VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВОДЫ НЕКОТОРЫХ ВОДОЁМОВ ГОРОДА ТУЛЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Артемюк А.М. 1

---

1ГОУ ДО ТО "ОЭБЦУ", структурное подразделение "Детский технопарк естественнонаучной направленности", г. Тула

Гришина К.А. 1

---

1ГОУ ДО ТО "Областной эколого-биологический центр учащихся", структурное подразделение "Детский технопарк естественнонаучной направленности"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Состояние окружающей среды всегда было важно при выборе места жительства людей. Они обращали внимание на многие видимые факторы: прозрачность воды, загрязнение почв, разнообразие растений и многое другое. Однако с развитием биологии и появлением экологии люди стали смотреть глубже и понимать больше. В настоящее время мы можем изучить состояние окружающей среды более полно и точно с помощью химических реакций. Так, изучая водоёмы на наличие ионов различных химических веществ, мы можем определить степень загрязнения не только воды, но и прилегающих к ней территорий.

Вода – универсальный растворитель. В настоящее время проблема загрязнения водных объектов является наиболее актуальной. Научному сообществу на сегодняшний день известно более 2500 загрязнителей воды. В Тульской области как одном из развитых промышленных регионов нашей страны экологическая ситуация является напряженной, а большинство рек Тульской области относится к классам «загрязненных» и «грязных». Ежегодно в водоемы региона сбрасывается около 190 млн кубометров не очищенных надлежащим образом сточных вод.

Целью работы является исследование показателей качества воды некоторых водоёмов города Тулы.

Задачи работы:

Произвести забор проб воды из выбранных водных объектов города Тулы;

Провести качественный анализ проб на наличие сульфатов, железа Fe²⁺ и хлоридов.

Выявить содержание аммония в пробах;

Определить pH среды в каждой пробе

Определить состояние качества воды в водоёмах различного хозяйственного назначения на территории города Тулы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Существует множество способов проверки качества воды: от простых органолептических до сложных химических опытов. Можно проверять воду, смотря на количество и разнообразие живых организмов в водоёме, можно узнать её цвет и запах, а можно определить концентрацию определённых веществ в воде и на основании этого сделать вывод о её качестве. Химический анализ воды даёт самые точные результаты, которые можно измерить и сравнить. Именно этим всегда занимались сначала единичные учёные, а потом санитарно-эпидемиологические службы. Именно они и установили нормальные показатели концентрации определённых веществ и такой параметр, как предельно допустимая концентрация (ПДК). «ПДК химического вещества во внешней среде - такая концентрация, при воздействии которой на организм человека периодически или в течение всей жизни, прямо или опосредованно не возникает заболеваний или изменений состояния здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований сразу или в отдаленные сроки жизни настоящего или последующих поколений.» [4] Как видно из определения, именно сравнивая концентрацию вещества в водоёме с его ПДК, можно определить качество воды. В Российской Федерации по санитарно-эпидемиологическим нормам и правилам ПДК для различных химических веществ составляет:

Для сульфатов (SO₄^2-) в водоёмах хозяйственно-питьевого назначения - 500 мг/л. В случае превышения данной концентрации, вода приобретает солёный вкус и начинает воздействовать на желудочно-кишечный тракт, становясь слабительным и вызывая аллергические реакции. [3]

Для хлоридов (Cl^-) - 350 мг/л. При её превышении ухудшаются вкусовые качества воды, она становится малопригодной для питьевого водоснабжения и многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий. [3]

Для ионов железа (Fe²⁺) - 0,3 мг/л. Влияние железа на организм не до конца изучено, но известно, что человеку нужно употреблять в сутки 1-2 мг железа, а при накоплении избытка существует угроза здоровью и жизни. Последствиями могут быть: гипертония, инфаркт или возникновение раковых опухолей. [3]

Для аммония (по аммонийному азоту) – 2,0 мг/л. Превышение нормы содержания аммония и аммиака могут придавать воде очень неприятный запах и привкус. В случае длительного употребления такой воды нарушается кислотно-щелочной баланс организма. Это в сочетании с продолжением употребления приводит к ухудшению здоровья, вызывает отёки тканей, тошноту, тремор, приступы удушья, спутанность сознания и многие другие проблемы.

