Исследовательская работа по теме: Исследование влияния компонентов синтетических моющих средств на живые организмы

Исследование влияния компонентов синтетических моющих средств на живые организмы.

Ниязова Айгуль

Россия, Тюменская область, Вагайский район,с. Казанское.

МАОУ Казанская СОШ, 10 класс

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ

Синтетические моющие средства активно используются в хозяйственной деятельности человека, однако вопрос о безопасности моющих средств волнует далеко не каждого, многие даже не знают, что ежедневно пользуются небезопасными для себя средствами, которые также негативно влияют на окружающую природу. Основу синтетического моющего средства составляют поверхностно-активные вещества – различные соли сульфокислот или эфиры полиэтиленгликолей, также различные вспомогательные вещества, улучшающие моющую способность, ферменты для удаления пятен и ароматизаторы. Они являются одним из главных факторов, оказывающих негативное воздействие на  живые организмы.   Для того чтобы проверить высказанное предположение мы в  период 2013-2014 учебного года провели серии исследований, цель которых: экспериментально доказать возрастание отрицательного воздействия компонентов СМС на окружающую среду, выявить каким образом СМС оказывают влияние на живые организмы.

Задачи исследования:

1)     Просмотреть некоторые литературные источники по теме  работы;

2)     Сделать анализ почвы, содержащей поверхностно-активные вещества;

3)     Выяснить особенности влияния компонентов СМС на рост и развитие растений, жизнедеятельность животных, грибов, микроорганизмов, и  на всхожесть семян;

4)     Сделать выводы о вреде СМС на живые организмы.

      Гипотеза исследования  связана с предположением о том, что различные компоненты в синтетических моющих средствах могут отрицательно повлиять на живые организмы.

    Синтетические моющие средства (СМС) – это высокоэффективные моющие препараты, содержащие в своей основе от 10 – 40 % поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также активные добавки, усиливающие моющую способность средства. При этом они не должны нарушать экологических требований, важнейшим из которых является биоразлагаемость ПАВ, входящих в состав СМС. Однако большинство моющих средств содержат в своем составе бензольное кольцо, что способствует накоплению загрязнений в водоемах.

Неуклонное увеличение количества химических соединений, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и быту, создает принципиально новую по своей опасности экологическую ситуацию для человечества, состояния окружающих человека флоры и фауны. Детергенты – синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ) являются также «детищем» научно-технической революции XX века. Они широко используются для производства СМС. Естественно, это может отрицательно повлиять на качество окружающей среды. Основной причиной такого влияния является, с одной стороны, несовершенство существующих методов очистки промышленных, бытовых стоков и производственных выбросов в атмосферный воздух, с другой – отсутствие в ряде населенных пунктов, а также на некоторых предприятиях очистных сооружений.

Преобладающее большинство ПАВ (более 95%) относится к 3‑му и 4‑му классам опасности (умеренно- и малотоксичные). Пороговые концентрации их биологического действия, как правило, в 30–50 раз выше установленных ПДК (0,1–0,5 мг/л), что обеспечивает надежную защиту человека и окружающей среды. Коммунальные стоки содержат в среднем от 2 до 5 мг/л ПАВ (в 4 – 50 раз выше ПДК). В промышленных стоках содержание ПАВ может достигать от 10 до 100 мг/л.

В случае если уровни загрязнений ПАВ в воде превышают ПДК в 10–20 раз, это приводит к ухудшению, в первую очередь, органолептических качеств воды, не повышая существенно гигиенической опасности по ее токсичности для человека, животных и птиц. Однако при этом возможно появление на поверхности воды пены, в которой концентрируются и активно размножаются полезные и патогенные микроорганизмы.

Они распространяются течением и ветром на значительные расстояния, и тем самым стабильные молекулы ПАВ создают угрозу здоровью населения. Присутствие ПАВ повышает также степень опасности других вредных веществ, находящихся в воде и почве при последующих их перемещениях по пищевым цепочкам (www.aquaria.com.ua/coretra.html).

