VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительная характеристика состояния окружающей среды в Городецком и Лукояновском районе Нижегородской области с помощью листьев растений

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Фивейский А.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя школа № 19 с углубленным изучением отдельных предметов"

Хрипунова Т.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя школа № 19 с углубленным изучением отдельных предметов"

Работа в формате PDF

884.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность работы

При изучении степени загрязнения окружающей среды важна реакция биологических объектов на поллютанты (загрязняющие вещества). Система наблюдений за реакцией биологических объектов на воздействие загрязняющих веществ называется биологическим мониторингом, который включает в себя наблюдения, оценку, прогноз изменений состояния экосистемы, вызываемых антропогенным воздействием. Наш город находится в развитом промышленном районе. Рядом с городом пролегает оживленная автотрасса, в городе и районе есть промышленные предприятия, у населения есть много автомобилей. Поэтому нам стало интересно посмотреть, как деревья реагируют на эти антропогенные воздействия.

Гипотеза

Антропогенное воздействие в Нижегородской области оказывает влияние на состояние окружающей среды, что может отразиться на состоянии деревьев лиственных пород.

Цель:

Определение степени загрязнения на территории г. Заволжья и его окрестностей, а также на территории лагеря «Лесная сказка» (Лукояновский район) по накоплению в органах растений серы и других веществ, построение карты загрязнения.

Задачи:

Оценить степень загрязнения г. Заволжья и его окрестностей, а также на территории лагеря «Лесная сказка» с помощью определения зольности листьев древесных растений;

Исследовать листья на содержание в них серы;

Определить, какие методы являются более или менее точными;

Построить карту загрязнения части Нижегородской области, сравнить уровень загрязнения на выбранных территориях.

Методы, использованные при проведении исследования:

Методы эмпирического исследования – наблюдение, эксперимент, измерение, сравнение и описание исследуемых объектов;

Методы теоретического познания – выдвижение гипотез, предположений;

Общелогические методы – анализ и обобщение полученных результатов, анализ документов (контент-анализ).

Объект исследования – береза бородавчатая, осина обыкновенная, ольха чёрная, дуб черешчатый, ива козья.

Предмет исследования – биоиндикация атмосферного загрязнения по листьям древесных растений.

Сроки выполнения работы: июнь – ноябрь 2019 года

Этапы работы:Установочно-организационный – июнь 2019 года; выбор и обсуждение главной идеи, целей и задач будущей работы – июнь 2019 года.

Обсуждение методических аспектов и организация работы над исследованием – июль-август 2019 года.

Структурирование исследования и подбор необходимых материалов – сентябрь 2019 года.

Работа над исследованием – сентябрь - ноябрь 2019 года.

Подведение итогов, оформление результатов – декабрь 2019 года.

Презентация работы – декабрь 2019 года.

Практическая значимость исследования состоит в возможности использования материалов исследования в работе с местным населением, со школьниками по пропаганде природоохранных и экологических знаний, знакомство учащихся со своим родным краем.

Новизна работысостоит в том, чтоэти методики еще не использовались в наших работах, мы получили новый опыт работы по оценке состояния окружающей среды, смогли сравнить полученные результаты с ранее полученными, но другими методами.

Ожидаемые результаты: мы надеялись получить данные по состоянию окружающей среды в той местности, где мы проживаем, чтобы потом дать рекомендации для учащихся школы, учителей и населения города о том, какие меры нужно принимать для снижения уровня загрязнения городской и пригородной среды сернистыми загрязнителями, как уберечь свое здоровье от данных вредных компонентов.

Глава 1. Обзор литературы по теме исследования

Во время работы над литературой по теме исследования нам удалось узнать об использовании древесных растений в качестве биоиндикаторов состояния окружающей среды. Оказывается, что исследования, проведенные на древесных растениях, показывают накопление в органах растений тяжелых металлов, серы и других элементов. По содержанию этих элементов можно оценить экологическую обстановку в исследуемых районах.

