XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Техногенное воздействие автомобильного транспорта на экологическое состояние города Воронежа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Проблеме с пластиковыми отходами не более 50 лет, но она приобрела масштабы катастрофы, особенно в последние десятилетия, когда пластик стал использоваться массово. Отходы из пластика только накапливаются и практически не разлагаются. Это приводит к изменению сложившегося в окружающей среде баланса, к нарушению природного цикла «загрязнение – самоочищение». В мире в среднем всего 15 % отходов пластмасс подвергается вторичной переработке, в Российской Федерации этот показатель не превышает 5 %. За один год в России образуется примерно
3,3 млн т пластиковых отходов [2]. Проблема велика и требует немедленных решений. Во многих лабораториях мира идут исследования по изучению методов утилизации пластиковых отходов. В нашей исследовательской работе мы рассмотрели возможность разложения пластика кольчатыми червями.
Объект исследования – возможность разложения пластика ПЭНД.
Предмет исследования: - возможность разложения пластика ПЭНД кольчатыми червями
Гипотеза – кольчатые черви (калифорнийцы, дождевые черви, старатели) способны перерабатывать пластик.
Цель работы - Оценить перспективы кольчатых червей к переработке полиэтилена.
Задачи исследования:
1. Провести опыт по выявлению способностей кольчатых червей к переработке полиэтилена;
2. Определить степень токсичности почвы, используемой в опыте;
3. Сделать вывод о перспективе использования кольчатых червей при переработке полиэтилена.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1. 1 История исследований по изучению перспективы живых организмов разлагать пластик
Исследования по изучению живых организмов разлагать пластик ведутся очень активно. Еще в 1965 г. М. С. Гиляров предложил использовать почвенных животных в качестве индикаторов нарушения биогеоценозов, поскольку педобионты не только четко реагируют на изменения в почве, но и долго хранят полученную информацию.
В Японии в 2016 году была обнаружена Почвенная бактерия Ideonella Sakaiensis которая превращала молекулы пластика в воду и углекислый газ.
За разложение пластика отвечают два фермента. один разлагает звенья полимера на мономолекулы этиленгликоля и терефталевой кислоты. Второй разлагает монозвенья на этиленгликоль и терефталевую кислоту. Процесс разложения пластика пока идет достаточно медленно: со скоростью всего 0,13 мг в день c 1 кв. см. ученые предполагают, что для переработки и уничтожения пластика можно использовать и синтетические версии ферментов, разработку и модификацию которых ведут сегодня – уже определен состав фермента бактерии для воссоздания похожей субстанции [5],была выделена Бактерия Biocellection которая так же разлагает пластик на воду и углекислый газ
Способность личинок Мучной хрущак (Tenebrio molitor) поедать пластик обнаружилась случайно, когда их забыли покормить личинки просто начали поедать кормушки из пенопласта. в желудочно-кишечном тракте червя полимер превращается в биодеградируемые соединения с выделением углекислого газа. Органические соединения позднее использовались в качестве грунта, в котором выращивались растения. Исследователи предполагают, что способность переваривать пластик во многом существует из-за симбиотов – бактерий, живущих в кишечнике личинок, их действие еще предстоит выяснить. За сутки 100 личинок съедают 40 мг пенополистирола.Ученые выяснили, что эти личинки, как и контрольная группа, содержащаяся на обычном рационе, окукливаются, а из куколок выходят здоровые имаго. Это означает, что, возможно, разложение пластиков не наносит вреда жизнедеятельности организма и может применяться без вреда для популяции.
Плесневые грибы (Aspergillus tubingensis) обнаружены в лабраторных условиях. Автором проекта стала Анна Каширская. Исследование под названием «Биологическое разложение полиуретана с помощью Aspergillus tubingensis» было проведено также учеными из международного исследовательского центра World Agroforestry Centre (базируется в Кении) и Куньминского ботанического института (входит в состав Китайской академии наук). .При взаимодействии с пластиком грибы выделяют ферменты, которые разрушают химические связи в полимерах. Источником питания для них служит полиэтилен. В ходе российского эксперимента после девяти лет нахождения в растворе дистиллированной воды, в которую опустили небольшое количество земли и неорганические соли, прочность полиэтиленового пакета снизилась на 66%.
