XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

 

1. Введение

Одним из видов крупномасштабного загрязнения водных и наземных биогеоценозов является загрязнение поверхностно-активными веществами.

В связи с имеющейся экологической проблемой в настоящее время существует большая потребность проведении разнообразных биологических тестов, которые позволяют быстро оценить качество окружающей среды. Растения являются основой любой экосистемы. Отклонения их биохимических, физиологических реакций, весьма чувствительных к изменению условий среды, могут служить индикатором ее состояния[2].

Особый интерес представляет изучение эффектов тех смесей веществ, в составе которых большинство ПАВ попадают в окружающую среду[1]. Среди таких одно из важнейших мест занимают синтетические моющие средства (СМС) и пеномоющие средства (ПМС), которые содержатся в сточных и загрязненных водах, сбрасываемых практически всеми промышленными предприятиями, поступающие с бытовыми и городскими сточными водами [1].

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, растения, загрязнение, рост, развитие, угнетение, детергенты, всхожесть.

Цель работы — оценка и анализ воздействия поверхностно-активных веществ на развитие живых организмов на примере таких растений, как овес (Avena sativa), горох (Pisum sativum).

Сформулированы и реализованы следующие задачи:

− найти и проанализировать необходимую информацию

− провести исследования на разных видах растений и в разных концентрациях ПАВ-содержащих препаратов

− выстроить общую логистическую схему выводов

Актуальность работы:

Понимание механизма действия ПАВ на растения, да и на живые организмы в целом, позволит в дальнейшем, во-первых, создать необходимые меры очистки производственных, городских и бытовых стоков для предотвращения загрязнений, происходящих повсеместно. Во-вторых, изучение этого вопроса может помочь разработать новые методы ведения сельского хозяйства, которые будут способствовать увеличению урожайности, а также снижению затрат на агрохимикаты и удобрения. Среди прочего, стоит подчеркнуть, эта работа отличается от других, направленных на изучение влияния ПАВ на растения, тем, что автор данной работы проводил исследования с такими концентрациями ПАВ-содержащих растворов, которые могут встречаться в биогеоценозах.

Исследования, подобные этому, уже проводись, однако для них были взяты неестественно большие концентрации, которые в таких количествах в природу не попадают.

В ходе исследования были использованы различные литературные источники, включая научные статьи отечественных и зарубежных авторов, государственные стандарты, книги и Интернет-ресурсы.

2. Основное содержание

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ), химические соединения, адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз (тел) и образующие на ней слой повышенной концентрации (адсорбционный слой). Поверхностно-активным может быть любое вещество, являющееся компонентом жидкой или газовой фазы и под действием межмолекулярных сил скапливающееся у межфазной поверхности. Однако, следуя традиции, ПАВ обычно называют органические соединения, адсорбция которых из растворов даже очень малой концентрации сопровождается существенным снижением свободной поверхностной энергии или поверхностного (межфазного) натяжения [5].

Существует две классификации ПАВ:

• Классификация по физико-химическому механизму действия ПАВ (по Ребиндеру) – смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие ПАВ. Это наиболее технологическая классификация.

• Классификация по химической природе молекул ПАВ (по ISO) – анионные ПАВ, катионные ПАВ, неионогенные ПАВ, амфотерные ПАВ. Данная классификация дает понимание механизма адсорбции [3].

ПАВ можно разделить на два основных типа: ионогенные и неионогенные. Ионогенные ПАВ включают анионные, катионные и амфотерные вещества, которые распадаются на ионы в растворе. Неиногенные ПАВ остаются в молекулярном виде, не распадаясь на ионы.

Учитывая уровень производства, распространённость в объектах окружающей среды, широкомасштабное применение в различных отраслях промышленности и быту, можно утверждать, что наиболее значимым являются анионные ПАВ [4].

Кокамидопропилбетаин (CAPB) – алкиламидобетаиновый ПАВ, представляющий коммерчески самый важный класс амфотерных сурфактантов, который используется в производстве средств личной гигиены в огромных масштабах. Он представляет собой продукт реакции конденсации жирных кислот (R = C7–C17) и 3,3-диметиламинопропиламина после взаимодействия промежуточного продукта кокамидопропилдиметиламина с монохлоруксусной кислотой [10] (рис.2):

 

Рисунок 1. Структурная формула САРВ

Известны работы, посвященные исследованию токсичных свойств CAPB, которые демонстрируют его способность нарушать фотосинтетические процессы в клетках водорослей [11], а также подавлять цветение водорослей, т.е. вызывать лизис клеток живых организмов [12].

