О механизме связывания атмосферного формальдегида в тканях растений

Г. Г. Дульцева, С. Н. Дубцов, Г. И. Скубневская,
Н. В. Цыбуля (Центральный Сибирский ботанический сад СО РАН), А. С. Серая (Забайкальский ботанический сад, г. Чита),
Н. А. Рычкова (Новосибирская государственная медицинская академия)

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Представленный цикл работ посвящен исследованию связывания атмосферного формальдегида в тканях растений. Вклад растительности в химию атмосферы имеет глобальное значение, хотя процессы, составляющие газообмен растений, хорошо изучены только для макрокомпонентов, тогда как химия малых органических примесей, выделяемых и/или поглощаемых растительностью, остается малоизученной областью химии окружающей среды. Очистка воздуха замкнутых объемов с помощью растений-фитофильтров является важной прикладной задачей.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Задача заключается в выявлении видов растений, способных поглощать формальдегид из газовой фазы, в измерении концентрационных пределов газопоглотительного действия этих растений, в выяснении химического механизма связывания формальдегида в растительных тканях и в оценке возможности использования изученных видов растений для очистки воздуха помещений от формальдегида. В работе показано, что некоторые виды растений могут использовать содержащийся в воздухе формальдегид в качестве элемента питания. К настоящему времени изучены лишь начальные стадии окислительного метаболизма простейших углеводородов в листьях растений. Известно, что формальдегид образуется в качестве промежуточного продукта в ферментативных реакциях. Между тем, высокая реакционная способность формальдегида, поступающего из атмосферы, делает маловероятным его проникновение в клетку в химически неизменном виде: в присутствии воды он легко образует гидрат, в присутствии кислот (включая органические) образует олигомеры. В работе получены первые данные о продуктах химических превращений, происходящих при контакте атмосферного формальдегида с растительным организмом.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Для работы были подобраны виды растений, показавшие в предварительных опытах способность поглощать газообразный формальдегид. Были выбраны тропические растения, интродуцированные в закрытом грунте средних широт в качестве декоративных: каланхое Дегремона, фикус Бенджамина, хлорофитум хохлатый. Разработана методика измерения газопоглотительной активности растений в лабораторных герметичных боксах при контроле химического состава газовой фазы. Подобраны условия экстракционного выделения образцов для последующего хроматографического анализа. Разработана хроматографическая методика анализа состава растительных тканей, при помощи которой выявлены соединения, образующиеся в тканях растений при контакте с газообразным формальдегидом. Для идентификации соединений, выделенных хроматографически, применены методы качественного полумикроанализа, УФ- и ИК-спектроскопии. Впервые предложен механизм связывания формальдегида в листьях и в воздушных корнях изученных видов растений.

4. Полученные результаты и их значимость.

Показано, что поглощение формальдегида из газовой фазы сопровождается изменениями в химическом составе тканей растений. В листьях фикуса Бенджамина и каланхое Дегремона при поглощении формальдегида происходит метилирование соединений группы флавоноидов, причем реакция осуществляется ферментативным путем. В листьях хлорофитума хохлатого и особенно в воздушных корнях при контакте с формальдегидом происходит образование хинонов

Кроме того, увеличивается содержание некоторых алифатических альдегидов разветвленной структуры и происходит их выделение в газовую фазу. Полученные данные показывают, что растительность вносит существенный вклад в химию атмосферы, и позволяют сформулировать задачи дальнейшего изучения химических особенностей газообмена растений.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Исследования газопоглотительных свойств растений ограничивались измерением состава газовой фазы и слежением за морфологическими изменениями в растениях. Анализ следовых количеств веществ, образующихся в растениях при контакте с атмосферными загрязнителями, был выполнен только для соединений серы и для кислородсодержащих соединений азота. Для соединений, содержащих в молекуле только С, Н, О атомы, такой анализ не проводился ввиду сложности выявления возникших различий в химическом составе тканей растений. Продукты взаимодействия СН2О с компонентами тканей растений идентифицированы впервые.

Исследования были поддержаны грантами РФФИ, результаты докладывались на Российских конференциях ("Аналитика Сибири и Дальнего Востока", "Аэрозоли Сибири"), на XI съезде Русского ботанического общества, на Европейских аэрозольных конференциях.

6. Вклад авторского коллектива.

Задача была сформулирована при участии биологов, они же на основании данных по физиологии растений провели подбор видов для исследования. Все аналитические работы, включая пробоподготовку, хроматографирование, обработку результатов, выполнены в ИХКГ СО РАН.

Список прилагаемых статей.
  1. Г. Г. Дульцева, С. Н. Дубцов, Г. И. Скубневская. Вклад фотоокисления альдегидов в образование атмосферного органического аэрозоля.
  2. А. С. Серая, Н. В. Цыбуля, Г. Г. Дульцева. Экспериментальное изучение поглощения формальдегида некоторыми видами рода Ficus L. для применения в фитодизайне. Химия в интересах устойчивого развития, 2008, т. 16, с. 361-367.
  3. А. С. Серая, Н. В. Цыбуля, Г. Г. Дульцева. Перспективы использования некоторых видов рода Ficus L. в интерьерах для очистки воздуха от формальдегида. Проблемы региональной экологии, 2008, № 4, с. 58-60.
  4. Г. И. Скубневская, Г. Г. Дульцева, С. Н. Дубцов. Исследование антропогенного загрязнения воздушной среды в Новосибирском Академгородке: озон, оксиды азота, формальдегид, кислотность атмосферных осадков. Химия в интересах устойчивого развития, 2000, т. 8, с. 875-880.
  5. Н. В. Цыбуля, Н. А. Рычкова, Г. Г. Дульцева, Г. И. Скубневская. Изучение возможностей некоторых декоративных растений как фитофильтров для очистки газовоздушной среды помещений от формальдегида и других карбонильных соединений. Химия в интересах устойчивого развития, 2000, т. 8, с. 881-884.