Учитывая уровень производства, распространенность в объектах окружающей среды, широкомасштабное применение в различных отраслях промышленности и быту, можно утверждать, что наиболее значимыми являются анионные ПАВ. При значительном загрязнении почвы тяжелыми металлами, нитратами и присутствии детергентов последние повышают подвижность токсикантов по вертикальному профилю почвы и их переходу с почвы в растениеводческую продукцию. При этом сами детергенты в присутствии в почве других загрязнителей, в частности металлов, также мигрируют в грунтовые воды и транслоцируются в сельхозкультуры в больших количествах, чем в случае присутствия ПАВ в почве в изолированном виде. При значительном поступлении детергентов в почву (свыше 15 мг на кг) создаются наилучшие условия для размножения и длительного выживания микрофлоры, в том числе и патогенной, что может представлять, особенно в летний период, эпидемическую опасность и угрозу здоровью населения. Токсичность детергентов по гигиеническим критериям сравнительно невысока, однако наличие целого ряда специфических свойств (пенообразование, эмульгирование, солюбилизация, влияние на поведение веществ в окружающей среде и др.) у данных загрязнителей позволяет отнести их к разряду вредных веществ, которые способны спровоцировать конфликтную экологическую ситуацию и оказать неблагоприятное влияние на здоровье человека (Голубева, 2006).

В состав многих СМС помимо ПАВ входят разнообразные добавки. К числу наиболее вредных добавок относятся фосфаты. Они представляют собой большую угрозу для окружающей нас среды. Попадая после стирки вместе со сточными водами в водоемы, фосфаты принимаются действовать как удобрения. «Урожай» водорослей в водоемах начинает расти не по дням, а по часам. Водоросли, разлагаясь, выделяют в огромных количествах метан, аммиак, сероводород, которые уничтожают все живое в воде. Зарастание водоемов и засорение медленнотекущих вод приводят к грубым нарушениям экосистем водоемов, ухудшению кислородного обмена в гидросфере и создают трудности в обеспечении населения питьевой водой. Еще и по этой причине во многих странах законодательно запретили применение фосфатных СМС (Голубева, 2006).

   Методы исследования:  анализ специальной научной литературы по данной теме исследования, экспериментальные методы, наблюдение, сравнение, анализ, цифровая микроскопия.

   Охарактеризуем один из экспериментов по определению состава почвы, содержащей ПАВ. Методика приготовления  почвенного раствора: в колбу положили 100 грамм почвы и прилили в неё дистиллированную воду. Отфильтровали полученный раствор и выполнили ряд опытов с почвой, загрязненной ПАВ и без.

Определение рН

  Оборудование: химический стакан или любая стеклянная емкость, универсальная индикаторная бумага. Ход определения. Сполоснуть стакан исследуемой водой и налить в него немного исследуемой воды. Сухими чистыми руками взять одну полоску индикаторной бумаги и погрузить кончик в пробу на 30 сек. Вынуть полоску  из пробы и сравнить с цветом шкалы. Записать цифру, помещенную под наиболее подходящей к образцу по цвету полоской. Это и есть полученное значение рН.

Определение фосфатов

Оборудование: пробирки, капельница с раствором роданида железа.

  Ход работы: В пробирку налить исследуемую пробу. Добавить несколько капель роданида железа. При наличии фосфатов образуется белый осадок фосфата железа, при том кроваво-красная окраска роданида железа обесцвечивается. Записать результаты. Содержимое пробирки слить в слив.

Роданид железа - Fe(SCN)3 
Получают по обменной реакции роданида калия с хлоридом железа (III): 
3KSCN + FeCl3 = Fe(SCN)3 + 3KCl 
Равновесие сильно смещается влево. 
Очень эффектно: в пробирку с хлоридом (зеленый) добавить всего 2-3 капли KSCN (бесцветный), стукнуть пальцем, и раствор мгновенно становится ярко-красным (если концентрацию подобрать)

Определение сульфатов

 Оборудование: пробирки, раствор соляной кислоты (1:5), раствор 5%- ного хлорида бария.

   Ход работы: в пробирку налить 10 мл исследуемой пробы, 0,5мл раствора соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5%-ного раствора хлорида бария, затем перемешать. По характеру выпавшего осадка определить ориентировочное содержание сульфатов: при отсутствии мути – концентрация сульфат-ионов менее 5 мг/л; при слабой мути, появляющейся не сразу, а через несколько минут – 5-10 мг/л; при слабой мути, появляющейся сразу после добавления хлорида бария – 10-100мг/л; сильная, быстро оседающая муть свидетельствует о достаточно высоком содержании сульфат-ионов (более 100мг/л).

     Определение гидрокарбонатов

 Оборудование: пробирки, фенолфталеин.

  Ход работы: в пробирку налить 10мл исследуемой пробы и добавить 5-6 капель фенолфталеина. Если при этом окраска не появляется, то считается, что гидрокарбонат-ионы в пробе отсутствуют. Возникновение розовой окраски свидетельствует о наличии в пробе гидрокарбонат-ионов.

