XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение возможности использования анализа воды для установления происхождения искусственного водоёма
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Наш город расположен в благоприятной природной среде – средняя полоса России, Московская область. Вблизи Ступино есть смешанные леса, реки и природные водоёмы. Также в непосредственной близи от города расположены два искусственных водоёма. Про искусственные водоёмы в городе ходят легенды, согласно которым купаться в них достаточно опасно из-за грязной воды. В водоёмах люди всё равно купаются, несмотря на устрашающие слухи. Было принято решение проверить качество воды органолептическим, химическим методом, провести биотестирование и установить соответствие мифов и реальности о происхождении водоёмов, опираясь на анализ воды, а также разобраться, действительно ли там опасно купаться.
Цель проекта: изучение возможности использования анализа воды для установления происхождения искусственного водоёма.
Задачи:
Собрать информацию из различных источников об истории возникновения водоёмов – интервью с жителями, книги, открытые источники информации, архивы.
Провести анализ проб воды, взятых из водоёмов
Провести синтез полученных данных и сформулировать выводы о водоёмах.
Данные выводы довести до населения нашего города через СМИ и сайт школы.
Объект исследование: самые популярные места отдыха - Белопесоцкий Котлован и Городские пруды города Ступино.
Предмет исследования – вода Котлована и прудов.
Основная часть.
Котлован располагается в непосредственной близости от Оки, их разделяет полоса земли в 2-3 км, Городские пруды расположены около нашей школы, от Оки их отделяют 20 км.
В интернете была найдена информация по истории возникновения Котлована и городских прудов.
«Пруд представляет собой бывший карьер. Само место называлось издревле Белые пески, так как песок в лесу и на берегах обладает характерным белым цветом. Глубина Белопесоцкого карьера местами составляет 25 м. В советское время здесь производилась его промышленная добыча. Весной 1970 г. во время сильного разлива реки Ока он был затоплен. А на дне, по свидетельствам местных жителей, осталась многочисленная техника». О Городских прудах информация в интернете достаточно скудная:
Северный появился раньше, предположительно в 60-70-е гг., южный создан в середине 80-х.»
И это всё. Как они появились, зачем были выкопаны и с какой целью-непонятно. Точно установлено, что в 80-х годах прошлого века местные жители активно купались летом в городских прудах, Котлован не пользовался популярностью. На данный момент ситуация изменилась: отдыхать на Котлован приезжают люди не только из Ступино и близлежащих городов, но и из Москвы. Городские пруды потеряли свою популярность, как место, где можно купаться.
Найти информацию об искусственных водоёмах в архивах города мы не смогли. Возможно, она не сохранилась или нам не дали к ней доступа.
Было принято решение взять интервью у местных жителей. Информация из интернета о Белопесоцком Котловане выглядит недостоверной. Получается, что разлив Оки произошёл 52 года назад и с тех пор в Котловане находится стоячая вода Оки. За это время вся вода должна была или испариться, или превратиться в болото. Были опрошены местные жители села Белопесоцкого и города Ступино, которые были свидетелями появления Котлована – пять человек: Владимир С. 60 лет, Нина П. 65 лет, Сергей Н. 70 лет, Тамара К. 75 лет, Наталья С. 62 года.
По их словам: «в 70-е годы шла активная добыча песка возле Белопесоцкого монастыря. Любопытные мальчишки наблюдали за работой экскаваторов и самосвалов глубоко в карьере. В один из дней экскаватор своим ковшом перерезал подземную водную жилу, и вода очень быстро начала заполнять карьер. Это было настолько стремительно, что выехать на экскаваторе и на машинах безопасно для жизни люди не успевали. Они бросили технику и убежали со дна карьера. Уже к утру карьер был заполнен водой полностью.»
Данные, полученные в интервью, не согласуются со сведениями, полученными в интернете.
По городским прудам были опрошены шесть человек, и тут информация тоже отличается.
