XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение «почвенного дыхания» в зоне действия промышленных выбросов Иркутского алюминиевого завода

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сугаченко М.М. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия № 3

Сугаченко А.А. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия № 3

Работа в формате PDF

819.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальной является проблема загрязнения окружающей среды. Выбросы промышленных предприятий являются одними из источников загрязнения экосистем. Особенно это актуально для Иркутской области, где встречается фторидное загрязнение, на территориях, непосредственно прилегающих к предприятиям – источникам загрязнения. Одним из таких предприятий является Иркутский алюминиевый завод (ИркАЗ), расположенный в городе Шелехов. Процесс производства алюминия сопровождается образованием таких загрязняющих веществ, как: пыль электролизная (2554,45 т); твердые фториды (648,52 3 т); фтористый водород (413,87 т); диоксид серы (3425,05 т); оксид углерода (17488,44 т) [2]. Загрязняющие вещества действуют на все элементы экосистемы, в том числе и на почвенный покров.

В связи с этим целью данной работы было оценить влияние фторсодержащих соединений, выбрасываемых в процессе производства ИркАЗа на почвенное дыхание.

Задачи: 1)проанализировать литературу по выбранной теме; 2) выбрать точки для отбора почвенных образцов в зоне действия ИркАЗа; 3) Определить продуцирование углекислого газа (почвенное дыхание) почвенными микроорганизмами; 4) Выяснить зависимость почвенного дыхания от содержания фторидов в почве.

Методы – анализ, обобщение, эксперимент, наблюдение, лабораторно-аналитические, описание, сравнение.

Объект исследования – почвенное дыхание.

Предмет исследования – влияние фторсодержащих соединений на почвенное дыхание.

Практическая значимость: доказано негативное влияние фторидов, образующихся в результате деятельности предприятия алюминиевой промышленности, на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, в частности на выделение ими углекислого газа.

Глава 1. Обзор литературы

Общие сведения о почвенном дыхании.

Почвенное «дыхание» составляет одно из звеньев в цепи глобального биогеохимического круговорота углерода и кислорода.

Определение почвенного «дыхания» как интегрального показателя работы всей биоты имеет важное значение в биодиагностике почв. Интенсивность выделения углекислоты дает достоверную информацию о напряженности микробиально-биохимических процессов, о направленности трансформации органического вещества, а также позволяет судить о самоочищающей способности антропогенно нарушенных почв [10].

Почвенное «дыхание» представляет собой ритмичный воздухообмен между почвой и атмосферой, происходящий под влиянием изменений температуры почвы и атмосферного давления, суммарное выделение углекислого газа с поверхности почвы, микробиологическую активность почвы, скорость минерализации почвенного органического вещества [6].

Почва состоит из трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. По составу и содержанию отдельных компонентов почвенный воздух близок к атмосферному. Естественный состав почвенного воздуха регулируется скоростью потребления кислорода и образования углерода диоксида в результате микробиологических процессов минерализации органических веществ и изменяется в зависимости от глубины (таблица 1).

Таблица 1

Содержание кислорода и углекислого газа по профилю почвы

Можно выделить две основные группы процессов, вызывающих изменения в составе почвенного воздуха. К первой относятся биологические процессы, при которых из почвенного воздуха поглощается кислород и выделяется эквивалентное количество углекислого газа:

С₆Н₁₂О₆ + 6О2 = 6СО₂ + 6Н₂О.

Эти процессы составляют существенную часть биологического круговорота углерода в природе. Ко второй группе относятся физико-химические процессы – сорбция газов на поверхности твердых частиц почвы и водных пленок, растворение газов в почвенном растворе, химическое взаимодействие СО₂ с почвенными карбонатами и другими минеральными соединениями, участие О₂ в окислительных реакциях.

В продуцировании углекислого газа почвой решающая роль принадлежит биологическим факторам. Жизнедеятельность микроорганизмов в почве связана с окислением связанного углерода до СО₂.

Поэтому почвенное дыхание – один из показателей биологической активности почвы.

Для «дыхания» почвы большое значение имеет также содержание в ней различных химических веществ, в первую очередь, загрязнителей, попадающих в нее в результате антропогенной деятельности. Так как чаще всего загрязняющие вещества уменьшают интенсивность «дыхания» почвы, то в результате загрязнения происходит ухудшение плодородия почв, угнетание жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в ней, и как следствие, невозможность их дальнейшего использования. Поэтому процесс «дыхания» почвы является важным для характеристики ее продуктивных свойств.

