XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Подсолнухи на страже экологии: фиторемедиация тяжелых металлов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Морозова А.А. 1

---

1МБОУ Гимназия Эврика им. В. А. Сухомлинского

Захарова Н.М. 1

---

1МБОУ Гимназия Эврика им. В. А. Сухомлинского

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Подсо́лнечник (Helianthus) - род однолетних и многолетних растений семейства сложноцветных. Эстетически привлекательное растение, один из символов Краснодарского края. Необыкновенной красоты желтые поля вдоль трассы притягивают всех туристов летом остановиться и сделать яркую фотографию. Не смогли и мы как жители Кубани не обратить внимание на данную травянистую культуру.

Указанное растение, способно не только давать богатый урожай,
но и приносить огромную пользу экосистеме. Подсолнухи имеют глубокую корневую систему, что позволяет им эффективно извлекать загрязняющие вещества из почвы. Кроме того, они обладают высокой скоростью роста
и накопления биомассы, что делает их идеальными кандидатами для фиторемедации.

Фиторемедиация — это процесс, в котором растения используются для удаления, трансформации или стабилизации загрязняющих веществ в почве и воде. Одним из наиболее перспективных растений для этой цели является подсолнечник.

Нам стало интересно, действительно ли земля, в которой росли подсолнухи, будет отличаться по составу от земли с того же участка, но без фиторемедиации подсолнухами.

Мы выбрали участок трассы с высокой концентрацией транспортных средств. В результате автомобильного движения происходит выброс тяжелых металлов (свинец, кадмий, медь, цинк) в окружающую среду, что приводит
к загрязнению воды, воздуха и почвы. С одной стороны дороги были высажены поля подсолнечника, там мы взяли пробу земли. С другой стороны дороги никаких растений посажено не было и там мы также взяли пробу земли. Предполагаем, что земля с одной и другой стороны дороги равномерно впитывала тяжелые металлы.

Выдвигаем гипотезу, что земля на которой прорастал подсолнух будет отличаться по содержанию тяжелых металлов от земли с соседнего участка, покрытого травой, без подсолнухов и каких-либо кустарников, деревьев.

Цель работы: оценить эффективность подсолничника в процессе фиторемедиации почвы.

Задачи:

1. Изучить теоретическую часть, проанализировать ее.

2. Исследовать механизмы поглощения тяжелых металлов подсолнухами

3. Изучить преимущества подсолнечника как сидерата

4. Взять образцы земли с контрольного участка дороги

5. Провести эксперимент по обнаружению соединений тяжелых металлов (медь и цинк)

6. Сравнить результаты, сделать выводы

Объектом исследования нашей работы будем считать тяжелые металлы.

Предмет исследования – роль подсолнечника в процессе фиторемедиации почвы.

Актуальность данной темы заключается в следующем: в условиях увеличения промышленного производства и урбанизации значительно возрастает уровень загрязнения почвы и воды, особенно тяжелыми металлами (свинец, кадмий, ртуть и др.). Это приводит к негативным последствиям для экосистем и здоровья человека. Общество нуждается в инновационных подходах к восстановлению природных ресурсов и поддержке природного баланса.

В решении поставленных задач были использованы основные биологические методы познания мира.

1. Поисковый. Изучение литературы и других источников информации.

2. Анализ почвы с контрольного участка. Метод, который позволил исследовать физические и химические свойства почвы.

3. Сравнение образцов почвы, чтобы выявить различия и сходства между ними.

4. Описательный метод помог нам описать процесс исследования
   и зафиксировать наблюдения. Также использован для оформления результатов.

5. Анализ полученной информации. Важный этап, позволяющий сделать выводы и сформулировать рекомендации на основе полученных результатов.

Глава 1. Обзор литературы

1. 1. Подсолнечник и его свойства

Подсолнухи – крупные, яркие, радующие глаз цветы, похожие на солнце. Природные поставщики сырья для производства растительного масла, используемого во многих направлениях.