Грибы (Pestalotiopsis microspora) во время экспедиции в леса Эквадора группа студентов обнаружила неизвестный вид грибов, который питается полиуретанами. Из найденных микроорганизмов был выделен фермент, который позволяет им разрушать полиуретаны в бескислородных условиях.Грибы Pestalotiopsis microspora – единственный на сегодняшний день известный микроорганизм, который может выжить, питаясь только полиуретанами, в среде с очень маленьким количеством кислорода. Это означает, что эти грибы можно помещать на дно мусорных свалок для ускорения разложения отходов.
В 2016 г. ученые-исследователи из Удмуртского НИИСХ в своих работах писали о способности личинок большой восковой моли прогрызать различные синтетические полимеры [9]. Но в 2017 г. группа ученых опубликовала результаты по биопереработке личинками G.mellonella полиэтилена за счет микроорганизмов желудочно-кишечного тракта, природу которых еще следует изучать [10]. Необходимо вспомнить, что естественным полимером, который поедает личинка Galleria mellonella, является пчелиный воск. Общим между синтетическими полимерами и пчелиным воском является наличие углеводородных цепочек [3]. С целью понять, каким образом возможно расщепление пластика, учёные сделали суспензию из личинок и покрыли ею ПЭТ плёнку. Позже плёнка была исследована методом инфракрасной Фурье спектроскопии и были обнаружены следы этиленгликоля. На основании этих данных был сделан вывод, что продуктом расщепления полиэтилена является этиленгликоль [3].
1.2 Общая характеристика кольчатых червей
Тип - Кольчатые черви
Класс – Малощетинковые
Семейство – Настоящие черви
Род – Дождевой червь
Кольчатые черви, или кольчецы, — тип беспозвоночных животных. Известно около 18 тыс. видов, обитающих в морских и пресных водах и в почве наземных экосистем.
Размеры от 0,25 мм до 3 м. Тело состоит из колец, разделённых неглубокими перетяжками, откуда и произошло название этого типа. Числом сегментов (колец) у разных видов колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен. Кольчатые черви делятся на 3 класса: многощетинковые, малощетинковые и пиявки (в нашем эксперименте использовались черви из класса малощетинковые) [6].
Красный калифорнийский червь(лат. Eisenia fetida) является одним из видов дождевых червей. Червь имеет вытянутое сегментированное тельце, чуть приплюснутое со стороны живота и окрашенное в насыщенный темно-красный (бордовый) цвет. Взрослая особь может достигать девяти сантиметров в длину и до пяти миллиметров в толщину[7].
Червь Старатель (Eisenia foetida). Червь имеет кольчатое тело покрытое слизью и вытянутое в длину, спереди утолщение в виде пояска. Передняя часть тела утолщена и немного темнее хвостовой[8].
Дождевые черви(лат. Lumbricina). Дождевой червь имеет почти круглое в поперечном разрезе тело длиной до 30 см; насчитывают 100-180 сегментов, или члеников. В передней трети тела находится утолщение.Тело имеет красновато-коричневую окраску, светлее на плоской брюшной и темнее на выпуклой спинной стороне[9].
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Опыт по выявлению способностей кольчатых червей к переработке полиэтилена проводился с января 2022 г. по февраль 2022 г..
Пластиковые контейнеры были заполнены предварительно просеянной почвой (100 г), взятой в Воронежском государственном биосферном заповеднике им. В, Пескова. Измерен водородный показатель почвы мультидатчиком ЭКО-1 цифровой лаборатории RELEON.