Основными источниками загрязнения атмосферы в городе являются автотранспорт и промышленность. В составе выхлопных газов автомобиля, содержится около 300 вредных веществ. Одним из таких загрязняющих атмосферу веществом является SO₂ – оксид серы (IV) или диоксид серы, сернистый газ. Антропогенное загрязнение среды соединениями серы сопровождается изменениями во всех компонентах экосистем, в том числе и в фитобиотопе.

Оксид серы (IV) – бесцветный, ядовитый газ с резким запахом, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде. Это вредное вещество выделяется также при сжигании содержащих серу топлив: каменного угля, кокса, горючих сланцев, сернистой нефти. Во всем мире по выбросам сернистых соединений в атмосферу на первом месте стоит металлургическая промышленность и предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Таким образом, в результате деятельности человека в атмосферу Земли попадает ежегодно около 60-70 млн. т серы в виде сернистого газа. Сравнение естественных и антропогенных источников эмиссии серы и ее различных соединений в атмосферу показывает, что человек, в результате своей деятельности, загрязняет атмосферу Земли этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходит в природе естественным путем.

Качественная реакция на сульфат - анионы Ва²⁺+ S0₄^2-= BaSO₄ (выпадает белый мелкокристаллический осадок, нерастворимый в кислотах).

Это накопление происходит как путем диффузии, так и из-за связывания тяжелых металлов или их растворимых солей в менее подвижные комплексы с белками, дубильными веществами и др. По процентному содержанию золы, в состав которой входят тяжелые металлы, можно судить об экологическом неблагополучии той или иной территории.

Ответственным моментом для построения карты загрязнения исследуемой территории является выбор растений-биоиндикаторов. Эти растения должны быть достаточно устойчивыми к загрязнителям окружающей среды, способны накапливать их в органах, быть широко распространенными. Одним из методов определения сульфатов в растениях является весовой метод, основанный на превращении окислов серы в сульфаты. Он может быть использован для сравнительных исследований и построения карты загрязнения территории окислами серы.

Глава 2. Организация и методики исследования

Для проведения наших исследований мы воспользовались методиками, представленными книге В.П. Александровой, А.Н. Гусейнова, Е.А. Нифантьевой, И.В. Болговой и И.А. Шапошниковой «Изучаем экологию города», а также из пособия А.И. Федоровой и А.Н. Никольской «Практикум по экологии и охране окружающей среды».

Нами были взяты следующие методики:

Определение накопления органического ве­щества в биомассе растений и в почве.

Определение зольности листьев, хвои, по­чек и коры древесных растений, как индика­ционного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами.

Накопление серы в листьях и коре древес­ных растений в разных условиях загрязне­ния среды сернистым газом

Определение загрязнения воздуха по содержанию сульфатов в коре деревьев.

1 методика. Определение накопления органического ве­щества в биомассе растений и в почве.

Органическое вещество образуется и накапливается на Земле неравномерно. Наибольшее его количество образуют тропические леса (70 % запасов углерода), меньше - северные леса и наимень­шее количество - тундры и пустыни. В лесных экосистемах наи­большее количество органических веществ накапливается в древесине (от 90 до 99 % от сухой массы дерева), меньше - в листь­ях и коре. В почве в виде гумуса содержится от 1 до 15 % органичес­кого вещества, которое является тысячелетним хранителем энергии.

Метод определения органического вещества в различных час­тях дерева заключается в сухом сжигании образца в муфельной печи, определении в нем золы и органической части (последняя рассчи­тывается в процентах к сухому образцу).

При сжигании растительного материала и почвы углерод, азот и водород улетучиваются в виде углекислого газа, воды и окислов азо­та. Оставшийся нелетучий остаток (зола) содержит элементы, на­зываемые зольными. Разница между массой всего сухого образца и зольным остатком составляет массу органического вещества.

