Особенности накопления биологически активных веществ thymus baicalensis serg. в зависимости от экологических факторов
На правах рукописи
Рабжаева Арюна Николаевна
Особенности накопления биологически активных веществ THYMUS BAICALENSIS Serg.
в зависимости от экологических факторов
03.02.08 – экология
03.02.01 – ботаника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Улан-Удэ – 2011
Работа выполнена в Байкальском институте природопользования СО РАН и ГОУ ВПО «Бурятский государственный университет»
| Научные руководители: | доктор химических наук, профессор Раднаева Лариса Доржиевна |
| кандидат биологических наук Жигжитжапова Светлана Васильевна | |
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук, профессор Анцупова Татьяна Петровна |
| кандидат биологических наук Казазаева Маргарита Тимофеевна | |
| Ведущая организация: | Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН |
Защита состоится «25» февраля 2011 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.022.03 при ГОУ ВПО «Бурятский государственный университет» по адресу: 670000 г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24 а, конференц-зал.
Факс: (3012) 210588, е-mail: [email protected]; а[email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Бурятский государственный университет».
Электронная версия автореферата размещена на сайте ГОУ ВПО «Бурятский государственный университет» http: www.bsu.ru 21 января 2011 г..
Автореферат разослан «22» января 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат биологических наук Шорноева Н. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Род Thymus L. - один из крупных родов семейства яснотковых Lamiaceae Lindl. (Растительные…, 1991). Они характеризуются большим разнообразием трудно дифференцированных форм, которым придается различное таксономическое значение. В природных условиях в большинстве случаев разные виды тимьянов не различаются сборщиками и практически используются наравне с типичной формой тимьяна ползучего Thymus serpyllum L.s.l (Банаева и др., 1999).
Тимьяны используются в традиционной медицине как ценное лекарственное растение. Терапевтическое действие тимьянов связано с широким спектром биологически активных веществ, в том числе эфирного масла, макро- и микроэлементов. Тимол и карвакрол, основные действующие вещества эфирного масла тимьянов, обладают противовоспалительными, противомикробными свойствами.
Бурятия и Монголия обладают запасами дикорастущих растений, перспективных для использования в качестве лекарственного сырья. Наиболее широко распространенным видом тимьяна является Thymus baicalensis Serg. В связи с возможностью использования данного вида в качестве лекарственного растения актуальным является исследование химического состава эфирного масла и установление уровня содержания металлов (биофильных элементов и тяжелых металлов). Исследование химического состава эфирных масел в зависимости от экологических факторов (коэффициента экстремальности погодных условий) раскрывает особенности аллелопатических явлений и имеет важное значение.
Целью работы является изучение биологически активных веществ (эфирного масла, макро- и микроэлементов) Thymus baicalensis Serg., произрастающих в Бурятии и Северной Монголии, и влияния экологических факторов на их накопление, содержание и состав. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
Задачи:
- Выявление фитоценотической приуроченности и плотности запасов (урожайности) Thymus baicalensis в Бурятии и Северной Монголии.
- Установление зависимости химического состава эфирного масла Thymus baicalensis от фитоценотической приуроченности, фенологической фазы развития и от экологических факторов (коэффициента экстремальности погодных условий).
- Определение количественного и качественного состава эфирного масла Thymus baiсalensis флоры Бурятии и Северной Монголии в сравнении с Thymus gobicus Tschern., Thymus sibiricus Klock. et. Shost.
- Определение макро- и микроэлементного состава Thymus baiсalensis в зависимости от фитоценотической приуроченности, фенологической фазы развития растения.
Научная новизна. Данная работа является первым систематическим исследованием химического состава эфирного масла представителей рода Thymus L. Бурятии и Монголии и изучением особенностей накопления и состава эфирного масла Thymus baicalensis в зависимости от степени экстремальности, фитоценотической приуроченности и фенологической фазы развития. Выявлено, что виды рода Thymus L. характеризуются различным количественным содержанием тимола и карвакрола. Определено количественное содержание 11 макро- и микроэлементов в Thymus baicalensis в зависимости от фенологии развития, приуроченности вида к сообществам растений. Так, установлено, что макро- и микроэлементы на разных стадиях феноразвития имеют разные тенденции их накопления. Например, медь и цинк максимально заметно накапливаются в фазу вегетации, а такие элементы, как кальций и магний, железо и марганец, накапливаются в фазу созревания плодов, что связано с развитием эмбриональных структур зародыша новой генерации растения.
Практическая и теоретическая значимость. Полученные результаты существенно расширяют и дополняют сведения по химическому составу и экологическим особенностям произрастания растений Бурятии, дополняют сведения о динамике накопления биологически активных веществ в лекарственных растениях и показывают зависимость их содержания от условий произрастания и сроков сбора сырья. Исследование химического состава эфирных масел имеет и теоретическое значение, так как позволяет изучить биогенез терпеноидов в природе. Полученные данные могут быть использованы при мониторинге генофонда флоры Байкальского региона. Материалы работы могут быть применены в преподавании курсов «Химия природных соединений», «Систематика растений», «Химия лекарственных растений» на химическом, медицинском и биологическом факультетах Бурятского государственного университета. Полученные результаты представляют интерес для преподавания спецкурсов по систематике и экологии растений в высших и средних учебных заведениях.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Накопление, количественное содержание компонентов в эфирном масле Thymus baicalensis флоры Бурятии и Северной Монголии зависят от фитоценотической приуроченности, экстремальности погодных условий и фенологической фазы развития растений. С увеличением коэффициента экстремальности гидротермических условий увеличивается выход эфирного масла.
- Макро- и микроэлементный состав тимьяна байкальского изменяется на разных стадиях развития и в разных растительных сообществах. Однако накопление макроэлементов весьма динамично в зависимости от фазы развития.
