XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оценка экологического состояния почвы микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы
Мы все знаем, что с началом ХХ века, человечество столкнулось с глобальными экологическими проблемами, связанными с загрязнением воздуха, снижением биологического разнообразия, изменением климата, загрязнением поверхностных и подземных вод, загрязнением почвенного покрова и т.д. Антропогенное воздействие на окружающую среду не проходит бесследно. Государство в области экологической безопасности страны и дальнейшего экономического, инновационного развития утвердила «Основы государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года», где одной из основных задач поставило формирование экологической культуры, развитие экологического образования и воспитания. Ухудшение состояния окружающей среды вызвало изменения мирового сообщества в отношении к природе.
Антропогенное воздействие меняет физическое и химическое состояние почвы. Основными источниками загрязнения земель являются стоки легкой и тяжелой промышленности, теплоэнергетики, машиностроения, а также ливневые стоки, аккумулирующие загрязнения с территорий автотранспортных предприятий, автозаправочных станций, автомоек и с дорожного полотна. Среди загрязняющих химических веществ наиболее опасными являются тяжелые металлы. Они распространяются на большие расстояния, одновременно загрязняя и нарушая почвенный покров вокруг городов. На сегодняшний день в современном природоохранном законодательстве недостаточно подробно разработана нормативная система качества почв, это в свою очередь затрудняет их рекультивацию и экологическую оценку.
Вышесказанное обуславливает актуальность исследования в этой области.
Проблемаисследования заключается в оценке загрязненности почвы солями тяжёлых металлов микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1».
Территория школы находится в трех километрах от Щербинского бетонного завода и в 500 м от Варшавского шоссе.
Почва занимает важное место в экологической системе и выполняет огромное количество функций. Самая важная – это экологическая, обеспечивающая жизненное пространство человека и других организмов. Почва – живой организм. Она способна накапливать, распределять, очищать и консервировать загрязняющие вещества. Разнообразные соединения естественного и антропогенного характера способны накапливаться в почве, обуславливая её загрязненность и токсичность. Промышленные выбросы оказывают огромное влияние на окружающую среду и способны изменять почвообразовательный процесс. Основная часть тяжелых металлов поступает за счет атмосферных выпадений. Наличие промышленных предприятий влечет за собой техногенное загрязнение тяжелыми металлами не только почвы, но и приземных слоев атмосферы. Распределение тяжелых металлов на поверхности почвы зависит от многих факторов. Прежде всего от метеорологических особенностей региона, рельефа и геохимических факторов.
Цементные заводы являются источниками загрязнения техногенного характера всех трёх составляющих биосферы: атмосферы, гидросферы и литосферы.
Актуальность обозначенной проблемы определила тему работы: «Оценка экологического состояния почвы микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1».
Объект исследования – образцы почвы микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1.
Предмет исследования – оценка загрязнения почвы тяжелыми металлами.
Целью настоящей работы является проведение экологической оценки состояния почвы микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1».
Для достижения цели исследования были сформулированы следующие задачи:
- провести анализ научной литературы по теме исследования;
- показать большую значимость экологического состояния почв;
- изучить основные компоненты состава почв и методы исследования химического состава почв;
- исследовать экологического состояния почвы микрорайона школы;
- провести оценку загрязнения почвы солями тяжелых металлов;
- провести биоиндикацию состояния почвы, с помощью биоиндикатора кресс-салата, растение с повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами;
- провести сравнение всходов кресс-салата выращенного на почвах микрорайона школы и Щербинского бетонного завода;
- определить методом тонкослойной хроматографии содержания пигментов в листьях кресс-салата выращенных на разных почвах.
Гипотеза исследования заключается в предположении о том, что исследование химического состава почвы на содержание солей тяжелых металлов и использование метода биоиндикации позволят дать оценку экологическому состоянию почвы микрорайона школы.
В соответствии с задачами были использованы различные методы исследования: систематизация научной литературы по вопросам исследования, проведение экспериментальной работы, сбор материала, сводка и группировка данных, анализ результатов.
В данном исследование определяли показатели качества почвы: кислотность, увлажненность и наличие некоторых тяжелых металлов.
