XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВЛИЯНИЕ СВИНЦА НА РАЗВИТИЕ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ (на примере Аnethum graveolens L.)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Среди прочих тяжелых металлов к особо токсичным относится свинец. Наряду с мышьяком, кадмием и ртутью, свинец отнесен к классу высокоопасных для живых организмов веществ (ГОСТ 17.4.1.02-83)
Источники выбросов свинца варьируются в зависимости от региона. Основными источниками свинца в воздухе являются руда и металлобработка,а также двигатели самолетов, работающих на этилированном авиационном топливе. Другими источниками являются мусоросжигательные печи, коммунальные предприятия и производители свинцово-кислотных батарей. Самые высокие концентрации свинца в воздухе обычно наблюдаются вблизи свинцовых плавильных заводов (Свинец в окружающей…, 1987).
Увеличение свинца в почве ведет к накоплению его в растениях. Более высокие концентрации свинца характерны для растительности техногенных территорий, вблизи рудников, предприятий металлургии, вдоль автомобильных трасс.
В организм человека и животных свинец также попадает через растительную пищу. В целом растения более устойчивы по отношению к свинцу, а потому могут содержать опасные для человека и животных концентрации без каких-либо внешних проявлений (Ильин, 1991).
В связи с этим, изучение фитотоксичных концентраций свинца для культурных растений является актуальной проблемой.
Цель - изучить влияние высоких концентраций свинца в почвах на развитие укропа огородного (АnethumgraveolensL.).
Задачи исследования:
1. Изучить развитие АnethumgraveolensL. при искусственным загрязнением почв свинцом.
2. Выявить влияние разных концентраций Pb на продуктивность АnethumgraveolensL.
3. Определить фитотоксичные концентрации свинца для АnethumgraveolensL.
ГЛАВА 1. СВИНЕЦ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Свинец в почвах
Кларк свинца в земной коре 16 мг/кг, или 1,6 · 10-3 % по массе. Известно около 80 различных минералов свинца, главный из которых галенит PbS (Виноградов, 1962).
Высокое содержание свинца в почвах может быть связано как с природными геохимическими аномалиями, так и с техногенным загрязнением. Для многих городов данный элемент является приоритетным загрязнителем. Так, в некоторых промышленных районах концентрация Pb в верхнем слое почвы может достигать 900-1000 мг/кг. Наиболее высокие его концентрации наблюдаются вблизи автомагистралей (придорожная полоса шириной 50-100 м), куда он попадает с выхлопами автомобильного транспорта (Добровольский, 1983; Ильин, 1991).
В аэрозолях, поступающих от промышленных предприятий, свинец присутствует в виде PbS, PbO, PbSO4; в выхлопных газах автомобилей в виде галогенидов: Pb(OH)Br, (PbO2)BBr и др., которые не устойчивы и легко переходят в оксиды, карбонаты, сульфаты (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Содержание свинца в почвообразующих породах различается в зависимости от их гранулометрического состава. В породах легкого гранулометрического состава (супесях и песках) оно на 25-70 % ниже, чем в суглинках (Свинец в окружающей…, 1987; Добровольский, 1983).
Максимальное количество Pb содержится в кислых породах (гранитах и гранитоидах) с калиевыми полевыми шпатами и слюдами – в среднем 20 мг/кг. В гранитоидах данный металл распределяется следующим образом: кварц содержит 7,4 мг/кг, биотит – 13 мг/кг, роговая обманка – 15,7 мг/кг, калиевый полевой шпат – 40,6 мг/кг. В ультраосновных и основных породах его содержание варьирует от 0,1 мг/кг до 8 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Среднее содержание свинца в почвах мира по данным разных авторов составляет от 10 до 35 мг/кг. Кларк почвы установлен на уровне 20-25 мг/кг (Перельман, Касимов, 1999).
Свинец интенсивно сорбируется органическим веществом почв, с чем связано накопление его преимущественно обменных форм в верхних гумусовых горизонтах почв (Глазовская, 1994).
Согласно экспериментальным данным, если принять уровень ПДК свинца в сухой растительной массе за 10 мг/кг, значения ПДК свинца в почвах, могут варьировать от 150 мг/кг в кислых дерново-подзолистых почвах до 500-2000 мг/кг в нейтральных и слабощелочных почвах с высоким содержанием органического вещества (Обухов и др., 1980).