Лаурилсульфат натрия (SLS - сокрашение от английского sodium lauryl sulfate или додецилсульфат натрия – CAS 151-21-3) – это самое распространенное вещество из анионных ПАВ, применяется повсеместно от промышленных очищающих растворов, до шампуней и зубных паст. Додецилсульфат натрия получают при переработке нефти, но многие производители указывают на упаковках, что оно «получено из кокосовых орехов» либо «из кокосового масла». SLS - натриевая соль лаурилсерной кислоты, которая дешево стоит и обладает крайней едкостью [9] (рис. 3).

Рисунок 2. Структурная формула SLS

2.1. Условия, материалы и методы исследований

Исследования были выполнены с октября 2022 года по февраль 2024. Первоначально были проведены опыты с таким ПАВ, как CAPB, позже с SLS. Эксперимент проводили в лабораторных условиях; в качестве материала исследований были взяты следующие растения: овёс (Avena sativa), горох (Pisum sativum).

ПАВ-содержащие растворы: первый, «Шампунь-кондиционер-гель для душа 3 в 1 Энергия + Чистота ЧИСТАЯ ЛИНИЯ», в составе которого на втором месте стоит Лаурилсульфат натрия; второй, разведённый в воде кокамидопропилбетаин.

Основной методикой исследований является та, что приведена ниже. Всхожесть определяли процентным отношением числа проросших семян к числу посеянных.

Методика:

1. На дно чашки Петри укладываются фильтровальная бумага, смоченная испытуемым раствором.

2. На фильтры помещаются определённое количество средних размеров семена.

3. Всхожесть определяется на 7-10 сутки.

4. Одновременно с подсчётом проросших семян измеряются размеры корешков и ростков.

2.2. Исследования и результаты

2.2.1. Опыт № 1.

В этом опыте проращивали овёс в разведённых концентрациях САРВ (рис. 4). Исследование проводили по методике; концентрации такие: 0%, 0,001%, 0,005%, 0,01%, 0,03%, 0,05%; семена брали одинакового размера, из одной партии, по 25 штук на каждую концентрацию.

Рисунок 3.

Проводили данные опыты 12 дней в Детском технопарке "Кванториум" (структурное подразделение ГБУ ДО КО ЦТТ) Костромской области.

Результаты исследования приведены в таблице 1:

Таблица 1.

( К – корень, Р – росток )

Из данных таблицы видно, что наилучшие результаты показал контроль (всхожесть в контроле составила 80%), а наихудшие 5-я и 6-я пробы (всхожесть равна 0%)

2.2.3. Опыт № 2.

В этом опыте проращивали овёс в разведённых концентрациях САРВ (рис. 6). Исследование проводили по методике; концентрации такие: 0%, 0,001%, 0,005%, 0,01%, 0,03%, 0,05%; семена брали одинакового размера, из одной партии, по 25 штук на каждую концентрацию.

Рисунок 4. Пробы на десятый день после посадки

Проводили данный опыт 30 дней в Детском технопарке "Кванториум" (структурное подразделение ГБУ ДО КО ЦТТ) Костромской области.

Результаты исследования приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Лучшие всхожесть (72%) показали 1 и 2 пробы, меньшую всхожесть (12%) наблюдали в 8 (0,1%) концентрации

2.2.3. Опыт № 3

В этом опыте проращивали овёс в SLS-содержащем растворе (рис. 7-8). Исследование проводили по методике; концентрации такие: 0%, 0,001%, 0,003%, 0,005%, 0,01%, 0,03%, 0,05%, 0,1%; семена брали одинакового размера, из одной партии, по 25 штук на каждую концентрацию.

Проводили данный опыт 10 дней в Детском технопарке "Кванториум" (структурное подразделение ГБУ ДО КО ЦТТ) Костромской области.

Рисунок 5. Пробы на третий день после посадки

Результаты исследования приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Максимальная всхожесть наблюдалась в контроле и составила 72%. Отсутствие ростков зафиксировано в 7 и 8 концентрации, следовательно, их всхожесть равна 0.

2.2.4. Опыт № 4

В этом опыте проращивали горох в SLS-содержащем растворе (рис. 10-11). Исследование проводили по методике; концентрации такие: 0%, 0,001%,0,003%, 0,005%, 0,01%, 0,03%, 0,05%, 0,1%; семена брали одинакового размера, из одной партии, по 15 штук на каждую концентрацию.

