МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ (ПОЛНАЯ) ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 1

ИМЕНИ ГЕРОЯ СОВЕТСКОГО СОЮЗА Е. И. СТЕРИНА

Научно-исследовательская работа на тему:

«Динамика содержания свинца в растениях-биоиндикаторах,

произрастающих вблизи автотрасс»

Авторы проекта:

Учащийся 9 «А» ,

Учащаяся 10«Б» класса

Научный руководитель

педагог доп. образования

канд. биол. наук

г. Рославль, 2016 г.

Содержание

Введение…………………………..………………………………….………….….3

Глава 1. Влияние свинца на здоровье человека…………………………………..5

Глава 2. Методика проведения исследований….…………..……….…………….8

Глава 3. Результаты собственных исследований................................... ………..10

Заключение………………………………………………………..…………….…14

Список использованной литературы………………………….....….……………15

ПРИЛОЖЕНИЕ 1……………………………………..…………..….……………16

Введение

Впервые с токсичностью свинца и его соединений люди столкнулись еще в Древнем Риме, при изготовлении водопровода. В настоящее время наука научилась получать из этого металла менее опасные соединения и широко применяет их в различных отраслях промышленности. Тем не менее свинец остается одним из токсичных металлов и включен Всемирной Организацией Здравоохранения в списки основных токсикантов окружающей среды.

Загрязнение природной среды тяжелыми металлами происходит как от стационарных объектов, так и от нестационарных источников загрязнения. К стационарным источникам относятся предприятия машиностроения (производство аккумуляторов для автотранспорта), цветная металлургия, лакокрасочное производство, стекольные предприятия, химическая и нефтехимическая промышленность. К нестационарным источникам свинцового загрязнения природной среды относится наземный автотранспорт. Суммарное поступление свинца в атмосферный воздух от автомобилей на территории Российской Федерации ежегодно оценивается в 4-5 тыс. тонн. Примерно 50-60% от всей массы свинца, поступающего в окружающую среду, приходится на грузовой транспорт. Фоновое содержание свинца в атмосферном воздухе составляет 0,01 – 0,05 мкг/м3, а в воздухе крупных российских городов колеблется в пределах от 0,06 до 0,10 мкг/м3 [2].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

По данным исследований лидеров в свинцовом загрязнении объектов природы в России является именно автотранспорт, на который приходится примерно 70 % всех выбросов тяжелого металла в атмосферу.

Опасность свинца для человека определяется его токсичностью и способностью аккумулироваться в тканях организма. При этом основная доля тяжелого металла поступает с продуктами питания, питьевой водой, при курении и вдыхании загазованного воздуха в мегаполисах или на производствах, связанных с использованием тяжелого металла.

Свинец в организме человека приводит к нарушению функции многих органов и тканей, негативно воздействует на биохимические процессы, приводит к ряду патологий и заболеваний [11]..

Целью нашей работы явилось изучение динамики содержания свинца в растениях-биоиндикаторах, произрастающих на территории Рославльского района.

Для достижения данной цели мы поставили перед собой следующие задачи:

Определить концентрацию тяжелого металла в сосне обыкновенной, произрастающей в 50-ти, 100 метрах от автотрассы и на контрольной территории. Выявить районы с высокой степенью загрязнения атмосферы свинцом. Разработать практические рекомендации по уменьшению свинцового загрязнения окружающей среды и его влияния на здоровье человека.

  Актуальность исследовательской работы обусловлена тем, что проблема свинцового загрязнения объектов природной среды является общемировой и наиболее актуальна для детского здоровья.

Гипотеза: мы предположили, что наибольшее загрязнение свинцом растений-биоиндикаторов будет наблюдаться вблизи автотрассы.

Новизна темы: впервые будет проведен сравнительный анализ содержания свинца в растениях-биоиндикаторах на территории Рославльского района.

Объектами нашей исследовательской работы являлась сосна обыкновенная.

