Выбранный для просмотра документ комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы.docx
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Рыжковская средняя школа»
Кардымовского района Смоленской области
Конкурс обучающихся общеобразовательных организаций
и организаций дополнительного образования Смоленской области
на лучший экологический проект «Живем на Смоленщине»
Экологический проект
«Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов
в окружающей среде и их влияние на организмы»
Ф.И.О. автора:
Бирюкова Алина Александровна
Класс: 9
Ф.И.О. руководителя работы:
Баранова Ольга Алексеевна
д. Титково
2017 год
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………………….………3
Глава I. Тяжелые металлы ……………………………………………………………….…….. 5
Общие понятия о тяжелых металлах…………………………………………...………….5
Воздействие тяжелых металлов на живые организмы ……….............................…..…..5
Глава II. Источники поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду и живые организмы …………….……………………………………………………………..…7
2.1. Поступление соединений тяжелых металлов в почву ………………………..………..8
2.2. Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы………………………………9
2.3. Поступление соединений тяжелых металлов в атмосферу ………………………….…9
2.4. Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы ……………………10
Глава III. Определение нахождения соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их воздействие на живые организмы…………………………………………………….12
3.1. Соединения тяжелых металлов в почве …………………………………………………13
3.1.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в почве…...13
3.1.2. Результаты анализа содержания соединений тяжелых металлов в почве……..…14
3.2. Соединения тяжелых металлов в природных водах………………………….………...14
3.2.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в природных водах ………………………………………………………………………………………..14
3.2.2. Результаты анализа содержания соединений тяжелых металлов в природных водах…………………………………………………………………………………………....14
3.3.Соединения тяжелых металлов в атмосфере……………………………………………15
3.3.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в атмосфере ………………………………………………………………………………………………..15
3.3.2. Результаты анализа содержания соединений тяжелых металлов в атмосфере……………………………………………………………………………………………...16
3.4. Соединения тяжелых металлов и живые организмы……………………………………17
3.4.1. Методика определения воздействия соединений тяжелых металлов на организмы ………………………………………………………………………………………………...17
3.4.2. Результаты определения воздействия соединений тяжелых металлов на живые организмы …………………………………………………………………………………18
Заключение ……………………………………………………...………………………………..20
Список литературы…………………………………………………………………………..…..21
Приложение ……………………………………………………………..……………………….22
Введение
Окружающая среда является местом обитания живых организмов, которые находятся в контакте с ней всю свою жизнь. Организмы получают из окружающей среды все самое необходимое для нормальной жизнедеятельности: кислород для дыхания, воду, питательные вещества, микроэлементы и многое другое. Среди химических элементов, поступающих в организмы, особое место занимают тяжелые металлы в форме ионов.
Установлено, что ионы тяжелых металлов в норме присутствуют в окружающей среде вследствие поступления их из природных соединений, но естественное содержание их крайне мало. В последнее же время воздействие человека на окружающую среду возрастает, и теперь источником соединений тяжелых металлов выступает еще и деятельность человека (металлургическое производство, автотранспорт, удобрения), причем ионов тяжелых металлов антропогенного происхождения в окружающей среде с каждым годом становится все больше. Следовательно, и в организмы эти ионы будут поступать в большем количестве.
Работает ли здесь правило «чем больше, тем лучше»? Все знают, что в живых организмах присутствуют металлы, в том числе и тяжелые: например, железо в составе гемоглобина, цинк в составе инсулина и многих ферментов, медь нужна для формирования нервной ткани и в процессах кроветворения, а молибден активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Но эти и многие другие химические элементы – тяжелые металлы требуются живым организмам для нормальной жизнедеятельности в довольно малых количествах, тогда как некоторые из тяжелых металлов даже в микроколичествах оказывают отравляющее воздействие, являясь сильнейшими металлами-токсикантами (ртуть, свинец, кадмий).
Действительно ли деятельность человека – мощный источник поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду, а сами тяжелые металлы негативно воздействуют на живые организмы? Изучению данных вопросов и посвящена работа.
В начале работы была выдвинута гипотеза: соединения тяжелых металлов присутствуют в окружающей среде района исследования (сельская местность), содержание соединений тяжелых металлов тем выше, чем ближе территория отбора проб к автомобильной дороге; соединения тяжелых металлов оказывают угнетающее воздействие на живые организмы.
Цель: изучение содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде (в воздухе, в почве, в воде) и их воздействие на живые организмы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
Изучить научную литературу по данной проблеме.
Изучить методы определения соединений тяжелых металлов в окружающей среде.
Провести качественный анализ проб почвы, снега, воды, биологического материала (лишайников) на содержание соединений тяжелых металлов.
Определить воздействие соединений тяжелых металлов на живые организмы.
