VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА КАК ЭФФЕКТИВНОГО ИНДИКАТОРА СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кириченко Д.А. 1

---

1МАОУ СОШ № 1

Шаркова Г.М. 1

---

1МАОУ СОШ № 1

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблемы взаимодействия современного общества с окружающей средой сегодня можно отнести к наиболее актуальным. От состояния окружающей среды зависит здоровье, учеба, работоспособность, од­ним словом, нормальная жизнь людей. Мы видим, что экологические проблемы – это следствие реальных противоречий между человеческим обществом и живой природой. На мой взгляд, каждый должен знать об источниках и веществах, загрязняющих окружающую среду, о предельно допустимых концентрациях вредных веществ, о способах снижения загрязнения окружающей среды отходами химических производств. И иметь хотя бы минимальное представление о современных технологиях производства, снижающих или исключающих вредное воздействие на окружающую среду, о зависимости здоровья человека от качества окружающей среды, о существующих проблемах безотходного производства.

Наверняка все знают, что город Улан-Удэ, в котором мы живем, ежегодно входит в перечень наиболее загрязненных городов России («О состоянии и об охране окружающей среды России», 2017 г.). Но вряд ли все знают, что расположение столицы Бурятии в межгорной впадине затрудняет циркуляцию воздуха и приводит к накоплению загрязняющих веществ, а причины плохого качества воздуха кроются в отсутствии высокоэффективного газоочистного оборудования, эксплуатации устаревших технологий на промышленных предприятиях, тепловых электростанциях и бытовых котельных.

В недавнем прошлом Улан-Удэ был одним из крупных индустриальных центров Восточной Сибири, в атмосферу которого ежегодно выбрасывались значительные количества загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов. Сегодня в городе на неполную мощность работают Улан-Удэнский авиационный завод, ЛВРЗ, «Стальмост», приборостроительное объединение. Кроме того, действуют предприятия и организации обрабатывающего производства. Несмотря на многократное снижение антропогенной нагрузки, экологическая ситуация остается неблагополучной.

Основными загрязнителями являются Улан-Удэнская ТЭЦ-1, авиазавод, ЛВРЗ, и некоторые другие предприятия, а также крупные и средние свалки бытовых и производственных отходов. Опасность представляет ТЭЦ-1, расположенная в Железнодорожном районе г. Улан-Удэ, и ее золошлакоотвал(гидротехническое сооружение, предназначенное для складирования золы и шлака с тепловой электростанции).  Высокой токсичностью обладают выбросы автотранспорта, уступая по объему выбросам стационарных источников. Отработанные газы автомобилей, поступая в нижний слой атмосферы, сразу попадают в дыхательные пути человека, а процесс их рассеивания значительно отличается от процесса рассеивания выбросов стационарных источников. Поэтому автотранспорт относится к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферы. Интенсивное движение автотранспорта приводит к повышению среднегодовых концентраций сажи, оксида углерода, окислов азота, углеводородов, свинца, диоксида серы вблизи наиболее напряженных магистралей (в г. Улан-Удэ – это районы Элеватора, ул. Бабушкина, Терешковой, Балтахинова, Смолина, пр. 50-летия Октября и др.). На сегодняшний день автомобильные выхлопы составляют больше половины всех вредных выбросов в атмосферу Улан-Удэ.

Свой значительный «вклад» в загрязнение воздуха вносят автономные источники теплоснабжения – котлы и печи частного сектора, которыми снабжены почти 45 тысяч домов, при этом в 77,7% домов используются печи и в 22,3% – котлы. В качестве топлива 81,9% автономных источников теплоснабжения используют дрова и 17,4% – уголь. Газ, жидкое топливо, топливные брикеты и электрообогрев применяются мало – всего 0,7%. Использование угля приводит к выбросам серы и других токсичных загрязнителей. Даже при хорошем сгорании эти загрязняющие вещества не разрушаются, оказывая негативное влияние на сердечно-сосудистую и дыхательную системы человека, способствуя развитию онкологических заболеваний.

Часто пишут, что воздух в бурятской столице отравляет бензапирен. Это вещество относится к первому классу опасности – наравне с ртутью, плутонием, полонием, стрихнином и оксидом свинца. При попадании в человеческий организм оно способно вызывать возникновение злокачественных опухолей. По данным Росстата, в феврале 2017 г. его концентрация в Улан-Удэ превысила норму в 24 раза. В том же 2017 г. ученые Института прикладной экологии и гигиены из г. Санкт-Петербурга в рамках разработки системы сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ пришли к выводу, что выбросы крупных предприятий не создают повышенные концентрации бензапирена.

