II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЧВЫ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНОВ Г. БЕЛОВО НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мудриченко М.С. 1

---

1МБОУ СОШ №32

Законнова Л.И. 1

---

1филиал КузГТУ в г. Белово

Работа в формате PDF

244.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 ВВЕДЕНИЕ

Наш город Белово является одним из крупнейших промышленных центров Кузбасса, который находится в самом его центре.

Он, как и вся Кемеровская область, расположен в зоне острого экологического кризиса и занимает второе место по загрязнению после г. Новокузнецка. Среди предприятий-загрязнителей – градообразующие: Беловский цинковый завод, Беловская ГРЭС, ЦОФ «Беловская», угледобывающие предприятия.

На основании исследований института почвоведения и агрохимии г. Новосибирска установлено, что наиболее сильно загрязнены такими тяжелыми металлами как цинк, свинец и кадмий территории, примыкающие к Беловскому цинковому заводу в радиусе до 4 км и центральная часть города.

Тяжелые металлы – это группа химических элементов, которые обладают свойствами металлов и имеют значительную атомную массу более 50 атомных единиц. Эта группа включают в себя более 40 элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

По определению Всемирной организации здравоохранения cреди них наибольшую опасность для здоровья людей представляют ртуть, свинец и кадмий.

По данным д.м.н., профессора Бориса Александровича Ревича, у половины беловских детей содержание в крови свинца превышает 9,9 мкг/дл (микрограмм на децилитр). По этому показателю город Белово находится на втором месте в России.

Узнав все это, я заинтересовался экологической обстановкой в городе, в котором мы живем, а также вопросами, связанными с влиянием тяжёлых металлов на живые организмы. Ведь эти вещества, накапливаясь, от года в год, оказывают вредное воздействие на растения, животных и представляет угрозу для здоровья человека.

Цель работы: Определение способности растений – биоиндикаторов реагировать на загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Перед нами стояли следующие задачи:

- подобрать и изучить литературу по данной теме;

- изучить районирование по параметру содержания тяжелых металлов с использованием экологической карты г. Белово;

- взять пробы почв в выбранных районах своего города;

- выбрать и посадить растение – биоиндикатор, следить за его ростом и развитием;

- определить наличие ионов свинца в растениях;

- провести статистический анализ полученных данных;

- на основе полученных результатов подготовить рекомендации.

Объект исследования: кресс-салат - однолетнее овощное растение.

Гипотеза: почва из разных районов г. Белово по – разному влияет на рост и развитие растений.

Методы и средства исследования:

1) подбор и анализ литературы по выбранной теме; 2) наблюдение и сравнение; 3) лабораторный эксперимент; 4) анализ полученных данных.

Теоретическая и практическая значимость моей работы заключается в том, что полученные в результате исследования данные расширяют знания о влиянии тяжелых металлов на живые организмы, а также могут быть использованы для оценки экологического состояния окружающей среды различных районов моего города.

С результатом моих исследований я хотел бы поделиться с вами.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Изучив и проанализировав литературу, мы выяснили, что загрязнение окружающей среды возрастает с каждым годом.

На все живые организмы нашей планеты негативно воздействует огромное количество химических веществ – продуктов хозяйственной деятельности человека, большая часть которых из года в год накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Они являются сильнейшими по отрицательному действию на живые организмы и наиболее распространенными химическими загрязнителями. Поступление тяжёлых металлов в окружающую среду оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека.

По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы: 1 класс (самый опасный): Cd, Hg, Se, Pb, Zn; 2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr; 3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr [1].

Согласно экологической карте «Суммарное загрязнение тяжелыми металлами почвенного покрова г. Белово», основными загрязнителями почвы в нашем городе как раз таки и являются цинк, свинец, кадмий (относятся к 1 классу опасности) и медь (относятся ко 2 классу опасности).

Чем же опасны для человека тяжелые металлы, присутствующие в нашем городе?

СВИНЕЦ

Как уже было отмечено, свинец по степени негативного воздействия на живые организмы относится к классу высокоопасных веществ. Опасность свинца заключается в его способности накапливаться в организме, а также в его значительной токсичностью. Токсичность – (от греч. toxikon-яд) - способность вещества вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях гибель.

В организм человека большая часть свинца поступает с пищей, а также с водой, при курении, с воздухом, при случайном попадании в пищевод почвы, загрязненной свинцом.

