Интенсивность переноса тяжелых металлов и мышьяка из почв в лекарственные растения синантропной флоры Воронежской области

Введение. В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивая тенденция к росту использования лекарственных препаратов и биологически активных добавок природного происхождения, особенно растительного. Так, в настоящее время фармацевтический рынок РФ насчитывает около 20 тыс. только лекарственных средств, из которых 30 % – препараты растительного происхождения, и почти 8 тыс. БАД на основе лекарственного растительного сырья (ЛРС) [1, 2].

С учетом высокой стоимости большинства зарубежных лекарственных средств в РФ наблюдается рост спроса на отечественные препараты, в числе которых ведущее место по объемам продаж в количественном выражении занимают препараты растительного происхождения. Такой высокий интерес к препаратам из лекарственного растительного сырья связан прежде всего с мягкостью и широтой терапевтического действия, возможностью минимизации побочных действий и аллерги-зации, возможностью длительного приема фитопрепаратов, что особенно актуально при хронических заболеваниях, а также значительной эффективностью и относительной безопасностью. С началом рыночных реформ в РФ произошло резкое изменение товарной структуры в пользу дикорастущего лекарственного сырья, удельный вес которого уве- личился с 51,8 % в советское время до 83,2 % в наши дни [2].

При этом большинство эксплуатируемых ресурсов дикорастущих лекарственных растений расположено в зоне активной хозяйственной деятельности человека, на доступных в транспортном отношении территориях. К ним относятся зоны, прилегающие к населенным пунктам, автомобильным и железным дорогам, сельскохозяйственным полям и фермам, промышленным предприятиям. Экотопы этих территорий подвержены активному воздействию загрязняющих веществ. Произрастая в неблагоприятных экологических условиях, растения накапливают несвойственные для них химические вещества либо вещества в несвойственных растениям концентрациях. Загрязненное лекарственное растительное сырье и фитопрепараты, полученные из такого сырья, являются одним из источников поступления экотоксикантов в организм человека [3–5].

Классификация элементов на биогенные и токсичные весьма условна и часто определяется их концентрацией. Показатели нормальных концентраций элементов в ЛРС значительно варьируют в зависимости от вида растения, его фенологической фазы, адаптации к геохимическим условиям, анализируемых органов, типа почвы, содержания элемента в почве и др.

Термин «тяжелые металлы» в научной литературе определяется по разным критериям: плотность, атомная масса, токсичность, распространенность в окружающей среде, вовлеченность в трофические цепи и т.д. Таким образом, к тяжелым металлам причисляют порядка 40 элементов, которые можно отнести к потенциальным загрязнителям ЛРС, среди которых наиболее опасными являются свинец, ртуть, кадмий, никель, хром, кобальт, медь, цинк [6].

Многочисленные экологические исследования токсичных элементов, содержащихся в ЛРС из различных регионов РФ, стран СНГ и ближнего зарубежья, выявили значительное варьирование их концентраций в сырье и фитопрепаратах. Зачастую такие элементы являются важными компонентами нормальных биохимических и физиологических процессов в растительных организмах, но при увеличении их концентраций становятся токсичными и приводят к нарушению обмена веществ. При этом в исследованиях показана физиологическая и биохимическая возможность ряда высших растений избирательно накапливать биогенные элементы в необходимых концентрациях и тормозить избыточную аккумуляцию фитотоксичных веществ [7, 8].

Центральное Черноземье – один из важнейших районов растениеводства и земледелия. Широкое освоение минеральных ресурсов, активная химизация сельского хозяйства, расширение производственных площадей и транспортной инфраструктуры, последствия чернобыльской аварии актуализировали вопрос снабжения различных отраслей промышленности безопасным и эффективным растительным сырьем. Таким образом, значительное, ежегодно возрастающее влияние токсичных химических элементов на растительные организмы обусловливает необходимость комплексной оценки эколого-гигиенического состояния ЛРС Воронежской области с учетом влияния хозяйственной деятельности человека [9, 10].

Цель исследования. Изучение особенностей накопления наиболее опасных тяжелых металлов и мышьяка в ЛРС, произрастающем как в традиционных местах заготовки, так и в антропогенно нарушенных экотопах Воронежской области.

