Исследование состояния почвенного горизонта в условиях городской среды

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

«ШКОЛА № 000»

Автор: Ершов Артём

ученик 11 класса «в»

Научный руководитель:

учитель биологии и химии

Москва

2017

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

1. Обзор литературы………………………………………………………….....4

1.1. Основные сведения о почве………………………………………….4

1.2. Загрязнение почвы……………………………………………………4

1.2.1. Некоторые источники загрязнения почв………………………...5

1.3. Инженерно-биологические работы в городе………………………..5

2. Материалы и методы…………………………………………………………7

2.1. Порядок проведения эксперимента………………………………….7

2.2. Оборудование………………………………………………………....7

2.3. Реактивы и материалы………………………………………………..7

2.4. Ход работы…………………………………………………………….7

4. Результаты……………………………………………………………………..8

5. Анализ полученных результатов, выводы и рекомендации……………….………………………………………………….. 10

6. Благодарность………………………………………………………………...12

7. Список литературы…………………………………………………………..12

8. Приложения…………………………………………………………………..13

Приложение 1……………………………………………………………....13

Приложение 2………………………………………………………………13

Приложение 3……………………………………………………………....14

Приложение 4……………………………………………………………....14

Приложение 5……………………………………………………………....15

Введение

Довольно часто приходится слышать фразы «земля-кормилица», «земля-матушка». И фразы эти не являются символичными или метафоричными. Почва –главный источник продовольствия для людей всей планеты, дающий до 95% продуктов питания. Поэтому вопросам оценки состояния почвы уделяется много внимания учёными-агрономами, хозяйственниками и бизнесменами.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Актуальность: проблемы рационального землепользования во многих отношениях являются ключевыми в современной жизни – будь то вопросы строительства, добычи полезных ископаемых, организации зон рекреации или других видов человеческой деятельности. Я считаю, что возрастающие масштабы такой деятельности требуют учёта и прогнозирования изменений в окружающей среде, ведь проблема антропогенного загрязнения почвы в значительной степени снижает ресурсный потенциал биосферы. В контексте настоящей работы, грамотная организация зоны отдыха невозможна без исследования состояния почвы на важнейшие загрязнители.

Объекты исследования: образцы почвы возле пруда, тропинки возле пруда, пришкольной территории.

Предмет исследования: загрязнение почв как экологический процесс в контексте создания зоны рекреации.

Цель: исследовать состояние почвы Москворецкого парка в районе Нарышкинских прудов и школы.

Задачи:

1) научиться осуществлять отбор проб;

2) научиться проводить измерение электропроводности водной вытяжки почв;

3) научиться проводить химический анализ почв;

4) сделать вывод о состоянии почвы и возможности/невозможности создания зоны отдыха на территории Москворецкого парка.

Гипотеза: почва в районе Москворецкого парка у пруда возле Нарышкинской усадьбы не загрязнена, а почва на пришкольной территории испытывает загрязнение; окультуривание почвы в парке возможно.

1. Обзор литературы

1.1. Основные сведения о почве

Почва – поверхностный слой суши, возникший в результате изменения горных пород под воздействие живых и мёртвых организмов, солнечного тепла и атмосферных осадков. Именно этот слой является сосредоточием жизни, началом большинства цепей питания. Наука, занимающаяся исследованием почв, называется почвоведением.

Почва – важнейший компонент биосферы Земли, через почву идут многочисленные связи живых организмов со всеми основными оболочками: Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Именно своим плодородием почва отличается от всех других природных тел.

1.2. Загрязнение почвы

Загрязнение почв – накопление и распространение в них веществ, не связанных с почвообразованием. Загрязнение почв – процесс постоянный и неизбежный. Однако в результате него снижается плодородие почвы, загрязнители могут мигрировать в другие среды, а сама почва может стать губительной для находящихся в ней организмов.

1.2.1. Некоторые источники загрязнения почв

химические элементы и соединения (в особенности тяжёлые металлы). нефть и нефтепродукты. пестициды. минеральные и органические удобрения. бытовые отходы и различные виды мусора. выхлопы автомобильной и другой техники. радиоактивные вещества. сточные воды и биологические элементы, выбрасываемые в окружающую среду животноводческой отраслью.

Антропогенное рассеивание этих групп загрязнителей в биосфере приводит к отравлению или угрозе отравления живого.

1.3. Инженерно-биологические работы в городе

По уровню инженерно-биологических работ в городах можно судить не только о качестве инженерного обеспечения города, его комфортности и удобстве, но и об архитектурно-эстетическом облике урбанизированных территорий.

Одним из методов инженерной биологии является озеленение. Осуществляется оно за счет создания насаждения и травянистых участков. Озелененные территории города должны пространственно разграничить различные зоны города, подчеркивать основные планировочные оси, выделять композиционно и функционально важные точки.

Каждая городская зона включает озелененные территории различного назначения, предназначенные для определенных целей – отдыха населения, защиты от воздействия неблагоприятных факторов среды. Все озелененные участки объединяются в систему озелененных территорий города.

