В условиях взросшей антропогенной нагрузки на биосферу планеты, почва, являясь элементом природной системы и находясь в динамичном равновесии со всеми другими компонентами, подвергается деградационным процессам. Потоки веществ, попадая в почву в результате антропогенной деятельности, включаются в естественные циклы, нарушая нормальное функционирование почвенной биотопы, и как следствие, и всей почвенной системы. Среди различных биологических критериев оценки антропогенного влияния на почвы наиболее оперативными и перспективными являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почве: синтезе и разложения органического вещества, нитрификации и других процессах. Среди поллютантов, поступающих в окружающую среду в результате антропогенного загрязнения, важную роль играют тяжелые металлы. Исследования показывают, что последние десятилетия их содержания во всех природных средах неуклонно нарастает. Тяжелые металлы могут оказывать токсическое действие на почвенную биоту, изменяя численность и состав микрофлоры, и ферментативную активность почв. В настоящее время возросла необходимость оценки влияния различных факторов окружающей среды на жизнеспособность организма. Растения часто используются в качестве источников биологически активных веществ, поэтому необходимо учитывать влияние физико-химическими показателями на химический состав, а также видовые особенности содержания веществ. Полученные данные можно применять для биомониторинга и биодиагностики состояния водных объектов [1-9].

Цель статьи – провести системный эколого-биологический анализ территории поймы р. Витьба на основе оценки физико-химических характеристик воды, почвы и биохимических показателей растений.

Материал и методы исследования. Все исследуемые образцы растений были отобраны на одной территории в пределах поймы р. Витьба. Все исследуемые образцы почвы, воды и растений были отобраны на одной территории в пределах поймы р. Витьба.

Влияние физико-химических характеристик среды обитания на биохимический состав растений, обитающих в пределах поймы р. Витьба включало в себя этапы исследования:

1. Установление физико-химических характеристик почв.

В почве определялась концентрация подвижных форм тяжелых металлов в почве – Сu²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, активность почвенных ферментов – каталазы, уреазы, протеазы;

2. Определение физико-химических характеристик воды и корреляционных зависимостей между показателями почвы и воды. Определялось содержание тяжелых металлов (Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺) сульфат-ионов, солей жесткости, гидрокарбонатов кальция и магния, и некоторых катионов (NH₄⁺, K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺) в образцах воды из р. Витьба;
3. Установление некоторых показателей биохимического состава растений, произрастающих на данной территории.

В эксперименте задействован растительный материал – Тypнa laтifolia, Ceraтopнyllum demersum, Lemna minor, Tarаxacum officinаle, Trifolium pratеnse, Armorаcia rusticаna. Были определены показатели: сумма фенольных соединений, фотосинтетических пигментов, флавоноидных соединений.

Методики исследования физико-химических характеристик почвы и воды

Пробы почв отбирали в сентябре – октябре. Верхний растительный слой почвы снимали, и на глубине 20 см отбирали опытную пробу, помещали в стеклянный сосуд с притертой крышкой. Анализ почвы проводили в течение 3 недель с момента сбора проб, чтобы избежать нарушения почвенного состава.

Каталазную активность почвы определяли титриметрическим методом на основании измерения количества неразложенной перекиси с образованием окрашенных комплексов [1-7]. Определение активности уреазы почвы проводилось спектрофотометрическим методом, основанным на учете количества аммиака, образующегося при гидролизе карбамида [8]. Спектрофотометрическое определение активности протеазы основано на учете количества аминокислот, образующихся при протеолизе внесенных в почву белков, путем связывания их в окрашенные комплексы. Активность инвертазы определяли спектрофотометрическим методом, который основан на изменении оптических свойств раствора сахарозы при воздействии фермента [7].

Определение ионов цинка проводилось при помощи комплексонометрического титрования на основании образования комплексов ионов металлов с аминополикарбоновыми кислотами. [8]. Медь определялась методом прямой фотометрии [8]. Определения железа (II) проводилось спектрофотометрическим методом на основании того, что сульфосалициловая кислота или ее натриевая соль образуют с солями железа окрашенные комплексные соединения, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует, только с солями железа (ІІІ), а в слабощелочной среде – с солями железа (ІІІ) и (ІІ) (желтое окрашивание, обусловленное образованием трисульфосалицилата железа) [8]. 

Методика определения катионного состава методом капиллярного электрофореза. Образцы исследовали на приборе «Капель 105» (Люмэкс, Россия) с кварцевым капилляром (диаметр 75 мкм, Lобщ/Lэф= 60/50 см), детектирование проводилось при 267 нм. Чтение и обработку хроматограмм проводили с использованием программы «МультиХром». Полученные данные сопоставлялись с показателями предельно допустимых концентраций (ПДК) исследуемых катионов: аммоний (NH⁴⁺) – 2,5 мг/л; калий (K⁺) – 200 мг/л; натрий (Na⁺) – 200 мг/л; магний (Mg²⁺) – 100 мг/л; стронций (Sr²⁺) – 7 мг/л; кальций (Ca²⁺) – 200 мг/л.

