Содержание макро- и микроэлементов в листьях ореха грецкого (Juglans regia L.) (Южный Кыргызстан)

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №1. 2023

УДК 581.5                                        

Одной из важнейших проблем геохимической экологии является исследование элементного состава растений в условиях биогеохимических провинций [1, 11].

И. В. Мичурин называл грецкий орех деревом-комбинатом, т. к. абсолютно все его части используются человеком: спелые и незрелые плоды, скорлупа и перегородки, зеленый околоплодник и листья, кора, древесина, корни [2].

Орех грецкий ( Juglans regia L.) относится к семейству ореховые (Juglandaceae). Известно, что на территории Кыргызстана располагаются уникальные леса грецкого ореха. По своему хозяйственному значению они не имеют равных себе в мире. Орехово-плодовые леса с давних пор называют «жемчужиной» мирового значения, они выполняют, прежде всего, огромную почвозащитную и водорегулирующую функции [3].

Химический состав растений зависит от их наследственной природы и возраста, а также определяется почвенно-климатическими условиями, временем года и фазой развития [4, 11, 12]. Немаловажно при этом влияние увлажнения, которое закономерно возрастает с высотой местности и существенно изменяется в течение года. А. И. Перельман (1990) полагает, что в основном состав золы и соотношение в ней химических элементов определяются биологическими особенностями растения [5].

Изучение химического состава растений ореха грецкого в разных местообитаниях позволит глубже познать природу и экологию этой древесной породы [6].

Исследователями наибольшее внимание уделено химическому составу листьев, как наиболее энергично растущей части растения, в которой осуществляется активный приток питательных веществ, обусловливающий высокую их концентрацию. Кроме того, листья являются индикаторным органом и по их химическому составу можно судить об обеспеченности растений элементами питания. Понимание важности некоторых микроэлементов для нормального роста и развития растений сложилось только в этом столетии.

Микро- и макроэлементы, жизненно важные для растений - это такие, которые не могут быть заменены другими элементами в их специфической биохимической роли и имеют прямое влияние на организм, т.е. без них он не может ни расти, ни завершить некоторые метаболические циклы [7].

Накопление микро- и макроэлементов в растениях зависит от сроков сбора[8]. Очень важно, чтобы собранные листья развивались в условиях полного освещения. Известно, что химический состав листьев, изменяясь в процессе роста и развития, наиболее динамичен в течение вегетационного периода. Для исследования возможности применения этого сырья необходимо было изучить особенности его элементного состава. Для оценки экологической опасности загрязнения компонентов ландшафтов используют эталон сравнения: предельно допустимые концентрации — ПДК и кларки химических элементов. Последние в континентальной земной коре широко используются в качестве эталона для сравнения геохимических систем и оценки степени концентрации, вовлекаемых в процесс техногенеза химических элементов [9].

Цель исследований: изучить химический состав листьев ореха грецкого ( Juglans regia L.) и сравнивать литературными данными.

Материалы и методы исследования

Сбор растительных проб проведен в 2020–2022 гг., в Кара-Алминском и Арсланбобском орехово-плодовых лесах. Листья ореха грецкого для анализа собирали в мае–июне, характеризующихся произрастанием его в нижней (до 1400 м н. у. м.), средней (1400-1700 м н. у. м.) и верхней (выше 1750 м н. у. м.) зонах (лесорастительных поясах).

Сбор образцов проводили согласно методическим рекомендациям Б. М. Дженбаева, разработанными в Институте биологии НАН КР. Для анализов были собраны образцы по 10 листьев с 5 разных деревьев, по каждым лесорастительным зонам. Собранные образцы высушивали естественным способом до воздушно-сухого состояния по общепринятой методике. Содержание элементов в золе растений определялось эмиссионными спектральными методами анализа в Центральной лаборатории при государственном агентстве по геологии и минеральным ресурсам при Правительстве Киргизской Республики.

Содержание количеств микро- и макроэлементов в растениях сравнивали по А. Кабата-Пендиас [10] и с кларками в растениях по акад. А. П. Виноградову [7].

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования элементного состава в листьях ореха грецкого ( Juglans regia L.) на исследуемых участках приведено в Таблице.

По нашим исследованием содержание марганца (Mn) в листьях ореха грецкого составляет от 35 (верхняя зона, Арсланбобский орехово-плодовый лес) до 93 мг/кг (верхняя зона, Кара-Алминский орехово-плодовый лес). Большинство растений испытывает вредное воздействие марганца при его содержании около 500 мг/кг сухой массы, так как содержится в пределах нормы.

Содержание никеля (Ni) в листьях ореха грецкого колебалось в пределах 0,2-0,3 мг/кг. Токсичный уровень Ni для большинства растительных видов изменяется от 10 до 100 мг/кг. По содержанию элемента очень низкий уровень был отмечен на всех исследуемых участках.

