XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Деградация почв
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы исследования. Снижение плодородия почв от действий человечества является одной из важных экологических проблем современности. Для начала дадим определение термину «Деградация почв». Итак, это изменение свойств почв, которые приводят к снижению плодородия. Данные изменения происходят благодаря природным и антропогенным факторам. К примеру, можно привести естественную водную и ветровую эрозию, однако, наиболее опасным фактором является загрязнение тяжелыми металлами. Ведь они влияют не только на качество почвы, но и на человеческое здоровье. Это влияет на качество употребляемой нами пищи, воздух и т.д. [1]. Что касается нашей страны, то мы входим в число стран с наиболее сложной экологической обстановкой. Огромное количество земель пострадали от загрязнения отходами и химическими соединениями. Это характерно для крупных городов Казахстана, территорий, примыкающих к промышленным предприятиям, автомобильным трассам, нефтепроводам, военным полигонам и т.д. [2]. Существует огромное количество методов решения данной проблемы. Наиболее применяемыми являются локализация загрязняющих веществ с помощью хранилищ и отстойников. Этот способ не помогает уничтожить токсичные вещества, но не позволяет их распространение на другие территории. Второй метод – это ликвидация отходов и токсинов. Ликвидацию можно осуществлять с помощью переработки, нейтрализации, промывания почв минеральными растворами, выведения загрязнителей в атмосферу. Однако, поиск новых эффективных методов восстановления плодородия почв остается актуальным.
Цель научного исследования заключалась в поиске новых методов уменьшения деградации почв.
Исходя из этого, предлагается использовать углеродные материалы, образующиеся в процессе получения фуллеренов в Национальной нанотехнологической лаборатории открытого типа.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Отбор почв разных частей города Алматы;
Определить основные характеристики почв – типы, механический и химический состав, структура и др.;
Сравнить темпы проявления ростков бобовых растений в почвенных вытяжках образцов почв в исходном состоянии и с добавлением углеродных материалов;
На основании опыта сделать вывод о возможности применения углеродных материалов в борьбе с деградацией почв.
За объекты исследования мы приняли:
Образцы почв, отобранные на разных участках города Алматы;
Углеродные материалы, образовавшиеся после сжигания графитовых стержней в реакторе с атмосферой инертного газа гелия;
Бобы красной фасоли.
Предмет исследования: влияние исходного углеродного материала на улучшение питательных свойств почвы.
Методы решения поставленной цели: в работе применялись классические способы исследования основных свойств почв, метод биотестирования.
Практическая значимость: фундаментальное исследование позволит выяснить возможность применения углеродных материалов в борьбе с деградацией почв.
Новизна исследования: использование углеродных материалов, полученных в процессе производства фуллеренов казахстанскими производителями.
Исследовательская часть
Аналитический обзор результатов решения проблемы
1.1. Проблема деградации почв
Почва относится к не возобновляемым ресурсам нашей планеты, то есть ее деградация и утрата полезных веществ восстановлению невозможно. По крайней мере если сравнивать с продолжительностью человеческой жизни. Как говорилось выше, почва играет решающую роль для нашей экологии и здоровья. Все растения, предназначенные для рациона человека и скота, растут именно на ней. При этом их ткани активно впитывают токсины и химические соединения, токсины могут накапливаться и в грунтовых водах. Еще одним аспектом является наша атмосфера, пыль, состоящая из мельчайших частичек кожи, мусора и земли, которую сдувает ветром, вдыхается нами и оседает в человеческом организме. Влияние на здоровье может быть самым разным, например разные виды интоксикаций, диарея, аллергические реакции, обострение хронический заболеваний.
К сожалению, проблема деградации почв только растет и набирает силу. На сегодняшний день треть почв Земли умеренно или сильно деградированы вследствие засоления, уплотнения, закисления, химического загрязнения, потери почвенного органического углерода, эрозии т.д. Также с второй половины двадцатого века по сей день появилась и другая проблема- загрязнение почв радиоактивными элементами. Оно характеризуется превышением концентрации радионуклидов над показателями допустимой нормы. Основными причинами в нашей стране являются:
- тяжелая промышленность
- разработка месторождений природных ископаемых.
Еще чуть ли не самую основную роль в деградации почв нашей страны является загрязнение тяжелыми металлами. Оно происходит благодаря строительству автомобильных трасс и магистралей, промышленные предприятия, нерациональное обращение с токсичными продуктами [2, 3].