Материалы и методы. В качестве объектов исследования использовали фармакопейные виды ЛРС, широко распространенные в средней полосе России, являющиеся характерными представителями как естественных растительных сообществ, так и синантропной растительности: листья крапивы двудомной (Urtica dioica L.), листья подорожника большого (Plantago major L.), цветки пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.), цветки липы сердцевидной (Tilia cordata Mill.), траву пустырника пятилопастного (Leonurus quinque-lobatus Gilib.), траву полыни горькой (Artemisia absinthium L.), траву тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.), траву гор ца птичьего (Polygonum aviculare L.), корни лопуха обыкновенного (Arctium lappa L.), кор- ни одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale F.H. Wigg.) [2, 11]. Также отбирали пробы верхних слоев почв (ВСП) (0–10 см от поверхности).

Выбор территорий для сбора образцов обусловлен особенностями воздействия человека (рис. 1): химические промышленные предприятия (рис. 1: 23, 24, 28); теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) (рис. 1: 27); атомная электростанция (АЭС) в г. Нововоронеж (рис. 1: 8); Международный аэропорт Воронежа им. Петра I (рис. 1: 30); улица г. Воронежа (ул. Димитрова) (рис. 1: 31); высоковольтные линии электропередач (ВЛЭ) (рис. 1: 9); Воронежское водохранилище (рис. 1: 29); малые го- рода (г. Борисоглебск (рис. 1: 25), г. Калач (рис. 1: 26)); зона значительного месторождения никелевых руд (рис. 1: 4); районы, находящиеся в зоне радиоактивного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС (рис. 1: 5–7); районы активного ведения сельского хозяйства (рис. 1: 10–22); фон (для сравнения) – заповедные территории (рис. 1: 1–3). Также проводили отбор проб вдоль дорог разной степени загруженности: лесная зона (рис. 1: 32) – трасса М4 «Дон», лесостепная зона (рис. 1: 33) – трасса А144 «Курск – Саратов», степная зона (рис. 1: 34) – трасса М4 «Дон», проселочная автомобильная дорогая малой загруженности (рис. 1: 35) и железная дорога (рис. 1: 36).

ИПЕЦКАЯ 1И.ПА1

Семилуки Никнедевиш

48-51

Земляне- Рамонь *

27-35    1

5.1РРЛ5 1

Усмань

.Краснолесный

20 Щучье

Рогачсыа

Истобное

. Новоронеж

У рыв

кд л Амише

Красно?

10 t.o

’Лиски

Каменка'

Алексеевка

Т агариил

Класть

Белолуцк-

Мордово

’ Уварове;

Зртнль21

. Жердеека

Ро?аанов> л

'П ЛИП МО

Т ернсв» а

Садовое , а 36-39 Ама ^^ ^^

Т аловая1 1

Рост о ши

Архангельское

Губари 14 . ^рибановский

25 орисоглебс»

2 •элПовори»#?

плачь-Колено u 4

’Ноеохоперск

Нижний' Кисляй

Еутур линовка     ,

Новониколаевс» ни

Урюпинск

4 4043

12 'Павловск

Подгоренскмй

п 18

Воробьев» а

Новоаннинский

'■’ Калач

Ольхов атка

"Лозовое

-Алексееве»; ая

''Россошь и

22-23 /^

Hof v>пая

44-47

Талы ^огучар

Журавя а

. '237

Камтсг.аирсь» j ,    -

Mapr.i.-cr-j (-'

1М и*

г ридша

Мигу пинская

•ОБЛАСТЬ

Межовская

° Слащева ая

Вешенскай

Серафимович

ВОРОНЕЖСКАЯ ОБЛАСТЬ

Рис. 1. Карта отбора образцов (цифровые обозначения расшифрованы выше)

Fig. 1. Sample collection

Анализ образцов ЛРС и почв производили на базе атомно-абсорбционного спектрометра МГА-915МД по фармакопейным методикам [12]. Каждое определение проводили троекратно. Данные, полученные в ходе исследо- ваний, статистически обрабатывали с помощью программы Microsoft Excel. В образцах определяли концентрацию наиболее токсичных элементов: свинца, мышьяка, ртути, кадмия, никеля, цинка, кобальта, хрома и меди.

Интенсивность переноса тяжелых металлов и мышьяка из почв в ЛРС оценивали с помощью коэффициентов накопления (КН):

КН =

С_ЛРС∙100

СВСП ,

где СЛРС – содержание элемента в ЛРС, мг/кг; СВСП – содержание элемента в ВСП, мг/кг [7–9].

