V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биотестирование загрязненности вод разных источников г. Чайковского по проросткам кресс-салата

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Басова  П.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №10» г. Чайковский Пермского края

Герасимова  Н.К. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №10» г. Чайковский Пермского края

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Вода - самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете. В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, находятся взвешенные твердые частицы. В одном литре пресной воды может содержаться до одного грамма солей [1]. В последнее время оказываются сильные антропогенные воздействия на воду. Это и различные сбросы промышленных и бытовых вод, и шумовое загрязнение, и нарушение структуры водоемов при механическом перемешивании слоев воды, а также нарушение термического режима [2].

Не всегда есть возможность проводить комплексные научные исследования, требующие больших материальных затрат и специального оборудования. В таких случаях можно использовать метод биотестирования, получивший в последнее время широкое признание и распространенность. Под биотестированием - обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест - объектов. Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкое признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии [8]. Для биотестирования ученые широко используют «живые приборы» - различные организмы, реагирующие на присутствие вредных веществ. Для оценки степени загрязненности воды может использоваться кресс-салат – однолетнее растение из семейства крестоцветных (лат. Lepidium sativum).

Исходя из сказанного выше, были сформулированы цели и задачи работы.

Цель работы: оценка загрязненности вод разных источников г. Чайковский по скорости прорастания, массы, длины побегов кресс-салата.

Задачи:

Освоить методику биотестирования.

Определить точки исследования и произвести сбор проб воды.

Определить зависимость развития кресс- салата от загрязненности природных вод.

Установить степень загрязненности воды, методом биотестирования.

Гипотеза:

С помощью метода биотестирования можно оценить степень загрязнения природных вод.

Считаем, что наиболее загрязнена вода из р.Камы.

Объект исследования: воды из различных источников.

Предмет исследования: кресс-салат – однолетнее растение из семейства крестоцветных.

В работе был использован метод исследования – биотестирование.

Глава 1. Загрязнение природных вод

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологический свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду опасной для использования, нанося ущерб здоровью и безопасности населения [4].

Выделяют такие типы загрязнения поверхностных и подземных вод:

механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые проявляются в изменении физических свойств воды. Нефть и нефтепродукты, попадая в водоемы, изменяют запах, вкус, окраску, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшают количество кислорода. Вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. Фенол резко снижает биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения. Вода приобретает запах карболки.

Окисление древесной массы сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна и другие нерастворимые вещества засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства.

Радиоактивные вещества атомных электростанций концентрируются мельчайшими планктонными микроорганизмами и рыбой, затем по цепи питания передаются другим животным.

Моющие синтетические средства, поступая со сточными водами в реки и озера, снижают способность вод к насыщению кислородом, парализуя деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясо - молочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.

Пестициды и минеральные удобрения попадают с полей вместе со струями дождевой и талой воды. В водоемах они накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.

Нагретые сточные воды тепловых ЭС и др. производств причиняют “тепловое загрязнение”, которое угрожает довольно серьезными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого “цветения воды”. Загрязняются реки при гидроэнергетическом строительстве, а с началом навигационного периода увеличивается загрязнение судами речного флота [7].

Глава 2. Методы исследования

2.1.Биологический контроль окружающей среды

Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикация и биотестирование. Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токсикантов, тогда как использование биологических тест объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде. Методы биотестирования отвечают следующим требованиям: относительная быстрота проведения, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов, наличие, пригодных для индикации объектов в большом количестве [6]. Согласно принятому определению, биотестирование воды – это оценка качества воды по ответным реакциям организмов, являющихся тест - объектами [8]. Биотестирование природных вод стало широко применяться в научно- исследовательских работах с начала 80-х годов. Показатели биотестирования природных вод включены в перечень показателей для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия [10].

В качестве индикаторов токсичности используются семена сельскохозяйственных растений. Среди сельскохозяйственных культур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, виноград, розоцветные, подорожник [10].

2.2. Кресс – салат как тест объект

Кресс-салат – однолетнее овощное растение семейства «Крестоцветные», обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей [5]. Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).

Кресс-салат как биоиндикатор удобен еще и тем, что действие, стрессоров можно изучать одновременно на большом числе растений при небольшой площади рабочего места (чашка Петри, кювета, поддон и т. п.). Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на третий-четвертый день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10–15 суток.