Для борьбы с негативными последствиями наша республика предпринимает комплекс мер по охране окружающей среды, оздоровлению ландшафтов, рациональному использованию земельных ресурсов. Это называется рекультивацией. Рекультивация земель – это комплекс работ, направленный на восстановление нарушенных земель. В данный комплекс также входит процесс восстановления плодородия земли.
В Казахстане утверждена «Методика проведения мероприятий по борьбе с деградацией и опустыниванием пастбищ, в том числе аридных» [4]. Также у нас разработаны стратегические мера по борьбе с опустыниванием до 2025 года [2]. В данном документе прописано, что при потере плодородности почвы из-за эрозий, деградации, минерализации гумусов, проблемы решают использованием адаптированных технологий (нулевая вспашка, органическое земледелие) и большого количества удобрений. Но, имеются и критические аспекты: технологии неизвестны на широком уровне и отличаются от обычных методов, необходимы инвестиции в оборудование, борьба с сорняками может быть проблематичной, нулевая вспашка требует использования тотальных гербицидов, имеется нестабильность погодных условий и др. [2, С.66].
Поэтому нужна разработка других эффективных методов, чтобы избежать вышеназванные риски. Для ее решения отличным методом может стать использование углеродных материалов в качестве подпитки для почвы.
1.2. Применение углеродных материалов
В последнее время углеродные материалы начинают вызывать большой интерес в сельском хозяйстве [5,6]. Сами по себе они представляют класс инженерных наноматериалов, которые обретают популярность за счет своих оптических, механических и тепловых свойств.
К основным преимуществам углеродных материалов относят их
Стабильность. Продукт не взрывоопасен и устойчив;
Способность к работе в кислотной и щелочной среде, углероду не страшна влага;
Они удобны в хранении, фасовке и транспортировке.
Самыми активными в изучении углеродных наноматериалов являются страны с большим народонаселением и развитым сельским хозяйством, хорошими финансовыми возможностями. К примеру, можно отнести Китай, США, Германию, Индию, Южную Корею и т.д. УНМ имеют разные виды, самые распространенные это фуллерены, наноконусы, нанотрубки, наношарики, нановолокна и др.
Процесс изготовления УНМ представляет собой использование отходов графитового производства, вторичного сырья из графита, поставляемого из смежных видов промышленности. Например, изготовление огнеупорных материалов, электрических установок, химическая горнодобывающая промышленность, производство карандашей, красок и т.д. Подобная переработка отходов и вторичного графитового сырья обеспечивает людей качественным высоко углеродным материалом. Это несет в себе преимущества как экологические, так и экономические [7].
В Казахстане тоже присутствует производство углеродных наноматериалов, ярким примером этого является Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа КазНУ имени аль-Фараби. Лаборатория занимается этим с 2013 года и по сей день реализуется множество проектов на тему влияния углеродных наноматериалов в разных отраслях.
Установлено, что углеродные наноматериалы, загрязняющие почву и грунтовые воды, попадают в корневую систему, а наземная часть растительных организмов подвергается воздействию наноматериалов, содержащихся в воздухе. Растения аккумулируют наночастицы в листьях, корнях, плодах. Углеродные наноматериалы, проникают в корни растений, способны влиять на их рост, поглощают потребность растений в удобрениях [6]. Поэтому, перспективным является целенаправленно использовать углеродные наноматериалы для восстановления плодородия почв. Однако, сам процесс получения наноматериалов может быть трудоемким и энергозатратным. Поэтому, в данном научном исследовании мы предлагаем использовать отходы после получения фуллеренов в Национальной нанотехнологической лаборатории открытого типа. Они образуются после сжигания графитовых стержней в инертном газе и после основного процесса нигде не используются. Тем не менее, в их составе содержится углерод, который обладает уникальными свойствами, в том числе способен улучшать рост растений.
2. Методы анализа
2.1. Исследование основных свойств почвы
У нас было 3 пробы, которые мы отобрали по специальной методике для анализов [8]:
1. проба - КазНУгородок, г. Алматы
2. проба – высокогорный комплекс Медео
3. проба – поселок нижние Каменки , Алматинская область.
Мы выбрали участки, где почва должна быть чистой (Медео), менее загрязнена (КазНУ) и больше подвержена промышленную влиянию (нижние Каменки).
Определение окраски почвы:
В первом опыте 2г. почвы мы высушили в сушильном шкафу в течении 10 минут, измельчили ее, а затем поместили на лист белой бумаги, и при дневном свете определили ее окраску. Для этого мы использовали стандартную цветовую шкалу почвенных окрасок (рисунок 1).
