Растительные ресурсы, 2020, T. 56, № 3, стр. 257-269

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования служили листья дикорастущих растений P. ginseng в возрасте 17–25 лет, собранные в конце вегетативного сезона в 11 природных лесных сообществах на территории Хасанского, Спасского, Шкотовского и Чугуевского административных р-нов Приморского края. Последние три р-на по ландшафтному районированию относятся к трем физико-географическим областям Сихотэ-Алинской среднегорно-низкогорной кедрово-широколиственной провинции: Чугуевский – к Средне-Сихотэалинской среднегорной кедрово-широколиственной; Спасский – к Уссури-Синегорской (Западно-Сихотэалинской) низкогорной, кедрово-широколиственной (в предгорьях широколиственно-дубняковой); Шкотовский – к Южноприморской среднегорной, кедрово-широколиственной, с грабом и пихтой цельнолистной [9]. Хасанский р-н принадлежит Хасанской низкогорно-равнинной широколиственной области Восточно-Маньчжурской провинции.

В связи с редкостью и ценностью изучаемого вида на анализ отбирали минимально необходимое количество листьев, которые закладывали и сушили в виде гербарных образцов. Для химического анализа были использованы навески воздушно-сухих смешанных проб из 7–10 листьев. Полученный объем фитомассы листьев позволил определить содержание макроэлементов в выборке из 11, а микро- и ультрамикроэлементов – из 8 природных местообитаний (популяций) P. ginseng. Анализ выполнен на содержание 53 химических элементов (ХЭ).

В ряде мест произрастания женьшеня, параллельно с растениями, были взяты образцы поверхностных горизонтов почв. Элементный анализ проб выполнен методом энерго-дисперсионной рентгенфлуоресцентной спектроскопии (РФА) на анализаторе EDX 800 HS-P (Shimadzu, Япония), оснащенном родиевым катодом, в формате количественного анализа в вакуумной среде с использованием государственных стандартных образцов сравнения (ГСО 901-76, ГСО 902-76, ГСО 903-76, ГСО 2498-83, ГСО 2499-83, ГСО 2507-83). Содержания элементов измеряли в соответствии с методикой М-02-0604-2007 в трехкратной повторности [10 ] . Для определения содержания K, Ca, S, Mg, P, Si, Cl в листьях навеску 0.3 г (минимально допустимую) запрессовывали в таблетку-излучатель (основа – 1.5 г борной кислоты). Спектры регистрировали по времени экспозиции 100 с в каждом энергетическом канале. Расчет концентраций производили по методу фундаментальных параметров с помощью программного комплекса спектрометра. Контроль результатов выполнен по стандартному образцу травосмеси Тр-1. Содержание остальных элементов определено методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) на спектрометре Agilent 7700 c (Agilent Technologies, США) после предварительного микроволнового разложения с HNO₃. Элементный состав образцов определен с помощью оборудования Центров коллективного пользования: Дальневосточный центр структурных исследований ИХ ДВО РАН, Приморский центр локального элементного и изотопного анализа ДВГИ ДВО РАН.

Статистическая обработка полученных аналитических данных осуществлена с использованием пакета стандартных программ Microsoft Exсel и STATISTICA 13.

Интенсивность накопления растениями химических элементов посредством корневого поглощения оценивалась с помощью коэффициента биологического накопления (КБН), который рассчитывается как отношение содержания элемента в растении к его содержанию в почве.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные по химическому составу листьев женьшеня, ранжированные по убыванию концентрации ХЭ, представлены в табл. 1. Ряд возглавляет Ca (кальций) и завершает Lu (лютеций), уровни содержания которых соответствуют 3.7% и 0.48 мкг/кг сухого вещества листьев. Наибольшая вариабельность содержания в зависимости от условий произрастания отмечена для Cd (186%), Ni (116%), Lu (106%). Самые стабильные показатели установлены в содержании Ca (19%), Sr (20%), B (21%) и Fe (23%). Обращает на себя внимание также тот факт, что бóльшей вариабельности подвержены содержания ультрамикроэлементов, а меньшей – макроэлементов.

