Биоиндикация городской почвы, содержащей тяжелые металлы

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Биоиндикация городской почвы, содержащей тяжелые металлы

Кертбиева Д.А. 1
1МОУ СОШ №25 им. А.М. Черемухина
Коротаевская Н.А. 1
1МОУ СОШ №25 им. А.М. Черемухина
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Ведение

Органические отбросы, биогенные вещества наносят вред городским и природным экосистемам тогда, когда перегружают их. Загрязненная ими экосистема может при благоприятных условиях очиститься сама. Однако есть загрязнители, которые абсолютно чужды экосистемам, поэтому их вред более существен. Среди таких веществ особое место занимают тяжелые металлы.[1]

В результате деятельности человека уже на протяжении многих десятков и сотен лет происходит поступление тяжелых металлов в биосферу, что привело к значительному увеличению содержания этих элементов в окружающей среде. Загрязнение водоемов, почвы и продуктов питания тяжелыми металлами представляет серьезную угрозу для здоровья людей. [6]

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности и автомобильного транспорта во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, в частности свинцом и кадмием. Повышенные содержания этих элементов обнаруживаются в атмосферных аэрозолях, почвах, поверхностных и грунтовых водах, а также растениях. [8]

Люберецкий район один из районов ближнего Подмосковья с наиболее сложной экологической обстановкой [3]. Поэтому любые экологические исследования в Люберецком районе, способствующие снижению возможного экологического риска, актуальны. Школьники должны научиться оценивать состояние собственного здоровья и соотносить полученные результаты с абиотическими условиями и образом жизни, вносить коррективы в свой образ жизни с учетом полученных результатов [4].

Гипотеза: воздух в городе загрязняется тяжелыми металлами, которые накапливаются в почвах и листьях деревьев, произрастающих в городе Люберцы. Изучив содержание тяжелых металлов в почве можно выявить степень загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами.

Цель: определить степень загрязнения городских почв тяжелыми металлами, выявить влияние автомагистралей на чистоту воздушной среды города; дать рекомендации на основе полученных данных.

Задачи:

По литературным данным выявить влияние тяжелых металлов на окружающую среду и здоровье человека

Собрать пробы почвы, в начале лета (июнь) и в начале осени (сентябрь)

Подготовить образцы и провести химический анализ по определению тяжелых металлов .

Провести сравнительный анализ полученных результатов с ПДК.

Оценить экологический риск воздействия экологических факторов на растения и на человека.

Провести биоиндикацию образцов почвы.

Разработать рекомендации по снижению экологического риска воздействия факторов неблагоприятной окружающей среды на человека

1.Обзор литературы

1.1. Тяжелые металлы – загрязнители природной среды

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин "тяжелые металлы" применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см3, либо с атомным номером больше 20. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.[12]

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность. [12]

Свинец, его влияние на окружающую среду и здоровье человека

Токсикология свинца тщательно изучена, так как его содержание в окружающей среде в настоящее время быстро растет в результате деятельности человека. Тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец - это ядовитые жидкие вещества, которые и сейчас добавляют как антидетонирующие присадки к бензинам. Поэтому выхлопы автомобилей — наиболее серьезный источник загрязнения окружающей среды свинцом.

Вдоль автотрасс свинец абсорбируют растения (из воздуха, а не из почвы!), этот же процесс происходит при загрязнении поверхностных слоев вод. В воду свинец может попасть из загрязненных им (свинцом) почв.[1]

Пыль, содержащая соединения свинца, оседает на растения и вызывает у них замедление процессов фотосинтеза. Ионы свинца вызывают потерю клетками растений тургора, в результате чего листья становятся дряблыми. Загрязнение свинцом объектов окружающей среды приводит к существенному снижению качества сельскохозяйственной продукции.[6]

Соединения свинца попадают в организм человека через желудочно-кишечный тракт или легкие, далее он попадает в кровь и разносится ею по всему телу, накапливаясь в костях, мышцах, печени, почках, сердце, лимфатических узлах. [7]

Неорганические соединения свинца (Pb+2) нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов, вызывая у детей умственную отсталость, заболевания мозга, нарушение координации движений, ухудшение слуха и памяти.

Медь, ее влияние на окружающую среду и здоровье человека

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав белков. Хронический избыток меди в тканях при соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. [2] [5]

Источники поступления меди в экосистемы - это результат использования медьсодержащих веществ: удобрений (минеральных и органических), растворов для опрыскивания, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, а также поступления из индустриальных источников, транспорта. [6,10]

Микробиологическая фиксация Cu - важный этап в ее экологическом круговороте. Хотя медь - один из наименее подвижных тяжелых металлов в почве, ее содержание в почвенных растворах достаточно велико во всех типах почв. В тканях корней растений Cu почти целиком присутствует в комплексных формах. Несмотря на общую толерантность растительных видов и генотипов к меди, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный.

