XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование содержания кадмия в клубнях картофеля и в почве

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крюкова А.В. 1

---

1МБОУ "СОШ №49" город Кемерово

Рассказова С.Х. 1

---

1МБОУ "СОШ №49" город Кемерово

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность. В условиях глобального загрязнения окружающей природной среды все острее становится проблема экологической загрязнённости или экологической чистоты продовольственного сырья и пищевых продуктов. Особенно актуальна она в экологически неблагополучных регионах, в том числе в Кемеровской области, которая по совокупности антропогенного воздействия промышленных объектов на окружающую среду официально признана зоной экологического бедствия. Предприятия различных отраслей промышленности обусловливают значительное загрязнение объектов биосферы, и особенно овощной продукции, вредными веществами техногенного происхождения.

Комплексное воздействие вредных веществ приводит к ухудшению здоровья и снижению качества жизни населения. При этом, по мнению экспертов, из всех факторов экологического воздействия наиболее негативное влияние на организм человека оказывают загрязнённые пищевые продукты. С целью охраны здоровья людей необходимо усилить контроль уровня загрязнённости овощной продукции, выращиваемой в нашем регионе.

Картофель - любимая пища всего человечества и главная еда на нашем столе после хлеба. Многие любители картофеля не подозревают, что привычный продукт может вызвать отравление тяжёлым металлом кадмием. Являясь каждодневным продуктом - «вторым хлебом», картофель может представлять огромную опасность для организма.

Цель: исследование загрязнённости клубней картофеля и почв Кемеровской области.

Задачи: 1)Изучить информацию об отравляющем веществе – кадмии.

2. Познакомиться с методиками качественного определения кадмия в клубнях картофеля и почвах.

3. Провести отбор почв, где выращивался картофель.

4. Выполнить эксперимент по определению качественного содержания кадмия в почве.

5) Определить качественное содержание кадмия в клубнях картофеля.

Методы: наблюдение, сравнение, анализ, эксперимент.

Предмет исследования: кадмий в клубнях картофеля и в почве.

Объект исследования: контрольные образцы клубней картофеля, почва в местах произрастания картофеля.

Гипотеза: картофель накапливает кадмий, если выращивается рядом с автотрассами, заводами, шахтами, полигонами по сжиганию мусора.

Практическая значимость: полученные данные можно использовать для информирования населения.

Новизна: исследование на школьном уровне проводилось впервые.

Исследование проводилось с мая 2024 года по январь 2025 года на базе МБОУ «СОШ № 49» г. Кемерова.

2. 1. 1. 1. Картофель и его безопасность для здоровья

Картофель - повседневный продукт питания, его называют «вторым хлебом». Но иногда клубни картофеля могут приносить вред здоровью человека, так как способны накапливать ядовитые вещества. Одним из таких веществ является кадмий.

Кадмий – химический элемент с атомным номером 48. При нормальных условиях мягкий, ковкий, тягучий переходный металл серебристо - белого цвета, один из самых токсичных тяжёлых металлов и особенно опасен при накоплении в почвах и водах.Загрязнение почвы кадмием считается наиболее опасным экологическим явлением, так как он накапливается в растениях выше нормы даже при слабом загрязнении почвы. Наибольшие концентрации кадмия в верхнем слое почв отмечаются в горнорудных районах, долго сохраняется кадмий в рудных отвалах. Загрязнение почвы кадмием сохраняется длительное время и после того , как этот металл перестаёт поступать в почву. Содержание кадмия в почвах , расположенных недалеко от горно-металлургических комбинатов и шахт в 20 - 50 раз может превышать фоновые значения. Выбросы кадмия могут происходить и в результате сельскохозяйственного использования удобрений, особенно суперфосфата, куда кадмий входит в качестве микродобавок, а также использования удобрений на частных участках и даже сжигания отходов.

В определённых условиях ионы кадмия очень подвижны в почвах и легко переходят в растения, накапливаются в них и затем поступают в организм животных и человека. Высокая токсичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может легко замещать цинк во многих биохимических процессах , нарушая работу огромного количества ферментов.

Поступление в организм человека повышенных концентраций кадмия вызывает токсические эффекты. Этот металл легко образует пары. Кадмий может поступать в воздух при переработке руды, при сжигании мусора – пластмасс, кадмиево - никелевых батареек, а также, если растения обрабатывались дешёвыми фосфатными удобрениями, норма кадмия будет превышена. Это объясняется тем, что многие минеральные подкормки содержат кадмий как естественный элемент примеси.

Кадмий может попадать в клубень картофеля из почвы. Насыщенные кадмием фосфаты провоцируют способности культуры поглощать этот элемент из почвы в ещё большем количестве. Удобренный картофель может содержать очень большие дозы кадмия.

Кадмий относятся к сильноядовитым веществам, его смертельная доза для человека составляет 150 мг/кг массы тела. Как и другие тяжёлые металлы, кадмий может накапливаться в организме, период его полувыведения составляет 10 - 35 лет. К 50 годам его общее весовое содержание может достигать 50 мг. И это с учётом того, что каждые 10 лет организм освобождается от половины общего содержания, поэтому вывод из организма этого токсина практически невозможен. При обнаружении кадмия в овощах необходимо проверить почву, где они выращивались.

