XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Как горох и водоросли помогают нам определить загрязнение территории около дороги вредными веществами

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Попова В.Е. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования - Городской детский экологический центр

Швецова Т.Р. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования - Городской детский экологический центр

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность и проблема

В нашем городе около дорог бывает трудно дышать. Там часто неприятно пахнет выбросами машин. Гулять там не очень хочется, потому что шумно и пыльно. Снег у дороги отличается – он не белый, а темный и грязный. Автомобильный транспорт относится к источникам загрязнения окружающей среды. Определить, какой вред наносят загрязнения живым организмам, непросто. В этом помогают растения и водоросли.

Гипотеза 1: Растение горох поможет определить загрязнения, нерастворимые в воде (осадок из талой снеговой воды).

Гипотеза 2: Водоросль Хлорелла поможет установить загрязнения, растворенные в талой воде.

Цель исследования: провести оценку загрязнения снега в зависимости от расстояния от автомобильной дороги с применением метода биопробы.

Задачи

1. Выбрать дорогу с высокой интенсивностью движения машин; взять пробы снега на расстоянии одного, десяти и пятидесяти метров от автомобильной дороги; получить образцы талой воды с различным количеством загрязняющих веществ; подготовить пробы.

2. Провести эксперимент: прорастить семена овощного гороха, на образцах фильтрата с нерастворимыми в воде загрязняющими веществами.

3. Провести эксперимент с использованием зелёных одноклеточных водорослей (хлорелла): вырастить хлореллу на фильтрованных образцах талой снеговой воды (с возможным составом растворимых в воде загрязняющих веществ).

Объект исследования: техногенное загрязнение придорожных зон территория около дороги — участок, где наблюдается интенсивное движение автотранспорта, что приводит к загрязнению воздуха и почвы вредными веществами (оксидами азота, свинцом, сернистым газом и др.)

Предмет исследования: снеговые осадки – талая снеговая вода.

Объекты для биопробы — растения и водоросли.

Предмет исследования

1. Влияние загрязняющих веществ на рост и развитие растений. /У растений, произрастающих в условиях загрязнения среды (как и вдоль дорог), могут наблюдаться: нарушение прорастания, неравномерность или нарушение обычного хода развития, побледнение окраски листьев, отмирание ограниченных участков ткани листа, низкорослость./

2. Изменение интенсивности размножения водорослей под воздействием веществ, содержащихся в тестируемой пробе. В качестве критериев токсичности используют изменения численности клеток.

Методы исследования: эксперимент, наблюдение, определение химического состава загрязняющих веществ экспресс-методом (с помощью тестов для полуколичественного анализа воды), подсчет клеток хлореллы в камере Горяева, математическая обработка данных.

1. Теоретическая часть

В крупных городах на долю автотранспорта приходится половина вредных выбросов в атмосферу [1]. Все они попадают в почву и водоемы.

Около автомагистралей выбросы превышают предельно допустимую концентрацию. Автомобильный транспорт оказывает неблагоприятное воздействие на природную среду и человека.

Результатом воздействия выбросов и тяжелых металлов является изменение всего живого около дорог.

Опасные загрязнители - металлы. Они оказывают токсичное воздействие на человека [1]. Опасно их совместное воздействие.

Кроме того, в почву вблизи дороги поступают вещества - в результате истирания частей машины: автопокрышек, подшипников, покрытий кузова, двигателя, а также асфальтобетона. [2].

Масса газовых выбросов оседает в близи автодорог. Остальная часть может распространяться на расстояния до 200 м от дороги [3].

Эти загрязнения можно оценить по снеговым осадкам. За зиму снежный покров запасает в себе токсичные вещества, весной при таянии снега вбрасывает в почву загрязняющие вещества.

Оценка токсичности загрязняющих веществ по их концентрации не всегда точна.

Биопроба может сыграть важную роль в оценке безопасности качества талой снеговой воды.

Биологическая токсичность является более полезным способом наглядного измерения уровня безопасности всех загрязняющих веществ в воде, чем анализ химических концентраций [6].

Автор, и др. [4], сравнили токсичность индивидуальных соединений с различными способами действия, и их смесей с помощью различных биоанализов.