Оборудование, реактивы, материалы

1) аналитические или точные технохимические весы; 2) муфель­ная печь; 3) тигельные щипцы; 4) электроплитка с закрытой спиралью;

5)фарфоровые тигли или испарительные чашки; 6) препаровальные иглы; 7) эксикатор; 8) спирт; 9) дистиллированная вода; 10) хлорис­тый кальций; 11) высушенные до абсолютно сухой массы стружка дре­весины, измельченная кора, листья, гумусированная почва.

Ход работы

Сухие листья деревьев взве­шиваются до 0,01 г на кальке. Их помещают в прокаленные и взвешенные фарфоровые тигли или испарительные чашки (диамет­ром 5-7 см), подписанные 1 %-ным раствором хлорного железа, ко­торое при нагревании буреет и при прокаливании не исчезает. Тигли с органическим веществом ставят на разогретую электроплитку в вытяжной шкаф и прогревают до обугливания и исчезновения чер­ного дыма. При этом при наличии большего количества раститель­ного материала возможно его дополнение из предварительно взвешенного образца.

Затем тигли ставят в муфельную печь при температуре 400-450°С и сжигают еще 20-25 мин до того состояния, когда зола станет серо­-белой. При более высокой температуре прокаливания могут быть существенные потери серы, фосфора, калия и натрия. Может также наблюдаться сплавление с кремниевой кислотой, что мешает пол­ному озолению. В этом случае прокаливание прекращают, охлаж­дают тигель и добавляют в него несколько капель горячей дистиллированной воды; подсушивают на плитке и продолжают про­каливание.

После того как сжигание будет окончено, тигли охлаждают в эксикаторе с крышкой и взвешивают.

Все данные записываются в общую ведомость – таблицу 2.

2 методика. Определение зольности листьев, хвои, по­чек и коры древесных растений, как индика­ционного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами

Исследования, проведенные на древесных растениях показывают, что тяжелые металлы, сера и другие элементы накапливаются в органах растений и по их содержанию можно оценить экологи­ческую обстановку как городов, так и более обширных террито­рий, находящихся в зоне загрязнения, по сравнению с контролем (более чистой зоной). Особенно сильное накопление загрязняю­щих веществ наблюдается в зимний период при отсутствии жид­ких осадков.

Это накопление происходит как путем диффузии, так и вслед­ствие связывания тяжелых металлов или их растворимых солей в менее подвижные комплексы с белками, дубильными веществами и др. По процентному содержанию золы, в состав которой входят тяжелые металлы, можно судить об экологическом неблагополу­чии той или иной территории. При достаточном сборе анализиру­емого материала (не менее 10-15 образцов одной древесной породы в одном месте) и статистической обработке можно построить кар­ту-схему загрязнений территории. При этом очень ответственным моментом для построения карты является выбор растений-биоин­дикаторов. Эти растения должны быть достаточно устойчивыми к загрязнителям атмосферы, способными накапливать их в своих органах, быть широко распространенными.

Оборудование, реактивы, материалы

1) аналитические или точные технохимические весы; 2) разно­весы; 3) муфельная печь; 4) тигельные щипцы; 5) электроплитка с закрытой спиралью; 6) фарфоровые тигли или выпаривательные чашки; 7) препаровальные иглы; 8) эксикаторы; 9) спирт или дена­турат; 10) дистиллированная вода; И) хлористый кальций; 12) со­ляная кислота (водный раствор 1:1).

Ход работы

Листья, хвоя или кора древесных растений - биоиндикаторов собирают за 7-10 дней до исследования в различных частях города с целью охватить различные экологические условия, высу­шивают до воздушно-сухого состояния, измельчают и в подписан­ных пакетах сдают лаборанту, который подготавливает их к практической работе, высушивая до абсолютно-сухого веса в тер­мостате при температуре 100 -105°С.