Подсолнечник уже более двух веков успешно выращивается российскими аграриями как ценная сельскохозяйственная культура. Это растение дает не только качественное масло из своих семян, но и полезные побочные продукты, широко используемые в животноводстве. Особую ценность подсолнечнику придает его уникальная способность расти
в засушливых условиях благодаря мощной корневой системе, которая позволяет добывать влагу из глубоких слоев почвы. Такие характеристики делают эту культуру особенно важной для российского сельского хозяйства, обеспечивая стабильные урожаи даже при неблагоприятных погодных условиях.

Подсолнух имеет способность поворачиваться вслед за солнцем. Этот феномен называется гелиотропизмом. Молодые подсолнухи как бы "танцуют" с солнцем, поворачивая свои головки с востока на запад в течение дня.
В непогоду, когда солнца не видно, подсолнухи смотрят друг на друга.
А взрослые подсолнухи, как правило, смотрят на восток и за солнцем, больше не следят.

Подсолнечник имеет удивительную жизнестойкость. Благодаря трехметровым корням, он как природный насос добывает влагу и питание из глубинных слоев почвы. Это позволяет ему давать хороший урожай даже
в засушливые годы, когда другие культуры страдают от недостатка воды.

Родина этого растения — Северная Америка, где он рос в диком виде небольшими зарослями. В XVI веке подсолнечник попал в Европу как декоративное растение, а в России появился при Петре I. Интересно, что его ценность как масличной культуры обнаружили только в начале XIX века.

Кроме того, эта культура отличается особой выносливостью. Его семена прорастают уже при температуре 2-5°C, молодые всходы способны пережить кратковременные заморозки до -5°C, хотя для активного роста оптимальная температура 22-25°C. Полный цикл развития подсолнечника занимает от 70 до 140 дней в зависимости от сорта и погодных условий.

От посева до сбора урожая растение проходит пять основных стадий развития: сначала появляются всходы, затем формируются настоящие листья, после чего начинает образовываться корзинка, наступает цветение и, наконец, созревают семена [3].

Подсолнечник имеет необыкновенные свойства: это его способность
к фиторемедитации и использование его как сидерата.

Фиторемедиация – это метод использования растений для очистки загрязненной окружающей среды.

Данный процесс является экологически безопасным и может быть эффективным в устранении различных видов загрязнений, включая тяжелые металлы, пестициды и органические соединения. Однако далеко не все растения могут выжить после поглощения радиоактивных нуклидов - многие из них погибают от отравления. Но не подсолнухи — они в состоянии продолжать рост даже после попадания в корни и стебель токсичных веществ.

Возможности применения подсолнечника в фиторемедиации:

• Удаление металлов из почвы. Металлы в основном накапливаются
  в листьях подсолнечника, поэтому семена растения можно собирать.

• Предотвращение вымывания излишков нитрата из пахотной почвы и загрязнения грунтовых вод. Подсолнечник поглощает нитрат из почвы для роста и может оставаться на поле в качестве зелёного удобрения.

• Очистка почвы и воды от радионуклидов. Такая возможность была продемонстрирована, например, на территории, заражённой ураном, или на небольшом водоёме в километре от четвёртого реактора Чернобыльской АЭС.

1. 2. Проект «Подсолнух» после аварии на Чернобыльской АС

Авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году стала трагедией, затронувшей не только Украину, но и всю Европу. Масштаб экологических последствий потребовал привлечения ведущих мировых экспертов для борьбы с радиационным загрязнением. Ликвидация последствий началась практически сразу после тушения пожара. Среди множества предложенных решений, особое внимание привлекло использование подсолнечников для очистки заражённых территорий [5].

Спустя несколько лет — в 1994 году — в чернобыльской зоне отчуждения стартовал проект под условным названием «Подсолнух». Группа ученых высадили на участке площадью 75 м2 в километре от закрытой АЭС семена подсолнечника.

Когда первая партия растений выросла до необходимого уровня, специалисты измерили количество радиоактивных веществ, накопившихся
в них. Результаты показали, что в корнях подсолнухов скапливается цезий,
а в ростках собирается стронций. В течение 10 дней из почвы на выделенном участке было удалено около 95% радионуклидов. Впоследствии подсолнухи утилизировали как радиоактивные отходы.