Определение общей жесткости воды осуществляли методом комплексонометрического титрования. Для определения класса жесткости полученные данные сопоставляли со справочной информацией [7]. Карбонатную жесткость определяли титрованием определенного объема воды рабочим раствором соляной кислоты с метиловым оранжевым.            В основе турбидиметрического определения сульфат-ионов лежит реакция образования сульфата бария [9]: SO₄^2- + Ba²⁺ = BaSO₄. К анализируемому образцу воды прибавляли осаждающий раствор и измеряли мутность смеси, строили градуировочный график. Предельно допустимой концентрации сульфат-ионов для природных пресных водоемов (ПДК_SO4^2- = 500 мг/л).

Методы исследования растительного сырья

Методика определения суммы фенольных соединений. Получение экстракта. Навеску растительного материала измельчали, заливали этанолом и оставляли в темном месте на ночь. Экстракт сливали, а материал заливали этанола и ставили на водяную баню с обратным холодильником на 30 мин. Экстракцию проводили трижды. Затем фракции объединяли. Ход определения. К полученного спиртового экстракта прибавляли реактива Фолина-Чокальтеу и Na₂CO₃, все тщательно перемешивали и выдерживали 15 мин в темном месте. Затем измеряли оптическую плотность полученного раствора при длине волны 720 нм против Н₂О. Содержание суммы фенольных соединений в процентах (Х) в пересчете на галловую кислоту в абсолютно сухом сырье[10].

Методика определения флавоноидных соединений. К полученному спиртовому экстракту прибавляли  раствор AlCl₃ и оставляли на 30 мин. Оптическую плотность полученного раствора измеряли в зависимости от флавоноидов при различных длинах волн [10, 11].

Методика определения фотосинтетических пигментов. Содержание фотосинтетических пигментов определяли спектрофотометрическим способом. Концентрация пигментов в растворе рассчитывается по формуле Вернера. Содержание суммы каротиноидов рассчитывается по формуле Веттштейна [11-14].

Весь цифровой материал вводился для хранения и обработки в таблицы Microsoft Excel и Statistica. Для проверки гипотез о различии средних значений изучаемого признака в исследуемых группах применялся t-критерий Стьюдента. Выборочные параметры, приводимые далее в таблицах, имеют следующие обозначения: М – среднее, m – стандартное отклонение.

 Результаты и их обсуждение. Пойма реки Витьба подвергается влиянию следующих антропогенных факторов:

1. Расположено на территории крупного областного (промышленного) центра.
2. Прилегающая территория водоема используется как зона отдыха.
3. На прилегающей территории есть скопления бытового мусора.
4. Водоем расположен вблизи больших автомагистралей (большое скопление выхлопных газов).
5. Водоем не используется для мелиорации земель.
6. Водоем используется в промышленных целях (сброс сточных и бытовых вод).
7. Водоем не находится рядом с сельскохозяйственным комплексом.
8. Водоем находится на территории с низким радиационным фоном (территория не загрязнена радионуклидами).
9. Водоем имеет признаки зарастания.
10. Вода из водоема характеризуется органолептическими свойствами низкого качества.

Количественное содержание суммы феноловых соединений. Главное свойство полифенолов заключается в их антиоксидантном действии. Они ведут борьбу с повреждением клеток свободными радикалами, держат оборону от болезней и возраста, способствуют выведению токсинов и продлению молодости. Ферментативно окисленные формы проявляют антивирусную активность в отношении возбудителей герпеса. Экстракты, богатые хлорогеновой кислотой, ингибировали экспрессию обратной транскриптазы ВИЧ. Активна против штаммов кишечной палочки и золотистого стафилококка. Отмечено гипогликемическое, гипохолестеринемическое, гепатопротекторное, противоопухолевое действие. Растения, содержащие феноловую кислоту, применяют в качестве антиоксидантов, противоопухолевых средств и антипаразитарных препаратов. Галловая кислота помогает защитить сердце, а также печень от агрессивного воздействия разных факторов, кроме того есть данные, что она способна затормозить развитие возбудителя гепатита В. Кроме того проведенные исследования показали, что 3,4,5-тригидроксибензойная кислота может предупредить формирование гепатомы злокачественного типа, благодаря способности блокировать выработку холестерина. Феноловые кислоты способны помочь при разного рода внутренних кровотечениях. Растворы такого вещества помогают ускорить процесс заживления ран, ими вполне можно осуществлять полоскание ротовой полости. Такие лекарственные средства подходят для обработки травмированных участков кожи. Результаты проведенных исследований на обнаружение флавоноидов в листьях вышеперечисленных растений приведены в таблице 1

Таблица 1

Содержание суммы фенольных соединений в биомассе водной растительности,

Из представленных данных в таблице 1 содержание суммы фенольных соединений минимальным значением обладает хрен обыкновенный, максимальным – роголистник погружённый. Содержание феноловых кислот в экстрактах из листьев роголистника погружённого выше по сравнению ряской малой в 3,2 раза и 1,7 раз по сравнению с рогозом широколистным; в экстрактах из листьев рогоза широколистного выше по сравнению с ряской малой в 1,8 раз. Содержание феноловых кислот в экстрактах из листьев одуванчика лекарственного выше по сравнению с клевером и хреном в 2,2 и 2,7 раз соответственно; в экстрактах из листьев клевера выше по сравнению с хреном в 1,2 раза.