Оценить степень загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов в районе исследования.
Объект исследования: загрязнение соединениями тяжелых металлов окружающей среды и живых организмов.
Предмет исследования: почва, снег, вода, живые организмы (лишайники, кресс салат).
Методы исследования:
Теоретический метод
Морфометрический метод
Экспериментальный метод
Органолептический метод
Математический метод
Место проведения исследования: деревня Титково Кардымовского района.
Сроки проведения исследования: февраль-март 2017 года.
Глава I. Тяжелые металлы
Общие понятия о тяжелых металлах
Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом, больше 40. Известно около сорока различных определений термина тяжелые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжелых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы.
Термин «тяжелые металлы» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения. Таким образом, при включении в эту категории учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [5.3].
Воздействие тяжелых металлов на живые организмы
Многие тяжёлые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на живые организмы. Притом негативное влияние тяжелых металлов на живые организмы и здоровье человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных с их кумулятивным эффектом. Соединения тяжелых металлов вызывают ряд заболеваний и общее угнетение процессов жизнедеятельности. Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец и ртуть, определяются как токсичные металлы. В частности свинец, который отнесен к классу высокоопасных веществ наряду с мышьяком, кадмием, ртутью, селеном, цинком, фтором и бензапреном (ГОСТ 3778-98). Некоторые элементы, такие как ванадий или кадмий, обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видов.
Глава II. Источники поступления соединений тяжелых металлов
в окружающую среду и живые организмы
Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них.
Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.
Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений [5.3].
Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей.
К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами техногенного происхождения относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.
Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем [5.2].
2.1. Поступление соединений тяжелых металлов в почву
Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - выхлопными газами автомобилей. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Почва служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.
Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы, что приводит к изменению состава и свойств почвы как динамической системы и в конечном итоге вызывает нарушение равновесия экологических процессов.
В естественных нормальных условиях все процессы, происходящие в почвах, находятся в равновесии. Изменение состава и свойств почвы может быть вызвано природными явлениями, но наиболее часто в нарушении равновесно состоянию почвы повинен человек:
атмосферный перенос загрязняющих веществ в виде аэрозолей и пыли (тяжелые металлы);
неземное загрязнение – отвалы крупнотоннажных производств и выбросы топливно-энергетических комплексов;
растительный опад. Токсичные элементы в любом состоянии поглощаются листьями или оседают на листовой поверхности. Затем, при опадании листьев, эти соединения попадают в почву [5.4].
Определение тяжелых металлов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных для выращивания экологически чистой продукции.
Если почвы загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую фитомассу. Такие культуры, извлекающие тяжелые металлы, после созревания подлежат уничтожению. На восстановление загрязненных почв требуются десятки лет.
2.2. Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах.
Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня [5.3].
В то же время тяжелые металлы и их соли — широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают как из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), так и со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Например, естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д.
2.3. Поступление соединений тяжелых металлов в атмосферу
Автомобильный транспорт, который работает на жидком топливе (бензине, дизельном топливе и керосине), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплоэлектростанции (ТЭС) представляют собой один из основных источников загрязнения воздуха. В выхлопных выбросах автомобилей содержатся тяжёлые металлы, в том числе свинец. Более высокие концентрации свинца в атмосферном воздухе городов с крупными промышленными предприятиями.
Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы [4]
ИсточникТяжелый металл
Сd
Zn
Pb
Hg
Общий природный источник
26,3
29,0
4,5
81,0
Антропогенный источник
73,7
71,0
95,5
19,0
2.4. Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы
Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. По данным с ней поступают 40–80 % тяжелых металлов, и только 20–40 %. — с воздухом и водой. Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:
1) Cd,Cs, Rb — элементы интенсивного поглощения;
2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As –средней степени поглощения;
3) Mn, Ni, Cr –слабого поглощения;
4) Se, Fe, Ba, Te — элементы труднодоступные растениям. Другой путь поступления тяжелых металлов в растения — некорневое поглощение из воздушных потоков.
Поступление элементов в растения через листья происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Свинец и кадмий относятся к высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10–100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автодорог количество кадмия возрастает в 11–17 раз.
Поступление тяжелых металлов в растения может происходить непосредственно из воздуха с оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30% от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается [5.1].
Глава III. Определение нахождения соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их воздействие на живые организмы
Методика определения содержания ионов тяжелых металлов сводится к анализу талой воды, воды из водоема или водных вытяжек с помощью качественных реактивов.