Следует отметить, что в пищевые продукты и продовольственное сырье свинец может попадать из воды, воздуха, почвы, кормов животных по ходу пищевой цепи. Кроме того, имеется возможность прямого загрязнения при производстве готовых изделий. Важно обратить внимание на то, что наиболее высокий уровень содержания свинца отмечается в мороженной и свежей рыбе, желатине, консервах в жестяной таре, пшеничных отрубях, моллюсках и ракообразных. Также высокое содержание свинца определяется в корнеплодах и других продуктах растительного происхождения, которые были выращены на землях вдоль дорог и вблизи промышленных районов.

Комитет экспертов Всемирной организации здравоохранения установил, что допустимый еженедельный прием свинца составляет 3 мг на человека, или около 7 мг/кг массы тела.

При попадании повышенных концентраций свинца в организм могут развиваться острые и хронические отравления (в зависимости от дозы). При остром отравлении возможен смертельный исход. Хроническое отравление развивается при постоянном употреблении свинца даже в незначительных дозах. Свинец накапливается практически во всех тканях и органах (особенно много в ногтях, слизистой оболочке десен, в волосах). Свинец связывает гемоглобин и препятствует поступлению кислорода к тканям, развивается анемия и хроническая недостаточность кислорода.

Достигая определенных концентраций в организме, свинец начинает вызывать отравления и мутации: вызывает обширные изменения в центральной нервной системе, в сердечно - сосудистой системе, нарушает обменные процессы, работу органов пищеварения, поражает головной мозг, печень, почки.

Дети особенно чувствительны даже к низким дозам свинца. У детей избыток свинца приводит к замедлению умственного и физического развития, рахиту, снижению остроты слуха.

Основным показателем воздействия свинца на здоровье детей является уровень его содержания в крови. Результаты ряда крупных международных и национальных проектов подтвердили, что при увеличении концентрации свинца в крови ребенка с 10 до 20 мкг/дл происходит снижение коэффициента умственного развития (IQ).

В г. Белово Кемеровской области (среднее содержание свинца в крови детей 9,9 ± 0,5 мкг/дл) показатель тревожности детей встречается чаще, чем в других городах; болезни нервной системы у детей первого года жизни в этом городе представлены преимущественно энцефалопатиями и судорожным синдромом, а у детей старшего возраста (неврозами).

Расчеты вклада путей поступления в формируемую свинцовую нагрузку для детей, проживающих в городах России, показали преобладающую роль загрязнения продуктов питания: более 85% от общего поступления свинца в организм. Однако данные о загрязнении продуктов питания, используемых в рационе детей в России, весьма противоречивы. Поэтому необходим дополнительный анализ содержания свинца в продуктах питания.

Необходимо очень внимательно следить за содержанием свинца в продуктах питания, чтобы предотвратить отравления свинцом [3].

ЦИНК

Цинк также как и свинец относится к классу высокоопасных химических веществ.

При избыточном поступлении цинка в организм возможны (по экспериментальным данным) токсическое действие на сердце, кровь и др. Цинк может вызывать «цинковую» (литейную) лихорадку.

КАДМИЙ

Кадмий – это тяжелый металл, который получают при выплавке других металлов, таких как медь, цинк или свинец.

В организме человека этот химический элемент накапливается в почках, при его избытке развивается анемия, повышение артериального давления, нарушениям почечной функции, риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, непроизвольные переломы костей (кадмий вымывает кальций из организма), развивается болезнь «итай-итай» - это ис­кривление и деформация костей, сопровождающиеся сильными болями, необычайная хрупкость и лом­кость костей, нарушения функций легких, риск появления злокачественных опухолей – рака.

МЕДЬ

Токсическая доза для человека: более 250 мг. При отравлении медью появляются следующие симптомы: соли меди вызывают расстройство цен­тральной нервной системы (ухудшение памяти, депрессия, бессонница), нарушения функций печени и почек, поражение зубов и слизистой рта, вызывают гастриты, язвенную болезнь желудка. При малых кон­центрациях возможны анемия и заболевания костной ткани. Избыток меди может вызвать желтуху.

1.  

   1. ПУТИ ПОПАДАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВУ

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20 - 30 млрд. т. твёрдых отходов, из них 50 - 60 % органических соединений, а в виде кислотных агентов газового или аэрозольного характера - около 1 млрд. тонн [4].

Пути попадания загрязнений в почву:

1) С атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу, растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками выпадают в почву.

2) Осаждаются в виде пыли. Визуально наблюдать такие загрязнения можно, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи.

3) При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений.

4) Разные вредные химические соединения, в любом состоянии, поглощаются листьями или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти опасные соединения поступают опять-таки в почву [5].

