XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние концентрации противогололёдного реагента на рост и развитие растений различной степени солеустойчивости

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кузьмин И.А. 1

---

1МАОУ "Медико-биологический лицей" г. Саратова

Осипова Л.В. 1

---

1МАОУ "Медико-биологический лицей" г. Саратова

Работа в формате PDF

4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Различные виды противогололедных материалов (ПГМ) широко используются в нашей стране в зимнее время для борьбы с гололедом, и потому изучение их воздействия на окружающую среду долгие годы является актуальной задачей [3, 6]. В ходе многочисленных исследований были разработаны более щадящие составы ПГМ, однако они дороги и требуют применения специальной техники, которая есть далеко не во всех регионах [2, 4]. А потому исследование рационального использования более доступных ПГМ не теряет своей актуальности.

В своей прошлой работе я занимался исследованием влияния на ПГМ рост и развитие красной фасоли. Для сравнения я взял различные виды ПГМ: фрикционные: песок и золу, и химические: Ледоруб ЭКО и GOODHIM Strong. В результате проведенных экспериментов я пришел к выводу, что наиболее токсичны для растений хлорид магния и хлорид натрия, входящие в состав Ледоруб ЭКО.

Для проведения экспериментов я использовал растворы с максимально возможной концентрацией ПГМ, рекомендованной производителем. При этой концентрации гибель растений была практически 100%-ной. Мне стало интересно, как уменьшение концентрации Ледоруб ЭКО скажется на развитии растений? И как этот реагент будет влиять на другие растения, которые считаются более солеустойчивыми?

Целью настоящей работы является выяснить, как воздействие разных концентраций противогололедного реагента Ледоруб ЭКО влияет на прорастание семян, а также на рост и развитие взрослых растений различной степени солеустойчивости.

Для выполнения работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучить литературу о механизмах воздействия солей на растения, способах адаптации растений к засолению почв, уровне pH растворов солей.

2. Определить влияние разных концентраций ПГМ Ледоруб ЭКО на прорастание семян, а также на рост и развитие взрослых растений различной степени солеустойчивости.

3. Определить влияние ПГМ на уровень кислотности почвы.

4. Провести наблюдения.

5. Обобщить результаты и сделать выводы.

Были выдвинуты следующие гипотезы:

1. Снижение концентрации Ледоруб ЭКО приведет к уменьшению негативного влияния на растения.

2. Овёс более солеустойчивая культура, чем фасоль, поэтому негативное влияние ПГМ на него будет меньше.

3. Раствор Ледоруб ЭКО не влияет на уровень pH почвы.

Объектом исследования являются семена белой фасоли, овса и ПГМ Ледоруб ЭКО.

Предмет исследования: прорастание семян растений, рост и развитие растений под влиянием различных концентраций ПГМ.

Методы исследования: чтение книг, поиск в интернете, эксперимент, наблюдение, анализ и обобщение результатов.

Результатом работы будет выявление безопасных концентраций противогололедных средств для различных растений.

Теоретическая часть

1. Воздействие солей на растение

Нас интересует влияние хлорида натрия, кальция и магния, т.к. именно эти соли входят в состав исследуемого ПГМ Ледоруб ЭКО, да и в целом являются основными компонентами большинства химических ПГМ. Как я выяснил в ходе своей предыдущей работы, хлорид кальция не оказывает губительного влияния на растения. Все эти соли хорошо растворяются в воде, однако растворимость хлорида магния сильно снижается в присутствии хлорида кальция. Выходит, что основным источником засоления от ПГМ выступает именно хлорид натрия. Как же привычная соль вредит растениям?

Оказывается, под влиянием солей, хлорида натрия в том числе, снижается скорость процессов фотосинтеза, ухудшается дыхание растений, замедляется обмен веществ, уменьшается накопление органических веществ.

Вредное действие солей на растения начинает проявляться уже на стадии прорастания семян. Семя не может поглощать влагу, необходимую для хорошего роста, и может не прорасти вовсе.

В засоленных почвах растения не могут поглощать необходимые микроэлементы из почвы (кальций, фосфор, марганец, железо) а, поступление вредных элементов (хлор, натрий, магний) увеличивается. Содержание хлора может быть в 3-4 раза, а натрия в 5-10 раз выше нормы в растениях на сильнозасоленных почвах. Большое накопление солей может приводить к увяданию, пожелтению листьев и засыханию растений.

Вредное воздействие солей на жизненные процессы растений и свойства почвы в итоге вызывают слабый рост растений, задержку фаз их развития, снижение урожайности сельскохозяйственных культур.