Результаты и обсуждение. Валовое содержание всех определяемых тяжелых металлов и мышьяка, кроме никеля (в образце, отобранном вблизи ООО «Бормаш»), в ВСП не превышало ориентировочную допустимую концентрацию, что, вероятно, связано с относительно невысокими требованиями, предъявляемыми к распространенным на территории региона черноземам [13].

Все заготовленные образцы ЛРС соответствовали действующим нормативам по содержанию свинца, ртути и кадмия. По содержанию мышьяка не соответствовали фармакопейным требованиям 12 образцов травы полыни горькой, по 3 образца травы тысячелистника обыкновенного и листьев подорожника большого, 4 образца корней лопуха обыкновенного, 1 образец травы пустырника пятилопастного. Все они были заготовлены вблизи промышленных предприятий, транспортных магистралей и на улицах городов [14–23].

Результаты исследования особенностей накопления наиболее опасных тяжелых металлов и мышьяка в ЛРС, произрастающем в различных экотопах Воронежской области, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Table 1

Коэффициенты накопления тяжелых металлов и мышьяка в ЛРС синантропной флоры Воронежской области

Heavy metal and arsenic accumulation in medicinal plant raw materials, synanthropic flora of Voronezh region

ЛРС Medicinal plant raw materials	Коэффициенты накопления Accumulation ratio
	Pb	Hg	Cd	As	Ni	Cr	Co	Cu	Zn
Трава горца птичьего Рolygonum aviculare L.	0,06–0,42	0,01–0,40	0,00–0,75	0,06–0,83	0,08–1,16	0,07–0,62	0,06–0,49	0,29–1,37	0,44–2,69
	0,14	0,05	0,11	0,09	0,27	0,16	0,12	0,51	0,82
Трава полыни горькой Artemisia absinthium L.	0,03–0,22	0,04–0,80	0,06–6,22	0,24–3,25	0,05–0,67	0,03–0,55	0,02–0,14	0,38–3,85	0,62–2,23
	0,07	0,12	0,74	0,41	0,18	0,07	0,05	0,83	0,83
Трава тысячелистника обыкновенного Achillea millefolium L.	0,02–0,16	0,01–0,40	0,04–1,00	0,17–2,92	0,05–0,68	0,02–0,12	0,03–0,13	0,38–2,03	0,24–2,36
	0,07	0,06	0,17	0,27	0,16	0,05	0,06	0,61	0,53
Трава пустырника пятилопастного Leonurus quinquelobatus Gilib.	0,02–0,17	0,02–0,50	0,08–1,89	0,13–1,58	0,09–1,23	0,03–0,14	0,06–0,30	0,29–1,89	0,47–2,29
	0,07	0,07	0,47	0,19	0,27	0,07	0,10	0,54	0,76
Листья подорожника большого Plantago major L.	0,04–0,46	0,04–0,70	0,04–1,89	0,17–3,00	0,05–1,37	0,13–1,16	0,05–0,29	0,12–1,29	0,28–1,61
	0,11	0,12	0,48	0,33	0,29	0,27	0,12	0,24	0,56

ЛРС Medicinal plant raw materials	Коэффициенты накопления Accumulation ratio
	Pb	Hg	Cd	As	Ni	Cr	Co	Cu	Zn
Листья крапивы двудомной Urtica dioica L.	0,03–0,23	0,04–0,90	0,00–1,00	0,03–0,83	0,09–1,16	0,07–0,65	0,01–0,24	0,18–1,78	0,38–1,99
	0,07	0,13	0,05	0,10	0,28	0,23	0,09	0,33	0,60
Цветки липы сердцевидной Tilia cordata Mill.	0,01–0,08	0,00–0,20	0,00–0,50	0,01–0,08	0,01–0,78	0,00–0,07	0,01–0,10	0,05–0,75	0,30–1,95
	0,01	0,02	0,08	0,01	0,06	0,02	0,05	0,15	0,60
Цветки пижмы обыкновенной Tanacetum vulgare L.	0,01–0,07	0,00–0,30	0,04–1,00	0,01–0,33	0,04–1,57	0,00–0,10	0,01–0,15	0,15–1,13	0,32–1,92
	0,02	0,03	0,16	0,05	0,16	0,03	0,04	0,31	0,49
Корни одуванчика лекарственного Taraxacum officinale F.H. Wigg	0,09–0,59	0,02–0,50	0,11–6,00	0,12–1,67	0,04–1,35	0,20–1,49	0,52–2,66	0,14–1,48	0,58–2,49
	0,21	0,07	0,44	0,18	0,15	0,36	0,84	0,30	0,84
Корни лопуха обыкновенного Arctium lappa L.	0,11–0,90	0,02–0,50	0,28–2,14	0,18–2,58	0,06–1,16	0,16–1,14	0,33–1,90	0,20–2,38	0,42–2,87
	0,20	0,07	0,55	0,27	0,22	0,30	0,66	0,37	0,72