Через два года эксперимент был повторен, но уже на большей площади. Авторы методики заключили, что подсолнухи позволяют существенно снизить концентрацию радиоактивных изотопов цезия и стронция за несколько недель.

Подсолнухи переносят попадающие в них радиоактивные вещества от корня к побегу. За счёт этого растения можно срезать или удалить вместе
с корнем, а затем утилизировать с помощью пиролиза — это процесс, при котором биомасса нагревается в отсутствии воздуха и образует жидкие, твердые или газообразные продукты. Обычно радиоактивные подсолнухи превращаются в подобие стекла, которое затем можно захоронить под землей.

1. 3. Подсолнечник – сидерат

Сидераты — это растения, которые выращивают для улучшения структуры и питательности почвы. Корневая система подсолнечника проникает глубоко в почву, что способствует аэрации и разрыхлению, улучшая ее структуру.

Использование подсолнечника как сидерата особенно полезно
в севообороте, он может помочь не только улучшить почву, но и подготовить ее к последующим культурам [4].

Преимущества подсолнечника как сидерата:

1. Корневая система подсолнечника способствует аэрации и улучшению структуры почвы.

2. Подсолнечник способен накапливать различные питательные вещества, которые остаются в почве после его переработки.

3. Высокие стебли растения помогают защитить почву от эрозии.

4. Быстрый рост подсолнечника и его плотная листва создают условия, неблагоприятные для роста сорняков.

5. Во время цветения подсолнечник становится магнитом для пчел
   и шмелей. Эти насекомые способствуют опылению, что, в свою очередь, увеличивает урожайность.

6. Стебли подсолнечника в измельченном состоянии можно использовать в виде мульчи. Через год земля станет более рыхлой
   и плодородной.

1. 4. Подсолечник в производстве

На территории Кубани ежегодно собирают более 1 мил, тонн урожая подсолнечника. Такой высокий показатель урожайности складывается из двух факторов: климатические условия и плодородные (черноземные) почвы. Кубань имеет благоприятные условия для выращивания подсолнечника, что делает его одной из ключевых сельскохозяйственных культур региона.

Урожай используются в различных отраслях:

1. Подсолнечник является основным источником подсолнечного масла, которое широко используется как в кулинарии, так и в промышленности.

2. Подсолнечные семена продаются в сыром виде как закуска или используются в кондитерских изделиях.

3. Мука из семян подсолнечника используется для обогащения хлебобулочных и кондитерских изделий, макарон, детского и диетического питания. Также мука служит сырьём для производства растительных аналогов молока, йогуртов, сыров.

4. Остающиеся после отжима масла жмых и шрот подсолнечника используются как корм для скота, благодаря высокому содержанию белка.

5. Подсолнечное масло находит применение в косметической
   и фармацевтической промышленности.

6. Лузга подсолнечника используется для производства биотоплива — топливных брикетов

Семена подсолнечника под своей оболочкой скрывают такие элементы, как калий, кальций, магний, фосфор, цинк, витамины А, С, D, Е, PP, группы В. Интересно, что в 100 г семечек содержится 311 мг магния.

Семечки ценны как пищевой продукт, так как содержат комплекс природных биологически активных соединений: каротиноидов, фосфолипидов, способствующих нормализации жирового обмена, снижению содержания холестерина в организме. Уникальность семечек заключается
в том, что на протяжении долгой зимы, в отличие от фруктов, они не теряют своей полезности, так как под прочной оболочкой ядро надежно защищено от воздействия внешней среды. Кроме того, в семенах подсолнечника содержатся полиненасыщенные жирные кислоты, важные для здоровья человека.
В высушенных семечках сохраняются «живые» компоненты – фосфолипиды, стеролы, жирорастворимые витамины, препятствующие старению. Однако, все перечисленные достоинства относятся именно к высушенным семечкам, так как при жарке уничтожается до 90% полезных веществ.

Подсолнечник – уникальный медонос. 1 га «дает» до 50 кг меда. Пчелиная семья собирает от 8 до 12 кг меда с одного растения. Мед имеет золотистый, светло-янтарный цвет и терпкий вкус. По ферментной активности превосходит другие сорта меда для нормализации работы всех систем организма человека.

