Биосфера-3. Флорариум.

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

Биосфера-3. Флорариум.

Левченко Л.О. 1
1МБОУ КСОШ №3
Смолик Е.В. 1Нестерова В.Н. 1
1МБОУ КСОШ №3
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

Введение

Флорариум – это композиции из растений, мхов, сухоцветов и дополнительных элементов (камни, ракушки и т.д.) в стеклянных сосудах различных форм.

Актуальность работы:

Флорариум это миниатюрный сад, не требующий регулярного полива. Создание растительных композиций даёт хорошие возможности развивать свои творческие способности. Но флорариум не только украшение интерьера, это модель замкнутой экосистемы. Данное направление особенно актуально в космических исследованиях.

Цель проекта:

Создание модели замкнутой экосистемы. Изучение выживаемости растений в искусственных миниатюрных экосистемах и условий, возникающих в таких системах. Проведение мастер-класса с целью воспитания экологического сознания наших сверстников.

Задачи:

Изучить историю и технику создания флорариумов.

Познакомиться с видами растений, используемых для флорариумов и с опытом создания различных флорариумов.

Изготовить разнообразные флорариумы и сравнить их эффективность.

Провести замеры уровня концентрации углекислого газа внутри флорариума.

Проверить экспериментальным путём различные способы оптимального увлажнения растений.

Включить созданную модель в систему наглядных пособий для уроков биологии и экологии.

Провести мастер-класс в 8-9 классах МБОУ КСОШ №3

Методы:

Сбор и анализ информации.

Моделирование экосистем и наблюдение.

Измерение концентрации углекислого газа

Создание презентации и проведение мастер- класса по изготовлению флорариумов.

Объект исследования: растения в замкнутой системе.

Предмет исследования: условия для выращивания растений в замкнутой системе.

Гипотеза: растения внутри герметично закрытого флорариума могут жить самостоятельно.

Практический результат: созданная модель замкнутой экосистемы является наглядным пособием для уроков биологии и экологии.

Новизна работы: в настоящее время многие увлекаются созданием флорариумов. В Интернете опубликовано много проектов на эту тему. Флорариумы создают для развития творческих способностей и эстетического наслаждения, для выращивания некоторых особо требовательных к условиям растений или для удобства ухода за растениями. Флорариум заменяет комнатные растения тем людям, которые не имеют возможности регулярно поливать растения. Новизна нашей работы в том, что мы создавали флорариумы с исследовательской и экспериментальной целью (исследования изменения количества кислорода и углекислого газа в замкнутой биосистеме и подбора оптимального увлажнения).

Основная часть

Оборудование и методика.

Методика создания флорариума описана в экспериментальной части. Измерение углекислого газа и кислорода проводилось при помощи школьной цифровой лаборатории «Эйнштейн». Использовали датчик углекислого газа ENCO2B040A и датчик кислорода ENOXY.

Датчик углекислого газа ENCO2B040A измеряет концентрацию диоксида углерода в промилле (от 350 до 5000 промилле, по программе от 0 до 5000) в различных газовых смесях, например в воздухе. он представляет собой компактный прибор нового типа на основе твёрдого электролита с высокой чувствительностью по отношению к СО2 , влажность окружающего воздуха незначительно влияет на его показания. Чувствительный элемент датчика состоит из твёрдого электролита, в который помещены два электрода и нагреватель на основе диоксида рутения. Измеряя электродвижущую силу (ЭДС), возникающую между электродами, можно определить концентрацию СО2. В верхней части крышки датчика находится адсорбент (цеолит), поглощающий примесные газы. Чувствительный элемент датчики имеет линейную зависимость между возникающей ЭДС и десятичным логарифмом СО2. Встроенные в датчик микропроцессор и цифро-аналоговый преобразователь выдают на выходе напряжение, прямо пропорциональное концентрации газообразного СО2. Датчик поставляется откалиброванным. При каждом подключении датчика к регистратору данных упрощённая калибровка происходит автоматически (примерно 120 секунд). Точность измерений ± 20%. Рекомендуемая частота замеров – 10 в секунду. Время установления 90 секунд.

Датчик кислорода ENOXY-А222. Диапазон измерений (от 0 до 25%, от 0 до 12,5 мг/л). Датчик является гальваническим кислородным электродом, способным определять содержание кислорода в воздухе в % и его концентрацию в водных растворах в мг/л. Калибровку датчика необходимо проводить перед каждым измерением.

