Ученые освоили новый способ оценки содержания тяжелых металлов в растениях

Долгие годы считалось, что тяжелые металлы, накопленные растениями, полностью переходят из сырья в БАДы или еду. Ученые доказали, что это не так, и нашли способ выяснить, какой процент загрязнений сохраняется в конечном продукте. Журналисты "Поляны" пообщались с Виктором Чаплыгиным – специалистом, занимающимся изучением биохимического состава растений и почвы, и выяснили, как растения накапливают тяжелые металлы, какие виды подвержены загрязнениям и действительно ли загрязненные территории так опасны, как мы привыкли считать. 

– Как ваша деятельность связана с лекарственными растениями?

– Я – ведущий научный сотрудник Академии биологии и медицины ЮФУ, защитил кандидатскую по экологии, специализируюсь на почвоведении. Сейчас занимаюсь экологическим мониторингом, изучаю химический состав почв и растений возле техногенных объектов, в частности, вокруг Новочеркасской ГРЭС, которая считается одной из крупнейших в стране.

Основная часть моей работы связана именно с растениями, так как почва относительно стабильна как природный объект, а флора – наоборот, динамична и обновляется каждый год. Поэтому растения – своеобразный индикатор загрязнений окружающей среды.

От изучения химического состава всех дикорастущих растений мы перешли к исследованиям лекарственных видов. Плюс ко всему наши коллеги из Новосибирска как раз разработали новую методику исследования фракционного состава тяжелых металлов в растениях. Она позволяет понять, сколько металлов переходит из растений в продукты и препараты. Ранее считалось, что содержание тяжелых металлов в растительном сырье мобильно и полностью переходит на следующий трофический уровень. Теперь же, благодаря новосибирским исследователям, мы понимаем, что это не так.

В нашем регионе многие собирают растения для лекарственных и пищевых нужд, поэтому мы решили выяснить, насколько опасны тяжелые металлы и какое их количество может перекочевать из сырья в лекарственный препарат, БАД и т.д.

– Как загрязнение металлами влияет на растение и его свойства? Увеличивается ли уровень загрязнения год от года? Чем опасно загрязненное сырье для человека?

– Тяжелые металлы отрицательно влияют на организм, вызывая онкологические процессы, расстройства ЖКТ и другие серьезные проблемы со здоровьем. Свойства разных металлов могут аккумулироваться, постепенно разрушая организм. Такое комплексное воздействие наиболее опасно. При этом металлы плохо выводятся из организма. Они не подвержены биодеградации, то есть не разрушаются в ходе биологических процессов. Иными словами, тяжелые металлы будут год за годом подтачивать ваше здоровье, усугубляя существующие заболевания или запуская новые.

Тяжелые металлы вредны не только для людей. Они губительны для роста растения и значительно сокращают его лекарственные свойства. Также эти металлы вредны для почвы. Они в целом негативно воздействуют на любую органику, с которой взаимодействуют.

Я не могу сказать, насколько увеличивается загрязнение год от года, так как этот показатель достаточно изменчив. Он зависит и от погодных условий, и от региона, и от наличия промышленных объектов рядом. Мы не можем предугадать, где выпадет дождь с тяжелыми металлами – за три километра от конкретного участка или за пятьдесят. Так что здесь все опционально, но где загрязнение есть – там оно остается.

– Растения накапливают примерно одинаковое количество тяжелых металлов или есть виды, которые более предрасположены к заражению?

– Мы изучали распространенные в нашем регионе растения, а именно тысячелистник щетинистый, пижму обыкновенную, ромашку лекарственную, цикорий обыкновенный, полынь горькую. У них разные свойства, и тяжелые металлы каждый вид накапливает по-своему. Даже растения одного вида могут по-разному накапливать металл в зависти от условий загрязнения. Это очень индивидуальный процесс.

Наши наблюдения показали, что свинец и кадмий, относящиеся к первому классу опасности, хорошо накапливаются в тысячелистнике щетинистом. Причем на самом растении это практически не отражается – концентрация не настолько велика, чтобы подавить рост, но в составе металлы присутствуют. Такие загрязнения – самые опасные, так как визуально вы не сможете отличить опасное сырье от чистого. При этом растения куда устойчивее к тяжелым металлам, чем человеческий организм.

Довольно много кадмия накапливается в цикории, причем именно в корне, который используют в качестве заменителя кофе. Тяжелые металлы вообще часто откладываются в тех частях растений, которые используются человеком.

– Получается, все растения накапливают тяжелые металлы, но в разных частях и в индивидуальном порядке? Нельзя выделить какую-то культуру, которая наиболее подвержена загрязнению?