Но из всех перечисленных свойств и качеств данного растения, нас заинтересовала фиторемедиации почвы подсолнухами. И мы решили узнать это в лаборатории.

Глава 2

2.1. Методика исследования

Изучив более подробно теоретическую часть, нам было важно подтвердить или опровергнуть выдвигаемую нами гипотезу. Для это мы взяли две пробы земли с одного загрязненного участка дороги. С одной стороны земля на которой прорастают подсолнухи (высаживаются не первый год)
с другой – земля покрытая обычной травой и сорняками (Приложение 1).

Если опираться на данные, что транспортный комплекс в настоящее время является одним из мощных источников загрязнения окружающей среды, а статистические данные за 2024 г показывают пропускную способность трассы Анапа-Краснодар (именно с этого участка дороги были взяты образцы) 40 тыс. машин в сутки, то смело можно делать вывод о том, что верхний слой почвы прилегающих к автомагистрали, загрязнен тяжелыми металлами.

Образцы земли мы взяли очищенной лопатой в одинаковом объёме,
в один день. Почва была взята из слоя глубиной 50-100 см. у двух образцов. Поместили в одинаковые пластиковые контейнеры и отнесли в лабораторию.

Грунт взятый с поля, где растут подсолнухи мы обозначили как «Образец 1», грунт с участка где растут сорняки – «Образец 2».

Далее мы приступили к исследовательской части. Для начала, нами была изучена техника безопасности во время лабораторных испытаний. Надев перчатки, шапочку и халат мы приступили к основной работе.

Для оптов нам потребовалось:

• Образцы земли 2 шт

• Ложка 2 шт.

• Мерный стакан 2шт

• Магнитная мешалка 1 шт.

• Воронка химическая стеклянная большая 1шт.

• Воронка химическая стеклянная маленькая 1шт.

• Бумажный фильтр 2 шт

• Мерный цилиндр 4 шт

• Дозатор пипетный 1 шт

• Пробирки 6 шт.

• Штатив 2 шт

• реактивы: раствор HCL 15% (соляная кислота), NH3 (раствор аммиака), NaOH (раствор гидроксида натрия).

Ход работы:

1. Подготовить образцы почв: отобрать инородные включения, камни;

2. Промыть грунт водой в ёмкости, чтобы отделить более тяжелые частицы – они должны осесть;

3. Профильтровать полученный раствор через фильтровальную бумагу;

4. Поместить грунт в химический стакан и залить 15% раствором соляной кислоты (аммиаком). Оставить на 12 – 24 часа на магнитной мешалке, HCl вступит в реакцию с нерастворимыми в воде солями и оксидами металлов (Приложение 2);

5. Профильтровать готовый раствор через фильтровальную бумагу чтобы отделить нерастворимый остаток;

6. Разлить раствор по 6 пробиркам (Приложение 3).

Для обнаружения ионов меди:

1. Закрепить бюретку для тестирования на штативе, зафиксировав ее лапкой

2. Налить в бюретку с помощью маленькой воронки раствор NH3 до отметки

3. Поставить под носик бюретки колбочку с раствором профильтрованного грунта. Потихоньку открыть краник на бюретке, по капельке добавить раствор NH3, медленно помешивая до получения голубого осадка.

Появление характерной окраски указывает на наличие ионов меди в почве.

Для обнаружения ионов цинка:

1. Закрепить бюретку для тестирования на штативе, зафиксировав ее лапкой

2. Налить в бюретку с помощью маленькой воронки раствор NaOH до отметки

3. Поставить под носик бюретки колбочку с раствором профильтрованного грунта. Потихоньку открыть краник на бюретке, по капельки добавить раствор NaOH, медленно помешивая. Сначала будет наблюдаться выпадение белого осадка, а при дальнейшем добавлении раствора щелочи его растворение.

В таблицу мы занесли результаты полученные в ходе лабораторного исследования:

2.2 Результаты и обсуждение

Образец 1 при лабораторных исследованиях показал следующие результаты (Приложение 4):

1. При воздействии на раствор почвы раствором NH3 голубого осадка мы не наблюдали. Раствор чуть стал светлее. Мы делаем вывод, что
   в данном образце почвы ионов меди не обнаружено.

