Научно - практическая конференция школьников «Старт в науку» «Влияние ионов тяжелых металлов и подкисленных растворов на растения»

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ БЕКОВСКОГО РАЙОНА

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА П. САХЗАВОД

БЕКОВСКОГО РАЙОНА ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Научно - практическая конференция школьников «Старт в науку»

«Влияние ионов тяжелых металлов и подкисленных растворов на растения»

Выполнила:

Гришина Любовь,

учащаяся 11 класса

МОУ СОШ п. Сахзавод,

Научный руководитель:

учитель химии и биологии

п. Сахзавод, 2013

Содержание

Введение с. 3

I. Тяжелые металлы и их влияние на живые организмы с. 4

1.1. Макро - и микроэлементы с.4-5

1.2. Медь в растениях с. 5-8

1.3. Свинец в растениях с.8-9

II. Кислотность почвы - важнейших показатель,

характеризующий ее плодородие с.9

2.1. Кислотность или реакция среды? с.9-11

III. Практическая часть с. 11

3.1 Приготовление растворов с.12

3.2. Проведение эксперимента с. 12-13

Заключение с. 14

Литература и источники с. 15

Приложения с. 16-17

Введение

Актуальность проблемы

Планетарный, или глобальный, масштаб вносимых человеком изменений в природные условия на Земле, предсказанный ещё в начале 20 века , уже стал реальностью. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой». Хозяйственная деятельность человека губительна для природы. Существенно сократилась площадь зелёного покрова планеты; подкисляются почва и вода; отходы промышленности и сельского хозяйства загрязняют природную среду; катастрофически уменьшаются численность и видовое разнообразие живых организмов. Современное общество — это общество потребления, и его возможности близки к исчерпанию.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Многие отходы бытовой и промышленной деятельности человека содержат тяжелые металлы. Это не может не влиять на живые организмы.

В своей работе мы попытались изучить влияние ионов тяжелых металлов и кислой среды на растения, чтобы лучше понимать роль металлов и реакции среды в жизнедеятельности организмов и последствия загрязнения биосферы.

Цель: с помощью эксперимента узнать, как ионы тяжелых металлов и подкисленный раствор влияют на рост и развитие растений.

Методы изучения:

сбор информации из различных источников; лабораторный опыт; анализ информации и сведений, полученных в результате опытов.

Задачи:

проследить динамику роста надземной части растений хлорофитума и корневой системы под влиянием ионов тяжелых металлов и катионов водорода; приобрести навыки приготовления химических растворов; провести исследовательскую часть работы; проанализировать состояние растения и занести результаты в таблицу; провести статистическую обработку результатов; сделать выводы и рекомендации.

I. Тяжелые металлы и их влияние на живые организмы

1.1. Макро - и микроэлементы.

По содержанию в живом веществе металлы делят на 3 категории:

- макроэлементы, концентрация которых превышает 10-3% (К, Na, Ca, Mg, Fe);

- микроэлементы, доля которых составляет от 10-3 до 10-6% (Mn, Zn, Cu, Sr, Bi, Ba, Co, Al, V, Cr и др.);

- ультромикроэлементы, содержание которых не превышает 10-6 % (Hg, Au, Pb, Po, Ag и др.).

Главный критерий, по которому отличают макро - от микро - элементов – потребность в элементе (выражается в мг/кг или в мг/сутки). Ежедневная потребность в макроэлементах 100 мг/сутки, а в микроэлементах – 5-10 мг/сутки. Макро - и микроэлементы имеют и другие различительные способности. Так, содержание макроэлементов в организме находится на постоянном уровне, и даже случайные существенные отклонения от этого уровня не вызывают серьезных осложнений для организма. Недостаток или избыток микроэлементов (даже незначительный) приводит к заболеваниям.

http:///usefullarticles/98.html

Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. С ней поступает от 40 до 80 % тяжелых металлов, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами тяжелых металлов, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако способность почв связывать и инактивировать тяжелые металлы имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку тяжелых металлов могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации тяжелых металлов, но проявлять к ним устойчивость; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество тяжелых металлов, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне - и клубнеплоды и др.)

