VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загрязнение растений п. Харп ионами тяжелых металлов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Работа выполнена в рамках мониторинга по загрязнению окружающей среды п. Харп, тяжелыми металлами, такими как хром, кадмий, свинец, железо, начатых в 2006 г. в связи с открытием на территории поселка обогатительных цехов предприятия Конгор-Хром, сегодня это предприятие называется ГДУ, АО, ЧЭМК.
Проблема. Загрязнение тяжелыми металлами воздуха, почвы и растений создает угрозу здоровью и жизни жителей поселка. Необходимы данные об изменении степени загрязнения не только территории поселка, но и прилегающих территорий, а так же создание системы мероприятий для устранения загрязнения.
Противоречие.Присутствие загрязнений в воздухе, почвах, растениях недопустимо, тем не менее, мероприятий по снижению уровня загрязнений не достаточно для исправления сложившейся экологической ситуации
Объект исследования
Растения п. Харп.
Предмет исследования
Содержаниетяжелых металлов в растениях
Цель
Определить состояние загрязненности растений п. Харп тяжелыми металлами.
Задачи
Выбор экспериментальных площадок и отбор материала для химико-аналитического исследования.
Проведение химического анализа отобранных образцов и определение содержания таких ионов, как: хром трехвалентный, кадмий двухвалентный, свинец двухвалентный, железо двух- и трехвалентное.
Определениезагрязненности тяжелыми металлами в исследованных районах поселка (по 5-ти бальной шкале).
Сравнение полученных результатов с результатами, полученными предыдущими исследователями.
Анализ причин загрязненности окружающей среды поселка тяжелыми металлами
Представление полученных результатов (выводы и рекомендации).
Методы
Наблюдение, анализ литературных источников и документов, экспериментальное исследование.
Методики
Определение содержания ионов тяжелых металлов в исследуемых образцах (А. И. Федорова, А.Н Никольская)1
Определение хромитов (Д. Кениг, Е. Асауленко)2.
Описание результатов
1. Выбор экспериментальных площадок и отбор материаладля химико-аналитического исследования
Для мониторинговых исследований забор проб осуществлялся на следующих участках: Площадь мира, левый берег Желтого ручья, МОУ Школа п. Харп, детский сад «Жемчужинка», Мост над железнодорожными путями, Берег реки Собь (ул. Одесская), Берег реки Обь (Салехард) (рис.1).
|
Рис 1. Карта, с районами забора проб природных материалов: |
На этих территориях производился забор образцов травянистого (мох, злаки) и веточного (береза, ель) материала.При заготовке природного материала учитывали правило трех проб, то есть забор производился из трех мест, удаленных не менее, чем на 10 метров. При обработке проб в лаборатории, производили выборку с перемешиванием материала для усреднения результата исследований.
Измельчение исследуемого материала производилось с помощью ножниц, ножей и растирания в фарфоровых ступках. Для приготовления вытяжки помещалось в каждую порцию 10 г пробы и 10 мл 70% этилового спирта и нагревалось в течение трех минут. Полученные вытяжки отстаивались в течение суток, затем отфильтровывались (приложение, рис.1-15).
2. Определение содержания хрома трехвалентного. Содержание ионов хрома определялось следующим образом. К исследуемому раствору приливали по каплям раствор гидроксида калия - КОН до образования осадка. Делили полученный раствор с осадком на две части. В одну из них добавляли раствор соляной кислоты - НCl, а во вторую раствор гидроксида калия - KOH, в обоих случаях осадок растворялся. Раствор хлорида хрома, полученный во второй пробирке, нагревали до кипения. При этом наблюдалось образование осадка гидроксида хрома (III) - Cr(OH)3 (приложение, табл.1).Наибольшее количество хрома обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Мост. Трава и листья березы в большей степени накапливают хром, нежели хвоя ели.
3. Определение содержания кадмия двухвалентного. Для определения присутствия ионов кадмия двух валентного добавили раствор азотной кислоты в полученные образцы, после этого по каплям добавили раствор сульфида натрия и наблюдали выпадение обильного количества желтого осадка, что свидетельствует о наличии ионов кадмия. По данным З. И Слуковского3 в горных породах кадмий содержится в составе таких минералов, как отавит CdCO3 и монтепонит CdO. Эти соединения нерастворимы в воде, но пылевидные частицы проникают через рыхлые фильтры (а именно такие использовались в работе) и может присутствовать в фильтратах. При воздействии азотной кислоты на фильтрат, происходит переход кадмия в растворимое состояние.Под действием сульфида натрия происходит реакция обмена с образованием нерастворимого в азотной кислоте осадка сульфида кадмия, который имеет характерный желтый цвет (качественная реакция на кадмий). Наибольшее количество кадмия обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Школа. Кадмий проникает в ткани всех образцов (приложение, табл.2).
