XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Анализ и биотестирование почв на содержание тяжёлых металлов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности человека особое место занимает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Многие тяжелые металлы являются чрезвычайно токсичными даже в минимальных количествах. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии. В отличие от органических веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь перераспределяться между природными средами. Тяжелые металлы - биологически активные металлы. Тяжелые металлы относятся к загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Термин "тяжелые металлы", характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в настоящее время значительное распространение. Пристальное внимание тяжелым металлам в окружающей среде стало уделяться, когда выяснилось, что они могут вызывать тяжелые заболевания. [1]
К тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn,Hg, Pb, Bi и др. В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Концентрация всех необходимых для жизни элементов в живом организме находится под строгим контролем комплекса физиологических процессов, называемого гомеостазом. Процесс поступления и выведения токсичных элементов также в определенной степени контролируется организмом, при этом буферная емкость защитных систем организма ограничена.
Гипотеза: содержание ионов тяжелых металлов, служат причиной угнетения роста растений.
Цели исследовательской работы:
1.Определить содержание тяжелых металлов в почве по степени удаленности от промышленной зоны.
2.Проследить влияние тяжелых металлов на рост и развитие растений (на примере фасоли).
Задачи исследовательской работы:
Провести качественное определение химических элементов в почве;
Определить содержание тяжелых металлов в почве методом
химического анализа.
Пронаблюдать за изменением роста фасоли (биоиндикатора) в течение 20 дней.
Объект исследования: почвогрунт, взятый на 7 биоценозах.
Предмет исследования: содержание тяжелых металлов
Пути решения данных задач:
Исследования проб почвы были проведены в течение года и в исследуемые пробы почвы были посажены зерна фасоли, рост которых наблюдался в течение 20 дней.
Этапы исследовательской работы:
1.Качественное и количественное определение тяжелых металлов в почве.
2. Определение тяжелых металлов в почве методами химического анализа.
3.Изучение влияния ионов тяжелых металлов на рост и развитие растений.
4.Формулирование выводов и составление рекомендаций.
Районы исследования:
Промышленная зона возле ворот:
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
2) 1 метр от промышленной зоны:
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
3) 2 метра от промышленной зоны:
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
4) Гора кладбища (10 метров от промзоны):
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
5) 1 метр от дороги (возле кладбища):
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
6) 2 метра от дороги (возле кладбища):
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
7) Улица Киевская (100 метров от промышленной зоны) 1 метр от дороги:
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
8) Центр поселка (улица Таежная):
А) глубина 25 см Б) глубина 50 см В) поверхность.
1.1. Состав и свойства почвы.
Почва — «зеркало» ландшафта. Она неразрывно связана с окружающими ее природными условиями — факторами почвообразования. Достаточно одному из этих факторов измениться, как соответствующим образом изменится и почва.
1.2. Химический состав почвы.
Химический состав минеральной части почвы определяется составом почвообразующих пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т.д. В состав минеральной части почвы входят Si, Al, Fe, K, N, Mg, Ca, P, S и некоторые микроэлементы Cu, Mo, I, B, F, Pb и другие. На основных породах почва более богата Al, Fe, щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава Si. В засоленных почвах преобладают кальций, магний, натрий, хлориды и сульфаты.
В гумусе содержится углерод, водород, кислород, азот, определенное количество фосфора, кальция, серы и других химических элементов, в том числе и редких.
Химический состав почвы может включать тяжелые металлы - это группы металлов, включающие Cu, Ni, Co, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg. Тяжелые металлы применяют как в элементарном состоянии, так и в виде разнообразных сплавов с другими металлами.
1.3.Химическое загрязнение почв может быть вызвано следующими причинами:
атмосферным переносом загрязняющих веществ (тяжелые металлы,
кислые дожди, фтор, мышьяк, пестициды);
сельскохозяйственным загрязнением (удобрения, пестициды);
наземным загрязнением - отвалы крупнотоннажных производств,
отвалы топливно-энергетических комплексов;
4) загрязнением нефтью и нефтепродуктами;
Тяжелые металлы поступают в почву преимущественно из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - выхлопными газами автомобилей. Наиболее типичные тяжелые металлы - свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден, никель, кобальт, олово, титан, медь, ванадий. Из атмосферы в почву тяжелые металлы «опадают» чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов.