* * *

Предметом моего исследования стал снег, взятый в г. Улан-Удэ и его пригороде. Снег – один из наиболее информативных и удобных показателей загрязнения окружающей среды. Он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почв. При образовании и выпадении снега концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе. 

Объект исследования – пробы снега с четырех кон­трольных площадок г. Улан-Удэ и его окрестностей.

Цель: исследовать органолептические и химические показатели талой воды на предмет наличия загрязнителей. Для решения этой цели были поставлены задачи:

Изучить и применить в своих исследованиях методику взятия проб снега и приготовления талой воды;

Исследовать органолептические свойства проб талой воды;

Определить реакцию среды проб талой воды;

Исследовать пробы талой воды на наличие химических ве­ществ – загрязнителей.

В работе были использованы следующие методы исследования:

1. Теоретический (обзор и анализ литературы, образовательных ресурсов в сети Интернет);

2. Экспериментальный (проведение опытов, а также органолептического и химического анализа);

3. Эмпирический (наблюдения, описания и объяснения результатов исследований).

При выполнении работ применялись физические и органолептические методы исследования свойств талой воды: запаха, мутности, цветности, а также аналитические – для определения анионов загрязнителей. Данные методы позволили получить достоверную информацию о степени загрязнения снега на различных участках города.

Работа проводилась в лаборатории биохимии почв Института общей и экспериментальной биологии СО РАН (куратор – инженер 1 категории Замбулаева Н.Д.). Для своего исследования мы выбрали территорию центра города и контрольную пробу из пригорода г. Улан-Удэ в лесном массиве.

Экспериментальное исследование снега.

Методика взятия проб снега и приготовления талой воды

Для того, чтобы результаты измерений были достоверными, необходимо было правильно собрать пробы снега. Для этого использовалась специальная методика: отбор проб снега производился в направлении господствующих ветров (подветренно) и в контрольной точке. Пробы снега отбирались на участках, где сохранился нетронутым снежный покров. Отбор снега производился при помощи лопатки. Для получения усредненного образца были отобраны снеговые пробы в пяти точках "конвертом" (на участке площадью 1 кв. м отбирались пробы снега по углам квадрата и в его центре). Этими точками стали четыре площадки: № 1 – ул. Фрунзе, № 2 – ул. Трактовая (территория возле ТЭЦ-1), № 3 – ул. Набережная р. Уды, № 4 – п. Верхняя Березовка, лесной массив (контрольная точка). Пробы снега брались: 17 декабря 2018 г. со всех площадок одновременно и повторно 25 января 2019 г. со всех площадок одновременно. Пробы снега были помещены в чистые полиэтиленовые пакеты, во избежание возможного выщелачивания из стекла гидрокарбонатов, карбонатов и других анионов слабых кислот. Затем снег был переложен в стеклянные банки (Прил. 1). Банки оставлены при температуре +20 С. Таким образом талая вода была готова для анализа (Прил. 2).

Объекты и методика исследования

Объекты исследования: снежный покров на ул. Фрунзе – точка № 1, ул. Набережная – точка № 2, ул. Трактовая (территория ТЭЦ-1: мощность котельной – 688 Гкал/час) – точка № 3, пос. Верхняя Березовка – точка № 4. Исследуемые точки отмечены на карте c помощью Google Earth.

Цвет (окраска)

Диагностика цвета – один из показателей состояния воды. Для определения цветности воды берем стеклянный сосуд и лист белой бумаги. В сосуд наливаем воду и на белом фоне бумаги определяем цвет воды (голубой, зеленый, серый, коричневый) – показатель определенного вида загрязнения (Прил. 3).

Прозрачность

Для определения прозрачности воды используем прозрачный мерный цилиндр с плоским дном, в который наливаем воду, подкладываем под цилиндр на расстоянии 4 см от его дна шрифт, вы­сота букв которого 2 мм, а толщина линий букв – 0,5 мм, и сливаем воду до тех пор, пока сверху через слой воды не будет виден шрифт. Изме­ряем высоту столба оставшейся воды линейкой и выражаем степень прозрачности в см. Степень прозрачности воды в среднем около 30 см. Результаты исследований см. Табл. № 3.

