VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оценка детоксицирующей способности гуминовых соединений по отношению к ионам свинца(II)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мухаметханова А.Е. 1

---

1НИШ ХБН г.Усть-Каменогорск

Попова М.В. 1Шаматова Г.Ж. 2

---

1НИШ ХБН г.Усть-Каменогорск

2Назарбаев Интеллектуальная Школа химико-биологического направления г. Усть-Каменогорска

Работа в формате PDF

133.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное накопление тяжелых металлов в окружающей среде, большая часть которых поступает с выбросами индустриальных предприятий.

Город Усть-Каменогорск является областным центром Восточно-Казахстанской области и одним из самых крупных промышленных центров Республики Казахстан. Несомненно, вклад в загрязнение свинцом вносит и автомобильный транспорт.

Согласно «Информационному бюллетеню о состоянии окружающей среды Республики Казахстан» на 2018[1] за весенний период в пробах почвы, отобранных в промышленном районе г. Усть-Каменогорск, содержание свинца составило 579.5 мг/л.

Основной целью проекта является изучение влияния свинца на физиологические параметры растений и определение уровня снижения токсичности тяжелых металлов за счет использования гуминовых соединений.

Гипотеза исследования: с повышением концентрации свинца негативное влияние последних на физиологические параметры растений будет увеличиваться; снизить негативное влияние позволит добавление гуминовых кислот.

К основным задачам работы относятся:

- обзор литературных источников по данной проблеме;

- подготовка модельных растворов ионов свинца различных концентраций;

- изучение влияния свинца на физиологические параметры растений;

- синтез гуминовых кислот с целью снижения воздействия ионов свинца на растения;

- изучение свойств и структуры гуминовых соединений;

- исследование влияния гуминовых соединений на фитотоксичность свинца

Методы исследования: теоретические – методы анализа литературных источников; эмпирические–химические и физико-химические методы анализа.

Результаты работы и выводы: В ходе работы определены пороговые концентрации фитотоксичности свинца по отношению к разным культурам, синтезированы гуминовые кислоты из бурого угля Кендерлыкского месторождения и определено их влияние на поглощение свинца растениями.

Области практического применения:

Результаты данной работы позволят углубить знания в изучаемой области и решить задачи их практического использования в сельскохозяйственной области для уменьшения негативного воздействия тяжелых металлов на растения.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Механизм поведения тяжелых металлов в почве

Механизм поглощения и поведения тяжелых металлов влияет на аккумуляцию последних растениями. Существует два основных пути попадания тяжелых металлов в растения - из атмосферы и почвы.

Содержание и распространение металлов, поступивших в атмосферу из промышленных источников, зависит от расстояния до источника загрязнения, рельефа местности, климатических условий, технологических факторов (состав отходов, высота труб и т.д.). Площадь влияния промышленных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км²[2].

Транспортные средства также являются одним из главных источников загрязнения почв и растений тяжелыми металлами. В частности, около 60-70% всех выбросов в атмосферу свинца связано с использованием свинецсодержащего бензина[3].

Степень устойчивости почвы к химическим загрязнителям определяется по отношению к конкретному компоненту и зависит от следующих факторов[4]:

гумусного состояния почвы;

кислотно-основных свойств;

окислительно-восстановительных свойств;

катионно-обменных свойств;

биологической активности;

уровня грунтовых вод;

доли веществ в почве, находящихся в рас­творимой форме.

Свинец извлекается корнями растений из почвы, как при низких, так и при высоких его концентрациях. На этот процесс влияют почвенные и растительные факторы[5].

Тяжелые металлы снижают устойчивость растений к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды, влияют на физиологические процессы растений и могут аккумулироваться в тканях, при этом наблюдаются отклонения в развитии растений, а также их гибель[6].

Проявление токсического действия тяжелых металлов может выражаться также в угнетении роста, снижении биологической продуктивности, возникновении хлорозов и некрозов листьев, повышении удельной плотности и зольности тканей, нарушении водного баланса, морфологических изменениях, нарушении процессов: поглощения и передвижения неорганических ионов, водного обмена, транспорта органических веществ, фотосинтеза, дыхания и т.д. [3,4].

Особенности поведения свинца в почве определяется процессами осаждения и комплексообразования с органическими и неорганиче­скими лигандами. Данные процессы зави­сят от рН и окислительно-восстановительного потен­циала среды [4].

Органическое вещество выступает также как хороший адсорбент ионов тяжелых металлов, усиливает буферность и снижает концентрацию солей в буферном растворе, что приводит к уменьшению их фитотоксичности [7].

1.2. Гуминовые соединения и их характеристика

Основным видом органических соединений в почве являются гуминовые соединения.

На сегодняшний день, нет единого способа классификации гуминовых веществ. Рассмотрим способ, который основан на растворимости в кислотах и щелочах. По данной классификации гуминовые вещества подразделяют на три составляющие: гумин - не извлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гу­миновые кислоты - фракция, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах; фульвокислоты - фракция, растворимая в щелочах, кислотах и в воде. Вместе гуминовые и фульвокислоты называют «гумусовыми кислотами»[8].