1.2.Медь в растениях

Общее содержание меди в почвах составляет около 0,002%, причем на долю растворимой части приходится около 1% этого количества.

Входит в состав белков зеленых клеток и отвечает за связь энергии солнца. Активирует фермент, предотвращает преждевременное старение клеток растения. Принимает участие в метаболизме белков и углеводов в растении. Существенно повышает иммунитет растения грибковым и бактериальным заболеваниям. Активизирует образование белка у зерновых, сахара у корнеплодов и витамина С у плодовых и овощных.

Визуальные признаки дефицита:

отмирание краев молодых листьев с последующим их хлорозом и скручиванием; замедляется высвобождение пыльцовых зерен, вследствие чего снижается опыление растений. Наблюдается существенное снижение урожайности культуры (если отсутствуют визуальные признаки дефицита микроэлемента); у злаковых культур может наблюдаться полегание; у плодовых культур может наблюдаться поникание ветвей и кроны.

Культуры, чувствительные к недостатку меди:

зерновые колосовые; рис; картофель; яблоня, груша и цитрусовые; люцерна; овощи зеленые

Медь способствует синтезу в растениях железосодержащих ферментов, в частности пероксидазы.

Болезни недостаточности меди у растений:

- экзантема, или суховершинность плодовых деревьев. Поражает цитрусовые, а также яблони, груши, сливы и маслины. У цитрусовых листья достигают больших размеров, молодые побеги изгибаются, на них развиваются вздутия, затем трещины. Пораженные побеги теряют листья и высыхают. Крона деревьев приобретает кустовидную форму. Плоды мелкие с бурыми пятнами и бородавками. Листья имеют сначала ярко-зеленый цвет, а в дальнейшем появляется пятнистость и хлороз. У яблонь заболевание проявляется в отмирании верхушек побегов — наступает увядание и свертывание листьев. Края листьев становятся как бы обожженными. У персиков наступает гибель побегов, ухудшается цветение и завязывание плодов; на листьях появляются крупные хлоротичные пятна.

- «болезнь обработки» травянистых растений проявляется в подсыхании кончиков листьев, задержке в формировании репродуктивных органов, пустозернистости колоса. При этом заболевании растения кустятся и, не переходя к стеблеванию, погибают.

Поражаются «болезнью обработки» главным образом овес, ячмень, пшеница, свекла, бобовые, лук; меньше— рожь, гречиха, клевер. «Болезнь обработки» встречается преимущественно на болотистых почвах и торфяниках; это заболевание называется также «болезнью освоения», так как она поражает овес, ячмень, яровую и озимую пшеницы и другие злаки, а также лен, коноплю, махорку и другие культуры на мелиорированных почвах.

На некоторых торфяных почвах злаки в фазе молочной спелости полегают, образуя колена. В тканях выпуклой части колена окислительные процессы (активность пероксидазы, полифенолоксидазы, цитохромоксидазы) протекают на более высоком уровне и в них содержится в 3 раза больше меди, чем в противоположно расположенных тканях.

«Болезнь обработки» не возникает, если в почву вносят сернокислую медь в количестве 25 кг на 1 га, что ведет к нарастанию содержания меди в растениях (пшенице, ржи, овсе и других злаках).

Применение медных удобрений не только сказывается на повышении урожайности, но и на качестве сельскохозяйственных продуктов. Так, количество белка в зерне нарастает, сахаристость сахарной свеклы увеличивается, так же как процент выхода каучука у кок-сагыза, содержание витамина С и каротина в плодах и овощах, улучшаются технологические качества волокна конопли. Под влиянием медных удобрений повышается устойчивость озимой пшеницы к полеганию.