В зависимости от результатов опыта субстратам присваиваются один из четырех уровней загрязнения [5].

1. Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90–100 %, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

2. Слабое загрязнение. Всхожесть 60–90 %. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.

3. Среднее загрязнение. Всхожесть 20–60 %. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства.

4. Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабая (менее 20 %). Проростки мелкие и уродливые.

2.3. Методика исследования.

Исследования проводились по методике, опубликованной в книге М.М. Бондарук, Н.В. Ковылиной: Биология. Дополнительные материалы к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии и экологии в 10- 11 классах [5], а также в «Практикуме по экологии и охране окружающей среды» Федоровой А. Н. [10]. Нам понравилось, что методики выполнения работ возможны для использования учащимися школ в доступной форме.

Прежде чем ставить эксперимент по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата, партию семян, предназначенных для опытов, проверяли на всхожесть. Для этого семена кресс-салата проращивали в чашках Петри, которые накрывали фильтровальной бумагой и на нее раскладывали 100 семян. Перед раскладкой семян бумагу увлажняли до полного насыщения водой. Сверху семена закрывали фильтровальной бумагой и неплотно накрывали стеклом. Проращивание вели в комнатных условиях при температуре 20–25^ОС. Нормой считается прорастание 90–95 % семян в течение 3–4 суток. Процент проросших семян, от числа посеянных, называется всхожестью.

Предлагаемый метод биологической оценки токсичности природных вод проводился поливом проростков кресс – салата испытуемой водой. Пластиковые контейнеры заполняли по 300г промытым и прокаленным чистым речным песком. Промытый и прокаленный речной песок поливали сверху одинаковым количеством испытуемой воды из разных источников до появления признаков насыщения. В каждый контейнер на поверхность субстрата укладывали по 100 семян кресс-салата. Расстояние между соседними семенами старались выдержать по возможности одинаковыми. Покрывали семена теми же речным песком, аккуратно разравнивая поверхность. Увлажняли верхние слои речного песка до влажности нижних.

В качестве контроля выступал полив отстоянной и очищенной водопроводной водой. Повторяли опыт три раза. В течение 21 дня наблюдали за прорастанием семян, поддерживая влажность субстратов примерно на одном уровне. Результаты наблюдений записывали в таблицу 1.

Таблица 1

Скорость прорастания семян кресс-салата

2.4. Результаты исследования

Наша работа была разделена на два этапа. В ходе предварительной работы нами была изучена литература, подобрана методика, разработан ход исследования, а также способы обработки результатов. На втором этапе работы было поставлено исследование, получены результаты и сделано заключение.

Работа по изучению метода биотестирования токсичности природных вод по проросткам растений индикаторов выполнялась в течение октября - ноября 2017г года. Все исследования по теме проводились в домашних условиях, при сочетании искусственного и естественного освещения. В качестве тест – растений для определения загрязненности природных вод были использованы проростки кресс-салата.

Для исследования были куплены семена кресс – салата селекционно – семеноводческой фирмы «АС» г. Москва (прил.1рис. 1).

Для определения всхожести семена кресс-салата проращивались в чашках Петри. На дно чашек Петри стлали фильтровальную бумагу, на нее раскладывала 100 семян кресс- салата, сверху его накрывали фильтровальной бумагой. Перед раскладкой семян бумагу увлажняли до полного насыщения водой. Сверху неплотно накрывали стеклом. Проращивание вели в обычных комнатных условиях. Всхожесть семян кресс- салата на четвертый день составила 96 семян из 100, т.е. 96%, что является хорошим результатом

(прил.1 рис .2).

После определения всхожести семян приступили к проведению исследования. Исследования проводились с 18 октября по 2 ноября 2017 года. В качестве субстрата использовали чистый промытый и прокаленный речной песок, который дополнительно обдавали дистиллированной водой (прил.1рис.3). Для анализа степени загрязненности использовали образцы воды с разных участков территории города Чайковского (прил.1 рис. 4):

№1 – Образец воды из–под водопроводного крана;

№2 - Образец воды из реки Кама, забранного с речного порта г. Чайковский

№3 - Образец воды с водозаборого пруда для полива садового – огородных участков реки Светлушка.