Корреляционный анализ элементного состава листьев P. ginseng был выполнен для 8 макроэлементов (n = 11) и 29 микроэлементов (n = 7). Среди макроэлементов достоверные корреляционные связи (P < 0.05) обнаружены между парами Сa–S (r = 0.74), Mg–Si (r = 0.73), Na–Si (r = 0.89), Na–Mg (r = 0.82). Для микроэлементов анализ показал наличие значимых положительных зависимостей в 29 случаях. Наиболее тесные связи установлены между следующими элементами: Fe–Sr (r = 1.00), Mn–Ba (r = 1.00), Ge–Y (r = 0.99), Ni–Cd (r = 0.97), Ni–B (r = 0.94), Ni–Sb (r = 0.93), Sb–Pb (r = 0.93). Максимальное же число достоверных связей зафиксировано у Pb (6) и Sb (5), а также у B, Ni, Cd, Tl (4). Ассоциация наиболее тесно корреляционно связанных элементов образована Pb, Sb, Cd, Ni, Tl, B, которые, вероятно, и составляют основной “каркас” микроэлементного состава листьев P. ginseng. Интересно также отметить, что единственная достоверная отрицательная зависимость в выборке микроэлементов установлена между содержанием в листьях As и Rb (r = –0.79). А вот для Cu, Mo, Sn и Li на данном уровне существенности не выявлено достоверных корреляционных связей не с одним из рассматриваемых микроэлементов.

Значимых корреляционных связей между содержанием макро- и микроэлементов в листьях P. ginseng оказалось не так много. Они установлены между Si (r = 0.81), Na (r = 0.80), Mg (r = 0.79), с одной стороны, и Co – с другой. Содержание Mg связано, кроме того, с содержанием Be (r = 0.87) и Cu (r = 0.76). Из других макроэлементов достоверные корреляционные зависимости обнаружены у Сl – с Zn (r = 0.89), у P – с Fe и Sr (r = 0.77), а также Li (r = –0.79). Корреляционным анализом установлена также отрицательная связь между содержанием в листьях женьшеня калия, с одной стороны, и Al (r = –0.91), Ge (r = –0.80), Cs (r = –0.78), Y (r = –0.76) – с другой.

Полученный фактический материал позволил в какой-то мере оценить и региональную изменчивость элементного состава листьев разных приморских популяций P. ginseng. Для этих целей был использован коэффициент относительной интенсивности накопления химических элементов – ОИН. Он рассчитывается как отношение содержания элемента в том, или ином объекте, к его среднему содержанию в выборке. Вариабельность макроэлементного состава листьев женьшеня оценивали по выборке из 4-х популяций, микроэлементов – из 3-х популяций. Несмотря на то, что ограниченный фактический материал, связанный с природоохранным статусом и редкостью объекта наших исследований, не смог обеспечить высокую репрезентативность сравниваемых выборок данных, однако некоторые закономерности региональной специфики этого вида были выявлены.

В частности, было установлено, что содержание макроэлементов в сравниваемых популяциях достаточно стабильно (табл. 2), изменяясь по величине коэффициента вариации от 12% (Mg) до 40% (Сl). Значения коэффициентов ОИН для 7 макроэлементов, обнаруженных в листьях приморских популяций женьшеня, и их суммарное накопление представлены на рис. 1. Несколько бóльшая доля (16–20%) в сумме накопленных макроэлементов в Хасанской популяции приходится на P и S, в Спасской – на S, Mg и Si, в Шкотовской – на Cl и Ca, в Чугуевской – на K и Cl. Разница между максимальным (Шкотовская популяция) и минимальным (Чугуевская популяция) показателем суммарного накопления макроэлементов не превышает 1.3 раза.