Медь присутствует во всех организмах и принадлежит к числу микроэлементов, необходимых для их нормального развития. В растениях и животных содержание меди варьируется от 10-15 до 10-3%. Основная роль меди в тканях растений и животных — участие в ферментативном катализе. Медь служит активатором ряда реакций и входит в состав медьсодержащих ферментов, прежде всего оксидаз, катализирующих реакции биологического окисления. Медьсодержащий белок пластоцианин участвует в процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий белок, гемоцианин, выполняет роль гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так как медь токсична, в животном организме она находится в связанном состоянии. Значительная ее часть входит в состав образующегося в печени белка церулоплазмина, циркулирующего с током крови и деставляющего медь к местам синтеза других медьсодержащих белков. Церулоплазмин обладает также каталитической активностью и участвует в реакциях окисления. Медь необходима для осуществления различных функций организма — дыхания, кроветворения (стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина), обмена углеводов и минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как растений, так и животных и человека.

http:///usefullarticles/98.html

Но и избыток меди растениям вреден. При излишке меди у них обесцвечиваются листья, затем по краям листьев образуются некрозы, в результате растения могут погибнуть. К избытку меди особенно чувствительны сахарная и кормовая свекла, люцерна и мак.

Чаще всего содержание меди в почве повышается благодаря частому опрыскиванию растений медьсодержащими препаратами для защиты их от вредителей и болезней. Если растения регулярно обрабатываются указанными препаратами, то медные удобрения можно не использовать. Опрыскивание растений хелатом железа или его внесение в почву прекращает вредное действие излишка меди.

Все медьсодержащие препараты хорошо подавляют развитие грибных болезней. Поэтому медным купоросом часто опрыскивают плодовые и ягодные культуры (ранней весной, до распускания почек или осенью после листопада) в виде 1%-ного раствора (10 г на 1 л воды). Он также рекомендуется для обработки ран плодовых деревьев и для обеззараживания корней саженцев после удаления наростов корневого рака (в течение 2–3 мин. с последующей промывкой водой).

Очень многие огородники и садоводы широко используют медный купорос и другие медьсодержащие препараты, но боятся их вредного воздействия. Их боязнь не напрасна — медь относится к группе тяжелых металлов. Повышенные концентрации меди токсичны для растений, животных и людей, они вызывают гибель не только вредных, но и полезных насекомых и микроорганизмов, поэтому с медьсодержащими препаратами необходимо работать предельно осторожно.

http://gazeta. aif. ru/_/online/dacha/109/03_01

1.3. Свинец в растениях.

Относится к ультрамикроэлементам. Содержание свинца в растениях обычно незначительно: примерно 0,001–0,002% (от массы золы), или 5 мг/кг. Верхний порог концентрации свинца не установлен. По мере роста растений свинец перераспределяются по их органам: корни ––> стебли ––> зерно.
В небольших количествах свинец растениям необходим. Его дефицит возникает при содержании в надземной части 2–6 мкг/кг сухого вещества. Избыток свинца ингибирует дыхание, фотосинтез, снижает поступление Zn, Ca, P, S. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. ПДК свинца для почв в России составляет 30 мг/кг. При содержании в почве 100–500 мг/кг свинца наблюдается скручивание старых листьев. Менее устойчивы к его избытку злаки, более устойчивы – бобовые. Концентрация металла выше 10 мг/кг сухого вещества токсична для большинства культурных растений.
Растением-индикатором повышенного содержания свинца является седмичник европейский. Много свинца содержит обычная лебеда. Интенсивно накапливают его грибы, мхи и лишайники. Рекордсменом среди организмов по стойкости к соединениям свинца являются дрожжи. Причиной летнего листопада часто служит высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья очищают воздух. Наиболее восприимчивы к свинцу орешник и ель, наименее – клен, зеленый лук и ежа сборная.

Почти в 10 раз возрастает содержание свинца в растениях, выросших по краям автострад, причем растения абсорбируют его из воздуха, а не из почвы! В сухую погоду происходит накопление свинца на поверхности растений; после обильных дождей значительная часть (до половины) смывается.