История создания флорариума

Одним из важнейших открытий ботаники стал «ящик Уорда». Известный врач и увлеченный ботаник Натаниэл Уорд сделал открытие, которое буквально перевернуло представление об условиях и возможностях жизни в замкнутой системе. Он изучал влияние влажной и стабильной атмосферы на здоровье растений. Ему первому удалось спроектировать специальную закрытую емкость, изготовленную из стекла и предназначенную для содержания и разведения растений – флорариум. Внутри флорариума создается определенная влажность воздуха и температура, а также особый режим увлажнения (при этом от растений и грунта испаряется вода, в ней нет солей, и она оседает на стенках флорариума, обеспечивая местный «дождик»). Система флорариума обеспечивает особый уход за различными видами растений включая те растения, которым требуется своеобразный режим полива. Итак, флорариум это прекрасный декор для украшения помещений, а также отличный выход для тех, кто любит растения, но не может постоянно за ними ухаживать. Благодаря флорариуму Уорда с 1834 года транспортировка бромелий и орхидей стала возможна. Подобие современного флорариума врывается в моду Англии XVIII века. Изумительный и аккуратный ящик из красного дерева и стекла можно найти в каждом доме настоящих модников и светских салонах того времени. Чаще всего в флорариум сажали папоротники, от чего и получил название «папоротниковые оранжереи». Сейчас же разнообразие растений, которые можно высадить в флорариуме очень большое и интересное.

Вечный Флорариум – это не Декоративный Флорариум. Декоративный Флорариум создается для украшения интерьера. Он украшается галькой, декоративными акцессуарами. Все эти Флорариумы являются либо открытыми, либо полуоткрытыми (растения садятся на стеклянную подставку типа блюда, которое накрывается стеклянной крышкой-колоколом). Растения можно периодически поливать, удалять заболевшие, подрезать. Вечный Флорариум создается именно для исследовательских и экспериментаторских целей. В нашем проекте это определение концентрации углекислого газа.

Как правило, концентрация СО2 в воздухе составляет 0,03% (по объему) и для нормального функционирования организма человека не должна быть больше. При концентрации 8-10% появляется одышка, тахикардия, головная боль, возбуждение, головокружение, слабость, судороги и потеря сознания. При концентрации около 15% - головная боль, головокружение, психомоторное возбуждение, бессознательное состояние. Пульс и дыхание ослаблены, затрудненное дыхание, судороги и смерть. При концентрации 30-40% - немедленная смерть из-за паралича центральной нервной системы и остановки дыхания. Воздух в помещении считается качественным, если содержание CO2 в нем колеблется в пределах 300 - 800ppm. При достижении концентрации углекислого газа 1000ppm у многих людей уже появляется ощущение духоты и вялости, а 1400ppm — предел нормы по рекомендациям Сан-Пина.

Примеры создания флорариума

Фельдшер скорой помощи в Магнитогорске создаёт флорариумы в лампочке как сувениры для своих друзей и знакомых. «Не деревья, но мох на камнях вполне приживается. Достаточно пары капель воды — и затем эта влага может годами циркулировать в герметичной экосистеме. Мох может расти и жить в таком флорариуме до 10-ти лет. На изготовление одной лампочки уходит от 30 до 40 минут. Удивительно, но за такой тонкой кропотливой работой фельдшер Скорой помощи отдыхает после очередного дежурства».

Дэвид Латимер создал полностью закупоренный автономный сад в большой стеклянной 30-литровой банке. Дэвид Латимер разводил разные растения, в том числе и хлорофитум, которые не приживались в среде банки. И только один из нескольких ростков традесканции выжил и разросся и существует более 50 лет в замкнутой системе. Латимер поворачивает свое творение к свету разными боками, передвигая по дому, и это приносит ему огромное удовольствие.

И, наконец, самый большой «флорариум» - проект Биосфера-2 создали не учёные, а любитель, миллиардер Эдвард Басс в пустыне Аризона (США). «Биосфера-2» — модель замкнутой экологической системы. Цифра «2» в названии призвана подчеркнуть, что «Биосферой-1» является Земля. В отдалённом будущем такие системы могут быть полезны и как автономные поселения в космосе, и в случае крайнего ухудшения условий жизни на Земле. Лаборатория представляет собой сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 гектара  из лёгких материалов, покрытых стеклянным колпаком. Внутри тропический лес, пустыня, саванна, миниатюрный океан, учёные создали условия для нормального круговорота веществ. Предполагалось, что комплекс будет функционировать автономно. Однако через несколько недель жизнь людей-участников проекта в комплексе «Биосфера-2» нарушилась. Микроорганизмы и насекомые стали размножаться в неожиданно больших количествах, вызывая непредвиденное потребление кислорода и уничтожение сельскохозяйственных культур. Обитатели проекта стали терять в весе и задыхаться. Первый эксперимент закончился неудачей: люди сильно потеряли в весе, количество кислорода снизилось до 15 % (нормальное содержание в атмосфере — 21 %). Выросла концентрация углекислого газа.