Согласно нашим результатам титан (Ti) содержится в листьях ореха грецкого от 20 до 200 мг/кг. По известным данным уровни содержания Ti в растениях изменяются от 0,15 до 80 мг/кг сухой массы. Наибольшие содержание отмечено в нижнем зоне — 100 мг/кг и в среднем зоне — 200 мг/кг в Кара-Алминских орехово-плодовых лесах.

Согласно нашим исследованиям, содержание хрома (Cr) менялось от 0,6 до 1,2 мг/кг, известно, что в растениях значения по данному элементу составляют 0,02–0,20 мг/кг сухой массы, так как до 6 раз выше по сравнению с другими растениями.

Таблица РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ЛИСТЬЕВ ОРЕХА ГРЕЦКОГО ( Juglans regia L.), мг/кг, г/кг

* s		*	* 6	* s	* s U	*	*     *     « * o5 Cq Q 00	*	* * f	* *	* * d	* *	* *
							Нижняя зона 1200-1400	м
Арсланбоб
73	0,2	20	0,7	1	2,4	0,3	550   30    12   9	1,2	>7	0,7	>18,3	7	>7
Кара-Алма
63	0,3	100	0,8	0,4	3,5	0,8	630   63    14   14	2	8,4	2,1	>21	>8,4	>8,4
							Средняя зона 1400-1700	м
Арсланбоб
38	0,3	20	1,2	0,9	4	0,5	690   40    15   23,1	2,3	>9	1,2	>23,1	>9,2	>9
Кара-Алма
50	0,2	200	0,9	0,5	3,6	2	500   108   14   21,6	1,4	6,5	3,6	>21,6	8,6	>8,6
							Верхняя зона выше 1700	м
Арсланбоб
35	0,2	30	0,6	0,4	3	0,8	450  25   10   7,5	0,5	>6	1	>15	>6	>6
Кара-Алма
93	0,2	20	1	2	3	0,3	560  31   12   7,4	0,7	7,4	0,9	>18,6	5,6	>7,4

* - мг/кг; ** - г/кг

Содержание молибдена (Мо) колебалось в пределах 0,4-2 мг/кг. Нормальные уровни содержания молибдена в тканях листьев обычно составляют 1 мг/кг сухой массы или менее. Наибольшие значения отмечены на участке в верхней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб.

Содержание меди (Cu) в листьях ореха грецкого варьировали от 2,4 до 4 мг/кг. По имеющимся данным в золе разнообразных растений Cu содержится 5-1500 мг/кг. По содержанию элемента низкий уровень был отмечен на нижней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб.

Концентрации свинца (Pb) составляет от 0,3 до 2 мг/кг. Естественные уровни содержаний Рb в растениях из незагрязненных и безрудных областей постоянны и лежат в пределах 0,110,0 мг/кг сухой массы (в среднем 2 мг/кг), так как содержание свинца имеется в пределах нормы.

Содержание фосфора (P) в листьях ореха грецкого составляет от 450 до 690 мг/кг. По данным Самусенко значительные количества фосфора в листьях ореха отмечаются лишь в мае (0,22–0,33%) или 2200-3300 мг/кг.

Согласно полученным результатам содержание стронция (Sr) варьировали от 25мг/кг до 108 мг/кг. Самый высокий показатель Sr (108 мг/кг) определен в средней зоне ореховоплодового леса Кара-Алма, а самый низкий (25 мг/кг) — в верхней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб. Концентрация Sr в растениях очень изменчива, по известным данным в литературе до 15 000 мг/кг золы. Токсичный уровень Sr для растений составляет 30 мг/кг.

Барий (Ва) содержится в листьях от 10 до 15 мг/кг. Количество Ва может быть в пределах 1–198 мг/кг сухой массы, о токсичных концентрациях Ва в растениях немного данных, так как содержание бария имеется в пределах нормы. Содержание кремния (Si) в виде соединений варьировали в листьях ореха грецкого от 7,4 до 23,1 мг/кг. Известно, что растения содержат Si до 10% сухой массы в шелухе и до 15% (на массу золы) в листьях.

Алюминий содержится в виде соединений в листьях ореха грецкого от 0,5 до 2,3 г/кг (2300 мг/кг). По имеющимся сведениям его значения в высших растениях могут быть около 200 мг/кг сухой массы. Однако содержание этого элемента в растениях широко варьируется в зависимости от почвенных и растительных факторов. Некоторые виды, накапливающие А1, могут содержать его более 0,1% (на сухую массу). По имеющимся данным значения этого элемента в листьях ореха грецкого достигают 0,08-0,11% (800-1100 мг/кг).

Содержание железа (Fe) в виде соединений в листьях ореха грецкого колебалась от 0,7 до 3,6 г/кг (3600 мг/кг). Наибольшее количество обнаружено на участке в средней зоне орехово-плодового леса Кара-Алма.

