Борщевик - сорняк на стероидах. Особенности и перспективы использования

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Борщевик - сорняк на стероидах. Особенности и перспективы использования

Погонина Ю.Д. 1
1ОГАОУ "Шуховский лицей"
Алексеева М.А. 1
1ОГАОУ "Шуховский лицей"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Во многих регионах России неконтролируемо произрастает борщевик Сосновского — ядовитое растение, способное нанести вред как сельскому хозяйству, так и здоровью человека. По некоторым подсчётам, в настоящее время заросли борщевика занимают до 15% природных ландшафтов европейской части страны, поэтому, на сегодняшний день эта проблема весьма актуальна. Во времена Советского Союза борщевик Сосновского считался одним из перспективных растений для кормления домашнего скота. Благодаря таким важным характеристикам как высокая энергетическая и питательная ценность, быстрый рост, морозоустойчивость и неприхотливость в уходе, в середине прошлого века это растение было засеяно для последующей культивации и силосования.

Однако при длительном потреблении борщевика, вкус молока у дойных коров приобретал неприятный привкус, к тому же оказалось, что питание борщевиком способно вызывать разнообразные генные мутации у домашних животных. Также сам борщевик достаточно быстро уничтожает другие растения из-за веществ, которые он может выделять в почву и больших листьев, перекрывающих солнце. Для человека борщевик тоже достаточно опасен, в связи с тем, что сок борщевика под воздействием солнечных лучей провоцирует сильные ожоги с волдырями. Такие повреждения очень болезненны и долго заживают. Помимо этого, пыльца борщевика вызывает сильное раздражение гортани, которое может сопровождаться рвотой и тошнотой. Поэтому длительное пребывание в зарослях этого растения разрешается только в маске.

На данный момент борщевик Сосновского признан вредным и опасным, а борьба с ним ведется по мере сил. Но, помимо очевидного вреда, борщевик может приносить ещё и пользу.

Цель работы: изучить особенности строения борщевика Сосновского. Найти и разработать новые способы применения, с учетом специфики данного растения.

Задачи:

  1. Изучить литературу по выбранной теме

  2. Выбрать вещества для изучения возможных способов применения борщевика Сосновского

3. Изучить возможные способы применения борщевика

4. Провести практическую часть работы

5. Выявить оптимальные решения проблемы

Объект исследования: борщевик Сосновского (лат. Heracléum sosnówskyi).

Предмет исследования: химические вещества и свойства борщевика.

Глава 1. Литературный обзор

    1. Общий химический состав Борщевика Сосновского

Общий компонентный состав борщевика Сосновского очень разнообразен. Ранее, растение использовалось в качестве кормовой культуры, оно содержит много углеводов, витаминов, микроэлементов. Кроме того, в борщевике немало цинка, меди, марганца, железа, достаточно кальция. Борщевик хорошо силосуется, являясь прекрасным компонентом для приготовления комбинированных силосов с рядом культур. Растение содержит дубильные вещества, аминокислоты, эфиры, а также целлюлозу и лигнин.

Однако, с 1926 года растение по классификации относится к ядовитым, так как содержит в себе вредные вещества и обладает фототоксичностью.

В связи с тем, что сок борщевика Сосновского вызывает нарушения структуры хромосом (мутагенный эффект), силос данного растения может иметь отложенное по времени токсическое воздействие на животных.

    1. Содержание дубильных веществ, целлюлозы и лигнина в борщевике Сосновского, %

Для дальнейшего исследования способов применения биомассы борщевика Сосновского были выделены три компонента: лигнин, дубильные вещества и целлюлоза. Чтобы выяснить, насколько целесообразно использовать данное растение, провели анализ по определению среднего содержания выбранных веществ в борщевике Сосновского (Приложение 1):

Дубильные вещества 8,6 - 11,2 %

Лигнин 22 %

Целлюлоза 46,4 %

    1. Лигнин

Лигнин – природный ароматический биополимер. Вещество входит в состав большинства наземных растений. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Так же он определяет механическую прочность стволов и стеблей и снижает проницаемость клеточных стенок для воды и питательных веществ.

    1. Дубильные вещества

Дубильные вещества - растительные полифенольные соединения, способные образовывать прочные связи с белками и обладающие дубящими свойствами. Дубильные вещества широко распространены в составе голосемянных и покрытосеменных растений, а также водорослей, грибов, лишайников, в плаунах и папоротниках. Дубильные вещества в растении находятся в клеточных вакуолях и при старении клеток накапливаются на клеточных стенках.

