XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

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

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Суторина И.Е. 1

---

1МОУ СОШ 12

Сикорская Ю.И. 1

---

1МОУ СОШ 12

Работа в формате PDF

7.8 MB

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.

Аскорбиновая кислота (далее АК) - 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]. 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 и 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 немаловажным 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, 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.

• Ознакомиться с методиками определения качественного и количественного содержания аскорбиновой кислоты;

• Заготовить растительное сырье для дальнейшего лабораторного исследования и провести опыты;

• Составить экономическое и фармацевтическое обоснование выращивания чистотела как лекарственного сырья.

Объект исследования: Аскорбиновая кислота.

Предмет исследования: Чистотел большой (Chelidonium Majus) и одуванчик лекарственный (Taraxacum Officinale).

Методы исследования: Наблюдение, анализ, сравнение, теоретический, экспериментальный методы 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 с применением оптимальной методики и выбором растительного сырья и экономическим обоснованием выращивания лекарственного сырья.

Глава I. Стресс и адаптация. общая характеристика явлений

1.1. 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].

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

К антропогенным факторам, воздействующим на растительные организмы, относятся такие виды:

• Химические

• 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.

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

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

1.2. Витамин С как химическое соединение: биохимические функции, источники.

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

Рис.1 Структура аскорбиновой кислоты и дегидроаскорбиновой кислоты

Рис.2 Аскорбиновая кислота таутомерная форма

Рис.3 Масштабная модель молекулы аскорбиновой кислоты

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.

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 м-РНК 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. Активные формы кислорода (далее - 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.

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.

Источники витамина С для человека – продукты питания. Суточная потребность человека в АК составляет 50-75 мг. (45 г черной смородины \ 225 г лимона).Аскорбатоксидаза – анти-витамин, препятствующий усвоению АК, содержащийся в значительных количествах в кабачках и огурцах.

Содержание витамина С в вегетативных органах растений.

Почти все витамины образуются в растениях. Витамин C в растениях образуется из гексозов. 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 1. Содержание витамина С в различных растениях

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].

1.3. Классификация методов количественного определения аскорбиновой кислоты, 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 их число 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 аналитический сигнал - разность потенциалов, интенсивность излучения, электропроводность, сила тока, и т.п. Количественные химические методы определения аскорбиновой кислоты основываются на ее восстановительных свойствах.

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.

Глава II. Экспериментальная часть

2.1. Обзор растительного сырья

Чистотел большой (лат. Chelidónium május) — вид двудольных растений рода Чистотел (Chelidonium) семейства Маковые (Papaveraceae).

Сырьё используют в виде 5%-го водного настоя как желчегонное и бактерицидное средство при заболеваниях печени и жёлчного пузыря [5].

Ботаническая иллюстрация из книги Köhler’s Medizinal-Pflanzen, 1887

Сок чистотела в народной медицине применяется для удаления бородавок, сухих мозолей, папиллом и некоторых других кожных образований. На основе сока делают лекарственные препараты с теми же свойствами.

Растение ядовито, содержит изохинолиновые алкалоиды. В чистотеле обнаружены также следы эфирного масла, много аскорбиновой кислоты (до 1000 мг%), каротин, флавоноиды, сапонины, горечи, органические кислоты: хелидоновая, яблочная, лимонная и янтарная, смолистые вещества.

Одува́нчик (лат. Taráxacum) — род многолетних травянистых растений семейства Астровые, или Сложноцветные (Asteraceae). Типовой вид рода — Одуванчик лекарственный — хорошо известное растение с розеткой прикорневых листьев и крупными ярко-жёлтыми соцветиями-корзинками из язычковых цветков.

Одуванчик лекарственный. Ботаническая иллюстрация из книги Köhler’s Medizinal-Pflanzen, 1887

К орень одуванчика лекарственного (лат. Radix Taraxaci), накапливающего осенью до 40 % инулина, используют в качестве лекарственного сырья. Сушёный корень применяют в виде отвара, густого экстракта как горечь для усиления секреции пищеварительных желёз и как желчегонное средство, укрепляющее и оздоравливающее печень. Настойка корня одуванчика возбуждает аппетит, обладает спазмолитическими, слабительными и кровоочистительными свойствами [12].

2.2. Методика проведения исследования

29.03.2023 года в районе большого рынка (в 5 м от автодороги, ул. Победы), возле автозаправки по улице Апанасенко (в 2 м от автодороги) и на приусадебном участке (50 м от автодороги) были собраны наземные части чистотела большого (Chelidonium Majus) и одуванчика лекарственного (Taraxacum Officinale). Почвы во всех районах увлажняются естественным путём, а на приусадебной территории и искусственным. Участки во всех точках сбора образцов хорошо освещены.

Таблица 2 Характеристика участков - мест сбора сырья

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% - ной HPO3, колбу закрыли пробкой, сильно встряхнули и оставили на 5 минут. Затем содержимое колбы вылили на сухой фильтр, отфильтровав часть экстракта (около50 мл) поместили всухую колбу.

Соляная кислота позволяет извлечь из растительной ткани аскорбиновую кислоту.

Параллельно проводили контрольный опыт.

Мы провели титрование раствора с известной концентрацией АК. Для этого использовали АК в порошке из аптеки. Один пакетик содержит 0,1 г чистого витамина. Его растворили в 500 мл дистиллированной воды 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 пакетике. 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.

Полученные в ходе исследования результаты содержания АК в образцах чистотела большого и одуванчика лекарственного, собранного в разных точках, обобщили. Вычисления по содержанию АК производились строго по формуле. Влажность чистотела большого и одуванчика лекарственного составила не более 14%.