Апробация работы. Материалы исследования и результаты доложены и обсуждены на международных, всероссийских, краевых и городских конференциях и семинарах по проблемам экологии, химии и фармации (Улан-Удэ, 2006, 2007, 2008); Барнаул, 2007; Москва, 2008; Новосибирск, 2008).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка используемой литературы. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 14 таблиц. Список литературы состоит из 208 наименований, в том числе 18 на иностранных языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы.
Глава 1. Накопление биологически активных соединений
в растениях в зависимости от экологических факторов
(литературный обзор)
Проведен анализ литературных данных по составу эфирных масел, роли эфирных масел и макро- и микроэлементов в растительных организмах и их биологической активности. Подробно охарактеризовано влияние условий произрастания на содержание эфирных масел, макро- и микроэлементов. Рассмотрены особенности изменчивости, видообразования в роде Thymus L.
Глава 2. Район, объекты и методы исследований
Объектом для исследований является тимьян байкальский Thymus baicalensis Serg. – широко распространенный вид в Бурятии и в Северной Монголии (Хубсугульский) (табл. 1). Исследования проводились в 2006-2008 гг.
Ботаническая идентификация видов проведена с помощью традиционных методов систематики (Флора Сибири, 1997). Определение плотности запасов сырья проводили в ценопопуляциях методом учетных площадок (Энциклопедический словарь…, 1999, Методика…, 1986).
Площадь ценопопуляции рассчитывали путем приравнивания ее к конкретной геометрической фигуре. Координаты определяли с помощью GPS (Vista-Garmina).
Для выделения эфирного масла из надземной части растительного сырья использовали метод гидродистилляции. Химический состав эфирных масел из надземных частей растений исследовали, используя метод хромато-масс-спектрометрии на газовом хроматографе Agilent Packard HP 6890 N с квадрупольным масс-спектрометром (HP MSD 5973) в качестве детектора. Качественный анализ основан на сравнении времен удерживания, полных масс-спектров, библиотеки хромато-масс-спектрометрических данных летучих веществ растительного происхождения (Ткачев, 2006; 2008).
Определение концентраций макро- и микроэлементов в надземной части тимьяна байкальского осуществлялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе AAS "Solaar M6".
Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета прикладных программ Excel 2007. Традиционные инструменты в этой области – графики и диаграммы – плохо справляются с задачей визуализации, когда возникает необходимость изобразить более трех взаимосвязанных величин. Первым выбором в визуализации множества данных является метод главных компонент. Суть метода заключается в ортогональном проецировании на плоскость первых двух главных компонент (PC1, PC2). Плоскость проектирования является по сути плоским двумерным «экраном», расположенным таким образом, чтобы обеспечить «картинку» данных с наименьшими искажениями. Поэтому для представления в наглядной форме результатов эксперимента данные по компонентному составу образцов эфирного масла были обработаны с помощью метода главных компонент.
Глава 3. Видовое разнообразие, особенности биологии Thymus baiсalensis и оценка плотности запасов тимьянов
Бурятии и Монголии
Во флоре Бурятии насчитывается 10 видов растений рода Thymus L. (Определитель растений Бурятии, 2001), во флоре Монголии – 8 (Грубов, 2008). По жизненной форме виды рода тимьян являются полукустарничками. Большинство из них являются эндемами и сформировались в течение плейстоцен-голоцена (Намзалов, 1999).
Thymus baicalensis Serg. – многолетний невысокий полукустарник широко распространенный вид в Бурятии и Монголии. Тимьян байкальский имеет стабильные морфологические признаки в форме листьев и характере опушения, отличающие его от других видов. Так, листья продолговато-эллиптические или широколанцетные, волоски на верхней поверхности листьев очень короткие, щетинистые или листья совершенно голые. Стебли распластанные, опушенные, венчики темно-розовые. Тимьян байкальский – неоэндемик (Флора Сибири, 1997).
Плотность запасов сырья T. baicalensis изменяется в зависимости от фитоценотической приуроченности от 10,6 г/м2 (разнотравно-нителистниковый) до 33,8 г/м2 (вострецово-осоковый).
Полевые исследования растительных сообществ с участием видов тимьяна, а также сопоставление с литературными данными по фитоценотическим характеристикам позволяют сделать следующие выводы. Thymus baicalensis распространен в сообществах степного типа растительности, относящихся к подтипам настоящих, луговых и горных степей. С экотопологической точки зрения Thymus baicalensis предпочитает каменистые экотопы склонов гор и подгорных шлейфов, степные и лесостепные ландшафты, пологие увалы, вершины сопок (табл. 2). Произрастает в основном на щебнисто-каменистых, каштановых почвах, лугово-аллювиальных черноземах. В исследованных фитоценозах число видов растений колеблется в пределах 14-57. Тимьян байкальский занимает в основном первый и второй ярусы с проективным покрытием 15-35% (табл.1).
