XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Комплексный анализ почв Краснотурьинска

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Медведева П.С. 1

---

1МАОУ "ООШ №28"

Полевая И.И. 1

---

1МАОУ "ООШ №28"

Работа в формате PDF

389.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Приняв во внимание все вышеуказанные закономерности, предполагаю (гипотеза), что комплексный анализ почв, проведённый на основе биоиндикации, биотестирования и химического изучения их свойств, даст возможность определить степень антропогенной нагрузки и уровень загрязнения наиболее точно.

Цель: провести исследования состояния почв городских территорий с использованием комплексного подхода, включая биоиндикацию, биотестирование и элементы химического анализа.

Для достижения цели необходимо выполнение задач:

1. Проанализировать литературные источники и подобрать методики для проведения исследования.

2. Провести биоиндикационные исследования состояния почв городских территорий на основе частоты встречаемости фенов белого клевера

3. Модернизировать установку определения каталазной активности по методу Варбурга с учётом возможности школьной лаборатории и проанализировать почвы, используемые для выращивания культурных растений (культурозёмов) в черте города.

4. Определить водородный показатель культурозёмов.

5. Сравнить результаты исследования почв, проведённых на основе различных методик, и сделать выводы.

Методы исследования: маршрутный метод, метод биоиндикации (методика Ашихминой Т.Я. «Индикация состояния окружающей среды по частотам встречаемости фенов белого клевера»), статистический метод (цифровой анализ полученных данных), метод биотестирования (методика определения каталазной активности почв по Варбургу), метод качественного анализа (индикаторная оценка кислотности почв), сравнительный метод (сопоставление результатов), аналитический (анализ и формулировка выводов)

Объект исследования: почвы городских территорий. Предмет исследования: показатели, определяющие степень загрязнения почв (частота встречаемости фенотипов белого клевера, каталазная активность почв, рН почвенной вытяжки).

Обзор литературных источников

Почва представляет собой совокупность горизонтов, различающихся физическими свойствами, окраской и общим обликом. Зная тип строения и сочетания горизонтов почвенного профиля, можно по внешним морфологическим признакам установить тип почвы и её важнейшие свойства [2].

Анализ состояния почвы можно провести с использованием метода биоиндикации. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов — биоиндикаторов. В основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования и поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге [1].

Одним из рекомендуемых разными авторами объектов для биоиндиккационных исследований состояния почв является клевер белый Trifolium repens L. Выбор объекта исследования был обусловлен тем, что клевер ползучий, являясь синантропом, удовлетворяет многим требованиям к идеальному биологическому индикатору [4].

К левер ползучий Trifolium repens L. – многолетнее растение со стержневой, сильно разветвленной корневой системой, укороченным главным стеблем и боковыми стелющимися и укореняющимися побегами. (рис. 1) Это светолюбивое растение, которое при благоприятных условиях быстро разрастается и образует сомкнутый покров, вытесняя из травостоя злаки и разнотравье [5].

Характерной особенностью Trifolium repens L. является то, что он очень хорошо адаптируется к широкому диапазону абиотических условий, устойчив к вытаптыванию.

В качестве фенотипического биоиндикатора при исследовании состояния окружающей среды используют форму седого рисунка на пластинках листьев белого клевера и других его видов. Отмечается, что на экологически напряженной территории под воздействием антропогенных факторов, мутационный процесс и естественный отбор, приводят к расширению набора фенов, увеличению частоты их встречаемости. Таким образом, частота встречаемости растений с различным рисунком на листьях является биологическим индикатором загрязнения [1].

Биотестирование, как правило, используют до химического анализа, т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить "горячие точки", указывающие на наиболее загрязненные участки акватории (территории, полигона). На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления. [6]

Каталаза является очень чувствительным ферментом к изменению внешних условий: температуры, кислотности и др.[8]

Активность каталазы в почве в большей степени зависит от воздушного режима, гранулометрического состава почв, окислительно-восстановительного потенциала. Изменение свойств почв в результате антропогенных воздействий оказывает влияние на активность каталазы, изменение которой можно обнаружить предлагаемым газометрическим методом, широко распространенным в почвоведении. Чем выше каталазная активность почвы, тем она продуктивнее, а значит, менее загрязнена.[9]

Повышенная кислотность отрицательно сказывается на росте и развитии ряда растений. Это происходит из-за появления в кислых почвах вредных для растений веществ, например, растворимого алюминия Al³⁺ или избытка марганца Mn²⁺. Они нарушают углеводный и белковый обмен в растениях, задерживают образование генеративных органов и приводят к нарушению семенного размножения, а иногда вызывают гибель растений.