Большинство биопроб смогли обнаружить комбинированные эффекты сложной смеси химических веществ в образце.

Таким образом, биопроба является необходимым инструментом для оценки потенциальной опасности загрязняющих веществ [5].

2. Материалы и методы

1. 1. Ход исследования

1. Мы провели отбор проб снега в достаточном количестве для проведения исследования.

2. Получили образцы талого снега объёмом 5 литров.

3. Полученную талую снеговую воду профильтровали. Таким образом, ее разделили путем фильтрации на 2 фракции: содержащие водорастворимые и нерастворимые в воде загрязнители.

4. Провели анализ растворенных веществ в талой снеговой воде.

Перед введением раствора, содержащего хлореллу, снеговая вода в каждой емкости была оценена с помощью тестов для полуколичественного анализа воды (Рис. 7, Приложение 3).

5. Далее, провели эксперимент.

Для этого использовали тест-организмы:

• семена растения Гороха овощного - Pisum sativum L сорт «Альфа»

• водоросль хлореллу.

6. Подсчет клеток хлореллы с помощью камеры Горяева.

7. Математическая обработка данных.

8. Фотографирование хода исследований.

Методы, которые мы выбрали, дешевы и доступны.

1. 2. Отбор проб

Снег был отобран в феврале в трех точках на расстоянии 1 метра (далее точка 1), 10 метров (Точка 2) и 50 метров (Точка 3) от дороги. Площадь каждой точки отбора составляла 2,5 квадратных метра. Масса отобранного снега составляла от 5 до 6 кг. Снег отбирался лопатой в пластиковые одноразовые пакеты.

Далее, отобранный снег был помещен в пластиковые емкости для естественного таяния (Рис. 1, Приложение 1).

Время таяния снега составило порядка 12-14 часов.

Далее, полученную в результате таяния снега, воду очистили от крупных частиц путем фильтрования через ватные диски, помещенные в воронку. Фильтрат отбирался в пластиковую емкость объемов 1 литр. При необходимости (по мере загрязнения) ватный диск заменялся на новый (Рис. 2, Приложение 1).

На фильтрацию снега с Точки 1 ушло 4 ватных диска, на Точку 2 – 3 ватных диска, а на Точку 3 - один диск.

1. 3. Метод 1. Эксперимент с тест-объектом Горох (тестирование загрязнения окружающей среды нерастворимыми веществами методом выращивания растений)

Подготовка чашек Петри для выращивания семян гороха. Отобранные диски были помещены в пластиковые чашки Петри, при этом количество ватных дисков было уравнено до четырёх путем добавления чистых дисков, для сохранения гигроскопичности. Далее эти чашки были использованы для оценки загрязнения с помощью семян гороха сорта «Альфа» (Рис. 3, Приложение 1).

Выращивание семян гороха. В каждую чашку Петри было помещено по 10 семян гороха. Затем в чашки была добавлена водопроводная вода. После этого их накрыли верхней частью чашки Петри и установили на расстоянии 16 см от источника света — светодиодного светильника мощностью 35 Вт, предназначенного для выращивания рассады и комнатных растений. Ежедневно проводилась визуальная оценка состояния семян, а позже — проростков гороха.

1. 4. Метод 2. Эксперимент с тест-объектом Хлорелла (тестирование загрязнения окружающей среды растворимыми веществами методом культивирования зеленых одноклеточных водорослей)

Полученная путем фильтрации через ватные диски талая снеговая вода была помещена в стеклянные квадратные емкости в объеме до 5 литров в каждую емкость (Рис. 5, Приложение 2). В каждую из трех емкостей были погружены трубки от аэратора, с целью насыщения талой воды атмосферным воздухом, содержащим 78,08% азота, 20,95% - кислорода и 0,034-0,042% - углекислого газа по объему. Над емкостями была установлена система искусственного освещения - светодиодный светильник для выращивания рассады и комнатных растений мощностью 35 Ватт

Затем в течении 24 часов было проведено кондиционирование системы с талой водой с целью насыщения воды газами воздуха, выравнивания температуры в емкостях до комнатной температуры, а также для оседания мелких нерастворимых в воде частиц, прошедших ватные диски при фильтрации (Рисунок 6, Приложение 3).