Четыре человека Светлана Л. 58 лет, Иван Л. 58 лет, Ирина Бабако 65 лет, Ирина Жданова71 год, вспоминают: «в 70-80-е годы люди в городе утверждали, что пруды созданы, как отстойники для очистки воды предприятий. Поэтому вода там всегда была грязная и имела своеобразный химический запах. В северный пруд впадала безымянная речка, которую местные жители звали «Вонючкой» из-за своеобразного неприятного цвета и запаха. Местные жители думали, что в эту реку сливают воду заводы – стеклопластики или картонажная фабрика» Начальник цеха Ступинского химического завода Васильева Галина Евгеньевна сказала, что работала на Ступинской картонажной фабрике в 80-х годах и может со всей ответственностью утверждать, что ни Картонажная фабрика, ни завод стеклопластиков не могли сливать сточные воды в городской пруд, так как при строительстве этих заводов были изначально построены заводские очистные сооружения. Эколог Администрации нашего города Линешкевич Вероника Анатольевна утверждает, что «ПТО водоканал набирает воду из Оки для запаса и промпредприятий – «техническая вода», эта вода очищается от крупного механического мусора, и небольшая часть воды с мусором направляется в пруды. Именно для этой функции и были выкопаны пруды.»
Если это просто вода Оки, даже с небольшим техническим мусором, то откуда берётся версия об изменении цвета и запаха воды?
Было решено использовать для установления истории происхождения водоёмов анализ воды.
Для того чтобы доказать, что в Котловане не болотная вода, а в Городских прудах вода Оки были проведены следующие исследования: водоёмы были исследованы визуальным способом, вода проверена на органолептические качества, проведено биотестирование, химический анализ воды и микробиологический анализ.
Из лекции и литературных источников были установлены:
Виды и методы исследования воды:
А. Органолептическое исследование воды
Это метод, оценивающий качества, доступные органам чувств человека. Органолептическое исследование включает в себя оценку цветности, запаха, прозрачности воды и ее вкуса.
Б. Физико-химическое исследование воды
Анализ воды на физико-химические показатели производится по нескольким показателям: жесткость, минерализация, щелочность, окисляемость.
В. Микробиологическое и паразитологическое исследование воды
Этот метод позволяет определить наличие в воде различных бактерий и паразитов, среди которых могут быть и болезнетворные. Обычно подсчитывается количество микроорганизмов на 1 мл воды.
Г. Химические исследования воды
При анализе химического состава определяют наличие и количество органических и неорганических примесей — таких как металлы (алюминий, свинец, железо, медь и другие), сложные органические вещества (акриламид, стирол, фенол, винилхлорид, тетрахлорид углерода, диоксин), ПАВы, нефтепродукты и т.д.» 1
В проекте особое внимание уделено таким методам исследования как:
Определение
Органолептических качеств воды
Биотестирование
Жесткости
pH
Электропроводности
Микробиологии
Эти методы были изучены более подробно.
1. Органолептические свойства воды, это такие свойства, которые можно оценить с помощью органов чувств человека – запах, окраска, мутность, прозрачность, появление осадка, вкус и привкус. Данные свойства оцениваются по уровню восприятия: от сильного проявления до самого слабого. Определение органолептических показателей воды важно для решения, пригодна ли такая вода для питья и приготовления пищи из неё
Если органолептические показатели не соответствуют требованиям, то проводится более глубокий химический анализ воды.
Если вода имеет цвет, запах, неприятный вкус, то её нельзя употреблять и готовить из неё пищу, нельзя умываться, чистить зубы, мыть посуду.
Плохое качество воды может оказать плохое действие на здоровье человека.
2. Токсичность воды можно обнаружить биотестированием.
Цель биотестирования водной среды — выявление степени и характера токсичности воды, загрязненной биологически опасными веществами.
«Главные достоинства биотестирования — простота и доступность приемов постановки опытов, высокая чувствительность тест-организмов к минимальным концентрациям токсических агентов, быстрота, отсутствие надобности в дорогостоящих реактивах и оборудовании. Биотестирование можно проводить на плесневых грибах, инфузориях и многих других организмах.