Избыток солей в почве влияет также на качество урожая. Например, при увеличении засоленности уменьшается длина волокна хлопка, ухудшается уровень ровности, снижается прочность волокна. Засоленные почвы также ухудшают качество плодов картофеля [7, 9].

2. Галофиты

Однако существуют растения, которые в той или иной мере приспособились к солям в почве. Наиболее адаптированными являются галофиты — растения, способные приспосабливаться к существованию на засолённых почвах благодаря наследственно закреплённым особенностям строения и жизнедеятельности. Они распространены на морских побережьях, в приливно-отливной полосе, в пустынях, полупустынях и степях на солончаках. Многие галофиты имеют суккулентный облик (толстые стебли, вздутые листья) для сохранения влаги и могут поглощать воду из концентрированных растворов. Представителями галофитов являются, например, солерос, полынь чёрная, саксаул чёрный. Галофиты различаются по механизму устойчивости: они бывают соленакапливающие (накапливают воду и соли в специальных клетках, имеют мясистые листья и стебли), солевыводящие (поглощают соли, но выделяют их наружу) и соленепроницаемые (имеют физиологические механизмы, снижающие проникновение солей в корни) [1].

3. Солеустойчивость овса и фасоли

Так как в средней полосе, где обычно зимой на дорогах используются ПГМ, много полей в непосредственной близости от проезжей части, мне стало интересно, как же применяемые реагенты будут влиять на злаковые культуры. Согласно большой работе по изучению солеустойчивости сельскохозяйственных растений, проделанной Г.В.Удовенко [8], злаки (овес, пшеница, ячмень) являются менее чувствительными к засолению почвы, чем бобовые, к которым относится фасоль, исследуемая мною ранее. Автор считает, что это связано с тем, что многие из них появились в Северной Африке и Юго-Восточной Азии, где достаточно много засоленных почв, и в результате многовековой селекции они оказались более приспособленными к таким условиям. Бобовые же произрастали в районах с достаточным увлажнением и небольшой засоленностью (Юго-Западная и Центральная Азия, горы Центральной Африки).

В связи с тем, что семена овса были у меня в наличии, я решил провести эксперимент именно с ним. Опираясь на существующие исследования, я предположил, что он будет менее восприимчив к засолению, чем фасоль.

4. Уровень pH почвы

В прошлой работе я столкнулся с тем, что при внесении большой концентрации золы в почву часть растений погибли, что можно объяснить повышением щелочности почвы. Я решил изучить данный показатель подробнее и выяснить, как внесение Ледоруб ЭКО влияет на уровень pH почвы.

Из учебника химии за 9 класс [5] я узнал, что в любом водном растворе есть ионы водорода H⁺ и гидроксид-ионы OH^-, а уровень pH показывает, каких ионов больше, и какая среда раствора – кислая (больше ионов H⁺)или щелочная(больше OH^-). Чем ниже показатель pH, тем более кислая среда, например, у лимонного сока pH = 2-3, у чистой воды нейтральный уровень pH = 7 (ионов H⁺ и OH^- поровну), у мыльного раствора щелочная среда, уровень pH = 9.

Самым простым способом определения pH раствора в домашних условиях является использование универсального бумажного индикатора, который меняет цвет в зависимости от кислотности среды, именно его я и использовал в данной работе.

Кислотность почвы является важным показателем для выращивания растений, ведь каждая культура предпочитает определенный уровень pH. Если почва слишком кислая, в нее вносят мел или известь, а для хвойных растений почву, наоборот, подкисляют торфом.

Практическая часть

1. Расчет концентраций

Рекомендованный расход реагента Ледоруб ЭКО – от 40 до 120г/м².

Воспользуемся принципом расчетов из предыдущей работы. Считаем, что слой льда для обработки реагентами имеет толщину 2 см. Необходимо рассчитать объем слоя льда площадью 1 м²:

Объем воды примем равным рассчитанному объему льда, т.е. 20л.

Тогда максимальная концентрация раствора может быть рассчитана по формуле:

Минимальная концентрация раствора:

Таким образом, для опытов будем использовать растворы Ледоруб ЭКО с минимальной концентрацией и максимальной

2. Процент всхожести семян и жизнеспособных растений

В экспериментах я брал различное количество семян овса и фасоли, поэтому для корректного анализа результатов будем использовать процент всхожести семян, а для взрослых образцов – процент жизнеспособных растений:

3. Средняя длина ростка

Для оценки влияния ПГМ на прорастание семян будем вычислять среднюю длину ростка:

4. Эксперименты

Чтобы проверить влияние различных концентраций Ледоруба ЭКО на прорастание семян овса и фасоли, был проведен опыт 1:

1. Были сформированы 3 группы семян фасоли по 10 штук и 3 группы семян овса по 15 штук каждая. Каждая группа семян помещена на ватный диск, смоченный раствором Ледоруб ЭКО в минимальной концентрации, в максимальной концентрации и обычной водой (контрольные группы). Каждая группа помещена на блюдце с соответствующей наклейкой.

