V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение поглощения тяжелых металлов в органах растений гистохимическим методом

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Долинина  К.Д. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Худякова  Л.П. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Работа в формате PDF

279.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Среди многочисленных веществ, загрязняющих биосферу, тяжелые металлы считаются самыми опасными. Они поступают в почву, водоемы и атмосферу как в результате естественных процессов (выветривание горных пород, вулканическая деятельность), так и в результате хозяйственной деятельности человека. Загрязнение почвы солями тяжелых металлов влияет на рост и развитие сельскохозяйственных культур, на здоровье человека, использующего эти культуры.

Объектом нашего исследования стали семена и проростки белой горчицы, предметом исследования – особенности накопления и распределения ионов тяжелых металлов в органах растения.

Цель нашего исследования: определение локализации ионов тяжелых металлов в различных частях растений.

Гипотеза исследования: тяжелые металлы неравномерно распределяются в вегетативных органах растений, наибольшее их содержание должно быть в листе.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) изучить литературу по теме исследования

2) рассмотреть влияние солей меди, свинца, цинка на растения

3) исследовать особенности накопления, распределения ионов тяжелых металлов в различных частях растения

4) научиться применять гистохимический метод при проведении лабораторного исследования.

В своей работе мы использовали следующие методы: анализ литературы, наблюдение, эксперимент.

Глава 1. Гистохимический метод определения тяжелых металлов

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы – группа металлов, имеющих молярную массу более 40-50 г/моль и плотность более 5г/см³. В малых количествах тяжелые металлы являются необходимой частью живых организмов. В научной литературе их называют микроэлементами. Они по-разному влияют на биохимические процессы. Но накопление тяжелых металлов может привести к сильному изменению состояния любого организма. Например, к снижению скорости роста, увяданию надземной части растения, повреждению его корневой системы или к изменению водного баланса. У животных возникают заболевания различных систем органов: дыхательной, пищеварительной, эндокринной и нервной систем.

К тяжелым металлам относятся, например, медь, свинец, цинк [3,4].

Медь Cu необходима растениям для образования хлорофилла, активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, фиксации азота, входит в состав пластоцианина, участвующего в фотосинтезе, и некоторых других медьсодержащих белков и окислительных ферментов. Она повышает засухо-, морозо- и жароустойчивость растений. Токсическое действие меди в повышенных концентрациях проявляется в снижении накопления фитомассы, уменьшении содержания хлорофилла. Высокие концентрации этого металла приводят к развитию металлотоксикозов (хлорозы, некрозы, ингибирование роста корней и побегов), вплоть до полной гибели растений.

Цинк Zn также влияет на процесс фотосинтеза, углеводный обмен, синтез белка, на образование витаминов группы В. Под влиянием цинка в растениях увеличивается образование гормона роста-ауксина, повышается засухо-, морозо- и жароустойчивость растений.

Токсичное действие свинца (Pb) на растения связано, главным образом, с нарушением фотосинтеза, а также роста растений. В основном он накапливается в корнях растений. Однако следует отметить, что фитотоксичность этого металла менее выражена по сравнению с многими другими тяжелыми металлами. Это объясняется тем, что в почве катионы металла быстро связываются с образованием малорастворимых соединений. Вследствие этого свинец становится малоподвижным и утрачивает свою доступность для растений.

Гистохимический метод

В основе гистохимического метода лежит соединение принципов и методов химического анализа с принципами и методами морфологического изучения клеток и тканей, используемыми в цитологии и гистологии. Благодаря этому обеспечиваются существенные преимущества в изучении организации растительных и животных тканей, т.к. выявленное химическое вещество можно связать с определенной тканевой или клеточной структурой, т.е. установить его локализацию [2]. Гистохимический метод находит широкое применение в гистологии, цитологии, эмбриологии, патологической анатомии, экспериментальной и клинической морфологии. С помощью разнообразных методов современной гистохимии можно судить об особенностях функционирования различных тканевых и клеточных структур, определять характер и темп обменных процессов в клетках и тканях, обнаруживать ранние проявления заболеваний.

Непременным условием проведения гистохимического метода исследования является сохранение структуры тканей и клеток в состоянии, близком тому, какое имеется в живом организме. Это достигается получением срезов свежезамороженных тканей с помощью ножа глубокого охлаждения и криостата, а также использованием лиофильной сушки.

Этот метод можно использовать для биотестирования почвы, в которой выращиваются растения, для экологического мониторинга загрязненной территории.

Гистохимический метод можно использовать для определения локализации тяжелых металлов в органах растений [1]. Для визуализации распределения и ориентировочной концентрации тяжелых металлов можно использовать металлохромные индикаторы (металлоиндикаторы). Это вещества, образующие окрашенные внутрикомплексные соединения при определенных значениях рН. Интенсивность окраски этих соединений пропорциональна количеству комплексообразователя. К таким индикаторам относится дитизон (рис.1). Это качественный реактив на ионы меди (II), свинца, цинка [6]. С этими металлами дитизон образует соли, имеющие разный оттенок красно-коричневого цвета.

Рис.1. Дитизон

Горчица белая

Горчица белая Sinápis álba – однолетнее растение, относится к семейству Капустоцветных [5].