Предмет исследования – концентрация свинца в хвое сосны обыкновенной, как биоиндикатора антропогенного загрязнения природной среды.

В ходе научной работы мы использовали следующие методы: наблюдение, эксперимент, количественные и качественные методы анализа, сравнение, обобщение, сопоставление данных и т. д.

Глава 1. Влияние свинца на здоровье человека

Пути поступления свинца в организм

Наряду с такими металлами как мышьяк, кадмий, ртуть, цинк свинец по степени влияния на организм отнесен к классу высоко опасных веществ согласно ГОСТу 17.4.1.02-83.

Токсичность разнообразных соединений свинца различна. Малотоксичными является стеарат свинца. Соли неорганических кислот: хлорид свинца, сульфат свинца относятся к токсичным веществам. Алкилированные соединения, например, тетраэтилсвинец, являющийся присадкой к бензиновому топливу, является высокотоксичным соединением.

В организм человека свинец и его соединения попадают главным образом с пищей и водой. Нередко свинец попадает в организм через кожу и слизистые оболочки, а также через дыхательные пути. Небольшая доля потребляемого свинца приходится на курение. Попасть в организм человека свинец может также со свинецсодержащей краской (при попадании кусочков краски в желудок). Отравление свинцом на промышленных предприятиях стоит в первых рядах производственных отравлений в Российской Федерации.

С ежедневным приемом пищи в организм поступает от 0,06 до 0,5 мг свинца. Токсической дозой является концентрация 1 мг. На всасывание токсического элемента в организме оказывают влияние минеральные вещества. Так дефицит железа, кальция и цинка способствует более высокому усвоению свинца. Передозировка витамина Д также ускоряет процессы всасывания токсиканта [7].

Особую опасность представляют продукты, загрязненные тяжелыми металлами. Высокое содержание свинца обнаруживается в сельскохозяйственной и лесной продукции, выращенной вблизи автотрасс. Этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец – топливную присадку для предотвращения детонации в двигателе внутреннего сгорания. При сгорании топлива свинец аккумулируется в придорожной растительности. Повышенные концентрации тяжелого металла обнаруживаются также в почве промышленных городов и районов, где расположены предприятия по производству стекла, аккумуляторов, выплавке свинца [4].

1.2 Влияние свинца на здоровье человека

В организме свинец попадает в мозг, печень, почки и кости. Основная часть металла при поступлении в кровь связывается с эритроцитами и аккумулируется в костной ткани и денте зубов. Организм медленно очищается от свинцового загрязнения, так как металл образует малорастворимые соединения с белками. Значительная доля его выводится через желудочно-кишечный тракт, остальная часть – через почки. Характерной особенностью является аккумуляция свинца в волосяном покрове. Период полувыведения тяжелого металла из организма составляет около 30-ти лет [9].

Токсическое действие свинца распространяется практически на все органы и ткани человека. Особенно сильно страдает нервная, сердечно-сосудистая, эндокринная и репродуктивная системы. Механизм токсического воздействия свинца на живой организм заключается в том, что металл ингибирует некоторые ферментные системы. В связи с этим свинец оказывает влияние на костный мозг, кровь, генетический аппарат. Помимо воздействия на ферменты, свинец вступает во взаимодействие с белками, образуя нерастворимые соединения. Под воздействием свинца изменяется метаболизм гема (основной части гемоглобина). Красные кровяные тельца (эритроциты) теряют способность транспортировать кислород по организму. Это приводит к гипохромной анемии, хроническому кислородному голоданию организма [3].

Кардиотоксический эффект свинца связан с тем, что металл поражает митохондрии сердечной мышцы – структуры, обеспечивающие выработку энергии для сокращения миокарда.

Действие свинца связано с угнетением окисления жирных кислот, ингибированием ряда ферментов (холинэстераз. SH-содержащих ферментов). Это приводит к нарушению синтеза белков, нарушению обмена жиров и углеводов в организме. Кроме того, свинец может вытеснять из костной ткани кальций, так как является его химическим аналогом. Такое явление сопровождается развитием остеопороза, артрозов, полиневритов, дефектами развития опорно-двигательной системы [5].