Роль свинца в жизни животных и человека
Биологическая роль свинца в жизни животных и человека невелика. Установлено, что он входит в состав некоторых физиологически активных соединений. У человека и животных Pb откладывается в костях, волосах, печени, приводит к нарушениям обменов веществ, к функциональным и органическим изменениям в центральной и вегетативной нервной системы (Вредные химические…, 1988).
Опасность свинца для человека определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. В организме человека большая часть свинца поступает с продуктами питания (от 40 до 70 %), а также с питьевой водой.
В среднем на одного человека в Российской Федерации приходится 1,25 мг в неделю. В некоторых промышленных городах это значение может достигать 2 мг/ чел в неделю.
Факты аккумуляции свинца растениями, произрастающими на почвах, загрязненных выбросами металлургических и горнодобывающих предприятий доказаны исследованиями различных авторов. Концентрация свинца в таких растениях может превышать допустимые концентрации до 100 раз. При этом количество свинца на поверхности и внутри растений зависело от ряда факторов, таких как розы ветров, расстояния от источника загрязнения, вида самого растения и др. Также в растительное сырье свинец способен попадать при внесении удобрений (Ильин, 1991).
В таблице 1 представлены данные по содержанию свинца в продукции растениеводства, выращенной вблизи с предприятием горнодобывающей промышленности.
Таблица 1.
Содержание тяжелых металлов в продукции растениеводства,
мг/кг сухого вещества (Сингизова, 2007)
|
Продукция |
Pb |
Продукция |
Pb |
|
Картофель |
0,3 0,9 |
Укроп |
1,9 4,5 |
|
Морковь |
0,7 2,1 |
Томаты |
0,8 2,3 |
|
Свекла |
0,6 1,5 |
Редис |
1,7 2,7 |
|
Капуста |
1,2 1,9 |
Огурцы |
0,9 3,0 |
Примечание. Над чертой – содержание тяжелых металлов в растениях незагрязненных территорий; под чертой – содержание тяжелых металлов в растениях загрязненных территорий
Из данных таблицы видно, что содержание свинца в потребляемой человеком части растений в условиях загрязнения почв увеличивается в разы.
Свинец и его соединения являются политропными ядами. Он способен вызывать обширные патологические изменения в нервной и кровеносной системах, оказывает влияние на обменные процессы в организме и на генетический аппарат.
Свинец угнетает окисление жирных кислот, нарушает белковый, липидный и углеводный обмены, способен замещать кальций в костях.
Тетраэтилсвинец – одно из токсичных органических соединений свинца, которое подавляет работу нервной системы.
Свинцовые отравления весьма различны в проявлениях и включают психическое возбуждение, тревогу, ночные кошмары, галлюцинации, нарушение памяти и интеллекта. Очень опасны неврологические нарушения у детей – гиперактивность, ухудшение показателей психического развития, обучаемости.
Отравление свинцом вызывает заболевание почек, расстройство кишечника, поражаются десны.
Свинец и его соединения обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. По результатам официальной статистики среди профессиональных интоксикаций свинцовая занимает первое место. Для женщин он представляет особую опасность, так как способен проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. По данным ВОЗ 30 мкг/л свинца в крови беременных женщин может привести к спонтанным абортам, а 80 мкг/л – к хромосомным аберрациям.
При увеличении концентрации свинца в крови ребенка с 10 до 20 мкг/л происходит снижение коэффициента умственного развития (IQ). Допустимый уровень содержания свинца в волосах 8-9 мкг/г (https://ecoportal.su/public/zagryazn/view/747.html).
Глава II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
2.1. Объект исследования
Объектом исследования послужил укроп огородный (лат. АnethumgraveolensL.) – широко распространенное во всем мире культурное растение. Родиной укропа считают Южную Европу, Египет, Малую Азию, где он известен с глубокой древности.
Это однолетнее травянистое растение семейства Сельдерейные (Зонтичные) — Apiaceae (Umbelliferae) высотой 40–120 см.
Корень стержневой, тонкий, слаборазветвлённый, светлоокрашенный, глубоко проникающий в почву. Стебель прямостоячий, ветвистый, с продольными полосками и тонким восковым налётом. Листья очередные, трижды или четырежды перисторассечённые на узкие шиловидные дольки. Нижние листья длинночерешковые, стеблевые — на коротких черешках или сидячие. Цветки мелкие, обоеполые, пятираздельные, с жёлтым венчиком, собраны в сложный многолучевой зонтик диаметром 5–30 см на верхушках стеблей и их разветвлений. Зонтики без обёрток и обёрточек. Цветение происходит в июне — августе. Плод — вислоплодник, состоящий из двух полуплодиков - мерикарпиев серовато-коричневого цвета.