В лабораторных условиях кислотность почв можно определить универсальной индикаторной бумагой, набором Алямовского, pH-метром, а в полевых условиях растениями-индикаторами.

pH может служить индикатором загрязнения почв. Урбозёмы придорожных секторов, находящиеся под влиянием выхлопных газов имеют водородный показатель в кислотном спектре 4 – 4,5. Это снижает почвенное плодородие и урожайность многих культур. Поэтому знание о показателях pH почв имеет важное практическое значение.

1. Основная часть

1.1 Участки исследования

Для оценки экологического состояния почв были выбраны территории города Краснотурьинска, 5 территорий в черте города, расположенных вблизи автодорог, испытывающих антропогенную нагрузку, не используемых для посадки и выращивания культурных растений (урбозёмы), 3 территории садово-огородных участков, один - учебный (возле территории школы (пришкольный участок школы №28)) и 1 территория за городом, которая является естественным природным биоценозом

1.2.1 Методика биоиндикации загрязнения почв

Для биоиндикации загрязнения почв с использованием растений рода клевер применены метод маршрутно-поисковый и экологический.

Методика Т.Я. Ашихминой основана на выделении «седого» пятна на листьях клевера белого, форма которого, и частота встречаемости разных фенов могут сильно варьировать (рисунок 2).

На выбранных территориях были исследованы пробные площадки и по заданному направлению, через два шага, обследовались куртинки растений, в которых отмечались фены листьев. Регистрировался только один фен в каждой точке движения. На каждой площадке отбиралось и обследовалось не менее 200 экземпляров

Для популяции белого клевера на каждой пробной площадке рассчитываются частоты встречаемости отдельных фенов Рi, а также суммарная частота встречаемости всех форм с рисунком (индекс соотношения фенов ИСФ) в процентах:

Pi=100 x Hi / N, (формула 1),

ИСФ=100 х (п2 + п3...) /N, (формула 2),

где Pj — частота i-ro фена, Hi — количество учтенных растений с i-м рисунком на листовой пластинке, ni — число растений без «седого рисунка», N — общее число учтенных растений.

По значениям ИСФ определяли степень загрязнения почв.

- до 2-30% - очень чистые,

-31-40% – удовлетворительное состояние,

-41- 60 % - средняя степень загрязнения,

-61 – 80% - сильное загрязнение,

-81 – 100% – очень сильное загрязнение.

1.2.2 Результаты биоиндикации

Полученные результаты обрабатываются статистически.

Участок 1 контрольный (лесной массив)

Из 202 куртинок растений, анализируемых на территории было обнаружено только 2 с седым рисунком, представляющих собой фенотип №2.

Таблица 1

Сводная таблица соотношений фенотипов на участках возле городских улиц.

Диаграмма 3

1.2.3 Выводы

1. Проведённый фенотипический анализ признака «седой» рисунок на листе белого клевера в популяциях, произрастающих в различных территориях г. Краснотурьинска, подверженных разной степени антропогенного воздействия показал, что на разных участках популяции Trifolium repens, обладают значительной частотой встречаемостью мутантных образцов, выраженных наличием различных по форме, размеру и интенсивностью окраски «седых» пятен на листовых пластинах.

Всего обнаружено 9 фенотипов Trifolium repens, что свидетельствует о различной степени полиморфизма у растений. На участках № 1, № 2 №3 преобладающим фенотипом является фенотип 1(лист без белого рисунка). Там состояние почв удовлетворительное. ИСФ ДО 41%. Участки №4 и 5

характеризуются преобладанием особей с фенотипами разнообразных видов седого рисунка. Из них самое большое количество представителей с фенотипом ИСФ – до 61% - средняя степень загрязнения

2. На урбазёмах (почвах городской среды), расположенных вдоль дорог только на 10 участке (нижняя часть улицы Октябрьская) доля растений без седого рисунка больше мутантных. На остальных наоборот, что указывает на загрязнение различной степени. Самые загрязнённые участки №6 (угол улицы Карпинского-Октябрьская) и участок №8 (ул. Рюмина) – значение ИСФ – 61%

1. 3. Определение каталазной активности, как один из способов биотестирования почвы

1.3.1 Сбор и подготовка материала к исследованию

Материал для данной исследовательской работы был собран в сентябре 2022 года. Так как каталазная активность почв достигает своего максимума именно в этот период года. Объектом исследования являются образцы почв, отобранные на участках 1-5 (контрольный, учебный и культурозёмы) для соотнесения результатов 2 методов биоиндикации и химического анализа.