№4 - Образец дистиллированной воды, купленной в магазине автозапчасти «Фаворит», расположенного по ул.50 лет Октября, д. 4.

№5 - Образец воды из родника, расположенного по ул. Советская, д. 2/15.

Эксперимент проводился в течение двух недель, температура воздуха составляла 22- 24 градуса. Кресс- салат выращивали в пищевых пластиковых контейнерах емкостью 1000мл (прил. 1.рис.5). Для посадки использовали по 100 семян кресс- салата. В течение 21 дня наблюдали за прорастанием семян, поддерживая влажность субстрата примерно на одном уровне, поливая разными пробами воды. Наблюдение за прорастанием семян кресс – салата записывали в таблицу (табл.2, прил.2 табл.1) На основании наблюдений построили график скорости прорастания семян кресс-салата (рис. 1).

Рис.1 . Скорость прорастания семян кресс-салата

Ряд 1 – Образец воды из–под водопроводного крана;

Ряд 2 - Образец воды из реки Кама, забранного с речного порта г. Чайковский

Ряд 3 - Образец воды с водозаборого пруда для полива садового – огородных участков реки Светлушка

Ряд 4 - Образец дистиллированной воды, купленной в магазине автозапчасти «Фаворит», расположенного по ул.50 лет Октября, д. 4.

Ряд 5 - Образец воды из родника, расположенного по ул. Советская, д. 2/15.

Таблица 2

Степень загрязненности воды

по прорастанию семян кресс- салата.

Быстрее и больше всего прорастают семена в дистиллированной воде. На втором месте по скорости прорастания оказались семена кресс- салата на образце воды, взятом с водозаборного пруда для полива садово- огородных участков массива «Светлушка».Всхожесть семян оказалась 67% , что соответствует слабому загрязнению. Это подтвердило ранее проведенные исследования Шамиевой Альбины (2013г), Ведровой Ирины (2015г). «Биоиндикация загрязненности воды водозаборного пруда для полива садово- огородных участков массива «Светлушка» с помощью биоиндикатора ряска малая». К нашему удивлению родниковая вода угнетает прорастание семян, их взошло только 42%,что соответствует среднему уровню загрязнения. Семена кресс- салата проросли на 26% на образце воды из реки Кама, забранного с речного порта г. Чайковский, это соответствует среднему загрязнению. Ранее проведенное исследование Шамиевой Альбины (2014г) «Экспресс- оценка загрязненности вод Воткинского водохранилища бассейна реки Кама по флуктуирующей ассиметрии леща», показало, что вода реки Кама имела уровень загрязнения – среднее загрязнение. И, наконец, сильное загрязнение оказалось у образца воды, взятого из–под водопроводного крана. Здесь проросло лишь 19% семян кресс- салата. Думаем, что вода из-под крана насыщена ионами железа, которые ингибируют рост проростков кресс- салата. После окончания постановки исследования, определили длину растений кресс-салата (прил. рис.6,7). Высота растений определялась по высоте побега. Данные по измерениям средней высоты проростков кресс – салата представлены на рисунке 2, таблице 3 и в приложении 2 таблице 2.

Таблица 3

Угнетение длины и массы проростков кресс- салата.

Из рисунка видно, что сильно угнетены проростки в образцах воды из–под водопроводного крана- 33%, с водозаборного пруда для полива садового – огородных участков реки Светлушка - 35%, из реки Кама - 48%.

Было интересно узнать какова масса проростков кресс- салата, выращенных на разных пробах воды. Данные по измерениям представлены на рисунке 3, таблице 3 и в приложении 2 таблице 3.

Видим, что низкая масса проростков растения- тестера оказалась, в образцах №1 и 3: воды из–под водопроводного крана и воды с водозаборного пруда для полива садового – огородных участков реки Светлушка. Угнетение массы проростков оказалась на 21% и 31,5% соответственно.

Токсическое действие пробы считается доказанным, если в эксперименте зафиксирован токсический эффект торможения роста проростков на 50 % [9]. Результаты измерений показывают токсичное действие на высоту побега и массу растения кресс- салат воды из–под водопроводного крана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведем итоги биологического тестирования.

Нами была освоена методика биологического тестирования с помощью растения - индикатора кресс- салата.

Заметных морфологических изменений (искривление побегов, изменение внешнего вида листьев) в эксперименте не наблюдалось.

