Изучение возможности использования данных по содержанию стабильных изотопов магния для прогноза региона производства яблок
В аграрном секторе экономики достаточно остро стоит вопрос о месте происхождения того или иного вида свежей или переработанной плодово-ягодной продукции. Поиск достоверных критериев идентификации происхождения органической продукции привлекает постоянное внимание исследователей. Обычные исследования элементного состава не позволяют решить этот вопрос. Гораздо лучший результат может быть получен при исследовании соотношений стабильных изотопов распространенных в растительном мире химических элементов. Известно значительное количество систем и подходов, направленных на решение данной проблемы. Следует отметить, что наибольшие успехи получены по интерпретации данных по содержанию изотопов водорода, углерода, кислорода, азота, серы. Информации о естественном содержании стабильных изотопов магния и их фракционировании в плодах недостаточно.
Искусственное фракционирование стабильных изотопов химических элементов — технически сложный и дорогой процесс, а в живых системах он реализуется довольно легко. Следует отметить, что фракционированию подвергаются практически все элементы, имеющие изотопы.
Определение естественного содержания стабильных изотопов не так давно стало эффективным методом, с помощью которого можно изучать превращения элементов в биологических и экологических исследованиях, а также исследовать механизмы химических реакций.
Согласно исследованиям авторов, распределение стабильных изотопов легких химических элементов в различных биологических и абиотических системах существенно различается, поэтому изотопное отношение может быть достаточно достоверным критерием для распознавания биогенных и абиогенных соединений. Анализ изотопного состава исследуемых объектов позволяет в большинстве случаев решить вопрос подлинности продуктов, особенно если это касается продуктов органического питания или с защищенным обозначением происхождения.
Одним из методов выявления фальсификации географического происхождения пищевых продуктов является количественное определение стабильных изотопов 2H/1H, 18O/16O, 15N/14N, 13C/12C и некоторых других элементов.
В растительных объектах изотопы серы изучены мало, в то же время для отдельных сортов сельскохозяйственных культур и регионов выращивания уже известно, что информация по 34S позволяет достоверно дифференцировать органическую продукцию от выращенной в традиционной интенсивной системе земледелия. Также изотоп серы может выступать в качестве дополняющего показателя в тех случаях, когда информации по изотопам азота недостаточно для оценки продукции органического происхождения.
Содержание стабильных изотопов магния в растительных объектах практически не изучено, хотя обнаружение ядерно-магнитного изотопного эффекта с участием катионов магнитного изотопа 25Mg доказывает, что этому элементу уделено недостаточное внимание.
Магний (24Mg, 78,992%; 25Mg, 10,003%; 26Mg, 11,005%) — один из важнейших элементов питания растительного мира, хлорофилл участвует в активации множества ферментов, выполняя важную роль в биогеохимических циклах. Изучение фракционирования стабильных изотопов магния может позволить получить дополнительную информацию об этих циклах.
Открытие ион-радикальных механизмов двух ферментативных реакций, имеющих жизнеобеспечивающее значение в биологии, — это синтез аденозинтрифосфата (АТФ), главного энергоносителя в живых организмах, и репликация ДНК полимеразами — процесс, катализируемый ионами металлов, имеющий прямое отношение к химии генов и генетики. Доказано, что фермент с магнитным ядром 25Mg производит в два-три раза больше АТФ, чем фермент с немагнитным ядром 24Mg, что указывало на изотопный эффект.
Изучено влияние различных изотопов Mg на клетки Escherichia coli и показано, что клетки, выращенные на 25Mg, существенно быстрее адаптируются к новой среде, чем клетки, выращенные на немагнитных изотопах Mg.
Исследования млекопитающих показали, что 50% поступающего с пищей 26Mg попадает в кости, 30% — в мышцы, 20% — в другие мягкие ткани. Предпочтение растений тяжелым изотопам магния предполагает, что может существовать разница в биодоступности магния сельскохозяйственных и природных почв из-за периодического удаления тяжелых изотопов магния с урожаем.
Зависимость фракционирования изотопов Mg от pH может наблюдаться в любом клеточном организме, который следует аналогичным путям поглощения Mg и метаболическим путям, что служит для выявления круговорота Mg в экосистемах. Поэтому актуальны вопросы, касающиеся изучению стабильных изотопов Mg и их потенциала в качестве индикаторов в биохимических и физиологических исследованиях.