Проведя обзор литературных источников, мы обнаружили, что количество витамина С в одуванчике от 163,0-228 мг%, в чистотеле - до 1000мг% [13], [14].

С этими данными вели сравнительный анализ наших показателей по содержанию витамина C.

Таблица 3 Содержание АК в побегах растительных образцов

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

В ходе проведенного исследования стало понятно, что содержание аскорбиновой кислоты больше в тех растениях, которые испытывают больший антропогенный стресс. Хотя мы не можем утверждать, что этот факт не связан с биотическими и абиотическими факторами.

2.3 Экономическое и фармацевтическое обоснование выращивания лекарственного сырья на примере чистотела.

Фармацевтическое обоснование:

Чистотел считался лекарственным растением ещё у древних римлян. В качестве лекарственного сырья используется трава чистотела (лат. Herba Chelidonii), которую заготавливают в фазу цветения и быстро сушат при температуре 50—60 °C. Сырьё используют в виде 5%-го водного настоя как желчегонное и бактерицидное средство при заболеваниях печени и жёлчного пузыря.

Рекомендации по сбору и заготовке чистотела.

1. Траву собирают в мае — августе в фазе цветения в сухую погоду, срезая ножом, ножницами или обламывая вручную ветви на высоте 10–15 см от земли. Собранную траву не следует уплотнять в таре, чтобы сохранить наибольшую эффективность. В качестве тары используют корзины или мешки.

2. Собранную траву надо, не уплотняя, сложить в корзины или мешки и немедленно доставить к месту сушки. Для сушки травы можно использовать сухой чердак, сарай, навес в солнечную погоду. Сырье должно находиться в тени, так как солнце негативно влияет на его состав.

3. Хранить лекарственное сырье чистотела следует в сухом, чистом и хорошо проветриваемом помещении, не зараженном грибками.

При сборе ядовитого растения необходимо помнить о мерах безопасности.

Экономическое обоснование:

Нами был произведен и оформлен сбор лекарственного растения на примере чистотела большого. Расчет стоимости товара и цены сырья за 1 упаковку велся из расчета 1 сотки земли (10 м *10 м).

Таблица 3. Расчет цены сырья за 1 упаковку

• Валовый сбор с одной сотки – 120 кг

Высушенная продукция – 42 кг

Стоимость пакетиков (по 5 руб., 100 г) – 5*240 = 2100 руб.

42000/100 = 420 пакетиков

• Себестоимость:

Учитывая налог от заработной платы рабочего:

1570,5 * 1,321 = 2074, 63 руб.

100 + 150 + (261,75 + 523,5 + 261,75 + 523, 5) * 1,321 + 2100 + 500 = 4924,63 руб.

Себестоимость 1 пакетика: 4924,63/420 = 11,72 руб.

• Прибыль:

Сдача в аптечную сеть по 30 руб. за пакетик

420 * 30 = 12600 руб.

12600 - 4924,63 = 7675,37 руб. чистой прибыли

• С учётом подоходного налога 13%:

7675,37 * 0,13 = 997,7981, т.е. примерно 997,8 руб.

Конечная прибыль: 7675,37 - 997,8 = 6677,57 руб.

Заключение

В ходе проведенной нами работы мы выяснили, что в природных условиях нашей местности на растения воздействуют многие неблагоприятные экологические факторы. Территория города Новоалександровска 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 от 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.

Проведя лабораторные исследования (титрование на определение витамина в побегах), мы пришли к выводу, что наибольшее содержание витамина С в побегах чистотела большого и экономические расчёты оправдывают предположение о том, что выращивать чистотел для фармацевтических целей наиболее выгодно.

Список литературы

1. 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.

2. Бархатова, Е. И. Сравнительный анализ содержания аскорбиновой кислоты в продуктах питания растительного происхождения / Е. И. Бархатова, Р. Г. Сафин, Н. А. Бархатова. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2017. — № 4 (13). — С. 46-53. — URL: https://moluch.ru/young/archive/13/1043/

3. Бесков С.Д., Слизковская О.А. Аналитическая химия. Качественный и количественный анализ. – М.: ГУПИ, 1965. – 371 с.

4. ВестникТвГУ.Серия «Химия». 2012.Выпуск13. С.20-24; с.20-22

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

6. Ефремова И.Я. лекарственные средства растительного происхождения, полученные в СССР и защищенные авторскими свидетельствами // Растительные ресурсы. – 1990. – Т. 26. - №2. – С. 291-294.

7. Избранова С.И. сборник лабораторных работ по курсу биологической химии. – Славянск-на-Кубани: издательский центр СГПИ, 2007. – 65с.

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

9. Пастушенков Л. В. Лекарственные растения. Использование в народной медицине и в быту — СПб.: БХВ — Петербург, 2012. — 279 с.

10. Савченко А. А., Анисимова Е. Н., Борисов А. Г., Кондаков А. Е. Витамины как основа иммунометаболической терапии. — Красноярск: КрасГМУ, 2011. — 213 с.

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

12. Справочник биохимика: пер. с англ. [Текст]/ Р. Досон, Д. Элиот,У. Элиот

13. «ФС.2.5.0086.18. Фармакопейная статья. Одуванчика лекарственного корни» (утв. и введена в действие Приказом Минздрава России от 31.10.2018 N 749) («Государственная фармакопея Российской Федерации. XIV издание. Том IV»)

14. «ФС.2.5.0105.18. Фармакопейная статья. Чистотела большого трава» (утв. и введена в действие Приказом Минздрава России от 31.10.2018 N 749) («Государственная фармакопея Российской Федерации. XIV издание. Том IV»)

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

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

Приложения

Приложение 1. Сбор материала

П риложение 2. Проведение опытов