Иерархическая кластеризация микроэлементного состава листьев берез как концептуальный подход к определению подлинности и доброкачественности
Иерархическая кластеризация микроэлементного состава листьев берез как концептуальный подход к определению подлинности и доброкачественности
Аннотация
Микроэлементный статус лекарственных растений позволяет рассматривать растения как источники элементов для лечения дисэлементозов, а также оценивать их безопасность с позиций элементов-токсикантов. С использованием метода кластерного анализа, основанного на непараметрической статистике, была установлена видоспецифичность микроэлементного состава растений и показана применимость кластерного анализа микроэлементов для решения задач определения качества лекарственного растительного сырья травянистых растений. Целью работы была проверка применимость разработанной концепции для листьев различных видов берез, как наиболее характерных представителей лекарственных деревьев. Методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой был определен состав микроэлемиентов листьев Betula pendula Roth; B. pubescens Ehrh.; B.divaricata Ledeb.; B. ermanii Cham; B. pendula var. carelica Merckl; B.maximowiczii Regel; B. rotundifolia Spach и B. platyphylla Sukaczev. Полученное разделение по кластерам в целом подтвердила видоспецифичность микроэлементного статуса и для фотосинтезирующих органов (листьев) деревьев. В сравнении с данными опубликованных в открытой печати статей по микроэлементому составу B. pendula и B. pubescens было установлено, что все растения попали в соответствующие их видам кластеры. Отдельно сформировался кластер из берез сырье, которых было собрано в экологически неблагополучном месте.
В результате было установлено, что предложенный подход к анализу микроэлементного состава растений является видоспецифичным и инвариантным относительно индивидуальной изменчивости микроэлементного состава. Применение кластерного анализа позволяет создать концептуально новый подход к использованию микроэлементного состава в качестве одного из критериев доброкачественности лекарственного растительного сырья.
1. Введение
Химические элементы необходимые живым организмам в качестве компонентов простетических групп, ферментов, гормонов, биологически активных соединений участвуют в обмене веществ, формируя пул метаболических веществ. С учетом общности живых организмов возникает возможность применения растений как источников эссенциальных элементов для профилактики различных дисэлементозов человека . Для поиска таких растений необходимо знать содержание микроэлементов в растении, причем с учетом невозможности "a priori" обоснованного выбора определяемых элементов необходимы методы анализа позволяющие определять содержание как можно большего числа микроэлементов в широком диапазоне их концентраций. Наилучшим на данный момент является метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (рекомендованный Государственной Фармакопеей ), позволяющий определять около 60-ти микроэлементов в широком интервале их концентраций с достаточной точностью результатов. С учетом актуальности проблемы и появлением мощного аналитического инструментария количество работ, посвященных исследованию микроэлементного состава растений, резко выросло. Вместе с тем, анализ подобных многомерных матриц результатов в большинстве работ не соответствует современным представлениям. Для анализа результатов измерения является выстраивание элементов в ряды по их концентрациям , , что в общем малоинформативно и не может быть применено на практике. Малоинформативны и расчёты коэффициентов биологического накопления, показывающих отношение содержания элемента в растении к содержанию его в почве , что может представлять интерес для изучения физиологических процессов в растениях и практически неприменим в задачах хемосистиматики или скрининга лекарственных растений. Третий подход – применение методов корреляционного анализа с получением регрессионных соотношений между изучаемыми объектами. Здесь необходимо отметить, что важным условием для корректного применения корреляционного подхода является наличие возможности произвольно менять одну из переменных. В этом случае, например, поиск корреляции между микроэлементным составом листьев берез, растущих в разных условиях проведенным в лишен смысла т.к. их микроэлементный состав определяется не видом растения, а факторами внешней среды, которые могут измениться и влиять на состав микроэлементов в растении. Использования построения простых или лепестковых диаграмм в координатах концентрация элемента – его порядковый номер, также математически некорректно, ибо он не может применяться для дискретных величин, которыми являются порядковые номера элементов. Кроме того, сравнение таких построений носит субъективный характер из-за отсутствия численных критериев несходства двух графиков и такой метод не позволяет использовать микроэлементный состав растения как критерий подлинности сырья.