Рисунок 1. Схема гуминовых соединений

Огромную роль в изучении гуминовых соединений имеют труды Д.Орлова, который предложил свою формулу строения гуминовых кислот[9].

Методами деструкции (окисление, восстановление, пиролиз) Орлов определил, что в состав ядра входят пяти- и шестичленные кольца. Шестичленные циклы соединены мости­ками с двойными связями, что создает не­прерывную систему сопряжения. Такая формула объясняет окраску гуминовых кислот. Как указывается в [9], молекула гуминовой кислоты может иметь вытянутую форму и обладает определенной гибкостью.

Гуминовые кислоты являются сложными природными соеди­нениями. Согласно проведенным исследованиям, они входят в состав коллоидной фракции почв, органического вещества торфа и бу­рых углей. Причем, содержание их в почвах может доходить до 10-12 %, в торфах - до 40 %, а в бурых углях - до 60 %[10].

Гуминовые кислоты - это группа естественных аморф­ных темноокрашенных высокомолекулярных органических кислот, объединенных общим типом строения, но имеющих различия в зависимости от характера исходного вещества [10,11].

Драгунов [11], на основании элементного анализа почвенных и торфяных гуминовых кислот, предложил свою схему химического строения гуминовых кислот.

В основе лежит шестичленное кольцо. Ароматические ядра расположены линей­но. Доказано наличие азота, который может входить как в циклическую структуру ядра молекулы, так и в боковые цепи.

В молекулах гуминовых кислот представлены различные по природе функциональные группы: карбоксильные, карбонильные, фенольные и спиртовые, которые характеризует их реакционную спо­собность.

Механизм взаимодействия гуминовых кислот с катионами тяжелых металлов определяется как сорбционными процессами, так и процессами хелатного комплексообразования.

Рисунок 2. Формула гуминовой кислоты по Драгунову [10]

Обменная емкость поглощения является важной характеристи­кой гуминовых кислот в реакциях ионного обмена и определяется содержанием кар­боксильных и фенольных гидроксильных групп.

Известно, что карбоксильные ионы имеют более легкую поляризуемость, чем молекулы воды. Поэтому, при оценке избирательности поглощения ионов берут во внимание радиусы негидратированных катионов. Чем ниже коэффициент активности противоионов в фазе твердых гуминовых кислот, тем избирательней будет поглощение ионов. При этом поглощаются преимущественно двухвалентные катионы по сравне­нию с одновалентными.

Помимо реакций ионного обмена, при которых образуются растворимые и нерастворимые гуматы металлов, за счет водорода карбоксильных групп и фенольных гидроксилов, воз­можно одновременное протекание реакций, ведущих к образованию внутрикомплексных соединений с координационной связью между противоионом и карбоксильным остатком.

1.3 Синтез гуминовых веществ и изучение их структуры

Экспериментальная работа включала следующие этапы: анализ состава и структуры бурых углей, синтез на их основе гуминовых кислот и изучение влияния ионов свинца на физиологические параметры растений, а также снижение фитотоксичности свинца за счет использования гуминовых кислот.

Гуминовые соединения были синтезированы из бурого угля Кендерлыкского месторождения, которое расположено в 60 км к юго-востоку от г. Зайсан (ВКО, Республика Казахстан).

По выделе­нию гуминовых кислот из твердых горючих ископаемых выполнено множество иссле­дований. Обычно, для извлечения гуминовых кислот из бурого угля применяют разбавленные растворы щелочей, прежде всего растворы гидроокиси натрия (NаОН), реже растворы карбонатов этих металлов.

Гуминовые кислоты получены из бурых углей Кендерлыкского месторождения. Бурый уголь был измельчен до 2мм, просеян через сита. Затем был добавлен 1М раствор NaOH. После перемешивания в течении 2-х часов, нагревали смесь при температуре 100⁰С. Затем добавили 100 мл 1М соляной кислоты. Отфильтровали и высушили в сушильном шкафу.

Структура гуминовой кислоты изучена методами ИК-спектроскопии.

Рисунок 3. ИК спектр гуминовых кислот

Полоса при 1710 см^–1 относится к колебаниям связей С=О (в карбоксильных и карбонильных группах), полоса в области 1250 см^–1 относится к валентным колебаниям C–O фенольных и карбоксильных групп, полосы в области 1050-1150 см^-1 соответствуют колебаниям связи C–O спиртовых групп. Наличие этих полос указывает на присутствие различных функциональных групп в гуминовых соединениях, которые позволят связать ионы свинца и уменьшать воздействие последних на различные культуры.

1.4 Изучение снижения негативного воздействия свинца с помощью гуминовых соединений

Эксперимент по снижению негативного влияния свинца с помощью гуминовых соединений проводился при выращивании ростков гороха.

Перед посадкой почва проанализирована на содержание ионов свинца. Фоновая концентрация свинца в почве, взятой для посадки составила 8,12 мг/кг.