Образцы листьев (по 5-10 г) взвешивают, измельчают и озоляют так же, как это изложено в работе № 1 при определении органического вещества методом сухого озоления. После сжигания тигли с золой охлаждают и взвешивают, вычисляют процент золы с песком и кремниевой кислотой. Чтобы определить вес чистой золы в тигель, прибавляют 1 мл дистиллированной воды и 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), перемешивают, выпаривают досуха на воз­душной бане и подсушивают при температуре 120-130°С для обез­воживания кремниевой кислоты. К сухому остатку в тигле прибавляют 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), 3 мл воды, пере­мешивают, нагревают и фильтруют горячим через беззольный фильтр средней плотности диаметром 7 см в коническую колбу на 100-200 мл или в стакан такой же емкости, промывая тигель и фильтр горячей водой (5 раз по 5 мл), давая каждый раз раствору полностью стечь. В конце процедуры один раз промывают капель­ным способом, направляя капли на края фильтра. Фильтр, на кото­ром находится песок и кремниевая кислота, помещают в тот же тигель, высушивают, прокаливают, охлаждают и взвешивают. Раз­ница между полученной массой и массой пустого тигля дает содержание песка и кремниевой кислоты в навеске. Из полученных дан­ных вычисляют содержание золы по той же формуле, как и в работе 1: x= 100 (А - В)/ N, где:

X - содержание золы (в %);

А - масса золы с песком и кремнекислотой (в г);

В - масса кремниевой кислоты и песка;

N - абсолютно сухая навеска (в г).

Во время исследования исследуется какой-либо один объект, а затем все данные группы записываются в общую ведомость или на доске.

Таблица 3. Схема записи результатов. Орган – например, листья деревьев

Методика 3. Накопление серы в листьях и коре древес­ных растений в разных условиях загрязне­ния среды сернистым газом

Существует много методов определения серы в растениях (Большой практикум... 1978), однако наиболее простой из них - весовой, который основан на превращении окислов серы в суль­фаты. Он может быть использован для сравнительных исследова­ний и построения карты загрязнения территории окислами серы. Поскольку все методы определения серы охватывают время, пре­вышающее 2-4 часа, целесообразно проводить эту работу в два за­нятия: 1) озоление, 2) определение серы (или применять эту методику для выполнения курсовых и дипломных работ).

Оборудование, реактивы, материалы

Для определения серы требуется: 1) пипетки на 50 мл; 2) химические стаканы на 100 - 200 мл; 3) стеклянные палочки с резиновым наконечником; 4) стек­лянные воронки; 5) фильтры плотные с синей лентой; 6) лист черной бумаги; 7) колбы на 100-200 мл; 8) тигли фарфоровые; 9) 5%-ный раствор хлорида бария; 10) 1%-ный раствор серной кислоты (6 мл серной кислоты плотностью 1,84 в литре раствора).

Ход работы

Навеску растительного материала (5-10 г в зависимости от зольности и содержания сульфат-иона) озоляют методом сухого озоления (см. работы № 1 и 2). Процесс озоления лучше про­водить мокрым способом, чтобы исключить потерю летучих соеди­нений серы. В случае сухого озоления сжигание надо проводить очень осторожно и не допускать повышения температуры при про­каливании пробы более 400°С.

Сульфаты определяют в растворе золы, лишенном кремниевой кислоты. 50 мл фильтрата нагревают до кипения в стаканчике и при­ливают 10 мл 5%-ного горячего раствора ВаС1₂ для осаждения ионов S0₄. Чтобы кристаллы BaS0₄ получились более крупны­ми при добавлении хлористого бария раствор равномерно помеши­вают стеклянной палочкой с резиновым наконечником и после осаждения соли его оставляют на сутки при комнатной температуре

или на 12 часов в более теплом месте. Фильтруют через плотный фильтр (с синей лентой), промытый предварительно кипящей дис­тиллированной водой, подкисленной соляной кислотой.