Отравление свинцом приводит к развитию нефропатии, патологии мочевыводящей системы. Негативно влияет свинец на репродуктивную способность мужчин. При контакте с соединениями свинца на производстве мужская часть населения чаще страдает снижением либидо, импотенцией, нарушением фертильной функции. У женщин свинец вызывает самопроизвольные аборты, выкидыши. Так как металл способен проходить через плацентарный барьер особенно негативно сказывается свинец на развитии плода у беременной женщины. Нередки случаи рождения детей с пороками развития.

Особенно негативны последствия хронического отравления свинцом в детском возрасте. При хроническом отравлении у школьников происходит резкое уменьшение умственных способностей, снижается IQ, ухудшается память, концентрация, внимание. Повышение содержания свинца в 100 мл крови детей дошкольного возраста на 1 мкг ведет к снижению интеллектуального развития ребенка на 1/4–1/2 балла, причем негативные последствия обнаруживаются и через 10 лет после воздействия свинца [4].

Поступление свинца в детский организм приводит к нарушению координации движения, слабости, нарушению сна, нервозности, депрессивному состоянию.

Причиной интоксикации свинцом у детей часто являются:

длительный контакт организма ребенка со свинец содержащими материалами; употребление пищи, содержащей повышенные уровни свинца;

3. проживание на территориях вблизи предприятий, перерабатывающих свинец.

  Отравление свинцом у детей чаще носит хронический характер и регистрируются в летний период. Это связано с тем, что под влиянием солнечной радиации в коже ребенка образуется витамин D, который способствует всасыванию свинца и также такими явлениями как обезвоживание и ацидоз, мобилизующие свинец из депо.

Глава 2. Методика проведения исследований

Исследования проводились в мае-июне 2015 и 2016 годов. Опытные площадки были заложены в районе д. Прудок по автотрассе Москва-Бобруйск. Контрольная (фоновая) площадка была заложена на территории лесничества Боровое, расположенное в 4-5 км от автомагистрали.

В качестве природного биоиндикатора растительного происхождения нам была выбрана сосна обыкновенная. Свой выбор мы обосновали следующими причинами:

Сосна обыкновенная является одной из основных лесообразующих пород деревьев, произрастающих на территории Рославльского района. Будучи вечнозеленым растением сосна обыкновенная является удобным объектом для исследований в любое время года. Согласно научным исследованиям в области биоиндикации сосна обыкновенная является одним из лучших растительных биоиндикаторов антропогенного загрязнения окружающей среды, в том числе тяжелыми металлами.

Для выявления динамики содержания тяжелых металлов в сосне обыкновенной брались смешанные образцы двухлетней хвои. Каждая проба представляла собой смесь хвои с десяти растущих рядом деревьев. Средний возраст которых составлял от 15-ти до 30-ти лет.

Степень повреждения хвойных деревьев определяли следующим образом. На каждом участке выбирали по 3-4 дерева 10-15 летнего возраста.  С каждого растения собирали по 200 хвоинок из средней части кроны с побегов 2-го года жизни. Анализировали хвою по площади повреждения: хлорозы, некрозы по внешнему виду точки, пятна их количество и интенсивность [8]. Оценку повреждения хвои осуществляли по следующим параметрам и признакам:

хвоинки имеют значительное число черных, бурых и желтых пятен; хвоинки имеют незначительные пятна; хвоинки не имеют пятен.

Оценку усыхания хвои давали по следующим параметрам и признакам:

сухие участки отсутствуют; кончики хвоинки, усохшие на 2 - 5 мм; усохли 30% хвоинки; усохли более 50% хвоинки или хвоя полностью на ощупь жесткая, скрученная.

