VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние зольного загрязнения на рост и развитие укоренных черенков Ивы (на примере МУП “Тепловодоснабжение” подразделение с. Татарка)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Атмосфера является наиболее уязвимой составляющей окружающей среды. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется огромный и невосполнимый ущерб.
Энергетика является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.
Одним из основных и самых крупномасштабных источников загрязнения атмосферы являются ТЭС и ТЭЦ. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Кроме этого в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива.
Учёными подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями. Причиной загрязнений такого масштаба является развитие экологически несостоятельных технологических процессов, то есть таких, которые создают удовлетворение потребностей человека в тепловой и электрической энергии, но одновременно с этим и недопустимое загрязнение окружающей среды. Эти процессы развиваются без принятия эффективных мер, предупреждающих загрязнение атмосферы.
Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества. Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.
Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли.
Цель исследования: выявить особенности роста и укоренение черенков ивы в условиях зольного загрязнения.
Объект исследования: ива
Предмет исследования: укоренение черенков ивы в условиях зольного загрязнения
Задачи:
Изучить список литературы по теме.
Определить укореняемость черенков ивы при различных дозах зольного загрязнения почвы.
Изучить закономерности роста побегов, образовавшихся из спящих почек
Глава 1. Обзор научной литературы
Эколого-биологическая характеристика ивы
Насчитывают не менее 170 видов ив, распространённых, главным образом, в прохладных областях Северного полушария, где ива заходит за полярный круг. Несколько таксонов произрастают в тропиках. В Северной Америке – более 65 видов, из которых только 25 достигают размеров дерева. Имеется во многих заповедниках европейской части России, Казахстана, Кавказа, Прибалтики, Крыма, Средней Азии. Растут ивы по берегам и долинам рек.
Обычно это дерево высотой до 15 м или кустарники, однако среди некоторых видов ивы встречаются экземпляры высотой до 40 м и диаметром ствола более 0,5 м. Наиболее распространенные 9 видов: ива белая (ветла), ива козья, ива корзиночная, ива ломкая (ракита), ива мирзинолистная, ива остролистная (верба), ива пепельная (серая), ива трехтычинковая, ива ушастая.
Царство: Растения
Отдел: Цветковые
Класс: Двудольные
Порядок: Мальпигиецветные
Семейство: Ивовые
Род: Ива
Крупное дерево, достигающее в высоту 25 м, с широкой кроной (Новиков, В.С.)
В природе ивы размножаются семенами, в культуре же, главным образом – черенками и отводками.
Плод – коробочка, вскрывающаяся двумя створками. Семя весьма мелкое, покрытое белым пушком, весьма легкое, свободно переносимое ветром на далекие расстояния. На воздухе семена ивы сохраняют свою всхожесть в продолжение только нескольких дней; попав же в воду, на дно водных бассейнов, они сохраняют свою всхожесть в продолжение нескольких лет.
Почки различного цвета, темно-бурые, красно-жёлтые и т. п.; наружные покровные чешуйки их взаимно срастаются своими краями в цельный колпачок или чехлик, отделяющийся, при разрастании почек, у своего основания и спадающий тогда целиком. Верхушечная почка на ветвях обыкновенно отмирает, а соседняя к ней боковая дает наиболее сильный побег, заменяет собою отмершую верхушечную почку. Прилистники мелкие, узколанцетные, железистые, рано опадающие, серебристо-пушистые. Черешок листа длиной 0,2 – 1 см, с одной парой желёзок возле основания пластинок. Осенью листья приобретают бронзово-жёлтую окраску, держатся на ветвях долго.
Цветки раздельнополые, весьма мелкие и сами по себе мало заметные; Тычинок две, свободных, внизу волосистых; пыльники ярко-жёлтые, позже красноватые; нектарников два, передний и задний, иногда раздвоенных. Завязь яйцевидно-коническая, тупая, голая. Столбик короткий или очень короткий, часто несколько раздвоенный; рыльце жёлтое, раздвоенное, с продолговатыми лопастями.