Запах

Запах воды обусловлен наличием в ней пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем и со сточными водами. Характер и интенсивность запаха определяем по предлагаемой методи­ке (Табл. № 4).

Характер и род запаха талой воды естественного происхождения

Табл. 1.

Интенсивность запаха воды

Табл. 2.

Определение кислотности талой воды

Активная реакция среды имеет большое экологическое значение. Изменение pH среды влияет на выживаемость организмов, интенсивность питания, рост, уровень газообмена и другие жизненные процессы.  Измерение рН – это измерение активности ионов водорода в среде. Само обозначение рН переводится буквально с латинского «pondus Hydrogenii» – «вес водорода».

Для определения величины pH существуют два основных метода: колориметрический и потенциометрический. Колориметрический метод основан на изменении окраски индикатора, добавленного к исследуемому раствору, в зависимости от величины pH.Этот метод недостаточно точен, требует введения солевых и температурных поправок, дает значительную погрешность при очень малой минерализации исследуемой воды (менее 30 мг/л) и при определении pH окрашенных и мутных вод.Потенциометрический метод намного точнее, но требует оборудования лабораторий специальными приборами – pH-метрами. Сегодня рН-метры широко применяются в микробиологии и в медицине, в водоподготовке и агрохимии, в почвоведении, гидропонике, лабораторных и полевых исследованиях, в химической и пищевой промышленности, аквариумистике и т.д. Современный рН-метр позволяет достаточно точно и быстро определить величину рН, если pH<7 – кислая среда, если pH>7 – щелочная среда и pH =7 – нейтральная среда.

В нашей работе мы определили pH с помощью универсальной индикаторной бумаги и лабораторного pH-метра (ИОНОМЕТР METTLER-TOLEDO SEVENCOMPACT).

Оборудование: индикаторная бумага (универсальный индикатор), пробирки. Методика определения pH среды (кислотности) следующая:

1. Для проведения опыта наливаем по 10 мл фильтрата в четыре пробирки.

2. Опускаем в каждую пробирку универсальный индикатор и опре­деляем кислотность фильтрата (талой воды).

3. Сравниваем окраску индикатора со шкалой универсального инди­катора, полученный результат фиксируем в таблице.

Оборудование: pH-метр (METTLER-TOLEDO), исследуемые пробы, стеклянные колбы, фильтровальная бумага, промывалка, дистиллированная вода.

Методика определения pH среды pH -метром:

Включаем рН-метр.

Калибруем прибор с точным значением рН.

Промываем электрод дистиллированной водой над сосудом, сушим с помощью фильтровальной бумаги.

Сухой электрод погружаем в стеклянную колбу с пробой.

После каждой пробы электрод промываем и просушиваем.

Аналогичные операции повторяем со всеми пробами.

После измерения рН последней пробы электрод промываем и сушим при помощи фильтровальной бумаги.

Выключаем прибор из сети.

Результаты заносим в таблицу.

Вывод:

В результате исследования было установлено, что среда растворов во всех четырех пробах – нейтральная, т.к. универсальный индикатор окрашивался в желтый цвет. Показатель в пробе № 1 (рН=6,8), pH в пробах № 2, № 3, № 4 (рН= 6,5-6,54), что можно объяснить отсутствием или очень незначительным количеством выбросов в атмосферу оксидов неметаллов (серы, азота, углерода) (Прил. 6). При этом можно отметить, что участок на ул. Трактовая более загрязнен. Понижение кислотности связано с выбросами ТЭЦ-1. На втором месте по кислотности находятся пробы талой воды, взятой на ул. Фрунзе. Данная улица находится в центре города, по­ток автотранспорта по данному участку интенсивный, отсюда и полученный результат.

Определение химических соединений

загряз­няющего характера (ионы) в талой воде

Промышленные предприятия, транспорт, котельные выбрасывают в атмосферу разные химические соединения. Снег может служить индика­тором атмосферного загрязнения различными веществами: сульфатами, нитратами, аммонием, основаниями, тяжелыми металлами и рядом других веществ. Используя специальные методики, можно выявить в снеговой пробе конкретные химические вещества, которые попадают в снег из атмосферы.

Оборудование: штативы, пробы талой воды, пробирки, пипетки, электронные пипетки, эл. плита, химические стаканы, чашки для выпаривания, реактивы: раствор перманганата калия (KMnO4), азотная кислота (HNO3(1:4)), аммиак (NH3), 5% раствор хлорида бария (BaCl2), соляная кислота 1:5 (HCl (1:5)), нитрат серебра (AgNO3), 50% раствор уксусной кислоты (CH3COOH), 10% раствор дихромата калия (2 K2Cr2O7), реактив Несслера (Прил. 5).