У ряда видов, произрастающих в широком диапазоне природных условий, концентрации меди в побегах редко превышают 20 мг/кг сухой массы, поэтому такая величина часто рассматривается как граница, отделяющая область избыточных содержаний. [9]

Кадмий, его влияние на окружающую среду и здоровье человека

Загрязнениепочв кадмием рассматривается как наиболее серьезная опасность для здоровья. В антропогенных условиях содержание кадмия в поверхностном слое почв обычно возрастает. Считается, что Cd не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листья­ми. Растворимые формы Cd в почве всегда легкодоступны растениям. Заметная доля Cd поглощается корнями пассивно, но поглощается он также и метаболическим путем. [9]

Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием Cd в растениях, - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков. Толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям Cd, хотя они и важны с точки зрения сохранности окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека. [9] Кадмий попадает в окружающую среду вследствие курения (дым сигарет), выбросов промышленных предприятий, выбросы с заводов цветной металлургии, удобрения, сжигание угля. [12]

Установлены ПДК веществ для охраны от загрязнения: шкала экологического нормирования тяжелых металлов предложена с учетом генетического типа почвы. Главное значение имеет не количество тяжелых металлов, а их формы соединений в почве, зависящие от pH почвы (таблица 1)[1]

Таблица 1

ПДК тяжелых металлов в почве [11]

Металл

ПДК подвижной формы (мг/кг почвы)

ПДК валовое (мг/кг почвы)

Cu

3,0

 

Pb

6,0

32

Cd

3,0

 

Zn

23,0

 

Co

5,0

 

1.2. Экспресс – методы оценки токсичности почвенной среды с помощью биотестов

Что такое биоиндикация. Методы биоиндикации

Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый почвовед В.В.Докучаев.

По современным представлениям биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов — биоиндикаторов. Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология». [13,14]

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.), и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, заболачивание и т.п.), в том числе происходящие под влиянием человека.

Достоинство биологической индикации в том, что организмы могут характеризовать не только состояние среды в данный момент, но и её изменения за длительное время. Если предприятие выбрасывает в атмосферу и воду сразу десятки загрязнителей, оценить их влияние на природу порознь часто невозможно. По реакции организмов на загрязнение можно оценить вредоносность всего «комплекта».

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьёзный недостаток – они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Конечно, биоиндикация не заменяет детальных анализов. Разные загрязнители часто действуют одинаково, они могут усиливать действие друг друга. Тем не менее, во многих случаях оценивать действие экологических факторов методами биоиндикации очень полезно. Для такой оценки не нужны дорогостоящие приборы, возможно осуществление оперативного наблюдения (мониторинга) за состоянием условий среды и в особенности за режимом загрязнения атмосферы, воды и почвы. Именно потому, что биоиндикационный метод прост в применении.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.

Методы биоиндикации

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школе. [13]

2. Экспериментальная часть.

2.1. Место и время проведения эксперимента.

Для выявления содержания тяжелых металлов были взяты образцы почв в разных частях города Люберцы. Образцы были взяты вдоль автодорог на ул. Урицкого, Наташинского парка, а также на пришкольной территории. Чтобы выявить накопление тяжелых металлов образцы были взяты летом (июнь) и осенью (сентябрь). Химический анализ образцов был проведен в лаборатории общей химии МГОУ под руководством Дмитрия Борисовича Петренко и аспиранта Вероники Юрьевны Дмитриевой. Исследование проводилось при помощи полярографа «Экотест-ВА» с трехэлектродной ячейкой.

Биоиндикация почвы была с помощью семян кресс-салата.

2.2. Описание использованных методик.

2.2.1 Методики определения тяжелых металлов в почве .

Высокая токсичность и низкие значения ПДК свинца и кадмия обусловливают необходимость применения для их определения в объектах окружающей среды чувствительных аналитических методов, среди которых наибольшее применение нашли атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и ряд других спектральных методов.

В последние 10-15 лет существенную конкуренцию указанным методам составил метод инверсионной вольтамперометрии. Метод инверсионной вольтамперометрии в сочетании с простыми и надежными методиками химической подготовки проб является весьма перспективным для определения свинца и кадмия, аккумулированных растениями, в целях оценки техногенного воздействия на окружающую среду. [8]Поэтому в наших исследованиях использовался метод вольтамерометрии.

2.2.2. Метод определения всхожести семян кресс-салата как показатель загрязнения почвы.

