XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Анализ листьев клёна красного как индикатор загрязнённости мегаполиса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время мы не можем обойтись без современных технологий, которые делают нашу жить лучше и проще. Мы привыкли ездить на машине, пользоваться телефоном и многое другое. Но за всеми этими технологиями стоит негативное воздействие на экосистему города.
В данной работе мы взяли для примера Москву и ближайшее Подмосковье, для того чтобы определить степень влияния негативных факторов на экосистему на примере доступного индикатора загрязнения.
В качестве такого индикатора – объекта для исследования были выбраны листья клена красного, являющегося одним из самых распространенных деревьев в московском регионе[1].
Цели, задачи и гипотеза
Цель: исследование образцов листьев клена красного из разных районов Москвы и ближайшего Подмосковья по нескольким показателям загрязнения, оценка и сравнения состояния экосистемы в этих районах.
Задачи исследования:
1) Отобрать образцы листьев выбранного вида растений из разных локаций.
2) Подготовить образцы для проведения исследования.
3) Выполнить измерения показателей загрязнения.
4) Провести анализ полученных результатов и сделать выводы.
Гипотеза: листья клена красного могут выступать индикатором загрязненности экосистемы.
Выбор объекта исследования
В качестве объекта исследования выбраны листья клена красного, так как это растение является одним из самых распространенных в Москве и Подмосковье. Как отмечают экологи[1] «клен очень популярен в озеленении города, около трети всех столичных деревьев - это разные виды кленов». И эти деревья продолжают использоваться в озеленении города. Так, в [2] отмечается, что «Красный клен … – наиболее распространенные сорта деревьев, которые высадят в районе осенью.»
Другим параметром, по которому выбраны листья клена красного, является их характерная «кленовая» форма листа, приведенная на следующем рисунке согласно [3].
Рисунок 1: Лист клена красного
Такая форма обеспечивает простоту узнавания среди листьев других растений при сборе исходных образцов и снижает вероятность ошибочного сбора для анализа листьев разных видов растений в разных локациях.
Поскольку листья разных видов растений могут по-разному реагировать на один и тот же фактор загрязнения, важно собрать листья растений одного вида, чтобы результаты были сравнимы.
География отбора образцов
Ограничением исследования являлась доступность для работы используемого лабораторного оборудования, трудоемкость подготовки и проведения измерений. С учетом этих факторов количество экспериментов было ограничено пятью.
Выбор распределения был сделан следующим образом:
Три точки в Москве: район с высокой промышленной нагрузкой, жилой район вблизи водоема, район с высокой плотностью жилой застройки и автотранспортной сети,
Две точки – в южной части Подмосковья, близко друг от друга для сравнения.
Всего было взято 5 образцов из следующих районов:
1 – Каширский район;
2 – Нагатино;
3 – Царицыно;
4 – Метрогородок;
5 – Чеховский район.
На рисунке ниже показано расположение районов отбора образцов на карте
Рисунок 2: Районы отбора образцов на карте
Подготовка образцов для исследования
Для проведения экспериментов все образцы листьев были высушены при температуре 105 ºС в течение 2 часов, затем озолены сухим способом.
Каждая проба на каждом шаге эксперимента была пронумерована от 1 до 5 – в соответствии с районом отбора.
Полученный материал из каждого района был разделен на две части:
- первую часть поместили в пробирки Эппендорфа,
- из второй части были приготовлены вытяжки в соляной кислоте и воде.
Пробирки Эппендорфа – конические пробирки, предназначены для хранения, транспортировки и центрифугирования микропроб биологического материала [4].
На следующем рисунке показана подготовка образцов: исходные высушенные листья слева, пробирки Эппендорфа внизу справа, вытяжки вверху справа.
Рисунок 3: Подготовка образцов
Проведение исследований
Определение нитратов
Существенным фактором негативного влияния на человека является загрязнение нитрат-ионами. Многочисленные работы посвящены измерению и оценке негативного влияния нитрат-ионов, например, [5-7].
С учетом важности нитрат-ионов, как фактора загрязнения, в первом эксперименте было определено содержание нитрат-ионов в кислотных вытяжках и кислотность в водных вытяжках.
Результаты были сведены в таблицу и сравнены с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) для зеленых растений, приведенными в [8].
Данные показаны на следующем рисунке.
Рисунок 4: Результаты определения нитратов в пробах
Предельно допустимая концентрация нитратов для зеленых растений – 2000 мг/кг [8]. Таким образом, данные по всем образцам существенно ниже ПДК, что свидетельствует о хорошем состоянии экосистемы по данному показателю.
В тоже время наблюдается существенный разброс значений, полученных в экспериментах для проб из разных районов.
Наибольшее содержание нитратов в образце № 5 можно объяснить тем, что в данном месте используется большое количество минеральных удобрений, рядом нет водоема, следовательно, они не вымываются и остаются в почве, а, значит, аккумулируются в листьях. Далее идет образец № 3 и № 4, потому что нитраты вымывают при помощи поливочных машин и химических средств. Самое низкое содержание нитрат-ионов – в образцах № 1 и № 2, что можно объяснить совместным применением органических и минеральных удобрений, что существенно снижает концентрацию нитратов. При этом интересно заметить, что близость точек №1 и №5 на карте не приводит к сходным значениям измеренного показателя, что обусловлено различием хозяйствования в этих районах.