Классическим объектом в качестве аналитического индикатора среди ветвистоусых рачков стали Цериодафнии. Они, как тест-объект входят в большинство национальных и международных стандартов исследования качества воды. Для определения в воде неорганических ионов дафний используют с 1940—50 гг» 2
В Ступинской лаборатории анализ на токсичность также делают с помощью цериодафний.
Была изучена информация об этих живых организмах.
«Из ракообразных классическим объектом в качестве аналитического индикатора среди ветвистоусых рачков стала Цериодафния Аффинис (Ceriodaphnia affinis) Они отвечают целому ряду требований, предъявляемых к биотесту: доступность в природе, простота лабораторного содержания и высокий темп размножения, небольшой, но в то же время достаточный для визуального наблюдения размер животного. (см. Приложение 1)
Цериодафнии мелкий рак, обитающий по большей части в пресных водоемах планеты. При своих миниатюрных размерах они имеют довольно сложное устройство и служат важным элементом экосистемы – быстро размножаясь, позволяют кормиться рыбам и земноводным, так что без них водоёмы были бы куда более пустыми. Ещё ими кормят рыбок в аквариуме.» 2
Рачки специально выводятся в лаборатории для проведения анализов на токсичность исследуемых вод. Цериодафнии гибнут при наличии любых токсичных веществ в воде. На этом основан анализ воды на токсичность.
Цериодафний сажают в пробу воды и наблюдают за активностью и смертностью. Если смертность появляется, то рассчитывают класс токсичности воды. Отбор проб на органолептические показатели производят в соответствии с ГОСТ Р 51232-98 и ГОСТ 31861-2012. Объем пробы воды не должен быть менее 500 мл, пробы воды для определения органолептических свойств воды не консервируют. Определение производится не позднее, чем через 2 ч после отбора пробы.
3. Жёсткостью воды называется совокупность свойств, обусловленных концентрацией в ней щелочноземельных элементов, преимущественно ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+). При этом общее (суммарное) содержание растворимых солей только кальция и магния образует важный показатель качества воды, называемые общей жёсткостью. Ввиду того, что солями жёсткости являются соли разных катионов, имеющие разную молекулярную массу, концентрация солей жёсткости, или жёсткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации, т.е. количеством моль/л или ммоль/л.
Источники жесткости в воде имеют исключительно природный характер, это единственная экологическая проблема, которой не присущ антропогенный фактор. Основная причина – поступление солей из подземных источников, расположенных в известняковых пластах. Именно поэтому показатель жесткости поверхностных вод ниже, чем у подземных.
Кроме того, жесткость может зависеть от сезонности. Минимальное значение она достигает весной, когда тает снег и наступает половодье. Негативное влияние жесткости водопроводной воды на здоровье человека выражается в следующем:
Реакция кожи – сухость, зуд, шелушение, аллергии, перхоть;
Уничтожение сальной пленки – голова быстрее грязнится, а тело быстро теряет свежесть, удаляется защитный слой кожи (главное препятствие микробам и вирусам);
Проблемы с ЖКТ;
Накопление токсинов в организме ;
Заболевания сердечно-сосудистой системы в результате избытка кальция и магния;
Влияние на опорно-двигательную систему – жесткая вода приводит к уменьшению суставной жидкости и снижает подвижность тела;
Жесткость измеряется в мг-экв/л. По содержанию солей жесткости вода делится на 3 типа:
Мягкая вода – до 3 мг-экв/л;
Средняя – от 3 до 6 мг-экв/л;
Жесткая – более 6 мг-экв/л.
В нашей стране допустимое значение общей жесткости по СанПиН питьевой воды составляет 7 мг-экв/л. 3
С 2003 г. в Российской Федерации жёсткость воды обозначается как (Ж) и выражается в градусах жёсткости (°Ж). Градус жёсткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, преимущественно кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/л (ГОСТ 31865). Таким образом, вместо использовавшейся ранее размерности общей жёсткости ммоль/л эквивалента следует использовать °Ж, при этом численные значения величины жёсткости не изменяются. 1°Ж = 20,04 мг/л [Ca2+] или 12,15 мг/л [Mg2+]. 4
Для измерения жесткости воды чаще всего применяют метод титрования. В проекте был использован этот метод.