2. Все блюдца были помещены в одинаковые условия освещенности и температуры.

3. Ежедневно проводился контроль всхожести семян и уровень увлажненности (при подсыхании семян добавлялось небольшое количество соответствующих растворов или воды) (Табл. 1).

4. Определен процент всхожести семян фасоли и овса и построена зависимость всхожести семян от числа дней после замачивания (Табл. 2, Рис. 1).

5. Измерена длина ростков у проросших семян и вычислена средняя длина ростка (Табл. 3), по этим данным построена диаграмма (Рис. 2).

Таблица 1

Число ростков семян фасоли и овса после замачивания

Таблица 2

Всхожесть семян фасоли и овса после замачивания, %

Рис. 1. Всхожесть семян фасоли и овса при обработке растворами с разной концентрацией Ледоруб ЭКО

Таблица 3

Длина ростков семян фасоли и овса

Рис. 2. Средняя длина ростков фасоли и овса при разных концентрациях Ледоруб ЭКО

Результаты опыта:

1. Негативное влияние Ледоруб ЭКО на семена овса менее выражено, чем на семена фасоли. Для обоих видов растений максимальная концентрация ПГМ сильно снижает всхожесть семян, в то время как минимальная практически не влияет на всхожесть овса, которая даже оказывается немного выше, чем в контрольной группе.

2. Однако сравнение средней длины ростка показывает, что присутствие ПГМ в растворе даже в минимальной концентрации приводит к замедлению роста.

Для оценки влияния растворов Ледоруба ЭКО на уже проросшие семена был проведен опыт 2:

1. Проросшие фасолины и семена овса были высажены в открытый грунт. Для этого были подготовлены три грядки, две из которых поливались растворами ПГМ в минимальной и максимальной концентрациях соответственно, а одна – контрольная, поливалась обычной водопроводной водой. Каждая группа ростков была промаркирована.

2. Все три грядки располагались рядом, имели одинаковый состав почвы и находились в одинаковых условиях освещенности.

3. Полив производился 2 раза в неделю, производился подсчет растений (Табл. 4).

4. В конце проведения опыта произведено сравнение корневой системы разных образцов.

5. Определен процент жизнеспособных растений фасоли и овса и построена его зависимость от числа дней после посадки в грунт (Табл. 5, Рис. 3).

6. Построена сравнительная диаграмма длины корня овса при разных условиях полива (Рис. 4).

Таблица 4

Число растений фасоли и овса после посадки в грунт

Таблица 5

Процент жизнеспособных растений

Рис. 3. Процент жизнеспособных растений фасоли и овса при обработке растворами с разной концентрацией Ледоруб ЭКО

Рис. 4. Длина корня овса при разных концентрация ПГМ

Результаты опыта:

1. Овес показал более высокую устойчивость к воздействую ПГМ по сравнению с фасолью. При максимальной концентрации Ледоруб ЭКО все растения фасоли погибли, в то время как овес продолжил свой рост.

2. Негативное воздействие Ледоруб ЭКО на рассматриваемые растения напрямую зависит от концентрации используемого реагента.

3. Корневая система растений овса, находящихся под воздействием более высоких концентраций Ледоруб ЭКО, менее развита, что говорит об их угнетении. Однако разница между контрольной группой и группой, поливаемой раствором с минимальной концентрацией ПГМ, незначительная. Это говорит о том, что данная концентрация допустима и практически не оказывает негативного влияния на овес.

4. Корневая система растений фасоли, находящихся под воздействием минимальной концентрации Ледоруб ЭКО, более поверхностная и разветвленная, что говорит о неблагоприятных условиях роста и торможении развития главного корня. Но при этой концентрации все же возможно развитие фасоли, в то время как большая концентрация ПГМ однозначно приводит к гибели растений.

5. В грядке, поливаемой раствором с максимальной концентрацией ПГМ, рост сорняков практически не наблюдался, что также говорит о токсичности данной концентрации для растений, особенно на стадии прорастания семян.

6. В целом при минимальной концентрации Ледоруб ЭКО растения жизнеспособны, но их развитие замедляется по сравнению с контрольной группой.

Для определения влияния растворов Ледоруб ЭКО на уровень pH почвы был проведен опыт 3:

1. Были взяты образцы почвы из каждой грядки – по 1 чайной ложке (5г).