Определение кислотности
Закисление почв является одной из важных проблем экологии[9], поэтому существенным показателем является кислотность. Была измерена кислотность исследуемых образцов.
Результаты показаны на следующем рисунке.
Рисунок 5: Определение кислотности в пробах
Большая кислотность преобладает в образце № 5, наименьшая в № 2, образцы № 1 и № 3 почти совпадают в образце № 4 кислотность выше среднего. Данное распределение объясняется тем, что на землю попадает разное количество удобрений, а также влияет сам тип почвы в разных районах.
В целом, все значения указывают[10] на нейтральные почвы (pH 6,5-7) и слабокислые почвы. Оба названных вида почв характерны для исследуемых районов.
Определение наличия кальция, магния, олова в образцах
На следующем этапе с помощью микрокристаллохимических реакций было определено наличие таких элементов как кальций, магний и олово.
При взаимодействии исследуемых образцов с реагентами должны были образовываться кристаллы определенной формы, которые идентифицировались с помощью оптического микроскопа.
Кристаллы кальция обладают игольчатым видом, магния – мечевидным, олова – октаэдрическим.
Характерная форма кристаллов приведена на следующем рисунке.
Рисунок 6: Характерная форма кристаллов металлов
Кальций и магний присутствуют во всех образцах, а олово только в образце №2 и №3. Наличие олова можно объяснить деятельностью человека – олово есть в составе вещества для чистки дорог.
Определение наличия тяжелых металлов и мышьяка
Было проведено определение содержания различных тяжелых металлов и мышьяка в листьях.
Результаты приведены на следующем рисунке.
Рисунок 7: Определение тяжелых металлов и мышьяка
Полученные значения сравнивались с фоновыми, определенными для Москвы и Московской области [11]. Видно, что для образцов №1 и №5 показатели в среднем ниже, чем для остальных. Это можно объяснить меньшим уровнем воздействия на окружающую среду со стороны транспорта и хозяйственной деятельности в Подмосковье по сравнению с Москвой.
В образцах 2 и 3 есть превышения по некоторым показателям, что можно объяснить непосредственной близостью к городским транспортным магистралям.
В остальных образцах элементы находятся преимущественно на уровне фона, что является нормой.
Заключение
В работе исследовалось содержание загрязнений в листьях клена красного и была проверена гипотеза, что содержание загрязнений в листьях клена красного может выступать индикатором состояния экосистемы.
Были проведены эксперименты:
- измерение уровня нитратов,
- измерение кислотности,
- определение наличия в образцах кальция, магния и олова
- определения содержания в образцах тяжелых металлов и мышьяка.
В ходе экспериментов удалось измерить численные значения для образцов, отобранных в пяти разных районах, и сравнить их с допустимыми значениями данных показателей.
Численные значения существенно отличаются от образца к образцу, что указывает на разное состояние экосистемы в районах отбора. Это объясняется разной удаленностью от автомагистралей, водоемов, разным количеством поступающих удобрений, интенсивностью хозяйственной деятельности и другими факторами.
Таким образом, показано, что измерение загрязнений листьев клена красного может служить индикатором состояния экосистемы, гипотеза подтверждена.
Обращаясь к деталям проведенных экспериментов, стоит обратить внимание что в образцах не выявлено каких-то значений отклонений, не объяснимых географическим расположением района и хозяйственной деятельностью человека.
В основном в показатели в норме, что свидетельствует о приемлемом состоянии исследуемой экосистемы. Также из показателей следует, что уровень загрязнений в городе несколько выше, чем в Подмосковье.
Список литературы
Газета "На Западе Москвы: Раменки" - новости района Раменки ЗАО Москвы. СМИ управы района и администрации муниципального округа. [Электронный ресурс]. URL: https://ramenki-gazeta.ru/zelenye-legkie-rajona-kakie-derevja-i-kustarniki-vysadjat-v-ramenkax (Дата обращения 08.01.2023)
Информационное агентство ТАСС [Электронный ресурс]. URL: https://tass.ru/moskva/8385101 (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D1%91%D0%BD_%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9 (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://medams.ru/probirki-mikrotsentrifuzhnyye-tipa-eppendorf (Дата обращения 08.01.2023)
Порохова А.А., Севастьянова М.Н. Определение нитрат-ионов во фруктах и овощах, потребляемых населением города Архангельск и Архангельской области. // Бюллетень Северного государственного медицинского университета 2020 № 1 (44) С. 139-141
URL: https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2015/01/30/opredelenie-urovnya-soderzhaniya-nitrat (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/soderzhanie-nitrat-ionov-v-pitievyh-vodah-vostochnokazahstanskoy-oblasti (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://nitratomer-top10.ru/normy/nitraty-v-zeleni (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://www.fao.org/fao-stories/article/ru/c/1126980/ (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://www.promgidroponica.ru/vsjo-o-gidroponike/kislotnost_pochvy#:~:text=%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D1%8B%D0%B5%20%D1%80%D0%9D%204%2D5%2C,%D1%80%D0%9D%206%2C5%2D7. (Дата обращения 08.01.2023)
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/soderzhanie-tyazhyolyh-metallov-i-myshyaka-v-pochvah-selskohozyaystvennogo-naznacheniya (Дата обращения 08.01.2023)