    1. Целлюлоза

Целлюлоза представляет собой биополимер, который характеризуется высокой механической прочностью. Вещество образует стенку клеток растений и выполняет функцию опорного материала растительных организмов. Высокомолекулярное соединение является углеводом, полисахаридом в виде твердого вещества с белой окраской, которое плохо растворяется в воде.

Глава 2. Экспериментальная часть

      1. Выделение лигнина из борщевика Сосновского

Для выделения лигнина мы изготовили медно-аммиачный раствор (Приложение 2), добавив в пробирку сульфат меди и гидроксид натрия. Затем проводили фильтрацию, после которой прилили в пробирку 25% раствор аммиака. После чего, поочередно обрабатывали измельченное растение концентрированной серной кислотой (80% при температуре 70-80 градусов) и медно-аммиачным раствором с последующим дополнительным гидролизом. Заключительным этапом была фильтрация обработанной биомассы борщевика. Данный метод выделения лигнина из растительных материалов основан на растворении углеводов и получении препаратов лигнина в виде нерастворенного остатка (Приложение 3).

      1. Способы применения лигнина

Гидролизный лигнин применяется в производстве полимерных материалов, различных смол и как компонент клеящих композиций в производстве ДСП, картона и фанеры. В агрохимии возможно применение для внесения в песчаные почвы с целью закрепления грунтов. Кроме того, лигнин служит котельным топливом в лесохимических производствах, а также сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича, удобрений, уксусной и щавелевой кислот, наполнителей, полиуретановой пены.

2.2.1. Выделение дубильных веществ из Борщевика Сосновского

Для выделения дубильных веществ из борщевика Сосновского для начала необходимо измельчить стебли растения. Основным этапом является щелочная экстракция. Она проводилась для наиболее полного извлечения органической составляющей биомассы борщевика в водную среду. Для этого в дистиллированную воду мы добавили гидроксид натрия. После чего в этот раствор помещали измельченный стебель борщевика и затем проводили фильтрацию. При щелочной активации в раствор переходят дубильные вещества, которые представляют собой сложные по составу соединения.

2.2.2. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов с помощью стебля борщевика Сосновского

Исследования зависимости эффективности очистки с использованием щелочной активации проводились на модельных растворах: хромат калия [Cr6+]нач = 174,3 мг/л, сульфат меди [Cu2+]нач = 41,1 мг/л и сульфат никеля [Ni2+]нач = 63,4 мг/л. Для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов, необходимо провести процесс окисления раствора органических веществ экстракта. Например, соединения шестивалентного хрома, окисляя органические вещества, переходят в соли трехвалентного хрома, который выпадает в осадок. Это происходит из-за коагуляции, поскольку кислоты, из которых и состоят дубильные вещества, при соприкосновении с положительно заряженными ионами тяжелых металлов образуются вещества, выпадающие в виде осадков (Приложение 4).

2.3.1. Выделение целлюлозы из биомассы борщевика Сосновского

Для выделения целлюлозы из биомассы борщевика Сосновского были подготовлены модельные срезы стебля толщиной не более 5 мм, которые мы предварительно высушили.

Способ получения целлюлозы основан на том, что лигнин разрушается многими химическими реагентами быстрее, чем сама целлюлоза. Для начала мы изготовили делигнифицирующий раствор, добавив в колбу следующие реагенты: гидроксид натрия (18,5г), сульфит натрия (9,3г) и дистиллированную воду объемом 150 мл. Варка производилась в течение 7 часов при средней температуре равной 80 градусов. В ходе варки периодически производилась сдувка, с которой удалялись водяные пары, излишки воздуха, некоторое количество органических летучих продуктов. В процессе варки образуется черный щелок, поэтому после завершения первого этапа обработки была проведена промывка целлюлозы для отделения от нее черного щелока.

Второй этап обработки полученного вещества необходим для дополнительной отбелки целлюлозы, а также удаления оставшихся эфирных масел и иных соединений. Для этого, полученную после варки целлюлозу нагревали в растворе пероксида водорода (около 30%) в течение 2-х часов. Таким образом, мы получили готовый продукт, который был высушен для дальнейшей эксплуатации (Приложение 5).

2.3.2.Создание биоразлагаемого древесно-полимерного композита

Использование композиционных материалов вместо традиционных позволяет облегчить продукт, оставляя прочностные характеристики на высоком уровне, что очень важно. Введение различных усиливающих наполнителей является традиционным методом улучшения физико-механических свойств полимерных материалов.