2. При воздействии на раствор почвы раствором NaOH выпадение белого осадка мы не наблюдали. Мы делаем вывод, что в данном образце почвы ионов цинка не обнаружено.

Образец 2 при лабораторных исследованиях показал следующие результаты (Приложение 5):

1. При воздействии на раствор почвы раствором Np голубого осадка мы не наблюдали. Раствор чуть стал светлее. Мы делаем вывод, что
в данном образце почвы ионов меди не обнаружено.

2. При воздействии на раствор почвы раствором NaOH Мы наблюдали белый осадок. Делаем вывод, что в данном образце почвы обнаружены ионы цинка.

В результате проведения лабораторных исследований определено, что
в земле, собранной со стороны дороги, где растут подсолнечники не обнаружено тяжелых металлов (меди и цинка), а в земле взятой с поля без подсолнухов обнаружены ионы цинка.

Результаты подтверждают выдвинутую гипотезу что земля на которой прорастал подсолнух отличаться по содержанию тяжелых металлов от земли с соседнего участка, покрытого травой, без подсолнухов и каких-либо кустарников, деревьев.

Остается ответить на самый главный вопрос, который встает, после подтверждения нашей гипотезы: можно ли такие подсолнухи, которые впитали тяжелые металлы, использовать в пищевой промышленности? Однозначного ответа мы дать не можем, так как не ставили цель определить количество тяжелых металлов в растении. Из литературных и правовых источников мы узнали, что цинк в небольших количествах является необходимым микроэлементом для растений и животных, его присутствие
в почве может быть полезным. Однако при высоких концентрациях, вызванных загрязнением, цинк может стать токсичным и негативно сказаться на экосистемах.

Конечно, те подсолнухи, которые высаживали после Чернобыльской катастрофы не могли употребляться в пищу, как и любые другие которые участвовали в процессе фиторемедиации почвы от опасных токсичных соединений.

Заключение

Выполненная работа носит исследовательский характер, состоит из введения, первой главы теоретической, второй главы, описывающей практическое выполнение поставленных задач, заключения, списка источников информации и приложения с иллюстрациями к теоретической части, а также фотографиями результатов работы над практической частью проекта.

В данной работе рассматривался вопрос об эффективности свойств подсолничника как сидерата и его роль в процессе фиторемедиации почвы.

В ходе работы было изучено значительное количество информационных источников, проведен анализ образцов почвы, выполнены сравнения двух образцов, сделаны выводы.

Цель работы была достигнута, путем последовательного решения поставленных теоретических и практических задач.

Гипотеза была доказана в ходе лабораторных исследований.

Практическая значимость результатов работы заключается
в рекомендации высаживания полей подсолнечника вдоль автомобильных трасс с большой интенсивностью движения, а также в местах экологических катастроф с поражением почвы тяжелыми металлами (пролив нефтепродуктов и др.).

Целесообразно разрабатывать проекты по восстановлению экосистем, загрязненных тяжелыми металлами с использованием данного растения. Результаты нашей работы имеют важное значение для улучшения экологической ситуации и разработки новых методов восстановления загрязненных территорий. Подобные исследования могут помочь разработать новые экологически чистые методы очистки загрязненных земель.

Список литературы

1. Кузнецова, И. В. Влияние тяжелых металлов на растения. — Новосибирск: Издательство Сибирское университетское, 2019

2. Пасечник В.В. Биология 6 класс — Москва: Издательства Дрофа, 2016

3. Сидорова, Е. Н. Подсолнух как средство очистки почв от тяжелых металлов. — Санкт-Петербург: Издательство Экология. 2020

4. https://vrn-agro.ru/podsolnechnik-chto-soboj-predstavlyaet-osobennosti-podsolnechnika/?ysclid=mf9i2f9555301029296

5. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.9f58c2ed-68bd6059-689494ea-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Hyperaccumulator

6. https://www.ixbt.com/live/science/kak-obyknovennyy-podsolnechnik-stal-neozhidannym-oruzhiem-protiv-radiacii-chernobylskiy-eksperiment.html

Приложения