. АК образуется в листьях, переходит в корни, где нужна для дыхания. Но корни и клубни тоже могут синтезировать АК. Иногда в клубнях при их хранении содержание АК даже увеличивается[7].

Таблица 2.1

Название растения

Содержание витамина С в мг%

Береза белая (листья)

100,80

Облепиха листья

230 - 370

Одуванчик(всё растение)

34,8

Первоцвет лекарственный (листья)

2500

Сосна обыкновенная ( хвоя)

150 - 300

Спаржа дикая (зелёная часть)

90 - 100

Топинамбур (клубни)

До 60

Черемша листья

До 100

Ромашка аптечная

До 90

Больше всего АК в зеленых частях растений, овощах и других плодах. Однако это один из самых нестойких витаминов, он чувствителен к кислороду воздуха, щелочная среда снижает его стойкость. Окисляющее действие на АК в организме оказывают ферменты. Из какого вещества в организме растений синтезируется АК еще неизвестно. Ученые считают таким веществом сахар, его производные или маннозы[3].

Выводы: изучение литературы позволило установить, что АК вносит значительный вклад в антиоксидантную защиту, как растительных организмов, так и организма человека. АК - необходимый компонент в ежедневном рационе человека, так как выполняет ряд незаменимых функций, но при этом не способна синтезироваться самим организмом. Основные биохимические свойства связаны с участием кислоты в окислительно-восстановительных процессах.

РАЗДЕЛ 3 ОБЗОР МЕТОДИК КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

3.1 Классификация методов количественного определения и их химическая основа.

Методы количественного определения витамина С можно разделить на физико-химические, «классические» и биологические [10].

Физико-химические методы основываются на зависимости природы вещества от его физических свойств. В число физико-химических методов анализа входят химическое превращение устанавливаемого соединения, растворения образцов, концентрирования исследуемого компонента, маскирования мешающих веществ и т.п. В отличие от «классических» химических методов анализа, в физико-химическом методе анализа аналитический сигнал - разность потенциалов, интенсивность излучения, электропроводность, сила тока, и т.п. Количественные химические методы определения аскорбиновой кислоты основываются на ее восстановительных свойствах.

3.1.1 «Классические химические методы»

Это а) метод алкалиметрического прямого титрования. Индикатор - фенолфталеин. Фактор эквивалентности = 1; б)фармакопейный метод – йодатометрический, способ прямого титрования. Индикатор - крахмал, среда кислая, титруют в присутствии К1; в) метод – йодометрический, способ прямого титрования, индикатор – крахмал; г) метод йодохлорметрический. Способ прямого титрования. Индикатор – крахмал; д) метод цериметрический, способ прямого титрования. Среда – разбавленная серная кислота. Индикатор - ортофенантропин железный комплекс [2].

Основными методами определения содержания АК в пищевых продуктах и в препаратах считают индофенольное или йодометрическое титрование.

Йодометрическое определение АК- типичный пример способа прямого титрования анализируемого вещества стандартным раствором йода в иодиде калия. Сущность, которого заключается в том, что АК титруют раствором йода в кислой среде. 1 мл 0,1н раствора йода окисляет 8,8 мг АК. При определении витамина C в пищевых продуктах применяют методы индофенольного титрования: арбитражный, сероводорода и контрольный (упрощенный). Выбор метода зависит от свойств исследуемого продукта и назначения анализа[6].

Основным методом определения АК, в том числе в сложных лекарственных формах, являются методы окислительно-восстановительного титрования [5].

Аскорбиновая кислота – непрочное соединение из-за наличия двойной связи в молекуле. Она способна обратимо окисляться и восстанавливаться. При обратимом окислении и образуется дегидроаскорбиновая кислота(С6Н6О6), что свидетельствует о наличии в молекуле эндиольной группировки.

3.2 Фармакопейный метод, избранный для использования. Методика окислительно-восстановительного титрования.

После завершения титрования измеряют объем раствора йода, использованного на титрование. Среднее значение V сред. Рассчитывают на основании результатов трех параллельных определений концентрации витамина С в пробе.