Качественное определение ионов свинца Рb2+
Йодид калия дает в растворе с ионами свинца характерный осадок йодида свинца желтого цвета
Ход исследования:
В опытные пробирки отливается по 1 мл воды, талой воды или водной вытяжки из каждой пробы и добавляется по 1 мл раствора КI и 1 мл 6% HNO3. Пробирки с содержимым оставляют на сутки. При наличии ионов свинца выпадает желтый осадок при содержании свинца 60 мкг в пробе. При меньшей концентрации содержимое пробирки окрашивается в желтый цвет [2]:
Рb2++ I- = РbI2
Качественное определение ионов железа
Общее железо
Роданид аммония NH4SCN или калия KSCN образуют в кислой среде с Fe3+ роданиды железа, окрашенные в кроваво-красный цвет. В зависимости от концентрации роданид-иона могут образовываться комплексы различного состава:
Fe3+ + SCN- = [Fe(SCN)]2+
Fe3+ + 2 SCN- = [Fe(SCN)2]+
Fe3+ + 3 SCN- = Fe(SCN)3
К 1 мл исследуемой воды прибавить 2-3 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.
При содержании железа 0,1 мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком содержании – красное.
Предельно допустимая концентрация общего железа в воде водоемов и питьевой воде 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности органолептический.
Железо (II)
Гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6], в кислой среде (рН ~ 3) образует с катионом Fe2+ осадок турнбулевой сини темно-синего цвета:
3Fe2+ + 2 [Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2
К 1 мл исследуемой воды добавить 2-3 капли раствора серной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.
Железо (III)
Гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] в слабокислой среде с катионом Fe3+ образует темно-синий осадок берлинской лазури:
4Fe3+ + 3 [Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3
К 1 мл исследуемой воды прибавить 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2 капли раствора реактива [3].
Для качественного определения ионов свинца и железа использовались следующие оборудование, реактивы и материалы.
Оборудование: весы учебные, разновесы, линейка, штатив с муфтой и лапкой, бюретка с краном, мерная пипетка на 2 мл, химические стаканы на 100 мл и 50 мл, мерный цилиндр на 100 мл, колбы круглые плоскодонные на 250 мл, резиновые пробки, воронки конические, фильтровальная бумага, штатив для пробирок, пробирки, ножницы, шпатель, палочки стеклянные, трубочки стеклянные, чашки Петри.
Реактивы: азотная кислота концентрированная (HNO3), раствор йодида калия (KI), 6%-ный раствор азотной кислоты (HNO3), пероксид водорода (Н2О2), роданид калия (раствор) (KSCN), серная кислота (раствор) (H2SO4), гексацианоферрат (III) калия (K3[Fe(CN)6]), гексацианоферрат (II) калия (K4[Fe(CN)6), соляная кислота (раствор) (НСl), прокипяченная вода.
Материалы: семена кресс-салата, талломы лишайников ксантории настенной (золотянки) и пармелии бороздчатой.
3.1. Соединения тяжелых металлов в почве
3.1.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в почве
Отобрали образцы почв (приблизительно по 100 г) в двух пунктах: возле автомобильной дороги в непосредственной близости (Приложение, рис. 1), в хвойной лесополосе вдали от дороги (Приложение, рис.2), где произрастают в основном сосны и ели, а также встречаются отдельные лиственные породы.
Подсушили почву в течение 5 дней.
Взвесили на предварительно уравновешенных весах по 10 г каждого образца почвы.
Перенесли навески в круглые плоскодонные колбы с обозначениями (образец почвы, взятой возле дороги – «п дор»; образец почвы, взятой в лесополосе – «п лес»). Налили в каждую колбу по 50 мл прокипяченной воды, добавили по 1 капле концентрированной азотной кислоты HNO3, взболтали в течение 5 минут. Оставили на сутки (Приложение, рис.3).
Почвенные вытяжки отфильтровали в химические стаканы с обозначениями, используя для каждой вытяжки свой фильтр (Приложение, рис. 4).
Полученные фильтраты использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в почве по ранее описанной методике.
3.1.2. Результаты анализа содержания соединений тяжелых
металлов в почве
Анализ проб на содержание ионов свинца в почве дал следующие результаты. В пробирке с водной вытяжкой из почвы, взятой возле дороги, явный осадок не выпал, но содержимое пробирки окрасилось в насыщенный золотисто-коричневый цвет, что говорит о довольно значительном содержании ионов свинца в данном образце почвы. В пробирке с водной вытяжкой почвы, взятой в лесополосе ни осадка, ни явного изменения цвета не отмечено (почвенная вытяжка изначально имела слабое бледно-желтое окрашивание, что можно объяснить красящим свойством содержащейся в лесной почве органики) (Приложение, рис.5, 6).
Анализ проб на содержание ионов железа в почве не дал видимых изменений: при добавлении реактивов изменение окрашивания и выпадение осадков не происходило.
3.2. Соединения тяжелых металлов в природных водах
3.2.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в природных водах
1. Провели отбор пробы воды из водоема в чистую емкость (Приложение, рис. 7).