Рис. 1.

Относительное накопление макроэлементов листьями P. ginseng в зависимости от мест произрастания. По горизонтали – региональные популяции; по вертикали – показатели относительного накопления элементов, отн. ед. Fig. 1. Relative accumulation of major elements by leaves of P. ginseng from different populations. X-axis – populations; y-axis – relative accumulation of elements, arb. units.

Межпопуляционную изменчивость микроэлементного состава листьев P. ginseng оценивали по аналитическим данным, полученным для Спасской (n = 5), Шкотовской (n = 2) и Чугуевской (n = 1) популяций. Выяснилось, что содержание микроэлементов по сравнению с макроэлементами в листьях женьшеня подвержено значительно большей территориальной вариабельности (табл. 3). Максимальные коэффициенты вариации зафиксированы в накоплении W (113%), Be (67%), Rb (66%) и Mo (65%). Самые стабильные значения (коэффициенты вариации не превышают 8–10%) присущи Se, V и Sn. Суммарные величины ОИН для 29 микроэлементов в сравниваемых региональных популяциях женьшеня представлены на рис. 2. Установлено, что суммарное значение ОИН микроэлементов в листьях женьшеня Спасской популяции в 1.5 раза выше, чем в Шкотовской. Наибольший вклад в суммарное накопление элементов при этом в Спасской популяции вносят W (ОИН = 2.3), Be (1.7), Ni и Cd (1.6), Tl (1.5), менее существенно – Cu, Mo и Ga (1.4), а также Al, Mn, Ba, Rb, Co и Y (1.3). В Шкотовской популяции более активно накапливаются Rb (ОИН = 1.5), Mo (1.4) и Cs (1.3); в Чугуевской – Zn и As (ОИН = 1.7), а также U (1.3). Спасская и Шкотовская популяции оказались идентичными по характеру накопления Rb и Mo (повышенное), Zn и As (пониженное); Спасская и Чугуевская – по Al и U (повышенное), Cs (пониженное); Шкотовская и Чугуевская – по W и Ni (пониженное). Накопление же B, V, Sn, Se было близким их средним уровням во всех сравниваемых популяциях.

Рис. 2.

Суммарное накопление микроэлементов листьями P. ginseng в зависимости от мест произрастания. По горизонтали – региональные популяции; по вертикали – суммарный показатель относительного накопления элементов, отн. ед. Fig. 2. Total accumulation of trace elements by leaves of P. ginseng from different populations. X-axis – populations; y-axis – total accumulation of trace elements, arb. units.

Вклад почвенной составляющей в общий запас элементов в растениях и интенсивность вовлечения элементов в биологический круговорот оценивали по величине коэффициента биологического накопления (КБН). Он рассчитывался по средним содержаниям ХЭ в почвах и растениях Спасской, Хасанской и Шкотовской популяций женьшеня. Имеющийся фактический материал позволил определить КБН для 23 элементов, данные по некоторым из них представлены в табл. 4. Они свидетельствуют о гораздо более слабом почвенном поглощении приморских популяций P. ginseng всех ХЭ по сравнению с растительностью суши [11]. Максимальные отличия установлены по интенсивности накопления Co (ниже в 450 раз относительно растений суши) и Mn, Cr, Y, V, Mo (ниже в 100–200 раз). В 20–50 раз слабее приведенных литературных значений КБН поглощает женьшень из почвы также S, Fe, Ni, Si, Zn, Al, P, Pb и Na. Ранжированный ряд по интенсивности накопления ХЭ листьями P. ginseng возглавляет типичный макроэлемент – сера (КБН = 8.4), а заканчивают алюминий и ванадий (КБН = 0.02). Следуя концепции рядов биологического поглощения элементов А.И. Перельмана [12], средние значения КБН химических элементов листьями женьшеня позволяют выделить 4 группы элементов, отличающихся по степени их аккумуляции растениями: сильного накопления, а также среднего, слабого и очень слабого захвата (табл. 5). Лишь 4 жизненно важных макроэлемента (S, K, Ca, P) отличаются активным накоплением растениями. Бóльшая часть рассматриваемой выборки ХЭ (83%) относится к элементам биологического захвата, для которых характерно слабое почвенное накопление листьями женьшеня. Причин такого накопления элементов растениями может быть много: физиологическая роль элементов в жизнеобеспечении растений, характер их накопления (акропетальный, базипетальный), тип накопления (барьерный, безбарьерный), почвенные условия и др. Возможно, это в какой-то мере обусловлено также тем, что расчет КБН выполнен по валовым содержаниям элементов в почвах, часто малодоступным растениям.