Ранее было установлено, что для анализа подобных данных применимы методы кластерного анализа многофакторных данных, основанные на непараметрической статистике, с помощью которых была установлена видоспецифичность микроэлементного состава растений и показана применимость кластерного анализа микроэлементов для хемосистематического анализа видов, что является основой для определения подлинности ЛРС . На основе разработанной концепции анализа микроэлементного состава растений была установлена и возможность использования микроэлементного статуса растений как одного из критериев доброкачественности лекарственного растительного сырья .
Все вышеприведённые исследования были проведены на травянистых растениях и представляет интерес проверить применимость концепции анализа микроэлементного состава на широко используемых в качестве лекарственного растительного сырья листьях различных видов берез.
2. Методы и принципы исследования
Объектами исследования (табл.1) служили листья берез различных видов – береза повислая – Betula pendula Roth; б. пушистая – B. pubescens Ehrh.; б.растопыренная – B.divaricata Ledeb.; б.Эрмана – B. ermanii Cham; б.карельская – B. pendula var. carelica Merckl; б.Максимовича – B.maximowiczii Regel; б.круглолистная – B. rotundifolia Spach и б.широколистная – B. platyphylla Sukaczev.
Таблица 1 - Объекты исследования
Объект №пп | Растение | Год сбора | Характеристика места сбора | Координаты | |
Широта | Долгота | ||||
1 | B. pendula обр.1 | 2007 | Новосибирская область, Коченевский район, 2 км на север от ст. Лесная Поляна березовый колок | 55º 05` | 81º 94` |
2 | B. pendula обр.2 | 2016 | там же | -“- | -“- |
3 | B. pendula обр.3 | 2008 | Ярославская область Дзержинский район г. Ярославль 1 км на юг от пос. Скобыкино, роща | 57º 71` | 39º 79` |
4 | B. pendula обр.4 | 2006 | Республика Бурятия, Северо-Байкальский район 3,5 км на юго-восток от пос. Кумора, побережье оз. Иркана | 55º 86` | 111º 21` |
5 | B. pendula var. carelica | – | Республика Карелия Кондопожский район пос. Кивач Дендрарий заповедника «Кивач» | 62º 16` | 33º 59` |
6 | B. pubescens | 2015 | Томская область 3км на восток от пос. Мирный темно-хвойный лес | 56º 42` | 85º 19` |
7 | B.divaricata | 2006 | Республика Бурятия Северо-Байкальский район 2,5 км на юго-восток от разъезда Кирон склон правого берега р. Верх.Ангара | 55º 94` | 110º 68` |
8 | B. ermanii | 2018 | Камчатский край 7 км на восток от г. Петропавловск-Камчатский склон Авачинской сопки | 53º 42̕ | 158º 94 |
9 | B. rotundifolia | 2006 | Республика Бурятия Северо-Байкальский район муниципальное образование Нижнеангарск остров Ярки, | 55º 73` | 109º 82` |
10 | B.maximowiczii | 2023 | Сахалинская область Южно-Курильский район о. Кунашир правый берег р. Озерная | 43º 88` | 145º 47` |
11 | B. platyphylla | 2023 | остров Шикотан Сахалинская область, Южно-Курильский район, побережье бухты Крабовая | 43º 82` | 146º 74` |
Сырье, доведенное до воздушно-сухого состояния, измельчали и удаляли фракцию частиц, проходящих сквозь сито с размерами ячейки 0,2мм. Количественное определение элементов проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ELAN DRC-II. Навеску сырья (0,1-0,2 г) помещали во фторопластовый вкладыш автоклава и добавляли 5 мл концентрированной азотной кислоты. Автоклав герметично закрывали и помещали в микроволновую печь. Разложение пробы проводили при ступенчатом подъеме температуры до 160, 180 и 200 °С, с выдерживанием автоклава на каждой температурной ступени в течение 1 ч. После охлаждения полученные растворы количественно переносили в предварительно взвешенные полиэтиленовые бюксы. В каждый бюкс добавляли по 0,1 мл раствора соли индия с концентрацией 1,0 мг/л (внутренний стандарт) и воды очищенной до общего объема раствора 7-8 мл. Затем доводили массу растворов в бюксах до 10 г. Для контрольного опыта в реакционных емкостях проводили описанные выше процедуры без анализируемого образца. Для контроля правильности определения использовали метод добавок. Параметры работы масс-спектрометра: мощность генератора 1500 Вт; распылитель – поперечно-потоковый; распылительная камера – неохлаждаемая двухходовая. Расход плазмообразующего потока аргона— 15 л/мин; расход анализируемого образца – 1,5 мл/мин. Для обеспечения стабильного режима работы масс-спектрометра все измерения проводили в термостатированных условиях при температуре 22,0±1,5 °С. Проводили пять параллельных определений для каждого анализируемого образца, за результат принимали среднее значение.