Рисунок 1. Определение цвета почвы
Определение механического и гранулометрического состава почв:
Для определения небольшое количество сухой почвы нужно растереть на ладони. С помощью него можно определить примерную структуру почвы, затем добавить небольшое количество воды и размешать до тестообразной массы. Далее скатываем из данной массы, после скатываем шнур толщиной 3мм, который сгибается в кольцо 3см диаметром (рисунок 2).
Рисунок 2. Определение механического и гранулометрического состава почвы
Также небольшое количество образцов было рассмотрено под микроскопом для более точных результатов (рисунок 3, 4, Приложение).
Для определения гранулометрического состава почва просеивалась через лабораторные сита различного диаметра, и затем полученные порции взвешивали на аналитических весах.
Определение кислотности почв
Для данного опыта мы взяли три мерных стеклянных стаканчика по 100 мл. Затем добавили дистиллированную воду и 20 г почвы с каждого образца, далее мы опустили в каждый стаканчик магнитный якорь и включили магнитную мешалку на один час при скорости 930 оборотов/мин (рисунок 4, Приложение).
2.2. Метод биотестирования
Биотестирование мы проводили на бобах красной фасоли. Мы решили добавить в образцы почвы углеродные материалы и проверить как это повлияет на появление ростков фасоли. Углеродные материалы мы получили в Национальной нанотехнологической лаборатории открытого типа, которые у них остались после получения фуллеренов. Они представляли собой остатки графитовых стержней, которые мы измельчали до порошкового состояния (рисунок 5, Приложение).
Подготовка вытяжки почв:
Для этого мы взвесили и подготовили 5 образцов почвы:
Проба – поселок нижние Каменки 38 г + 2г углеродного материала
Проба – КазНУ град 40 г
Проба – комплекс Медео 40 г
Проба – поселок нижние Каменки 40 г
Проба – КазНУ град 38 г + 2 г углеродного материала
Полученные образцы смешиваем с водопроводной водой в соотношении 1:5. Емкость закрываем притертой резиновой пробкой и встряхиваем 10 минут. Далее полученный раствор пропускаем через фильтр (рисунок 6, 7, Приложение).
Биотестирование
Для биотестирования почв мы взяли пять отфильтрованных растворов, образовавшихся после процесса получения почвенной вытяжки и бобы красной фасоли. Далее мы поместили в чашки Петри 12 фасоленок и накрыли смоченными в растворах ватными дисками (рисунок 8, Приложение). Затем поставили их в теплое и влажное место и наблюдали за их ростом в течении одной недели.
3. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ходе проведения анализов были получены данные результаты.
Определение окраса почв.
Проба 1. – КазНУ град
Окраска однородная, по стандартной шкале почвенных окрасок – светло бурая. Интенсивность средняя, не имеет оттенков. Подобный окрас характерен для глинистых почв с содержанием оксидов железа в небольших количествах.
Проба 2. – комплекс Медео
По стандартной шкале почвенных окрасок – черная. Окраска однородная, интенсивность – насыщенная, без оттенков. Это характерно для черноземов, подобные почвы богаты соединениями кальция, плодородны.
Проба 3. – поселок нижние Каменки
По стандартной шкале почвенных окрасок – бурая. Окраска однородная, интенсивность – средняя, без оттенков. Подобный окрас характерен для глинистых почв. Интенсивность средняя, нет оттенков, окраска говорит о том, что почва содержит большее количество оксидов железа.
Механический и гранулометрический состав почвы.
Частицы почвы мы изучены с помощью микроскопа с увеличением в 400 раз. На рисунке 9 (Приложение) показаны их снимки на фотокамеру телефона. Обнаружено наличие песчаных частиц.
Образцы сухой почвы также растирали на ладони и визуальным методом было определено, что почва №2 и №3 относится к типу средне- пылеватой суглинки, так как раздавливаются с некоторым усилением, а тяжелые зерна почти не поддаются раздавливанию пальцами. После измельчения и просеивания почвы добавили некоторое количество воды до получения тестообразной структуры. Размоченная почва представляет собой пластичную массу. При растягивании получается ровный шар, который мягко скатывается в шнур. Шнур при формировании кольца распадается на дольки, что характерно для среднего суглинка.
Гранулометрический состав показал содержание твердых частиц в почве в следующих процентах: > 7 мм – 25%; 5-7 мм – 7 %, 3-5 мм – 10%, 1-3 мм – 34 %, < -24%.