Цель биотестирования – выявление степени и характера токсичности тестируемой среды. Кресс- салат является индикатором загрязнения почв тяжелыми металлами. Этот фитоиндикатор обладает быстрым прорастанием семян и почти 100%-ной всхожестью при отсутствии загрязнения. Кроме того, побеги и корни кресс- салата под воздействием тяжелых металлов подвергаются заметным морфологическим изменениям. Они выражаются в задержке роста, искривленности побегов, а также в уменьшении длины и массы корней, числа и массы семян.

По результатам опыта почве присваивается один из 4 уровней загрязнения.

Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

Слабое загрязнение. Всхожесть 60-90%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.

Среднее загрязнение. Всхожесть 20-60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства.

Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабая (20%). Проростки мелкие и уродливые.

2.3. Обсуждение полученных результатов

Результаты, полученные в ходе химического анализа, представлены в таблицах №2. В большинстве образцов почвы были обнаружен свинец и медь. Другие тяжелые металлы, в частности кадмий и цинк не обнаружены. Наличие свинца и меди в образцах свидетельствуют о содержании их в окружающей среде.

2.3.1. Содержание свинца и меди в исследуемых образцах почвы.

Данные представлены в таблице №2. Таблица 2.

Содержание тяжелых металлов в почве (мг/кг)

Название пробы почвы

Pb

Cu

Лето

Осень

Лето

Осень

Участок №1 (ул. Урицкого)

0

0,35

0

0,08

Участок №2 (Парк)

0,30

0,53

0,17

0,15

Участок №3 (у калитки)

0

0

0,22

0,40

Участок №4 (за школой)

0

0

0

0,22

ПДК

6,0

3,0

Результаты химического анализа почв показывают, что летом свинец в большинстве почв не обнаружен. В незначительных количествах (0,35 мг/кг), но не превышающих ПДК, свинец обнаружен летом в почве парка. Осенью в почвах парка и ул. Урицкого наблюдалась тенденция к увеличению свинца на 0,23 – 0,35 мг/кг, но не превышалось ПДК. В почве парка свинца больше, чем на других участках. Вероятно, причиной этому явлению может быть возраст деревьев: в парке растут более старые деревья, чем на других изучаемых участках. Свинец на протяжении многих лет смывался с листьев и накапливался в почве. На ул. Урицкого проезжает большое количество автотранспорта, поэтому накопление в почвах свинца более заметно, чем на школьном участке и в парке..

Медь обнаружена в почве летом в парке и у школьной калитки. Тенденция к повышению содержания меди в почвах обнаружено почти во всех пробах почв осенью (таблица 4), но содержание меди также является минимальным и не превышает ПДК. Повышение содержания меди в почве также может быть обусловлено наличием автодорог и близкое расположение железнодорожных путей. Кроме того, северная часть города Люберцы, где были взяты образцы почвы, находится ниже по рельефу, чем южная. Следовательно, с ветряными потоками вредные вещества попадают на северную часть города больше, чем на южную сторону.

2.3.2. Биотестирование городской почвы.

В таблице №5 представлены данные по биотестированию почв, проверенных на содержание тяжелых металлов. В каждую чашку Петри было посеяно по 20 семян салата.

Влияние тяжелых металлов на растения кресс-салата представлено в таблице №3.

Таблица 3.

Вариант

опыта

Место изъятия образцов почвы

Число семян, проросших за сутки

Абсол.

число

Относ.

Число (%)

1

2

3

5

6

№1

На улице Урицкого

0

13

16

17

17

17

85

Слабое загрязнение

№2

На краю Наташинского парка

0

15

17

18

19

19

95

Слабое загрязнение

№3

В глубине Наташинского парка

0

15

17

18

18

18

90

Слабое загрязнение

№4

У школьной калитки

0

0

10

16

16

16

80

Слабое загрязнение

№5

За школой

0

0

12

13

18

18

90

Слабое загрязнение

Результаты биотестирования показали, что слабое загрязнение всех образцов почвы существует: всхожесть 60-90%. Но скорость прорастания семян была разная: быстрее и в большем количестве всходили семена образцов №1,2 и 3. Семена, посеянные на почве со школьной территории ( образцы №4 и 5), всходили плохо, и лишь к шестому дню всхожесть составила 80-90%. Причем, всходы были гораздо ниже ( на 2-3 см) и искривлены, по сравнению с растениями с участков №1, 2 и 3. Фотографии в Приложении. Всхожесть семян, посеянных на образцах почвы, взятых у калитки, ниже на 10%, чем на образцах почвы за школой.