Для анализа полученной матрицы данных была применена иерархическая кластеризация с формированием кластеров по методу Варда и стандартизацией по строкам. В качестве расстояния между кластерами берется прирост суммы квадратов расстояний объектов до центров кластеров, получаемый в результате их объединения. На каждом шаге алгоритма объединяются такие два кластера, которые приводят к минимальному увеличению целевой функции, т.е. внутригрупповой суммы квадратов. В качестве критериев объединения точек в кластер является условие, что Евклидово расстояние между точками меньше некой задаваемой величины ε, которая в данном случае выполняет роль некоего «доверительного интервала» для оценки значимости различий между кластерами. В качестве величины ε была принята индивидуальная изменчивость микроэлементного состава по заросли равная 25%.
Статистическую обработку полученных результатов проводили согласно методическим рекомендациям . Для проверки нормальности выборки использовали критерий Граббса, рассчитываемый как отношение максимальной разницы между средним и экстремальным значением к величине среднеквадратичного отклонения. Если рассчитанные значения превышали табличное критическое значение критерия Граббса, то результат считали принадлежащим другой совокупности данных. При анализе принимали в расчет критерии, соответствующие уровню доверительной вероятности P=95%. Расчет выполняли средствами программы Microsoft Excel. Кластерный анализ выполняли с помощью программы Statistica 10,0 , .
3. Основные результаты
Полученные результаты приведены в табл. 2 по которым методом иерархической кластеризации была построена дендрограмма приведенная на рис. 1.
Рисунок 1 - Дендрограмма объектов исследования (табл. 1)
Таблица 2 - Содержание микроэлементов в исследуемых объектах
Элемент объект | B.divaricata, мкг/г
| B. maximowicziana, мкг/г | B. ermanii, мкг/г | B. rotundifolia, мкг/г | B. platyphylla, мкг/г | B. pubescens, мкг/г | B. pendula var. carelica, мкг/г | B. pendula обр. 1, мкг/г | B. pendula обр. 2, мкг/г | B. pendula обр. 3, мкг/г | B. pendula обр. 4, мкг/г | B. pendula обр.а*1, мкг/г | B. pendula обр. b*1, мкг/г | B. pendula обр. c*1, мкг/г | B. pendula обр. d*1, мкг/г | B. pendula обр.e*1, мкг/г | B. pubescens обр.a*2, мкг/г | B. pubescens обр.b*2, мкг/г |