Для кислотно-щелочного показателя среды нет ПДК, однако есть определённые границы, установленные СанПиНом. В водоёмах хозяйственно-питьевого водопользования допускается pH 6,5 – 8,5. [1]

В г. Туле и Тульской области последнее исследование экологической обстановки проводилось в 2018 г. В г. Туле была проверена р. Упа в трёх местах. По результатам проверки относительно 2017 года качество воды реке ухудшилось, перейдя в фоновом створе из класса-разряда 3Б «Очень загрязненная» в разряд 4А «Грязная», в верхнем контрольном створе из разряда 4А «Грязная» в 4Б «Грязная», а в замыкающем осталось в классе-разряде 4Б «Грязная». Превышения ПДК наблюдаются по 10-11 показателям из 14. Основной вклад в оценку загрязненности водотока в фоновом створе вносят органические вещества, медь и нитритный азот, загрязнённость которыми классифицируется как характерная среднего уровня. На всём участке в отчётном году произошло незначительное увеличение концентраций органических веществ, общего железа, фосфатов и общего фосфора. Содержание аммонийного азота осталось на уровне предшествующего года. Содержание нитритного азота увеличилось на всем участке. [2]

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Объекты исследования

Объектами исследования являются модельные растворы водных объектов разного хозяйственного назначения, отбор которых произведён на территории г. Тула и Тульской области. Перечень проб представлен в таблице:

Таблица 1. Объекты исследования

3

5

2

4

6

1

Рисунок 1. Места отбора проб

1.2. Методика исследования

Исследования проводились в период с 20 ноября по 10 декабря 2019 года на территории забора проб и в лаборатории ГОУ ДО ТО «Областной эколого-биологический центр учащихся» г. Тулы.

1.2.1. Методика отбора водных проб

Водные пробы отбирали по методике отбора водных проб для короткого санитарно-химического анализа. Для этого в чистую ёмкость объёмом 1 л производили отбор воды, предварительно однократно ополаскивая ёмкость отбираемой водой.

1.2.2. Методика качественного анализа на сульфаты (SO₄^2-)

Сульфаты - довольно распространённые компоненты природных вод. Они могут присутствовать в воде в случае растворения некоторых минералов – природных сульфатов (гипсов), а также из-за переноса сульфатов, содержащихся в воздухе, с дождями. Сульфаты в водоёме можно обнаружить и в следствии сброса в него сточных вод с предприятий, использующих в промышленности серную кислоту. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.

Для качественного анализа на сульфаты необходимо набрать в пробирку 10 мл исследуемой воды и добавить 2 мл 5% раствора хлорида бария. Тщательно перемешать. Выпадение осадка свидетельствует о наличии сульфат ионов. [1]

1.2.3. Методика качественного анализа на хлориды (Сl-)

Хлориды присутствуют в большинстве пресных грунтовых и поверхностных вод и придают им солёный вкус. Хлорид натрия чувствуется уже при концентрации 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния солёность возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л. Большие их количества могут образовываться в процессах промышленного производства: концентрирования растворов, ионного обмена и т.д. В результате образуются сточные воды с большим содержанием хлорид-ионов. Их высокая концентрация в воде пагубно влияет на рост растений и вызывает засоление почв.

Для качественного анализа на хлориды необходимо в пробирку набрать 1 мл исследуемой воды и добавить 1 мл раствора нитрата серебра. Тщательно перемешать. Выпадение осадка свидетельствует о наличии ионов хлора. [1]

1.2.4. Методика качественного анализа на ионы железа (Fe2+)

Железо – это один из самых распространённых в природе элементов. Оно является жизненно важным микроэлементом для живых организмов: от него зависит интенсивность развития фитопланктона, и встречается в малых концентрациях почти во всех природных водах. Загрязнение железом обычно вызывают сточные воды травильных и гальванических цехов, текстильных заводов, участков подготовки металлических поверхностей и т.д. Вода с концентрацией железа больше 1-2 мг/л характеризуется плохими вкусовыми качествами. Она имеет неприятный вяжущий вкус и непригодна для промышленных целей.