Для анализа было взято 100 мл. пробы H2O, добавляется 5 мл. аммиачно-буферного раствора, 3 капли хромового темно-синего (0,5% спиртовой р-р). После перемешивания титровали раствором Трилона Б концентрация 0,1 н до перехода цвета с фиолетового до синего. После получения устойчивой синей окраски, снимались показания израсходованного Трилона Б и рассчитывалась жёсткость воды по формуле:
ПОСТРОИТЬ ФОРМУЛУ
4.Уровень ph определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень ph, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении ph ниже 7 раствор является кислым, при значении ph выше 7 – щелочным. Уровень ph выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень ph способствует коррозии различных металлических покрытий. Влияние уровня ph воды мы ощущаем в быту: накипь в чайниках, барабанах стиральных машин, отчасти, ржавчина в водопроводных трубах, неблагоприятные воздействия «сырой» воды на кожу свидетельствуют либо о повышенной кислотности, либо о повышенной щелочности воды. 5
В работе pH было измерено с помощью специального прибора — pH-метра. Он позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому его широко используют. 6
5. Электропроводность воды - это количественная характеристика этого ее свойства, которое определяется наличием заряженных частиц - положительных и отрицательных ионов. К последним относятся химические элементы, входящие в состав следующих органических и неорганических соединений:
Щелочи.
Соли щелочноземельных и других металлов, прежде всего хлориды и сульфиды (сульфаты).
Карбонаты.
В природных водоемах содержится множество растворимых примесей неорганического происхождения. Они и определяют основные физические свойства вода, и в том числе электропроводность. Величина последней находится в прямой зависимости от ряда факторов:
Концентрации заряженных частиц.
Состава и природы ионов.
Температуры жидкости.
Наибольшее влияние на электропроводность воды оказывают соли жесткости.
В нашей стране удельная проводимость и водородный показатель жидкости определяются электрометрическим способом. Для того чтобы точно рассчитать электропроводность воды специалисты пользуются методикой, установленной РД 52.24.495-2005. Действие этого документа распространятся на поверхностные источники водоснабжения и стоки.
Для измерения электропроводности воды применяется откалиброванный кондуктометр с электродами из нержавеющей стали. Для калибровки прибора используется стандартный раствор с показателем не менее 1500 мкСм/см, при этом отклонение от номинала не должно превышать 2%.
В ходе измерений удельной электропроводности воды фиксируется ее температура, а искомая величина определяется при помощи специальных таблиц. В случае если используются приборы с температурной компенсацией, то на экране сразу же появляется истинное значение, что существенно упрощает процесс. 8
В работе электропроводность измерялась кондуктометром.
6.Микробиологический анализ – исследование, определяющее совокупность живых микроскопических организмов, заселяющих образец.
Основная цель – выявление возбудителей заболеваний, поражающих пищеварительный тракт и другие внутренние органы.
Поверхностные (открытые) водоемы
Общее число бактерий Не больше 500 КОЭ в 100 мл
Колиморфные бактерии Не больше 100 КОЭ в 100 мл
Колифаги Не больше 100 БОЭ в 100 мл 7
В работе микробиологическое исследование проходило следующим образом: набранный объем воды (например, 100 мл) пропускали через фильтрационную систему;
Извлечённый из оболочки фильтр, опускали на питательную среду(подложку);
Проводили инкубацию при температуре 37 градусов в течение 1 суток,
дожидаясь начала размножения микроорганизмов;
Полученный образец рассматривали под микроскопом, выявляя возбудитель.
«Обычно для пересчета результатов в колониеобразующие единицы берут чашки, где выросло более 300 колоний. В образцах суммируют количество колоний, разделяя их на количество чашек». 7
В работе результат получился только в одной чашке, поэтому подсчет производился только в ней.
