XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Аккумуляция тяжелых металлов в хвойных растениях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Серікова Ақбаян Думанқызы 1

---

1Назарбаев Интеллектуальная школа химико-биологического направления города Усть-Каменогорск

Попова М.В. 1

---

1Назарбаев Интеллектуальная школа химико-биологического направления города Усть-Каменогорск

Работа в формате PDF

322.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире проблемы загрязнения окружающей среды являются одними из наиболее актуальных и важных. Одним из серьезных аспектов этой проблемы считается загрязнение тяжелыми металлами, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и экологическую среду. Усть-Каменогорск, как центр промышленности и человеческой деятельности, сталкивается с особыми вызовами, связанными с загрязнением тяжелыми металлами. Исходя из этого, цель этого проекта исследовать закономерность накопления тяжелых металлов в хвое и оценить экологическую обстановку города.

Гипотеза: Научная работа предполагает, что содержания тяжелых металлов в составе хвои будут превышены на территории Казцинк и УМЗ.

Задачи:

1.Литературный обзор и разработка гипотезы: Провести обзор литературы о влиянии тяжелых металлов на растения, особенно хвойные. На основе этого обзора сформулировать гипотезу о влиянии различных факторов на содержание тяжелых металлов в хвойных растениях.

2.Выбор места исследования и сбор образцов: Выбрать место для исследования, учитывая историю загрязнения и наличие источников тяжелых металлов. Провести сбор образцов хвойных растений с разных участков для дальнейшего анализа.

3.Подготовка образцов: Подготовить собранные образцы хвойных растений для дальнейшего анализа.

4.Анализ содержания тяжелых металлов: Использовать соответствующие аналитические методы (например, атомно-абсорбционную спектроскопию) для определения содержания тяжелых металлов в образцах хвойных растений.

5.Интерпретация результатов и написание выводов: Проанализировать полученные данные и сделать выводы о влиянии тяжелых металлов на хвойные растения.

1.Литературный обзор

1. 1. Растительное сырье как биоиндикаторы

По статистике официального сайта IQAir[1], Усть-Каменогорск имеет средную качеству воздуха, более того находится на 5 месте по состоянию атмосферы. По данным РГП "Казгидромет"[2], уровень загрязнения атмосферы города с 2009 по 2022 год стабильно характеризуется как высокий, за исключением 2016 года, когда он был несколько ниже и характеризовался как "повышенный". Учитывая вышеперечисленные факты, зародилась идея исследовать степень загрязнения окружающей среды, используя хвойные растения.

В качестве биоиндикатора для оценки уровня загрязнения окружающей среды используются различные биоиндикаторы. Нами в качестве биоиндикатора выбранаель. Показано, что этот вид, помимо широкого распространения и важных лесообразующих функций, обладает высокой чувствительностью к техногенным поллютантам. При этом хвоя ели обыкновенной может считаться универсальным биоиндикатором, поскольку характеризуется не только выраженными аккумулирующими свойствами по отношению к органическим и неорганическим загрязнителям, но и является по существу всесезонным тест-объектом в отличие от опадающей на зиму хвои лиственницы.[3]Идею биоиндикации по растениям сформулировал еще в 1 в. до н.э. Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Методы биоиндикации в наши дни не только не устарели, но находят все более новые и интересные пути развития.[4]. Повышенная чувствительность хвойных связана с длительным сроком жизни хвои, поглощением ею газов, а также снижением массы хвоипозволяет определить содержания тяжелых металлов в хвое. Хвойные растения удобны тем, что могут служить биоиндикаторами в течение всего календарного года[3], поэтому время процесса проведения научной работыне препятствовала на полученные результаты.

При хроническом загрязнении наблюдается повреждения и преждевременное опадение хвои. В зоне техногенного загрязнения отмечается снижение массы хвои на 30– 60% [5].