На каждой пробной площади отбирали 3 пробы, аналитическая повторность для морфоструктурных параметров составила 30–100 измерений. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ Ms Office (Excel) и STATISTICA 6.0.

Отобранные растительные пробы сортировали, перебирали, взвешивали. Для количественного анализа из сосновой хвои в условиях школьной лаборатории готовили экстракт, путем приготовления жидкой вытяжки. Каждая проба взвешивалась с целью пересчет на сухое вещество.

Помимо визуального исследования состояния хвои определяли содержание свинца в исследуемом материале. Обнаружение свинца проводили количественным определением с дихроматом калия [1]. Ионы свинца образуют с дихромат - и хромат-ионами малорастворимое соединение – хромат свинца желтого цвета. 1 литр экстракта хвои сосны (навеска 100 грамм) упаривали до 10 мл. к полученной пробе приливали 5 мл раствора азотной кислоты, грели на водяной бане 15 минут, фильтровали и выпаривали в фарфоровой посуде к сухому остатку приливали 2 мл 0,5 %-ного раствора ацетата натрия и 8 мл дистиллированной воды. Для количественного определения готовили стандартную шкалу (табл.1.). Стандартный раствор готовила так: 0,032 г Pb(NO3)2 растворяли в 200 мл дистиллированной воды (1 мл раствора содержит 0,1 мг свинца).

Во все пробирки стандартной шкалы и в пробирку с исследуемой пробой вносили по 1 мл 50%-ного раствора уксусной кислоты. Затем добавляли по 0,5 мл 10%-ного раствора дихромата калия. При наличии в исследуемой пробе ионов свинца наблюдается желтый осадок дихромата свинца:

Таблица 2.1.

№ пробирки

0

1

2

3

4

5

Стандартный раствор, мл

0,00

0,05

0,10

0,30

0,50

0,80

0,5 %-ный раствор CH3COONa

Во все пробирки по 2 мл

Дист. Вода, мл

8,00

7,95

7,90

7,70

7,50

7,20

Содержание свинца, мг

0,00

0,005

0,010

0,030

0,050

0,080

Через 10 минут проводили количественное определение свинца в пробе. Для этого содержимое пробирок рассматривали на черном фоне. Концентрацию тяжелого металла рассчитывали по формуле:

C = a/V (мг/л),

Где a – содержание свинца в соответствующей пробирке шкалы, мг;

V – объем взятой для анализа воды, л.

Затем производили перерасчет на сухое вещество пробы (в граммы), учитывая, что навеска бралась массой 100 грамм. Чувствительность метода (0,01 мг/л) достаточна для регистрации превышения ПДК.

Глава 3. Результаты собственных исследований

Сосна очень чувствительна к ядовитым газам, которые выбрасывает автотранспорт. У сосен, растущих вблизи автодорог и предприятий, живой, здоровой хвои очень мало. Выхлопные газы, выбросы предприятий, проникая внутрь через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя повреждается и усыхает. Такие повреждения мы обнаружили у растений, произрастающих вдоль автомагистралей, что не противоречит литературным данным [10].

На контрольном участке (лесничество Боровое, 4-5 км от ближайших автодорог) хвоинки, собранные с ветвей 10-ти деревьев сосны обыкновенной, в большинстве не повреждены, они ярко сизо-зеленые, чистые, пятен мало, нет у них усохших участков. Удовлетворительное состояние хвои сосны, произрастающей за городом свидетельствует о более чистом атмосферном воздухе. Данные по оценке повреждений хвои сосны за 2015 год приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Оценка повреждения хвои сосны в 2015 году

Показатель

повреждения

Хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 50-ти метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 100 метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 4-5 км от автотрассы (лесничество Боровое), %

Хвоинки имеют значительное число черных, бурых и желтых пятен

64

59

52

18

Хвоинки имеют незначительные пятна

21

16

15

12

Хвоинки не имеют пятен

15

25

33

70

Анализируя данные таблицы 3.1. можно сделать вывод о том, что наибольшее повреждение имеет хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости к автотрассе. Только 15% хвоинок сосны, растущей вдоль дороги, не имеют пятен. В то же время хвоя сосны, растущая в 4-5 км от автотрассы имеет меньше повреждений – только 18% имеет значительное число черных, бурых и желтых пятен. Вблизи автотрасс доля хвои без повреждений всего 15 %, в то время как хвоя сосны, произрастающей в лесничестве, имеет 70 % неповрежденных хвоинок.