Практическая значимость данного проекта огромна. Можно порекомендовать выращивать сельскохозяйственные растения на пришкольном участке (школьный огород) с учетом полученных данных.
Глава I. Характеристика микрорайона МБОУ «Бутовской СОШ №1»
Физико-географические условия изучаемой территории
Территория микрорайона характеризуется равнинным характером местности. В направлении на север и запад территория микрорайона граничит с районами г. Москвы, а в направлении на восток граничит с землями Ленинского района, на юге с землями Подольского района. Среднегодовое количество осадков в виде снега и дождя составляет 720 мм, максимум осадков приходится на июль-август и сентябрь-октябрь достигая 140-160 мм. В соответствии с данными многолетних наблюдений среднегодовая температура воздуха составляет +6,30С, абсолютно максимальная 37 0С, абсолютно минимальная -360С.
Геологический район расположен на склоне Теплостанской эрозионной возвышенности, сложенной покровными суглинками. На покровных суглинках развиты дерново-подзолистые почвы с толщиной плодородного слоя 20-25 см и мощностью гумусового горизонта 5 см.
Источники техногенного загрязнения
Основное содержание тяжёлых металлов в естественных незагрязненных почвах обусловлено их концентрацией в материнской породе и находится под влиянием почвообразовательных процессов. Однако уровень тяжёлых металлов может меняться под воздействием антропогенного фактора.
В пределах городских территорий почвы подвергаются прежде всего химическому загрязнению. Особое внимание в оценке химического загрязнения почв уделяется загрязнению тяжелыми металлами и органическими токсикантами. Тяжелые металлы являются приоритетными загрязняющими веществами, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Накопление химических элементов в городских почвах связано прежде всего с деятельностью промышленных предприятий. Как правило, почвы находящиеся вблизи таких предприятий содержат токсические элементы превышающие предельно допустимых концентраций (ПДК). Нельзя не упомянуть ещё об одном источники загрязнения тяжёлыми металлами – это автомобильный транспорт с выхлопами газов автомобильных двигателей, работающих на этилированном бензине и выбрасывающих на поверхность почв более 250 тыс. т свинца в год. В результате от автотрасс в почву поступают свинец, медь, кадмий, никель, цинк, железо, марганец и другие элементы.
Исследование проводилось на территории МБОУ «Бутовская СОШ №1» вблизи двух крупных автотрасс (Варшавское шоссе – 500 м, Симферопольское шоссе – 800 м) и в 3 км от Щербинского бетонного завода.
Среди металлов выделяют более токсичные и приоритетные – свинец, кадмий, мышьяк и ртуть. Главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Другие металлы – медь, марганец, цинк, хром, кобальт, железо необходимы организму в малых количествах, но в больших количествах тоже становятся опасными для организма.
Всего выделяют более 40 тяжелых металлов и неметаллов. В соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 (в ред. от 14.02.2022) тяжелые металлы по степени опасности подразделяются на три класса по убываю токсичности:
- 1 класс опасности: мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, селен, свинец, цинк;
- 2 класс опасности: кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма;
- 3 класс опасности: ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций, железо.
Тяжелые металлы попадают из почвы в растения, передаваясь по цепи питания, оказывают токсичное действие на растения, животных и человека.
Соединения меди – высокотоксичные вещества. Растворы солей меди обладают токсическим действием на организм не только человека, но также растений и животных.
Всего несколько граммов медного купороса достаточно для того, чтобы вызвать тяжёлые симптомы отравления, вплоть до летального исхода.
Марганец является политропным ядом, который оказывает отрицательное влияние на работу лёгких, сердечно-сосудистой системы, может вызвать аллергический или мутагенный эффект.
Свинец, накапливаясь в организме человека, способен служить промотором развития онкологического процесса. Сам он онкологию не вызывает, зато во много раз усиливает действие канцерогенных соединений.
Считается, что превышение ПДК железа в воде способствует увеличению риска инфарктов и повреждения тканей при инсультах. Порог токсичности железа для человека составляет в среднем 200 мг/сутки. Летальная доза для человека в зависимости от возраста, веса и пола составляет 3-35 г.
Накопление цинка отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: вызывает изменение физических и физико-химических свойств почвы, снижает биологическую деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах.
Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное содействия кадмия и цинка оказывают в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности.
На поведение тяжелых металлов в почве оказывают влияние кислотность. Миграционная способность металлов в кислой среде более высокая. Неблагоприятные физические и химические свойства дерново-подзолистых почв способствуют переходу тяжелых металлов в биологические ткани, повышению миграции тяжелых металлов, ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий, которые часто снижают плодородие почвы.
Глава II. Исследование химического состава почвы на содержание тяжелых металлов
2.1. Подготовка почвенной пробы
Для проведения химического анализа отбирали почву методом «конверта» с глубины 10 см, так как именно в верхнем ее горизонте накапливаются тяжелые металлы. Рекомендуется взять участок площадью 100 м2 (10x10м). В каждой из пяти точек, как указано на рисунке, брали образец почвы с помощью лопатки, а затем смешивали эти 5 индивидуальных образцов, и полученный средний образец использовали для проведения исследования.
Пробу почвы необходимую для химического анализа высушивали до воздушно-сухого состояния в хорошо проветриваемом помещении. Для этого почву насыпали тонким слоем (1-2 см) на чистую бумагу, большие комочки измельчали руками. Затем выбирали включения – корни растений, камешки, стекло и другие включения. Через 3-4 дня почва достигла воздушно-сухого состояния. До этого почву рассыпали тонким ровным слоем в виде квадрата, разделяя его на четыре сектора. Содержимое двух противоположных секторов отбрасывали, а два оставшихся снова смешивали. Затем почву просеивали через сито с диаметром отверстий 1-2 мм.
2.2. Подготовка почвенной вытяжки
2.2.1. Подготовка солевой вытяжки для определения pH
Определение рН солевой вытяжки проводили для установления степени кислотности почв. По величине рН дерново-подзолистые почвы классифицируются на сильнокислые (рН < 4,5); среднекислые (рН 4,5- 5,0); слабокислые (рН 5,1-5,5); близкие к нейтральным (рН >5,6). По степени щелочности почвы делятся на слабощелочные (рН 7-8); щелочные (рН 8-9) и сильнощелочные рН 9-11.
Пробу почвы (в воздушно-сухом состоянии, пропущенной через сито с диаметром отверстий 1-2 мм) массой 4 г взвешивали на технических весах с погрешностью не более 0,1 г и пересыпали в коническую колбу. К пробе приливали 100 см3 1 М раствора KCl. Далее электроды погружали в суспензию и измеряли величину рН. Показания прибора считывали не ранее чем через 1 мин после погружения электродов в суспензию. Во время работы настройку прибора периодически проверяли по буферному раствору с рН 4,01.
рН измеряли с помощью цифрового лабораторного оборудования «Точки роста».
pH составила 6,5.
2.2.2. Подготовка почвенной вытяжки для определения ионном металлов.
В колбу с почвой наливали 1 М раствор азотной кислоты (10 г почвы на 50 мл кислоты) и оставляли на сутки, потом смесь фильтровали и упаривали фильтрат до необходимого объема.
Для определения содержания тяжелых металлов в почвенной вытяжке необходимо знание качественных реакций на ионы данных металлов.
2.2.3. Обнаружение ионов тяжёлых металлов
Качественное обнаружение ионов железа Fe3+.
а) Раствор, содержащий ионы железа Fe3+ образует с раствором гексацианоферрата калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль) темно-синий осадок:
Fe3+ + [Fe(CN)6]4− → Fe[Fe(CN)6]−
б) Ионы железа Fe3+ образуют с растворами роданида калия или аммония окрашенный в кроваво-красный цвет роданид железа (ΙΙΙ) Fe(SCN)3
В две пробирки вносили по 2 мл вытяжки. В первую наливали 1 мл раствора желтой кровяной соли, во вторую – 10% раствор роданида калия. Появившееся синее окрашивание в первой и красное во второй свидетельствовали о наличии в почве соединений железа.
Качественное обнаружение ионов свинца Pb2+.