Рассчитывают содержание АК следующим образом. Так как концентрация раствора йода 0,005 моль/л, то 1 мл раствора содержит 0,5*10-5 моль йода. По уравнению n(С6H8О5) = n(I2), значит, 1мл раствора йода также соответствует 0,5*10-5 моль АК или 0,88 мг. М(С6H8О5) = 176 г/моль. m(С6H8О5) = n(С6H8О5)*М(С6H8О5) = 0,5*10-5 моль * 176 г/моль = 88 г *10-5 = 0,88 г. Содержание АК чаще всего рассчитывают мг на 100 г или мл продукта, то полученные результаты нужно умножить на четыре (25 мл * 4 = 100 мл). Окончательная формула для расчета содержания АК: m(С6H8О5) = V(I2) * 0,88 мг * 4.

РАЗДЕЛ 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Описание проведения сбора различного сырья

22.06.2021 года в р-не Универсама (в 5м от автодороги), Сквере Комсомола ( в 20м от автодороги ), Парке Победы ( в 40м от автодороги ), дворе гимназии ( в 15м от автодороги ) и возле шлаковой горы ( в 8м от автодороги ) были собраны образцы растений. Наземная часть ромашки лекарственной (лат.Matricāria chamomīlla), побеги сосны обыкновенной (лат. Pinus sylvestris), наземная часть и корни одуванчика обыкновенного (лат. Taráxacum officinále). Почвы в районе Универсама и во дворе гимназии увлажняются естественным путём и поливом, в Сквере Реквием, в Парке Победы и возле шлаковой горы – только естественно. Участки в Сквере Реквиеме и дворе гимназии – полу притенённые, в районе Универсама и шлаковой горы – хорошо освещены, участок в Парке Победы – притенённый.

Таблица 4.1

Хар-

ка

Уч.1

Шлаковая гора

Уч.2

Двор гимназии

Уч.3

Сквер Реквием

Уч. 4

Р-н Универсама

Уч.5

Парк Победы

Удалённость

От автодороги

8 м

15 м

20 м

40 м

Степень освещённости

Хорошая

Полу-

притенённый

Полу-

притенённый

Хорошая

Притенённый

Увлажнение

естественное

Естественное + полив

естественное

Естественное+ полив

естественное

Дополнительная

характеристика

7 м до шлакового отвала

Внутренний

двор

гимназии

   

20 м до ручья, в низине

4.2 Проведение лабораторного исследования

Мы провели титрование раствора с известной концентрацией АК. Для этого использовали АК в таблетках из аптеки. Одна таблетка содержит 0,1 г чистого витамина. Её растворили в дистиллированной воде в мерной колбе, тщательно перемешав раствор, отобрали из него пипеткой 25 мл в колбу для титрования. В этом количестве раствора АК в 20 раз меньше, чем в таблетке. Добавили к нему 8 – 10 капель раствора крахмала и по каплям титровали разбавленным раствором йода. Как только вся АК прореагировала с йодом, следующая же его капля окрасила раствор в синий цвет. Титрование вели до появления устойчивого синего окрашивания.

Сначала получали раствор АК испытуемого образца. Навеску исследуемого материала массой 10 г залили в ступке 20 мл 1 % -ной HCl и тщательно быстро растирали в присутствии кислоты до образования гомогенной массы для избежание окисления витамина С и его перехода в дегидро АК. Процесс растирания длился не более 10 минут. Полученную массу перелили в мерную колбу на 100 мл. Ступку ополоснули несколько раз 2 % - ной HPO3, которую вылили в ту же мерную колбу. Содержимое колбы довели до метки 2%HPO3, колбу закрыли пробкой, сильно встряхнули и оставили на 5минут. Затем содержимое колбы вылили на сухой фильтр, отфильтровав часть экстракта (около50 мл) поместили всухую колбу.

Соляная кислота позволяет извлечь из растительной ткани аскорбиновую кислоту.

4.3 Результаты лабораторных исследований

Полученные в ходе исследования результаты содержания АК в образцах одуванчике обыкновенном, сосне обыкновенной и ромашки лекарственной обобщили

Рис. 4.1

4.4 Анализ полученных результатов.