Свинец был известен жителям Месопотамии и Древнего Египта за 7 тысяч лет до нашей эры, свинец и его соединения использовались в Древней Греции и Древнем Риме. Из свинцовых руд на острове Родос три тысячи лет тому назад получали свинцовые белила и свинцовый сурик. Из металлического свинца были изготовлены трубы древнего римского водопровода.

http://bio.1september. ru/2008/11/6.htm

II. Кислотность почвы - это один из важнейших показателей, характеризующих ее плодородие.

2.1. Кислотность или реакция среды?

Кислотность почвенного раствора обуславливается наличием в ней катионов Н+. С увеличение концентрации Н+ растворов становится кислым, при повышении концентрации ОН - - щелочным. Концентрацию выражают в виде отрицательных степеней от числа десять, например 10-3, 10-4 моль ионов на 1л. Для характеристики кислотности пользуются одним показателем степени, взяв его с обратным знаком. Он называется водородным показателем или рН. Цифра при знаке рН показывает степень кислотности. Например, рН = 5 означает, что в растворе находится 0,00001 моль ионов Н+, т. е. среда почвенного раствора среднекислая; при рН = 7 – среда нейтральная, т. е. концентрация ионов Н+ и ОН - равны.

Значение рН	Степень кислотности
Ниже 4,5	Сильнокислая
4,5-5,0	Среднекислая
5,1-5,5	Слабокислая
5,5-6,0	Близкая к нейтральной
7,0	Нейтральная
8,0	Щелочная

Веками дикие и культурные растения приспосабливались к тем условиям, которые им уготовила природа. Поэтому многие из них даже лучше растут на почвах определенной кислотности, чем на нейтральных и щелочных. Различные овощные культуры относительно их реакции на почву объединяют в следующие группы:

брюква

Возможны и отклонения. Почему? Во-первых, сорта одной и той же культуры могут резко отличаться чувствительностью к кислотности почвы; во-вторых, имеет значение и возраст растения (наибольшая чувствительность к реакции почвенной среды наблюдается в начальный период жизни); в-третьих, растения по-разному реагируют на кислотность в зависимости от других свойств почвы: скажем, если почва богата гумусом, отрицательное действие повышенной кислотности будет меньшим.

Таким образом, ионы водорода, когда они находятся в значительном избытке, вредны для растений.

http://duchka. ru/publ/kislaja_pochva_kak_opredelit_kislotnost_i_provesti_izvestkovanie/16-1-0-510

Вывод:

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы в организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами.
Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений.

Кислыe почвы угнетают рост растений, питательные вещества в них плохо усваиваются растениями. Они испытывают их острый нeдocтaток, особенно - кальция и магния. Кислая почва садового участка - хорошая среда для размножения вредителей - проволочников, нематод.

На такой почве плохо растут и плодовые, и овощные культуры, некоторые погибают. На сильнокислой почве появляется мох. Компостные кучи с кислой или сильнокислой реакцией медленно перегнивают.

Ш. Практическая часть

Хлорофитум. Семейство лилейных. Родина - Южная Америка. Хлорофитум является одним из наиболее распространенных комнатных растений. Это не удивительно: он быстро растет, у него красивые изогнутые листья, а весной и летом на тонких стеблях появляются сначала мелкие белые цветы, а потом крошечные розетки листьев. Их можно отделить и укоренить. Еще одна причина популярности хлорофитума - его выносливость. Хлорофитум относится к светолюбивым растениям.

3.1.Приготовление растворов

В четыре литровые банки помещают по:

243 мг. NH4NO3 123мг. MgSO4 160 мг. KCl 25 мг. FeCl3 * 6H2O 172 мг. CaHPO4 344 мг. CaSO4 * 2H2O

Таким образом, мы получаем полную питательную смесь Прянишникова – ППСП.

Затем во вторую банку добавляем 10мг сульфата меди (II), в третью - 8мг ацетата свинца (II). В банки наливают воду (водопроводную, в которой содержатся микроэлементы), доведя объемы растворов до 1 литра. Раствор в четвертой банке подкисляют. В данном случае мы подкислили соляной кислотой.

3.2.Проведение эксперимента.

Розетки хлорофитума поместили в банки с приготовленным раствором

ППСП (контроль); ППСП + избыток ионов свинца; ППСП + избыток ионов меди; ППСП подкисленная.