1.3. НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ

Почва играет важную роль барьера на пути проникновения тяжелых металлов в организмы растений, животных и человека. Однако тяжелые металлы, накапливаясь в почве, затрудняют получение экологически безопасной продукции. Роль растений важна как в круговороте химических элементов, так и в поступлении загрязнителей в пищевые цепи, так как известно, что накопление тяжелых металлов в организме человека осуществляется в основном за счет пищи.

Поглощение тяжелых металлов растениями может происходить как через корни, так и через наземные части растений. Корни обладает значительной поглощающей способностью, и поступление тяжелых металлов из почвы в надземную часть может тормозиться за счет этого барьера. Основная часть тяжелых металлов находится в корневой системе.

По органам растений тяжелые металлы распределяются в следующем порядке: корни>стебли>листья>плоды (семена). При загрязнении атмосферы выбросами тяжелых металлов их поглощение происходит через листья, что оказывает значительное воздействие на загрязнение растений.

Основными факторами, влияющими на поступление и накопление в растениях ТМ, являются: элемент и его концентрация в почвенном растворе, характер почвы, вид растения, срок от момента загрязнения.

1.4. БИОИНДИКАЦИЯ

В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями окружающей среды, вызванными деятельностью человека с помощью биоиндикации.

Биоиндикация – это метод оценки состояния окружающей среды с использованием живых организмов.

Естественный химический состав почвы оказывает определенное влияние, на растения, которые впитывают вещества из почвы.

Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений реакция на загрязнение проявляется в виде: изменения окраски листьев; некроза - преждевременного увядания и опадания листьев, гибели проростков, изменения направления роста и ветвления, недоразвитости корневой системы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения. Следовательно, они могут служить живыми индикаторами состояния окружающей среды. Растения как биоиндикаторы могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей, так и для оценки экологической состояния территории. Обнаружив по состоянию растений специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях [6].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения исследований мне понадобилось следующее.

Оборудование: конические колбы; химические стаканы; фарфоровая ступка; воронки; пробирки; пластмассовые лотки; бумажные фильтры.

Реактивы: раствор йодида калия, лимонная и уксусная кислоты, металлический свинец.

Материалы для исследования: дистиллированная вода; пробы почвы; растения - индикаторы.

2.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

1.  
   1.  

      1. ВЫБОР РАСТЕНИЙ – БИОИНДИКАТОРОВ

Для эксперимента был выбран кресс – салат – это однолетнее овощное растение, которое можно выращивать круглый год.

Из литературных источников я узнал, что эта культура обладает чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами. Под действием загрязнителей побеги и корни этого растения подвергаются заметным изменениям в виде искривления побегов, изменение окраски листьев, уменьшение длины и массы корней и т.д.

Кресс-салат как тест – объект удобен еще и тем, что влияние различных факторов можно изучать одновременно на большом количестве растений при небольшой площади рабочего стола. Кроме того, кресс-салат отличается быстрым прорастанием семян и поэтому на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10-15 дней.

2.2.2. ОТБОР ПРОБ ПОЧВЫ

1. Изучив экологическую карту «Суммарное загрязнение тяжелыми металлами почвенного покрова г. Белово», было решено отобрать пробы почвы для проведения исследований в районах города с разным уровнем загрязнения тяжелыми металлами. (Приложение №1).

Так, пробы почвы были отобраны: 1) г. Белово: место непосредственной близости от Цинкового завода – район с очень высоким уровнем загрязнения почвы; 2) п. Старо – Белово (по ул. Пушкина, на приусадебном участке моей бабушки, а также в месте, где жгут различный мусор) – район с высоким уровнем загрязнения; 3). п. Инской – район со средним уровнем загрязнения; 4). п. Бабанаково – район с низким уровнем загрязнения.

Необходимо сказать о том, что для выращивания кресс-салата были использованы разные субстраты: естественный – почва, которую мы отобрали для проведения исследований; подготовленный дополнительно. Осенью мы собирали опавшие листья и сожгли их. Полученный пепел и стал субстратом.

Вы спросите: Почему именно пепел листьев? Каждый год, осенью наблюдая как люди на улицах города, а также на своих приусадебных участках жгут опавшие листья, мусор у меня возникал вопрос: А не вредно ли это, не влияет ли это на почву, растения?

Изучив литературу, интернет ресурсы я узнал, что листья - это природные фильтры воздуха. За весь период своей жизни они накапливают в себе много вредных веществ, в том числе и тяжелые металлы. Сжигая опавшие листья, мы возвращаем в воздух эти вещества, которые оседая, попадают в почву.