Провели статистический анализ результатов проведенных серий йодометрических титрований аскорбиновой кислоты с визуальной индикацией точки эквивалентности с помощью индикатора крахмала. И получив результаты, мы можем сделать вывод, что содержание витамина С в растительном сырье зависит антропогенных факторов.

В ходе проведенного исследования стало понятно, что содержание аскорбиновой кислоты, как в наземных частях так и в корнях больше в тех растениях, которые испытывают больший антропогенный стресс. Хотя мы не можем утверждать, что этот факт не связан с биотическими и абиотическими факторами. Содержание АК в одуванчике обыкновенном, сосне обыкновенной и ромашке лекарственной в таблицах:

Таблица 4.2

 

Образец 1

мг %

Образец 2 мг %

Образец 3 мг %

Образец 4 мг %

Образец 5 мг %

Наземная часть

128

116

104

132

98

Корни

24

21

18

25

16

Таблица 4.3

 

Образец 1 мг %

Образец 2 мг %

Образец 3 мг %

Образец 4 мг %

Образец 5 мг %

Побеги

200

175

139

264

148

Таблица 4.4

 

Образец 1 мг %

Образец 2 мг %

Образец 3 мг %

Образец 4 мг %

Образец 5 мг %

Наземная часть

65

59

40

70

57

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенной нами работы мы выяснили, что в природных условиях нашей местности на растения воздействуют многие неблагоприятные экологические факторы. Территория города Алчевска испытывает техногенное воздействие. В результате ответных реакций на эти факторы (стрессоры) меняется концентрация АК в фито-организме. Сравнив результаты проведенных исследований, мы можем сделать вывод, что содержание АК в растительном сырье зависит антропогенных факторов; больше в тех растениях, которые испытывают больший антропогенный стресс. Цель работы достигнута. Проделанная нами работа даёт нам право рекомендовать сбор растительного сырья на территории, где антропогенное воздействие наименьшее. Так как, несмотря на повышенную концентрацию АК близость к дорогам, отвалам и т.п. способствует накоплению в фито-организмах токсичных для человека веществ.

Содержание АК в одуванчике обыкновенном, сосне обыкновенной, ромашке на диаграммах:

Рис. 4.2 Рис. 4.3

Рис. 4.4

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

http://www.medicus.ru/news/events/rossiyane-nazvali-zdorove-vazhnejshim-pokazatelem-kachestva-zhizni-166606.phtml

https://farmf.ru/lekcii/lekciya-16-laktony-nenasyshhennyx-polioksikislot/

https://www.activestudy.info/soderzhanie-vitamina-s-v-drevesnoj-zeleni/ ©Зооинженерный факультет МСХА

Александрова Е.В., Шкода А.С., Юрченко Д.Н., Левич С.В. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИТАМИНОЛОГИИ Учебное пособие для самостоятельной работы иностранных студентов международного факультета по специальности 7.12020101 «Фармация» – Запорожье, 2015.– 129 с.

ВестникТвГУ.Серия"Химия".2012.Выпуск13.С.20-24; с.20-22

Выпускная квалификационная работа «Качественное и количественное определение водорастворимых витаминов», Южно-Уральский Государственный Гуманитарно-Педагогический Университет, Челябинск 2018, с.15-28.

КПД зеленого листа, витамины в растениях А.А. Ничипорович. К.Е. Овчаров, https://lsdinfo.org/gde-obrazuyutsya-vitaminy/

М. Девис, Дж. Остин, Д. Патридж «Витамин С. Химия и биохимия», Москва «Мир» 1999г.

Половинкина Е.О., Синицына Ю.В. Окислительный стресс иособенности воздействия слабых стрессоров физической природы на перекисный гомеостаз растительной клетки. Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010 – 62 с

Справочник биохимика: пер. с англ. [Текст]/ Р. Досон, Д. Элиот,У. Элиот, К. Джонс. – М.: Мир,1991. – 544 с.

Чупахина Г.Н. Система аскорбиновой кислоты растений: Монография. - Калинингр. ун-т. - Калининград, 1997. - 120 с. - ISBN 5-88874-063-2.

Яковец О.Г. Фитофизиология стресса: курс лекций. Минск: БГУ, 2010. 103 с.

Просмотров работы: 15