Для обозначения изотопного состава химического элемента [Е] принято использовать величину δ, представляющую собой отклонение от условного стандарта, в тысячных долях –%о промилле:
δ E =R1 – R2 х 1000 %, (1)
R2
где E— химический элемент, R1 — молярное соотношение тяжелых изотопов и легких в исследуемом объекте, R2 — молярное соотношение тяжелых изотопов и легких в стандарте, % — промилле.
Из формулы следует, что если в образце (R1) отношение изотопов меньше, чем в стандарте (то есть образец содержит меньше тяжелых изотопов), то вариация изотопного состава δ имеет отрицательное значение и, наоборот, при R1 большем, чем в стандарте, — положительное. Общепринятый стандартный образец (R2)при изотопном анализе магния — соотношение между 26Mg и 24Mg, равное 0,13969.
Цель исследований — получить исходные данные о фракционировании изотопов магния в яблоках (в зависимости от региона) с возможностью создания базы данных, позволяющей судить о происхождении продукта.
Материал и методы исследования
Для установления изотопного состава магния были взяты яблоки разной степени зрелости, произрастающие в условиях Краснодарского и Ставропольского краев, Липецкой области. Изотопный состав яблок определяли с помощью масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Thermo-Finnigan MAT (США), использовали стандартные образцы стабильных изотопов магния производства ФГУП «Комбинат Электрохимприбор».
Для оценки общей концентрации катионов магния применяли атомную абсорбцию в пламени на приборе «Квант АФА» (РФ) и систему капиллярного электрофореза «Капель-105М» (РФ), оборудованную источником питания положительной полярности и ультрафиолетовым детектором. Эксперименты выполнены на научном оборудовании ЦКП «Эколого-аналитический центр коллективного пользования» Кубанского государственного университета и Центра коллективного пользования ФГБНУ СКФНЦСВВ (г. Краснодар, Россия).
Статистический анализ полученных результатов осуществляли с применением стандартных программ Microsft Excel XP (США) с вычислением коэффициента достоверности по Стъюденту (P ≤ 0,05).
Результаты и обсуждение
При изучении минерального состава плодов яблони была сформирована база данных по уровню накопления катионов калия, кальция, магния, фосфора и азота в плодах в зависимости от фазы развития плода: «фаза лещина», «грецкий орех», «40 суток до созревания», «20 суток до созревания». По результатам наших исследований и по литературным данным, следует, что концентрация минеральных веществ в плодах в начале их развития высокая, и по мере роста плодов, а также увеличения их массы она постоянно снижается.
Так, в яблоках сорта Прикубанское (ОПХ «Центральное», г. Краснодар) при размере плода 4–5 мм (размер – плод «орех лещина») получено следующее содержание макроэлементов: калий — 3160–3300 мг/кг, кальций — 305–320 мг/кг, магний — 137–145 мг/кг. За 40 дней до уборки содержание калия составляло 1956–2020 мг/кг, кальция — 131–145 мг/кг, магния — 75–85 мг/кг. В съемной зрелости уровни содержания минеральных веществ составляли: калия — 1000–1120 мг/кг, кальция — 80–100 мг/кг, магния — 50–60 мг/кг соответственно.
При определении суммарного содержания Mg в яблоках разной степени зрелости и из разных регионов прослеживается зависимость количественного содержания молярного Mg, соответствующее степени зрелости плодов, где по мере увеличения массы плодов его содержание уменьшается.
Согласно литературным данным, природный Mg представлен тремя стабильными изотопами — 24Mg, 25Mg и 26Mg с молярной концентрацией для каждого 78,6%, 10,1% и 11,3%. В литературе также имеется и другая информация о фракционировании трех стабильных изотопов магния: 24Mg — 78,992%, 25Mg — 10,003%, 26Mg – 11,005%. По другим источникам, 24Mg — 78,7%, 25Mg — 10,13%, 26Mg — 11,17%, а также 24Mg — 78,99%, 25Mg — 10,00%, 26Mg — 11,01%. Магнитные изотопы создают внутренние магнитные поля, что сказывается на живых системах.
Исходя из значений общепринятых стандартных образцов при изотопном анализе некоторых химических элементов, Комиссией по изотопному содержанию и атомному весу (IUPAC) для магния R2-стандарт принят 0,13969.
Учитывая тот факт, что содержание Mg в почве весьма велико и для принципиально разных регионов возделывания содержание и соотношения массовых концентраций изотопов могут различаться, то может быть обоснован критерий для оценки происхождения яблок с определенной территории.