По степени экологической опасности химические вещества, попадающие в почву различными путями, делят на 3 класса:
1- кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, мышьяк, селен, бенз(а)пирен;
2- кобальт, молибден, бор, медь, никель, сурьма;
3 - ацетофенон, вольфрам, марганец, ванадий, стронций.
1.4. Состав и свойства фасоли.
Фасоль является одним из древнейших культурных растений.
В семенах фасоли содержится до 25% белка, который по своей пищевой ценности превосходит многие сорта мяса. К тому же, белок фасоли усваивается на 70-80 %. Богата фасоль и минеральными веществами: калием, магнием, железом.
Наличие в плодах фасоли витаминов В2 и В6, витаминов С, Е и РР, незаменимых аминокислот, делают ее очень полезным продуктом для тех, кому за 40. Фасоль, особенно богата серой, которая необходима при кишечных инфекциях, ревматизме, кожных заболеваниях, болезни бронхов. В составе фасоли много железа. Наличие железа способствует образованию
эритроцитов, притоку кислорода к клеткам, повышает сопротивляемость организма к инфекциям. Фасоль обладает многими полезными качествами и лечебными свойствами. Издавна эти свойства фасоли используют для лечения многих заболеваний. Это самый необходимый продукт питания в рационе больных сахарным диабетом. Употребление фасоли в пищу снижает содержание сахара в крови. Активные компоненты фасоли оказывают благоприятное воздействие на сердечнососудистую систему. Включать в рацион блюда из фасоли, рекомендуется при гипертонии и атеросклерозе. Рекомендуется употребление фасоли при нарушении ритма сердечной деятельности. Входящий в состав фасоли цинк, нормализует углеводный обмен в организме. Медь, активизирует выработку (синтез) адреналина и гемоглобина. Если разнообразить свой рацион питания блюдами из фасоли, можно избавиться от лишнего веса, не прибегая к бессмысленным экспериментам с диетами и медикаментами. Этот эффект достигается благодаря лечебному воздействию фасолевых блюд на наше пищеварение, что, в свою очередь, нормализует обмен веществ.
Фасоль благотворно действует на мочеполовую функцию и способствует улучшению потенции. Фасоль обладает очищающим эффектом и способствует растворению камней в почках.
1.5. Биологическая индикация и биоиндикаторы.
В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами. Система этих наблюдений и прогнозов составляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется и используется достаточно эффективный и недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды. Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, раннее опадание листвы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды, составной частью которого является биологический мониторинг. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки качественного состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях.
1.6. Фасоль как биоиндикатор тяжелых металлов.
В научной литературе фасоль названа лучшим биоиндикатором на тяжелые металлы, так как она очень чувствительно реагирует на высокое содержание тяжелых металлов в почве. Основным тестом является рост растений.
«Анализ и биотестирование почв на содержание тяжелых металлов»
Автор Геюшова Амалия Джабир кызы, Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Ханты-Мансийского района п. Горноправдинск, 8 класс
План исследования
Описание работы:
Экспериментальный этап №1.
Тема:Качественное определение ионов тяжелых металлов в почве.
Цель:Провести качественные реакции на ионы: Pb2+, Fe3+,Cr2O72-, Cu2+, Mn2
Определение химического состава почвы чаще всего начинают с анализа водной почвенной вытяжки, так как хорошо растворимые соединения почвы в первую очередь поглощаются растениями. Избыточные количества растворимых солей (более 0,2 % от массы сухой почвы) создают повышенную концентрацию ионов в почвенном растворе, а это снижает плодородие почвы и ее экологическое состояние.
Этапы работы:
- подготовка почвы к анализу;
- подготовка водной вытяжки;
- качественное определение химических элементов в почве.