а) При взаимодействии ионов свинца с раствором иодида калия образуется желтый осадок иодида свинца
Pb2+ + 2I- = PbI2↓
б) Растворы едких щелочей осаждают из растворов, содержащих ионы свинца, белый осадок гидроксида свинца Pb(OH)2
В две пробы по 2 мл добавляли 3% раствор иодида калия, а во вторую щелочь гидроксид калия. Если в первой выпал желтый осадок, то во второй – белый, что свидетельствует о наличии соединений свинца.
Качественное обнаружение ионов меди Cu2+
а) При добавлении аммиака к растворам солей меди выпадает зеленый осадок, растворимый в избытке аммиака с образованием ионов [Cu(NH3)4]2+, окрашенных в интенсивно-синий цвет.
б) При добавлении щелочи в раствор с ионами меди образуется нерастворимое основание гидроксид меди Cu(ОН)2, окрашенный в синий цвет.
В две пробирки наливали по 2 мл фильтрата. В первую добавляли раствор аммиака NH3•H2O, а во вторую – щелочь. Появление синего окрашивания в обоих пробирках должно было свидетельствовать о наличии ионов меди.
Наличие ионов меди не обнаружено.
Глава III. Определение состояния почвы с помощью метода биоиндикации
Биоиндикация – это метод изучения состояния среды путем изучения реакции наиболее чувствительных и зависимых от экологической системы живых объектов(биоиндикаторов), которые отражают своим ростом и развитием наличие в естественной среде обитания загрязнителей, токсинов, наличия тяжелых металлов и т.д.
Для данного исследования в качестве биоиндикатора мы выбрали кресс-салат-растение с повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами, по всходам которого можно определить степень загрязненности почвы.
Кресс-салат (огородный перечник): однолетнее растение семейства Крестоцветных. Распространен в Закавказье, особенно в Грузии. В пищу используются молодые листья, с терпким вкусом, так как содержит горчичное масло.
Кресс-салат - однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнениям почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей.
Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).
Семена кресс-салата прорастают уже на третий-четвертый день.
Для опыта мы посеяли 30 семян кресс-салата в почву взятую вблизи Щербинского бетонного завода и столько же семян в почву взятую на территории МБОУ «Бутовская СОШ №1».
В результате проведенного опыта мы получили:
- всхожесть семян в почве взятой около Щербинского бетонного завода составила 20-30%. Всходы редкие, короткие, искривлённые, имели закрученные и немного пожелтевшие листья.
- всхожесть семян в почве взятой вблизи МБОУ «Бутовская СОШ №1» составила 60-70%. Всходы дружные, относительно крепкие и почти нормальной длины.
Таким образом мы попытались проследить за влиянием токсичности тяжелых металлов на развитие и рост растения кресс-салата. Полученные результаты показывают, что почва вблизи бетонного завода более загрязнена ионами тяжелых металлов, которые оказывают угнетающие действие на растения. Однако территория школы находится совсем рядом с данным заводом и миграция тяжелых металлов, их накопление в верхнем слое почвы так же оказывают чуть менее заметное действие.
Глава IV. Анализ пигментного состава листьев кресс-салата методом
тонкослойной хроматографии (ТСХ)
Тонкослойная хроматография (ТСХ) – это метод анализа смесей жидких и твердых веществ, основанный на различном сродстве разделяемых веществ к неподвижной (сорбент) и подвижной (элюенту) фазам. Как правило, чем лучше вещество сорбируется неподвижной фазой, тем медленнее оно движется по пластине, т. е. этот метод основан на явлении сорбции – десорбции.
Хроматографический процесс в тонком слое адсорбента обеспечивается динамическим передвижением подвижной фазы (растворителя) через стационарную неподвижную фазу (адсорбент). В результате передвижения смеси растворителя и анализируемых веществ происходит разделение анализируемой смеси на компоненты, основанное на различной скорости их перемещения в слое адсорбента.
Данный метод успешно применяется для разделения очень малых количеств веществ (до 0,1—0,005 мкг) и имеет большое значение для быстрого качественного анализа смесей. Тонкослойная хроматография (ТСХ) занимает особое место среди других хроматографических методов благодаря доступности оборудования, простоте методики, обширной области применения, высокой экономичности, при достаточно высокой селективности и чувствительности.
4.1. Подготовка образцов к анализу.