Когда большая часть фильтрата перенесена на фильтр, стенки стакана тщательно и многократно обмывают дистиллированной водой, подкисленной соляной кислотой, потирая их стеклянной палочкой с резиновым наконечником, чтобы вся содержащая серу соль оказалась на фильтре. Осадок промывают до тех пор, пока промывная жидкость уже не будет давать реакции на барий (с сер­ной кислотой).

Воронку с фильтром, закрыв сверху бумагой, помещают в сушильный шкаф или оставляют при комнатной температуре для просушивания. Затем фильтр с осадком помещают в доведен­ный до постоянного веса тигель, озоляют и прокаливают при температуре не выше 700°С, так как при 800°С сульфат бария разлагается. После охлаждения в эксикаторе тигель с осадком взвешивают на аналитических весах. Повторные прокаливания производят до установления постоянной массы. Расчет проводят по формуле:

% SO₄ ^2- =а · 0,4115· 100 / Р, где:

а - масса BaS0₄;

0,4115 - граммы S0₄ в 1 г BaS0₄;

Р - навеска абсолютно сухого материала, соответствующая взя­тому для определения объему фильтрата.

Исследуемые объекты – береза бородавчатая, дуб черешчатый, осина обыкновенная, ива козья, ольха черная.

Глава 3. Исследование загрязнения окружающей среды с помощью зольности листьев растений

Мы воспользовались методикой сухого озоления, изложенной в 1 методике. Нами было исследовано 4 экспериментальные участка:

Участок – правый берег реки Узола, Никола Ключ

Участок – Лукоянов (территория лагеря «Лесная сказка»)

Участок – садовое товарищество «Луговое»

Участок – Заволжье, парк имени Гагарина.

Мы взяли листья с берез, осин, ольхи, ивы, дуба на данных площадках, прокалили на плитке в тиглях, предварительно взвешивая тигли и измельченные листья. Масса навесок измельченных листьев была 2-3 г. После прокаливания тигли с полученной золой взвешивались. Полученные данные мы занесли в таблицу 5.

Таблица 5. Результаты по зольности листьев древесных растений на исследуемых участках.

рис. 4-5.

По полученным данным можно сказать, что процент органического вещества больше всего в листьях ольхи, осины, ивы на 2 участке. Ниже всего процент золы на 1 участке по всем деревьям, кроме березы.

Процент золы в листьях этих растений выше всего оказался на осине, ольхе и иве на 2 участке. Меньше всего процент золы по всем деревьям на 2 участке, кроме березы.

Следовательно, больше всего загрязнение наблюдается на 1 участке. Мы выявили тенденцию, что лиственные деревья больше всего аккумулируют в себе токсичные вещества и тяжелые металлы. Особенно это видно по листьям ивы, которая показала самый высокий процент золы.

Глава 4. Исследование загрязнения окружающей среды по накоплению серы в листьях древесных растений.

Концентрацию сульфатов в листьях растений мы попробовали провести после сухого озоления листьев. Зола заливалась дистиллированной водой в объеме 25 мл, раствор настаивался. Потом к фильтрату, полученному из этой вытяжки, мы добавляли 5 мл 5% раствора хлорида бария. Результаты представлены в таблице 8.

Таблица 8. Содержание сульфатов в водной вытяжке из золы листьев.

рис. 6.

Таким образом, зола от листьев дуба показала наибольшее содержание серы в районе всех участков, кроме 1 участка. Зола от листьев берёзы также аккумулировала больше всего серы на 3 участке, на остальных наблюдалось примерно одинаковое содержание серы. Зола от ивы показала наибольший показатель содержания серы тоже на 3 участке, меньше всего на 1 участке. Зола от ольхи показала наличие серы на 1 участке, а чуть меньше на 2. Так как осина была представлена на двух участках, то мы не может по ней охарактеризовать сразу все участки, но тем не менее большее содержание серы оказалось на ее листьях на 4 участке. Если анализировать показатели листьев всех деревьев, то 3 участок отличается повышенным содержанием серы в листьях.