Таблица 1
Параметры участия Thymus baicalensis и выход эфирного масла в степных сообществах Западного Забайкалья
| Район, местность, фитоценоз, координаты места сбора, высота над уровнем моря, м | Местообитания, почвы | Число видов | Ярус | Проективное покрытие | Плотность запаса сырья, г/м2 | Выход масла, % |
| Иволгинский район, холоднополынно-злаковый, N 53°49'55", Е 109°54'33", 548 | южные и юго-западные склоны; щебнисто-каменистые почвы | 25 | 1 | 31% | 29,5±3,8 | 1,3 |
| Бичурский район, вострецово-крыловоковыльный, N 50°38'44", Е 106°55'69", 757 | окраина соснового остепненного леса; серые лесные и каштановые почвы | 14 | 2 | 33% | 30,5±4,3 | 1,0 |
| Кяхтинский район, мелкотравно-ленскотипчаковый, N 50°43'05.8", Е 106°29'53.8", 732 | каменистые склоны; каштановые щебнисто-каменистые и солонцеватые почвы | 27 | 2 | 15 % | 13,5±1,4 | 0,8 |
| Ольхон, низкотравно-вострецовый, N 53°14'20", Е 107°30'42", 579 | пологие склоны, окраины сосновых лесов; серые лесные и каштановые почвы | 57 | 2 | 22% | 20,8±2,9 | 0,2 |
| Приморский хребет, разнотравно-перистоковыльный, N 53°08'00", Е 106°52'33", 463 | крутые скалистые южные склоны отрогов хребтов; черные черноземовидные почвы | 14 | 2 | 19% | 17,6±2,6 | 1,2 |
| Селенгинский район, разнотравно-байкальскоковыльный, N 51°16'49.5", Е 106°21'25.0", 688 | пологие склоны сопок и увалов, широкие пади; лугово-аллювиальные черноземы и темно-каштановые тяжелые суглинистые солонцеватые почвы | 10 | 1 | 31% | 30,2±4,1 | 0,8 |
| Окинский район, местность Цинцин-талай, вострецово-осоковый, N 52°38'49", Е 099°39'34", 1346 | степные и лесостепные ландшафты; малоразвитые, сильнощебнистые черноземы и темно-каштановые почвы | 18 | 3 | 35% | 33,8±4,5 | 1,2 |
| Закаменский район, окрестности с. Баянгол, разнотравно-алтайсколуковый, N 50°44'11", Е 103°27'13", 700 | равнины, днища котловин; каштановые супесчаные почвы с большой примесью каменистого субстрата | 16 | 3 | 32% | 30,1±3,6 | 1,0 |
| Заиграевский район, злаково-разнотравно-солодковый, N 51°50'06", Е 108°15'47", 550 | пологие склоны южной экспозиции; сильнощебнистые черноземы и темно-каштановые почвы | 25 | 1 | 20% | 20,3±2,8 | 0,7 |
| Хубсугульский аймак Монголии, разнотравно-нителистниковый, N 50°16'04.2", Е 100°04'27.1", 1645 | пологие предгорные шлейфы; каштановые супесчаные почвы | 25 | 2 | 12% | 10,6±1,3 | 1,0 |
Глава 4. Влияние экологических факторов на накопление
и химический состав эфирных масел тимьянов
Бурятии и Северной Монголии
Химический состав эфирного масла Thymus baicalensis
в зависимости от фитоценотической приуроченности
Все образцы эфирного масла тимьяна байкальского T. baicalensis были приготовлены в строго одинаковых условиях (из сырья, собранного и обработанного одинаковым способом), что дает возможность сравнивать их. Эфирное масло тимьяна байкальского представляет собой легкоподвижную жидкость желтого цвета с приятным специфическим запахом. Выход масла составил 0,22-1,30%, наибольший выход эфирного масла 1,3% – в холоднополынно-злаковом фитоценозе (табл. 1). В исследованных образцах обнаруживается до 62 компонентов. По качественному составу основных компонентов эфирные масла тимьяна байкальского из разных точек сбора близки. Основные компоненты эфирных масел всех образцов: -мирцен 0,4-5,5 %, п-цимол 1,1-18,3 %, 1,8-цинеол 0,3-6,3 %, -терпинен 1,4-14,4 %, борнеол 3,0-18,5 %, -терпинеол 1,4-52,5 %, тимол 0,5-26,4 %, карвакрол 1,1-39,3 %.
Несмотря на то, что в целом состав масел для всех образцов похож между собой, в некоторых встречаются компоненты, отсутствующие в других. Так, трициклен присутствует только в образцах эфирного масла T. baicalensis, произрастающих в разнотравно-перистоковыльном и злаково-разнотравно-солодковом фитоценозах, карен-3 присутствует только в масле T. baicalensis из разнотравно-перистоковыльного фитоценоза, такие компоненты, как цис-ментенол, транс-ментенол, -цимен-8-ол, куминовый альдегид, метиловый эфир карвакрола, борнилацетат, карвакролацетат, в некоторых образцах вовсе отсутствуют, соединения сесквитерпенового ряда – -бурбонен, -элемен, -копаен, гумулен, -муролен, -бисаболен, -, -кадинены – составляют минорное количество и содержатся лишь в некоторых образцах (табл. 2).
Результаты проведенного исследования позволяют заключить, что качественный состав основных компонентов эфирного масла тимьяна байкальского в пределах изученных ценопопуляций не изменяется в зависимости от фитоценотической приуроченности. Различия же наблюдаются в количественном соотношении основных компонентов, а также в наличии или отсутствии минорных, спорадически появляющихся компонентов.
Таблица 2
Химический состав эфирного масла Thymus baicalensis
в разных эколого-фитоценотических условиях (фрагмент таблицы)
| Компоненты | Содержание эфирного масла в % от цельного масла (фаза цветения, 2008 г.) | |||
| вострецово-крылово ковыльный | холодно полынно-злаковый | разнотравно-перистоковыльный | мелкотравно-ленскотипча ковый | |
| п -цимол | 6,2 | 14,6 | 14,4 | 15,0 |
| -терпинен | 9,7 | 9,8 | 9,1 | 11,5 |
| борнеол | 9,4 | 12,8 | 7,3 | 7,9 |
| -терпинеол | 6,1 | 8,8 | 1,9 | 1,6 |
| тимол | 0,9 | 3,3 | 5,0 | 0,0 |
| карвакрол | 39,3 | 14,4 | 29,8 | 36,4 |
| трициклен | 0,1 | 0,1 | ||
| карен-3 | 0,1 | |||
| гермакрен D | 1,9 | 0,7 | 1,2 | 0,9 |
| бициклогермакрен | 0,5 | 0,4 | ||
| -бисаболен | 0,1 | |||
Изменение химического состава эфирного масла тимьяна байкальского в зависимости от фенологической фазы развития
Содержание эфирного масла может резко колебаться в зависимости от фазы развития или оставаться почти неизменным (Балковая, 1955). Наибольшее количество эфирного масла было выделено в фазу цветения (рис.1).
Рис. 1. Выход эфирного масла Thymus baicalensis в зависимости от фенологической фазы развития, 2007 г.