Данные по оценке повреждений хвои сосны за 2016 год приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

Оценка повреждения хвои сосны в 2016 году

Показатель

повреждения

Хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 50-ти метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 100 метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 4-5 км от автотрассы (лесничество Боровое), %

Хвоинки имеют значительное число черных, бурых и желтых пятен

62

58

51

16

Хвоинки имеют незначительные пятна

20

15

13

10

Хвоинки не имеют пятен

18

27

36

74

Согласно данным таблицы 3.2. динамика повреждения хвои в 2016 году аналогична данным показателям в 2015 году. Наибольшее повреждение хвои сосны наблюдается у деревьев, произрастающих рядом с автотрассой. По мере удаления от транспортной магистрали доля поврежденных хвоинок уменьшается. У сосны, произрастающей на значительном удалении от трассы доля поврежденных хвоинок всего 16 %, в то время как у сосны, произрастающей вдоль трассы этот показатель составляет 62 %. Оценка усыхания хвои сосны, произрастающей в Рославльской районе представлена в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Оценка усыхания хвои сосны в 2015 году

Показатель

повреждения

Хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 50-ти метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 100 метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 4-5 км от автотрассы (лесничество Боровое), %

Сухие участки отсутствуют

10

13

17

25

Кончики хвоинки, усохшие на 2 - 5 мм

22

27

28

29

Усохли 30% хвоинки

23

20

18

20

Усохли более 50% хвоинки или хвоя полностью на ощупь жесткая, скрученная

45

40

37

26

Как видно из таблицы 3.3. наибольшая доля хвои без усыхания наблюдается у сосен, произрастающих вдалеке от трассы. В то же время усыхание хвои на 50 и более процентов наблюдается у сосны, произрастающей в непосредственной близости от автомагистрали. Динамика этого показателя такова, что с удалением от трассы доля поврежденных хвоинок уменьшается и наименьший показатель наблюдается в хвое сосны, произрастающей в лесничестве.

В таблице 3.4. представлена оценка усыхания хвои сосны в 2016 году. Следует отметить, что динамика показателей в 2015 году повторяет таковую и в 2016 году.

Таблица 3.4.

Оценка усыхания хвои сосны в 2016 году

Показатель

повреждения

Хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 50-ти метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 100 метрах от автотрассы, %

Хвоя сосны, произрастающей в 4-5 км от автотрассы (лесничество Боровое), %

Сухие участки отсутствуют

10

12

16

26

Кончики хвоинки, усохшие на 2 - 5 мм

21

24

26

29

Усохли 30% хвоинки

26

23

19

21

Усохли более 50% хвоинки или хвоя полностью на ощупь жесткая, скрученная

43

41

39

24

Данные по концентрации свинца в хвое сосны приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5.

Содержание свинца в хвое сосны, произрастающей в Рославльском районе

Год исследования

Хвоя сосны, произрастающей в непосредственной близости от автотрассы, мкг/г

Хвоя сосны, произрастающей в 50-ти метрах от автотрассы, мкг/г

Хвоя сосны, произрастающей в 100 метрах от автотрасс, мкг/г

Хвоя сосны, произрастающей в 4-5 км от автотрассы (лесничество Боровое), мкг/г

2015

35,4±3,2

23,2±2,1

20,4±2,5

4,5±0,9

2016

32,3±2,9

20,3±1,9

18,7±2,1

3,9±0,7

Как видно из таблицы 3.5. наиболее высокое содержание свинца в 2015 году наблюдается в хвое сосны, произрастающей в непосредственной близости от автомагистрали – 35, 4 мкг/г. В хвое сосны, произрастающей в 50-ти метрах от трассы содержится в 1, 5 раза меньше свинца, по сравнению с таковым показателем сосны, произрастающей возле трассы. Наименьшее содержание свинца наблюдается в хвое сосны, произрастающей на территории лесничества – 4, 5 мкг/г. Это почти в 8 раз больше, чем в хвое сосны возле автотрассы.