Планирование системы озелененных территорий крупного города осуществляется последовательно, сначала на уровне генерального плана города, далее плана планировочного района и затем проекта детальной планировки.

В городской среде очень много техногенно нарушенных территорий, которые требует мер по их рекультивации. Данный процесс осуществляется в три основных последовательно выполняемых этапа:

Подготовительный. В него входят исследовательские работы: обследование нарушенных территорий, изучение специфики условий, определение направлений и целевого использования восстанавливаемых площадей, установление требований к последующим этапам, составление проекта рекультивации. Технический, включающий подготовку площадей для последующего использования в городском озеленении. К нему относятся планировка, формирование откосов, снятие, транспортировка и нанесение почв (при необходимости) и плодородных пород на рекультивируемые земли, строительство дорог. Биологический, состоящий из мероприятий по восстановлению плодородия субстратов после технической рекультивации. Он включает комплекс работ, направленных на возобновление флоры и фауны, целевое использование рекультивируемых территорий с целью повышения их производительности.

2. Материалы и методы

2.1. Порядок проведения эксперимента: приготовление кислотной, водной и солевой вытяжек почвы трёх образцов. Измерение удельной электропроводности водных вытяжек, обнаружение карбонатов и тяжёлых металлов в кислотных вытяжках, измерение pH солевых вытяжек.

2.2. Оборудование: кристаллизатор, сушильный шкаф, химические стаканы, мерный цилиндр, весы, разновесы, фильтры, воронки, дистиллированная вода, дистиллятор, азотная кислота, раствор сульфида натрия, датчик электропроводности, датчик pH, портативный регистратор данных Aqiarius, универсальный индикатор бумажный.

2.3. Реактивы и материалы: дистилированная вода, хлорид калия, азотная кислота, образцы почвы возле пруда, тропинки возле пруда, пришкольной территории.

2.4. Ход работы:

1) Высушить свежесобранные образцы почвы. Для этого насыпать образцы в кристаллизаторы и выдержать несколько часов в сушильном шкафу при t=105˚C несколько часов до полного высыхания.

2) Приготовить водные вытяжки образцов. Для этого отмерить 20 г почвы каждого образца с помощью весов, поместить в стакан и добавить 100 мл дистиллированной воды. Хорошо перемешать содержимое и профильтровать содержимое стакана через фильтровальную бумагу.

3) Приготовить солевые вытяжки. Для этого отмерить 10 г почвы каждого образца, поместить в стакан для готовой вытяжки. В 500 мл дистиллированной воды растворить 19 г сухой соли хлорида калия (KCl). Добавить 25 мл полученного раствора к почве и хорошо перемешать.

4) Приготовить кислотные вытяжки. Для этого отмерить 10 г почвы каждого поместить в стакан для готовой вытяжки. Растворить 34 мл азотной кислоты (HNO3) в 500 мл дистиллированной воды и 25 мл полученного раствора прилить к образцам. По выделению пузырьков CO2 можно установить содержание карбонатов (гидрокарбонатов) в образцах.

5) Измерить удельную электропроводность водных вытяжек. Для этого подключить датчик электропроводности к портативному регистратору данных Aqiarius, запустить программу «Биология» и, поочерёдно опуская датчик в образцы, не забывая каждый раз промывать электроды дистиллированной водой, измерить электропроводность в течение одной минуты.

6) Измерить pH солевых вытяжек. Для этого опустить универсальные индикаторные бумажки в образцы и подождать около 30 сек. После сравнить цвет бумажек со шкалой на этикетке и установить величину pH. Но так как результаты такого исследования являются очень приблизительными, требуется более точное значение параметра. Для его определения нужно подключить датчик pH к регистратору данных Aquarius. Не выходя из программы «Биология», поочерёдно опускать датчик в образцы, не забывая каждый раз промывать электроды дистиллированной водой. Значение pH измеряется в течение одной минуты.

7) Проверить кислотные вытяжки на содержание тяжёлых металлов (Pb, Ni или Cu). Для этого в пробирки отмерить 10-20 мл вытяжек и добавить в них такое же количество раствора сульфида натрия (Na2S). Посмотреть на цвет полученного осадка. Чёрный цвет может говорить о превышении содержания Pb, Ni или Cu в почве, жёлтый – Cd, белый – Zn.

3. Результаты

1) При измерении коэффициента удельной электропроводности водных вытяжек образцов почвы выяснилось, что наибольшее содержание солей – в почве возле школы. Это означает, что в ней концентрация растворённых солей наибольшая. Результаты измерения приведены в таблице 1.

Табл. 1. Результаты измерения удельной электропроводности почвы

Образцы почвы	Значение, мСм/см
Возле школы	0,14
Возле пруда	0,12
Возле тропинки	0,11

2) При исследовании солевых вытяжек на уровень pH выяснилось, что самую кислую среду имеет почва возле пруда. Вытяжки почвы возле тропинки и школы имеют среду, близкую к нейтральной. Сравнение результатов, полученных с помощью универсальных индикаторных бумажек и датчика pH, приведено в таблице 2.