План работы. Взять пробы фильтрата, провести качественные реак­ции на выявление загрязнителя.

Обнаружение катионов меди (Cu2+)

В фарфоровую чашку помещаем 3-5 мл пробы, осторожно выпари­ваем досуха и наносим на периферийную часть пятна каплю концентри­рованного раствора аммиака. Появление интенсивно-синей/фиолетовой окраски свидетельствует о присутствии ионов меди: Сu2++4NH4OH-[Сu(ННз)4]2++4Н20. В нашем случае ионы меди отсутствуют во всех четырех пробах (Прил. 7). Результаты исследования см. в Табл. № 6.

Определение солей аммония NH4+

К исследуемым пробам добавляем реактив Несслера. При положительной реакции появляется желто-оранжевое окрашивание вследствие образования йодистого меркураммония. В пробе № 1 имеет место светло-желтое окрашивание, № 2 – желтое, № 3 – интенсивно желтое, № 4 – отсутствует. Результаты исследования см. в Табл. № 7.

Обнаружение хлорид анионов (СГ)

К 10 мл пробы добавляем 3-4 капли азотной кислоты (1:4) и до­ливаем 0,5 мл нитрата серебра (AgN03). Белый осадок должен выпадать при концентрации хлорид–ионов бо­лее 100 мг/л: Cl+Ag = AgCl. Помутнение раствора наблюдается в пробе № 3 (концентрация хлорид–ионов более 10 мг/л), опалесценция (более 1 мг/л) – в пробах № 1 и № 2. При добавлении ам­миака NH3 раствор становится прозрачным. Результаты исследования см. в Табл. № 8.

Обнаружение сульфат-анионов (SO4)

В пробирку вливаем 10 мл пробы 0,5 мл соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5% раствора хлорида бария. По характеру выпавшего осадка опреде­ляем ориентировочное содержание сульфат–анионов. При отсутствии мути концентрация сульфат–ионов – менее 5 мг/л, при слабой мути, по­являющейся не сразу, а через несколько минут – 5-10 мг/л. При концентрации сульфат–ионов более 10 мг/л выпадает белый осадок: Ва + S04 = BaS04. В пробах № 1, № 2 и № 3 содержание сульфат–анионов составляет 5-10 мг/л, в пробе № 4 – их нет. Результаты исследования см. в Табл. № 9.

Обнаружение сульфит–ионов (S042-)

В пробирку вливаем 10 мл пробы, добавляем 3 мл слабого раствора перманганата калия. При содержании сульфит–иона розовый цвет рас­твора исчезает. В пробах № 1, № 2, и № 3 сульфиты отсутствуют, а в пробе № 4 имеется их незначительное содержание. 3S032-+2Мn04Н2С)-2Мn(ОН)2+3S042-+20Н (Прил. 9). Результаты исследования см. в Табл. № 10.

Качественное обнаружение катионов тяжелых металлов

Обнаружение катионов свинца РЬ2

В пробирку с пробой вносим 1 мл 50% раствора уксусной ки­слоты, перемешиваем. Добавляем электронной пипеткой 0,5 мл 10% раствора дихромата калия. При наличии в исследуемой пробе ионов свинца выпадает желтый осадок. Если наблюдается помутнение раствора, то концентрация катионов – более 20 мг/л, а при опалесценции – 0,1 мг/л. В нашем случае катионов свинца не обнаружено (Прил. 8). Результаты исследования см. в Табл. № 11.

Выводы:

1. Более высокое содержание твердых частиц в образце талой воды, взятой на территории ТЭЦ-1, объясняется выбросами горючего сырья в атмосферу (уголь, торф, сланец и др.). Из-за большого содержания твердых частиц и химических соеди­нений образцы талой воды имеют мутную серую окраску, особенно она интен­сивна в пробах № 1, № 2 и № 3, т.е. образцов, взятых вблизи предприятий и автодорог. По этой же причине прозрачность талой воды этих образцов имеет характеристику средней мутности, что не наблюдается у образца под № 4, где по шкале образец является прозрачным.