В золе различных растений содержание железа изменяется в пределах 220-1200 мг/кг [9], по данным Самусенко 0,11-0,15% (1100-1500 мг/кг). Содержание магния (Mg) в виде соединений варьировали в листьях ореха грецкого от 6 до 9 г/кг (9000 мг/кг), известны значения от 0,18 до 0,41% (1800-4100 мг/кг). Наибольшие значения отмечены на участке в средней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб.

Содержание кальция (Ca) в виде соединений составляли в листьях ореха грецкого от 15 до 23,1 г/кг (23100 мг/кг) по всем зонам. В листьях ореха, произрастающего в верхней части лесного пояса, относительно меньше содержится кальция и магния, так как орех растет здесь на выщелоченных от карбонатов почвах, 1,23-2,62% (12300-26200 мг/кг), так как содержание кальция имеется в пределах нормы.

Содержание натрия (Na) в листьях ореха грецкого от 5,6 до >9,2 г/кг (9200 мг/кг). По имеющимся сведениям его в листьях ореха грецкого 0,22-0,30 % (2200-3000 мг/кг) [6].

Наибольшие значения отмечены на участке в средних зонах обеих орехово-плодовых лесах (Арсланбоб и Кара-Алма). Калий (K) в виде оксида содержится от 6 до 9 г/кг (9000 мг/кг) по всей зоне. По данным Самусенко в начале вегетации в листьях накапливается максимальное количество калия и содержится 1,44-2,10% (14400-21000 мг/кг) [6].

Содержание количеств некоторых элементов (К, Na, Mg, Ca, Fe, Al) мы сравнивали с кларками в других растениях по акад. А. П. Виноградову, как показано в Таблице 2.

Таблица 2

СРАВНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В ЛИСТЬЯХ ОРЕХА ГРЕЦКОГО ( Juglans regia L.) С КЛАРКОМ, мг/кг (среднее за 2020-2022 гг.)

Элемент	Среднее содержание элементов в листьях	Кларк по А. П. Виноградову [1962]
Калий К	9000	25000
Натрий Na	9200	25000
Магний Mg	9000	18700
Кальций Ca	23100	29600
Железо Fe	3600	46500
Алюминий Al	2300	80500

Сравнение кларком и некоторых элементов с другими растениями по акад. А. П. Виноградову, превышения кларка не отмечались на всех участках орехово-плодовых лесах, но по сравнению с фонами немного выше в отдельных участках. Химический состав листья ореха грецкого зависит в основном от места произрастаний, от почвенного покрова и от загрязненности окружающей среды обитания. А разное содержание количество элементов на прямую связана от почвенных факторов и видового состава растительного покрова (Рисунок).

Нижняя зона

Средняя зона

Верхняя зона

Рисунок. Среднее содержание элементов (Mn,

Cu, Pb, P) в листьях ореха грецкого

( Juglans regia L.) по зонам произрастания

Количество микроэлементов, поступающее в растение, неодинаково. Оно зависит от почвенных, климатических условий, а также, территорий используемых для рекреационных целей. Как видно из Рисунка, листья ореха грецкого (Juglans regia L.) естественно произрастающих орехово-плодовых лесах Кара-Алма содержат марганца (Mn) на 20 мг/кг больше, чем орехово-плодовых лесах Арсланбоб, количество меди (Cu) на 0,23 мг/кг больше в орехово-плодовых лесах Арсланбоб, количество свинца (Pb) на 0,50 мг/кг больше в орехово- плодовых лесах Кара-Алма по сравнению листьями ореха грецкого собранные на территории Арсланбоб. Среднее количество содержания фосфора (P) равны в обоих орехово-плодовых лесах.

Выводы

Полученные результаты наших исследований показывают высокое значение Sr (108 мг/кг) в средней зоне орехово-плодового леса Кара-Алма и сравнительно низкое (25 мг/кг) в верхней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб. В средней зоне Арсланбоб до 3,5 раза выше токсичной концентрации. Содержание никеля (Ni) в различных исследуемых зонах варьирует незначительно, отмечалось наименьшее количество (0,2 мг/кг).

Хром (Cr) в листьях на разных участках отмечен от 0,6 до 1,2 мг/кг, что до 6 раз выше по сравнению с другими растениями. Наибольшее количество обнаружено молибдена (Мо) в верхней зоне орехово-плодового леса Арсланбоб по сравнению с другими изученными участками в 2 раза больше, чем в растениях. Наибольшее содержание титана (Ti) отмечено в нижнем — 100 мг/кг и в среднем поясе — 200 мг/кг в Кара-Алминских орехово-плодовых лесах, что в 1,5–2,5 раза выше по сравнению с другими растениями.

Максимальное количество железа (Fe) обнаружено в средней зоне орехово-плодового леса Кара-Алма, что в 3 раза выше по сравнению со средней пробой растительного покрова других зон и литературными данными.

В целом данные исследований могут использоваться при оценке качества плодов ореха грецкого, а также при заготовке лекарственного сырья.

Таким образом, анализируя вышеуказанные данные, даются рекомендации по изучению сезонной изменчивости элементного состава листьев ореха грецкого ( Juglans regia L ).