Эколого-геохимическая специфика минерального состава растений чаще всего оценивается путем сравнения его либо с близкими видами, либо с кларковыми величинами, рассчитанными для больших территорий. Оригинальность химического состава объекта наших исследований была установлена сопоставлением его с кларком растений суши (КРС) [11, 13], нормальным содержанием в зрелых тканях листьев (НТЛ) [14] и “референтным растением” (RP) [15]. Были использованы также рассчитанные нами по обобщенным литературным данным условно средние содержания ХЭ в листьях и надземной части лекарственных растений Российской Федерации и прилегающих территорий (РЛС) [16–30].

Результаты сравнительного анализа листьев женьшеня со стандартными показателями представлены в виде графиков на рис. 3 и 4. Они свидетельствуют о том, что женьшень превосходит все сравниваемые количественные стандарты лишь по содержанию К и Cu. При этом содержание калия в листьях женьшеня выше RP в 3.7 раза, ЛРС – в 2.3 раза и КРС – в 2 раза. Обогащение листьев женьшеня медью менее значимо – 1.3–1.6 раз, но при этом ее концентрация соответствует норме для зрелых тканей листьев (НТЛ). Установлено также, что содержание Ni и Mo в листьях женьшеня близко среднему содержанию в лекарственных растениях; S, Zn, As, U – кларку растений суши; Ca, Fe, As – “референтному растению”. Однако для более половины ХЭ из состава листьев женьшеня наиболее типично все-таки их пониженное содержание по сравнению со сравниваемыми стандартами. Это в наибольшей степени относится к концентрации Mn, Pb, V и Co (ниже всех рассматриваемых стандартов), а также P, Cl, Na, Cr, Sn, Y, Cs и Ga (ниже уровней ЛРС, КРС и RP). В то же время содержание Mn, B, Zn, Ni, Mo, V, Cd, Co, Se в листьях женьшеня соответствует нормальному для зрелых тканей листьев (НТЛ).

Рис. 3.

Сравнительный анализ содержания макроэлементов в листьях P. ginseng с их кларковыми значениями и средними концентрациями в стандартных выборках растений. По горизонтали – химические элементы; по вертикали – содержание элементов, % сухого вещества. 1 – P. ginseng, 2 – лекарственное растительное сырье, 3 – кларк растений суши, 4 – референтное растение. Fig. 3. Comparative analysis of the major element content in P. ginseng leaves with Clarke values and average concentrations in standard plant samples. X-axis – chemical elements; y-axis – elemental content, % d.w. 1 – P. ginseng, 2 – medicinal plants, 3 – Clarke value for land plants, 4 – reference plant.

Рис. 4.

Сравнительный анализ содержания микроэлементов в листьях P. ginseng с их кларковыми значениями и средними концентрациями в стандартных выборках растений. По горизонтали – химические элементы; по вертикали – содержание элементов, мг/кг сухого вещества. 1 – P. ginseng, 2 – лекарственное растительное сырье, 3 – кларк растений суши, 4 – референтное растение, 5 – нормальное содержание в зрелых тканях листьев. Fig. 4. Comparative analysis of the trace element content in P. ginseng leaves with Clarke values and average concentrations in standard plant samples. X-axis – chemical elements; y-axis – elemental content, mg/kg dry weight. 1 – P. ginseng, 2 – medicinal plants, 3 – Clarke value for land plants, 4 – reference plant, 5 – normal content in mature leaf tissues.