Поэтому у нас возникла идея создать флорариум, который мы назвали «Биосфера-3».

Создание автономной экосистемы актуально в космических исследованиях. Ещё К.Э. Циолковский в 2016 году писал о космических оранжереях. Проект «Биосфера-2» показал, что создать замкнутый биологический круговорот задача очень сложная. Первые космические оранжереи в нашей стране появились в 1960-х годах на кораблях «Восход». Затем появились оранжереи «Оазис». Самой большой проблемой была проблема полива растений в невесомости. Срывались огромные капли воды, которые космонавтам приходилось ловить по всему кораблю, вода не поступала к корням растений. Первой автоматической оранжереей стала оранжерея «Свет» на станции «Мир», но полив всё равно осуществлялся вручную. Поэтому у нас возникла идея проведения простых экспериментов, позволяющих отрегулировать оптимальное количество воды внутри флорариума.

Экспериментальная часть

Как сделать флорариум?

Выбор растений.

Выбирают мох, традесканцию, папортник, хлорофитум, клевер, спорыш, солейролию и другие растения. Выбор растений основывается на неприхотливости, медленном росте и совместимости растений. Мы брали фрагмент почвы со мхом и растущими рядом растениями. Также использовали грибы с кусочками древесины и лишайники, солейролию и звездчатку (мокрицу).

Сосуды.

Можно выращивать флорариум в колбе, лампочке, пластиковой бутылке, даже в полиэтиленовом пакете. Хорошо подходят банки для сыпучих продуктов. Мы выращивали в колбе, в лампочке, в чашке Петри, в пластиковых контейнерах, в банках. Сосуд надо герметично закупорить. Выращивая в чашке Петри, мы просто прикрыли крышкой и не открывали, герметичность не нарушалась. В одном из трёх опытов за счёт добавленной на первоначальном этапе воды, образовалась герметичная прослойка между чашкой Петри и крышкой. В этом случае получился самый хороший флорариум в чашке Петри. Стеклянная банка удобна тем, что её можно временно закрывать и затем открывать для проведения измерений концентрации газов. После проведения измерений банку закрывают железной крышкой и закатывают.

Грунт и дренаж.

Мох и растения мы брали с грунтом. Дренаж – песок, керамзит. В одну колбу положили древесный наполнитель для кроликов. Получилось удачно, наполнитель помог отрегулировать количество воды, а это самое сложное. Использовали сухой сфагнум (продаётся в магазине). Сфагнум впитывает лишнюю влагу и не позволяет развиваться плесени и гнили. С той же целью мы помещали во флорариум лишайники.

Землю лучше брать из магазина, потому что в земле из леса много паразитов и маленьких насекомых. В итоге, флорариум засыхает.

Дезинфекция

Среди людей, имеющих опыт создания «замкнутой экосистемы» нет единого мнения о процессе подготовки к высаживанию растений. Одни предлагают стерилизовать тару, дренаж, чтобы избежать излишнего размножения бактерий, паразитов, плесени. Другие – берут грунт и растения в природе и ограничиваются чистым сосудом. Мы использовали средний вариант. Тщательно мыли сосуд, но без использования посудомоечных средств, ополаскивали кипятком, также ополаскивали кипятком дренаж. После первых опытов с природным грунтом перешли на грунт, купленный в магазине (чтобы не губить насекомых).

Изготовление.

Засыпать дренаж, грунт (осторожно, чтобы не испачкать стенки сосуда), посадить растения и полить (рисунок №7). Самое сложное – определить оптимальное количество воды. Воды должно быть достаточно для жизни растений. Но, если воды будет немного больше, экосистема быстро погибнет. Необходимое количество воды можно определить только опытным путём. Не следует сразу герметично закрывать ёмкость. После первого полива можно не сразу закрывать, а дать возможность, чтобы лишняя вода испарилась. Затем закрыть и понаблюдать. Стенки изнутри покрываются конденсированной водой, затем вода попадает на растения «идёт дождь». Если стенки запотели сильно, необходимо ещё раз открыть ёмкость для испарения избытка воды. В тех колбах, где воды оказалось с избытком наши экосистемы погибли.

Практическая часть. Результаты и обсуждение.