Металл губительно действует на системы организма – это связано со способностью кадмия видоизменять серосодержащие соединения и аминокислоты. Связывая их, он перестраивает работу всех желёз, вырабатывающих ферменты и гормоны. Это приводит к нарушению не только гормонального фона, но и к расстройству нервной системы, т. к. кадмий разрушает костную ткань и белок. В организм человека кадмий чаще всего попадает с растительной пищей. Он очень легко переходит из почвы в растения, в связи с тем, что растения поглощают до 70% кадмия из почвы и лишь 30% – из воздуха.

В России предельно допустимый уровень кадмия для картофеля составляет не более 0,03 мг/кг свежей массы. В среднем 1 кг картофеля содержит 0,006 мг кадмия. В зависимости от плодородности почв и территориального расположения этот показатель меняется. Употребление картофеля с повышенным содержанием кадмия вызывает у человека отравления. Кадмий может поражать почки и печень, нарушать кровяное давление, приводит к гипертонии, нарушениям функций лёгких, деформации скелета и непроизвольным переломам костей, поскольку способен вымывать кальций из организма. Излишек кадмия может вызывать и злокачественные опухоли.

2. Материал и методика исследования

Материалы и оборудование:

1.Реактивы - водный раствор сульфида натрия.

2.Оборудование : чашки Петри, пипетки, тарелки, химические стаканчики, нож, тёрка, фильтровальная бумага.

3. Контрольные образцы клубней картофеля.

Наличие кадмия определяли в клубнях из разных районов Кемеровской области. Для этого использовали реакцию образования сульфида кадмия по изменению окраски кадмия с сульфидом натрия.

Ход исследования

Пронумеровали клубни. Номер 1- клубень из деревни Сухово, 2 - клубень из посёлка Ягуновский, 3 – клубень из Кировского района г. Кемерово, 4 - клубень из г. Топки, 5- клубень из деревня Журавли, 6 - клубень деревни Смолино, Выбор образцов клубней картофеля и образцов почв неслучаен. (Приложение 9) Деревни Сухово, Журавли и Смолино расположены вдали от автотрасс, и промышленных объектов. В посёлке Ягуновский долгое время функционировала угледобывающая шахта, в результате деятельности которой был образован огромный террикон. (Приложение 18) Этот террикон был ликвидирован и рекультивирован в 2016 году. В городе Топки расположен действующий цементный завод. В Кировском районе города Кемерова в радиусе меньше 100 метров от ближайших домов, располагался полигон твёрдых бытовых отходов, он часто возгорался и дымил. С 2022 по 2024 год он был рекультивирован.

Из натёртого клубня отжимали сок.(Приложение 10-11) Пропитанную бесцветным раствором сульфида натрия фильтровальную бумагу помещали на чашки Петри, на фильтровальную бумагу наносили 40 капель или 2 мл сока сырого картофеля и наблюдали за изменением окраски фильтровальной бумаги. (Приложение 12-13) При помощи реагента - сульфида натрия выявляли наличие кадмия и его концентрацию. Чем больше кадмия в клубне, тем более выраженный жёлтый цвет приобретает сок картофеля. (Приложение 14)

Оборудование и материалы для определения содержания кадмия в почве: весы, конические колбы на 2000 см³, стеклянная воронка, фарфоровые кружки, штатив, пробирки, линейка 1м, фильтровальная бумага, стеклянная палочка, индикаторная бумага, реактивы – дистиллированная вода, бумага, импрегнированная дитизонатом цинка.

Для определения ионов кадмия используют бумагу, импрегнированную дитизонатом цинка. Дитизоновая бумага - это фильтровальная бумага , пропитанная раствором дитизона. В присутствии кадмия протекает обменная реакция , при которой малиновая бумага становится оранжевой, при рН равной то 3 до 7. Точность такого анализа невысокая, но нашей целью является не точное определение содержание подвижных форм кадмия, а только экспресс - оценка их наличия.

Для исследования были взяты образцы почв: п. Ягуновский, д. Сухово, д. Смолино, д. Журавли, г. Топки и Кировского района города Кемерово.

Отбор почвенных образцов

Отбор грунта производили согласно ГОСТ Р 58595- 2019 в осенний период времени, когда растения уже собраны (Приложение 1). На участке 1м² отобрали пять точечных проб и поместили почву в чистый полиэтиленовый мешок , получив при этом готовую пробу массой около 5 кг. Для получения лабораторной пробы , мы сокращали готовую пробу таким образом, чтобы лабораторная проба сохранила свою представительность , то есть отвечала химическому составу всей готовой пробы. Готовую пробу сокращали методом квартования, разместив весь грунт на ровной чистой поверхности в форме квадрата , после проведения диагоналей убирали две противоположные части. (Приложение 2) Оставшиеся части смешивали методом «кольца и конуса» , путём ссыпания почвы в конус и вращательными движениями получали круг. Полученному кругу придавали форму квадрата и продолжали сокращать квартованием до тех пор, пока масса пробы не уменьшилась до 100 грамм. (Приложение 3) [ ].