2. Профильтровали образец воды, взятой из озера, в химический стакан, чтобы очистить пробу от механических примесей.
3. Полученный фильтрат использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в воде озера по ранее описанной методике.
3.2.2. Результаты анализа содержания соединений
тяжелых металлов в природных водах
Анализ проб на содержание ионов свинца в воде дал следующий результат: явного осадка не выпало, но содержимое пробирки окрасилось в едва различимый бледно-желтый цвет (Приложение, рис.8).
Анализ проб на содержание ионов железа в воде не дал видимых результатов: при добавлении реактивов изменение окрашивания и выпадение осадков не происходило.
3.3. Соединения тяжелых металлов в атмосфере
3.3.1. Методика определения нахождения соединений тяжелых металлов в атмосфере
Снежный покров
Снежный покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха. При образовании снежного покрова из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей концентрация загрязняющих веществ в снегу оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому анализ проб снега дает результаты с высокой степенью надёжности. При отборе проб снег нужно брать по всей глубине его отложения в отведенные для этого емкости [1].
Для качественного определения содержания ионов тяжелых металлов пользовались методикой:
Взяли посуду для взятия проб снега, сделали обозначения. Пробы снега брали в 3- местах: на обочине автомобильной дороги (Приложение, рис.9), во дворе возле дома (Приложение, рис. 10), в лесополосе (Приложение, рис.11).
Заполнили емкости снегом.
Доставили снег в учебный кабинет.
После того, как снег растаял, профильтровали талую воду с целью удаления механических примесей из образцов (Приложение, рис. 12).
Полученные фильтраты от трех образцов использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в снегу (а, значит, и в атмосфере) по ранее описанной методике (Приложение, рис. 13, 14).
Лишайники
Чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению отмечена давно. Лишайники способны аккумулировать из окружающей среды элементы в количествах, намного превосходящих их физиологические потребности. Отсутствие специальных органов водо- и газообмена и крайне низкая способность к авторегуляции приводят к высокой степени соответствия химического состава лишайников и окружающей их среды. Это качество определило широкое использование лишайников как аккумулятивных биоиндикаторов загрязнения среды тяжелыми металлами. Установлено, что Co, Ni, Mo, Au присутствуют в лишайниках в тех же концентрациях, что и в высших растениях, а содержание Zn, Cd, Sn, Pb намного выше [1].
Для качественного определения содержания ионов тяжелых металлов пользовались методикой:
Сбор лишайников производили с березы повислой (Betula pendula) и ивы козьей (Salix caprea) на высоте от 0,5 до 1 метра.
Образцы лишайников по возможности брались без коры, в случае невозможности отделения таллома от коры срезались вместе с ней.
Для анализа были собраны талломы лишайников ксантории настенной и пармелии бороздчатой, также проведена визуальная оценка состояния талломов во время сбора.
Отбор образцов производили в двух местах: на деревьях возле автомобильной дороги (Приложение, рис. 15, 16) и на деревьях, произрастающих в лесополосе (Приложение, рис.17).
Лишайники одного вида, собранные с одного дерева, помещались в общий пакет с обозначениями (Приложение, рис.18).
В кабинете взвесили на весах по 25 г талломов лишайников каждого вида из каждой пробы, измельчили их.
В круглые плоскодонные колбы поместили по две навески талломов лишайников обоих видов (ксантория + пармелия для каждого места отбора пробы), прилили по 50 мл прокипяченной воды в каждую колбу, добавили по 1 капле концентрированной азотной кислоты, взболтали в течение 5 минут, оставили на сутки (Приложение, рис.3).
Затем профильтровали водную вытяжку, использовали полученные фильтраты для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в талломах лишайников (а, значит, и в атмосфере) по ранее описанной методике.
3.3.2. Результаты анализа содержания соединений
тяжелых металлов в атмосфере
Снежный покров
Анализ проб на содержание ионов свинца в снеге дал следующие результаты. В пробирке с фильтратом талой воды из снега, взятого на обочине дороги (проба №3), явный осадок не выпал, но содержимое пробирки окрасилось в яркий золотистый цвет, что говорит о значительном содержании ионов свинца в данном образце снега. В пробирке с фильтратом талой воды из снега, взятого в лесополосе вдали от дороги (проба №2), осадок не выпал, содержимое пробирки приобрело слабое бледно-желтое окрашивание. В пробирке с фильтратом талой воды из снега, взятого на заднем дворе возле дома (проба №1), осадок не выпал, содержимое пробирки окрасилось в бледно-желтый цвет (Приложение, рис. 8).
Анализ проб на содержание ионов железа в снеге не дал видимых результатов: при добавлении реактивов изменение окрашивания и выпадение осадков не происходило.
