V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние урбосреды на накопление дубильных веществ в органах рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферный воздух в последние десятилетия интенсивно загрязняется путем привнесения в него или образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровень естественного содержания. (Воскресенская и др., 2005). Это одно из наиболее опасных последствий научно-технической революции и использования человеком ископаемого топлива.
Одним из основных загрязнителей атмосферы является автотранспорт. Доля транспортного загрязнения воздуха составляет более 60% по CO и более 50% по NOX от общего загрязнения атмосферы этими газами. Повышенное содержание CO и NOX можно обнаружить в выхлопных газах неотрегулированного двигателя, а также двигателя в режиме прогрева (Алексеев, 1996).
Огромная роль в очистке атмосферного воздуха отводится растениям. Не случайно в последнее время в практике озеленения городов все чаще используются более устойчивые к антропогенному загрязнению виды растений (Майснер, 1981).
Главные функции зеленых насаждений современного города – санитарно-гигиеническая, рекреационная, структурно-планировочная и декоративно-художественная. Обязательные требования к системе озеленения – равномерность и непрерывность. Основными элементам системы озеленения города являются парки, сады, озелененные территории жилых и промышленных районов, набережные, бульвары, скверы и защитные зоны. (Зарубин, Новиков, 1986).
Зеленые насаждения улучшают микроклимат городской территории, создают хорошие условия для отдыха на открытом воздухе, предохраняют от чрезмерного перегревания почву, стены зданий и тротуары. В тени сада в жаркий день температура воздуха на 7-8° С ниже, чем на открытом месте.
Многие растения выделяют фитонциды. Некоторые из них обладают бактерицидной способностью - уменьшают содержание бактерий в воздухе. Активными источниками фитонцидов являются белая акации, береза, ива повислая, дуб зимний и красный, ель колючая, тополь пирамидальный, рябина обыкновенная и др.
Зеленая листва, красочная гамма цветущих растений, аромат их, причудливая игра света и тени, успокаивающий шелест листвы - все это создает у человека приятное ощущение покоя, снимает нервное напряжение, улучшает настроение.
Зеленые насаждения поглощают из воздуха не только углекислый газ, но и очищают атмосферу от угарного газа, сводят его концентрацию к естественной - порядка 0,00001 %.
В нашей стране разработаны основные принципы подбора и выращивания зеленых насаждений, устойчивых к различным промышленным выбросам, обладающих высокой газо- и пылеустойчивостью (Михеев, 1987). Например, одно взрослое дерево каштана конского (Aesculus hippocastanum L.) очищает от автомобильных выхлопных газов воздушный объем высотой 10 м, шириной 20 м и длиной 100 м. Каштан конский разлагает ядовитые вещества выхлопных газов, при этом сам не страдает от загрязненной атмосферы.
Для посадок в черте города рекомендуются различные виды рода тополь. Они неприхотливы к условиям обитания, хорошо чувствует себя везде, где в почве довольно влаги, растут быстрее других пород, в хороших условиях за год вырастают на 2 м. У тополей практически нет конкурентов по силе преобразующего воздействия на среду. Они превосходят все древесные породы по продуцированию кислорода, дымо- и газоустойчивости, а также по поглощению вредных газов, регулированию температурного и ветрового режимов. Только пух, который летит с тополя в период плодоношения, причиняет людям беспокойство, но это продолжается всего 10 дней. В остальное время тополя только очищают атмосферу от пыли и газов. (Новиков, 1987).
Хорошо адаптирована к условиям города рябина обыкновенная. Она способна накапливать в листьях ионы тяжелых металлов и другие вредные вещества, поступающие в растение из почвы (Радкевич, 1998).
По классификации Г.М. Илькуна (1978) рябина обыкновенная относится к деревьям, обладающим фитонцидными свойствами. По данным Д.А. Сабинина (1955) масса осаждаемой пыли на рябине обыкновенной составляет 46 гсут, а масса улавливаемых газообразных веществ – 0.8 гсут.
Рядом ученых было установлено, что в условиях урбанизированной среды у растений изменяются не только морфологические параметры, но скорость и направление физиолого-биохимических процессов. Особенно это касается образования метаболитов, повышающих стрессоустойчивость организма.
Целью работы является изучение особенностей накопления дубильных веществ в разных органах рябины обыкновенной в условиях урбанизированной среды.
В соответствии с целью нами были определены задачи:
Определить содержание дубильных веществ в побегах, сложных листьях и плодах рябины обыкновенной.
Исследовать изменение концентрации дубильных веществ у рябины обыкновенной, произрастающей в условиях урбанизированной среды.