Мы создали более 15 различных флорариумов (в электрической лампочке, в пластиковых контейнерах, в колбах, в чашке Петри, в стеклянных банках). В 4-х опытах растения погибли из-за излишнего увлажнения. Самые «долгоживущие» флорариумы (в колбе и в электрической лампочке, рисунок №1 и рисунок № 3) функционировали 8 месяцев до физического повреждения стекла.

Сравнили флорариумы в одинаковых ёмкостях и при одинаковом количестве воды. Погибли растения в тех колбах, где не было гигроскопических добавок (сухой сфагнум, лишайник, древесный наполнитель). Там, где содержатся гигроскопичные добавки, флорариумы функционируют при таких же условиях. Самой лучшей добавкой оказался древесный наполнитель. Как мы и предположили, древесный наполнитель впитал избыточное количество воды и со временем начал отдавать воду растениям.

Определили количество кислорода и углекислого газа, используя электронные датчики (школьная цифровая лаборатория Эйнштейн). Концентрация кислорода уменьшилась. Концентрация углекислого газа возросла. Концентрация углекислого газа во флорариуме с древесным наполнителем (флорариум №2) через 2,5 месяца после начала опыта (15.09 – 30.11) составила 427,206 ppm. Этот флорариум функционировал 8 месяцев до физического повреждения стекла.

Как видно из таблицы №1, измерения углекислого газа проводили ежедневно с момента создания флорариума, затем через длительный период. Второй вариант – флорариум герметично закрывали, и первое измерение проводили через месяц или 2 месяца, затем ежедневно.

Флорариум №3 – «микс» на основе солейролии, 21.12.18 - 29.01.19

Флорариум №4 – солейролия, 22.12.18 - 29.01.19

Флорариум №5 – мох с древесным наполнителем в колбе, 17.04 - 04.09.19

Флорариум №6 – мох, трава в пластиковом контейнере, 17.04 - 04.09.19

Флорариум №7 – мох в банке с герметичной крышкой, 17.06-23.06 и Флорариум № 8 с 27.07-28.08. быстро погибли

Флорариум № 9 – мох, звездчатка, 26.08 -05.09

Флорариум №10 – мох, 30.08-06.09

Флорариум №11 – мох, собранный в Абхазии, 27.07-06.09

Флорариум №12 – мох, собранный в Абхазии в пластиковом контейнере,

27.07-06.09, рисунок №5.

Таблица №1. Измерение количества углекислого газа в ppm

Название флорариума

Исх.

конц.

3 сутки

4

5

6

7

8

29

40

47

Флор.№3

400

435

780

900

1150

1150

1450

1500

х

х

Флор.№4

400

450

540

545

619

780

1320

1500

1400

600

Флор№ 7

500

350

550

800

950

1200

800

345

х

х

Флор №9

450

950

550

580

300

550

580

х

х

х

Флор №10

350

580

850

550

540

500

540

х

х

х

2 вариант

измерений

Исх.

1 месяц

2мес

2м,2д

2м,3д

2м,4д

2м,5д

2м,6д

2м,7д

2м,8д

Флор.№5

500

650

1050

1050

1050

630

440

250

250

600

   

5м, 10д

2100

5м,14д

580

5м,18д

500

           

Флор.№6

450

500

520

650

360

550

500

700

500

500

Фл. №11

200

500

1 мес.

1100

1м,1д

500

1м,2д

250

1м,3д

250

1м,4д

500

2м,5д

500

1м,6д

500

1м,7д

500

Фл. №12

680

500

500

400

350

800

600

495

500

500

Как видно из таблицы № 1 и из диаграммы № 1, концентрация углекислого газа (флорариумы №3,№4 на основе солейролии) возрастала, и при достижении 1400 ppm (предел нормы) растения во флорариумах погибали. После гибели растений концентрация углекислого газа снижалась. Флорариумы на основе мхов оказались более устойчивыми, концентрация углекислого газа колебалась незначительно, сохраняя в среднем значение 500-700 ppm.

Диаграмма №1 Изменение концентрации углекислого газа во флорариумах на основе солейролии.

Мы провели мастер-класс по изготовлению флорариума среди обучающихся 8-9 классов (прил.1, рисунок №4). Школьники заинтересовались рассказом и демонстрацией «экоситемы в колбе». В процессе обсуждения ребята говорили о необходимости сохранить «Биосферу-1», нашу планету, природу. Их поразило то, что даже в маленькой экосистеме вырос уровень углекислого газа и возникли условия, невозможные для выживания животных. Мы считаем, что проведение таких мероприятий способствует воспитанию экологического сознания и, следовательно, снижает степень экологического риска.

Заключение

Создание флорариума - увлекательное и полезное занятие. Флорариум – наглядная модель экосистемы, украшение интерьера дома и школы. Флорариум предоставляют возможность проявить свои творческие способности и фантазию.