Использование укропа в медицине. С лечебной целью используют стебли, листья и семена укропа. Траву (стебли, листья, цветки) собирают в июне — августе. Семена заготавливают в августе — сентябре.
Семена укропа огородного содержат до 5 % эфирного масла, 20 % жирного масла, азотистые и безазотистые вещества, сахара, клетчатку. В состав эфирного масла входит до 60 % каротина, а также диллапиол, фелландрен, карвеол, изоэвгенол. Жирное масло на 90 % состоит из глицеридов пальмитиновой, олеиновой и петроселиновой кислот. В листьях обнаружены аскорбиновая кислота (до 135 мг в 100 г), витамины B1, B2, P, PP, каротин, флавоноиды, фолиевая кислота, эфирное масло (до 2 %), соли калия, кальция, фосфора и железа. В зелени укропа в 3 раза больше витамина С (аскорбиновой кислоты), чем в лимоне.
Медицинское использование укропа огородного обусловлено спазмолитическим, седативным и диуретическим действием эфирного масла, способностью флавоноидов снижать проницаемость сосудистой стенки, а также антиаритмическими свойствами калия и улучшением метаболических процессов в организме под влиянием аскорбиновой кислоты. Также благодаря эфирному маслу препараты оказывают ветрогонное и анестезирующее воздействие.
Препараты семян укропа в виде настоев, отваров, укропной воды регулируют перистальтику кишечника, оказывают отхаркивающее, спазмолитическое, желчегонное, мочегонное и успокаивающее действие, усиливают лактацию у кормящих женщин, проявляют выраженный сосудорасширяющий эффект.
Укроп широко используется в народной медицине различных стран. Растение возбуждает аппетит и усиливает пищеварение. В связи с высоким содержанием аскорбиновой кислоты, каротина и железа листья укропа используют при гипохромной анемии. Применяют листья укропа при гипертонической болезни, нарушениях ритма сердечной деятельности на фоне атеросклероза. При гипертонической болезни препараты укропа часто применяют в сочетании с бромистыми препаратами. Настой укропа используют при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, метеоризме, диспепсии у детей, цистите как спазмолитическое, ветрогонное и анестезирующее средство. В традиционной медицине применяют настои из семян и листьев укропа в качестве косметического средства при гнойничковых заболеваниях кожи лица. Препараты укропа хорошо успокаивают нервную систему при бессоннице.
Применение укропа огородного в питании.Укроп употребляют в свежем или сушёном виде, всем хорошо известен его особый аромат и вкус. Он ароматизирует пищу, придаёт ей приятный вид и обогащает витаминами и минеральными веществами. Сухие стебли с семенами являются традиционной приправой при засолке помидоров, огурцов и других овощей, а эфирное масло, получаемое из семян укропа, применяется в ликёроводочной, кондитерской и парфюмерной промышленности. Поскольку укроп содержит фитонциды, то при засолке овощей он не только придаёт им вкус, но и сохраняет от плесневения и порчи.
Укроп заготавливают на зиму в солёном, маринованном и сушеном виде и кладут в первые и вторые блюда.
2.2. Методы исследования
Исследования проводились в рамках стационарного микрополевого опыта на территории Республики Башкортостан (г.Сибай). Схема опыта включала 4 варианта.
Контрольный вариант – без внесения
Внесение Pb в количестве 1 ПДК
3. Внесение Pb в количестве 5 ПДК
4. Внесение Pb в количестве 10 ПДК
Повторность вариантов двукратная. Почвы опытного участка представлены черноземами обыкновенными тяжелого механического состава. Климат исследуемой территории резко континентальный, количество осадков в среднем составляют 300 мм в год. Опыт проводили на микроделянках размером 100 х 100 см. Перед закладкой почву разрыхляли, очищали от остатков растений и выравнивали. Для моделирования уровней загрязнения вносили в слой почвы свинец в форме растворимых солей – ацетатов. Посев семян укропа посевного был произведен в конце мая рядовым способом. Норма высева 500-550 штук семян на 1 м2.