Подготовка почвы к анализу состоит в измельчении материала, удалении
посторонних примесей, просеивании через сито с диаметром отверстий 1
мм м сокращении до небольшой массы. Для сокращения пробы пользуются
разными методами. Один из них - метод квартования. Измельченный
материал тщательно перемешиваем, рассыпаем ровным тонким слоем в
виде квадрата или круга, делим на четыре сектора. Содержимое двух
противоположных секторов отбрасываем, а двух остальных соединяем
вместе.
Водную почвенную вытяжку используют чаще всего для определения
водорастворимых соединений, а также для определения актуальной
кислотности почвы.
Для её приготовления 20 г воздушно – сухой просеянной почвы помещаем в колбу на 100мл, добавляем 50 мл дистиллированной воды, взбалтываем в течение 5 - 10 мин и фильтруем.
1.1. Определение кислотности почвы
Для нормального роста и развития сельскохозяйственные растения требуют определенного уровня кислотности почвы, который зависит от природных факторов, а также от внесенных удобрений. Большая часть растений хорошо растет и развивается на щелочных, нейтральных и слабокислых почвах. Если почва кислая, она требует известкования (внесения в нее известняка или золы). Существует несколько способов определения кислотности почвы. (Самый простой и быстрый)
Определение кислотности с помощью индикаторной бумаги.
Оборудование и реактивы: стакан химический (50 мл) или чашка фарфоровая, палочка стеклянная с рези новым наконечником, ложка-дозатор (шпатель), мерный цилиндр (10 мл) или мерная пробирка, почва (в банке, стакане), 10%-ный раствор хлорида калия, универсальная индикаторная бумага со шкалой значений РН.
Ход работы
1. Приготовьте почвенную вытяжку:
— в стакан (чашку фарфоровую) поместите 2—3 см3 почвы;
— прилейте 10 мл раствора хлорида калия;
— содержимое хорошо перемешайте стеклянной палочкой с резиновым наконечником и дайте отстояться.
2. Определите значения рН:
— возьмите полоску индикаторной бумаги и опустите в вытяжку;
— выньте индикаторную бумагу через 1—2 с;
— сравните полученную окраску бумаги со шкалой значений рН;
— определите тип образца почвы (кислая, щелочная, нейтральная).
При значениях рН: от 1 до 5 — почва кислая; от 5,5 до 6,5 — слабокислая; от 6,5 до 7 — нейтральная; от 7 до 8 — слабощелочная; выше 8 — щелочная.
1.2. Качественное и количественное определение катионов
1.2.1. Обнаружение ионов свинца.
Цель: Опытным путем определить концентрацию свинца в исследуемой воде.
Реагенты: спирт, сернистый натрий
Ход работы:
Берутся образцы почвенной вытяжки в исследуемых районах
Пробы поместить в разные пробирки. Объем разных проб должен быть одинаков.
Добавить во все пробы строго одинаковое количество спирта и воды (водки). Затем некоторое время полученный раствор упаривать.
Добавить к раствору Na2S (сернистый натрий).
В результате в растворе выпадет черный осадок, что будет свидетельствовать о наличии свинца.
1.2.2. Обнаружение ионов железа.
Предельно допустимая концентрация общего железа в воде водоемов и
питьевой воде 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности
органолептический.
Общее железо.
В пробирку помещают 10 мл исследуемой воды, прибавляют 1 каплю
концентрированной азотной кислоты, несколько капель раствора пероксида
водорода и примерно 0,5 мл раствора роданида калия (20 гКCNS растворить в дистиллированной воде и довести до 100 мл);. При содержании железа 0,1 мг/л появляется бледно-розовое окрашивание, более 2,0 мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком - более 10 мг/л окрашивание становится красным:
Fe3+ + 3CNS~ = Fe(CNS)3.(красный)
Условия проведения реакции
рН < 3,0.
Температура комнатная.
3.Действием пероксида водорода ионы Fe(II) окисляют до Fe(III).
Железо (II).
Гексацианоферрат (III) калия , в кислой среде (рН ~ 3) образует с катионом Fe~ осадок турнбулевой сини темно-синего цвета:
К 1 мл исследуемой воды добавить 2-3капли раствора серной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.
Железо (III).