1. Лопаткой отобрать почву по 50-100 г в точках участка методом конверта. Почву отбирают с глубины 0–20см; на территориях, занятых лесом - из лесной подстилки- с глубины 0-30см.

2. Поместить пробы в пакеты, каждый пакет герметично завязать. На этикетки записывается номер образца и точка его отбора.

3. Поместить пробы на поддон ровным слоем. Перемешать пробы лопаткой. Отобрать инородные включения в почве (камни, корни, древесину, остатки организмов, мусор и др.), просеять почву.

1.3.2 Методика и выполнение эксперимента

Реактивы и оборудование: 1) СaCO₃ (мел, растертый в ступке), 2) 3% раствор перекиси водорода (Н₂О₂); 3) 5% раствор серной кислоты (Н₂SO₄), 4) прибор для определения активности каталазы (рис.), 5) секундомер.

Ход работы

Заполняют колбу водой и с помощью штатива устанавливают уровень воды напротив нулевой отметки наградуированной бюретке. Зажим Мора на выпускной трубке плотно закрывают. Заполняют каталазник следующим образом: одну часть каталазника наполняют почвой в количестве 1 гсмешанной с 0,5 г мела, вторую часть каталазника помещают 3% раствор Н₂О₂ в объеме 5 мл. Соединяют каталазник с прибором, плотно закрывая резиновой пробкой со шлангом.

Для запуска ферментативной реакции расщепления перекиси каталазник переворачивают таким образом, чтобы перекись смешать с почвой, одновременно включают секундомер. Через пять минут определяют объем выделившегося кислорода по уровню воды в градуированной бюретке.

 Результаты: активность каталазы выражают в мл O₂ выделившихся за 1 мин на 1 г почвы.

Газометрический метод Варбурга нами был осуществлён с преобразованием установки (ввиду отсутствия отдельных видов оборудования, был использован школьный прибор для получения газов, вместо бюретки в установку была включена мерная пробирка). Эксперимент проводили с использованием 3-ёх повторностей.[10]

Степень обогащения почв ферментами каталазы по

шкале Д.Г.Звягинцева (1978 г.) Таблица 7.

1.3.3 Результаты исследования и обсуждение

Данные результатов исследования внесли в таблицу 8.

Степень каталазной активности почв

Таблица 8

1. Почвы большинства участков 60% имеют среднюю каталазную активность.

2. Контрольный участок на первый взгляд имеет каталазную активность ниже ожидаемой, но для подзолистых почв это обычный показатель

3. Участок №2 также выпадает из логики результатов, полученных биоиндикационным методом. Но каталазная активность связана также с вытаптыванием территории, а здесь она достаточно высока.

4. Все остальные показатели связаны с различной степенью антропогенной нагруки, подтверждают предыдущие исследования.

1.4 Химический анализ почв

1.4.1 Получение почвенной вытяжки

Почвенная вытяжка готовится из просеянной высушенной почвы.

1. На весах взвешиваем 10 г почвы

2. Мензуркой отмеряем 50 мл отстоенной или дистиллированной воды

3. Смешиваем в течение 3-5 минут и даём постоять 24 часа, закрываем пробкой

4. Сливаем вытяжку в отдельную колбу перед анализом фильтруем.

1.4.2 Определение рН почвенной вытяжки

С помощью индикаторной бумаги определяем кислотность почв

Кислотность почвенной вытяжки образцов различных участков

Таблица 9

Таким образом, по результатам исследования кислотности почвенных образцов мы видим, что кислотность в большей степени наблюдается в пробах придорожного ландшафта.