– Все растения аккумулируют металлы, но можно выделить категорию гипераккумуляторов – видов, которые накапливают значительно больше веществ в процентном соотношении от своей массы. Судя по зарубежным исследованиям, подобными свойствами обладает горчица индийская, которая накапливает более 1000 мг на 1 кг массы. В нашем регионе сложно найти гипераккумулятор, так как у нас просто нет такого уровня загрязнений, однако коровяк обыкновенный демонстрирует высокую способность к накоплению цинка.

–  Вы упомянули, что используете новую технологию, разработанную новосибирскими учеными. Расскажите о ней подробнее, пожалуйста?

– Это новый подход последовательного фракционирования тяжелых металлов из растительного материала. Его описала в 2019 году Татьяна Ивановна Сиромля в своей докторской диссертации. Суть заключается в последовательном извлечении металлов из сырья за счет увеличения агрессивности среды. Всего выделяются пять фракций. Первая – водная, проще говоря – отвар, распространенный способ приготовления лекарственного препарата в народной медицине. Мы запариваем растения дистиллированной водой и смотрим, какой процент веществ перешел в отвар.

Вторая фракция – это спиртовой настой, также востребованный метод изготовления препаратов. В течение двух дней оставшийся после водного теста материал настаивается в спирте, после чего оценивается. Первая и вторая фракции наиболее интересны для фармакологии.

Третий этап – это солянокислая вытяжка. Мы используем 10%-ю соляную кислоту. Конечно же, на ее основе не готовят препараты, но этот эксперимент важен для понимания того, что происходит в желудке при непосредственном поедании растений.

Четвертая фракция – кислотная. Выполняется с помощью смеси перекиси водорода и концентрированной азотной кислоты. Очень агрессивная среда, которая позволяет извлечь значительную часть того, что до этого не было выделено.

Пятая фракция – самая стабильная. По сути, это то, что невозможно извлечь.

– Если первые две фракции важны для фармакологии, то третья, вероятно, для пищевой промышленности?

– Верно, в частности, подобные исследования важны для животноводства. Растения на лугах – это основа питания для сельскохозяйственных животных, поэтому важно знать, какое количество металла может перейти в их организм. В солянокислой фракции показатели достигают 60–70%. Но для четкого понимания к ним необходимо добавить две первые фракции – в таком случае доля переходящих тяжелых металлов может достигать 90%. Пищевая безопасность оценивается по сумме первых трех фракций. Препараты оцениваются по первой фракции, если это водный отвар, или по сумме первой и второй, если это спиртовая настойка.

– Влияет ли обработка сырья – сушка, ферментация и т.д. – на содержание в нем тяжелых металлов?

– Потеря элементов вместе с влагой пренебрежительно мала. В целом, если в фитомассу уже попали тяжелые металлы, то убрать их можно только специальными химическими манипуляциями, которыми производители не занимаются. Здесь надо разрушить молекулярную структуру растения, а это сложно. Бороться с тяжелыми металлами практически нереально. Считается, что загрязненным объектам одна дорога – в утиль.

– Есть ли какие-либо признаки, по которым можно определить загрязнение? Или без лабораторного анализа не обойтись? Насколько жестко осуществляется контроль?

– Чисто внешне можно определить загрязнение, пока сырье находится в стадии роста. Растения, пораженные тяжелыми металлами, развиваются медленно и плохо. Как только сырье собрали и измельчили, вы не сможете отличить его от нормального. Установить факт загрязнения в таком случае способна только лаборатория.

Лично я считаю, что анализ на тяжелые металлы должен быть обязательным, но по факту проверка может осуществляться выборочно. Это вопрос доверия между поставщиком сырья и переработчиком, ну и ответственности подхода, конечно. Покупателям растительного сырья стоит помнить, что в случае обнаружения вредных соединений или отравления потребителей, им придется нести ответственность вплоть до уголовной.

– Вы проводили исследования товаров из лекарственного растительного сырья на предмет содержания тяжелых металлов?

– Непосредственно до препаратов еще не добрались. В рамках проекта, реализуемого при поддержке Российского научного фонда, мы пока что занимаемся подбором лекарственных трав и оценкой их состояния. Территориально наш проект охватывает Новочеркасскую ГРЭС, терриконы возле Новошахтинска, а также несколько ООПТ регионального значения. Возможно, в будущем мы будем заниматься не только сырьем, но и продуктами.