Примечание. В числителе – диапазон варьирования, в знаменателе – среднее значение.

Note. In the numerator – range of variation, in the denominator – mean value.

Рассчитанные средние коэффициенты накопления тяжелых металлов и мышьяка лекарственными растениями, а также ряд ранее проведенных исследований [14–23] позволяют судить о тропности в накоплении токсичных элементов некоторыми видами сырья. Так, свинец больше всего концентрируется в корнях одуванчика лекарственного и корнях лопуха обыкновенного, относительно высоки коэффициенты его накопления также в траве горца птичьего и листьях подорожника большого. Общий ряд убывания способности анализируемых видов ЛРС концентрировать свинец из почв выглядит следующим образом: корни одуванчика лекарственного → корни лопуха обыкновенного → трава горца птичьего → листья подорожника большого → трава полыни горькой, трава тысячелистника обыкновенного, трава пустырника пятилопастного, листья крапивы двудомной → цветки пижмы обыкновенной → цветки липы сердцевидной.

Концентрация ртути во всех видах сырья невысока, но тем не менее выявить особенности ее накопления также возможно. Наибольшей концентрирующей способностью к накоплению данного металла обладают листья крапивы двудомной, трава полыни горькой, листья подорожника большого. Ряд убывания способности анализируемых видов лекарственного растительного сырья аккумулировать ртуть из почв выглядит следующим образом: листья крапивы двудомной → трава полыни горькой → листья подорожника большого → трава пустырника пятилопастного, корни одуванчика лекарственного, корни лопуха обыкновенного → трава тысячелистника обыкновенного → трава горца птичьего → цветки пижмы обыкновенной → цветки липы сердцевидной.

Кадмий эффективнее всего накапливается в траве полыни горькой, корнях лопуха обыкновенного, листьях подорожника большого, траве пустырника пятилопастного и корнях одуванчика лекарственного. Общий ряд убывания способности анализируемых видов ЛРС концентрировать кадмий из почв выглядит следующим образом: трава полыни горькой → корни лопуха обыкновенного → листья подорожника большого → трава пустырника пятилопастного → корни одуванчика лекарственного → трава тысячелистника обыкновенного → цветки пижмы обыкновенной → трава горца птичьего → цветки липы сердцевидной → листья крапивы двудомной.

Лидерами по накоплению мышьяка являются трава полыни горькой, листья подорожника большого, трава тысячелистника обыкновенного и корни лопуха большого. Ряд убывания способности анализируемых видов ЛРС аккумулировать мышьяк из почв выглядит следующим образом: трава полыни горькой → листья подорожника большого → трава тысячелистника обыкновенного → корни лопуха большого → трава пустырника пятилопастного → корни одуванчика лекарственного → листья крапивы двудомной → трава горца птичьего → цветки пижмы обыкновенной → цветки липы сердцевидной.

Согласно проведенным исследованиям никель также активно накапливается в растениях. Наибольшую концентрирующую способность в отношении никеля проявили листья подорожника большого, листья крапивы двудомной, трава полыни горькой, трава горца птичьего, трава пустырника пятилопастного, корни лопуха обыкновенного. Общий ряд убывания способности анализируемых видов ЛРС концентрировать никель из почв выглядит следующим образом: листья подорожника большого → листья крапивы двудомной → трава полыни горькой → трава горца птичьего, трава пустырника пятилопастного → корни лопуха обыкновенного → трава полыни горькой → трава тысячелистника обыкновенного, цветки пижмы обыкновенной → корни одуванчика лекарственного → цветки липы сердцевидной.