Заключение

1. Исследования состояния почв городских территорий на основе частоты встречаемости фенов белого клевера показали:

А) почвы городских ландшафтов (урбозёмы) наиболее загрязнены вблизи автодорог с наибольшей транспортной нагрузкой, в зоне влияния БАЗ РУСАЛ и на перекрёсктах или вблизи перекрёстков улиц (участок №6 – угол улиц Карпинского-Октябрьская), (участок №8 улица Рюмина вблизи поворота на ул Краснотурьинскую). Индекс соотношения фенотипов на этих территориях– 61%. Этот показатель находится на границе сильного и среднего загрязнения почв. Наиболее часто из мутантных фенотипов встречаются 2 и 6. Остальные территории показали среднюю степень загрязнения (участки улиц Краснотурьинская (ИСФ – 45%) и Карпинского (ИСФ – 57%) . Наименее загрязнена улица Октябрьская в самом удалённом от центра участке (ИСФ - 41%).

Б) почвы окультуренные для посадки растений (культурозёмы) имеют показатели удовлетворительного состояния (пришкольный участок (№2) и (сады ТЭЦ (№3)) ИСФ – 40% и 39% соответственно, частные придомовые земельные территории вдоль улицы Чернышевского и Клубная-Ленина - среднюю степень загрязнения ИСФ – 59% и 54% соответственно (сказывается влияние автодорог и близость предприятия БАЗ РУСАЛ, особенно для улицы Чернышевского).

2. Биотестирование культурозёмов по каталазной активности подтвердило достаточно высокую точность биоиндикационного метода исследования:

А) самая высокая каталазная активность почвы контрольного участка (находящегося в лесном массиве) 5,8 см³/г за мин;

Б) участок №2 (пришкольная территория) выпадает из логики результатов, полученных биоиндикационным методом (каталазная активность низкая - 2,7 см³/г за мин). Но каталазная активность связана также с вытаптыванием территории, а здесь она достаточно высока.

В) остальные участки по показателям характеризуются результатами схожими с предыдущим исследованием

3. По результатам исследования кислотности почвенных образцов культурозёмов мы видим, что повышенная кислотность в большей степени наблюдается в пробах придорожного ландшафта (участки №4 и №5).

4. Гипотеза подтвердилась комплексный анализ почв, проведённый на основе биоиндикации, биотестирования и химического изучения их свойств, дал возможность определить степень антропогенной нагрузки и уровень загрязнения наиболее точно в сравнении с отдельно проведёнными исследованиями.

5. Почвы города Краснотурьинска, как и сам экофон городской территории, нуждаются в защите. Необходимо

А) осуществлять постоянный мониторинг экологического состояния городской среды;

Б) расширять зелёную зону городских ландшафтов;

В) совершенствовать инфраструктуру и логистику (во избежание автотранспортной перегрузки городских автомагистралей).

Список литературы

1. Экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие / Под ред. Т. Я. Ашихминой. М.: Академический Проект, 2006. —416 с.

2. Ганжара Н.Ф. «Практикум по почвоведению» М.: Изд-во Агроконсал, 2002.- 282 стр.

3. Иванов И.А. Почвы Псковской области и их сельскохозяйственное использование / И.А. Иванов, В.П. Спасов, А.И. Иванов. – Великие Луки: изд. ВГСХА, 1998. – 264 с.

4. Мелехова О.П., Егорова Е.И., Евсеева Т.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М.: Издательский центр «Академия», 2007.- 288 с.

5. Trifolium repens L. – Клевер ползучий, или белый / И. А. Губанов и др. // Иллюстрированный определитель растений Средней России. – М.: КМК ; Институт технологических исследований, 2003. – 663 с.

6. Стволинская Н.С., Оценка мутагенности окружающей среды // Биология в школе – 1997г. - №5.

7. Харитонов Н.П., Организация исследовательской деятельности учащихся //Биология в школе -2004г. - №6.

8. Федорец Н. Г. Методика исследования почв урбанизированных территорий / Н.Г. Федорец. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. - 84 с.

9. Чорбов С.Н. Биологическая активность почв городских территорий (на примере г. Ростов-на-Дону) / С.Н. Чорбов // Научный журнал КубГАУ. – 2013. - №85(01) . - С. 12-26.

10. Федотов Г.Н. Каталазная активность и почвенные гелевые структуры / Г.Н. Федотов, Е.И.Пахомова // Лесной вестник, 2/2006 - С. 213- 217.