Изучение накопления бетулина в березовой коре в зависимости от сезонности и техногенного стресса

Изучение накопления бетулина в березовой коре в зависимости от сезонности и техногенного стресса

В статье приведено сравнение содержания бетулина в пробах бересты, отобранных с трёх участков, расположенных в черте города Архангельска, отличающихся степенью техногенной нагрузки. Одновременно анализировалось влияние времени года на количественное содержание бетулина. В ходе исследования было выявлено, что содержания бетулина в бересте деревьев берёз увеличивается при ухудшении экологических условий, а также зависит от сезонности, максимальное его количество наблюдалось в летне-осенний период.

Аннотация статьи
техногенный стресс
береста
берёза пушистая
берёза повислая
берёзовая кора
бетулин
сезонность
Ключевые слова

Растения, как и любые другие живые организмы, подвергаются воздействию различных стрессовых факторов, как природных (недостаток или избыток влаги, высокие или низкие температуры, нарушение почвенного покрова, патогены, вредители и др.), так и антропогенных (загрязнение атмосферного воздуха, воды, почвы, механическое воздействие). В силу того, что растения не способны к передвижению и активной защите от всех этих факторов, ими были выработаны защитные системы. Большое количество предупреждающих систем и химических соединений вовлечено в защитные механизмы растений, являющиеся результатом цепи сложных биохимических процессов [2].

Для приспособления в условиях действия стрессовых факторов окружающей в растениях усиливается синтез вторичных метаболитов, которые выполняют защитные функции, и необходимы растениям для выживания в различных экологических условиях. Вторичные метаболиты представлены большим разнообразием химических соединений, к ним относят фенолы, эфирные масла, смоляные кислоты, ростовые вещества, стерины, альдегиды, эфиры и многие другие, точное количество в настоящий момент не известно [2]. Одним из представителей данной группы веществ является бетулин – пентациклический тритерпеновый спирт с химической формулой С30Н50О2, который находится в основном во внешнем слое коры березы (бересте), что обуславливает характерную белую окраску стволов данного семейства [10].

На характер и интенсивность синтезирования веществ вторичного метаболизма сильное воздействие оказывает техногенная нагрузка. Так например, экспериментально доказано, что в ответ на стрессовое воздействие ряд хвойных растений реагируют усилением производства терпенов [12]. Однако известно, что на накопление вторичных метаболитов оказывает не только техногенное влияние, но и множество других факторов. К ним можно отнести: индивидуальные и видовые особенности, возраст дерева, географическая широта и климат, природные условия местопроизрастания и сезонность. Особенно заметные изменения в растениях происходят в течение года, что связанно с цикличностью развития, наблюдается накопление или расходование тех или иных веществ в тканях. Например, в период активного роста деревьев (апрель-август) количество бетулина в бересте максимально, тогда как в осенне-зимний период (состояние покоя) отмечено наименьшее содержание изучаемых веществ в бересте [11].

Изучение закономерностей накопления вторичных метаболитов растений в условиях техногенного стресса является актуальным, так как это можно использовать как индикатор физиологического состояния как самих растений, так и для оценки качества окружающей среды [4, 11]. Кроме этого, в настоящий момент имеется недостаточно сведений в каком количестве и для каких целей синтезируются стрессовые метаболиты в растительном организме.

Березовые насаждения являются распространенным видом для озеленения городов, так как отличаются высокой экологической пластичностью, интенсивным ростом, долговечностью, обладают высокими пыле- и газоулавливающими свойствами и достаточно хорошо произрастают в условиях промышленного города. Но при ухудшении экологических условий у дерева наблюдается некроз листьев, запаздывает появление листьев, сокращаются сроки цветения, позже наступает листопад, снижается интенсивность фотосинтеза и др. [3, 9]. Ответные реакции берёзы чаще всего рассматривается на основании морфометрических показателей листьев (метод флуктуирующей асимметрии) [9], тогда как, процесс накопление вторичных метаболитов (например бетулина) в настоящий момент мало изучен.

Цель данного исследования – изучение накопления бетулина в коре березы в условиях техногенного стресса с учетом сезонности. Для этого сравнивалось количество бетулина, выделенного из проб бересты, отобранных на пробных площадях с разной антропогенной нагрузкой и в разное время года. Пробы были взяты в: лесных насаждениях в зоне воздействия Архангельского целлюлозно-бумажного комбината (АЦБК) – участок № 1; около деревни Боброво – участок № 2 (фоновый); в селитебной зоне города Архангельска в парке вдоль Ленинградского проспекта (от ул. Прокопия Галушина до ул. Кооперативная) – участок № 3.