Сережки однополые, или только с мужскими, или только с женскими цветками; мужские и женские сережки появляются на различных особях: ива в полном смысле слова растения двудомные.
Цветёт в апреле – мае одновременно с распусканием листьев. Семена созревают в мае – июне.
Ареал вида – Европа (за исключением Крайнего Севера), Западная Сибирь, Малая Азия, Иран. Ива белая натурализовалась в Северной Америке и Средней Азии. Обычное дерево Средней России. Разводится во многих местах как культурное, часто дичает на месте посадок.
Произрастает на плавнях, по берегам рек, арыков, прудов и водоёмов, вдоль дорог и около жилья в качестве разводимого (Голованов А.И.)
Издавна используется в декоративном садоводстве, особенно формы с яркоокрашенными повислыми тонкими ветвями (Новиков, В.С.)
Способность черенков ивы быстро укоренятся, обеспечивается наличием в коре точек роста или корневых зачатков, которые при соответствующих условиях способны быстро укоренятся.
1.2. Отношение растений ивы к факторам внешней среды
Благодаря широкому географическому распространению, приспособленности к различным экологическим условиям и быстрому росту ивы исторически культивируются уже довольно давно. Все виды рода ива требовательны к влажности и освещенности (Морозов И. Р.)
Они способны быстро заселять свободные от растительности участки почвы или места со слабо развитым вегетативным покровом. Отмеченным экологическим особенностям отвечает строение их семян: мелкие, продуцируемые в больших количествах, разносимые ветром, быстро прорастающие во влажной почве. На недостаточно влажном или задернованном субстрате семена прорастают плохо, а аллювиальные растения страдают и погибают.
Благодаря широкому географическому распространению, быстрому росту, позволяющему в короткие сроки формировать высокие запасы биомассы, и приспособленности отдельных видов к различным экологическим условиям ивы культивируются давно и довольно широко. Они являются весьма привлекательными для плантационного выращивания еще и потому, что большинство их видов, клонов и гибридов хорошо размножается стеблевыми черенками и дает обильное отрастание стволовых побегов. В зависимости от хозяйственной направленности на получение крупно-товарной круглой древесины, прута, дубильного сырья или технологической щепы на промышленных плантациях культивируют как древовидные, так и кустарниковые виды ив (Симоненко В. Д.)
В настоящее время различные виды ив находят применение в лесном хозяйстве, лесомелиорации, ландшафтном озеленении, а также в промышленном плантационном выращивании с целью получения прута для плетения, технологической древесины и сырья для производства дубильных экстрактов. В результате селекционных работ, направленных на повышение экономической эффективности плантаций, к настоящему времени получен целый ряд высокопродуктивных клонов и гибридов ив.
Как и любой сорт сельскохозяйственного растения, выведенный искусственным путем, они становятся чрезвычайно чувствительными к факторам внешней среды. Оценка биологических особенностей растений ивы необходима для разработки оптимальной, адаптивной к конкретным условиям системы агротехники.
1.3. Влияние золоотвалов на окружающую среду
Среди различных видов промышленных отходов одно из первых мест по объему занимают золошлаковые отходы (ЗШО). Накопление в отвалах ЗШО создает постоянную угрозу загрязнения атмосферы и почвы в результате пыления, а также водоемов, в случае размыва ливневыми, талыми и паводковыми водами. Кроме того, постоянное пополнение отвалов требует отвода новых земель для их складирования. При этом возникают большие расходы на строительство и содержание золоотвалов.
Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтратами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно около 250 млн. мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Огромные количества золы и шлака скапливается в отвалах, занимающих ценные земельные угодья. При сжигании каменного угля остается очень большое количество зольных отходов, которые вывозятся за город на золоотвалы. Золоотвалы очень плохо оборудованы, и зола разносится на значительные расстояния.
Зола загрязняет атмосферу, оседая на землю, она скапливается, покрывая поверхность почвы плотным слоем. Это способствует образованию техногенных пустынь.
В зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеобразования, а также вымывания компонентов золы, попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на население (здоровье человека). Кроме того, золоотвалы являются причиной отчуждения земель, которые практически безвозвратно изымаются из полезного использования.
Их опасные свойства усугубляются в процессе длительного хранения, т.к. токсичные компоненты концентрируются, в связи с этим возникает необходимость оценки воздействия золоотвалов на окружающую среду.
На современном этапе развития общества одной из ведущих проблем является обеспечение тепловой и электрической энергией, поэтому объекты теплоэнергетики являются неотъемлемой составляющей инфраструктуры города. Потребляя природные ресурсы, они, кроме основной продукции, образуют также отходы производства (твердые отходы, сточные воды, выбросы в атмосферу и т.д.). Часть примесей дымовых выбросов, осевших на прилегающую территорию, смывается атмосферными осадками в поверхностные водотоки, оксиды серы и азота, соединяясь с атмосферной влагой, образуют кислоты, которые выпадают на поверхность земли, загрязняя почву, водоемы, подземные водоносные горизонты. Загрязненная вода из золоотвалов проникает в водоносные горизонты.
Расположенные в пределах одного населенного пункта и имеющие одно назначение объекты теплоэнергетики оказывают разное влияние на природные воды, в зависимости от мерзлотно-гидрогеологических условий их размещения и технического строения золоотвалов.
Зоолотвалы оказывает значительное негативное влияние на химический состав подземных и поверхностных вод прилегающей территории.
Защита атмосферы и всей биосферы в целом от тепловых выбросов и загрязнения отходами производства (золоотвалы), должны быть направлены на снижение объемов выбросов и сбросов, их очистку и включать следующие мероприятия:
применение методов, способов и средств, ограничивающих объемы выбросов твердых аэрозолей и газов, сбросов сточных вод;
очистка сточных вод перед их сбросом в водоемы, организация необходимого контроля;
очистка газопылевых выбросов;
обеспечение соблюдения экологических нормативов проектируемыми объектами и сооружениями;
контроль за состоянием окружающей среды в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики;
максимально возможное изменение топливных режимов энергетических установок в пользу экологически чистых видов топлива.
Таким образом, золошлаковые отходы при их складировании создают опасность загрязнения окружающей среды содержащимися в них радионуклидами и тяжелыми металлами. В зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеобразования, а также вымывания компонентов золы, попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на население (здоровье человека). Кроме того, золоотвалы являются причиной отчуждения земель, которые практически безвозвратно изымаются из полезного использования.
Глава 2. Методы и методика исследования
Методика исследований – это совокупность подходов, способов и приемов проведения научных исследований (Кравченко В.С.)
Существуют множество различных методов научного исследования, мы воспользовались некоторыми из них, такими как метод наблюдения, описательный, сравнительный и экспериментальный.
Работа выполнена в лаборатории кабинета химии МБОУ «Татарская СОШ» с использованием в качестве субстрата золы МУП “Тепловодоснабжение” с. Татарки и почва (чернозем обыкновенный), отобранная на территории школьного участка (контроль).
Ива взята на берегу реки Иртыш и сразу в лабораторных условиях были нарезаны черенки каждый по 5 см, диаметром 0,5 мм.
Материалы и оборудования:
1. черенки ивы;
2. пластиковые кюветы;
3. смеси почвы и золы;
4. линейка для измерения побегов;
Посадка черенков ивы (по 4 черенка в кювете) была проведена 18 января 2019 года в кюветы с различным соотношением почвы и золы в трехкратной повторности в следующих концентрациях:
Вариант: I - 100% почва (контроль);
Вариант: II - 75% почва + 25% зола;
Вариант: III - 50% почва + 50% зола;
Вариант: IV - 25% почва + 75% зола;
Вариант: V - 100% зола.
Наблюдения проводились с интервалом 1-2 дня с поддержанием оптимальной температуры воздуха и влажности почвы, при естественном освещении. Измеряли прирост черенков ивы белой. В каждом варианте находили среднее значение общего прироста черенков ивы белой.