Проводили данный опыт в течении 10 дней в Детском технопарке "Кванториум" (структурное подразделение ГБУ ДО КО ЦТТ) Костромской области.

Рисунок 6. Пробы гороха на третий день после посадки.

Результаты исследования приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Одинаковая наибольшая всхожесть, равная 60%, установлена в 1,2,3 и 6 пробах. Наименьшая всхожесть наблюдалась в 7 и 8 концентрациях и составляет 7%.

2.2.5. Опыт № 5

В этом опыте высаживали пророщенный горох, и его поливали SLS-содержащим раствором (рис. 11-13). Концентрации такие: 0%, 0,001%, 0,003%, 0,005%, 0,01%, 0,03%, 0,05%, 0,1%; семена брали из опыта номер 5, по 2 на первые по возрастанию концентрации шести проб.

Рисунок 7. Пробы гороха через неделю

Проводилось исследование в течении 19 дней в Детском технопарке "Кванториум" (структурное подразделение ГБУ ДО КО ЦТТ) Костромской области.

Результаты исследования приведены в таблице 5.

Таблица 5.

В этом опыте проводились наблюдения за уже пророщенными семенами гороха, поэтому всхожесть не определяется.

2.3. Обсуждение результатов

В результате наблюдения за реакцией семян на воздействие растворов ПАВ различных концентраций, было обнаружено, что каждый вид растений, взятый для исследований, по-своему реагирует на воздействие ПАВ (график 1). Наблюдалось как угнетение, так и стимуляция развития испытуемых.

График 1. График роста: по оси х – концентрации, по оси у – всхожесть проростков

Опыт №1

Наилучшие результаты наблюдаются в контроле. Всхожесть семян первой пробы составила 80%.

Показатели пробы номер четыре примерно в два раза хуже по длине корней и ростков, и в три раза меньше всхожесть (24%) по сравнению с контрольной группой.

Во второй и третьей концентрации приблизительно одинаковые показатели всхожести (16 % и 12% соответственно) и размеры проростков.

В пятой и шестой пробе прорастания зафиксировано не было.

Опыт № 2

Самая лучшие результаты по всхожести и размеру проростков показала вторая концентрация. Всхожесть равна 72% как и в контрольной группе. Однако размер ростков контроля приблизительно в 2 раза меньше размера ростков второй пробы.

В четвёртой концентрации хорошие показатели всхожести (68%) и длины побегов, которая стоит на третьем месте после второй и седьмой пробы. Длина ростков седьмой концентрации недалека от наивысшей, однако всхожесть составляет всего 24%.

Всхожесть третьей концентрации близка к максимальным и равна 60%, однако длины проростков в некоторой степени уступают шестой концентрации. Тем не менее, всхожесть шестой пробы составляет 40%, что в 1,5 раза меньше, чем третьей.

Средняя всхожесть (44%) и размер ростков показала пятая концентрация.

Минимальные показатели всхожести (12%) и длины проростков, которая в шесть раз меньше контрольной пробы, наблюдались в восьмой концентрации. Она оказала тормозящее влияние на прорастание семян овёс.

Опыт № 3

Всхожесть контрольной группы составила 72% и является наибольшей. Также размеры проростков в нулевой концентрации максимальны.

Хорошая всхожесть наблюдается во второй и третьей концентрации и равна 64%. однако длина ростков меньше контроля более чем в 3 раза.

При концентрации 0,01% (5) неплохая всхожесть (60%), но длина проростков в 4 раза меньше контрольной пробы.

Средние показатели всхожести выявлены в шестой и четвёртой пробе: 48% и 44% соответственно. Размеры всего в 2 раза меньше контроля.

Концентрация 0,05% (7) практически полностью подавила развитие семян. В этой пробе проросли только корни (их всхожесть составила 16%). Появления ростков отмечено не было.

Проба номер восемь оказала угнетающее воздействие. Прорастания семян не зафиксировано.

Опыт № 4

При концентрациях 0,05% и 0,1%, которые являются максимальными, семена гороха пустили практически только корни. Однако дальнейшего прорастания и вегетации не было, и семена погибли.