Таким образом, показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и биологическую активность почв, можно использовать также для контроля антропогенного воздействия на почву. В большинстве случаев, чем выше выделения углекислого газа, тем лучше состояние почвы.

1.2. Характеристика выбросов предприятий алюминиевой промышленности.

Алюминиевая промышленность входит в состав стратегически важных отраслей экономики страны. Ее продукция широко используется в оборонной промышленности, автомобилестроении, авиации, строительстве и электротехнике и т.д.

Россия является крупнейшим производителем алюминия в мире и самым крупным его экспортером. На территории Иркутской области расположены два алюминиевых завода – Братский и Иркутский (рис. 1)

Рис. 1. Расположение алюминиевых заводов на территории Иркутской области

БрАЗ – Братский алюминиевый завод, ИркАЗ – Иркутской алюминиевый завод

Основным видом деятельности алюминиевых заводов на территории Иркутской области является производство первичного алюминия путем электролиза криолит-глиноземных расплавов.

Среди мероприятий по снижению аэропромвыбросов от предприятий алюминиевой промышленности можно выделить: автоматизация системы управления технологическим процессом, применение сухой анодной массы, стойких катодных материалов, совершенствование конструкций электролизеров; создание нового поколения электролизеров с использованием химически стойких материалов и низкотемпературных режимов [3].

1.3. Воздействие фторидов от предприятий алюминиевой промышленности на почвенную биоту

Используя современные технологии, с 1 тонны произведенного алюминия в атмосферу выбрасывается несколько килограммов фтора в различных формах. Высокий износ оборудования также вносит свой вклад в загрязнение окружающей среды [1, 7].

Особую опасность в металлургическом производстве представляют фториды, которые оказывают пагубное действие на микробиоценоз почвы. Почвенные компоненты адсорбируют фториды. Уменьшение содержания фторидов связано с удалением готовой продукции с почв сельскохозяйственного назначения [9, 5]. Накопление фторсодержащих соединений в почве приводит к уменьшению интенсивности процессов почвенного дыхания.

Т.И. Шалина с соавторами (2009) доказала, что фторсодержащие соединения действуют на состав и свойства клеточных мембран [4].

На клеточном уровне загрязнение фторидами приводит к изменениям морфологии клеток, клеточного обмена веществ или может вызывать их гибель. По предположению некоторых исследователей фториды угнетают рост микроорганизмов. Связано это с тем, что фториды адсорбируются на поверхности клетки и приводят к затруднению транспорта ионов через клеточные мембраны [3].

Фтор способствует образованию радикалов. Такие свойства свободных радикалов, как токсичность и высокая реакционная способность ведет к тому, что эти соединения участвуют в повреждении клеток организмов [11].

Е.М. Рунова и С.А. Чжан проводили исследования активности почвенных микроорганизмов в зоне действия Братского алюминиевого завода. Ими было высказано предположение о том, что фторидное загрязнение негативно влияет на процессы азотфиксации в почве. Резкое уменьшение наблюдалось на расстоянии до 8 км от источника загрязнения и постепенно увеличивалось на удалении 20 км от предприятия.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Расположение участков отбора проб

Для изучения почвенного дыхания нами была исследована территория, расположенная в зоне воздействия Иркутского алюминиевого завода в г. Шелехов (рис. 2).

Рис. 2. Расположение Иркутского алюминиевого завода

- территория Иркутского алюминиевого завода

Иркутский алюминиевый завод является одним из ведущих предприятий металлургической промышленности в Иркутской области.

Для изучения почвенного дыхания были заложены 6 разрезов которые располагались непосредственно вблизи алюминиевого завода на границе Иркутского и Шелеховского районов, а также выбран фоновый участок в южном направлении в с. Большой Луг (рис. 3, табл. 2).

Отбор почвенных образцов производили летом 2020 года. Все почвенные пробы были взяты с глубины 0-10 см. Описание почв представлено ниже.

Разрез 1 находится в верхней части склона на границе Шелеховского и Иркутского районов (в 6,1 км от ИркАЗа). Темно-бурый, влажноватый, рыхлый, тонкопористый, комковато-ореховатый, легкосуглинистый, обильно пронизан корнями. Встречаются включения детрита, угольков, веточек, хвоинок, копролитов, мелкого гравия и гальки. Растительность: сосновый лес с березовым подростом, репейничком, злаками, осоками, кипреем.