4. Определение содержания свинца двухвалентного. Свинец в воздухе и, предположительно, в растительных образцах присутствует в виде нерастворимых оксидов. Первая реакция, это переведение его в растворимое соединение. Сульфид натрия растворили в воде и по каплям добавили в изучаемые образцы. Наблюдали выпадение черного осадка сульфида свинца. Сульфид свинца – осадок черного цвета, качественная реакция на ионы свинца.Наибольшее количество свинца обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Желтый ручей. Небольшое присутствие в образцах с площадки Жемчужинка. Трава и листья березы в большей степени накапливают свинец, нежели хвоя ели (приложение, табл.3).
5. Определение содержания железа двухвалентного. Для определения ионов железа двухвалентного использовался реактив: красная кровяная соль. Окрашивание образцов в голубой цвет показывает на присутствие в образце ионов данного вида. Поскольку железо двухвалентное присутствует в окружающей среде как в нерастворимой, так и в растворимой форме, перевод ионов в растворимое состояние не осуществлялся. Темно-синий оттенок, указывающий на присутствие железа двухвалентного, приобрели образца с площадок Желтый ручей, Жемчужинка, Мост. Бледно-голубое окрашивание наблюдалось у образцов с площадки Собь (ул. Одесская)(приложение, табл.4).
6. Определение содержания железа трехвалентного. Для определения ионов железа трехвалентного использовалась желтая кровяная соль. Окрашивание образцов в голубой цвет показывает на присутствие в образце ионов данного вида. Поскольку железо трехвалентное, так же как и двухвалентное присутствует в окружающей среде как в нерастворимой, так и в растворимой форме, перевод ионов в растворимое состояние не осуществлялся.Наибольшее количество железа трехвалентного обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Желтый ручей, Жемчужинка, Собь. В других образцах проба на железо трехвалентное дала отрицательный результат. Трава и листья березы в большей степени накапливают железо, нежели хвоя ели(приложение, табл.5).
7. Анализ загрязненности тяжелыми металлами в исследованных районах поселка (по 5-ти бальной шкале)
Для исключения субъективного фактора визуального восприятия качественного проявления результатов химического анализа, были приглашены два независимых эксперта:учащиеся 11а класса. Для осуществления экспертизы результатов использовали шкалу, составленную самостоятельно (табл.1)
Таблица 1. Критерии оценивания результатов химического анализа
|
Критерии оценивания |
Балл |
|
Никакой реакции |
1 |
|
Осадка мало |
2 |
|
Осадка не много |
3 |
|
Осадка много |
4 |
|
Очень большое количество осадка |
5 |
В процессе анализа полученных результатов выявлены следующие особенности присутствия тяжелых металлов в растительных объектах поселка Харп.Наибольшее количество хрома обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Мост. Трава и листья березы в большей степени накапливают хром, нежели хвоя ели. Наибольшее количество кадмия обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Школа. Наибольшее количество свинца обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Желтый ручей. Небольшое присутствие в образцах с площадки Жемчужинка. Трава и листья березы в большей степени накапливают свинец, нежели хвоя ели.
|
Рис. 2.Материалы экспертизы результатов химико-аналитического исследования |
Темно-синий оттенок, указывающий на присутствие железа двухвалентного, приобрели образца с площадок Желтый ручей, Жемчужинка, Мост. Бледно-голубое окрашивание наблюдалось у образцов с площадки Собь (ул. Одесская). Наибольшее количество железа трехвалентного обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Желтый ручей. В других образцах проба на железо трехвалентное дала отрицательный результат. Трава и листья березы в большей степени накапливают железо, нежели хвоя ели. Степень общей загрязненности тяжелыми металлами определялась по сумме баллов, выставленных участниками экспертизы Выявлено, что наиболее загрязненной территорией является левый берег Желтого ручья. На втором месте по загрязненности можно отнести все остальные территории п. Харп. Только в районе детского сада «Жемчужинка» экологическая ситуация менее напряжена (приложение табл.8).