Значительные анатомические различия в строении покровных тканей хвои этих видов также могут обусловить специфику аэрального накопления загрязняющих веществ. Кроме того, по нашим данным, суммарное содержание ПАУ в хвое лиственницы даже на фоновых территориях довольно высоко в сравнении с хвоей сосны. Пока не ясно, является ли это результатом эндогенного синтеза ПАУ растительным организмом или следствием их поглощения из почвы, где они могут присутствовать в определённых концентрациях [3]

1. 2. Механизм поглощения тяжелых металлов растениями

На аккумуляцию тяжелых металлов различными растениями влияет их механизм поведения. Известны два основных пути попадания тяжелых металлов в растения - из атмосферы и почвы.

Причем, содержание и распространение металлов, которые поступили атмосферную среду из промышленных источников, зависит от расстояния до источника загрязнения, рельефа местности, климатических условий, технологических факторов (состав отходов, высота труб и т.д.). Площадь влияния промышленных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км²[7].

Одним из источников загрязнения почв также является и транспорт. Например, около 60-70% всех выбросов свинца связано с использованием свинецсодержащегобензина[8].

Тяжелые металлы из воздуха в растения поступают через листья или хвою. Рассматривают два вида: 1) неметаболическое проникновение, то есть через кутикулу (которое рассматривается как главный путь поступления) и 2) метаболический перенос ионов через плазматические мембраны. Металлы, которые были поглощены хвоей, могут переходить в другие органы и ткани растения, а также в корни.

Все тяжелые ме­таллы можно разделить на две группы: 1) необходимые в незначи­тельных концентрациях для метаболизма растений (Cu, Zn, Fe, Mn), которые становятся токсичными, если их содержание превы­шает определенный уровень; 2) металлы, не участвующие в мета­болизме растений (Pb, Cd, Hg), которые токсичны даже в очень низких концентрациях[8].

Токсичность тяжелых металлов определяется их строением, а также физическими, химическими и физико-химическими свойствами.

В процессе жизнедеятельности растение реагирует на поступление любого металла. Закон толерантности В.Шелфрода объясняет, что повышение концентрации элемента вызывает немедленный положительный биологический ответ. Затем положительный эффект увеличения концентрации элемента проходит че­рез максимум и начинает падать до отрицательных величин.Биологиче­ский ответ организма становится негативным, а элемент переходит в разряд токсичных веществ [9].

Особенности поведения тяжелых металлов в почвеопределяются процессами осаждения и комплексообразования с органическими и неорганиче­скими лигандами.

2. Экспериментальная часть

2. 1. Отбор и характеристика проб

В городе Усть-Каменогорск находятся ряд промышленных предприятий, которые оказывают колоссальное влияние на окружающую среду. Принимая во внимание этот факт, объекты исследования были выбраны с территорий двух предпрятий ТОО «Казцинк», АО «Ульбинский металлургический завод», а также, чтобы заметить степень загрязнения между разными районами были собраны иголки сосны с парка К.Кайсенова и с района КШТ.

Рисунок 1-Карта-схема расположения участков, где отобраны пробы

Отбор материалов проводили в ноябре 2023 года. С ветвей 10 деревьев отобрали побеги одинаковой длины. Собрали хвою и визуально проанализировали ее. Места отбора и общая характеристика хвои представлена в таблице 1

Таблица 1 – Средняя длина и масса хвои

Определили степень повреждения (желтые или черные пятна) хвои: 1- хвоинка без пятен, 2- есть несколько мелких пятен, 3- много пятен, некоторые из них крупные во всю ширину хвоинки.

Таблица 2 – Степень повреждения хвои, %

Анализ таблицы показывает, что наиболее повреждена хвоя, расположенная вблизи УМЗ и Казцинк, менее всего в парке К.Кайсенова. Парк К.Кайсенова и КШТ практически равноудалены от металлургических предприятий, однако КШТ является населенным жилым районом с огромным количеством транспортных средств. Вероятно, этот факт вызвал повреждение хвои.

2. 2. Пробоподготовка и проведение анализа

После отбора проб, приступили к пробоподготовке и анализу.

Общая схема анализа представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема проведения анализа

Эксперименты проводили на базе Восточно-Казахстанского университета имени СарсенаАманжолова.В ходе эксперимента пробы были пронумеровали от 1 до 4: 1- КШТ, 2-парк К.Кайсенова, 3-УМЗ, 4-Казцинк.