Среднее значение прироста черенков (среднее арифметическое, ) вычисляли по формуле:
,
где - среднее значение признака, n – число случаев (Григорьев А.И.)
Глава 3. Результаты исследования
3.1 Анализ результатов исследования
Рис. 1. Динамика роста побегов черенков ивы в вариантах опыта.
Условные обозначения:
1 . - вариант I (100% почва);
2 . - вариант II (75% почва + 25% зола);
3 . - вариант III (50% почва + 50% зола);
4 . - - вариант IV (25% почва + 75% зола);
5 . - вариант V (100% зола).
На 4 день опыта был отмечен рост побегов (см. рис. 1), а на 7 день - 100% рост побегов у черенков во всех вариантах опыта. Наиболее высокий рост побегов наблюдался в зольном субстрате. На 32 день опыта наблюдалась полная гибель укорененных черенков во II и III вариантах опыта.
На основании этих опытов можно отметить проявление стимулирующего эффекта зольного загрязнения на укоренение и рост побегов укорененных черенков ивы.
Таким образом, можно отметить, что в чисто зольном субстрате наблюдается эффект стимуляции процесса укоренения и роста побегов укорененных черенков ивы.
Рис. 2. Динамика роста побегов черенков ивы в условиях зольного загрязнения в вариантах (I, II, III) опыта.
Условные обозначения:
1 . - вариант I (100% почва);
2 . - вариант II (75% почва + 25% зола);
3 . - вариант III (50% почва + 50% зола).
Рис. 3. Динамика роста побегов черенков ивы в условиях зольного загрязнения в вариантах (I, IV, V) опыта.
Условные обозначения:
1 . - вариант I (100% почва);
2 . - - вариант IV (25% почва + 75% зола);
3 . - вариант V (100% зола).
Таблица 1
Средняя длина побегов в каждом варианте
|
Варианты |
Средняя длина побегов ( ), в см. |
|
I |
4.6 |
|
II |
5.1 |
|
III |
4.3 |
|
IV |
3.9 |
|
V |
3.9 |
Заключение
Для многих энергетических объектов нашей страны остаются злободневными вопросы природоохранного характера. Теплоэнергетческие станции, работающие на твердом топливе, загрязняют местность угольной пылью, золой, дымом и вместе с ними токсичными и вредными газами, содержащими сернистыми и азотистыми окислы, углеводорода, фтористые и мышьяковистые соединения. Много в продуктах сгорания и кадмия, ртути, никеля, стронция. Большинство из них не соответствует современным требованиям по охране окружающей среды. Многие накопители отходов, в том числе золоотвалы находятся в предаварийном состоянии из-за переполнения, деформации дамб, неудовлетворительной работы противофильтрационных сооружений. Золоотвал оказывает вредное воздействие на окружающую среду, загрязняя атмосферу вследствие пыления его поверхности и гидросферу - вследствие миграции токсичных элементов в грунтовые воды.
Золошлакохранилища или золоотвалы в технологической цепи энергетических комплексов и систем являются важным звеном, обеспечивающим складирование огромного количества токсичных отходов в виде золы и шлака. Ежегодно в России образуется свыше 100 млн т золошлаковых отходов, которые накапливаются в отвалах. Общая площадь земли занятой под отвалы в странах СНГ превышает 35 тыс га, на которых размещено 1,5 млрд т. золошлаковых материалов. В промышленно развитых странах используют почти 100 % золошлаковых отходов. В России огромные ресурсы зол и шлаков тепловых электрических станций (ТЭС) используются менее чем на 10 %.
Золоотвалы образуются в результате гидроскладирования отходов от сжигания каменного угля в тепловых электростанциях. Отработанные золоотвалы представляют собой сложные техноприродные геосистемы, состоящие из взаимосвязанных природных и техногенных компонентов, образующих целостную систему, между которыми осуществляется обмен веществами и энергией. По степени и характеру изменения компонентов их относят к сильно измененным (нарушенным) геосистемам. По степени хозяйственной ценности золоотвалы являются культурными промышленными комплексами в ранге ландшафтных урочищ. Эти экстрактивные ландшафты возникают на месте уничтоженных ранее существовавших естественных ландшафтов и не имеют природных аналогов, находятся на начальных этапах первичного сингенеза.