Наиболее же близким по сути и актуальным по значимости для объекта настоящих исследований является все-таки минеральный состав лекарственных растений. Сравнивая содержание макро- и микроэлементов в листьях P. ginseng с их условно средними величинами в ЛРС, отмечается значительное обогащение листьев женьшеня Sb и Ca (2.4–2.3-кратное), в меньшей степени – Cu (1.4-кратное). Установлены близкие содержания по К, Ni, Sr, B и Mo. Накопление остальных проанализированных элементов в листьях женьшеня ниже, чем в других лекарственных растениях, особенно по уровню Cs (в 25 раз), Sn (23 раза), Se (14 раз), Na, Co, As (6–7 раз) и Fe, P, Cl, Li, V, Cr, Cd (3–4 раза).

Согласно современным требованиям норм безопасности для лекарственного растительного сырья (ЛРС) и лекарственных растительных препаратов, строгой регламентации подлежит содержание лишь 4 тяжелых металлов. Предельное содержание свинца в ЛРС не должно превышать 6.0 мг/кг, кадмия – 1.0 мг/кг, ртути – 0.1 мг/кг, мышьяка – 0.5 мг/кг (ОФС.1.5.3.0009.15) [31]. Судя по полученным нами данным (табл. 1), уровни содержания Pb, Cd и As в листьях P. ginseng существенно ниже регламентируемых пределов.

Интересными в научном плане и значимыми в практическом использовании женьшеня в качестве ЛРС являются вопросы его общего минерального состава и распределения химических элементов по органам растения. Нами была предпринята попытка в какой-то мере приблизиться к решению этой научной проблемы на основе имеющегося небольшого фактического материала. Он представлен осенними сборами семян, листьев, стеблей и подземной части P. ginseng, принадлежащими Спасской популяции. К сожалению, выборки были представлены не целыми растениями, а смешанными пробами из разных местообитаний в 2-х повторностях по каждой фракции растений. Полученные аналитические данные позволили сравнить содержание 5 макроэлементов (K, Ca, Mg, P, Na) и 29 микроэлементов в листьях женьшеня с их содержанием в семенах, стеблях и главном корне.

Было установлено, что содержание всех макроэлементов, за исключением Na, в листьях женьшеня выше, чем в остальных сравниваемых фракциях растения (рис. 5). Наибольшие превышения (до 4 раз) установлены в содержании Ca по отношению к семенам и подземной части. В то же время по концентрации Na листья уступают семенам в 8 раз, а корню – до 30 раз.

Рис. 5.

Соотношение содержания химических элементов в листьях и других органах P. ginseng. По горизонтали – химические элементы; по вертикали – кратность содержания элементов в листьях относительно семян (1), стеблей (2) и главного корня (3) женьшеня, раз. Fig. 5. Ratio of elemental content in leaves and other organs of P. ginseng. X-axis – chemical elements; y-axis – ratio (fold) of the element content in leaves to its content in seeds (1), stems (2) and main roots (3) of ginseng, fold.

В содержании микроэлементов также прослеживается их преимущественное накопление в листьях по сравнению с семенами и стеблями. Они, по сравнению с семенами, накапливают в разной степени 18 элементов (64% общего состава ХЭ) и максимально обогащены Be (8 раз), Y (4.7 раз) и Mn (4.5 раз). В то же время листья беднее семян по содержанию W (20 раз), Ni (5.2 р.), Cr, Co, Zn и Cd (1.3–1.7 р.). В сравнении со стеблями листья интенсивнее аккумулируют 23 ХЭ (79% состава) и особенно активно Fe (в 6.3 раза), V (5.0 р.), Ge и Mo (4.5 р.). Однако содержание 4 элементов в листьях ниже, чем в стеблях: Ba и Cd – до 2 раз, Zn – в 1.6 раза, Ni – в 1.3 раза.