Табл. 2. Сравнение результатов УИБ и датчика pH

Образец почвы	Значение УИБ	Значение датчика pH
Возле школы	6	6,35
Возле пруда	4,5	4,61
Возле тропинки	7	6,19

3) При приготовлении кислотных вытяжек трёх образцов почвы выяснилось, что в образцах возле школы и возле пруда содержатся карбонат-ионы. Самое сильное выделение пузырьков CO2 наблюдалось в образце возле школы, немного меньше – возле пруда, совсем мало – возле тропинки.

Табл. 3. Содержание карбонатов в почве по характеру вскипания

Вскипание	Содержание СO32-, %
Очень сильное (бурное)	>10
Сильное, продолжительное	5-10
Заметное, но кратковременное	4-3
Слабое и кратковременное	3-2
Очень слабое и малозаметное	2-1
Вскипание отсутствует	<1

В соответствии с таблицей, содержание карбонатов в почве возле школы составляет от 5 до 10 %, в почве возле пруда – от 3 до 4 %, в почве возле тропинки – от 1 до 2 %.

4) При исследовании кислотных вытяжек на содержание тяжёлых металлов было установлено, что почва возле школы содержит медь, свинец или никель. После добавления раствора сульфида натрия к трём образцам в образце возле школы выпал черный осадок, возле тропинки и пруда – серый разных оттенков. Возможный вариант реакции:

PbSO4+Na2S=PbS↓+Na2SO4

Табл. 4. Содержание тяжёлых металлов в почве

Образец почвы	Цвет осадка	Количество тяжелых металлов
Возле тропинки	Серый	Превышено
Возле школы	Черный	Превышено
Возле пруда	Св.-серый	Не превышено

4. Анализ полученных результатов, выводы и рекомендации

По результатам проведённых экспериментов выяснилось, что почва на всех трёх исследуемых территориях в разной степени загрязнена тяжёлыми металлами, а почва возле школы – особенно. Пруд с годами зарастает всё больше, почва возле него имеет среду, близкую к сильнокислой. Дополнительный вред причиняют сточные воды, сбрасываемые в пруд. Однако почву в парке следует считать пригодной к окультуриванию, поскольку её pH благоприятен для роста лиственных деревьев.

Рекультивировать территорию парка предлагается следующими способами.

А) микроклональное размножение растений;

Развитие такого способа клеточной инженерии, как метод культуры тканей, привели к возникновению микроклонального размножения растений (получение в условиях in vitro). Этот метод основан на тотипотентности растительной клетки, то есть способности развиваться в разных направлениях под влиянием внешних воздействий.

Этот метод имеет ряд преимуществ:

вирусов

Этапы микроклонального размножения растений:

выбор растения-донора, получение хорошо растущей стерильной культуры; собственно микроразмножение; укоренение размножённых побегов и адаптация их к почвенным условиям; выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к реализации или посадки в поле.

Б) для снижения кислотности почв раз в 5-6 лет проводить известкование почв;

В) вносить азотные, фосфатные и другие удобрений в строго дозированных количествах;

в) проводить осушение заболоченных и переувлажнённых почв;

г) для ускорения процесса окультуривания, высаживать растения семейства Бобовые;

д) для снижения содержания тяжёлых металлов в почву можно вносить природные цеолиты (например, гейландит). Эффект наступает примерно через 2 года;

е) для высаживания подойдут следующие растения: береза, вяз, дуб, рябина, клён, липа.

Необходимо также учитывать, что пыльца выращиваемых растений может быть сильным аллергенам, что может плохо отразиться на здоровье населения прилегающих территорий. Есть два способа создания безаллергенных посадок в городской среде. Первый – выращивание триплоидных (3n) быстрорастущих стерильных форм деревьев и кустарников. Второй - с помощью системы генетического редактирования генома по методу CRISPR возможно создание растений с пыльцой без аллергенного белка. Этот метод в России не запрещён.

Работа по теме нашего исследования показала, что для проведения комплекса мероприятий по рекультивации почвенного покрова очень важна адекватная оценка его загрязнения. В дальнейшем планируется получить количественные результаты исследования образцов почвы на содержание тяжёлых металлов.

5. Список литературы

, , Оценка экологического состояния почвы. Практическое руководство. / Под ред. к. х.н. . Изд. 2-е, перераб. и дополн. – СПб.: Крисмас+, 2008. – 216 с. Сайт о растениях. http://www. pro-rasteniya. ru Почвы Москвы. https://ru. wikipedia. org http://chem21.info/info/719448/ Экологический портал России. http://ecology-of. ru Энциклопедия Кругосвет. http://www. krugosvet. ru http://biofile. ru/geo/8064.html http://biofile. ru/geo/8069.html http://www. analizvod. ru http://agrohimija. ru

11. https://microklon. ru/page/mikroklonalnoe-razmnozhenie-rastenij-2

7. Приложения

Приложение 1. Фото пруда, где проводились исследования