Лишайники
При визуальной оценке состояния талломов лишайников ксантории настенной и пармелии бороздчатой было отмечено некоторое угнетение общего состояния слоевищ лишайников, произрастающих на деревьях возле дороги: слоевища небольших размеров, несколько утолщенные, слабо прослеживается их листоватый характер, слоевища прочно прикреплены к коре деревьев (Приложение, рис.19). Все это свидетельствует о наличии в атмосфере района исследования (придорожная зона) веществ, негативно воздействующих на живые организмы – лишайники.
Анализ проб на содержание ионов свинца в талломах лишайников дал следующие результаты. В пробирке с водной вытяжкой из талломов лишайников, собранных с деревьев возле автомобильной дороги, осадок не выпал, но содержимое пробирки окрасилось в слабо различимый бледно-желтый цвет, что говорит о содержащихся в атмосфере ионах свинца и об их накоплении в талломах лишайников. В пробирке с водной вытяжкой из талломов лишайников, собранных с деревьев в лесополосе вдали от автомобильной дороги, осадок не выпал, изменение цвета отмечено не было (Приложение, рис. 6).
Анализ проб на содержание ионов железа в талломах лишайников не дал видимых результатов: при добавлении реактивов изменение окрашивания и выпадение осадков не происходило.
Общий вывод: анализируя результаты, полученные во всех вариантах опытов (содержание ионов свинца в почве, воде, снеге и лишайниках), делаем заключение, что ионы свинца содержатся в окружающей среде. Притом содержание ионов свинца тем больше, чем ближе территория взятия пробы к местам с высокой активностью деятельности человека (в нашем случае – автомобильная дорога), что, прежде всего, объясняется поступлением ионов свинца в окружающую среду в составе выхлопных газов автотранспорта. Отрицательный результат проб на содержание ионов железа во всех вариантах опытов, скорее всего, связан не с полным отсутствием железа в окружающей среде, а с его очень малым содержанием, которое невозможно определить методами, нами используемыми, и имеющимися в лаборатории реактивами.
3.4. Соединения тяжелых металлов и живые организмы
3.4.1. Методика определения воздействия соединений тяжелых металлов на организмы
В качестве тест-организма мы использовали кресс-салат (Приложение, рис. 20).
Кресс-салат – однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью.
Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям. Задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней.
Кресс-салат как биоиндикатор удобен еще и тем, что действие стрессов можно изучать одновременно на большом числе растений при небольшой площади рабочего места. Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс- салата прорастают уже на второй – третий день [1].
Для определения воздействия ионов тяжелых металлов на живые организмы (кресс-салат) нами были взяты образцы талой воды, пробы которых уже были проанализированы на содержание ионов свинца и железа с использованием качественных реактивов.
На дно чашек Петри поместили круги, вырезанные из фильтровальной бумаги по размеру чашек Петри; чашки Петри пронумеровали.
В каждую чашку Петри прилили по 3 мл талой воды соответствующего образца (фильтровальная бумага была смочена полностью) (Приложение, рис. 21).
На фильтровальную бумагу поместили семена кресс-салата (по 20 штук в каждую чашку Петри), накрыли крышками (Приложение, рис. 22, 23).
Через 3 дня провели морфометрическую оценку проростков салата (измерили длины корешков) (Приложение, рис. 24, 25).
Данные занесли в таблицу, нашли среднее значение длин корней по каждому варианту, сделали выводы
3.4.2. Результаты определения воздействия соединений
тяжелых металлов на живые организмы
Морфометрические показатели проростков кресс-салата
(длина корешков в мм)
п/пПроба №1 (снег со двора)
Проба №2 (снег из лесополосы)
Проба №3 (снег с автодороги)
1
45
68
13
2
55
45
25
3
36
59
25
4
47
48
26
5
51
67
31
6
44
54
14
7
56
55
36
8
49
53
21
9
45
52
22
10
44
63
32
11
43
58
23
12
56
73
36
13
34
49
12
14
52
60
32
15
23
61
10
16
57
44
22
17
32
44
12
18
45
-
12
19
36
-
-
20
-
-
-
СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
44,74
56,24
22,4
Выводы: ионы свинца, содержащиеся в талой воде, оказывают угнетающее воздействие на процессы жизнедеятельности организмов, негативное воздействие тем больше, чем выше содержание ионов свинца в талой воде. Это следует из полученных результатов. В варианте опыта №3 (дорога) (Приложение, рис.26) явно отмечаются морфометрические изменения: резко уменьшается длина корней – на 20мм и более по средним показателям. Кроме этого всхожесть составила 90%. В вариантах опытов №1(двор) (Приложение, рис. 27) и №2 (лесополоса) (Приложение, рис. 28) всхожесть составила 95% и 85% соответственно. Такой количественный разброс по всхожести в вариантах №1 и №2 может быть связан с общей всхожестью посевного материала (фактор случайности) и относительно малой выборкой. Меньшее значение средней длины корней в варианте №1 в сравнении с вариантом №2 объясняется большим наличием в талой воде ионов свинца. Негативное воздействие ионов свинца на живые организмы в ходе опыта точно установлено.