Листья растений в количестве 1-1,2 г (взвешены на электронных весах) разрезали на мелкие кусочки, растирали в ступе с 1-2 мл ацетона. Далее добавляли Na2SO4 для обезвоживания и CaCO3 для феофенизации. Экстракты переносили в пробирки eppendorf.
4.2. Подготовка хроматографической камеры
В качестве элюентов для тонкослойной хроматографии часто используются легколетучие органические растворители. Применяя элюенты, очень важно следить за их чистотой. Желательно работать под вытяжкой.
Для нашего исследования подвижная фаза (элюент) состояла в соотношении: 20 частей гексана:10 частей ацетона:10 частей толуола:2 этилового спирта. Вначале мы наливали подвижную фазу в хроматографическую камеру. Далее закрывали камеру и оставляли на некоторое время для насыщения парами растворителя.
4.3. Исследование образцов методом тонкослойной хроматографии
Простым карандашом и с помощью линейкой помечали линию старта на расстоянии 1,0 см от начала пластинки и линию финиша на расстоянии 0,5‑1,5 см от конца пластинки. Далее на линию старта по центру пластины наносили исследуемую смесь объемом 5‑20 мкл микропипеткой. Пластины помещали в хроматографическую камеру и там выдерживали до достижения растворителем линии финиша. После окончания хроматографирования пластины сушили в течение 30 мин при комнатной температуре, затем выявляли хроматографические зоны. Для хроматографирования использовали пластины с немодифицированным слоем силикагеля, такую как Sorbfil.
неоксантин
виолоксантин
лютеин
β-каротин
феофитин
хлорофилл b
хлорофилл а
Хроматограмма пигментов кресс-салата выращенного на почве возле МБОУ «Бутовская СОШ №1»
Хроматограмма пигментов кресс-салата выращенного на почве возле бетонного завода.
Выводы:
Исследование показало, что экологическое состояние почвы микрорайона МБОУ «Бутовская СОШ №1» неудовлетворительное. Загрязнённость тяжелыми металлами является основной экологической проблемой.
Почва пришкольного участка имеет техногенную нагрузку, загрязнена солями тяжёлых металлов. Поэтому не рекомендуется использовать данную почву для выращивания сельскохозяйственных растений. Наиболее загрязнёнными являются участки почвы около бетонного завода. Следовательно, собирать ягоды и лекарственные растения вблизи этого участка не рекомендуется.
Исследование показало, что кресс-салат может выступать как биоиндикатор состояния почвы. Тяжелые металлы снижают всхожесть семян, угнетают рост и развитие растений.
Нами был освоен метод тонкослойной хроматографии, с помощью которого определен пигментный состав листьев растений кресс-салата. В ходе проведения анализа мы познакомились с физико-химическими свойствами наиболее часто применяемых элюентов и подобрали оптимальный состав подвижной фазы. Это позволило нам разделить пигменты зеленого листа и их идентифицировать. После проведения исследования мы убедились, что пигментный состав растений, выращенных на разных почвах различен по наличию хроматографических зон и неодинаково выражен по интенсивности полос.
Список литературы
Акмалова В.А., Жежер И.В. Научно-исследовательская работа по химии. РХТУ им. Менделеева, Москва, 2020 г. Анализ выделяемых пигментов растениями, выращенными в различных условиях, методом тонкослойной хроматографии.
Ильина Н.А, Казакова Н.А. ГПУ им. И.Н. Ульянова //Известия Самарского научного центра РАН, т. 11 №1, 2009 г. Экологическая оценка трансформации почвенного покрова в зоне влияния цементной промышленности.
Кабанова И.В. Молодой учёный. //Международный научный журнал, №51, 2017 г.
Корчагина К.В. //Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Москва, 2014 г. Оценка загрязнения городских почв тяжелыми металлами с учетом профильного распределения их объёмных концентраций.
Левашова Т.А. //Магистерская диссертация, М., 2017 г. Оценка уровня загрязнения почв тяжелыми металлами в местах несанкционированных свалок промышленных отходов.
Пименова Е.В., Леснов А.Е. Учебное пособие ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», Пермь, 2009 г. Химические методы в агроэкологическом мониторинге почвы.