8. Сравнение полученных результатов с результатами, полученными предыдущими исследователями. По сравнению с 2013 и 2015 годами общая загрязненность тяжелыми металлами увеличивается. Наблюдается накопление тяжелых металлов на территории школьного двора. Сравнительная характеристика проводилась на основе данных, Доценко О. «Школьный мониторинг окружающей среды п. Харп»4, опубликованных в сборнике работ материалов научно-исследовательской конференции учащихся и студентов «Ступень в будущее» за 2014 и 2016 годы(приложение, рис.17).
9. Анализ причин загрязнения растительных объектов поселка Харп тяжелыми металлами
Причиной загрязнения ионами хрома, а так же пылевидными частицами является транспортировка хромитовой руды от рудника к цехам обогащения, на территории предприятия АО ЧЭМК осуществляется дробление, сортировка и погрузка хромитов. Эти процессы насыщают воздух хромитовой пылью, что способствует оседанию её на поверхности растений и проникновению хрома в ткани живых организмов. На территориях ИК-18 и ИК-3 функционируют автономные котельные, работающие на твердом, некондиционном топливе и бытовых отходах. Выбросы твердых, пылевидных, ядовитых частиц разносятся по территории поселка, вследствии чего в атмосфере распространяются соединения таких металлов, как свинец и железо. Отмечается появление смога над территорией поселка в период безветрия, что вызывает ухудшения самочуствия и затрудненность дыхания у людей. Темное облако пыли и гари тянется через поселок к школьному зданию, окутывает его и устремляется в тундру.Загрязнителями поселка и прилегающих к нему территорий являются так же карьеры амфиболитов, которые, вероятно являются источниками кадмия, поскольку кадмий в довольно больших количествах содержится в материнских породах Ямала, в том числе и на территории Приуральского района5. Присутствие тяжелых металлов в растительности Харпа, указывает на то, что с течением времени они способны накапливаться в живой природе. Известно, что избыток хрома вызывает болезни почек, печени, рак легких, желудка и кожи. Под действием хрома происходит замедление роста у детей, заболевания глаз, поджелудочной железы, сахарный диабет6.«Кадмий – токсичный металл, в организме человека он накапливается в почках, при его избытке развивается болезнь «итай-итай» – искривление и деформация костей, сопровождающиеся сильными болями, необычайной хрупкостью и ломкостью костей».Кадмий является канцерогеном первой категории, способным вызывать онкологические заболевания.Вдыхание паров оксида кадмия (II) (CdO) смертельно (Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м3 оксида кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м3)7.Свинец – опасный металл, наносящий большой урон организму человека. Вызывает поражение нервной системы и органов гуморальной регуляции желез внутренней секреции. Это приводит к заболеванием этих систем органов8. Железо – один из важнейших микроэлементов. В организме человека в среднем содержится 4,2 г железа в виде соединений (более половины приходится на гемоглобин крови). Отсутствие в почве железа приводит к потере окраски листьев, вследствие чего они теряют способность к фотосинтезу. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких - заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови – печень9.Исследования годового отчета поселковой больницы за 2018 год по-прежнему показывают увеличение в несколько раз всех, перечисленных выше заболеваний. Целенаправленной работы по восстановлению экологической среды поселка, по удалению и нейтрализации загрязнителей не проводится. Не разрешимой проблемой остается вопрос сохранения здоровья людей, за счет восстановления экологического благополучия окружающей среды.
10. Выводы и рекомендации
Наибольшее количество хрома обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Мост.
Наибольшее количество кадмия обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Площадь Мира, Желтый ручей, Школа.
Наибольшее количество свинца обнаруживалось в пробах, полученных из растительного материала с опытных площадок Желтый ручей, Жемчужинка.
Присутствие железа двухвалентного обнаружено в образцах с площадок Желтый ручей, Жемчужинка, Мост,Собь (ул. Одесская)
Наибольшее количество железа трехвалентного обнаруживалось в пробах, полученных с опытных площадок Желтый ручей, Собь.
Трава и листья березы в большей степени накапливают тяжелые металлы, нежели хвоя ели, исключение составляет кадмий, который проникает во все растительные ткани.
Наиболее загрязненной территорией является левый берег Желтого ручья. На втором месте по загрязненности находятся все остальные территории п. Харп.