Заключение
Окружающая среда – дом для живых организмов, она же обеспечивает организмы и всеми веществами, необходимыми для нормальной жизнедеятельности. В то же время живые организмы поглощают из среды обитания не только то, что им необходимо, происходит совместное поглощение целого комплекса веществ и элементов, где некоторые не только не полезны, но и оказывают угнетающее, отравляющее воздействие на организмы, среди таких веществ особое место занимают соединения тяжелых металлов. Но обычно естественный фон тяжелых металлов в окружающей среде бывает довольно низким, следовательно, и негативное воздействие их соединений на растения и животных незначительно.
В последнее же время окружающая среда испытывает очень сильное воздействие со стороны человека, который негативным образом влияет на ее состояние, приводит к сильному загрязнению.
В ходе нашего исследования было установлено, что степень антропогенного воздействия на окружающую среду в области загрязнения ее соединениями тяжелых металлов велико. Ионы тяжелого металла свинца присутствуют в окружающей среде района исследования, причем содержание их возрастает при приближении к территориям с высокой степенью антропогенного воздействия – вблизи автомобильных дорог района исследования. На удалении от автодорог концентрация ионов металлов уменьшается, но, тем не менее, содержание соединений тяжелых металлов будет выше естественного фона, потому что загрязнение распространяется на большие территории с движущимися воздушными массами, с потоками подземных и поверхностных вод, с осадками. Отрицательные пробы на присутствие ионов железа вовсе не означают его отсутствие; в сельской местности источников его поступления в окружающую среду практически нет, поэтому и содержание ионов железа крайне мало для установления его присутствия. Было также установлено, что ионы тяжелых металлов оказывают общее угнетающее воздействие на процессы роста и развития живых организмов при сравнительно низких концентрациях.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты можно использовать: при проведении классных часов, внеклассных мероприятий и занятий, посвященных проблемам экологического состояния окружающей среды (в частности – района исследования); при разработке буклетов на тему «Окружающая среда и проблема ее загрязнения соединениями тяжелых металлов», для информирования населения (в том числе установка знака возле водоема «Ловля рыбы запрещена!»). Практические результаты исследовательской работы могут быть использованы при написании статьи в газету для освещения проблемы загрязнения окружающей среды.
Список литературы
Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие. М.: АГАР, 2006. 38 с.
Мансурова С.Е. «Следим за окружающей средой нашего города », М., «Владос», 2001 г.
Муравьев А.Г., Пугал Н.А., Лаврова В.Н. Экологический практикум: Учебное пособие с комплектом карт-инструкций / Под ред. к.х.н. А.Г. Муравьева. – 2-е изд., испр. – СПб.: Крисмас+, 2012. – 176 с.: ил.
Тяжелые металлы как фактор экологической опасности: Методические указания к самостоятельной работе по экологии для студентов 3 курса дневной формы обучения / Составитель: Ю.А.Холопов. – Самара: СамГАПС, 2003.
Сайты сети Интернет:
Приложение
Рис.1. Отбор пробы почвы с обочины дороги
Рис.2. Отбор пробы почвы в лесополосе
Рис.3. Получение водных вытяжек из почвы и из талломов лишайников
Рис.4. Получение фильтрата почвенной вытяжки
Рис.5. Фильтраты почвенных вытяжек
Рис.6. Результаты обнаружения ионов свинца в водных вытяжках из талломов лишайников и из почвы
Рис.7. Отбор пробы воды из озера
Рис.8. Результаты обнаружения ионов свинца в талой воде и воде из озера
Рис.9. Отбор образца снега с обочины дороги
Рис.10. Отбор образца снега во дворе возле дома
Рис.11. Отбор образца снега в лесополосе
Рис.12. Получение фильтрата талой воды
Рис.13. Отмеривание образца талой воды из бюретки в опытную пробирку
Рис.14. Отбор нужного количества реактива в мерную пипетку
Рис.15. Сбор лишайника пармелии бороздчатой возле дороги
Рис.16. Сбор лишайника ксантории настенной возле дороги
Рис. 17. Сбор лишайника пармелии бороздчатой в лесополосе
Рис.18. Собранные образцы талломов лишайников
Рис.19. Лишайники на стволе березы, произрастающей возле дороги
Рис.20. Тест-организм – кресс-салат
Рис.21. Подготовка к посеву семян
Рис.22. Посев семян кресс-салата
Рис.23. Семена кресс-салата в чашках Петри
Рис.24. Измерение длин корней проростков кресс-салата
Рис.25. Измерение длины корня проростка кресс-салата
Рис.26. Проростки кресс-салата
(опытный вариант – снег, взятый возле автодороги)
Рис.27. Проростки кресс-салата
(опытный вариант – снег, взятый во дворе дома)
Рис.28. Проростки кресс-салата
(опытный вариант – снег, взятый в лесополосе)
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
Выбранный для просмотра документ комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы.pptx
Скачать материал "Исследовательская работа "Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы""
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
1 слайд
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Рыжковская средняя школа» Кардымовского района Смоленской области Конкурс обучающихся общеобразовательных организаций и организаций дополнительного образования Смоленской области на лучший экологический проект «Живем на Смоленщине» Экологический проект «Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы» Выполнила: обучающаяся 9 класса Бирюкова Алина Александровна Руководитель: Баранова Ольга Алексеевна д.Титково 2017г.