Бетулин содержится не только в коре, но и в других частях растения, однако в меньшем количестве, он был обнаружен в корневой кожуре и листьях берез. Однако именно в коре белоствольных берез его количество максимально и достигать 30-40% от суммы всех экстрактивных веществ [1]. Поэтому для анализа отбирались пробы внешней части коры (бересты). Первый отбор проб был произведен в феврале и марте 2019 года, второй в августе и начале сентября 2019 года. Отбор проб с 10 растущих деревьев березы на высоте груди (1,5 м), примерный размер одного образца составил 5×5 см [11].

Березовые насаждения в нашей стране представлены в основном представлены двумя видами: береза повислая (лат. Betula pendula Roth.) и береза пушистая (лат. Betula pubescens Ehrh.), экспериментально было доказано, что береста обоих видов идентична по компонентному составу основных групп биологически активных веществ, присутствует бетулин, и значительного отличия в его количестве не было обнаружено [6]. Поэтому отбирались образцы коры обоих видов.

После отбора пробы подготавливали – очищали от лишайников и луба, измельчали на дробилке истирающего действия, проводили фракционирование бересты, затем определяли её влажность и зольность по методике, предложенной в ГОСТ 24027.2-80. Были получены следующие данные (см. табл.): влажность коры в весенне-зимний период составила 2,45% на первом участке; 2,07% на втором и 2,95% на третьем, в летнее-осенний период этот показатель несколько ниже на первом и третьем участке, где он составил 2,39% и 2,78% соответственно, на втором участке оказался выше – 2,23%.

Массовая доля золы, оставшаяся после сжигания коры составила в весенне-зимний период 0,09% на первом участке; 0,15% на втором и третьем участках; в пробах, отобранных в конце лета и начале осени этот показатель немного выше: 0,11% на первом; 0,17% на втором и 0,18% на третьем участке.

Таблица

Среднее значение влажности и зольности бересты на участках отбора проб в разное время года

 

Влажность, %

Зольность, %

№ участка

зима-весна

лето-осень

зима-весна

лето-осень

1

2,45±0,02

2,39±0,01

0,09±0,01

0,11±0,01

2

2,07±0,02

2,23±0,01

0,15±0,01

0,17±0,01

3

2,95±0,04

2,77±0,01

0,15±0,01

0,18±0,01

Основная часть исследования заключалась в выделение бетулина путем экстракции его из измельченной и высушенной до воздушно-сухого состояния бересты 86%-м раствором этилового спирта в СВЧ-камере в течении 10 минут при оптимальных условиях [7]. После экстракции спирт отгонялся (до 1/3 всего объема раствора) и добавлялась дистиллированная вода, в образовавшемся при этом пересыщенном спиртоводном растворе бетулин выпадал в осадок, его отделяли фильтрованием на воронке Бюхнера с водоструйным вакуум-насосом. Затем отфильтрованный бетулин высушивали в сушильном шкафу при 60°С до постоянной массы. Проводили взвешивания и выполняли расчеты.

Для количественной оценки рассчитывался такой показатель как выход бетулина – содержание бетулина, полученного в ходе экстракции, в процентах от общей массы абсолютно сухой бересты (а.с.б.) [5]. Полученный бетулин может быть использован как биологически активное вещество (БАВ) в фармацевтической, пищевой и косметической индустрии [3].

Для проб, отобранных зимой-весной максимальное содержание бетулина в процентах от общей массы а.с.б. наблюдался на участке №1, где среднее значение составило 22,95±0,88%. На участке №2 выход бетулина в среднем равен 14,10±0,44%, на участке №3 – 17,09±0,17% от а.с.б. То есть в образцах, отобранных на фоновом участке, содержание бетулина ниже всего. Показатель содержания бетулина в коре внутри каждого участка нестабилен и варьирует, однако наблюдается общая тенденция к увеличению накопления бетулина по мере увеличения антропогенной нагрузки и ухудшения экологических условий.

Для сравнения была проведена экстракция бетулина из проб бересты, отобранных в конце лета – начале осени 2019 года. Методы пробоотбора, пробоподготовки и экстракции оставались теми же. Не смотря на явное увеличение содержания бетулина на всех участках, прослеживается такая же тенденция: на первом участке выход бетулина в среднем составил 26,08±0,68%, на втором 19,32±0,03%; на третьем 22,90±0,17% от а.с.б. (см. рис.).