После изучения литературы был сделан вывод, что для ответа на вопросы возможно использовать изученные методы и проанализировать воду из Котлована и Прудов. Полученные данные сравнить с водой из Оки и подземных источников. Возможно, общий анализ сравнения качеств воды позволит ответить на вопросы проекта.
Первый этап – визуальное исследование и взятие проб воды.
Было установлено, что Котлован представляет собой закрытое искусственное озеро диаметром 400 м, с почти круглой формой. Прибрежная линия широкая, растительность скудная. Дно и берег по всему карьеру песочные, без ила и камышей. Вход в озеро пологий. Вода прозрачная и чистая. (см. Приложение 2)
Городские пруды находятся в лесной зоне, два пруда вместе имеют диаметр приблизительно 300 м, берега крутые, засажены прибрежными растениями, почва глинистая. Осенью 22 года было исследовано русло реки, впадающей в пруды и зафиксировано, что несмотря на дождливую осень поток воды достаточно небольшой, вода прозрачная, не имеет запаха.(см. Приложение 3)
Следующий этап – биотестирование.
Биотестирование было проведено с помощью Цериодафний, предоставленные Центром Лабораторного анализа и технических измерений по Центральному Федеральному округу Ступинский отдел. Церидоафнии в количестве 10 штук были посажены в 10 проб воды из Котлована, из прудов и контрольный образец воды благоприятной для их развития – из аквариума. Наблюдение велось первые и вторые сутки, результаты фиксировались. Смертность дафний не наступила ни в одном из образцов. Что свидетельствует о биологической чистоте воды и Котлована и прудов.( см. Приложение 4)
Органолептические показатели по воде из Котлована: вода прозрачная, текст читается легко на высоте 15 см, легкий рыбный запах, цвет отсутствует, осадка не образовалось, вкус нейтральный.
Отсутствие болотного запаха, бурого цвета воды, болотной растительности доказывает то, что Котлован не превратился в болото. В этом году пробы брались в июне, августе и октябре. Несмотря на жаркое лето вода Котлована в августе не зацвела, сохранила чистоту, прозрачность и достаточно прохладную температуру – 21 градус. Такую же температуру показал Котлован и в июне. Что тоже косвенно свидетельствует о наличии мощного родника.
Органолептический анализ воды из прудов: вода достаточно мутная, текст читался только на высоте 6 см. Запах землистый, цвет зеленоватый, невооружённым взглядом видны взвешенные частицы. Пробовать воду на вкус мы не решились.(см. Приложение 5)
Возможно, ухудшение органолептических качеств происходит из-за того, что водоём находится в лесу, в него падают листья деревьев и растительность по берегам намного обширнее и богаче, чем на берегах Котлована. Почва на берегах глинистая, что делает воду мутной. Возможно, органолептические качества ухудшает отфильтрованный мусор из Оки. Возможно, были сливы воды промышленных предприятий.
Химический анализ проб воды из Котлована и Прудов был произведён в лаборатории Ступинского химического завода под руководством опытного инженера-химика Удаловой Ольги Александровны и начальника лаборатории Щербаковой Ларисы Васильевны. Были измерены PH, жесткость и электропроводность воды из данных водоёмов. Те же данные изучены по воде из скважины (подземные источник) и реки Оки.(см. Приложение 6)
Результаты измерений:
|
Водоём |
PH |
электропроводность |
жёсткость |
|
Котлован |
7,7 |
311 |
2.15 |
|
Пруды |
8,1 |
620 |
6,2 |
|
Скважина |
7,17 |
3,55 |
|
|
Ока |
8,2 |
5,7 |
|
|
Нормативы по СанПин |
6-9 |
30- 2000 |
Не более 7 |
Сравнение полученных данных показывает: в прудах вода более щелочная, и намного более жёсткая, что говорит о наличии растворённых солей. Это же подтверждает и завышенный вдвое показатель электропроводности. Так как электрический ток могут проводить растворимые соли каких-либо металлов. Вода из прудов близка по показателям к воде из Оки, что подтверждает версию о заборе воды из реки.