1-фаза вегетации, 2-фаза бутонизации, 3-фаза цветения,4-фаза плодоношения
На различных фенофазах развития растений вида T. baicalensis в составе эфирного масла можно выделить ряд компонентов общих для всех образцов – -мирцен, п-цимол, -терпинен, борнеол, -терпинеол, терпинеол-4, тимол, карвакрол.
Количественное содержание указанных компонентов меняется от образца к образцу. Так, в образцах эфирного масла тимьяна байкальского, собранного в холоднополынно-злаковом фитоценозе, при переходе из фазы вегетации в фазу бутонизации наблюдается тенденция снижения содержания -мирцена, -терпинеола, а при переходе из фазы бутонизации в фазу цветения их содержание вновь увеличивается, в фазу плодоношения снова идет спад. Содержание п-цимола в ходе фенологического развития растения увеличивается, содержание -терпинена при переходе из фазы вегетации в фазу бутонизации увеличивается, к фазе плодоношения – уменьшается. Содержание тимола во все фазы развития существенно не изменяется. В те фенофазы развития растения, на которых происходит закладка нового органа (фаза бутонизации – цветка, фаза плодоношения – плода), увеличивается и содержание карвакрола, который выступает на первый план. Заметное изменение их количества в процессе фенологического развития растения можно объяснить образованием новых функциональных органов, в клетках которых синтезируется дополнительный набор веществ или, наоборот, подавляется (Королюк и др., 2002).
Следует отметить, что количественное содержание монотерпеновых соединений изменяется более заметно, чем сесквитерпеновых соединений. Скорее всего это связано с тем, что монотерпеноиды играют более заметную роль в взаимодействиях растений с внешней средой, в то время как сесквитерпеноиды участвуют в основном в внутриклеточных физиолого-биохимических процессах. Монотерпеноиды обладают аллелопатической активностью, могут служить для привлечения насекомых или, наоборот, служить защитными веществами от насекомых (Кинтя, 1990; Семенов, 2000; Племенков, 2007).
Таким образом, эфирное масло T. baicalensis по мере развития растения претерпевает изменения в своем составе. Однако набор основных компонентов (п–цимол, -терпинен, борнеол, -терпинеол, терпинеол-4, тимол, карвакрол) эфирного масла остается постоянным, хотя и меняется их количественное содержание.
Сравнительный анализ химического состава эфирного масла
тимьяна байкальского в зависимости от температурно-влажностных условий
С целью количественной оценки погодных условий в разные годы нами был вычислен гидротермический коэффициент экстремальности kэкстр. (Журавская и др., 1998; Филиппова, 2003). Коэффициент экстремальности представляет собой отношение средней температуры (t °C) месяцев вегетации до сбора (май-август) к среднему количеству осадков, выпавших в эти месяцы (мм): kэкстр = t °C/мм (табл. 3).
Таблица 3
Выход эфирного масла Thymus baicalensis в зависимости
от коэффициента экстремальности
(вострецово-крыловоковыльный фитоценоз)
| Год сбора | Выход эфирного масла в расчете на воздушно-сухое сырье, % | Средняя температура с мая по август, t°С | Среднее количество выпавших осадков с мая по август, мм | Гидротермический коэффициент экстремальности, kэкстр. |
| 2006 | 0,8 | 15,2 | 57,3 | 0,27 |
| 2007 | 1,0 | 16,9 | 56,5 | 0,30 |
| 2008 | 0,7 | 15,8 | 63,0 | 0,25 |
Исследовано влияние коэффициента экстремальности (температурно-влажностных характеристик) в течение трех лет (2006-2008 гг.) на качественный и количественный химический состав эфирных масел из надземных органов тимьяна байкальского, собранного в модельных фитоценозах (холоднополынно-злаковом и вострецово-крыловоковыльном) (табл. 3).
Из таблицы 3 видно, что с увеличением коэффициента экстремальности увеличивается выход эфирного масла.
Качественный состав основных составляющих эфирного масла остается постоянным в течение периода наблюдения и представлен кислородсодержащими монотерпенами – п-цимолом, -терпиненом, борнеолом, -терпинеолом, терпинеолом-4, тимолом и карвакролом. Увеличение коэффициента экстремальности отражается на количественном содержании компонентов. Так, содержание п-цимола, -терпинена в эфирном масле уменьшается, а содержание карвакрола увеличивается с ростом коэффициента экстремальности. Содержание борнеола и -терпинеола характеризуется обратной зависимостью (табл. 4).
Имеются соединения, которые исчезают и появляются в разные годы (карен-3, туйен-3, камфен, сабинен, 1-октен-3-ол, – фелландрен, транс--оцимен, n-нонаналь, цис-сабиненгидрат, -копаен, -бурбонен, -элемен, кариофиллен, -копаен, гумулен, гермакрен D, бициклогермакрен, -бисаболен, -, -кадинен) (табл. 4). Вероятно, эти изменения носят приспособительный характер к условиям недостатка влаги.
Таблица 4
Состав эфирного масла Thymus baicalensis в разные годы
сбора сырья в вострецово-крыловоковыльном фитоценозе
(фрагмент таблицы)
| Компоненты | Содержание компонентов в % от цельного масла, фаза цветения | ||
| 2006 | 2007 | 2008 | |
| камфен | 2,0 | 0,3 | |
| карен-3 | 0,1 | ||
| -терпинен | 1,2 | 2,4 | 0,9 |
| п-цимол | 18,5 | 16,9 | 6,2 |
| -терпинен | 19,3 | 7,8 | 6,7 |
| борнеол | 12,4 | 5,3 | 9,4 |
| терпинеол-4 | 2,0 | 2,3 | 1,9 |
| -терпинеол | 10,2 | 11,2 | 6,1 |
| тимол | 3,0 | 0,1 | 1,0 |
| карвакрол | 28,3 | 29,1 | 39,3 |
| гермакрен D | 0,3 | 1,9 | |
| -кадинен | 0,5 | 0,2 | |
| -бисаболен | 0,3 | 2,7 | |
Методом главных компонент показано, что изменения в составе эфирного масла на разных стадиях развития менее заметны по сравнению с изменением состава эфирного масла в разные годы (рис. 2).