Li | 0,02 | 0,013 | 0,011 | 0,01 | 0,012 | 0,009 | 0,077 | 0,041 | 0,052 | 0,130 | 0,096 | 0,09 | 0,345 | 0,109 | 0,096 | 0,109 | 0,02 | 0,001 |
Be | 0,002 | 0,004 | 0,001 | 0,003 | 0,002 | 0,016 | 0,007 | 0,001 | 0,014 | 0,014 | 0,014 | 0,004 | 0,007 | 0,022 | 0,007 | 0,011 | 0,021 | 0,016 |
Na | 4,3 | 6,5 | 11,0 | 16,0 | 6,1 | 33,19 | 40,16 | 33,0 | 32,0 | 49,0 | 45,0 | 50,95 | 74,89 | 61,05 | 65,79 | 57,02 | 42,00 | 35,2 |
Mg | 5100,0 | 5900,0 | 3500,0 | 5100,0 | 1300,0 | 3001,7 | 2199,0 | 3112,0 | 3108,0 | 3088,0 | 4371,0 | 3740,9 | 4102,8 | 3162,3 | 3387,9 | 2747,7 | 3646,0 | 3336,0 |
Al | 190,0 | 250,0 | 390,0 | 350,0 | 100,0 | 71,5 | 156,1 | 250,0 | 290,0 | 350,0 | 100,0 | 171,03 | 197,97 | 215,97 | 239,79 | 218,04 | 62,4 | 104,0 |
P | 1900,0 | 2000,0 | 2700,0 | 3500,0 | 2100,0 | 1718,0 | 2291,8 | 5407,0 | 2066,0 | 5118,0 | 3576,0 | 2915,1 | 2071,9 | 2536,8 | 2706,8 | 2389,9 | 2143,0 | 1853,0 |
K | 10000,0 | 12000,0 | 5500,0 | 5700,0 | 2600,0 | 6308,7 | 8134,8 | 13139,0 | 4291,0 | 7954,0 | 6582,0 | 14612,7 | 6621,94 | 14281,8 | 14132,7 | 15231,8 | 7031,0 | 7643,0 |
Ca | 8600,0 | 10000,0 | 8600,0 | 7600,0 | 8200,0 | 5594,2 | 9911,6 | 10896,0 | 9959,0 | 5325,0 | 10938,0 | 7520,79 | 24896,8 | 17519,8 | 16136,6 | 11086,8 | 7944,0 | 5068,0 |
Ti | 1,5 | 2,0 | 1,4 | 4,4 | 0,68 | 5,72 | 8,2 | 7,2 | 5,6 | 15,0 | 10,0 | 8,81 | 12,93 | 13,83 | 15,93 | 14,98 | 6,280 | 7,030 |
V | 0,25 | 0,79 | 0,61 | 0,69 | 0,37 | 0,11 | 0,86 | 4,3 | 0,41 | 1,0 | 2,7 | 0,36 | 0,68 | 0,47 | 0,49 | 0,49 | 0,11 | 0,14 |
Cr | 0,19 | 0,31 | 0,25 | 0,3 | 0,17 | 2,62 | 1,99 | 3,3 | 1,5 | 2,3 | 2,2 | 3,81 | 3,639 | 3,76 | 3,9 | 3,98 | 2,75 | 3,34 |
Mn | 97,0 | 154,0 | 70,0 | 110,0 | 37,0 | 543,9 | 99,1 | 141,0 | 775,0 | 115,0 | 263,0 | 1323,0 | 294,0 | 159,0 | 234,0 | 260,0 | 939,0 | 326,0 |
Fe | 20,0 | 23,0 | 52,0 | 49,0 | 7,5 | 110,5 | 120,6 | 143,0 | 107,0 | 175,0 | 147,0 | 171,87 | 223,9 | 229,9 | 242,89 | 240,65 | 145,0 | 112,0 |
Co | 0,034 | 0,027 | 0,12 | 0,094 | 0,052 | 0,989 | 0,357 | 0,57 | 0,43 | 0,34 | 0,58 | 0,32 | 0,62 | 0,36 | 0,38 | 0,41 | 1,24 | 1,06 |
Ni | 0,32 | 0,34 | 0,53 | 0,36 | 0,49 | 2,60 | 2,98 | 5,3 | 8,6 | 5,1 | 2,0 | 3,97 | 1,86 | 3,96 | 5,59 | 3,84 | 5,24 | 0,81 |