Через 14 дней ростки были собраны, высушены, затем их прокаливали в муфельной печи при температуре 500⁰С до получения золы.

Рисунок 4.Зола ростков гороха

После этого растворяли золу в 10%-ной азотной кислоте, фильтровали и анализировали на атомно-абсорбционном спектрометре. В таблице 1 приведены данные анализа.

Таблица 1-Содержание свинца в ростках гороха (мг/кг)

Анализ таблицы показывает, что в образцах №2, где использован полив 0,01% раствором гуминовой кислоты содержание свинца ниже.

С увеличением концентрации свинца на порядок содержание последнего в ростках увеличивается неоднозначно в интервале 1,15-1,42 в образцах №1.

При использовании полива 0,01% раствором гуминовой кислоты в образцах №2 содержание свинца снизилось в 1,18-1,32 раза.

В таблице 2 приведены данные сравнения с образцами гороха, при поливе которых использована только водопроводная вода и 0,01%раствор гуминовой кислоты.

Таблица 2 -Содержание свинца в ростках гороха (мг/кг)

Относительно образца с водопроводной водой содержание в ростках гороха образца №1 при концентрации 0,001г/л увеличилась в 2 раза, при концентрации 0,01г/л повысилась в 2,9 раз, при 0,1г/л увеличилась в 3,3раза.

При этом при поливе только 0,01% раствор гуминовой кислоты содержание свинца составило 0,0104мг/кг.

Таким образом, доказано положительное влияние гуминовых кислот на проращивание и рост растений. Гуминовые соединения позволяют снизить фитотоксичность ионов свинца.

Заключение

В ходе исследования проведен литературный обзор, рассмотрены пути и методы попадания тяжелых металлов в различные культуры.

Изучена степень прорастания семян редиса, фасоли и гороха в растворах свинца различной концентрации. Установлено, что при более низких концентрациях степень прорастания семян выше. Пороговая концентрация 0,5г/л.

Синтезированы гуминовые кислоты из бурых углей Кендерлыкского месторождения. Изучена структура гуминовых кислот. Наличие функциональных групп позволяет судить о возможности связывания гуминовых кислот с тяжелыми металлами.

Проведено исследование по определению содержания свинца в ростках гороха в экспериментальных и контрольных образцах. С увеличением концентрации свинца на порядок содержание последнего в ростках увеличивается неоднозначно. По сравнению с контрольными образцами содержание свинца увеличивается в 2,0-3,3раза в зависимости от концентрации растворов свинца. Использование 0,01% раствором гуминовой кислоты позволило снизить содержание свинца в 1,18-1,32 раза.

Негативное воздействие свинца можно снизить за счет связывания их с синтезированными из бурых углей гуминовыми кислотами, что доказано на примере с ростками гороха.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Информационный бюллетень о состоянии окружающей среды Республики Казахстан» за 2017 года. – Астана: Министерство энергетики Республики Казахстан. Департамент экологического мониторинга, РГП «Казгидромет», 2017-364с.

Джувеликян Х.А., Щеглов Д.И., Горбунова Н.С. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв.-Воронеж: Воронежский государственный университет, 2009.-22с.

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам [отв. ред. Н.Н. Немова]; Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007.- 172 с.

Глебова И.В., Стифеев А.И. Основные сорбционные параметры распределения ионов свинца в почвах Курской области//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2012.-№4.-С.34-37

Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях.-М.:Мир,1989.-439с.

Бубнов А.Г. Биотестовый анализ - интегральный метод оценки качества объектов окружаю­щей среды: учебно-методическое пособие / А.Г. Бубнов [и др.].- Иваново: ГОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет, 2007. - 112 с.

Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте. - СПб:ПИЯФ РАН, 2008.-216с.

Чухарева Н.В. Исследование кинетики термически активированных изменений состава и свойств торфяных гуминовых кислот. Дисс. на соиск. уч. ст. д.х.н.– Томск, 2003. – 126 с

Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: МГУ, 1991-324с.

Кухаренко Т.А. О молекулярной структуре гуминовых кислот.// Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993.-36-43с.

Драгунов, С.С. Характер взаимодействия гуминовых кислот и растворимых гуматов с некоторыми катионами /С.С. Драгунов, Ю.А. Шульман // Гуминовые удобрения, теория и практика их применения. Киев: Урожай, 1968- 195-200с.

Кузнецова И.А.,Боголицын К.Г., Бойцова Т.А. и др. Сорбционные свойства и модификация торфяных гуминовых кислот//Arctic Evironmental Research.- 2013.- №1. -37-42с.

ГОСТ 6382-2001 Топливо твердое минеральное методы определения выхода летучих веществ. Введ.01.01.03 - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 24 с.

ГОСТ 11022 – 90 (ИСО 1171-81, СТ СЭВ 493-89, СТ СЭВ 1461-78). Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности. – Введ. 1991-01-07. – М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1991. – 8с.

ГОСТ 11014 – 81. Угли бурые, каменные, антрацит и горючие сланцы. Ускоренный метод определения влаги. – Введ. 1982-01-07. – М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1988. – 5с.