Результаты и их обсуждение

1.Химический анализ почвы, содержащей поверхностно-активные вещества.

Наше село не имеет крупных промышленных предприятий, способных существенным образом влиять на экологическое состояние природных объектов, но наблюдается увеличение доли частного сектора, что способствует увеличению сброса бытовых стоков в окружающую нас среду. Кроме этого развивающаяся быстрыми темпами индустрия синтетических моющих средств обеспечили широкий выбор данной продукции. По нашему мнению, это неизбежно должно было отразиться на экологическом состоянии почвы.

  Для того чтобы проверить высказанные предположения мы провели эксперимент для выявления качественного состава почвы, содержащие ПАВ и без них, цель которого: экспериментально доказать возрастание отрицательного воздействия СМС на окружающую среду.

Работа проводилась в лабораторных условиях МАОУ КАЗАНСКАЯ СОШ

Ход эксперимента  и выводы:

Определение рН

  Вывод: ПАВ – слабощелочная, без ПАВ – слабокислая.

Определение фосфатов

Вывод: в одной пробирке, содержащий ПАВ, цвет раствора бесцветный (наличие фосфатов), а в другой без ПАВ светло-бурый

Определение сульфатов

Вывод: в одной пробирке с ПАВ мутного цвета (наличие сульфатов), другой прозрачно-чистый (отсутствие солей-сульфатов).

Определение гидрокарбонатов

Вывод: в обеих пробирках мы не наблюдали выявление розового цвета (нет гидрокарбонатов)

 Таблица.1. Анализ компонентов почвы

Показатели	Результаты исследования
	гидрокарбонаты	рН	фосфаты	сульфаты
Проба №1 С ПАВ	Отсутствуют	Слабокислая	Бесцветный (много)	Есть
Проба №2 Без ПАВ	Отсутствуют	Слабощелочная	Осадок светло-бурого цвета	Отсутствуют

2.Особенности влияния поверхностно-активных веществ на рост и развитие растительного организма.

2.1. Комнатное растение (хлорофитум) и синтетические моющие средства.

 Мы попытались определить степень выживаемости растений хлорофитума в зависимости от влияния синтетических моющих средств.

Ход эксперимента:

1) Взяли 4 горшка с  комнатным растением -  хлорофитумом. (1-контроль,2-средство для мытья посуды,3-шампунь,4-порошок.

2) Поливали растения выше названными средствами определенной концентрации(10%)  каждый день в течение девяти дней.

3) Сделали выводы, что вещества, содержащиеся в СМС губительно действуют на  комнатные растения.

   В ходе проделанного опыта мы выяснили, что если поливать различными моющими средствами каждый день, то с растениями происходят  необратимые процессы гибели. Раньше всего погиб хлорофитум, которого поливали  шампунем,  в последнюю очередь  в среде со  средством для мытья посуды. Таким  образом, на данном опыте  мы доказали, что вредные химические вещества, содержащиеся в шампунях, средствах для мытья посуды  и в  порошках  и т.п губительно действуют на растения.

2.2. Выявление изменчивости признаков кресс-салата в зависимости от степени содержания ПАВ .

Ход эксперимента:

1)посадили в  пяти  типах  почвы по  50 семян кресс-салата (1 – контроль, 2- средство для мытья посуды(10%), 3- шампунь(10%), 4- порошок(10%), 5- почва, где постоянно выливалась вода с  ПАВ).

2)провели фенологические наблюдения за ростом  и  количеством всходов кресс-салата, которые отражены ниже на графиках.

Рис.1. Средняя длина всходов кресс-салата.  Рис.2. Количество всходов.

3) сделали  определенные выводы. Фенологические наблюдения за ростом всходов кресс-салата в исследуемых почвах проводили в течение месяца.  Таким образом, более равномерным ростом обладали всходы в контроле.  А неравномерный рост  был характерен для растений, которые росли в почве с содержанием ПАВ, средством для мытья посуды и шампунем. В почве, где был порошок в качестве загрязнителя, мы наблюдали рост в течение месяца.

2.3.Влияние компонентов синтетических моющих средств на  способности  укоренения  у герани.

 Выясним влияние различной концентрации СМС на образование корней у герани.       Предположим, что если  чем выше концентрация, тем хуже будут образовываться корни у данного растения. Попытаемся доказать на опыте.