Рис.2. Метод главных компонент. Распределение образцов Thymus baicalensis по компонентному составу эфирного масла. Черный – вегетация, белый – бутонизация, вертикальная штриховка – плодоношение, горизонтальная штриховка – цветение,
- сбор 2006 г., 
- сбор 2007 г., 
- сбор 2008 г..
Таким образом, для Thymus baicalensis характерно увеличение выхода эфирного масла по мере роста экстремальности погодных условий. При изменении коэффициента экстремальности основные направления биосинтеза соединений остаются неизменными, хотя и происходит их усиление или ослабление.
Сравнительная характеристика эфирного масла
различных видов тимьянов Бурятии и Северной Монголии
Изучен состав эфирных масел трех видов тимьянов – тимьяна байкальского, тимьяна сибирского и тимьяна гобийского.
В исследованных образцах эфирных масел тимьянов флоры Бурятии и Монголии идентифицировано более 40 компонентов. Основная часть исследованных эфирных масел представлена терпеноидами (около 90%).
Для растений рода Thymus флоры Бурятии и Монголии характерно накопление ароматических спиртов тимола и карвакрола. Среди монотерпеновых соединений всех трех видов также идентифицированы п – цимол, -терпинен, борнеол, -терпинеол, терпинеол-4. Сесквитерпеновая фракция представлена кариофилленом, -муроленом, гермакреном D, бициклогермакреном, -бизаболеном, -кадиненом, -кадиненом, -бизаболеном, окисью кариофиллена, однако содержание их невелико (табл. 5).
Таблица 5
Сравнительный анализ химического состава эфирного масла
представителей рода Thymus L. (фрагмент таблицы)
| Компоненты | Содержание компонентов в % от цельного масла (фаза плодоношения, 2008 г.) | ||
| T. baicalensis (мелкотравно-ленскотипчаковый, Хубсугул, Монголия) | T. gobicus (вострецово- крыловоковыльный) Шар Нохойн там, Монголия) | T. sibiricus (низкотравно-вострецовый, Баргузинский район, Бурятия) | |
| -мирцен | 0,4 | 0,2 | |
| п-цимол | 6,7 | 1,1 | 42,3 |
| -терпинен | 4,0 | 0,5 | 14,0 |
| линалоол | 1,1 | 5,4 | |
| борнеол | 3,0 | 6,4 | 5,2 |
| терпинеол-4 | 1,2 | 0,7 | 2,5 |
| -терпинеол | 1,2 | 17,8 | 0,7 |
| линалилацетат | 12,3 | ||
| тимол | 6,1 | 26,4 | 20,9 |
| карвакрол | 57,3 | 18,2 | 1,8 |
| кариофиллен | 2,9 | 4,9 | |
| -муролен | 0,1 | ||
| гермакрен D | 0,6 | 0,8 | |
| бицикло- гермакрен | 1,0 | ||
| кариофиллен оксид | 1,5 | 0,6 | |
Различия в составе эфирных масел исследованных образцов наблюдаются в количественном соотношении отдельных компонентов. Эфирное масло тимьяна байкальского отличает высокое содержание карвакрола (до 57 %) при одновременно низком содержании тимола. В образце эфирного масла тимьяна сибирского и тимьяна гобийского доминирующим компонентом является тимол. Содержание п – цимола и -терпинена в масле тимьяна сибирского намного больше, чем в эфирном масле тимьяна байкальского. В случае борнеола и -терпинеола наблюдается обратная зависимость. В эфирном масле тимьяна гобийского в отличие от других образцов обнаружено высокое содержание линалилацетата (до 12,3 %).
Эфирные масла тимьянов и Бурятии, и Монголии вне зависимости от видовой принадлежности характеризуются заметным содержанием карвакрола и тимола. Различие между видами заключается в количественном соотношении отдельных компонентов масла.
Использование метода главных компонент позволяет в наглядной форме дифференцировать исследованные виды рода Thymus L. по составу эфирных масел. На ГК-модели можно выделить на плоскости отдельные области, соответствующие разным видам тимьянов (рис. 3).
Таким образом, несмотря на большой набор компонентов масла и вариабельность их количественного содержания по составу эфирного масла, каждый вид тимьяна отграничен от другого.
 |
Рис. 3. Метод главных компонент. Распределение образцов рода Thymus L. по видам.  -тимьян байкальский,  -тимьян сибирский,  -тимьян гобийский |
При этом выявлена особая позиция T. gobicus по составу эфирного масла, заметно отграниченная от более бореальных по происхождению тимьянов (T. baicalensis, T. sibiricus), что в какой-то мере подтверждает особое систематическое положение видов на секционном уровне. С другой стороны, анализ состава эфирных масел по методу главных компонент отразил некоторое филогенетическое единство тимьянов байкальского и сибирского, хотя морфологические отличия их достаточно стабильные и используются в качестве диагностики, особенно форма листьев и характер опушения.
Макро- и микроэлементный состав Thymus baicalensis
в зависимости от стадии фенологического развития
растения и фитоценотической приуроченности
Элементный состав Thymus baicalensis в зависимости от стадии фенологического развития растения
Сведения о содержании химических элементов в растениях рода Thymus L., произрастающих на территории Бурятии, ограничены. Имеются данные о распределении макроэлементов в растениях Южного Прибайкалья (Белоголова и др., 2006); сведения по содержанию микроэлементов (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, Cr) в тимьяне даурском, произрастающего в Забайкалье (Кашин, 2009). Определен макро- и микроэлементный состав Thymus baicalensis в зависимости от стадии фенологического развития. В надземной части тимьяна байкальского определено количественное содержание 11 макро- и микроэлементов.