Гипотеза.В условиях загрязнения среды содержание дубильных веществ в вегетативных и генеративных органах рябины обыкновенной увеличивается, что является проявлением одного из защитных механизмов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Общая характеристика дубильных веществ
Дубильные вещества— группа весьма разнообразных и сложных по составу растворимых в воде органических веществ ароматического ряда, содержащих гидроксильные радикалы фенольного характера. Дубильные вещества широко распространены в растительном царстве, обладают характерным вяжущим вкусом. Они способны осаждаться из водного или водно-спиртового раствора раствором клея, а с солями окиси железа давать различных оттенков зеленые или синие окрашивания и осадки (чернильного свойства).
Распространение в природе.
В растениях (в коре, древесине, корнях, листьях, плодах) они являются или как нормальные продукты их жизнедеятельности, или же составляют более или менее значительную часть болезненных наростов (патологические дубильные вещества), образующихся на листьях и других органах некоторых видов дуба и сумаха вследствие укола, производимого насекомыми.
Свойства.
Дубильные вещества в основном аморфны, имеют более или менее ясно выраженный кислотный характер и обладают замечательным свойством дубить кожу (шкуры), то есть отнимать у них в значительной мере способность к гниению и затвердеванию при высыхании.
Будучи веществами легко окисляющимися, они в присутствии щелочей буреют, поглощая кислород воздуха, и во многих случаях действуют восстановительно, например, на соли благородных металлов, а некоторые и на Фелингову жидкость.
Способы получения.
Для получения дубильного вещества в чистом состоянии природные дубильные материалы экстрагируют водой или другими растворителями: крепким или слабым спиртом, чистым эфиром или в смеси со спиртом, уксусным эфиром и т.п.; экстракты выпаривают, и получаемые в остатке дубильные вещества очищают с помощью обработки их теми или другими из указанных растворителей. Чаще, приготовив водный или водно-спиртовый экстракт, извлекают из него дубильное вещество взбалтыванием с уксусным или простым эфиром или с их смесью или же осаждают уксуснокислым свинцом и, отфильтровав, разлагают осадки свинцовых соединений сернистым водородом. Пользуются иногда для осаждения дубильных веществ из водных экстрактов уксуснокислым хинином, уксуснокислою медью, рвотным камнем, поваренною солью, соляной кислотой и др. Для очищения прибегают иногда к помощи диализа, дающего с танином хорошие результаты.
Танин, галлодубильная кислота, имеет состав C14H10O9; представляет собой аморфный порошок вяжущего вкуса, растворимый в воде, спирте и уксусном эфире, нерастворимый в эфире, бензоле и др.; оптически недеятелен; дает с хлорным железом в водном растворе черно-синий осадок, что применяется как качественная реакция на соли окиси железа; легко окисляется, поглощая в присутствии щелочей кислород из воздуха и восстановляя закись меди из солей ее окиси и соли серебра; осаждается из водных растворов клеем, сырой кожей, алкалоидами, альбуминатами, слабыми соляной и серной кислотами и многими солями. Танин разлагает углекислые соли, обнаруживая ясно кислотные свойства.
Танин находит обширное применение в медицине, в производстве чернил, красильном деле, для получения галловой кислоты и пирогаллола, но для дубления кож не применяется.
2. Характеристика районов исследования
Исследования проводили в августе-сентябре 2017 г. на территории г. Йошкар-Олы. Нами были исследованы растения, произрастающие в следующих районах города, которые различались по степени загрязнения окружающей среды:
1) сквер Республиканской больницы – условно взят в качестве контроля
2) ул. Кирова, 11 - среднезагрязненный
3) парк «ЗПП» - среднезагрязненный
4) ул. Советская, 97 - слабозагрязненный
5) ул. Краснофлотская, 26 - слабозагрязненный (рис. 1).
Рис. 1 – Районы исследования
В каждом районе исследования с пяти близкорастущих деревьев, с южной стороны, с нижней части кроны, на высоте 1,6 м, брали по 5 побегов текущего года (длиной 15 см), по 10 сложных листьев, по 50 плодов с каждого. Материал для исследования отбирали с генеративных особей, в возрасте 30 лет. Всего было проанализировано: 125 побегов текущего года, 250 сложных листьев и 1250 плодов.
3. Морфо-биологические особенности объекта исследований
Распространена рябина обыкновенная на всей территории европейской части СНГ, на Кавказе, Дальнем Востоке, Камчатке, в Сибири, Приамурье, горах Казахстана и Кыргызстана. Растет по берегам рек, озер, на полях, вдоль дорог, в подлеске хвойных и смешанных лесов, по лесным опушкам, высаживают ее в скверах, парках, садах. При недостатке света плохо развивается и почти не дает плодов; выдерживает холод и засуху. Растет быстро, за год вырастает в среднем на 0,5 м.
Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.) - листопадное дерево семейства розоцветных (Rosaceae), высотой до 20 м (в основном 4-6 м), реже кустарник с поверхностной корневой системой (рис. 2). Крона округлая, ажурная. Кора серая, гладкая, молодые ветви пушистые. Листья очередные, непарноперисто-сложные, продолговатые или продолговато-ланцетные. Молодые листья снизу опушенные, поздние голые. Цветки белые или розоватые, многочисленные, собранные в сложные щитковидные соцветия диаметром до 10 см; соцветия располагаются на концах укороченных побегов. При цветении источается неприятный запах (причиной тому газ триметиламин). Цветоложе урноподобной формы - чашечка из пяти широкотреугольных реснитчатых чашелистиков. Венчик белый (0,8-1,5 см в диаметре), лепестков пять, тычинок много, пестик один, столбиков три, завязь нижняя. Цветет в мае – июне. Почки войлочно-пушистые. Плоды - шаровидные, яблокообразные, ярко-красные или оранжево-красные, сочные. Семена красноватые, серповидно изогнутые, острые на конце. Плоды созревают в сентябре - октябре и обычно остаются на деревьях до глубокой зимы.
Плодоносит рябина обыкновенная с 5-7-летнего возраста ежегодно. Хороший урожай рябины обыкновенной обычно наблюдается раз в 1-3 года, наибольший урожай дает с 35-40 лет. Одно дерево может дать до 80-100 кг плодов. Размножается семенами и корневыми отпрысками. Живет до 200 лет.
Применение. В рябине обыкновенной много дубильных веществ и сорбиновой кислоты, обладающей очень сильными бактерицидными свойствами.
Ягоды рябины обыкновенной издавна использовались в качестве противоцинготного средства. Они являются природным поливитаминным комплексом, прекрасным общеукрепляющим средством.
Растение обладает противовоспалительным, кровоостанавливающим, капилляроукрепляющим, витаминным, вяжущим, легким слабительным, потогонным, мочегонным действием, понижает кровяное давление, повышает свертываемость крови (Подымов, 1978).
Рис. 2 – Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.):
Обозначения: 1 - общий вид; 2 - побег с почками; 3 -соцветие; 4 - ветвь с листьями и плодами; 5 - плод в поперечном разрезе.
4. Определение дубильных веществ объемным методом
В основу этого метода положен принцип окисления дубильных веществ KMnO4 в присутствии индигокармина. Метод широко применяется в лабораторной практике как наиболее простой и не требующий большой затраты времени (Петров, 1978).
Титрование вели со скоростью одной капли в секунду до появления слабо-розовой окраски, хорошо заметной по краям чашки. Цвет смеси постепенно менялся: из синего он становился темно-зеленым, светло-зеленым, зеленовато-желтым, а затем и золотисто-желтым (рис. 3). При этом титровании KMnO4 окисляет все вещества, которые могут окисляться, кроме дубильных и красящих, предварительно поглощенных углем.
Содержание дубильных веществ (в %) вычисляли по формуле:
x = , где
(a-b) – разность между объемами 0,05 н. раствора KMnO4, израсходованными на титрование в первом и втором опытах, мл;
0,004157 – коэффициент пересчета результата титрования в дубильные вещества (1 мл 0,1 н. раствора KMnO4 соответствует 0,004157г дубильных веществ); – общий объем вытяжки, мл; - объем фильтрата, взятого для анализа, мл; - навеска исследуемого продукта, г. (Петров, 1978)
Рис. 3. Определение дубильных веществ
Результаты обрабатывали статистически по программе «Статистика» (разработчик В.Л. Торопов). Рассчитаны среднее арифметическое и его ошибка, коэффициент вариации. Сравнение выборок проводили с помощью t-критерия Стьюдента. В работе принят уровень значимости Pплоды>сложные листья.
6. Влияние условий произрастания на содержание дубильных веществ у рябины обыкновенной
Рядом авторов было обнаружено, что в условиях стресса у растений увеличивается содержание фенольных соединений в тканях. Дубильные вещества относятся к полимерным фенольным соединениям. Мы предположили, что в условиях загрязнения окружающей среды выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, содержание дубильных веществ в плодах, побегах и сложных листьях рябины обыкновенной будет увеличиваться.
Как показали результаты наших исследований, наибольшее содержание дубильных веществ было в побегах текущего года у особей, произрастающих в сквере завода «ЗПП» и по ул. Краснофлотская, 26 (рис. 8). Меньше дубильных веществ содержалось в коре растений, произрастающих по ул. Советская, 97 и ул. Кирова, 11. Наименьшее количество дубильных веществ было обнаружено в побегах растений, произрастающих в сквере Республиканской больницы.
Рис. 8 – Изменение содержания дубильных веществ в побегах рябины обыкновенной в разных районах г. Йошкар-Олы
В тоже время, при анализе содержания дубильных веществ в плодах рябины обыкновенной нами была выявлена другая зависимость. Так, наибольшие значения данного показателя были отмечены у растений, произрастающих по ул. Кирова, 11.