Пробы размалывали на шаровой мельнице, затем перемешивали в ступке и просеивали через сито с отверстиями 1 мм, высушивали до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу.

Рисунок 3- Измельченные образцы

Навеску растительной пробы массой 1,0г помещали в муфельную печь, прокаливалипри 800^оС и давали остыть в вытяжном шкафу до комнатной температуры.

Рисунок 4- Измельченные образцы

Затем приливали к ней 10,0мл концентрированной азотной кислоты икаждый минерализат переносили в отдельную мерную колбу объемом 50 см³ и доводили до метки дистиллированной водой. Все жидкости отфильтровали и перенесли в чистыйконтейнер.

Результаты анализа представлены в таблице 3

Таблица 3 – Содержание тяжелых металлов в хвое ели

Анализ данных показал, что содержание тяжелых металлов в хвое ели сильно различаются.Как и предполагалось, наибольшее содержание тяжелых металлов было в хвое образцов, расположенных вблизи промышленных предприятий.Минимальное содержание свинца обнаружено в хвое, собранной в Парке К. Кайсенова (0.109 мг/кг). Максимальное содержание свинца наблюдается в хвое с места отбора в Казцинк (0.601 мг/кг).Наибольшее содержание меди выявлено в хвое, собранной на территории УМЗ (0.805 мг/кг).Максимальное содержание цинка также обнаружено в хвое, собранной на территории УМЗ (1.149 мг/кг).

Заключение

В ходе исследования проведен литературный обзор, рассмотрены пути и методы попадания тяжелых металлов в различные культуры.

Отобраны образцы ели в различных районах, определены их основные характеристики, степень повреждения, произведена их пробоподготовка и проведено исследование по определению содержания свинца, меди и цинка в образцах. Выявлено, что наибольшее содержание тяжелых металлов находится в образцах, которые отобрали в районе Ульбинского металлургического завода, далее по степени загрязненности можно разместить металлургическое предприятие Казцинк. Максимальное содержание свинца наблюдается в хвое с места отбора в Казцинк (0.601 мг/кг).Наибольшее содержание меди и цинка выявлено в хвое, собранной на территории УМЗ 0.805 мг/кг и 1.149 мг/кг соответственно.

Наименьшее содержание тяжелых металлов можно увидеть в образцах, отобранных в парке К.Кайсенова. Таким образом, можно сказать, что степень загрязненности зависит от расстояния загрязнения.

Список литературных источников

1. Качество воздуха[Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL https://www.iqair.com/ru/world-air-quality-ranking

2. Уровень загрязнения воздуха в Усть-Каменогорске [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL https://ustinka.kz/vko/ust-kamenogorsk/86179.html

3. Журнал Успехи современного естествознания. – 2020. – № 7 – С. 13-18 https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37425

4. Потапова Т.В. Секрет зеленого листа «Методические рекомендации по исследованию качества природной среды»– СПб.: Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. ЛомоносоваРоссийское экологическое федеральное информационное агенство–2004. – 2 с.

http://teacher.msu.ru/sites/default/files/resursy/6-%D1%81%D0%B5%D0%BA%D1%80%D0%B5%D1%82-%D0%B7%D0%B5%D0%BB-%D0%BB%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0.pdf

5. Гиззатуллина А.Ш., Попкова – СПб.: М.А.Химический факультет Южно-Уральского государственного университета– – С.93-97 https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/116486/1/%D0%A1.%2093-97.pdf

6. Алексеев В. А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. – 1989.– № 4. – С. 51–57. https://geobotany.bio.spbu.ru/publish%20north/Alekseev1989.pdf

7. Джувеликян Х.А., Щеглов Д.И., Горбунова Н.С. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв.-Воронеж: Воронежский государственный университет, 2009.-22с.

8. Титов А.Ф., ТалановаВ.В., КазнинаН.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам [отв. ред. Н.Н. Немова];Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007.- 172 с.

9. Глебова И.В., Стифеев А.И. Основные сорбционные параметры распределения ионов свинца в почвах Курской области//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2012.-№4.-С.34-37.