Для качественного анализа на ионы железа (Fe²⁺) необходимо в пробирку набрать 1 мл исследуемой воды и добавить 3 капли соляной кислоты (HCl) для создания кислой среды. Далее следует добавить 1 мл роданида калия (KSCN). Выпадение осадка от бурого до кроваво-красного цвета свидетельствует о наличии ионов железа (Fe²⁺).

1.2.5. Методика определения содержания аммония (NH₄⁺)

Аммоний принадлежит к группе биогенных элементов, входящих в состав живых организмов. Он и его соединения обычно присутствуют в природных водах в небольшой концентрации, так как является продуктом разложения и дальнейшего синтеза животных и растительных белков. В большом количестве попадает в водоёмы в следствие избыточного и неправильного применения минеральных и органических удобрений, в состав которых он входит. Кроме того, достаточно большое количество аммонийных соединений присутствует в фекалиях и при неправильной утилизации они легко могут попасть в грунтовые и наземные воды. По этим причинам повышенное содержание амоннийного азота в водоёмах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.

Для определения содержания аммония использовали фотоколориметр «Экотест 2020». После включения прибора необходимо выбрать измеряемое вещество – «Аммоний». Далее проводятся предварительные измерения с помощью прозрачной кюветы, куда заливаются до метки используемые в анализе жидкости: «Фон» – дистиллированную воду, которая не содержит примесей в составе, а также лабораторный стандарт по измерению аммония данной моделью фотоколориметра. После проведенных действий, описанных выше, исследуется каждая проба воды, которая наливается в чистую отдельную кювету. Кювета располагается внизу прибора. Простота данного типа анализа в том, что фотоколориметр самостоятельно рассчитывает концентрацию аммония, и значения, которые мы видим на экране – это установленные прибором концентрации в единицах измерения мг/л (мг/дм³).

Рисунок 2-3. Ход измерения аммония в пробе.

1.2.6. Методика определения водородного показателя pH среды

Водородный показатель – это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов в растворе. Для живых организмов (кроме некоторых бактерий) минимальная величина pH = 5; кислотные дожди имеют pH<5,5.

Методика определения pH водных проб в данной работе является стандартной, с использованием универсального индикатора производства ООО «Экросхим» с цветовой шкалой для определения pH от 0 до 12. Для определения данного показателя следовали инструкции, указанной на упаковке индикатора. Для определения pH среды на индикаторную полоску капаем чистой пипеткой 1-2 капли исследуемой воды и ждём несколько секунд. Сравниваем установившийся цвет с индикатором и находим pH среды по шкале.

Рисунок 4. Эталонная шкала pH среды и универсальная индикаторная бумага

1.2.7. Обработка результатов

Обработка результатов исследования проводилась с помощью компьютерных программ Microsoft Office Word и Excel для построения таблиц, графиков и диаграмм, описывающих и подтверждающих полученные данные.

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Содержание сульфатов в водоёмах различного хозяйственного назначения города Тулы

В ходе нашего исследования был проведен качественный анализ отобранных проб воды.

Результаты анализа представлены в таблице 2:

Таблица 2. Результаты анализа на сульфаты

Из таблицы 2 видно, что отсутствие сульфатов зафиксировано в пробах «Родник ул. Л. Толстого» и «Пруд - Комсомольский парк» (пробы 3 и 4). В них вода осталась полностью прозрачной. Наибольшее количество зафиксировано в пробах «Упа ТОЗ», «Упа К» и «Тулица» (пробы 1, 5 и 6). В них по результатам анализа выпал плотный осадок белого цвета. В пробе «Щегловский родник» (проба 2) в воде появилось незначительное помутнение, но плотного осадка визуально не зафиксировано. Таким образом можно сказать, что содержание сульфатов в этой пробе меньше, чем в пробах «Упа ТОЗ», «Упа К» и «Тулица».

Рисунок 5. Проведение анализа на сульфаты.

2.2.Содержание хлоридов в водоёмах различного хозяйственного назначения города Тулы

Результаты анализа представлены в таблице 3:

Таблица 3. Результаты анализа на хлориды

Результаты, приведенные в данной таблице, показывают, что хлориды были обнаружены во всех пробах. Высокие концентрации хлоридов в воде хозяйственно-питьевого назначения до определенного предела не оказывают токсического воздействия на организм человека и животных, проживающих в данных водоемах, но в случае качественного обнаружения хлоридов в пробах необходимо проведение анализа на засоление водоемов уполномоченными регионом органами по контролю загрязнения окружающей среды.