Концентрации пять и шесть оказали тормозящее, но не подавляющее влияние. К последнему дню проведения опыта всхожесть (40% и 60%) в пятой и шестой пробе была слегка меньше, чем в контрольной пробе, и длина ростков и корней приблизительно равна контролю, но всё же склоняется в меньшую сторону.

В третьей и четвёртой пробе, с концентрациями 0,003% и 0,005%, всхожесть составила 60% и 53%. Длина в 3-й и 4-й пробе сопоставима с контрольной группой.

Из всех взятых концентраций наилучшие показатели всхожести (60%) и величины ростков были во второй пробе. Длина наибольших проростков второй пробы была почти в 2 раза больше проростков первой.

Опыт № 5

Горох, пророщенный в опыте выше и высаженный в почву, дал весьма противоречивые результаты.

Наилучшие показатели наблюдались в нулевой концентрации. Приблизительно одинаковые, а так же близкие в первой пробе, значения длин проростков отмечены в четвёртой и шестой. Худшие из имеющихся, но не являющиеся плохими, результаты зафиксированы во второй, третьей и пятой концентрации. Объяснением этого эффекта может являться норма реакции.

Также во время проведения опытов было обнаружено, что ПАВ не влияет на развитие грибов рода Ustilagotritici, которой были поражены многие пробы овса.

5. Заключение

Результаты исследования показывают, что ПАВ в небольших концентрациях (0,001%-0,005%) способствуют прорастанию семян овса; при увеличении концентраций от 0,005% до 0,05% ПАВ оказывает тормозящее воздействие; в растворах с содержанием ПАВ более 0,1% прорастание семян полностью подавляется. Стимуляция прорастания семян гороха происходит при концентрациях, близких к 0,001%; в бо́льших процентах разведения происходит угнетение развития семян. Также выявлено, что в почвенном субстрате столь маленькие концентрации не оказывают заметного влияния на растения.

В целом, можно сказать, что характерной реакцией семян на загрязнение поверхностно-активными веществами в значительных концентрациях является снижение их всхожести и замедление прорастания.

Ситуация с загрязнением окружающей среды из-за широкого использования ПАВ в промышленности и в повседневной жизни представляет серьезную угрозу для растений.

4. Список литературы

1. Торгашкова Ольга Николаевна, Никифорова Евгения Николаевна, Беликов Александр Сергеевич Влияние поверхностно-активных веществ на прорастание семян и рост растений // Евразийский Союз Учёных . - 2018. - №3. - С. 22-23.

2. С. В. Свиркова, П. В. Балаганский ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАСТВОРОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ // Вестник Кемеровского государственного университета. - 2015. - №1. - С. 32-37.

3. Беджанян Арам Артакович Коллоидная Химия

4. Исследование влияния компонентов синтетических моющих средств на живые организмы // infourok URL: https://infourok.ru/issledovatelskaya-rabota-po-teme-issledovanie-vliyaniya-komponentov-sinteticheskih-moyuschih-sredstv-na-zhivie-organizmi-716936.html

5. Поверхностно-активные вещества // Большая российская инциклопедия URL: https://bigenc.ru/c/poverkhnostno-aktivnye-veshchestva-3e1b92

6. Амфотерные поверхностно-активные вещества // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Амфотерные_поверхностно-активные_вещества

7. В.M. Шамилов Наноструктуры на основе высокомолекулярных анионактивных поверхностно-активных веществ и их применение // ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ. - 2015. - №12. - С. 128-132.

8. О. И. Волощенко, И. В Мудрый О гигиеническом значении поверхностно-активных веществ в окружающей среде // Гигиена и санитария. - 1984. - С. 53-55.

9. SLS и SLES свойства и отличия // chemscout URL: https://chemscout.ru/blog/sles

10. Shao W, Zhang J, Wang K, Liu C, Cui S. Cocamidopropyl betaine-assisted foam separation of freshwater microalgae Desmodesmus brasiliensis. // Biochemical Engineering Journal. - 2018. - №140. - С. 38-46.

11. Vonlanthen S, Brown MT, Turner A. Toxicity of the amphoteric surfactant, cocamidopropyl betaine, to the marine macroalga, Ulva lactuca. // Ecotoxicology. - 2018. - №20(1). - С. 202-207.

12. Sun X-X, Han K-N, Choi J-K, Kim E-K. Screening of surfactants for harmful algal blooms mitigation // Marine Pollution Bulletin. - 2004. - №48(9-10). - С. 937-945.

13. ГОСТ 12038-84. СЕМЕНА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Методы определения всхожести.