2.1 Опыт по переработке полиэтилена кольчатыми червями
Опыт проводился в 3 вариантах, один из которых контроль, по 3 повторности в каждом. В первом варианте в девять опытных контейнеров было заложено по 1 г полиэтиленового пакета нарезанного тонкой соломкой. Во втором варианте в девять опытных контейнеров было заложено 1 г биоразлагаемого пакета, нарезанный тонкой соломкой. В подготовленный субстрат запущены предварительно взвешенные калифорнийцы (E. AndreI), старатели и дождевые черви. Для эксперимента отобраны половозрелые особи. Перед взвешиванием черви были промыты от частиц почвы и просушены фильтровальной бумагой. Для каждого вида червей заложено по три повторности. Контейнеры закрыли крышкой с пятью отверстиями для циркуляции атмосферного воздуха. Эксперимент длился 21 день. Подкормка червей не осуществлялась. По мере высыхания, производилось увлажнение почвы.
После 21 дня эксперимента из каждого контейнера была изъята почва, из неё выбраны черви и остатки пакетов, которые были промыты, просушены и взвешены.
Полученные данные были занесены в таблицу 1 «Результаты эксперимента по выявлению способности червей к разложению пищевых пакетов» (см. приложение 1).
Каждый опыт имеет три повторности.
В опыте использовался полиэтиленовый пакет ПЭНД весом 1 г и биоразлагаемые мешкидля мусора Лайма 601400.
2.2 Свойства почвы опытных образцов
Определена степень токсичности вытяжек из почвы контрольного и опытных образцов в опыте с инфузорией по Фёдоровой и Никольской [2].
Для опыта была взята культура инфузорий, приготовленных заранее. Висячую каплю простейших поместили на предметное стекло, в нее добавили меньшую каплю почвенной вытяжки каждого из опытных образцов почвы. Наблюдая в бинокуляр, произвели подсчет простейших и наблюдали за их поведением. Через час после начала опыта было зафиксированно количество инфузорий и особенности их поведения.
В исследовании использовали бинокуляр Levenhuc.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Опыт по переработке полиэтилена кольчатыми червями
Опыт проводился при средней температуре 220С, при средней влажности 44%.
3.1.2 Изменение веса опытных особей кольчатых червей
На основании полученных данных составлена диаграмма 1 «Средний вес опытных групп кольчатых червей». При анализе полученных результатов, можно отметить, что если контрольная группа дождевых червей потеряла 43,5%, то экспериментальная группа, питающаяся ПЭНД, потеряла лишь 35%. Контрольная группа старателей потеряла 25% веса, экспериментальная группа 23%. Контрольная группа калифорнийцев прибавила от первоначального веса 11%, экспериментальная группа прибавила 14%.
Наиболее эффективно себя проявили калифорнийцы – разница прибавки веса между контролем и экспериментальной группой 3%. Дождевые черви потеряли вес на 8,5%. Старатели потеряли 2%.
3.1.2 Изменение веса ПЭНД
При изучении остатков полиэтилена из контейнеров опытных образцов, можно отметить, что пластины ПЭНД имеют нарушение целостности, биорзлагаемый пакет остался не тронутым (см. рис. 1, 2, 3, 4).
На основании полученных данных при взвешивании полиэтилена до и после эксперимента составлена диаграмма 2 «Средний вес ПНД, г».
При анализе полученных данных, можно отметить, что после эксперимента средний вес ПЭНД уменьшился. У экспериментальной группы калифорнийцев вес пакета уменьшился на 10%. У дождевых червей на 7%, у старателей на 4%.
На основании полученных результатов мы можем утверждать, что кольчатые
черви в определенных условиях могут перерабатывать полиэтилен.