Перед введением раствора, содержащего хлореллу, снеговая вода в каждой емкости была оценена (п.3.2) с помощью тестов для полуколичественного анализа воды (Рис. 7, Приложение 3).

Далее в каждую емкость было введено по 200 мл раствора, содержащего в 1 миллилитре 40 миллионов клеток хлореллы (Рисунок 8, Приложение 5), что в пересчете на 5000 мл привело к разбавлению количества клеток хлореллы до 1,6 млн/мл.

3. Собственные результаты

1. 1. Результаты тестирования загрязнения окружающей среды нерастворимыми веществами методом выращивания растений

В первый день наблюдения было замечено, что скорость набухания семян на ватных дисках в первой чашке заметно отличалась от остальных. Так, в первые сутки набухли 2 горошины, в то время как в чашке №2 не наблюдалось заметного набухания, а в Точке 3 набухла лишь одна горошина.

На третий день в чашке 1 набухли все 10 горошин, и было заметно прорастание 3 зародышевых корней. В чашке 2 также были набухшие горошины в количестве 10 штук, но появился лишь один проросток. В третьей чашке наблюдалось набухание 5 горошин и также появился один проросток.

С этого момента учитывались только проростки в чашках.

На четвертый день в первой чашке прорастало 9 семян, во второй — 7 семян, а в третьей — только один проросток.

На пятый день в первой чашке оставалось 9 проростков, во второй — 9 проростков, а в третьей — 5 проростков.

На 10 день опыта в чашках наблюдалось следующее: в первой чашке — 5 нормальных растений, 3 слабых растения, отстающих в росте в два раза, и 2 растения, сильно отстающих в росте — в пять раз. В чашке 2 было 9 нормальных растений, и одно отстающее в росте — в 2-3 раза. В чашке 3 также было 5 нормальных растений, одно растение, отстающее в росте в два раза, и четыре погибших проростка (рис. 4, Приложение 2).

В результате опыта на фильтрате, содержащем крупные загрязняющие частицы, можно сделать выводы о наличии в снеге в точке 1 и 2 веществ, способствующих быстрому разрушению защитных оболочек семян гороха. Как следствие, более быстрому гигроскопическому проникновению воды в горошины, что вызывает быстрое набухание семян и, следовательно, быстрое их прорастание.

При этом в точке 1 (1 метр от дороги) присутствуют какие-то загрязняющие вещества, приводящие к замедлению роста и нарушению развития растений. Это проявилось в задержке, и нарушении нормального развития. Но, по всей видимости, это загрязнение вызвано крупными частицами, оказывающими локальное негативное влияние, непосредственно на оказавшимися рядом с ними прорастающими горошинами. При этом растения, корни которых не контактировали с этими токсичными частицами, получали достаточное количество необходимых для нормального роста и развития минеральных элементов.

В точке 2 (10 метров от дорожного полотна) наблюдалось достаточное содержание необходимых растениям минеральных веществ, в виде мелких пылевых частиц. Это проявилось в отсутствии заметных нарушений в росте и развитии растений гороха. Как и в точке 1, вероятно, присутствовали вещества, влияющие на защитные оболочки семян, что приводило к ускоренному набуханию горошин.

В точке 3 наблюдаемое отставание в набухании семян, скорее всего, связано с отсутствием веществ, способствующих разрушению, или увеличению проницаемости (у защитных оболочек) семени, что приводило к более позднему прорастанию. Также, отсутствие на ватных дисках крупных пылевых частиц, приводило к нехватке минеральных веществ, необходимых для роста и развития растений. Это проявилось в задержке роста и развития растений гороха. Как следствие, затухание и гибель четырех проростков гороха.

1. 2. Результаты тестирования загрязнения окружающей среды растворимыми веществами методом культивирования зеленых одноклеточных водорослей

Перед внесением хлореллы был проведен анализ воды, который провели повторно по окончании опыта.

Первичный анализ на наличие химических веществ в растворенном состоянии

Анализ талой снеговой воды в точке 1 и 2 (1м и 10м от дороги) выявил, что в образце наблюдалась общая щелочность в количестве 40 мг/л. Вероятно, указывает на значимое содержание щелочных химических элементов в этих местах. На расстоянии 50 метров общая щелочность равна 0, что согласуется с общей жесткостью (табл. 1, Приложение 4).