2. Образцы почвы помещены в пробирки с кипяченой водой.

3. Через 10 минут измерен уровень pH в каждой пробирке с помощью универсального индикатора.

4. Также был измерен уровень pH кипяченой воды и раствора Ледоруб ЭКО.

Результаты опыта:

Для всех исследуемых образцов почвы, а также для чистой кипяченой воды и раствора Ледоруб ЭКО уровень pH оказался нейтральным (ориентировочно 6-7), что говорит о том, что в данном случае ПГМ никак не влияет на уровень кислотности почвы.

Это можно объяснить тем, что основным компонентом ПГМ является хлорид натрия (т.к. хлорид кальция и хлорид магния снижают растворимость друг друга), а эта соль полностью растворяется в воде и не вызывает избытка ионов H⁺ или OH^-.

Заключение

В результате проделанной работы я пришел к выводу, что Ледоруб ЭКО негативно влияет на разные растения, но степень этого влияния различна. Овёс показал более высокую солеустойчивость по сравнению с фасолью, что подтверждает его эволюционную приспособленность к более засоленным почвам.

Чем выше концентрация реагента, тем более губительно он воздействует на растения. Поэтому крайне важно при обработке проезжей части от наледи придерживаться рекомендаций производителя, стараясь использовать минимально необходимое количество реагентов. Для защиты растений, растущих вблизи дорог, нужно использовать специальные удобрения, нейтрализующие вредное воздействие ПГМ.

Использование Ледоруб ЭКО не влияет на уровень pH почвы, что является хорошим показателем, т.к. кислотность почвы также крайне важна для роста и развития растений.

Список литературы

1. Акжигитова, Н. И. Галофильная растительность Средней Азии и её индикационные свойства / Н. И. Акжигитова. — Ташкент : Фан, 1982. — 190 с.

2. Аржанухина, Софья Петровна. Совершенствование технологии применения противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.23.11 / Аржанухина Софья Петровна; [Место защиты: Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-т]. — Волгоград, 2009. — 20 с..

3. Ганжа В. А., Ковалева М. А. Химические противогололедные материалы для зимнего содержания автомобильных дорог и меры снижения их негативного влияния на экосистему // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2016. – Т. 15. – С. 1681–1685. – URL: http://e-koncept.ru/2016/96255.htm.

4. Данилов, В. П., Кондаков, Д. Ф. Низкотемпературные противогололедные композиции в водно-солевых системах, включающих ацетаты и формиаты [Текст] / В. П. Данилов, Д. Ф. Кондаков // Химическая технология. — 2011. — Т. 12, № 3. — С. 134-141.

5. Еремин В. В., Кузьменко Н. Е., Дроздов А. А. Химия. 9 класс : учебник / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, А. А. Дроздов ; под ред. В. В. Лунина. — Москва : Просвещение, 2022. — 256 с. : ил., портр., табл., цв. ил. — (ФГОС, Вертикаль). — ISBN 978-5-09-113721-7.

6. Противогололедные реагенты и их влияние на природную среду [Текст] / Л. Ф. Николаева, О. В. Оцхели, Е. Б. Поршнева, Н. Б. Флорова ; МГУ им. М. В. Ломоносова, Биол. фак., Лаб. экологии и охраны природы, Каф. высш. растений. — Москва : Диалог-МГУ, 1998. — 60 с. : ил. : 20 см.; ISBN 5-89209-316-6.

7. Рахматуллина Н.Ш., Насриддинова П.М., Акиншина Н.Г., Азизов А.А., Мирходжаев У.З. АДАПТАЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ К СОЛЕВОМУ СТРЕССУ // Научное обозрение. Биологические науки. 2022. № 1. С. 56-61.

8. Удовенко Г. В. Солеустойчивость культурных растений / под ред. Д. Д. Брежнева. — Л.: Колос, Ленинградское отделение, 1977. — 214 с. — (Научные труды ВАСХНИЛ).

9. Хамидов, М. Х. Технологии промывки засолённых земель : учебник для студентов образовательного направления бакалавриата 60812300 — «Водное хозяйство и мелиорация» / М. Х. Хамидов, И. А. Бегматов, А. Б. Маматалиев. — Ташкент : Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, 2023.

Приложение 1. Прорастание семян фасоли и овса при различных концентрациях ПГМ

0

Приложение 2. Рост фасоли и овса при минимальной концентрации ПГМ

Приложение 3. Рост фасоли и овса при максимальной концентрации ПГМ

Приложение 4. Рост фасоли и овса в контрольной группе

Приложение 5. Корни фасоли и овса в конце эксперимента

Приложение 6. Определение уровня pH почвы