Разрез 2 расположен на въезде в г. Шелехов в 5,2 км от источника загрязнения.Темно-бурый, влажноватый, тонкопористый, рыхлый, супесчаный, мелкокомковатая структура без включения камней, копролиты. Растительность: сосновый лес с березовым подростом, в травостое присутствуют герань, кровохлебка, костяника, купальница, осоково- злаковое разнотравье.

Разрез 3 заложен в районе известкового завода на территории г. Шелехов (2,7 км от ИркАЗа). Темно-серый, грубогумусный, легкосуглинистый, бесструктурный, свежий, обильно пронизан корнями, включения угольков, остатков насекомых, гифов грибов, копролитов, камни отсутствуют. Растительность: сосновый лес с подростом березы и сосны, подмаренник, осоково-злаковое разнотравье, горошек мышиный, лапчатка.

Разрез 4 находится на выезде из пос. Олха в 4,9 км от Иркутского алюминиевого завода. Темно-бурый, бесструктурный, тонкопористый, свежий, легкосуглинистый, на границе комковатая структура, обильно корни, включения дресвы, коры деревьев, копролитов. Сосновый лес, осоково-злаковое разнотравье, горошек мышиный, земляника, горец.

Разрез 5 расположен в 1 км от туристической базы «Металлург» в 15 м от автотрассы «Шелехов – Большой Луг». Расстояние от источника аэропромвыбросов составляет 9,8 км. Темно-бурый, комковато-зернистый, влажноватый, тонкопористый, легкосуглинистый, включения корней, остатки древесной растительности, копролиты. Растительность: сосновый лес, хвощи, злаки, осоки, костяника, купальница.

Разрез 6 заложен в 13,1 км от ИркАЗа в пос. Большой Луг вблизи старого русла р. Олха. Серовато-буроватый, бесструктурный, сухой, песчаные фракции, обилие остатков коры, дресвы, копролиты. Растительность: сосна, лиственница, ель, в травостое обильно распространены злаки и осоки, крапива.

Определение влажности почв

Влажность почвы зависит от количества перегноя и глинистых частиц, является косвенным показателем ее гранулометрического состава.

Гигроскопической (естественной) влагой называется то количество воды, которое поглощает почва из воздуха, насыщенного парами воды. Определение гигроскопической влажности мы проводили по следующей методике (Лопатовская, 2001). Бюкс (металлические крышки) высушивают и взвешивают на весах. Берут навеску почвы, помещают в бюкс и взвешивают. Бюкс с навеской почвы помещают в прогретый сушильный шкаф (духовой шкаф). Высушивание производят при температуре 105 °C до постоянного веса. В процессе сушки нельзя открывать шкаф и ставить в него новые бюксы (рис. 4).

Рис. 4. Постановка опыта по определению естественной влажности

По окончании высушивания бюксы вынимают из сушильного шкафа. После охлаждения бюксы взвешивают и по потере в весе вычисляют содержание гигроскопической воды в почве по формуле:

, где

х – % содержания влаги в почве, а – масса почвы с бюксом (до высушивания), b – масса почвы с бюксом (после высушивания), с – вес пустого бюкса.

Для расчета почвенного «дыхания» требуется коэффициент пересчета на абсолютно сухую почву, который рассчитывается по формуле:

К=

Метод измерения почвенного дыхания

Определение почвенного «дыхания» методом титрования – быстрый и достаточно простой способ исследовать биологические свойства почв. Для определения количества выделения углекислого газа предлагается в коническую колбу (250 мл) прилить 20 мл 0,1 М NaOH, затем подвесить навеску почвы в марлевой салфетке над раствором щелочи, плотно закрыть пробкой и экспонировать в течение 24 часов в теплом и светлом месте при постоянной комнатной температуре.

Одновременно ставится контроль (аналогичная установка, но уже без почвы) для учета углекислоты воздуха в сосуде. В течение опыта необходимо периодически встряхивать сосуды с целью разрушения образующейся пленки карбоната натрия, мешающей дальнейшему поглощению углекислоты (Рис. 5).

Рис. 5. Установка для эксперимента

А – колба 250 мл;

В – пробка;

С – почва;

D – раствор 0,1 М NaOH;

I – нить;

J – марлевая салфетка.

Нами данный метод был модифицирован для домашних условий, где в качестве колб использовались пластиковые одноразовые стаканчики (200 мл). Навеска почвы 5 г помещалась над раствором щелочи и стаканчик закрывался несколькими слоями пищевой пленки. Через сутки убирали навеску почвы и титровали раствор 0,1 М соляной кислотой в присутствии фенолфталеина (рис. 6).