Хром наиболее активно накапливается в корнях и листьях высших растений. Так, наибольшую аккумулирующую способность проявили корни одуванчика лекарственного, корни лопуха обыкновенного, листья подорожника большого, листья крапивы двудомной. Ряд убывания можно построить следующим образом: корни одуванчика лекарственного → корни лопуха обыкновенного → листья подорожника большого → листья крапивы двудомной → трава горца птичьего → трава полыни горькой, трава пустырника пятилопастного → трава тысячелистника обыкновенного → цветки пижмы обыкновенной → цветки липы сердцевидной.

Кобальт накапливается преимущественно в корнях растения. Так, корнями одуванчика лекарственного и корнями лопуха обыкновенного кобальт аккумулировался из почв в 8–10 раз активнее, чем другими анализируемыми видами ЛРС. Общий ряд убывания концентрирующей способности анализируемых видов лекарственного растительного сырья в отношении никеля можно построить следующим образом: корни одуванчика лекарственного → корни лопуха обыкновенного → листья подорожника большого, трава горца птичьего → трава пустырника пятилопастного → листья крапивы двудомной → трава тысячелистника обыкновенного → трава полыни горькой, цветки липы сердцевидной → цветки пижмы обыкновенной.

Медь значительнее всего накапливается в травах: траве полыни горькой, траве тысячелистника обыкновенного, траве пустырника пятилопастного, траве горца птичьего. Ряд убывания аккумулирующей способности анализируемых видов лекарственного растительного сырья в отношении меди выглядит следующим образом: трава полыни горькой → трава тысячелистника обыкновенного → трава пустырника пятилопастного → трава горца птичьего → корни лопуха обыкновенного → листья крапивы двудомной → цветки пижмы обыкновенной → корни одуванчика лекарственного → листья подорожника большого → цветки липы сердцевидной.

Цинк хорошо аккумулируется из почв почти всеми изучаемыми видами ЛРС, но лидерами по накоплению цинка можно назвать корни одуванчика лекарственного, траву полыни горькой, траву горца птичьего, траву пустырника пятилопастного, корни лопуха обык- новенного. Общий ряд убывания концентрирующей способности анализируемых видов лекарственного растительного сырья в отношении цинка можно построить следующим образом: корни одуванчика лекарственного → трава полыни горькой → трава горца птичьего → трава пустырника пятилопастного → корни лопуха обыкновенного → листья крапивы двудомной, цветки липы сердцевидной → листья подорожника большого → трава тысячелистника обыкновенного → цветки пижмы обыкновенной.

При анализе средних значений коэффициентов накопления тяжелых металлов и мышьяка всеми изучаемыми видами ЛРС можно построить общий ряд убывания аккумуляции определяемых элементов данными растениями: цинк → медь → кадмий → кобальт → никель → мышьяк → хром → свинец → ртуть.

Заключение. Проведены фундаментальные региональные эколого-фармакогностиче-ские исследования качества ЛРС на примере Воронежской области, изучены особенности накопления наиболее опасных тяжелых металлов и мышьяка в ЛРС синантропной флоры. Наиболее высокий уровень накопления свинца отмечен в корнях одуванчика лекарственного и лопуха обыкновенного, траве горца птичьего, листьях подорожника. Накопление ртути во всех изучаемых образцах в целом низкое, но более высокий уровень ее аккумуляции отмечается в листьях подорожника большого и крапивы двудомной, траве полыни горькой. Высокие коэффициенты накопления кадмия выявлены в травах полыни горькой и пустырника пятилопастного, корнях лопуха обыкновенного и одуванчика лекарственного, листьях подорожника большого. Мышьяк наиболее интенсивно аккумулируется в травах полыни горькой и тысячелистника обыкновенного, листьях подорожника большого, корнях лопуха обыкновенного. Никель интенсивно накапливается листьями подорожника большого и крапивы двудомной, травами пустырника пятилопастного и горца птичьего. Наиболее активными концентраторами хрома и кобальта являются корни; хром также активно накапливается в листьях изучаемых растений. Высоким накоплением меди отличаются травы. Цинк в наибольшей степени аккумулируется в исследуемых корнях и травах растений.

На основе анализа средних значений коэффициентов накопления тяжелых металлов и мышьяка всеми изучаемыми видами лекарственного растительного сырья построен общий ряд убывания аккумуляции определяемых элементов в синантропной флоре Воронежской области, который выглядит следующим образом: цинк → медь → кадмий → кобальт → никель → мышьяк → хром → свинец → ртуть.

Результаты исследования могут быть использованы при заготовке ЛРС для производства препаратов растительного происхождения.