2 слайд
Гипотеза: соединения тяжелых металлов присутствуют в окружающей среде района исследования (сельская местность), содержание соединений тяжелых металлов тем выше, чем ближе территория отбора проб к автомобильной дороге; соединения тяжелых металлов оказывают угнетающее воздействие на живые организмы.
3 слайд
Цель: изучение содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде (в воздухе, в почве, в воде) и их воздействие на живые организмы. Задачи: 1. Изучить научную литературу по данной проблеме. 2. Изучить методы определения соединений тяжелых металлов в окружающей среде. 3. Провести качественный анализ проб почвы, снега, воды, биологического материала (лишайников) на содержание соединений тяжелых металлов. 4. Определить воздействие соединений тяжелых металлов на живые организмы. 5. Оценить степень загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов в районе исследования.
4 слайд
Объект исследования: загрязнение соединениями тяжелых металлов окружающей среды и живых организмов. Предмет исследования: почва, снег, вода, живые организмы (лишайники, кресс салат). Методы исследования: Теоретический метод Морфометрический метод Экспериментальный метод Органолептический метод Математический метод
5 слайд
Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом, больше 40. Многие тяжёлые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на живые организмы.
6 слайд
Источники поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду и живые организмы Источники поступления тяжелых металлов делятся на: природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность); техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства).
7 слайд
Методика определения ионов свинца Йодид калия дает в растворе с ионами свинца характерный осадок йодида свинца желтого цвета Ход исследования: В опытные пробирки отливается по 1 мл воды, талой воды или водной вытяжки из каждой пробы и добавляется по 1 мл раствора КI и 1 мл 6% HNO3. Пробирки с содержимым оставляют на сутки. При наличии ионов свинца выпадает желтый осадок при содержании свинца 60 мкг в пробе. При меньшей концентрации содержимое пробирки окрашивается в желтый цвет. Рb2++ I- = РbI2
8 слайд
Методика определения ионов железа Качественное определение ионов железа Общее железо Роданид аммония NH4SCN или калия KSCN образуют в кислой среде с Fe3+ роданиды железа, окрашенные в кроваво-красный цвет. В зависимости от концентрации роданид-иона могут образовываться комплексы различного состава. К 1 мл исследуемой воды прибавить 2-3 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора реактива. При содержании железа 0,1 мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком – красное. Предельно допустимая концентрация общего железа в воде водоемов и питьевой воде 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности органолептический. Железо (II) Гексацианоферрат (III) калия , в кислой среде (рН ~ 3) образует с катионом Fe2+ осадок турнбулевой сини темно-синего цвета. К 1 мл исследуемой воды добавить 2-3 капли раствора серной кислоты и 2-3 капли раствора реактива. Железо (III) Гексацианоферрат (II) калия в слабокислой среде с катионом Fe3+ образует темно-синий осадок берлинской лазури. К 1 мл исследуемой воды прибавить 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2 капли раствора реактива.
9 слайд
Соединения тяжелых металлов в почве Отобрали образцы почв возле автомобильной дороги и в лесополосе. Подсушили почву в течение 5 дней. Взвесили на предварительно уравновешенных весах по 10 г каждого образца почвы.
10 слайд
Перенесли навески в круглые плоскодонные колбы с обозначениями. Налили в каждую колбу по 50 мл прокипяченной воды, добавили по 1 капле концентрированной азотной кислоты HNO3, взболтали в течение 5 минут. Оставили на сутки. Почвенные вытяжки отфильтровали в химические стаканы с обозначениями, используя для каждой вытяжки свой фильтр. Полученные фильтраты использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в почве по ранее описанной методике. Соединения тяжелых металлов в почве
11 слайд
Соединения тяжелых металлов в природных водах Провели отбор пробы воды из водоема в чистую емкость. Профильтровали образец воды, взятой из озера, в химический стакан, чтобы очистить пробу от механических примесей. Полученный фильтрат использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в воде озера по ранее описанной методике.