2.3. Содержание железа в водоёмах различногохозяйственного назначения города Тулы

Результаты анализа представлены в таблице 4 и на рисунке 6:

Таблица 4. Результаты анализа на железо

В таблице приведены результаты качественного анализа. Во всех пробах, кроме «Пруд – Комсомольский парк» (проба 4), ионы железа не обнаружены. Можно предположить, что наличие бурого осадка в пробе 4, доказывающего положительный результат данного опыта, связано со спецификой места отбора водной пробы, так как недалеко от него в пруд впадают воды родника-источника, которые истекают из железной трубы. Железные трубы чаще всего являются причиной коррозионных процессов из-за постоянного контакта с водой.

Рисунок 6. Качественный анализ проб на ионы железа Fe²⁺

2.4. Содержание аммония в водоёмах различного хозяйственногоназначения города Тулы

Результаты анализа представлены на рисунке 7:

Рисунок 7. Результаты анализа на аммоний

На графике, представленном на рисунке 5 хорошо видно, что значения содержания аммония в шести проанализированных распределились в пределах от 0,036 до 0,05 мг/л. Данные значения находятся в норме и не превышают показателя ПДК (предельно допустимой концентрации) аммония для водоемов хозяйственно-питьевого назначения, которая равна ПДК_(NH4⁺₎ = 2,0 мг/л.

2.5. Определение водородного показателя pH среды

Результаты анализа представлены на рисунке 8:

Рисунок 8. Результаты анализа на реакцию среды

Результаты, представленные на рисунке 8, показывают, что показатели pH среды во всех пробах не выходят за пределы нормы. При этом видно, что в пробах «Упа ТОЗ», «Родник ул. Л. Толстого» и «Пруд - Комсомольский парк» (1, 3 и 4) среда нейтральна, а в пробах «Щегловский родник», «Упа К» и «Тулица» (2,5 и 6) чуть более кислая.

Рисунки 9-10. Проведение анализа pH среды

ВЫВОДЫ

1) Произведен отбор и анализ 6 водных проб на территории города Тулы из водных объектов разного хозяйственного назначения: реки, пруды, родники.

2) Ярко выраженное присутствие сульфатов выявлено качественным анализом в двух водных объектах: реке Упе (две точки анализа) и реке Тулице. Следовое присутствие сульфатов обнаружено в роднике Щегловской засеки г. Тулы.

3) Хлориды присутствуют во всех водных объектах по результатам качественного анализа.

4) Железо Fe²⁺ обнаружено в пруду Комсомольского парка. Это может быть связано со спецификой места отбора водной пробы.

5) Водородный показатель рН исследованных водных объектов находится в пределах 6,5-7,0, что соответствует норме, установленной СанПиН для водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования.

6) Содержание аммония NH4⁺ во всех исследованных водных объектах по результатам фотоколориметрического анализа находятся в норме и не превышают показателя ПДК (предельно допустимой концентрации) аммония для водоемов хозяйственно-питьевого назначения, которая равна ПДК_(NH4⁺₎ = 2,0 мг/л.

7) Водные объекты разного хозяйственного назначения, находящиеся на территории города Тулы требуют дополнительного лабораторного анализа для создания полной картины о качестве их вод.

Произвести забор проб воды из выбранных водных объектов города Тулы;

Провести качественный анализ проб на наличие сульфатов

Определить содержание аммония в пробах;

Определить pH среды в каждой пробе

Определить состояние качества воды в водоёмах различного хозяйственного назначения на территории города Тулы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Муравьёв А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. 3-е изд., доп. и перераб. – СПб.: «Крисмас+», 2004. – 248 с.

Электронные ресурсы:

Доклад об экологической ситуации в Тульской области за 2018 год.

https://tularegion.ru/ViewerJS/#../upload/iblock/561/5618b798517364634d275c9d7d702c6e.pdf

Официальный сайт независимой лаборатории «Ион». База знаний.

https://ion-lab.ru/

Сайт института биотехнологии, пищевой и химической инженерии (ИнБиоХим) Алтайского государственного технического университета имени И.И. Ползунова.

https://www.chem-astu.ru/chair/study/engmet-ooc/?p=16