В 2016 году динамика содержания свинца в хвое сосны повторяют таковую в 2015 году.

Из таблицы 3. 5. также видно, что концентрация свинца в хвое сосны в 2015 году выше, по сравнению с таковым в 2016 году. Эта динамика прослеживается для хвои сосны, произрастающей рядом с автотрассой, в 50-ти, 100 метрах и на фоновом участке. Очевидно, это связано с тем, что лето 2015 года было более жарким и сухим по сравнению с летними месяцами 2016 года.



Заключение

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

Динамика загрязнения автотранспортом почвы имеет тенденцию к повышению концентрации свинца в районе непосредственной близости к автомагистрали, что прослеживается в растениях-биоиндикаторах. Территория Рославльского района не является аномальной по накоплению свинца в растениях-биоиндикаторах, произрастающих вдоль автотрасс и автомагистралей. Годовая динамика концентрации свинца в растениях-биоиндикаторах показывает, что повышенное его содержание наблюдается в более засушливое и жаркое лето, что не противоречит научным данным. Экологическая ситуация в Рославльском районе по свинцу не носит предкризисный характер, однако беря во внимание, что динамика содержания металла зависит от ряда факторов, необходимы мониторинговые исследования по этому вопросу.

Проведенные нами исследования позволяют дать следующие практические рекомендации для снижения поступления свинца в организм человека:

Не собирать грибы, лекарственные травы, ягоды и другую лесную продукцию вблизи дорог и автомагистралей. Не приобретать на стихийных рынках растительную продукцию неизвестного происхождения, особенно грибы, дикорастущие ягоды, лекарственные травы. Все овощи, фрукты, ягоды следует тщательно мыть перед использованием, так как запыленные продукты содержат частицы тяжелых металлов, в том числе свинца. Не допускать в организме дефицита таких минеральных веществ как кальций, железо, цинк.

По результатам проведенных исследований нами была проведена разъяснительная беседа с проведением викторины среди учащихся 4-х классов нашей школы. Детям было рассказано о вреде загрязненных продуктов, о мерах профилактики отравлений свинцом. На внеклассное мероприятие мы получили благодарственное письмо от родителей учеников 4 А класса (Приложение 1).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

Экологический мониторинг: Учебн.-методич. пособие / , ; под ред. . – М.: Академический проект, 2005. - С. 107-133. Биоиндикация состояния атмосферной среды городов // Экологические аспекты городских систем. Мн.: Наука и техника, 1984. – С. 67-99. К проблеме воздействия свинца на организм человека. // Мед. труда и пром. экология. 1998, № 2. , , и соавт. Свинец и его действие на организм. // Мед. труда и пром. экология. 2001, № 5. – С.19-21. , , Свинцовая опасность и здоровье населения. // Рос. Сем. Врач. 1999, № 2. – С.23-25. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / , , ; под ред. , . - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с. Позняковский, основы питания, безопасность и экспертиза пищевых продуктов : Учебник. 3-е изд., испр. и доп. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002. – С. 89-102. , Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. - 142 с. Основы экологии: Учебное пособие / , . - Владивосток: Дальнаука, 1999. - 516 с. Динамика концентрации тяжелых металлов в растениях-биоиндикаторах, произрастающих на территории Смоленской области. Актуальные проблемы науки и образования// Сборник научных трудов. – Чебоксары, 2000. – с. 18-22. о следам элементов. // «Металлургия». Москва, 1983.- 213 с.