Cu | 0,51 | 0,48 | 0,52 | 0,54 | 1,2 | 5,8 | 5,5 | 9,6 | 4,8 | 8,9 | 3,4 | 7,21 | 4,05 | 9,37 | 9,77 | 9,2 | 5,54 | 8,03 |
Zn | 13,6 | 17,5 | 78,2 | 12,8 | 6,7 | 195,2 | 39,4 | 111,0 | 147,0 | 157,0 | 105,0 | 185,0 | 124,0 | 154,0 | 122,0 | 135,0 | 223,0 | 231,0 |
Ga | 0,01 | 0,015 | 0,031 | 0,005 | 0,008 | 0,099 | 0,054 | 0,072 | 0,14 | 0,1 | 0,092 | 0,091 | 0,065 | 0,06 | 0,077 | 0,068 | 0,13 | 0,1 |
As | 0,18 | 0,23 | 0,12 | 0,26 | 0,17 | 0,043 | 0,89 | 3,2 | 0,001 | 1,9 | 3,30 | 0,15 | 1,06 | 0,22 | 0,24 | 0,24 | 0,06 | 0,04 |
Se | 0,25 | 0,36 | 0,43 | 0,42 | 0,096 | 0,034 | 0,338 | 0,22 | 0,110 | 1,1 | 0,28 | 0,44 | 0,74 | 0,5 | 0,27 | 0,49 | 0,027 | 0,052 |
Br | 3,5 | 4,3 | 2,5 | 4,0 | 8,4 | 0,17 | 23,34 | 75,0 | 9,6 | 169,0 | 35,0 | 2,17 | 6,42 | 1,83 | 2,08 | 2,04 | 0,14 | 0,25 |
Rb | 3,1 | 1,5 | 3,5 | 1,3 | 0,28 | 31,13 | 5,38 | 6,0 | 11,0 | 8,3 | 5,7 | 7,99 | 2,87 | 7,99 | 8,23 | 7,79 | 34,8 | 37,6 |
Sr | 5,9 | 6,5 | 5,9 | 6,5 | 3,6 | 14,9 | 24,4 | 30,0 | 17,0 | 12,0 | 57,0 | 25,6 | 52,2 | 40,4 | 38,3 | 39,2 | 22,7 | 11,9 |
Y | 0,007 | 0,01 | 0,006 | 0,009 | 0,003 | 0,021 | 0,054 | 0,027 | 0,088 | 0,071 | 0,056 | 0,064 | 0,089 | 0,081 | 0,089 | 0,079 | 0,023 | 0,027 |
Zr | 0,029 | 0,032 | 0,022 | 0,018 | 0,019 | 0,34 | 0,263 | 0,18 | 0,25 | 0,32 | 0,3 | 0,27 | 0,42 | 0,48 | 0,53 | 0,47 | 0,35 | 0,44 |
Nb | 0,003 | 0,008 | 0,003 | 0,007 | 0,002 | 0,007 | 0,022 | 0,018 | 0,018 | 0,039 | 0,03 | 0,028 | 0,038 | 0,036 | 0,042 | 0,041 | 0,01 | 0,007 |
Mo | 0,003 | 0,003 | 0,006 | 0,016 | 0,005 | 0,022 | 0,312 | 0,26 | 0,086 | 0,28 | 0,58 | 0,12 | 0,52 | 0,96 | 1,04 | 0,29 | 0,035 | 0,017 |
Ag | 0,001 | 0,001 | 0,002 | 0,002 | 0,038 | 0,067 | 0,011 | 0,027 | 0,013 | 0,039 | 0,008 | 0,012 | 0,01 | 0,009 | 0,008 | 0,008 | 0,006 | 0,15 |
Cd | 0,013 | 0,012 | 0,038 | 0,018 | 0,01 | 0,542 | 0,108 | 0,058 | 0,33 | 0,27 | 0,11 | 0,468 | 0,068 | 0,063 | 0,067 | 0,071 | 0,7 | 0,56 |
Sn | 0,12 | 0,078 | 0,090 | 0,097 | 0,16 | 0,099 | 0,476 | 1,3 | 0,74 | 0,4 | 0,83 | 0,43 | 0,11 | 0,87 | 1,07 | 0,64 | 0,09 | 0,14 |
Sb | 0,003 | 0,003 | 0,001 | 0,002 | 0,56 | 0,012 | 0,076 | 0,024 | 0,071 | 0,01 | 0,009 | 0,058 | 0,18 | 0,082 | 0,065 | 0,37 | 0,014 | 0,013 |