Ход эксперимента:

1)                              Взяли для опыта три разновидности СМС  с определенными процентными соотношениями  (шампунь-1%, 10%, 20%; порошок-1% ,10%, 20%; средство для мытья посуды-1%, 10%, 20%) и для сравнения с ними  - контроль (без СМС).

2)                              Наблюдали и фиксировали, в течение месяца, образование корней у герани. Ниже приведены некоторые рисунки и таблицы экспериментальной работы.

 

Рис. 3. Герань в растворе порошка.

Таблица.2. Количество корней в растворе порошка.

Всего корней	Контроль	Порошок- 1%	Порошок- 10%	Порошок- 20%
	1	3	4	3

Таблица.3. Количество корней в растворе шампуня.

Всего корней	Контроль	Шампунь 1%	Шампунь- 10%	Шампунь- 20%
	1	2	1	0

Таблица.4. Количество корней в растворе средства для мытья посуды.

Всего корней	Контроль	средство 1%	средство- 10%	средство- 20%
	1	4	3	0

3)                              Сделали выводы по проделанной работе. В ходе проделанного эксперимента мы выяснили определённую закономерность: с увеличением концентрации порошка, шампуня, средство для мытья посуды, количество образовавшихся корней резко возрастает по отношению к контролю. Но если концентрация очень высокая, то мы не наблюдаем образование корней. Таким образом, небольшая концентрация различных синтетических моющих средств вызывают стрессовую ситуацию, что  обуславливает интенсивность образования корней. С одной стороны высокая концентрация угнетает растения, а низкая концентрация приводит к стрессовой ситуации.

3.Влияние синтетических моющих средств на всхожесть семян.

   Мы решили проверить оказывают ли влияние накопление или наличие СМС в почве  и на всхожесть семян растений. В качестве объектов исследования мы выбрали проростки бархатцев, укропа и пшеницы.

Ход эксперимента:

  Исследования проводились с октября по  декабрь  2013 года.  Почва была взята  из огорода, находящего на территории нашего дома, по своему составу, богатая органическими компонентами. Первая часть почвы была  пропитана водой с растворенной в ней 1 ч ложка, различными видами СМС («Капля», «Пемо-люкс», «Мыло», «Порошок Тайд», «Шампунь-пантин»). Вторую часть  поливали обычной  водой (контроль)

Опыты закладывались в следующей последовательности:

Берем пластиковые стаканчики и наполняем их почвой, один стаканчик послужит контролем, а остальные опытническими. Субстрат  во всех стаканчиках увлажняем одним и тем же количеством отстоянной воды до появления признаков насыщенности. В каждый стаканчик высеваем по 100 семян. В течение 10-15 дней наблюдаем за прорастанием семян, поддерживая влажность субстратов примерно на одном уровне. Подсчитывали количество и процент проросших семян в каждом опыте (в контроле и без).

 

            Рис.4.Сравнительная диаграмма всхожести семян укропа           Рис.5.Сравнительная диаграмма всхожести семян пшеницы

            

Рис.6.Сравнительная диаграмма всхожести семян бархатцев

Общий вывод:

  Провели эксперимент по признаку всхожести семян под влиянием синтетических моющих средств на семена укропа, бархатцев, пшеницы. Разные виды растений неодинаково реагируют на химические загрязнители СМС. В трех экспериментах большую всхожесть мы увидели в вариантах контроль, порошок и мыло. В зависимости от результатов опыта  субстратами присваиваем один из четырех уровней загрязнения. Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает до 100% , всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Это признаки характерные для контроля, с которым следует сравнивать Слабое загрязнение. Всхожесть 60-80%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные. Среднее загрязнение. Всхожесть 20-60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства. Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабое (менее 20%)

  Итак, если учесть данные уровни у укропа самое сильное загрязнение в варианте укропа (пемо-люкс, капля),  такие же в  вариантах пшеница и бархатцы. Т.о всхожесть семян зависит от восприимчивости самого вида растения к СМС и от общей всхожести.

4.Влияние  компонентов синтетических моющих средств на жизнедеятельность животных, грибов и микроорганизмов.

4.1. Влияние различных СМС на жизнедеятельность бактерий-сапротрофов.