Биотестирование доказывает токсичное действие воды из водопроводного крана на высоту побега и массу кресс- салата.

Тест- объекта показывает сильную загрязненность образца воды, взятого из водопроводного крана.

Загрязнение вод на территории города Чайковский соответствует в основном слабому и среднему уровням загрязненности.

Кресс-салат – овощное однолетнее растение может быть использован как биотестер загрязнения воды.

Результаты эксперимента подтверждают ранее проведенные исследования 2013 и 2015гг.

Однако делать однозначные выводы о степени загрязненности воды, учитывая только процент всхожести семян, длину и массу проростков нельзя. На всхожесть семян и качество проростков влияет не только загрязнение воды, но и водно-воздушный режим.

В перспективе планируется усложнить опыт и учесть другие факторы. Соответственно более достоверно определить уровень загрязнения воды ,учесть распределение металлов, участвующих в загрязнении: определить коэффициент концентрации химических элементов (Kc) и суммарный показатель загрязнения (Zc).

Данное исследование может быть использовано учителями и школьниками для работы на уроках:

- природоведения, при изучении темы «Гидросфера», «Загрязнение окружающей среды»;

- экологии – «Загрязнение воды», «Влияние деятельности человека на состояние почв, воды», «Мониторинг окружающей среды», «Растения – биоиндикаторы».

Данные о кресс-салате будут интересны при изучении ботаники в теме «Класс Двудольные растения. Семейство Крестоцветные».

Работу можно рекомендовать руководителям экологических и краеведческих кружков, клубов, преподавателям курса «Учебно-исследовательская деятельность школьников». Фотоматериал можно демонстрировать как наглядное пособие при обучении школьников правилам ведения биологических исследований.

К работе прилагается презентация, выполненная автором, в которой отражены основные этапы работы по заявленной теме.

Список литературы:

1.Алексеенко В,А. Жизнедеятельность и биосфера. [Текст] /В.А. Алексеенко// - М.:Логос, 2005. - 240с.

2. Артемьев А.В. Сравнительный анализ Антропогенного загрязнения снежного покрова и гидросферы урбанизированных ландшафтов. [Текст]/ А.В. Артемьев, Е.Ю.Выговская, О.Е. Жукова // Экология и промышленность России. 1999.№4.С.32-35.

3. Аюпова Т.М. Еще раз про сады-огороды [Текст] / Аюпова Т.М.// БТД – 59,№ 102 от 18 ноября 2011.

4.Большой справочник школьника. [Текст]// М.:Дрофа, 1995 – 240с.

5.Бондарук, Н. В. Ковылина. Биология. Дополнительные материалы к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии и экологии в 10- 11 классах. [Текст]/ авт.-сост. М. М. Бондарук, Н. В. Ковылина. – 2-е изд., стереотип. Волгоград: Учитель, 2008

6. Лысенко Н. Л. Биоиндикация и биотестирование водных экосистем. [Текст] / Н. Л.Лысенко // Биология в школе, 1996, №5, с.12

7.Никаноров A.M. Экология для студентов вузов и специалистов экологов.[Текст]/ /А.М.Никаноров, ТА. Хоружая// - М.: «издательство ПРИОР», 1999.-304 с.

8.О.П.Мелехова, Е.И.Сарапульцева, Т.И.Евсеева и др. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирования: учебное пособие для студ. Высш.учеб. заведений.[Текст] / под ред.О.П.Мелеховой и Е.И.Сарапульцевой. – 2-е издание, испр. – М.:Просвещение, 1982. – С.493 – 500. – 484 с.

9.Федорова А. Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учебное пособие для студ. высш. уч. заведений. [Текст] / А.Н. Федорова, А.Н. Никольская.// М.:Гуманит.. изд. центр Владос. 2001.- 288 с.

10. Ю.С.Григорьев, И.К.Григорьева Экология: Лабораторный практикум для учащихся школ и студентов вузов, проводимый на базе учебной экологической лаборатории, разработанный на кафедре экологии Красноярского государственного университета. [Текст] / Сост. Ю.С.Григорьев, И.К.Григорьева; Красноярский государственный университет, Красноярск, 1997. 30с.

Приложение 1

Рис 3. Подготовка речного песка для эксперимента

Приложение 2

Таблица 1