1.Гексацианоферрат (II) калия в слабокислой среде с катионом
Fe образует темно-синий осадок берлинской лазури:
К 1 мл исследуемой воды прибавить 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2
капли раствора реактива.
2.Роданид калия KSCN образуют в кислой среде с роданиды железа, окрашенные в кроваво-красный цвет. В зависимости от концентрации роданид-иона могут образовываться комплексы различного состава:
Fe3++SCM
Fe3++SCM
К 1 мл исследуемой воды прибавить 2-3 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.
1.2.3. Обнаружение ионов меди.
ПДК меди в воде 0,1 мг/л, лимитирующий показатель вредности органолептический.
Качественное обнаружение
Первый способ.
В фарфоровую чашку поместить 3-5 мл исследуемой воды, осторожно выпарить досуха и на периферийную часть пятна нанести каплю концентрированного раствора аммиака. Появление интенсивно синей или фиолетовой окраски свидетельствуете присутствииCu+:
Второй способ.
5-10 мл исследуемой воды встряхнуть в цилиндре с небольшим количеством (10-20 мг) адсорбента - фторида кальция или талька. Ионы меди (11), находящиеся в воде, адсорбируются на его поверхности. Осадок отделить, осторожно слив воду, поместить на часовое стекло или в углубление на фарфоровой пластинке. Рядом для сравнения нанести каплю дистиллированной воды («холостой опыт»). К испытуемому осадку и воде одновременно прибавить по капле раствора хлорида железа (III) и по капле 0,2 М раствора тиосульфата натрия, перемешать стеклянной палочкой и сравнить скорость обесцвечивания обеих проб.
В «холостом опыте» наблюдается медленное обесцвечивание интенсивно окрашенного в фиолетовый цвет комплексного аниона в присутствии же ионов меди, играющих роль катализатора, фиолетовый раствор обесцвечивается моментально. Результаты работы показали, что водной вытяжке почвы содержатся ионы металлов.
1.2.4. Выращивание 2 сортов фасоли (сорта красная и белая) на взятой с разных исследуемых участках почвы.
Заключение: в почвенных вытяжках всех шурфов почвы обнаружены все типы тяжелых металлов: железо, медь, свинец и содержание их достаточно высокое (глубина 25 и 50 сантиметров), по степени удаления от промышленной зоны проведенные исследования происходит снижение содержания тяжелых металлов. Фасоль лучший биоиндикатор на тяжелые металлы, она очень чувствительно реагирует на высокое содержание тяжелых металлов в почве. Основным тестом является проращивание семян, рост растений, развитие корневой системы.
Выводы:
1. На территории поселка было заложено 8 почвенных шурфов для исследовательской работы.
В шурфах с первого по шестой наблюдается сильная антропогенная нагрузка в результате вытаптывания растительного покрова. Почва сильно уплотнена, нарушена ее структура. Почва относится к антропогенным глубоко преобразованным почвогрунтам. РН почвенной вытяжки первого – третьего шурфов – от 6 (средне кислая) до 7 (среда щелочная), причем следует отметить, что с глубиной кислотность снижается, более подвержены загрязнению верхние слои до глубины 50 см. У остальных пяти шурфов среда варьирует от кислой до слабо кислой, исключение составляет седьмой шурф среда его при зонировании почвы на глубине 50 см – щелочная.
2. В ходе проведения химического анализа установили, наибольшее антропогенное влияние прослеживается на территории, расположенной на расстоянии 10 метров от промышленной зоны (гора кладбища – шурфы 4,5,6) в почвенной вытяжке обнаружены все типы тяжелых металлов: железо, медь, свинец и содержание их достаточно высокое (глубина 25 и 50 сантиметров), по степени удаления от промышленной зоны проведенные исследования показали снижение содержания тяжелых металлов в остальных шурфах, объяснение этому отсутствие пром. предприятий.
3. По степени экологической опасности можно выделить три территории по содержанию тяжелых металлов:
1- особо опасная: территория кладбища (содержится в больших количествах свинец)
2 – менее опасная: промзона (содержится свинец, медь)
3 – не опасная: территория улицы Киевской (содержится железо)
В местах проведенных исследований нельзя собирать дикоросы и употреблять в пищу, так как накопленные элементы, попав в круговорот веществ могут вызвать нарушение здоровья у человека.