Химический анализ почв показал, что осенью в почве на пришкольном участке накапливалась медь в большей степени, по сравнению с почвой из парка и с улицы Урицкого. Причем в почве у школьной калитки меди накапливалось больше, по сравнению с почвой за школой. Поэтому, одной из причин плохой всхожести семян на почве пришкольной территории является присутствие тяжелого металла меди.

Всхожесть семян на почве с ул. Урицкого составила 85% и была ниже, чем на почве из парка и за школой на 5-10%. Известно, что на ул. Урицкого наблюдается интенсивное автомобильное движение. Поэтому загрязнение этой почвы вредными веществами осенью увеличивается.

Таким образом, метод биотестирования почвы кресс- салатом показал, что несмотря на то, что тяжелые металлы присутствуют во всех образцах почвы в пределах ПДК, они оказывают негативное влияние на растения, произрастающие на них.

3.Выводы

Взятые в ходе исследования образцы почвы со всех участков соответствуют нормам содержания тяжелых металлов в них (не превышают ПДК)

Существует экологический риск воздействия неблагоприятных факторов (тяжелых металлов) на биологическое разнообразие.

Экологическая ситуация на ул. Урицкого является переменной: летом обнаружено очень высокое накопление свинца, в то время как осенью его обнаружено незначительное количество

Экологическая ситуация в парке напряженная: были обнаружены высокие содержания свинца и меди как в почве.

Экологическая ситуация на пришкольном участке благоприятна: содержания свинца и меди в почве минимальны.

На основе полученных данных по содержанию тяжелых металлов в почве можно сделать вывод, что в воздухе есть тяжелые металлы, но в количествах, не превышающих норму

7.Слабое загрязнение всех образцов почвы существует: всхожесть 60-90%

8.Семена, посеянные на почве со школьной территории ( образцы №4 и 5), всходили медленнее, чем на других участках, и были низкорослыми и искривленными.

9.Всхожесть семян, посеянных на образцах почвы, взятых у калитки, ниже на 10%, чем на образцах почвы за школой. Возможной причиной загрязнения почвы, и как следствие снижение скорости прорастания семян, является большое количество легковых автомобилей, которые паркуются у школьной калитки.

10.Пониженная всхожесть семян кресс- салата на образце почвы с ул. Урицкого связана с загрязнением почвы выбросами автомобильного транспорта.

4. Заключение

Для активного отдыха (занятия спортом, гуляние) рекомендуется школьная территория, так как содержание тяжелых металлов в почве школьного двора, которые в свою очередь поступают из воздуха, минимально.

Улица Урицкого не рекомендуется для прогулок, так как в почве на этой территории летом обнаружено повышенное содержание свинца и меди. Через улицу проезжает большое количество автотранспорта, который является главным загрязнителем воздуха тяжелыми металлам.

Список литературы

Ресурсосбережение и экологическая безопасность человека. Практикум с основами экологического проектирования. 9 класс Александрова В., Болгова И., Нифантьева Е.

Зинина О.Т. Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — Вып.4.

Экология 7-8 классы. Практикум по экологии животных. Практикум по экологии человека. Автор-составитель Н.А. Степанчук. – Волгоград: Учитель, 2009.

Экология Московской области. Информационный сборник,2010г.

Давыдова, С.Л. О токсичности ионов металлов / С.Л. Давыдова. – М.: Знание, 1991.

Муравьев А.Г., Пугал Н.А., Лаврова В.Н. Экологический практикум: Учебное пособие с комплектом карт-инструкций / Под ред. к.х.н. А.Г. Муравьева. – 2-е изд., испр. – СПб.: Крисмас+, 2012.

Энциклопедия для детей / Гл. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта +, 2001. – Т. 19: Экология.

Нестеров И.С., Якунина Ю.Н., Петренко Д.Б., Радугина О.Г. Определение свинца и кадмия в объектах окружающей среды методом инверсионной вольтамперометрии.

А. Кабата-Пендиас Х. Пендиас «Микроэлементы в почвах и растениях» пер. с англ. канд. геол.-мин. наук Д. В. Гричука и канд. геол.-мин. наук Е. П. Янина под редакцией д-ра геол.-мин. наук Ю. Е. Саета, Москва «Мир» 1989 г.

Т. Н. Кропачева Учебно-методическое пособие для лабораторных работ «Электрохимические методы анализа»

Л.И. Губаревва, О.М. Мизирева, Т.М Чурилова Экология человека: практикум для вузов

Антонова Ю.А., Сафонова М.А. ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 11.

Ильинских, И.Н. Использование различных методов биотестирования для
мониторинга экологии города./ Е.Н. Ильинских // Б.В. Смирнов, А.Н. Юркин,

14.Н.Н. Ильинских/Проблема экологии и развитие городов: Материалы научно-практической конференции. 2000.С.86-87.

 
Просмотров работы: 393