12 слайд
Соединения тяжелых металлов в атмосфере Взяли посуду для взятия проб снега, сделали обозначения. Пробы снега брали в 3- местах: на обочине автомобильной дороги, во дворе возле дома, в лесополосе. Заполнили емкости снегом. Доставили снег в учебный кабинет.
13 слайд
После того, как снег растаял, профильтровали талую воду с целью удаления механических примесей из образцов. Полученные фильтраты от трех образцов использовали для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в снегу (а, значит, и в атмосфере) по ранее описанной методике. Соединения тяжелых металлов в атмосфере
14 слайд
Соединения тяжелых металлов в атмосфере Сбор лишайников производили с березы повислой (Betula pendula) и ивы козьей (Salix caprea) на высоте от 0,5 до 1 метра. Образцы лишайников по возможности брались без коры, в случае невозможности отделения таллома от коры срезались вместе с ней. Для анализа были собраны талломы лишайников ксантории настенной и пармелии бороздчатой, также проведена визуальная оценка состояния талломов во время сбора.
15 слайд
Отбор образцов производили в двух местах: на деревьях возле автомобильной дороги и на деревьях, произрастающих в лесополосе. Лишайники одного вида, собранные с одного дерева, помещались в общий пакет с обозначениями. В кабинете взвесили на весах по 25 г талломов лишайников каждого вида из каждой пробы, измельчили их. Соединения тяжелых металлов в атмосфере
16 слайд
В круглые плоскодонные колбы поместили по две навески талломов лишайников обоих видов (ксантория + пармелия для каждого места отбора пробы), прилили по 50 мл прокипяченной воды в каждую колбу, добавили по 1 капле концентрированной азотной кислоты, взболтали в течение 5 минут, оставили на сутки. Затем профильтровали водную вытяжку, использовали полученные фильтраты для проведения качественного определения содержания ионов свинца и железа в талломах лишайников (а, значит, и в атмосфере) по ранее описанной методике. Соединения тяжелых металлов в атмосфере
17 слайд
Воздействие соединений тяжелых металлов на организмы На дно чашек Петри поместили круги, вырезанные из фильтровальной бумаги по размеру чашек Петри; чашки Петри пронумеровали. В каждую чашку Петри прилили по 3 мл талой воды соответствующего образца (фильтровальная бумага была смочена полностью). На фильтровальную бумагу поместили семена кресс-салата (по 20 штук в каждую чашку Петри), накрыли крышками.
18 слайд
Через 3 дня провели морфометрическую оценку проростков салата (измерили длины корешков). Данные занесли в таблицу, нашли среднее значение длин корней по каждому варианту, сделали выводы. Воздействие соединений тяжелых металлов на организмы
19 слайд
Морфометрические показатели проростков кресс-салата (длина корешков в мм) №п/п Проба №1 (снег со двора) Проба №2 (снег из лесополосы) Проба №3 (снег с автодороги) 1 45 68 13 2 55 45 25 3 36 59 25 4 47 48 26 5 51 67 31 6 44 54 14 7 56 55 36 8 49 53 21 9 45 52 22 10 44 63 32 11 43 58 23 12 56 73 36 13 34 49 12 14 52 60 32 15 23 61 10 16 57 44 22 17 32 44 12 18 45 - 12 19 36 - - 20 - - - СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ 44,74 56,24 22,4
20 слайд
Анализ результатов опыта по определению воздействия соединений тяжелых металлов на живые организмы Выводы: ионы свинца, содержащиеся в талой воде, оказывают угнетающее воздействие на процессы жизнедеятельности организмов, негативное воздействие тем больше, чем выше содержание ионов свинца в талой воде. Это следует из полученных результатов. В варианте опыта №3 (дорога) явно отмечаются морфометрические изменения: резко уменьшается длина корней – на 20 мм и более по средним показателям. Кроме этого всхожесть составила 90%. В вариантах опытов №1(двор) и №2 (лесополоса) всхожесть составила 95% и 85% соответственно. Такой количественный разброс по всхожести в вариантах №1 и №2 может быть связан с общей всхожестью посевного материала (фактор случайности) и относительно малой выборкой. Меньшее значение средней длины корней в варианте №1 в сравнении с вариантом №2 объясняется большим наличием в талой воде ионов свинца. Негативное воздействие ионов свинца на живые организмы в ходе опыта точно установлено.
21 слайд
Спасибо за внимание!
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 666 126 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Баранова Ольга Алексеевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
36 ч. — 144 ч.
Курс повышения квалификации
36/72/108 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300 ч. — 1200 ч.
Мини-курс
3 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.