Контрастность микроэлементного состава листьев и подземной части P. ginseng более выражена: 41% общего состава элементов характеризуются преимущественным накоплением в листьях, 31% – в корне и 21% – их близким содержанием. Листья в большей степени обогащены Mo (6.5 раз), Li и Mn (до 4 р.), Sr (3.6 р.), Ba (2.4 р.), W (1.8 р.) и менее существенно (1.2–1.4 р.) – Y, Cr, Rb, Sb, B, Se. Подземные органы доминируют в накоплении Sn (5 раз), Al и Cs (до 3 р.), а также V, Cd, Ga, As (до 2 р.) и менее значимо – Ni, Pb, Fe, Co (1.2–1.5 р.). Концентрации же U, Tl, Zn, Cu, Be, Ge в листьях и главном корне женьшеня оказались достаточно близкими.

В целом, анализ распределения элементов по органам P. ginseng показал, что в листьях проанализированной выборки женьшеня содержание K, Ca, Mg, Mo, Mn, Y, Se, Sr, Sb и B стабильно выше, Cu – близко, а Ni и Cd – ниже по сравнению с остальными фракциями растения (рис. 5). Для остальных ХЭ не установлено строгой дифференциации по органам растения, но у многих из них выявлена тенденция к преимущественному накоплению в листьях. Несомненно, эти выводы носят предварительный характер и требуют дальнейших исследований на более представительном фактическом материале.

ВЫВОДЫ

Получены новые данные по элементному составу листьев P. ginseng природных популяций Юга Российского Дальнего Востока. Эколого-геохимическая специфика минерального состава женьшеня заключается в пониженном содержании большинства химических элементов по сравнению с кларковыми величинами и стандартными значениями для больших выборок растений. Особенно это характерно для Mn, Pb, V и Co, содержание которых ниже всех сравниваемых стандартов. В то же время их существенно превосходят концентрации в листьях K (до 3.7 раз) и в несколько меньшей степени – Cu (до 1.6 раза). Существенно ниже требуемых санитарно-гигиенических норм безопасности для лекарственного растительного сырья содержание в листьях P. ginseng Pb, Cd и As.

Установлены достоверно значимые положительные корреляционные связи между содержанием в листьях женьшеня Ca и S, Mg и Si, Fe и Sr, Mn и Ba, Ge и Y, а также отрицательные – между As и Rb. В микроэлементном составе листьев выделена тесно связанная ассоциация элементов, объединяющая Pb, Sb, Cd, Ni, B.

Отмечена высокая стабильность макроэлементного состава листьев женьшеня. Содержание же микроэлементов подвержено большей вариабельности как по отдельным элементам (особенно W, Be, Rb, Mo), так и по сумме накапливаемых элементов растениями территориально различающихся популяций. Максимальные отличия установлены между растениями Спасской (максимальное накопление суммы ХЭ) и Шкотовской (минимальное накопление) популяций – 1.5 раза.

Оценена интенсивность почвенного накопления элементов листьями женьшеня посредством КБН. Лишь у 4 жизненно важных макроэлементов (S, K, Ca, P) отмечено сильное накопление (КБН = 8–1), в то время как основная часть рассматриваемой выборки ХЭ относится к элементам биологического захвата, которым присуще слабое почвенное накопление растениями (КБН <1).

Отмечена тенденция в преимущественном накоплении всех макроэлементов (за исключением Na) в листьях P. ginseng относительно его семян, стеблей и подземной части и большинства микроэлементов относительно семян и стеблей. По сравнению с подземеной частью листья женьшеня существенно обогащены Mo, Li, Mn, Sr, Ba и W (в 2–6 раз), но беднее Sn, Al, Cs, V, Cd, Ga и As (в 2–5 раз).