Cs | 0,009 | 0,006 | 0,04 | 0,007 | 0,002 | 0,284 | 0,018 | 0,012 | 0,019 | 0,026 | 0,037 | 0,022 | 0,023 | 0,038 | 0,038 | 0,032 | 0,24 | 0,42 |
Ba | 23,0 | 37,0 | 19,0 | 15,0 | 4,3 | 41,0 | 38,7 | 45,0 | 50,0 | 18,0 | 69,0 | 128,79 | 37,09 | 23,59 | 19,391 | 48,369 | 64,5 | 30,9 |
La | 0,013 | 0,035 | 0,011 | 0,014 | 0,004 | 0,032 | 0,07 | 0,045 | 0,12 | 0,11 | 0,13 | 0,066 | 0,12 | 0,096 | 0,13 | 0,11 | 0,036 | 0,038 |
Ce | 0,022 | 0,045 | 0,019 | 0,028 | 0,01 | 0,065 | 0,142 | 0,088 | 0,17 | 0,23 | 0,22 | 0,12 | 0,23 | 0,18 | 0,21 | 0,19 | 0,07 | 0,081 |
Pr | 0,003 | 0,006 | 0,002 | 0,003 | 0,001 | 0,008 | 0,015 | 0,009 | 0,026 | 0,027 | 0,023 | 0,015 | 0,026 | 0,02 | 0,026 | 0,022 | 0,009 | 0,009 |
Nd | 0,009 | 0,017 | 0,008 | 0,012 | 0,003 | 0,021 | 0,055 | 0,036 | 0,099 | 0,094 | 0,092 | 0,058 | 0,102 | 0,082 | 0,094 | 0,087 | 0,026 | 0,024 |
Sm | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,003 | 0,0004 | 0,007 | 0,014 | 0,01 | 0,036 | 0,021 | 0,015 | 0,014 | 0,023 | 0,015 | 0,023 | 0,019 | 0,01 | 0,007 |
Eu | 0,002 | 0,004 | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,001 | 0,005 | 0,01 | 0,01 | 0,007 | 0,013 | 0,004 | 0,003 | 0,003 | 0,004 | 0,004 | 0,0001 | 0,001 |
Gd | 0,002 | 0,003 | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,006 | 0,015 | 0,02 | 0,025 | 0,02 | 0,02 | 0,016 | 0,022 | 0,019 | 0,022 | 0,019 | 0,006 | 0,007 |
Tb | 0,0002 | 0,0003 | 0,0002 | 0,0003 | 0,0001 | 0,001 | 0,003 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,002 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,001 | 0,001 |
Dy | 0,001 | 0,002 | 0,001 | 0,002 | 0,0004 | 0,004 | 0,01 | 0,01 | 0,016 | 0,013 | 0,012 | 0,009 | 0,016 | 0,013 | 0,017 | 0,013 | 0,006 | 0,004 |
Ho | 0,0003 | 0,0003 | 0,0002 | 0,0004 | 0,0001 | 0,001 | 0,003 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,002 | 0,004 | 0,003 | 0,004 | 0,003 | 0,001 | 0,001 |
Er | 0,0005 | 0,0008 | 0,0004 | 0,0008 | 0,0002 | 0,001 | 0,005 | 0,008 | 0,01 | 0,008 | 0,008 | 0,005 | 0,008 | 0,009 | 0,006 | 0,008 | 0,003 | 0,0001 |
Tm | 0,0001 | 0,0002 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,002 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,001 | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,001 | 0,0001 | 0,0002 |