Исходя из всех трех параметров, мы определили, что почвы КазГУ городка и Нижней Каменки это средний суглинок. Почвы Медео на механический состав мы не изучали, так сразу определили, что это чернозем, а свойства чернозема уже давно все известны.
Определение кислотности почвы.
После того как прошел один час работы магнитной мешалки, выключаем ее и окунаем в каждый раствор полоску универсальной индикаторной бумаги для определения водородного показателя (рисунок 10, Приложение).
Мы получили такие результаты: НижниеКаменки – 9, Казну городок- 7, Медео – 5. Это говорит, что в Медео кислая почва, в КазНУ городке нейтральная. Это допустимые нормы. В верхней Каменке щелочная среда, это показывает, что почва содержит щелочные соли, т.е. загрязнена.
Биотестирование
Результаты биотестирования показаны на рисунках 11-14 а также в таблице 1.
Таблица 1. Количество проросших бобов.
|
Проба |
Медео |
КазНУ городок |
Нижняя Каменка |
КазНУ гор.+УМ |
Ниж.Каменка+УМ |
|
Количество проросших бобов |
12 |
8 |
7 |
12 |
12 |
Рисунок 11. Проращивание фасоли в почвенной вытяжке чернозема
Рисунок 12. Проращивание фасоли в вытяжке из почвы КазГУгородка
Рисунок 13. Проращивание фасоли в вытяжке из почвы Нижней Каменки
Рисунок 14. Проращивание фасоли в вытяжке из почвы с добавлением углеродных материалов
У нас вышло, что в почвенной вытяжке чернозема и образцов с добавлением углеродных наноматериалов проросли все 12 отростков. Это говорит, что почва содержит питательные элементы. В других образцах не все ростки проросли, значит почва там не настолько плодородна, но с добавлением изучаемых углеродных материалов она близка к чернозему.
Заключение
В данном научном исследовании получены следующие результаты и выводы:
Мы сравнили несколько образцов почвы в окрестностях Алматы. Выяснили, что в Медео почва остается чистой, плодородной, так как на данная территория является Национальным природным парком и охраняется законом, любая промышленность там запрещена.
В КазНУ городке содержится несколько учебных корпусов, административные здания, столовые, общежития. Промышленности здесь нету, но строятся новые соседние здания и заезжают автомобили работников Университета. Почва здесь менее плодородна. Анализ показал, что здесь уже прослеживается небольшая степень деградации почвы, рекомендуются мероприятия по удобрению.
Анализ почвы с района Нижней Каменки показал наихудшие результаты. Район находится ближе к транспортной развязке, здесь идет активное строительство. Это может служит причиной щелочного загрязнения почвы.
При добавлении углеродных материалов в почву, мы выяснили что они улучшают свойства почвы и делают их идентичными с «чистыми».
Результаты работы мы рекомендуем использовать в научных исследованиях по развитию нанотехнологий, а в практических целях их можно использовать как удобрения и в борьбе с деградацией почв.
Список использованной литературы
Дышко В.Н. Управление плодородием почв.- Смоленск, Изд.: ФГБОУ ВПО «Смоленская ГСХА», 2014, С.13-14.
Жумабаев Е.Е. Стратегические меры по борьбе с опустыниванием в Республике Казахстан. Астана, 2015, 336 с.
Абубакирова К.Д., Кожагулов С.О. Экология и устойчивое развитие. – Алматы, 2012.
4. Методика проведения мероприятий по борьбе с деградацией и опустыниванием пастбищ, в том числе аридных. – Астана, 2017.
5. Федоренко В.Ф. и др. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе.- Москва, Изд. ФГБНУ «Росинформагротех», 2011.
6. Юрин В.М. Молчан О.В. Наноматериалы и растения: взгляд на проблему. Труды БГУ.- Минск, 2015.
7. Головкин Ю.И. Основы нанотехнологий. – Москва, 2012.
8. Смирнова Н.Н. Лабораторный практикум по дисциплине «Химическая и экологическая экспертиза».- Владимир, 2008., С. 5-18.
Приложение
Рисунок 3. Определение структуры почв с помощью микроскопа
Рисунок 4. Процесс перемешивания с помощью магнитной мешалки
Рисунок 5. Подготовка углеродного материала
Рисунок 6. Процесс получения почвенной вытяжки
Рисунок 7. Процесс фильтрации раствора
Рисунок 8. Рассадка бобов красной фасоли
Рисунок 9. Микроснимки почв
Рисунок 10. Результаты кислотности почвы