В процессе работы над проектом мы освоили технику создания флорариума, познакомились с различными видами растений, используемых для композиций, провели мастер-класс в 8-9х классах. Создание школьниками флорарумов имеет экологическое значение как вторичное использование пластиковой тары.

В нашем маленьком проекте «Биосфера-3» так же, как и в глобальном проекте «Биосфера-2», стал падать уровень кислорода и стала возрастать концентрация углекислого газа. Это говорит о том, что самой лучшей средой для жизни является «Биосфера-1» - наша Земля и её надо беречь. Эту идею мы наглядно и образно представили при проведении мастер-класса.

Выводы

Освоили технику создания флорариума – замкнутой экосистемы. Выясняли, что самым сложным в создании «вечного» флорариума является определение оптимального количества воды. Проблема полива растений является актуальной и в космических исследованиях.

Успешным опытом регулирования количества воды стало добавление гигроскопичных добавок (древесный наполнитель, сухой сфагнум, лишайник). Самой лучшей добавкой оказался древесный наполнитель. Он впитывает лишнюю воду и со временем отдаёт её, создавая оптимальное увлажнение.

Наш опыт показал, что для создания флорариума лучше использовать тонкостенную посуду: электрическая лампа, колба, пластиковый контейнер. Все попытки создать флорариум в толстостенной стеклянной банке с герметично закрывающейся крышкой (приложение 1, рисунок №6) оказались неудачными.

Флорариумы в чашке Петри (приложение 1, рисунок №2) оригинальны, эстетичны, растения получают достаточное освещение, но необходимо следить за увлажнением.

Концентрация углекислого газа в двух флорариумах с солейролией возрастала, и при достижении 1400 ppm (предел нормы) растения во флорариумах погибали. После гибели растений концентрация углекислого газа снижалась. Флорариумы на основе мхов оказались более устойчивыми, концентрация углекислого газа колебалась незначительно, сохраняя в среднем значение 500 ppm.

Практическое значение. Созданная модель замкнутой экосистемы является наглядным пособием для уроков биологии и экологии.

Опыт создания флорариумов и регулирования в них количества воды использовали при выращивании на балконе томатов и земляники, когда уезжали отдыхать. Растения, для которых вместо дренажа наспали древесный наполнитель, хорошо перенесли длительное отсутствие полива.

Перспективы работы. Работа по этой теме началась относительно недавно. Первый флорариум в электрической лампочке был создан в июне 2018 года, остальные – в августе, сентябре 2018-2020 г. Впереди много интересных исследований. Необходимо собрать статистические данные по изменению концентрации кислорода и углекислого газа, проделав больше измерений на примере разных флорариумов. Выяснить, есть ли зависимость между концентрацией углекислого газа и влажностью. Интересно, какие растения лучше подходят для создания биологически замкнутого цикла.

Список литературы

«Замкнутая» экосистема своими руками (электронный ресурс). Режим доступа – https://pikabu.ru/story/quotzamknutayaquot_yekosistema_svoimi_rukami_4182591

Целая экосистема в пустой лампочке (электронный ресурс). Режим доступа https://www.mgntv.ru ›

Экология. 10-11 классы: учебник для общеобразовательных рганизаций: базовый уровень / М. В. Аргунова, Д. В. Моргун, Т. А. Плюснина. – М. : Просвещение, 2019. – 143 с.

Биосфера -2. Википедия свободная энциклопедия [электронный ресурс]. Режим доступа . https://ru.wikipedia.org/wiki

Проектная работа «Миниатюрные композиции» Флорариум (электронный ресурс). Режим доступа proekt_pro_florarium.docx

6.

Наталия Ферапонтова «Коммерсантъ Наука» №4, июнь 2017 «Многие начинают заново, не зная, что всё это уже изобретено» (электронный ресурс). Режим доступа https://elementy.ru/nauchnopopulyarnaya_biblioteka/433638/Mnogie_nachinayut_zanov

Приложения

 

     

Рисунок 1. Флорариум №1. 5 месяцев, 8 дней.

 

Рисунок №2. Флорариумы в чашке Петри

     

Рисунок № 3. Флорариум № 2

 

Рисунок №4 Мастер-класс «Биосфера-3»

     
     

Рисунок №5 Флорариум №12 – мох, собранный в Абхазии в пластиковом контейнере,

27.07-06.09.2019

     

Рисунок №6. Самая неудачная ёмкость для флорариума.

 

Рисунок № 7. Изготовление флорариума с солейролией.

 

Просмотров работы: 36