Yb | 0,0004 | 0,001 | 0,0004 | 0,0007 | 0,0002 | 0,001 | 0,006 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,005 | 0,007 | 0,007 | 0,007 | 0,006 | 0,001 | 0,0001 |
Lu | 0,0001 | 0,0002 | 0,0001 | 0,0002 | 0,0001 | 0,0003 | 0,002 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,002 | 0,001 | 0,0002 | 0,001 |
Hf | 0,0006 | 0,0007 | 0,0004 | 0,0004 | 0,001 | 0,007 | 0,009 | 0,06 | 0,006 | 0,008 | 0,006 | 0,005 | 0,007 | 0,008 | 0,006 | 0,007 | 0,01 | 0,006 |
Ta | 0,0003 | 0,0005 | 0,0002 | 0,0004 | 0,0001 | 0,0001 | 0,003 | 0,006 | 0,006 | 0,006 | 0,006 | 0,003 | 0,003 | 0,002 | 0,003 | 0,003 | 0,0001 | 0,0001 |
W | 0,003 | 0,002 | 0,001 | 0,001 | 0,003 | 0,001 | 0,014 | 0,018 | 0,029 | 0,0001 | 0,01 | 0,009 | 0,034 | 0,035 | 0,014 | 0,020 | 0,001 | 0,001 |
Hg | 0,001 | 0,001 | 0,0003 | 0,001 | 0,001 | 0,003 | 0,006 | 0,005 | 0,004 | 0,001 | 0,002 | 0,003 | 0,02 | 0,007 | 0,008 | 0,026 | 0,008 | 0,00001 |
Tl | 0,0004 | 0,0004 | 0,002 | 0,001 | 0,001 | 0,01 | 0,003 | 0,005 | 0,007 | 0,005 | 0,008 | 0,003 | 0,003 | 0,002 | 0,003 | 0,003 | 0,009 | 0,014 |
Pb | 0,015 | 0,023 | 0,019 | 0,019 | 0,72 | 0,168 | 0,326 | 0,18 | 0,62 | 0,3 | 0,12 | 0,301 | 0,956 | 0,378 | 0,459 | 0,729 | 0,19 | 0,2 |
Bi | 0,0003 | 0,0007 | 0,0003 | 0,0003 | 0,001 | 0,016 | 0,003 | 0,003 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,005 | 0,006 | 0,003 | 0,004 | 0,006 | 0,007 | 0,03 |
Th | 0,003 | 0,004 | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,01 | 0,018 | 0,008 | 0,013 | 0,035 | 0,025 | 0,02 | 0,029 | 0,029 | 0,026 | 0,027 | 0,007 | 0,017 |
U | 0,001 | 0,003 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,003 | 0,009 | 0,002 | 0,004 | 0,008 | 0,008 | 0,008 | 0,024 | 0,015 | 0,017 | 0,019 | 0,004 | 0,003 |
Примечание: *1 – из статьи Лежниной М.Г. и др. в [7, С. 81 табл. 2], нумерация образцов a, b, c, d, e соответствует нумерации образцов в статье 1–5
*2 – из статьи Бабешиной Л.Г. и др. в [5, С. 19-20 табл. 1], нумерация образцов а, b соответствует нумерации образцов в статье 1,2
4. Обсуждение
Как следует из дендрограммы можно выделить три кластера:
- 1-ый – объединяющий все исследуемые образцы В.pendula независимо от места и времени сбора;
- 2-ой – включает только B.pubescens;
- 3-ий – включающий все остальные виды.