Традиционным способом изоляции золоотвалов и других накопителей промышленных отходов является отсыпка природного растительного грунта на их поверхность с последующим высевом многолетних трав.
Восстановление подобных объектов должно завершаться проведением биологической рекультивации, которая основывается на ландшафтном (геосистемном) подходе, поскольку представляет собой чрезвычайно сложный процесс регенерации биогеоценозов. Целью биологической рекультивации является создание и ускорение формирования в условиях техногенного экотопа новых почвогрунтов и устойчивых фитоценозов с заданным уровнем биопродуктивности. Этот уровень может быть запроектирован, исходя из экологического потенциала восстанавливаемого объекта (физическая и агрохимическая характеристика грунта, гидрологический режим, микроклимат) и среднезональной продуктивности естественных фитоценозов, что достигается с помощью фитомелиораций способствующих улучшению компонентов и объектов природной среды путем использования в качестве мелиорантов различных видов растений. Ассортимент культур - фитомелиорантов, пригодных для биологической рекультивации отработанных золоотвалов, устанавливают на основе изучения условий их естественного самозарастания, либо проводят лабораторные исследования в вегетационных сосудах.
Список литературы
Бирюков В.В. Эффективные направления крупномасштабного использования золошлаковых отходов / В.В. Бирюков, С.Е. Метелев, В.В. Сиротюк, В.Р. Шивцов // Сибирский торгово-экономический журнал. – 2008. – № 7. – С. 66 – 70.
Бутовский М.Э. Неутилизированные отходы теплоэлектростанций в г. Рубцовске – источники экологической опасности / М.Э. Бутовский // Экология промышленного производства, 2010. – № 10. – С. 36 – 40.
Григорьев А.И. Методические указания по написанию дипломного проекта / А.И. Григорьев, В.Н. Лойко, Л.В. Кубрина. – Омск: Изд-во ОмГПУ, 2008. – 28 с.
Дик Э.П., Соболева А.Н. Оценка степени опасности золошлаковых отходов ТЭС для окружающей среды и здоровья человека // Материалы II научно-практического семинара «Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование», Москва, 23–24 апреля 2009 г. ― М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 65 – 68.
Мауричеева Т.С., Киселев Г.П. Основные положения количественной оценки радиоактивного воздействия угольных ТЭЦ на окружающую среду / Т.С. Мауручева, Г.П. Киселев // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Естественные науки, 2006. – № 1. – С. 110 – 114.
Меннинг, У. Д. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений / У. Д. Меннинг, У. А. Федер. ― Л.: Гидропромиздат., 1985. – 175с.
Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений / В.С. Николаевский. – Новосибирск: Наука, 1979. – 278 с.
Рекомендации по контролю за состоянием грунтовых вод в районе размещения золоотвалов ТЭС: П – 78 – 2000. М.: ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 2000. – 14 с.
Тарарина, Л.Ф. Экологический практикум для студентов и школьников: Биоиндикация загрязненной среды / Л. Ф. Тарарина. – М., 1997. – 80 с.
Черепанов А. А. Комплексная переработка золошлаковых отходов ТЭЦ (результаты лабораторных и промышленных испытаний) / А. А. Черепанов, В. Т. Кардаш // Геология и полезные ископаемые Мирового океана, 2009. - № 2. – С. 98 – 115.
Шилилова Т.И., Самусеева М. Н. Применение золы уноса ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» для химической мелиорации кислых почв / Т.И. Шилиова, М.Н. Самусеева // Успехи современного естествознания, 2004. – № 12. – С. 85–86.
Приложение 1
Рис. 1 - МУП “Тепловодоснабжение” подразделение с.Татарка
Рис. 2 – Ива
Рис. 3 - Закладка укорененных черенков Ивы
Рис. 4 – День первый