Царство: Растения

Отдел: Цветковые

Класс: Двудольные

Порядок: Капустоцветные

Семейство: Капустные

Род: Горчица

Вид: Горчица белая

Горчица используется в качестве кормовой культуры или как сидерат. Хорошо восстанавливает бедные почвы — быстро производит органическое вещество, которое заделывается в почву (через 30-50 дней от посева) и обогащает её азотом и фосфором; поглощает труднорастворимые минералы и переводит их в легкодоступные формы; отличный разрыхлитель для тяжелых почв, улучшает структуру почвы; подавляет рост сорняков до посева основной культуры или после уборки урожая; выделяемые горчицей вещества препятствуют росту плесени и бактерий, поэтому посадка горчицы после томатов, картофеля и др. овощей, значительно снижает в почве количество патогенов фитофторы, парши, гнилостных микроорганизмов; позволяет сократить севооборот и вернуть основную культуру на прежнее место раньше требуемых сроков на год или два; на почвах, где выращивается белая горчица, резко снижается количество проволочника и слизней; при поздней посадке нескошенная горчица остается в качестве мульчи, выполняет функцию снегозадержания; посеянная весной белая горчица во время цветения является хорошим медоносом.

Выводы по главе 1

Нами была проанализирована литература по теме исследования, установлена сущность гистохимического метода анализа, влияние ионов тяжелых металлов на растения.

Глава 2. Опыты с растворами солей тяжелых металлов

Для проращивания семян белой горчицы использовали чашки Петри, на дно которых ровным слоем насыпали одинаковый объем прокаленного песка. В каждую чашку сажали по 50 семян. Однократно поливали растворами солей хлорида меди (II), ацетата свинца, сульфата цинка разной концентрации. Растворы разной концентрации готовили методом разведения наиболее концентрированного раствора. В литературе мы нашли, что предельно допустимая концентрация ионов меди (II) – 500 мг/л, ионов свинца – 50 мг/л, ионов цинка – 1000 мг/л.

Использовали следующие растворы (таблица 1).

Таблица 1

Концентрации ионов металлов

После закладки семян в песок их однократно поливали раствором соли тяжелого металла, в остальное время по мере подсыхания увлажняли дистиллированной водой. В контрольном варианте использовали дистиллированную воду.

Проращивание семян проводили в течение 14 дней при постоянной температуре в темноте. На свету происходит накапливание хлорофилла в зеленых частях растения, что мешает определению локализации солей тяжелых металлов.

На протяжении всего эксперимента вели дневник наблюдений (приложение 1).

На следующем этапе работы готовили срезы тканей, окрашивали их раствором дитизона с последующей фиксацией в виде временных микропрепаратов.

Раствор дитизона готовили следующим образом: навеску дитизона массой 3 г (1-2 кристаллика) растворили в смеси из 6 мл ацетона и 2 мл дистиллированной воды. Готовили его непосредственно перед началом работы, так как он долго не хранится.

На срез капали 1-2 капли реактива. Ждали 3-5 минут. После этого с помощью цифрового микроскопа Digital Blue QX5 определяли локализацию и интенсивность окраски. Отмечали её по следующей шкале:

0 - отсутствие окрашивание,

1 – очень слабое окрашивание,

2 – слабое окрашивание,

3 – окрашивание средней интенсивности,

4 – окрашивание высокой интенсивности,

5 – окрашивание очень высокой интенсивности.

Результаты представлены в таблицах 2 - 4.

Таблица 2

Локализация солей меди (II)

Таблица 3

Локализация солей свинца

Таблица 4

Локализация ионов цинка

Выводы по главе 2

Проведя исследование, мы пришли к следующим результатам:

среди представленных металлов наиболее токсичными по отношению к горчице являются ионы меди;

ионы цинка накапливаются в основном в корне и листе;

ионы свинца и меди накапливаются во всех вегетативных органах, но больше в стебле и листе;

максимальным угнетающим действием обладают ионы меди, минимальным – цинка;

контрольный образец, поливаемый дистиллированной водой, отличается активным ростом, размером листа, хорошо сформировавшейся корневой системой;

концентрация раствора соли тяжелого металла влияет на начало и скорость прорастания семян;

соли свинца и цинка в больших концентрациях оказывают благотворное влияние на прорастание семян, но замедляют их развитие.

Эксперименты, проведенные нами, доказали верность выдвинутой гипотезы о том, что тяжелые металлы неравномерно распределяются в вегетативных органах растений, наибольшее их содержание обнаружено в листе.

Заключение

В работе рассмотрена возможность определения локализации тяжелых металлов в растении горчица белая с помощью гистохимического метода. Результаты показывают, что этот метод можно использовать даже в условиях школьной лаборатории. Гистохимический метод относится к полуколичественным методам анализа. Поэтому его можно использовать для оценки состояния окружающей среды, биотестирования почвы, в которой накапливаются ионы тяжелых металлов.

Список литературы

1.Ольшанская, Л.Н. Гистохимические исследования локализации тяжелых металлов в тканях высших растений в процессе фитоэкстракции [Текст] / Л.Н.Ольшанская // Известия высших учебных заведений, сер. «Химия и химическая технология». – 2016.

Пичугин, Н.Г. Лабораторный комплекс для учебной практической и проектной деятельности по биологии и экологии [Текст] / Н.Г.Пичугин // Биология в школе.-2017.-№ 3.

Титов, А.Ф. Тяжелые металлы и растения [Текст] /А.Ф. Титов. – Петрозаводск, 2014.

Шапошникова, И.А. Металлы в живых организмах.10-11 классы. [Текст]/И.А.Шапошникова. – М.: Издательство БИНОМ, 2013.- 408 с.

Горчица белая [Электронный ресурс] /URL: http://iplants.ru

Дитизон [Электронный ресурс] /URL: http://dic.academic.ru

Приложение 1

Дневник наблюдений

Приложение 2

Накопление ионов свинца, 0,05мг/л

контрольный образец зона роста корня

(дистиллированная вода)

стебель лист

цифровой микроскоп DigitalBlueQX5, увеличение 60х