Полученную лабораторную пробу массой около 100 грамм помещали в коническую колбу на 2000 см³, приливали дистиллированной воды до отметки 500 см³, и перемешивали в течение 30 минут. Полученную смесь отфильтровали через бумажный фильтр , и проводили качественный химический анализ почвенного раствора экспресс-методом с использованием дитизоновой бумаги.(Приложение 4-8, 15-17)

2. Результаты исследований

Результаты исследования представлены в таблице 1

Таблица 1

Качественное содержание кадмия в клубнях картофеля

Выводы по обнаружению кадмия в клубнях картофеля:

все исследованные образцы клубней, кроме клубней со своих огородов деревни Смолино, деревни Сухово и деревни Журавли, содержат кадмий. Клубни с огородов из посёлка Ягуновский и г. Топки содержали достаточно большое количество кадмия. Сок этих образцов клубней показал наиболее интенсивное окрашивание. Фильтровальная бумага с соком клубней из деревень Смолино, Сухово и Журавли не показали жёлтого окрашивания. Значит, это экологически чистые районы и почва там не загрязнена. Среднее количество кадмия содержалось в клубнях Кировского района г. Кемерово.

При помощи индикаторной бумаги определили кислотность исследуемых почв. Все исследуемые почвы имели рН в пределах 4 – 5 (кислые).

Таблица 2

Качественное содержание кадмия в почве

Выводы по обнаружения кадмия в почве: наибольшее количество кадмия содержалось в почве п. Ягуновский и г. Топки, среднее количество - в почве Кировского района г. Кемерово. Почвы деревень Журавли , Сухово и Смолино оказались чистыми.

Заключение

Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:

1.Выяснила, что на основе предложенных методик можно определить качественное содержание кадмия в клубнях картофеля и в почве.

2.Выявила, что клубни картофеля могут содержать достаточно высокое содержание кадмия.

3.Определила, что особенно высокое содержание кадмия обнаружилось в образцах клубней картофеля из п. Ягуновский и г. Топки, что может быть связано с близостью к картофельным полям автотрасс или использованием дешёвых удобрений. Кроме того, в посёлке Ягуновский долгое время добывался уголь, поэтому там до 2026 года располагался террикон, возможно содержащий кадмий. В черте города Топки расположен дествующий цементный завод. Среднее содержание кадмия обнаружилось в образцах клубней картофеля с огорода Кировского района г. Кемерово. Возможно это связано с близостью расположениямусорного полигона .

4. Расширила свои знания об отравляющем веществе – кадмии и познакомила своих одноклассников и родственников с результатами своих исследований.

Список использованной литературы

1.Воронцов А.И., Николаевская Н.Г. Вопросы экологии и охраны окружающей среды , Москва, 2005 г.

2. Демина Т.А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды. Издательство Аспект – пресс Москва. 2005 г.

3 Добровольский Г.В. Почва. Город. Экология., Москва, 1997 г.

4.Дубровин И. Всё об обычной картошке. Издательство: Эксмо - Пресс, 1999, - 176с.

5. Никоненко И.С. Экспресс - методы определения ионов меди и кадмия в окружающей среде. / И.С. Никоненко - // Молодой учёный. -2016.- № 24- С. 121-124

5.Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России

6. Симеониди Д.Д., Гобеева Р.М., Ачеева А.А., Хозиева Д.Р. Исследование процессов миграции кадмия в системе почва - растения. 2023 г.

7. Тёплая Г.А. Тяжёлые металлы как фактор загрязнения окружающей среды. Астраханский вестник экологического образования.- 2013

Приложение

Приложение 1

Проводим отбор почв массой около 5 кг для исследования

Приложение 2

Сокращаю массу пробы. Провожу квартование

Приложение 3

Продолжаю квартование и довожу массу пробы до 100 грамм

Приложение 4

Помещаю пробу в коническую колбу

Приложение 5

Приливаю к пробе дистиллированную воды до отметки 1000мл

Приложение 6

Смесь отфильтровываю через бумажный фильтр

Приложение7

Определяю кислотность фильтрата почв при помощи индикаторной бумаги

Приложение 8

рН почвы п. Ягуновский равна 4

Приложение 9 Приложение 10

Пронумеровала образцы клубней Натираю клубень на тёрке

Приложение 11 Приложение12

Отжимаю сок образца клубня картофеля Пропитываю фильтровальную бумагу

раствором сульфида натрия

Приложение 13 Приложение 14

Помещаю 2 мл сока картофеля на Наблюдаю за изменением окраски

смоченную фильтровальную бумагу

Приложение 15

Дитизоновая бумага поменяла цвет в с малинового на оранжевый –

фильтрат почвы п. Ягуновский

Приложение 16

Дитизоновая бумага цвет не поменяла – фильтрат почвы д. Смолино

Приложение 17

Опускаю дитизоновую бумагу в фильтрат почвы д. Журавли

Приложение 18

Такой террикон располагался вблизи огородов в п. Ягуновский