В тоже время, наблюдается постепенное уменьшение содержания нитратов и нитритов в талой снеговой воде, по мере удаления от дороги, что явно указывает на то, что источником загрязнения нитратами и нитритами является автомобильный транспорт (выхлопные газы).

Также, в первой и второй точке, отмечено незначительное загрязнение снега водорастворимыми солями меди, по всей видимости источником этого загрязнения являются тормозные системы автомобилей.

Наблюдение за развитием водорослей хлореллы в образцах талой воды

После введения раствора хлореллы не было отмечено видимых изменений в цвете и мутности во всех емкостях с талой водой.

Через 5 дней после введения хлореллы было отмечено выпадение в осадок хлореллы в 1ой и 2ой точке, по всей видимости это связано с гибелью водорослей под влиянием токсичных веществ, содержащихся в талой снеговой воде. В третьей емкости тоже отмечено незначительное выпадение в осадок погибших клеток (Рис.9, Приложение 5).

После гибели первой дозы хлореллы было дополнительно введено еще по 200 мл базового раствора хлореллы.

На 10 день культивирования была проведена оценка количества клеток хлореллы методом центрифугирования в конических центрифужных пробирках с последующей примерной визуальной оценкой. Было отмечено, что в воде точки 1 и точки 2 количество хлореллы были примерно сравнимы, а в точке 3 количество клеток было примерно в 2 раза больше чем в 1 и 2 точке. (Рис. 10, Приложение 6)

На пятнадцатый день культивирования стали заметны различия между емкостями с талой снеговой водой. Это проявлялось в степени мутности и интенсивности окрашивания воды в зеленый цвет.

В точке 1 наблюдалось легкое помутнение и слабое окрашивание воды в зеленый цвет, в точке 2 – незначительное помутнение, но без заметного изменения цвета, а в точке 3 – более выраженное помутнение и интенсивное окрашивание раствора в зеленый цвет, что свидетельствует о более высоком содержании клеток хлореллы (рис. 11, Приложение 6).

Подсчет клеток хлореллы с помощью камеры Горяева

Также был проведен подсчет клеток с помощью камеры Горяева. После второго введения раствора хлореллы на 15-й день культивирования в первой точке количество клеток хлореллы достигло 22,4 миллиона на миллилитр, во второй — 9,1 миллиона, а в третьей — 37,5 миллиона. Это означает, что в первой емкости прирост клеток составил в семь раз, во второй — в 2,8 раза, а в третьей — в 11,7 раза за 15 дней.

Повторный анализ снеговой воды на наличие химических веществ

В конце опыта был проведен повторный анализ качества воды в емкостях с талой снеговой водой. Результаты показали значительные изменения в составе: во всех точках не было обнаружено нитратов и нитритов, что свидетельствует о поглощении этих веществ клетками хлореллы. Кроме того, были зафиксированы увеличения общей щелочности, общей и карбонатной жесткости, что, вероятно, является результатом жизнедеятельности хлореллы (табл. 2, Приложение 7).

Возможно, причиной первоначальной гибели части клеток хлореллы в талой снеговой воде, собранной в первой и второй точках, стало поглощение ими большого количества токсичных веществ. Клетки хлореллы связали эти вещества внутри себя, тем самым снизив их концентрацию в воде.

Чем больше клеток хлореллы погибало и оседало на дно ёмкости, тем эффективнее происходило очищение воды от токсичных веществ. То есть чем выше была изначальная концентрация загрязняющих веществ, тем лучше хлорелла справлялась с очисткой воды.

По-видимому, в точке 2 было зафиксировано пограничное содержание водорастворимых токсичных компонентов, которое не привело к массовой гибели исходных клеток, но заметно снизило темпы размножения хлореллы даже после повторного внесения. Возможно, при более длительном культивировании в условиях подобных концентраций токсичных веществ хлорелла сможет эффективно связывать их.