Количественное содержание флавоноидов. Флавоноиды значительно улучшают реакцию организма на неблагоприятные факторы среды и иные биологические угрозы. В экспериментах кверцетин неизменно демонстрирует максимальную активность среди всех флавоноидов и поэтому наиболее эффективен, когда организм сталкивается с повышенной нагрузкой. Кверцетин в буквальном смысле действует как «выключатель», активируя полезные клеточные механизмы и одновременно замедляя другие процессы, защищая клетки от повреждений или инфекций. Кверцетин обладает явными антиоксидантными свойствами и укрепляет основанную на ферментах систему защиты организма от оксидантов. Кверцетин подавляет синтез и высвобождение соединений, являющихся медиаторами воспаления. Кверцетин особым образом влияет на иммунную систему и может способствовать укреплению иммунитета от заболеваний дыхательных путей . Употребление в пищу богатых кемпферолом продуктов и биологически активных добавок снижает риск развития заболевания сердечно-сосудистой системы. Флавоноид укрепляет стенки сосудов и капилляры, обеспечивает проходимость питающих сердечную мышцу сосудов и стимулирует обменные процессы в миокарде. Кемпферол – эффективный диуретик, который включают в состав препаратов для лечения различных заболеваний мочевыделительной системы. Вещество нормализует водный баланс организма, способствует выводу лишней жидкости, снимает отеки и уменьшает нагрузку на почки. Результаты проведенных исследований на обнаружение флавоноидов в листьях вышеперечисленных растений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Содержание суммы флавоноидов в биомассе водной растительности, %

Из таблицы 2 видно, что содержание флавоноидов в экстрактах из листьев рогоза широколистного выше, чем содержание в экстрактах из листьев роголистника погружённого почти 2 раза, в экстрактах из листьев ряски малой 1,6 раза, в экстрактах из листьев одуванчика лекарственного около 1,4 раза, в экстрактах из листьев клевера лугового и хрена обыкновенного статистически не отличаются.

Количественное содержание фотосинтетических пигментов. Особенности содержания фотосинтетических пигментов хлорофиллов и каротиноидов в листьях растения, служит критерием оценки адаптации растения к экологическим условиям. Каротиноиды являются дополнительными пигментами при этом передовая квант на молекулу хлорофилла. Принимают прямое участие в расщеплении воды и кислородном обмене. Каротиноиды выполнять защитную функцию – сохранение хлорофилла от воздействия избытка солнечной радиации. [10].Основная роль хлорофилла в жизни растений это фотосинтез, при котором идет преобразование неорганических веществ в органические (глюкоза). Содержание фотосинтетических пигментов в биомассе водной растительности представлено в таблице 3 .

Так содержание суммы хлорофиллов a и в (C_a+в) экстрактах из клевера лугового и одуванчика лекарственного выше, чем в хрене обыкновенном в 4,7 раз; в экстрактах из рогоза широколистного в 3,5 раза; в экстрактах ряски малой в 1,4 раза.

Содержание каратиноидов (C_кар) в биомассе рогоза широколистного наблюдается минимум, а в биомассе клевера лугового максимальное значение.

Таблица 3

Содержание фотосинтетических пигментов в экстрактах из биомассы водной растительности , г/мг сырья (M±m)

Заключение. В результате проведенных исследований было определено содержание особенности химического состава растений. Согласно полученным данным можно сделать следующие выводы.

Рогоз широколистный, ряска малая и роголистник погружённый широко распространены в водных экосистемах на территории Республики Беларусь и поэтому являются легкодоступными объектами для изучения антропогенной нагрузки водных экосистемах. Полученные данные по биохимическому составу водной растительности Белорусского Поозерья могут служить алгоритмом для оценки водных экосистем с разным уровнем антропогенной нагрузки. Проведенные исследования биохимического состава Тypнa laтifolia, Ceraтopнyllum demersum, Lemna mínor, Tarаxacum officinаle, Trifolium pratеnse, Armorаcia rusticаna закономерно зависят от уровня антропогенной нагрузки водоемов.  Растения, произрастающие на территории поймы р. Витьба находятся во взаимосвязи с физико-химическими показателями среды обитания, и их биохимический состав зависит от миграции химических элементов между водой-почвой-растениями. Исследуемые растения представленный содержит большое количество витаминов и биологически активных веществ. Вышеперечисленные растения могут быть широко использованы в изготовлении лекарственных препаратов, также в качестве аналогового пищевого растительного сырья. Богатый химический состав, а также широкий спектр фармакологического действия позволяют предположить, что представленный выше растительный материал может быть потенциальным растительным сырьевым источником для получения препаратов различной направленности действия. Учитывая физико-химические характеристики территории поймы р. Витьба данные растения накапливают тяжелые металлы из почвы и  данный факт необходимо учитывать при их использовании.