Через две недели мы получили результат.

Наблюдение.

Я создаю журнал, в котором записываю наблюдение того, как развиваются растения. /Приложение /

Через три дня я уже вижу внешнее изменение растений. Во второй и четвертой банке растения заметно потемнели. Это говорит о начальном разрушении клеток растений. В остальных банках растения не изменились.

На четвертый день я вижу, что хлорофитум в первой и третьей банке потемнел, и у них уже начинают появляться боковые корешки.

Через десять дней я вижу следующие изменения:

В первой банке растение имеет интенсивно-зеленую окраску, рост растения продолжается, появляются новые листья и придаточные корешки.

Во второй банке растение немного сохранило зеленую окраску. Появляющиеся бурые пятна, сливаясь, превращаются в более обширные участки и вызывают дальнейшую гибель листа. При прикосновении теряется целостность, хлорофитум распадается буквально на части. Для того чтоб оторвать листочек усилия не прилагаются: он сам остается в руках.

В третьей банке - растение имеет буро-зеленую окраску. Часть листьев имеет некротические участки, которые впоследствии разрушаются. Ткань почти не разрушена, так как нужно прилагать усилия, чтоб оторвать листочек.

В четвертой банке листья растения обесцвечены и на них образовалась слизь, которая расположена в виде лент. Ткань стала хрупкая, потерялась эластичность.

Таким образом, избыток свинца ингибирует дыхание, фотосинтез; избыток меди вызывает интоксикацию растений; кислотность раствора разрушает фотосинтез, растение постепенно погибает, придаточные корешки, появившиеся ранее, погибают.

Таблица. Влияние ионов Pb2+ , Cu2+ и Н+ на рост и развитие растений через 10 дней.

ППСП	CH3COOPb	CuSO4	Подкисление НCl
Размер	7,5см	9,8см	7,5см	9,8см
Стебель	свежий	почти засох	появились желтые пятна	полностью завял
Листья	зеленые, упругие	пожелтели	засохли и свернулись концы листьев	полностью завяли
Корень	3 мм	-	-	-
Состояние растения	хорошее развитие	практически погибло	растение увядает	полностью погибла

Заключение

Выводы:

В процессе проведенного эксперимента было установлено, что соли тяжелых металлов, а именно свинца и меди, а также кислая среда тормозят рост и развитие как надземной (стеблей), так и подземной (корней) частей растений хлорофитума.

Это происходит в результате повышенного усвоения ионов тяжелых металлов растениями при подкислении питательного раствора. Ионы тяжелых металлов в больших концентрациях оказывают токсическое действие и вызывают гибель растений.

Рекомендации

Для получения продукции растениеводства, свободной от тяжелых металлов, на почвах с повышенным их содержанием необходимо:

провести агрохимическое обследование пашни, определить содержание тяжелых металлов в почве; сопоставить содержание тяжелых металлов с содержанием калия и кальция; провести известкование кислых почв; повысить содержание обменного калия в почве; исключить применение минеральных удобрений, содержащих тяжелые металлы; подобрать культуры, минимально потребляющие эти элементы; на сильно загрязненных полях можно выращивать культуры для технической переработки; периодически проводить контроль продукции на содержание тяжелых металлов.

Литература и источники

1. Вредные химические вещества - Неорганические соединения 1-4 групп / Под общей редакцией .- Л.:Химия,1988.

2. Вредные вещества в промышленности. В 3 т. Т. З.— Неорганические и элементорганические соединения /Под ред. и .- Л.: Химия, 1977. с. 444-457, 524-530.

3. Биологическая роль некоторых химических элементов // Химия в школе. -1991. - № 2. - с. 6-14

4. Муравьева СИ и др. Справочник по контролю вредных веществ.- М.: Химия, 1988.

5. , Школьный химический эксперимент в экологическом образовании // Химия в школе. - 1993. - №6. - с. 49

6., Берегите биосферу. - М.: Педагогика,1987.

7. Ресурсы сети Интернет.

Приложение 1

1.Замер исходных растений