Глава 5. Определение веса листьев на исследуемых участках

Для лучшего изучения экологической обстановки исследуемых районов мы взвесили листья растений. У нас получились следующие результаты (таблица 9.)

Таблица 9. Средняя масса листьев деревьев на исследуемых участках.

Рис. 7.

Исходя из полученных данных, мы выявили наибольший вес у листьев на 2 участке (Лукоянов). Меньше всего вес у листьев берез на 4 участке – это городской парк. Это можно объяснить тем, что в парке наблюдается большая скученность деревьев. Городское население часто посещает парк и утаптывает землю, поэтому условия роста растений ухудшаются. Кроме того в парке убирают постоянно листву, что сказывается на уменьшении плодородия почв, гумусовый слой не образуется в достаточной мере.

Наибольший вес листья дуба, ивы и ольхи имеют на 2 участке, для дуба на остальных примерно одинаково, а для ивы и ольхи 1 участок оказался менее благоприятным. Это можно объяснить тем, что 2 участок находится в более благоприятных условиях по качеству почвы, а 1 наоборот имеет малоплодородные почвы.

Наибольший вес листья осины наблюдался на 4 участке, меньше на 3.

Таким образом, по полученным данным можно сказать, что лучше всего условия на 2 участке. 1 участок имеет более худшие экологические условия. На 3 и 4 участках наблюдаются примерно средние показатели между наивысшими и более низкими. Но на каждом практически участке были обнаружены соединения серы, которые могут негативно влиять на состояние здоровья человека.

Глава 6. Выводы по работе

Наша гипотеза в ходе работы была подтверждена. Антропогенное воздействие в г. Заволжье и его окружении действительно оказывает влияние на состояние окружающей среды. Это отражается на состоянии деревьев лиственных пород, которые мы исследовали.

В ходе работы мы определили степень загрязнения на территории Городецкого и Лукояновского районов по накоплению в органах растений серы и других веществ, построили карту загрязнения.

Для получения данных мы использовали метод сухой зольности по листьям березы, дуба, ивы, осины и ольхи. Наилучшим биоиндикатором окружающей среды оказались листья дуба, особенно на 3 участке. Листья ольхи меньше всего аккумулировали в себе соединения серы. Листья березы и ивы показали средние результаты.

Кроме метода зольности был использован метод, в котором содержание сульфатов определялось с помощью водной вытяжки.

Сульфаты были определены на всех исследуемых участках с помощью всех лиственных пород деревьев. Больше всего загрязнение опять же оказалась на дубе.

Масса листьев больше всего оказалась на 2 участке, в Лукояновском районе, это можно объяснить более плодородными почвами на этой территории. Хуже всего развиваются листья на 1 участке, где наблюдается менее плодородная почва.

Заключение

Проведенная работа показала, что выбранные нами методы достаточно показательны для оценки состояния окружающей среды. Хотя эти методы и достаточно трудоемки в плане расчетов, но при этом не требуется дорогостоящих веществ, для оценки этого состояния, эксперимент может выполнить практически любой ученик среднего и старшего возраста.

В дальнейшем мы попробуем определить содержание сульфатов и в других частях деревьев и сравнить полученные данные с уже нам известными.

Литература

А.И. Федорова, А.Н. Никольская. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2003. – 288 с.: ил.

В.П. Александрова, А.Н. Гусейнов, Е.А. Нифантьева, И.В. Болгова, И.А. Шапошникова. Изучаем экологию города на примере московского столичного региона (пособие учителю по организации практических занятий) // М.: Издательство Бином. – 2009. – 400 стр., илл.

Диск «Экосистема» с приведенными методиками исследования.

Приложение

Рис. 9-10. Проведение эксперимента по определению серы в листьях деревьев

Рис. 11-12. Определение содержания золы в листьях деревьев

Рис. 13-14. Определение зольности сухим методом у листьев деревьев