Экологическая ситуация менее напряжена в районе детского сада «Жемчужинка».
Сравнительный анализ общей загрязненности тяжелыми металлами 2013 - 2019 г.показал ухудшение экологической ситуации в поселке.
Происходит накопление тяжелых металлов на территории школьного двора.
Литература
А.И. Федорова, А.Н. Никольская. Практикум по экологии и охране окружающей среды. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Владос, 2001, 235с. (стр. 23)
XII Международная экологическая конференция молодёжи «ЭКО – 2006». Сборник материалов. – М.: ООО «Ладога-100», 2006, 240 с. (№12, стр. 173)
З.И.Слуковский. Происхождение кадмия в донных отложениях рек города Петрозаводска: техногенез или природа? – igkrc.ru>Geologia-i-pol-ish, 2007;2011;2012г.
Доценко О. «Школьный мониторинг окружающей среды п. Харп». Сборник работ материалов научно-исследовательской конференции учащихся и студентов «Ступень в будущее» за 2014 и 2016 годы.
XIV Международная экологическая конференция молодёжи «ЭКО – 2008». Сборник материалов. – М.: ООО «Ладога-100», 2008, 230 с. (№22, стр. 164)
Сборник лучших докладов школьников по экологии. – Ярославль: МОУ «Провинциальный колледж», 2010, 88 с. (стр.8 - 10)
XVII Международная экологическая конференция молодёжи «ЭКО – 2011». Сборник материалов. – М.: ООО «Ладога-100», 2011, 246 с. (№17, стр. 72)
Кабато –Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях/ Перевод с англ. М., 1989. 439с.
Черных Н.А., Баева Ю.И. Тяжелые металлы и здоровье человека / Н.А. Черных, Ю.И. Баева // Вестник РУДН. Сер. Экология безопасность жизнедеятельности. – № 1 (10). – 2004. – С. 134
ПРИЛОЖЕНИЕ
|
Рис. 1. Забор проб у детского сада «Жемчужинка» |
Рис. 2. Забор проб веточного материала березы |
|
Рис. 3. Забор проб на берегу реки Собь |
Рис. 4. Забор проб на берегу реки Обь (возле памятника мамонту) |
|
Рис.5. Заготовка и обработка образцов растительного материала |
Рис. 6. Порция пробы – 10г отмерялись с помощью мерного сосуда. |
|
Рис.7. Перемещение пробы из мерного сосуда в пробирку |
Рис.8. Приготовление порции спирта |
|
Рис.9. Каждая порция вытяжки должна содержать 10 мл 70% спирта |
Рис.10. Соединение растительного образца с жидкой фазой |
|
Рис. 11. Нагревание вытяжки строго по часам – три минуты |
Рис. 12. Готовые вытяжки хвойных пород |
|
Рис. 13. Готовые вытяжки лиственных пород |
Рис. 14. Фильтрование отстоявшихся вытяжек |
|
Рис. 15. Фильтраты получились зеленовато-коричневого цвета |
|
|
Таблица 1. Результаты исследований образцов на содержания хрома трехвалентного Таблица 2. Результаты исследований образцов на содержания кадмия двухвалентного Таблица 3. Результаты исследований образцов на содержания свинца двухвалентного Таблица 4. Результаты исследований образцов на содержания железа двухвалентного Таблица 5. Результаты исследований образцов на содержания железа трехвалентного |
Данные таблицы не могли отправить в электронном варианте, но они будут представлены как на стенде, так и в вордовском документе. Они содержат фотографии с результатами проведенных реакций ( Извините)
Таблица 7. Материалы экспертизы результатов химико-аналитического исследования
Таблица 8. Степень общей загрязненности тяжелыми металлами определялась по сумме баллов, выставленных участниками экспертизы
|
Экспериментальная площадка |
Сумма баллов |
Степень общей загрязненности |
|
детский сад «Жемчужинка» |
70 |
7 |
|
Берег реки Собь |
85 |
2 |
|
МОУ Школа п. Харп |
83 |
4 |
|
Площадь мира |
80 |
6 |
|
левый берег Желтого ручья |
106 |
1 |
|
Берег реки Обь (Салехард) |
84 |
3 |
|
Мост над железнодорожными путями |
81 |
5 |
|
Рис.17. График общей загрязнённости территории п. Харп в сравнении с 2013 и 2015 годами. |