Сейчас мы осуществляем глубокий мониторинг состояния растений и изучаем фракционное распределение тяжелых металлов в сырье. Одна из наших целей – сравнение данных фармакопеи с результатами новых исследований. Согласно текущей фармакопее считается, что все элементы, содержащиеся в растениях, переходят в препараты. Наши эксперименты показывают, что это не так – переходят только две первые фракции.

Вполне возможно, что наши исследования позволят расширить территории для сбора растительного сырья, которые сейчас стремительно сокращаются. Проще говоря, мы сможем доказать, что в отдельных случаях загрязненные территории не так уж опасны, как принято считать.

– Вы хотите ужесточить требования фармакопеи или, напротив, показать, что не все так однозначно, когда дело касается загрязнений?

– Мы не будем впадать ни в одну из крайностей. Наша задача – достичь объективности в оценивании пригодности территорий для сбора. Если загрязнение невысокое, мы обозначим эту территорию как пригодную, но с необходимостью постоянного мониторинга. При этом территории с недопустимыми уровнями загрязнений по-прежнему останутся непригодными для сбора.

Существующие сейчас нормативы – это так называемая средняя температура по больнице. Нельзя упускать из вида тот факт, что накопление поллютантов – это индивидуальный процесс. В каждом регионе условия будут различаться. Над разработкой региональных нормативов работали многие, но пока что единого мнения и единой базы научное сообщество не сформировало.

– Насколько велик уровень загрязнений в районе Новочеркасска?

– У нас средний и низкий уровни загрязнения. На большей части территории растения можно использовать как сырье.

– Удалось ли реабилитировать какую-то территорию как пригодную для сбора? Допустим, ранее считалось, что она заражена, а ваше исследование показало, что условия безопасны.

– Так произошло с землей вокруг Новочеркасской ГРЭС. Сырье, собранное на этой территории, не стоит использовать для продовольственных целей, а вот для изготовления препаратов вполне можно.

Есть и участки, которые так и остались в категории непригодных. Там высокое содержание поллютантов, которое превышает нормативы. Опять же, наша задача – не "очистить репутацию" территории, а повысить объективность оценивания.

– Увеличивается ли в научном сообществе интерес к лекарственным растениям? Не только в контексте загрязнений, но и в целом как к объекту изучения.

– Конечно, да. Фармакологической промышленности все сложнее удовлетворять растущий спрос на медикаменты. Требуются новые препараты, да и большая доля уже существующих производится с использованием растительного сырья в той или иной степени. Рынок лекарственного растениеводства набирает обороты, поэтому интерес к таким исследованиям будет только расти.

– Какие еще исследования растений вы проводите, помимо оценки содержания металлов?

– Сейчас мы реализуем аналогичный метод фракционного анализа для исследования полиароматических углеводородов. В этой категории веществ есть как минимум 16 опасных для человека соединений.

– Эти исследования финансируются государством?

– Мы работаем с Российским научным фондом. Подаем заявки, получаем гранты.

– Какая тема в сфере лекарственного растениеводства кажется вам не до конца раскрытой, но очень важной для изучения?

– Источник всех проблем с сырьем – это загрязнение почвы. Всему виной промышленность, но отказаться от нее мы не можем, как и, соответственно, прекратить загрязнять почву. Поэтому лично мне интересен способ изъятия загрязнений. И, главное, грамотной утилизации поллютантов. Это самый важный вопрос. Нельзя просто закопать изъятое, иначе к следующему урожаю мы будем иметь ту же картину. Никто не знает, что делать с тем же загрязненным растительным сырьем.

– А если сжечь?

– Тяжелые металлы поднимутся в воздух и осядут в другом месте. Это не решит проблему. Сжигание может лишь усугубить ситуацию, так как неизвестно, на какой территории окажется металл. Идеальный вариант – это технология переработки, которая позволит получить новый продукт, но под такие проекты очень сложно получить финансирование. Да и экономически это нецелесообразно.

– Дешевле выкинуть?

– У нас не все руды целесообразно пускать на переработку. Что уж говорить о растительном сырье и химическом извлечении элементов в промышленных масштабах. Никто просто не будет вкладывать колоссальное количество денег в такие заводы. Да, есть плюс в том, что мы сможем очистить большое количество земли и выращивать на ней сырье, но это окупится через десятки лет в лучшем случае.

– Есть ли предпосылки для улучшения качества сырья в будущем? Или же его чистота будет снижаться по мере технологического прогресса?

– Предпосылок к улучшению я не вижу. Скорее всего, в будущем перед людьми встанет выбор: сократить территорию и, соответственно, объем сбора, но получать качество, либо пожертвовать качеством в угоду спроса и объема. Здесь все будет зависеть от людей - пересмотрят ли они нормативы или же будут собирать меньше.