Рис. 1 Куски, полиэтилена съеденные старателями (Eisenia foetida)
Рис. 2 Куски, полиэтилена съеденные дождевыми червями (Lumbricina)
Рис. 1 Куски, полиэтилена съеденные старателями ()
Рис. 3 Куски, полиэтилена съеденные калифорнийцами (Eisenia fetida)
При анализе диаграммы 1 и 2 можно утверждать, что кольчатые черви способны перерабатывать ПНД в определенных условиях
3.2.3 Значения водородного показателя опытных образцов почв
На основании данных измерения водородного показателя контрольного образца почвы и опытных образцов после эксперимента составлена таблица 3,1 «Значение водородного показателя опытных образцов почвы»
Таблица 3.1
Значение водородного показателя опытных образцов почвы
|
Опытный образец |
Значение PH |
контроль |
|
ПНД (калифорнийцы) |
7,05 |
6,88 |
|
ПНД (старатели) |
7,01 |
|
|
ПНД (дождевые) |
7 |
При анализе полученных данных можно отметить, что по сравнению с контрольным образцом почва подщелачивается.
2.3 Определение степени токсичности опытных образцов почвы
На основании данных при проведении опыта с инфузориями в вытяжках контрольного и опытных образцов токсичных соединений не выявлено (количество инфузорий не изменилось).
Статистически значимые морфофизиологические показатели личинок по многим параметрам остаются на уровне контроля, не затормаживая нормальные процессы жизнедеятельности, что говорит о влиянии пластика при всех изучаемых соотношениях и адаптации червей к перевариванию изучаемых синтетических полимеров.
.
4. ВЫВОДЫ
На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:
В лабораторных условиях было выявлено, что кольчатые черви способны к переработке полиэтилена (ПЭНД).
Степень токсичности почвы при переработке полиэтилена кольчатыми червями не изменяется. После рециркуляции кольчатыми червями почва подщелачивается.
Кольчатые черви могут быть использованы для переработки отходов тонкого полиэтилена (ПЭНД).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
В ходе исследовательской работы выявлена способность кольчатых червей к переработке полиэтилена. Возможная перспектива выделения чистого фермента, который также будет способен разрушать ПЭНД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Герасько Т. В. Новейшие технологии природного земледелия / Т. В. Герасько // Спб.: « Издательство «ДИЛЯ», 2014. – 208 с.
Осокина, А.П. Бодалева, Г.Р. Платунова Перспектива биодеструкции отходов из полимерных материалов с применением личинок (Galleria mellonella l) [Текст] / Осокина А, С., Бодалева А. П., Платунова Г. Р.// Вестник Удмуртского университета №4, 2018 С. 376 – 383
Дроздов К. А, В, Куриленко В. В. Использование дождевых червей: навозный червь (Е. Fetida) и калифорнийский червь (E. Andrei) для разложения промышленных отходов [Текст] / К. А. Дроздов, В. В. Куриленко // «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(36)2019
Фёдорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. // А.И. Фёдоров, А.Н. Никольская// - Воронеж, Воронежский госуарственный университет, 1997 - 314 с.
Сайт - Бактерии пожирающие пластик. Режим доступа: https://pikabu.ru/story/bakterii_nasekomyie_i_gribyi_kotoryie_s_udovolstviem_pozhirayut_plastik_7726240?ysclid=l6cd4hhxlo621596653
Сайт scienceforum: режим доступа:
https://scienceforum.ru/2022/article/2018030883
Сайт Азимут: режим доступа:
http://novpolimernn.ru/proizvod/anal/raznoe-v-polimerah/tipy-i-vidy- astika?ysclid
Сайт Дмип.рф: режим доступа: https://дмип.рф/files/works/848_11426.
Сайт Молодой ученый: режим доступа: https://moluch.ru/young/archive/63/3265/
Сайт Фонд «Алтай 21 век»: режим доступа:
https://www.fondaltai21.ru/2017/10/05/plesnevyiy-gribok-razlagaet-plastik/
Сайт ПластЭксперт: режим доступа: https://e-plastic.ru/news/griby-endofitysposobny-razlagat-plastik-pri-otsutstvii-kisloroda_5851/