Данные по анализу скважины и Котлована достаточно близки, что подтверждают, что этот водоём питается из подземного источника. Вода в Котловане более мягкая, так как туда попадает дождевая вода и вода тающего снега. Сравнение воды из Котлована с водой из Оки также подтверждает версию о подземном источнике: и PH, и жёсткость очень сильно отличаются.
Расследование истории возникновения Котлована принесло конкретный результат. Химический анализ доказывает, что вода активно поступает из подземных источников.
Следующий этап - микробиологический анализ.
Анализ показал, что количество бактерий в Котловане безопасно для человека, в прудах количество болезнетворных бактерий высокое. Вода в прудах не сильно отличается от воды Оки, что подтверждают показания жесткости и PH.(см. Приложение 7)
Анализ данных интервью, органолептических, химических свойств воды и биотестирования, доказывает, что вода Котлована подпитывается из серьёзного подземного источника, и за счёт большого слоя песчаного дна происходит фильтрование. Микробиологическое исследование показало, что купаться в Котловане можно.
Возможно, в 70-х годах произошли одновременно два события – разлив Оки и перерезание жилы подземного источника. И только одно из событий закрепилось в интернете.
По итогам проекта информация в интернете недостаточно полная и необходимо её расширить.
Расследование по городскому пруду зашло в тупик. Исследование не смогло установить достоверную информацию о том, зачем были вырыты пруды и какую функцию они выполняли. На данный момент никаких сливов воды в пруды не производится. Возможно, сливы реально были в недавнем прошлом, что показывает завышенный показатель по электропроводности воды. Для получения окончательных выводов необходимо продолжить работу по исследованию Городских прудов – пройти по руслу реки, взять интервью у работников водозаборной станции.
Несмотря на хороший результат биотестирования и незначительное превышение норм по СанПину, купаться в городских прудах не рекомендуется, так как вода достаточно щелочная, жёсткая и имеет большое количество болезнетворных бактерий.
На данный момент оба искусственных водоёма выполняют экологически важную функцию для города. Они расположены ближе естественных водоёмов к городскому поселению, поэтому могут изменить микроклимат, помогают людям качественно организовывать отдых и увеличивают биоразнообразие растений и животных. Так в районе водоёмов появились чайки, которые не свойственны нашей лесополосе.
Выводы:
1. Из источников установлена противоречивая информация, которая не соответствует фактам.
2. Анализ воды опроверг многие противоречия.
3. Анализ полученных данных подтвердил гипотезу о том, что Котлован подпитывают мощные подземные источники, а вода в пруды поступает из Оки. В проекте доказано, что вода в Котловане чистая и люди могут там безопасно купаться. Полностью развеять миф о Городских прудах в данном исследовании не получилось из-за недостатка информации. В этом направлении работа будет продолжена. Гулять по берегам безопасно, купаться не рекомендуется.
4. Информация донесена до населения города через сайт школы, выступления на школьной и городской конференциях.
Заключение: Химический, микробиологический, органолептический, биотестирование анализы воды могут быть использованы как доказательства для подтверждения происхождения искусственных водоёмов.
Литература
https://iz.ru/1063498/sergei-gurianov/kliuchevaia-beda-chistota-rodnikovoi-vody-okazalas-mifom
Дафнии. Википедия — свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Дафнии
https://ion-lab.ru/zhestkost-vodyi/
https://shop.christmas-plus.ru/reviews/voda/opredelenie_pokazateley_kachestva_vody_zhyestkosti_obshchey_kaltsiya_i_magniya/
https://www.ecounit.ru/artikle_64.html
https://studfile.net/preview/16406029/
https://o-vode.net/vodosnabzhenie/analiz/vidy-i-metody/mikrobiologicheskij
https://diasel.ru/article/elektroprovodnost-vody/
ПРИЛОЖЕНИЯ.
Приложение 1. Цериодафнии
Приложение 2.Визуальное исследование Котлована.
Приложение 3. Визуальное исследование Городских прудов
Приложение 4. Биотестирование
Приложение 6. Органолептический анализ
Приложение 7. Химический анализ
Приложение 8. Микробиологический анализ.