Отсутствие замедления роста популяции клеток хлореллы в воде из третьей точки указывает на минимальное содержание загрязняющих веществ. Это позволяет сделать вывод, что загрязнение от автотранспортных средств существенно не распространяется и не достигает расстояния более 50 метров от дороги, что вероятно связано с особенностью структуры движения струи загрязненного воздуха над автодорожным полотном.

Выводы

1. Проверили токсичность полученного осадка из талой снеговой воды. Провели эксперимент загрязнения нерастворимыми в воде токсичными веществами путем культивирования семян гороха.

Выявили:

высокий уровень загрязнения на дистанции 1 метр от дороги, промежуточное загрязнение на дистанции 10 метров,

отсутствие как загрязнения, так и необходимых для роста растений минеральных веществ в снеге на расстоянии 50 метров от дороги.

2. Проверили токсичность талой снеговой воды, содержащей растворенные загрязнения. Провели эксперимент загрязнения растворимыми в воде загрязняющими веществами путем культивирования одноклеточных зеленых водорослей (хлорелла).

Установили:

высокий уровень загрязнения растворимыми в воде веществами на дистанции 1 метра от автодороги,

а также пограничные значения на дистанции 10 метров,

и незначительные количества токсикантов в снеге на дистанции 50 метров.

Выявили: способность хлореллы очищать воду от некоторых видов химических веществ.

Заключение

В результате исследования установлено, что дистанция от дорожного полотна до 50 метров подвергается загрязнению как водорастворимыми, так и нерастворимыми в воде токсичными веществами. По мере удаления от автодороги интенсивность загрязнения снижается.

Для тестирования на наличие водорастворимых токсичных веществ успешно применили одноклеточные зеленые водоросли рода Хлорелла. Вероятно, также хлореллу можно использовать для рекультивации водных объектов, с целью снижения количества водорастворимых токсинов.

Для тестирования на наличие нерастворимых в воде загрязняющих веществ применили растения семейства Бобовых. Возможно, их также можно использовать для рекультивации почв, подвергающихся загрязнению.

Литература

1. Биомониторинг загрязнения почвы газовыми выбросами автотранспорта// Экология и промышленность России. Июнь. 2001.

2. Миронов Б.М., Саханов М.Т. О некоторых вопросах изучения рудеральной растительности городов // Экология. 2009. № 5.

3. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Г.Г. Геоэкологические принципы использования вторичных ресурсов. Тула, 2000. 360 с.

4. Иванов Д.Е., и др. Возможности применения методов биотестирования в интегральной оценке качества поверхностных источников водоснабжения населения. Текст научной статьи по специальности «Науки о здоровье». – Текст: электронный //: офиц.сайт. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnosti-primeneniya-metodov-biotestirovaniya-v-integralnoy-otsenke-kachestva-poverhnostnyh-istochnikov-vodosnabzheniya (дата обращения: 12.12.2025)

5. Семенова А.Ю., Малько С.В. Биоиндикация и эксперимент загрязнений природной среды. 2020. – Текст: электронный //: офиц.сайт. – URL: https://lib.kgmtu.ru/wp-content/uploads/no-category/4993.pdf (дата обращения: 12.12.2025)

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Рисунок 1. Процесс естественного таяния снега

Рисунок 2. Фильтрационная установка

Рисунок 3. Семена гороха сорта «Альфа»

Приложение 2

Рисунок 4. Состояние растений гороха на 10 день опыта

Рисунок 5. Система для культивирования хлореллы

Приложение 3

Рисунок 6. Система культивирования хлореллы со снеговой водой, прошедшей кондиционирование

Рисунок 7. Оценка состава снеговой воды экспресс методами

Приложение 4

Таблица 1.

Результаты физико-химических исследований

первичной талой снеговой воды

Приложение 5

Рисунок 8. Раствор с содержанием 40 млн/мл клеток хлореллы

Рисунок 9. Вид емкостей с хлореллой на 5-ый день культивирования

Приложение 6

Рисунок 10. Сравнение количества клеток после центрифугирования (объем воды 10 мл)

Рисунок 11. Визуальная оценка количества хлореллы на 15 день культивирования

Приложение 7

Таблица 2.

Изменение физико-химических свойств талой снеговой воды

(подготовка к биотестированию хлореллой)

(на разном от расстояния от дороги: 1 м, 10 м, 50 м)