Рис. 6. Эксперимент по почвенному дыханию

По количеству пошедшей на титрование соляной кислоты рассчитывали интенсивность почвенного дыхания по формуле:

Х= , где

а – количество мл HCl в холостом опыте, b - количество мл HCl в опыте, c – масса навески, К – коэффициент пересчета на абсолютно сухую почву

Эксперимент делали в двух повторностях. При расчете использовали среднее значение.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для того, чтобы определить почвенное дыхание, нам нужно было определить коэффициент пересчета на абсолютно сухую почву, а для этого требовалось определить естественную влажность почвы. В результате определения естественной влажности было выявлено, что почвы 5-го образца имеют наиболее высокие показатели (62,4 %). Наименьшие показатели были отмечены нами в образце почвы № 1 (25,8 %). Наибольший показатель почвенного дыхания наблюдался в пос. Большой Луг, а наименьший в районе Известкового завода в г. Шелехов (табл. 3).

Таблица 3

Результаты исследования

Полученные данные говорят о том, что выбросы от Иркутского алюминиевого завода, которые попадают в воздух, оседают в основном в самом городе и в его окрестностях. Фоновый участок, расположенный в 13 км от источника загрязнения показывает закономерно наименьшие результаты.

Для того чтобы оценить влияние фторидов, которые находятся в аэропромвыбросах от завода, нами был построен график зависимости почвенного дыхания от фторидов. Содержание фторидов в данных точках нам было предоставлено кафедрой физико-химической биологии Иркутского государственного университета (табл. 5).

Таблица 5

Содержание фторидов в исследуемых образцах

Построенный нами график показывает, что при увеличении содержания фторидов в почве уменьшается почвенное дыхание (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость интенсивности почвенного дыхания от содержания фторидов в почве

Таким образом, загрязняющие вещества (фториды) негативно действуют в целом на всю экосистему, и в частности на жизнедеятельность микроорганизмов, обитающих в почвенном покрове. Такие изменения проявляются в снижении почвенного дыхания при увеличении содержания фторидов в почве.

ВЫВОДЫ

Основная часть фторсодержащих выбросов Иркутского алюминиевого завода оседает в пригороде (до 6 ПДК). Наименьшая концентрация фторидов (до 1 ПДК) наблюдалась в пос. Большой Луг.

Интенсивность «почвенного дыхания» в среднем составляет 33,2 мл/г. С минимальными значениями в районе известкового завода (11,25 мл/г) и максимальными в пос. большой Луг (45,21 мл/г). Прослеживается зависимость увеличения интенсивности почвенного дыхания с увеличением расстояния от источника загрязения.

С увеличением концентрации фторидов в почве наблюдается уменьшение «почвенного дыхания», что говорит о негативном влиянии загрязняющих веществ, попадающих в воздух от деятельности Иркутского алюминиевого завода.

Список литературы

Большина Е.П. Экология металлургического производства: Курс лекций. – Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2012 – 155 с.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ДОКЛАД о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2017 году.

Каницкая Л.В. Влияние газовых выбросов при производстве алюминия на состояние окружающей среды / Л.В. Каницкая, А.В. Колмогоров // Успехи современного естествознания. – 2009. – № 8. – С. 17-18;

Калетина Н.И. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов / Н. И. Калетина. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. – С. 907–911.

Литвинович А.В. Миграция фтора в почвах различных природнных областей / А.В. Литвинович, О.Ю. Павлова, А.В. Лаврищев // Агрохимия. – 1999. - № 6. – С. 74-81.

Наумов А.В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности: автореф. дис. ... д. биол. наук / А.В. Наумов. – Томск, 2004. – 39 с.

Полонский В.И. Фторидное загрязнение почвы и фиторемедиация / В.И. Полонский, Д.Е. Полонская // Сельскохозяйственная биология. – 2013. - № 1. – С. 3-14.

Роде А.А. Толковый словарь по почвоведению / А.А. Роде. – М.: Наука. – 1975.

Савченков М.Ф. Загрязнение почвенного покрова фтористыми соединениями / М.Ф. Савченков, Л.А. Николаева // Сибирский медицинский журнал (Иркутск). – 2011. – Т. 100. – № 1. – С. 10-13.

Федорец Н.Г. Методика исследования почв урбанизированных территорий / Н.Г. Федорец, М.В. Медведева. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. – 84 с.

Шебалова Н.М. Некоторые механизмы адаптации микроорганизмов лесной подстилки сосновых насаждений, произрастающих в зонах аэротехногенного загрязнения / Н.М. Шебалова // Аграрный вестник Урала. – 2009. – № 2 (56). – С. 83–85.