В опытах проводились следующие наблюдения и учеты:
1. Динамика линейного роста растений. Периодически в течение всего вегетационного периода через каждые 10 дней измерялись высота растения, длина листа, количество листьев.
2. На всех делянках, на учетных контрольных площадях растения выкапывали с корневой системой в фазу полной спелости и производили измерения длины основного корня.
Результаты исследования
На рис. 1 представлено влияние свинца на рост растения АnethumgraveolensL., где хорошо видно , что даже незначительное загрязнение почв свинцом в количестве 1ПДК приводит к отставанию растений в росте. Еще большее отставание наблюдалось на участках с загрязнением свинцом в количестве 5 и 10 ПДК. Такая ситуация сохранилась до конца вегетационного периода на всех трех опытных участках. Средняя высота растений на участке «Pb 1 ПДК» составила 44,7 см, на участках «Pb 5 ПДК» и «Pb 10 ПДК» была примерно одинаковой – 42,0 см, тогда как высота контрольных растений в среднем составляла 64,3 см.
Рис. 1. Влияние свинца на динамику роста АnethumgraveolensL.
Каких либо внешних проявлений фитотоксичности свинца в виде хлорозов и некрозов при указанных концентрациях не проявлялось.
Внесение различных концентраций свинца также отрицательно влияет на длину листьев АnethumgraveolensL. (рис.2). На загрязненных почвах с концентрацией свинца 5 и 10ПДК листьярастения примерно в 2 раза отставали в длине от контрольных.
Рис. 2. Влияние свинца на длину листьев АnethumgraveolensL.
В конце вегетационного периода было подсчитано количество листьев на каждом растении (рис. 3). Из рисунка видно, что чем выше концентрация свинца в почвах, тем меньше листьев у растений. Если на контрольном участке число листьев у одного растения в среднем составляло 9 шт., то на загрязненных участках уменьшалось до 7 шт.
Рис. 3. Влияние свинца на количество листьев АnethumgraveolensL.
В конце вегетационного периода, после сбора растений была измерена длина осевого корня. При внесении в почву свинца в количестве 1ПДК длина осевого корня АnethumgraveolensL. была примерно одинакова с длиной корня растений на контрольном участке (20,1 см). При повышении концентрации свинца на 5 и 10 ПДК средняя длина корня составила 11,5 см, т.е. почти в 2 раза отставала от контроля (рис. 4).
Рис. 4. Влияние свинца на длину осевого корня АnethumgraveolensL.
Таким образом в целом можно отметить, что загрязнение почв свинцом привело к снижению продуктивности растений. Так, при загрязнении почв свинцом в количестве 1ПДК происходит снижение биомассы АnethumgraveolensL. в два раза по сравнению с контролем, а при увеличении концентрации свинца до 5 и 10ПДК продуктивность растений снижается примерно в 5 раз.
ВЫВОДЫ
1. Высокое содержание свинца в почвах отрицательно сказывается на росте и развитии растений АnethumgraveolensL., приводит к уменьшению числа листьев, ингибирует рост длины главного корня, а также снижает биологическую продуктивность растений.
2. Наибольший токсический эффект проявляется при высоких концентрациях в почвах свинца в количестве 5 и 10 ПДК.
3. Отставание растений в росте и развитии при загрязнении почв свинцом свидетельствует о проникновении тяжелого металла в растение, что несет потенциальную опасность для здоровья человека.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. – М.: Изд-во АН СССР, 1957.- 238 с.
Вредные химические вещества / А. Л. Бандман и др. Л.: Химия, 1988. -512 с.
Глазовская М.А. Критерии классификации почв по опасности загрязнения свинцом // Почвоведение. 1994. № 4. С. 110-120.
ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения.
Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983 - 368 с.
Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва – растение. Новосибирск: Наука, 1991. – 151 с.
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. - 439 с.
Обухов А.И., Поддубная Е.А. Содержание свинца в системе почва—растение // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 192-197.
Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. - 768 с.
Свинец в окружающей среде /Отв. ред. Добровольский В.В. М.: Наука, 1987. - 181 с.
Сингизова Г.Ш., Ягафарова Г.А., Янтурин С.И. Тяжелые металлы в овощных и плодово-ягодных культурах в условиях техногенного загрязнения // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2007. - №10 (75). - С. 167-169.
https://ecoportal.su/public/zagryazn/view/747.html