Рис. Среднее значение содержания бетулина в % от а.с.б.

Наблюдаемая тенденция повышенного накопления количества бетулина в бересте деревьев, произрастающих в условиях техногенной нагрузки, характеризует ответную реакцию березовых насаждений на действие стресса, вызванного жизнедеятельностью в условиях промышленного загрязнения. Следовательно, количественное содержание бетулина в коре может применяться в качестве индикатора для оценки состояния окружающей среды в условиях техногенной нагрузки.

Кроме этого на рисунке заметно увеличение содержания бетулина в течение года, т.е. его накопление непосредственно связано с фазами развития дерева. Его количество в летне-осенний период больше на 3-5% по сравнению с зимне-весенним периодом. В период роста дерева его накопление в бересте максимально, и наоборот, в состоянии покоя наблюдается его снижение. Уменьшение содержания массы бетулина в зимний период может быть связано с тем, что это твердое мелкокристаллическое вещество, которое осыпается с коры берез, под влиянием ветра и снега [8].

Таким образом, в данной работе изучено количественное накопление бетулина (стрессового метаболита) в березовой коре в зависимости от фактора сезонности и техногенного влияния. Показано, что в летне-осенний период и по мере увеличения антропогенной нагрузки его содержание в коре деревьев максимально.

Текст статьи
  1. Siman Р., Filipova A, Ticha A., Niang M., Bezrouk A., Havelek R. Effective Method of Purification of Betulin from Birch Bark: The Importance of Its Purity for Scientific and Medicinal Use. [Электронный ресурс] – URL: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0154933 (Дата обращения 13.03.2020).
  2. Белошистов Р.Е. Процессинг предшественника пептидного гормона томата системина фитаспазой: дисс. на соиск. науч. ст. канд. биол. наук: 03.01.03 / Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова., 2017. 121 с.
  3. Бухарина И.Л. Эколого-биологические особенности адаптации древесных растений в условиях урбосреды / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2008. N 2. С. 607-612.
  4. Винокурова Р.И. Оценка биоиндикационных свойств бетулина и суберина в бересте березы повислой // Вестник Марийского государственного технического университета. 2009. N 1. С. 81-87.
  5. Кутакова Н.А., Богданович Н.И., Селянина С.Б., Коптелова Н.Е., Коровкина Н.В. Лабораторный практикум по технологии биологически активных веществ и углеродных адсорбентов: в 2 ч. Ч. 2. Анализ БАВ: учебное пособие. Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова, 201 114 с.
  6. Лигостаева Ю. В. Фармакогностическое исследование бересты и перспективы ее использования в медицине: дис. на соиск. учен. ст. кан. фармацев. наук: 14.04.02 / Новосиб. гос. мед. ун-т, 2015 – 192 с.
  7.  Патент 2501805 РФ, С1 A61K35/78, C08H5/04. Способ получения бетулина из бересты / Е.Н. Коптелова, Н.И. Богданович, С.И. Третьяков, Н.А. Кутакова. – Опубл. 20.12.2013. – Бюл. № 35).
  8. Пелевина А.И. Содержание бетулина в коре в различное время года учетом места сбора и вещества растворителя / Международный журнал гуманитарных и естественных исследований (International Journal of Humanities and Natural Sciences). 2017. N 2. C. 5-
  9. Петункина Л.О., Сарсацкая А.С. Берёза повислая как индикатор качества городской среды / Вестник Кемеровского государственного университета. 2015. N 4 (64). С. 68-71.
  10. Третьяков С.И., Коптелова Е.Н., Кутакова Н.А., Владимирова Т.М., Богданович Н.И. Бетулин: получение, применение, контроль качества: монография. Архангельск: САФУ, 2015. 180 с.
  11. Трошкова И.Ю. Ресурсный потенциал бетулина и суберина березовых лесов Восточно-Европейской равнины: дис. на соиск. учен. степ. канд. биол. наук: 03.00.32 / Марийский гос. тех. ун-т, 2005 – 23 с.
  12. Фуксман И.Л. Влияние природных и антропогенных факторов на метаболизм веществ вторичного происхождения у древесных растени: автореф. дис. на соиск. учен. ст. кан. биол. наук: 03.00.16 / С.-Петерб. гос. лесотех. Академия им. С.М. Кирова, 1999. 42 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 17 октября по 31 октября
Остался 1 день до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
04 ноября
Загрузка в elibrary
04 ноября
Рассылка печатных экземпляров
06 ноября