Выявлены некоторые закономерности в распределении макро- и микроэлементов в течение вегетационного периода, рассмотрим их на примере холоднополынно-злаковых, вострецово-крыловоковыльных фитоценозов. Количественное содержание кальция варьирует в пределах от 0,51±0,14 до 0,89%±0,16 (I фитоценоз) и от 0,37%±0,07 до 0,81%±0,08 (II фитоценоз), магния - от 0,17%±0,02 до 0,23%±0,03 (I) и от 0,12%±0,02 до 0,17%±0,03 (II). Содержание кальция и магния в тимьяне байкальском из вострецово-крыловоковыльного фитоценоза также увеличивается по мере вегетационного развития и достигает максимума в фазу плодоношения (0,81%±0,15 и 0,17%±0,03).
В достаточных количествах растения тимьяна байкальского аккумулируют медь и цинк, что объясняется их важной биохимической функцией (Ловкова и др., 1997). Для данных металлов обнаружена одинаковая тенденция накопления по мере вегетационного развития (r=1,0) (табл. 6, рис. 4). Наибольшее содержание меди (5,79 и 3,90 мг/кг) и цинка (21,47 и 22,70 мг/кг) обнаружено в фазу вегетации.
Таблица 6
Содержание микроэлементов в надземной части
Thymus baicalensis в разные фазы вегетации
| Фитоценоз | Содержание микроэлементов, мг/кг | |||||||
| Cu | Zn | Mn | Fe | Cr | Co | Ni | ||
| (I) Холоднополын но-злаковый | 1 | 5,79±0,71 | 21,47± 5,08 | 62,33±12,93 | 35,19±7,07 | 1,17±0,28 | 1,17±0,22 | 0,84±0,14 |
| 2 | 4,16±0,53 | 14,74±2,11 | 39,38±7,98 | 40,52±8,53 | 0,63±0,12 | 0,41±0,08 | 0,91±0,12 | |
| 3 | 3,88±0,32 | 13,63±2,09 | 43,61±8,18 | 28,23±5,72 | 3,77±0,74 | 1,13±0,21 | 1,85±0,35 | |
| 4 | 4,59±0,38 | 17,24±3,21 | 81,48±16,79 | 47,91±9,85 | 2,66±0,56 | 1,01±0,24 | - | |
| (II) Вострецово- крылово-ковыльный | 1 | 3,90±0,43 | 22,70±4,14 | 19,08±3,54 | 32,91±6,12 | 3,61±0,74 | 1,15±0,26 | 0,69±0,12 |
| 2 | 2,05±0,31 | 9,63±1,60 | 6,88±1,41 | 24,74±4,53 | 0,56±0,14 | 1,25±0,25 | - | |
| 3 | 3,45±0,30 | 11,37±2,51 | 10,14±2,87 | 13,35±2,53 | 2,01±0,49 | 0,78±0,08 | 2,26±0,45 | |
| 4 | 3,49±0,41 | 12,82±2,71 | 15,25±3,68 | 22,79±4,87 | 1,59±0,32 | 1,06±0,16 | 1,39±0,23 | |
Примечание: 1 – вегетация, 2 – бутонизация, 3 – цветение, 4 – плодоношение; прочерк ( – ) означает, что содержание данного элемента ниже предела обнаружения.
 |  |
| Рис. 4. Содержание Cu и Zn в надземной части Thymus baicalensis в разные фазы вегетации | |
Содержание марганца нужно рассматривать во взаимосвязи с содержанием железа, поскольку марганец и железо являются элементами-антагонистами (Школьник, 1974). Величина Fe/Mn имеет решающее значение при оценке устойчивости растений к железистой токсичности. Для нормального развития растений это соотношение должно быть в пределах 1,5-2,5 (Кабата-Пендиас, 1989). Соотношение элементов Fe/Mn для образцов из вострецово-крыловоковыльного фитоценоза соответствует норме в фазе вегетации (1,73) и плодоношения (1,50), в фазе бутонизации выше нормы и составляет 3,60; в фазе цветения – ниже нормы (1,32). Максимальные концентрации железа и марганца в образцах из холоднополынно-злакового фитоценоза отмечены в фазе плодоношения (табл. 6).
Содержание хрома, кобальта и никеля широко варьирует в зависимости от фазы вегетации растения. Количественное содержание свинца и кадмия ниже предела обнаружения.
Элементный состав Thymus baicalensis в зависимости от фитоценотической приуроченности
Образцы тимьяна байкальского, собранные в разных фитоценозах, отличаются по количественному содержанию элементов. Так, максимальным содержанием макроэлементов – кальция и магния – характеризуется образец тимьяна байкальского, произрастающий в разнотравно-перистоковыльном (1,29 %) и холоднополынно-злаковом (0,23%) фитоценозах соответственно, минимальным – образец №5 (разнотравно-перистоковыльный – 0,33 и 0,11%) (табл. 7).
Содержание меди в исследованных образцах в зависимости от фитоценотической приуроченности варьирует в пределах от 1,99 до 5,23 мг/кг. Нормальная концентрация меди в растениях находится на уровне 0,2-20,0 мг/кг (Минеев, 1990) (табл. 7).
По количественному содержанию цинка образцы тимьяна байкальского из разных фитоценозов значительно различаются. Так, максимальным содержанием цинка – 19,96 мг/кг характеризуется образец из разнотравно-алтайсколукового фитоценоза, минимальным – 5,33 мг/кг – тимьян байкальский из разнотравно-байкальскоковыльного фитоценоза. Нормальное содержание цинка в растениях – 15-150 мг/кг, предположительно максимальное — 300 мг/кг воздушно-сухой массы (Ильин, 2001). Исходя из приведенных норм, можно отметить низкое содержание цинка в образцах тимьяна байкальского.