Поэтому все пробы почвы были разделены на две части. Одну из частей каждой пробы мы смешали с пеплом от сожженных листьев.

Таким образом, у меня получилось 10 проб почвы для проведения эксперимента: №1 - г. Белово: место непосредственной близости от Цинкового завода; № 2 - г. Белово: место непосредственной близости от Цинкового завода + пепел от сожженных листьев; № 3 - п. Инской; № 4 - п. Инской + пепел; № 5 - п. Старо – Белово; № 6 - п. Старо – Белово + пепел; № 7 - Старо - Белово (где жгут различный мусор); № 8 - п. Старо - Белово (где жгут различный мусор) + пепел; № 9 - п. Бабанаково; № 10 - п. Бабанаково + пепел.

2.2.3. ПОСАДКА И ВЫРАЩИВАНИЕ КРЕСС-САЛАТА

1. Прежде чем непосредственно приступить к эксперименту по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата, партия семян, предназначенных для опытов, была проверена на всхожесть.

Для этого из всех пачек семена кресс-салата были смешаны вместе. Из общей массы я выбрал 50 семян и положил их во влажную хлопчатобумажную тряпочку, чтобы они проросли.

Через день проростки появились у 49 семян. Таким образом, всхожесть семян кресс-салата составила 98%.

2. Затем землю (массой по 2 кг) я разложил в пластмассовые лотки и увлажнил одинаковым количеством отстоянной воды.

3. По 50 семян я посадил в подготовленные лотки, которые были помещены в одинаковые условия.

4. Во время проведения исследования влажность в лотках поддерживалась примерно на одном уровне.

5. В течение 12 дней я наблюдал за ростом и развитием кресс- салата. Результаты, полученные по каждому образцу, я фотографировал, и заносил в таблицу. (Приложение №2).

В ходе исследования были получены следующие результаты:

В 1 день своего исследования я отметил, что посаженные семена прорастали неравномерно: наибольшее количество семян взошло в образцах №1 и №2 (Район Цинкового завода). В пробах №3 (п. Инской) и № 8 (п. Старо-Белово, где жгли мусор + пепел) первые всходы появились на 3 день.

К 5 дню эксперимента появились все проростки. В дальнейшем увеличения их числа не отмечалось (Приложение №3,4).

Как мы видим, процент всхожести составляет от 72 до 98%.

Больше всего побегов взошло в пробе почвы №1 – 49, меньше всего – в пробе № 8 – 36.

На 7 день моего исследования началось увядание побегов во всех пробах, кроме, №1,3,9. (Приложение № 5).

В ходе наблюдений была отмечена закономерность, что в пробах почвы, в которых был добавлен пепел сгоревших листьев, растения росли и развивались хуже, чем в пробах почвы отобранных в том же районе, но без добавления пепла (Приложение №6).

Указанные результаты свидетельствуют о том, что присутствие пепла листьев в почве негативно влияют на рост и развитие растений.

Самые худшие образцы кресс- салата были выращены в пробах № 7 (п. Старо - Белово (в месте, где жгут мусор) и № 8 (п. Старо - Белово (в месте, где жгут мусор + пепел от листьев).

Наиболее лучшие образцы кресс-салата были выращены в пробах почв №3 (п. Инской) и №9 (п. Бабанаково).

В 1 –ой половине наблюдений эти образцы не отличались высокими темпами роста, однако во 2- ой половине – они развивались лучше, по сравнению с другими образцами, которые к этому моменту стали искривляться и увядать.

Увядание растений и послужило сигналом для сбора урожая. Каждое растение аккуратно выдернули с корнем, промыли, просушили, подвергли заморозки.

1.  
   1.  

      1. ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОПЫТА

Теперь, когда у нас имелись все необходимее материалы, можно было приступить к лабораторному опыту.

Цель проведения лабораторного опыта – определение наличия ионов свинца в кресс-салате.

Для этого надо было отработать методику эксперимента.

Прежде всего, нам необходимо было получить эталонный образец качественной реакции по определению ионов свинца. Наличие ионов свинца определяется с помощью иодида калия. Выпадение желтого осадка свидетельствует о содержании ионов свинца. Чтобы провести такую реакцию надо раствор соли свинца смешать с раствором йодида калия.

Для приготовления указанного раствора мы поместиликристаллы йодида калия в пробирку и добавили в неё дистиллированной воды.

Так как нам не удалось найти соли свинца в готовом виде, мы решили приготовить ее самостоятельно.