Анализ диаграмм 9, 10 показал, что ионы тяжелых металлов влияют на рост и развитие растений (на примере фасоли), лучше всего растет и развиваются виды фасоли на участках, где повышенное содержание ионов тяжелых металлов: Промзона возле ворот, территория кладбища, улица Киевская, объяснение этому то, что железо, медь являются необходимыми элементами для всех высших растений. Микроэлементы — железо, медь способны менять свою валентность, поэтому они занимают центральное положение в регулировании окислительно-восстановительных реакций биохимических процессов не только дыхания, но и таких фундаментальных, как фотосинтез и усвоение молекулярного азота у растений. В присутствии железа в почве происходит процесс накопления меди в хлоропластах и ионы меди необходимы для синтеза железопорфириновых комплексов. Возможно, не случайно для образования в организме хлорофилла — веществ, очень близких по своему, составу и своему большому значению в живой природе, — требуются и железо и медь. Свинец не оказывает влияние на бобовые, так как они более устойчивы к его избытку.
Закономерности раздельного и комбинированного действия меди, свинца и железа на растительные объекты могут быть использованы при решении проблем охраны окружающей среды и разработке методов биотестирования, а также селекции устойчивых к токсичным металлам сортов культурных растений.
Фитотоксическое проявление действия ионов металлов группы железа на рост и развитие фасоли обыкновенной по показателям их морфофизиологического развития зависит от концентрации ионов металлов в диапазоне доз от 1 до 100 ПДК.
Лучше развивается фасоль обыкновенная красная, чем белая. Белая фасоль – «альбинос», это рецессивная мутация, она менее жизнестойкая.
Список использованной литературы
1.Д.П. Никитин, Ю.В. Новиков «Окружающая среда и человек», издательство «Высшая школа», 2000 г.
2.А.И. Воронцов, Н.Г. Николаевская «Вопросы экологии и охраны окружающей среды», Москва, 2005 г.
3.А.И. Воронцов, Е.А. Щетинский, И.Д. Никодимов «Охрана природы», Москва ВО «АГРОПРОМИЗДАТ», 1989 г.
4.В.Ф. Протасов «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России»
5.Ю. Одум «Экология» в 2-х томах
6.Ю. Одум «Основы экологии»
7.Г.В. Добровольский «Почва. Город. Экология», Москва, 1997 г.
8.М.Бигон, Дж. Харпер, К.Таунсенд «Экология особи популяции и сообщества» в 2-х томах, Изд-во «Мир», 2009
9.Г.В. Стадницкий «Экология», Санкт-Петербург Химиздат, 2005 г.
10.Т.А.Демина «Экология, природопользование, охрана окружающей среды», Изд-во Аспект-пресс Москва, 2005 г.
11.А.А.Голуб, Е.Б.Струкова «Экономика природопользования», Изд-во Аспект-пресс Москва, 1995 г.
Приложение I
Диаграмма 1. Кислотная среда почвы (pH)по степени удаленности от промышленной зоны.
Диаграмма 2. Содержание в почве общего железа (мг/см2) в районах, удаленных от промышленной зоны.
Диаграмма 3. Содержание в почве Fe (III) (мг/см2) в районах, удаленных от промышленной зоны.
Диаграмма 4. Содержание в почве Fe (II) (мг/см2) в районах, удаленных от промышленной зоны.
Диаграмма 5.Содержание в почве Cu (II) (мг/см2) в районах, удаленных от промышленной зоны.
Диаграмма 6. Содержание в почве Pb (II) (мг/см3) в районах, удаленных от промышленной зоны.
Экспериментальное наблюдение за ростом и развитием биоиндикатора фасоли (мл).
Диаграмма 7. Влияние ионов тяжелых металлов на рост и развитие фасоли обыкновенной (красной).
Диаграмма 8.Влияние ионов тяжелых металлов на рост и развитие фасоли обыкновенной (белой).