Таблица 7
Содержание макро- и микроэлементов в надземной части
Thymus baicalensis из разных фитоценозов (фаза цветения)
| № | % | Содержание микроэлементов, мг/кг | ||||||||
| Ca | Mg | Cu | Zn | Mn | Fe | Cr | Co | Ni | ||
| 1 | 0,79±0,13 | 0,23±0,04 | 3,88±0,74 | 13,63±2,09 | 43,61±8,18 | 28,23±5,72 | 3,77±0,71 | 1,13±0,21 | 1,85±0,35 | |
| 2 | 0,59±0,16 | 0,16±0,04 | 3,49±0,64 | 11,37±2,11 | 10,14±2,87 | 13,35±2,73 | 2,01±0,45 | 0,78±0,14 | 2,26±0,45 | |
| 3 | 0,93±0,12 | 0,22±0,04 | 4,64±0,89 | 9,63±1,79 | 8,25±1,67 | 24,74±4,54 | 1,82±0,30 | 1,85±0,35 | - | |
| 4 | 0,81±0,12 | 0,18±0,03 | 5,23±1,18 | 8,49±1,48 | 13,86±2,55 | 26,52±4,87 | 2,93±0,61 | 0,97±0,12 | - | |
| 5 | 0,46±0,09 | 0,11±0,02 | 4,19±0,85 | 10,12±1,73 | 18,23±3,56 | 3,98±0,83 | 2,28±0,42 | 1,14±0,26 | - | |
| 6 | 1,22±0,24 | 0,12±0,02 | 2,66±0,50 | 5,33±1,49 | 15,19±3,23 | 13,25±2,24 | 2,29±0,48 | 0,29±0,05 | - | |
| 7 | 1,29±0,28 | 0,12±0,01 | 1,99±0,43 | 11,00±2,53 | 13,20±2,45 | 21,59±4,76 | 1,19±0,25 | 0,97±0,16 | 1,38±0,26 | |
| 8 | 0,87±0,14 | 0,17±0,03 | 4,01±0,80 | 19,96±3,75 | 16,25±3,24 | 14,78±2,64 | 0,27±0,05 | 1,02±0,17 | 0,50±0,07 | |
Примечание: 1-холоднополынно-злаковый, 2-вострецово-крыловоковыльный, 3-мелкотравно-ленскотипчаковый, 4-низкотравно-вострецовый, 5-разнотравно-перистоковыльный, 6-разнотравно-байкальскоковыльный, 7-вострецово-осоковый, 8-разнотравно-алтайсколуковый; прочерк ( – ) означает, что содержание данного элемента ниже предела обнаружения.
Содержание железа варьирует от 3,98 до 28,23 мг/кг. Низким содержанием железа из исследованных образцов характеризуются образцы из вострецово-крыловоковыльного (13,35 мг/кг), разнотравно-перистоковыльного (3,98 мг/кг), разнотравно-байкальскоковыльного (13,25 мг/кг) и разнотравно-алтайсколукового (14,78) фитоценозов. Дефицит, оптимум и избыток марганца в растениях составляют соответственно 15-25, 20-300 и 300-500 мг/кг сухого вещества (Дуглас, 1988). Содержание марганца в исследованных образцах колеблется от 8,25 до 43,61 мг/кг (табл. 7). Соотношение элементов Fe/Mn у растений низкотравно-вострецового фитоценоза соответствует норме и равно 1,91; в мелкотравно-ленскотипчаковом фитоценозе выше нормы – 3,00 и в остальных фитоценозах ниже и составляет 0,2-1,3.
Несмотря, на то, что Cr, Ni, Co, Pb, Cd имеют для растений физиологическое значение, эти микроэлементы относят к технофильным элементам, поскольку их концентрация в растениях может увеличиваться за счет техногенного воздействия. Поступление в растения повышенных количеств этих элементов довольно часто вызывает ряд физиологических и морфологических изменений.
Естественные уровни содержаний свинца в растениях из незагрязненных и безрудных областей находятся в пределах 0,1-10,0 мг/кг сухой массы при средней концентрации 2 мг/кг (Кабата-Пендиас, 1989), по данным В.Б. Ильина (1991) – 4,1 мг/кг. Нормальное содержание кадмия в растениях – 0,05-0,2 мг/кг воздушно-сухой массы, предположительно максимальное – 3 мг/кг (Ильин, 1989), по данным С.В. Баденковой, О.П. Добродеева (1988) – 0,25 мг/кг. По нашим данным, кадмий обнаруживается в образцах из вострецово-осокового фитоценоза (0,75±0,16 мг/кг), свинец – из вострецово-крыловоковыльного фитоценоза (0,97±0,12 мг/кг), что соответствует ПДК, принятым для чая и напитков (Гигиенические…, 1996).
Содержание хрома и кобальта в исследуемых образцах широко варьирует в зависимости от места сбора. Содержание хрома в растениях мира — 0,6-3,4 мг/кг сухого вещества. Содержание никеля варьирует незначительно, в образцах №3 – 6 содержание данного элемента ниже предела обнаружения (табл. 7).
Таким образом, тимьян байкальский характеризуется различным содержанием макро- и микроэлементов в растениях, собранных в разных фитоценозах и на разных стадиях фенологического развития. Установлено, что по содержанию технофильных элементов надземная часть тимьяна байкальского не превышает ПДК, принятых для чая и напитков. Элементный химический состав растений исследованной территории можно рассматривать как отражение биогеохимической ситуации экологически чистого региона с ненарушенными естественными биогеохимическими циклами элементов.
Выводы
- Thymus baiсalensis Serg. – широко распространенный вид в степных ландшафтах Бурятии и Северной Монголии, входит в состав фитоценозов, относящихся к подтипам настоящих, горных и луговых степей. В последних отмечается наибольшая плотность запасов сырья T. baicalensis – 33,8 г/м2 (в вострецово-осоковом сообществе).
- Основными компонентами эфирного масла Thymus baicalensis флоры Бурятии и Северной Монголии являются п–цимол, -терпинен, борнеол, -терпинеол, терпинеол-4, тимол, карвакрол. По составу эфирного масла каждый вид тимьяна отграничен от другого и основное отличие – в количественном соотношении ароматических фенолов (тимола и карвакрола).