Полученное разделение по кластерам в целом подтверждает видоспецифичность микроэлементного статуса и для фотосинтезирующих органов (листьев) деревьев. Попадание в один кластер B.divaricata, B. ermanii, B. rotundifolia, B.maximowiczii и B. platyphylla может быть обусловлено малой вариативностью их микроэлементного состава и, в этом случае, для их разделения требуется уменьшение критерия несходства (в данном статье принято, что кластеры различаются если относительное расстояние между ними в N-мерном пространстве более 25%). В свою очередь, для задания меньшего критерия необходимо проведение дополнительных объемов исследования с вариацией года сбора и мест произрастания берез каждого вида.
К моменту написания данной статьи вышли две публикации по микроэлементным составам берез повислой и пушистой, в частности – в работе Лежниной М.Г. , определялся микроэлементный состав листьев B.pendula собранных в 2012 году в Новосибирской области причем обр. 1 был собран в экологически чистом месте произрастания, а обр. 2-5 в зонах антропогенного загрязнения; в работе Бабешиной Л.Г. изучался микроэлементный состав B. pubescens произрастающих в Подмосковье и Брестской области Республики Белорусь. Интересно в этом случае проверить работоспособность разработанной концепции на образцах, собранных в других условиях и независимыми исследователями и поскольку содержание микроэлементов в них определялась тем же методом, то они были включены в таблицу 1.
Иерархическая кластеризация с включением в анализируемый массив данных результатов приведенных работ позволила построить новую дендрограмму (рис. 2).
![Дендрограмма исследуемых видов берез и берез, микроэлементный состав которых приведен в [5], [7]](/media/images/2024-07-29/8ef79f6b-4986-4949-9a69-899b62f9888c.jpg)
Рисунок 2 - Дендрограмма исследуемых видов берез и берез, микроэлементный состав которых приведен в [5], [7]
В то же время отметим, что 1-ый кластер дендрограммы на рис. 1 раделился на 2 кластера: 1а – все B.pendula в т.ч. и B. pendula var. carelica из объектов данного исследования (табл.1) и B.pendula из , собранная в экологически благополучном месте произрастания. Березы, произрастающие в условиях загрязнения из образовали отдельный кластер 1b, расстояние от которого до кластера 1а превышает 35% (при принятом критерии 25%). Вероятнее всего в условиях антропогенной загрязненности на поверхности листьев оседает пыль, содержащая микроэлементы, что повышает содержание микроэлементов в исследуемых образцах. Действительно среднее значение суммы и доверительный интервал варьирования всех микроэлементов для объектов 1-5 составляет 25263,4 ±6169,0 мкг/г, для листьев B.pendula, собранных в экологически благополучном месте произрастания 30883,3 мкг/г, что значимо не отличается от объектов 1-5. В то же время для листьев собранных в антропогенно нарушенных местах величина составила 36761,3±2898,9 мкг/г, что значимо отличается от листьев, собранных в экологически благополучных местах произрастания и это подтверждает предположение о вкладе именно экзогенного загрязнения. Это предположение коррелирует и с физиологией минерального питания растений – поглощение элементов из почвы происходит по симпласту через белки-переносчики плазмалеммы корневых волосков и только 5% элементов (находящихся в почве в растворимой форме) способно проникнуть эндогенно в результате простой диффузии по апопласту . В то же время на листьях может оседать пылевая фракция и формировать экзогенное загрязнение микроэлементами. Такое разделение кластера B.pendula позволяет использовать разработанный концептуальный подход к анализу микроэлементного состава для решения задач определения доброкачественности лекарственного растительного сырья не только с позиций выявления органической примеси , но и с позиции отбраковки ЛРС собранного в экологически неблагополучных местах произрастания.
5. Заключение
В результате проведенной работы можно констатировать, что предложенный подход к анализу микроэлементного состава растений с использованием метода иерархической кластеризации является видоспецифичным и инвариантным относительно индивидуальной изменчивости микроэлементного состава. Применение кластерного анализа позволяет создать концептуально новый подход использованию микроэлементного состава в качестве одного из критериев доброкачественности ЛРС.