В дальнейшем по мере уменьшения содержания дубильных веществ в плодах исследуемого вида районы исследования располагались следующим образом: ул. Краснофлотская, 26>ул. Советская, 97>парк «ЗПП». Наименьшее количество дубильных веществ было обнаружено в плодах растений, произрастающих в сквере Республиканкой больницы (рис. 9).
Рис. 9 – Изменение содержания дубильных веществ в плодах рябины обыкновенной в разных районах г. Йошкар-Олы
При анализе содержания дубильных веществ в листьях рябины обыкновенной нами было обнаружено, что наибольшими значениями характеризовались растения, произрастающие в парке «ЗПП», на втором месте были растения, произрастающие в сквере Республиканской больницы. Меньше дубильных веществ содержалось в листьях особей в районе ул. Кирова, 11 и ул. Советская, 97. Наименьшая концентрация дубильных веществ была обнаружена сложных листьях исследуемого вид в районе ул. Краснофлотская, 26 (рис. 10).
Рис. 10 – Изменение содержания дубильных веществ в сложных листьях рябины обыкновенной в разных районах г. Йошкар-Олы
Таким образом, нами не было выявлено зависимости увеличения содержания дубильных веществ в условиях загрязнения окружающей среды. Для того чтобы выяснить влияние антропогенных факторов на особенности синтеза и накопления вторичных метаболитов, в частности дубильных веществ, и особенности их трансформации, необходимо продолжить исследования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, выдвинутая нами ранее гипотеза не подтвердилась. Наибольшее количество дубильных веществ было обнаружено в сложных листьях рябины обыкновенной. При антропогенном загрязнении урбосреды содержание дубильных веществ в различных органах исследуемого вида не увеличивалось.
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Концентрация дубильных веществ у рябины обыкновенной составила 3,1-7,7%. По мере увеличения содержания дубильных веществ исследуемые органы растений располагались следующим образом: побеги текущего года > плоды > сложные листья.
2. Наибольшее содержание дубильных веществ было в побегах текущего года у особей, произрастающих в сквере завода «ЗПП» и по ул. Краснофлотская, 26.
По мере снижения количества дубильных веществ в плодах sórbus aucupária районы исследования располагались следующим образом: ул. Кирова, 11>ул. Краснофлотская, 26>ул. Советская, 97>парк «ЗПП» >сквер Республиканкой больницы.
Максимальная концентрация дубильных веществ была в сложных листьях особей, произрастающих в парке «ЗПП», а наименьшая – по ул. Краснофлотская, 26.
3. При увеличении уровня загрязнения урбосреды количество дубильных веществ не возрастало, что, по-видимому, объясняется невысоким уровнем антропогенного загрязнения территории г. Йошкар-Олы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Алексеев, С.В. Практикум по экологии/ C.В.Алексеев, Н.В.Груздева, А.Г. Муравьев, Э.В. Гущина. М.: АО МДС, 1996.
Воскресенская, О.Л. Организм и среда: факториальная экология/ О.Л.Воскресенская, Е.А.Скочилова, Е.А.Алябышева, Е.В.Сарбаева. Мар.гос.ун-т.- Йошкар-Ола, 2005. – 175 с.
Зарубин, Г. П. Гигиена города/ Г.П. Зарубин, Новиков Ю.В. М.: Медицина, 1986. – 272 с.
Илькун, Г.М. Загрязнение атмосферы и растения/ Г.М. Илькун. – Киев: Наукова думка, 1978. – 248 с.
Майснер, А.Д. Жизнь растений в неблагоприятных условиях./ А.Д.Майснер. – Мн.: Выш. Школа, 1981.- 96 с.
Михеев,А.В. Охрана природы./ А.В.Михеев, Галушин В.М.– М.: Просвещение, 1987. – 256 с.
Новиков, Ю.В. Охрана окружающей среды. – М.: Высш. Школа, 1987. – 287 с.
Петров, К.П. Методы биохимии растительных продуктов / К.П. Петров. – К.: «Вища школа», 1978. – 224 с.
Сабинин, Д.А. Физиологические основы питания растений/ Д.А.Сабинин. –М.: Изд. АН СССР, 1955 – 336 с.
Радкевич,В.А. Экология/ В.А. Радкевич. – Мн.: Высшая школа, 1998. – 159 с.
http://lekmed.ru/lekarstva/lekarstvennye-rasteniya/ryabina-obyknovennaya.html
http://www.florets.ru/tselebnye-plody-i-yagody/ryabina-obyknovennaya.html;
http://medicalherbs.sci-lib.com/herbs137.html
http://pascal-entering.ru/wiki/index.php