- Количественный состав основных компонентов эфирного масла Thymus baicalensis зависит от фитоценотической приуроченности. Качественный состав доминирующих компонентов эфирного масла тимьяна байкальского Thymus baicalensis остается постоянным, но их количественное содержание изменяется в зависимости от экстремальности погодных условий и в ходе фенологического развития. С увеличением коэффициента экстремальности гидротермических условий увеличивается выход эфирного масла.
- В надземной части тимьяна байкальского определено количественное содержание 11 макро- и микроэлементов. На элементный состав тимьяна байкальского влияет фитоценотическая приуроченность и фенологическое развитие растения, особенно на стадиях вегетации и плодоношения. Содержание макро- и микроэлементов в тимьяне байкальском не превышает допустимых уровней.
Основные публикации по теме диссертационного исследования
В изданиях, рекомендованных ВАК:
- Жигжитжапова С.В. Химический состав эфирного масла тимьяна байкальского Thymus baiсalensis Serg., произрастающего в Забайкалье / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, И.В. Звонцов, Л.Д. Раднаева // Химия растительного сырья. – 2008. – №1. – С. 73-76.
- Жигжитжапова С.В. Сравнительная оценка компонентного состава эфирных масел Thymus baicalensis Serg. и Thymus sibiricus (Serg.) Klok. Et. Shost / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, И.В. Звонцов, Л.Д. Раднаева // Растительные ресурсы. – 2008. – Т.44. Вып. 3. – С.90-91.
Коллективные монографии:
- Жигжитжапова С.В. Особенности накопления и состав эфирных масел тимьянов Бурятии и Монголии в зависимости от природных условий / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, Л.Д. Раднаева, С. Шатар // Байкальская Азия: экономика, экология, устойчивое развитие (результаты международного сотрудничества). – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ, 2009. – C. 122-125.
- Zhigzhitzhapova S.V. Essential oils of Thymus L. of Buryatia and Mongolia. / S.V. Zhigzhitzhapova, L.D. Radnaeva, A.N. Rabzhaeva, S. Shatar // International Studies on the Essential Oils and Bioactive Constituents of Aromatic and Medicinal Plants from the Mongolia. – Ulaanbaatar, 2009. – P.38-40.
В других изданиях:
- Раднаева Л.Д. Сравнительная оценка химического состава эфирного масла Thymus baicalensis Serg., произрастающего на территории Бурятии и Монголии» / Л.Д. Раднаева, А.Н. Рабжаева, С.В. Жигжитжапова, И.В. Звонцов // Вестник БГУ.- Вып. 3. – 2008. – С.63-66.
- Жигжитжапова С.В. Сравнительный анализ эфирного масла некоторых видов тимьянов Бурятии и Монголии / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, Л.Д. Раднаева, С.А. Холбоева // Вестник БГУ. - 2009. - Вып.3. – С. 46.
- Жигжитжапова С.В. Исследование химического состава эфирного масла Thymus baiсalensis Serg. // Химия и биологически активные природные соединения» / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, И.В. Звонцов, Л.Д. Раднаева. – Улан-Удэ, 2006. – С.13.
В материалах научных конференций:
- Жигжитжапова С.В. Состав эфирного масла тимьяна байкальского Thymus baiсalensis Serg. / С.В. Жигжитжапова, А.Н. Рабжаева, И.В. Звонцов, Л.Д. Раднаева // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы III Всерос. конф. – Барнаул, 2007. – С. 20.
- Рабжаева А.Н. Эфирные масла растений рода Thymus L. флоры Бурятии и Монголии / А.Н. Рабжаева, Л.Д. Раднаева, С.В. Жигжитжапова // Проблемы устойчивого развития региона: материалы IV школы-семинара молодых ученых России. – Улан-Удэ, 2007. – С.149-150.
- Рабжаева А.Н. Состав эфирного масла Thymus baiсalensis Serg. / А.Н. Рабжаева, С.В. Жигжитжапова, Л.Д. Раднаева, И.В. Звонцов // Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создание функциональных продуктов: материалы IV Рос. науч.-практ. конф. (6-7 июня 2007 г.). – М., 2007. – С.111.
- Рабжаева А.Н. Эфирные масла рода тимьян, произрастающих в Бурятии / А.Н. Рабжаева, С.В. Жигжитжапова, Л.Д. Раднаева // Современные проблемы этноэкологии и традиционного природопользования: материалы всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, посвящ. 75-летию БГУ (6-7 декабря 2007 г.). – Улан-Удэ, 2007. – С.123-124.
- Рабжаева А.Н. Эфирные масла растений рода Thymus L. флоры Бурятии и Монголии / А.Н. Рабжаева, Л.Д. Раднаева, С.В. Жигжитжапова // Ломоносов-2008: материалы междунар. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых. – М., 2008. – С.56.
- Рабжаева А. Н. Эфирные масла Thymus baiсalensis Serg. и Thymus sibiricus Serg. / А.Н. Рабжаева, С.В. Жигжитжапова, Л.Д. Раднаева // Фундаментальные науки – медицине: сб. тезисов науч. конф. (Россия, 2-5 сентября 2008 г.). – Новосибирск, 2008. – С.30.
- Rabzhaeva A.N. Usе and composition of the essential oils of Thymus from Buryatia / S.V. Zhigzhitzhapova, A.N. Rabzhaeva, L.D. Radnaeva // Традиционная медицина: состояние и перспективы дальнейшего развития: материалы III Междунар. конф. (18-22 августа 2008 г., Россия). – Улан-Удэ, 2008. – С. 34.
- Рабжаева А.Н. Состав эфирного масла тимьяна байкальского Thymus baicalensis Serg. / А.Н. Рабжаева, С.В. Жигжитжапова, Л.Д. Раднаева // Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты: сб. науч. тр.– М.: РАЕН, 2010. - Вып.18. – С.129-132.
Подписано в печать 20.01.11. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100. Заказ 975.
Издательство Бурятского госуниверситета
670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24 а