При определении молярного соотношения изотопов получили следующие данные: 24Mg — от 74,6 до 178,0 мг/кг, 25Mg — от 8,75 до 19,0 мг/кг, 26Mg — от 13,0 до 29,0 мг/кг. Это связано с фазой развития, массой яблок, сортовыми особенностями и местом произрастания.
При расчете процентного соотношения изотопов в наших образцах обозначено процентное содержание изотопов, связанное с видом изотопа при наибольшем процентном содержании легкого изотопа 24Mg, пределы варьирования которого от 77,4 до 78,8%. Фракционирование 25Mg в яблоках — от 8,2 до 9,5% от общего содержания, а 26Mg — от 12,7 до 13,6%.
Непосредственно массовая концентрация и расчет процентного содержания магния указывают на то, что в исследуемых образцах самое низкое содержание магнитного изотопа 25Mg (от 8,2 до 9,5%), как в сравнении между изотопами 24Mg и 26Mg в данных образцах, так и в сравнении с процентным соотношением магния в изотопной подписи стандартного образца (табл. 1).
Учитывая, что полученные данные по процентному соотношению изотопов в образцах близки к соотношению изотопов в природе, то далее был проанализирован изотопный состав каждого образца.
Учитывая, что под изотопным составом понимают относительную распространенность изотопов данного элемента, выражаемую обычно как отношение тяжелого изотопа к наиболее легкому (26Mg/24Mg), был рассчитан изотопный состав по каждому образцу.
Для обозначения изотопного состава принято использовать величину δ, представляющую собой отклонение от условного международного стандарта, поэтому был рассчитан изотопный состав образцов, выраженный в тысячных долях отклонения от международного стандарта:
δ (‰): δnXобразец = [(Rобразец/Rстандарт) -1] х 1000, ‰ (2)
δ26Mg образец = [(Rобразец/Rстандарт) -1] х 1000, ‰ (3)
где Х — элемент (Mg); n — номер тяжелого изотопа 26; Rобр — молярное соотношение тяжелого и легкого изотопов элемента; Rстанд —изотопная пропись стандарта, равная 0,13969; ‰ — промилле.
Изотопный состав образцов яблок с учетом представленных соотношений имеет различия в изотопной прописи с учетом сортовых особенностей, места произрастания, а также отклонения от изотопной подписи стандарта, которые большую выраженность имели в зависимости от места произрастания (табл. 2).
Изотопная пропись состава образцов варьирует в пределах от наименьших значений — 0,16292 (образцы из Павловского района) до максимальных — 0,18321 (образцы из ООО «Южные земли»), что коррелирует и со значениями отклонений от изотопной подписи стандарта от 23,23 до 43,52.
Выводы
В результате проведенных исследований получены данные о содержании изотопов магния в яблоках разных сортов из нескольких зон произрастания. Проведенные исследования свидетельствуют о сепарации изотопов в образцах яблок, особенно это выражено в отношении 26Mg и 25Mg. Полученная информация свидетельствует о том, что может быть обнаружена тенденция к различию изотопной подписи Mg для яблок в зависимости от места произрастания. Представляется необходимым наличие достаточного объема информации о почве, технологии выращивания плодов с учетом некорневых обработок. Существует объективная необходимость накопления базы данных по изотопному составу магния для большей выборки образцов, установления диапазона варьирования расчетного показателя и соответствия плодов яблони определенному региону (или несоответствия данного региона производства). Реализация данного подхода позволит получить более достоверную информацию о фракционировании изотопов магния в яблоках и установить взаимосвязь с местом произрастания.
Об авторах
Татьяна Григорьевна Причко, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник, Северо-Кавказскогий федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия, ул. им. 40-летия Победы, д. 39, г. Краснодар, 350901, Российская Федерация
еmail: prichko@yandex.ru
Юрий Федорович Якуба, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Северо-Кавказскогий федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия, ул. им. 40-летия Победы, д. 39, г. Краснодар, 350901, Российская Федерация
еmail: uriteodor@yandex.ru
Марина Владимировна Карпушина, кандидат сельскохозяйственных наук старший научный сотрудник, Северо-Кавказскогий федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия, ул. им. 40-летия Победы, д. 39, г. Краснодар, 350901, Российская Федерация
еmail: karpushinamarina@gmail.com
УДК 636.086.741 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-367-2-95-99
Просмотров: 5Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