2. Показатель в пробе № 1 (рН=6,8), pH в пробах № 2, № 3, № 4 (рН= 6,5-6,54), что можно объяснить отсутствием или очень незначительным количеством выбросов в атмосферу оксидов неметаллов (серы, азота, углерода).

3. Проведенный химический эксперимент в лаборатории Института общей и экспериментальной биологии СО РАН показал, что в талой воде катионы тяжелых металлов не обнаружены.

4. Качественные реакции на анионы показали наличие в незначи­тельном количестве хлорид– и сульфат–анионов.

5. Химических загрязнителей в опасной концентрации не было обнаруже­но.

Основываясь на результатах химического анализа и биотестирования, можно утверждать, что сегодня атмосфера в г. Улан-Удэ в целом – в пределах нормы. Превышений предельно допустимых концентраций вредных веществ по изученным параметрам в снежном покрове на территории города нет. Тем не менее, на улицах города с интенсивным движением, а также на территории ТЭЦ-1 выявлено загрязнение снежного покрова. В зеленой зоне пригорода, благодаря лесному массиву, наблюдаются достаточно благоприятная атмосфера и чистый воздух. Следовательно, талые снеговые воды существенно не нарушат химический состав почвы, и видовой состав растительности не изменится.

Отбор снежных проб производился в середине декабря 2018 г. и конце января 2018 г. Проведение повторного эксперимента запланировано на конец марта – период максимального запаса влаги. Ценность такого рода исследования заключается в том, что можно получить усредненную картину, подытоживающую атмосферные «события» зимы, поскольку в зимний период неоднократно меняются погода, направление ветров, переносящих загрязнения, интенсивность и характер выбросов предприятий и т.д. Изучение снежного покрова в качестве индикатора загрязнения природной среды позволит увеличить эффективность контроля за загрязнением атмосферы, воды и почвы. 

Результаты исследований

Диагностика цвета и примесей

Табл. 3

Характер, род и интенсивность запаха проб талой воды

Табл. 4

Сравнительное значение кислотности снега

(ИОНОМЕТР METTLER-TOLEDO SEVENCOMPACT)

Табл. 5

Определение химических соединений

загряз­няющего характера (ионы) в талой воде

Обнаружение катионов меди (Cu2+)

Табл. 6

Определение солей аммония NH4+

Табл. 7

Обнаружение хлорид анионов (СГ)

Табл. 8

Обнаружение сульфат - анионов (SO4)

Табл. 9

Обнаружение сульфит – ионов (S042-)

Табл. 10

Качественное обнаружение катионов тяжелых металлов

Обнаружение катионов свинца РЬ2

Табл. 11

Список литературы

Алексеева С.В., Беккер А.М. Изучаем экологию эксперименталь­но: Практикум, по экологической оценке, состояния окружающей среды. СПб., 1993.

Габриелян О.С. Вода в нашей жизни: учебно-методическое пособие к ЭК для 9 кл. осн. школы или 10-11 кл. баз. уровня ср. шк. // Химия (Первое сентября). 2009. № 22.

Залиханов М.Ч., Лосев К.С. И снег, и град, и горы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.

Корте Ф. Экологическая химия. М.: Мир. 1996. 396 с.

Криволуцкий Д.А. Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. М.: Наука. 1987.

Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России // Финансы и статистика. 1995.

Соловьева Н.Е., Олькова Е.А., Алябьева А.А., Краева О.В. Исследование талой воды (снега) как показатель загрязнения атмосферы урбанизированной среды // Молодой ученый. 2015. № 14. С. 668-672.

Фадеева Г.А. Химия и экология 8-11 классы: Материалы для проведения учебной и внеурочной работы по экологическому воспитанию. Волгоград: Учитель, 2005. 118 с.

https://ria.ru/20170921/1505224510.html (дата обращения: 18 дек. 2018 г.)

https://studbooks.net/913704/ekologiya/otbor_prob_snega (дата обращения: 26 дек. 2018 г.)

https://www.tgk-14.com/ (дата обращения: 18 янв. 2019 г.)

Приложения

Прил.1

Пробы снега

Прил. 2

Пробы талой воды

Прил. 3.

Фильтрование проб талой воды

Прил. 4

Фильтры

Прил. 5

Реактивы

Прил. 6

Определение кислотности талой воды. Работа на ph-метре

Прил. 7

Обнаружение катионов меди (Cu2+)

Прил. 8

Обнаружение катионов свинца РЬ2

Прил. 9

Обнаружение сульфит – ионов (S042-)