Из литературных источников выяснили, что самый простой способ получения солей свинца – это взаимодействие металлического свинца с органическими кислотами: лимонной или уксусной кислотой.

На базе химической лаборатории Беловского филиала КузГТУ нами были получены соли свинца: цитрат и ацетат свинца.

Для этого металлический свинец нарезали мелкими кусочками и поместили их в две пробирки. В каждую из пробирок добавили одинаковое количество: в пробирку №1 - 50% раствора лимонной кислоты, получился Цитрат свинца; в пробирку №2 - 50% раствора уксусной кислоты - Ацетат свинца.

После того как методика была отработана можно непосредственно перейти к качественному анализу содержания свинца в кресс-салате.

Для проведения этого химического опыта кресс-салат, выращенный в разных пробах почвы гомогенизировали в керамической ступке – сделали экстракт.

К полученному экстракту добавили по 5 мл дистиллированной воды и профильтровали. Получилось 10 пробирок с фильтратом, которые мы и проверили на наличие ионов свинца.

Для этого во все пробирки добавили приготовленный раствор йодида калия, и сравнил их с эталонным образцом (подготовленным ранее). Результаты проведенного эксперимента занесли в таблицу (Приложение №7).

В результате проведенного качественного анализа ионы свинца были обнаружены в 2 образцах растений, которые были выращены в пробах почвы № 7,8 , отобранных в п. Старо - Белово (в месте, где жгли мусор, бытовые и хозяйственные отходы). При исследовании указанных образцов с помощью йодида калия – выпал легкий желтоватый осадок. Однако интенсивность выпадения осадка в этих пробах очень слабая, Следовательно, в этих пробах ионы свинца присутствуют в незначительном количестве.

В растениях, выращенных в остальных пробах почвы, ионы свинца обнаружены не были.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

По результатам нашей работы были сделаны следующие выводы:

1). Наша гипотеза подтвердилась: почва из разных районов г. Белово по – разному пригодна для выращивания овощных растений.

2). Самой пригодной оказалась почва, отобранная в п. Инском и п. Бабанаково. Растения, выращенные в указанных пробах почвы были самые зеленные, не одно растение в ходе наблюдения не погибло.

3). В результате проведенного качественного анализа - ионы свинца были обнаружены в двух из десяти образцах растений, которые были выращены в пробах почвы № 7,8 , отобранных в п. Старо - Белово (в месте, где жгли различный мусор, бытовые и хозяйственные отходы).

4). В ходе наблюдений была отмечена закономерность, что в пробах почвы, в которых был добавлен пепел сгоревших листьев, растения росли и развивались хуже, чем в пробах почвы отобранных в том же районе, но без добавления пепла.

5). Поэтому жителям нашего города не рекомендуется:

- использовать в качестве удобрения пепел сожженных листьев,

- сжигать на своих приусадебных участках бытовой и хозяйственный мусор, так как это негативно сказывается на росте и развитии растений.

6). Овощные культуры, вегетативный период которых не превышает 12-15 дней, не успевают накопить сколько - нибудь значительное количество свинца, а, следовательно, не опасны для здоровья и могут быть рекомендованы для выращивания.

7). Растения с коротким вегетативным периодом не следует использовать для биоиндикации свинца в почве.

Так как мне хотелось найти простой метод, который поможет выявить в домашних условиях наличие свинца, я буду продолжать работу по подбору оптимального биоиндикатора.

Но это уже другая история, о которой я расскажу в другой раз…

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. http://biofile.ru/bio/22873.html

2. http://biofile.ru/bio/19957.html

3. nvestments.academic.ru/1380/Свинец

4. http://5ballov.qip.ru/referats/preview/13837/1

5. http://odiplom.ru/estestvennye-nauki/zagryaznenie-myshyakom-i-ohrana-pochv

6. http://www.bestreferat.ru/referat-212040.html

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение №1. Карта Суммарное загрязнение тяжелыми металлами почвенного покрова г. Белово (Масштаб 1:200 000).

Приложение №2. Таблица №1. «Рост и развитие кресс-салата».

Приложение №3. Таблица № 2. «Скорость прорастания семян».

Приложение №4. Диаграмма №1. «Скорость прорастания побегов кресс-салата».

Приложение №5. Диаграмма №2. «Увядание побегов кресс-салата».

Приложение №6. Таблица № 3. «Длина побегов кресс-салата».

Приложение №7. Таблица №4. «Результаты качественного анализа по определению ионов свинца PB2+».

23