Во всех экспериментах в качестве матрицы была использована эпоксидная смола ЭД-20, для отверждения использовали отвердитель ПЭПА в соотношении 1/6. Кроме того, в состав входили волокна целлюлозы и мука (измельченный стебель борщевика Сосновского). Предварительно все наполнители были измельчены с помощью ступки и смешаны между собой. Для проведения исследований мы приготовили ряд образцов с разной последовательностью смешивания компонентов. Наилучшие показатели продемонстрировал образец, в котором сначала были смешаны наполнители с отвердителем с дальнейшим добавлением смолы. Анализируя теоритические работы, было выявлено, что самой оптимальной степенью наполнения эпоксидной матрицы будет от 2 до 3 масс.% (отношение массы какого-либо компонента раствора или смеси к общей массе веществ). Таким образом, мы получили прочный и достаточно легкий материал на основе биоразлагаемых компонентов (Приложение 6).

2.3.3.Иные способы применения целлюлозы

Целлюлозу используют для изготовления следующих видов продукции:

  • Бумага/картон;

  • искусственные волокна;

  • лакокрасочные материалы;

  • бездымный порох;

  • нити и канаты;

Вывод

Исследованы химические свойства и способы выделения лигнина, дубильных веществ и целлюлозы. Полученные результаты исследований соответствуют тому, что борщевик Сосновского действительно может служить полноценным источником этих веществ. Кроме того, мы привели примеры возможных способов применения, некоторые из них подтвердили на практике.

Заключение

  1. Исследованы физико-химические свойства борщевика Сосновского, проанализирован общий химический состав этого растения. Для дальнейшего исследования были выбраны три компонента. Выявлены способы выделения лигнина, дубильных веществ и целлюлозы:

  • выделение лигнина путем поочередной обработки измельченного растения концентрированной серной кислотой медно-аммиачным раствором.

  • выделение дубильных веществ путем щелочной экстракции

  • выделение целлюлозы путем последовательной варки срезов стебля в делигнифицирующем растворе и растворе пероксида водорода.

  1. Также выявлены способы применения этих веществ на основе их химико-физических свойств. Некоторые из них были подтверждены на практике, а именно:

  • Использование дубильных веществ борщевика Сосновского для очистки сточных вод

  • Использование целлюлозы в качестве наполнителя для биоразлагаемого древесно-полимерного композита.

Список использованных источников и литературы

  1. Антипина Г. С., Маганов И. А., Платонова Е. А., Фалин А. Ю. «Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi Manden.) в Ботаническом саду ПетрГУ»

  2. Мусихин П.В., Сигаев А.И. «Исследование физических свойств и химического состава борщевика Сосновского и получение из него волокнистого полуфабриката»

  3. Н.И. Никитин «Химия древесины и целлюлозы»

  4. Состояние окружающей среды и использование природных ресурсов Белгородской области в 2013 г. (Областной доклад). – Белгород, 2014.–С.19 – 42.

  5. Состояние окружающей среды и использование природных ресурсов Белгородской области в 2014 г. (Областной доклад). – Белгород, 2015. – С. 18

  6. Аронбаев С. Д. Биосорбционное концентрирование тяжелых металлов и радионуклидов микроорганизмами и сорбентами на их основе. Обзор // Молодой ученый. – 2015. – №24. – С. 31-50. – URL https://moluch.ru/archive/104/24228/ (дата обращения: 20.03.2018)

  7. Чичибабин А.Е. Основные начала органической химии. // М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы. – 1958 г. – 670 с.

  8. Вураско А. В., Агеев М. А., Сиваков В. П. «Получение и свойства технической целлюлозы из борщевика окислительно-органосольвентным способом» (текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»)

  9. Брусенцева Т. А., Филиппов А. А., Фомин В. М. «Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц»

  10. Глухих В. В., Шкуро А. Е., Гуда Т. А., Стоянов О. В. «Получение, свойства и применение биоразлагаемых древесно- полимерных композитов (обзор)»

Приложение

Приложение 1. Таблица. Биометрические показатели борщевика Сосновского

Показатели

Значения

Плотность, шт/кв.м

0,2

Проективное покрытие, %

5-8

Биомасса до начала цветения (сырая), кг/кв.м

0,45

Биомасса (сырая) одного растения до начала цветения, кг

1,72

Высота генеративных побегов, м

0,5-0,7

Приложение 2. Получение медно-аммиачного раствора.

Приложение 3. Получение лигнина.

Приложение 4. Очистка сточных вод при помощи дубильных веществ.

Приложение 5. Получение целлюлозы.

Приложение 6. Получение древесно-полимерного композита.

Просмотров работы: 11