  Большую угрозу загрязнения окружающей среды представляют анионные и неионогенные поверхностно-активные вещества, широко используемые в качестве компонентов моющих средств или детергентов (от англ. «deterge» – очищать). При попадании в водную среду и почву молекулы ПАВ подвергаются деструкции в результате биохимических и физико-химических процессов, и «потребляются» (разрушаются) микроорганизмами, присутствующими в воде, почве и активном иле (Алексеева, 1998). Много исследований посвящено изучению механизма действия ПАВ синтетических моющих средств. Известно, что химические вещества могут влиять на микроорганизмы специфически и неспецифически. Специфически – при очень низких концентрациях соединения, которое может реагировать с определенными компонентами клетки, нарушая их нормальное функционирование. Неспецифическое действие на клетку обычно проявляется при достаточно высоких концентрациях веществ. Оно может быть связано с неблагоприятным для микроорганизма изменением поверхностного натяжения, рН, с установлением высокого осмотического давления и т.д. Что касается ПАВ, то до сих пор не существует единого мнения, как – специфически или неспецифически – влияют они на микроорганизмы.

Большинство исследователей предполагают, что ПАВ действуют на микроорганизмы специфически (Ставская, 1981).

   В результате нашего эксперимента выяснили  влияние  различных СМС  на процессы ж/д бактерий-сапротрофов на поверхности хлеба. Проверили интенсивность гниения хлеба в зависимости от содержания ПАВ.  Для опыта взяли кусочки хлеба (в качестве субстрата), немного намочили их исследуемыми растворами порошка, средства для мытья посуды и шампуня с концентрациями по  10%, и  поместили их  в плотно закрытый полиэтиленовый пакет. (рис 7)

Рис.7. Опыт с хлебом

   Провели  наблюдение в течение недели и сделали следующие выводы: процесс гниения наибольшем образом произошёл в субстрате с порошком и со средством для мытья посуды по сравнению с контролем.  А вот в субстрате  с шампунем, мы не наблюдали интенсивного процесса гниения, очевидно в составе шампуней содержится большое количество анионных и неионогенных веществ.  Результаты наших наблюдений можно увидеть также  в таблице 5.

Таблица.5. Интенсивность гниения хлеба в зависимости от содержания ПАВ

Дата наблюдения	КОНТРОЛЬ	ПОРОШОК	СРЕДСТВО	ШАМПУНЬ
21.11	Вкрапления красного, белого, черного цвета  и т.д. (значит наблюдается  ж/д плесени и микроорганизмов)	Начала плесневеть	Вкрапления черного, серого и желтого цвета.	Нет изменений
25.11	Загнила	наблюдается  ж/д плесени и микроорганизмов	наблюдается  ж/д плесени и микроорганизмов	Нет изменений
28.11	Загнила	Загнила	Загнила	Начала плесневеть

4.2. Наблюдение за жизнедеятельностью дрожжей в средах  содержащих синтетические моющие средства

   Дрожжи живут в определённой среде питательного (сахарного)  раствора, выделяя  углекислый газ. Думаю, если добавить растворы, которые имеют в своём составе СМС, то можно изменить  их среду обитания, которая также отразится  и на их жизнедеятельности.

   Цель работы: определить степень влияния различных синтетических моющих средств на особенности жизнедеятельности дрожжей.

Ход эксперимента

1)провели опыт с 2 мл культуры дрожжей в среде с порошком (с концентрациями - 1%;5%;10%),со средством для мытья посуды (с концентрациями  - 1%;5%;10%),с шампунем (концентрация-  1%;5%;10%;) и соответственно сравнить  их   с контролем.

2)сделали фиксированные  наблюдения за жизнедеятельностью дрожжей   при помощи  микроскопа (см. приложение I);

4)провели наблюдения в течение 1,5 недели (см. Приложение I) и сделали следующие  выводы:

-если изменить среду раствора с дрожжами, добавив туда различные СМС, то можно увидеть некоторую закономерность в  их жизнедеятельности.

-  Выделение углекислого газа признак жизнедеятельности дрожжей. Если такого процесса мы не наблюдаем, значит, они не размножаются. В растворах, содержащих порошок и средство для мытья посуды, мы не обнаружили выделение углекислого газа после  недельного наблюдения.

Любые живые организмы могут отражать различное   влияние чужеродных веществ через свою жизнедеятельность. В нашем случае  мы доказали экспериментом на  дрожжах.

4.3. Влияние СМС на  жизнедеятельность дождевых червей.

    Применение вредных смс неизбежно может привести к их поступлению со сточными водами в почву. В результате мы можем увидеть загрязнение почвы и вскроем времени даже  и последующую гибель почвенных организмов.

Ход эксперимента:

 1)взяли для опыта 4 сосуда с почвой, поместили туда по 20 штук дождевых червей и полили  раствором, содержащее СМС: 1-контроль, 2 сосуд – средство для мытья посуды, 3 сосуд – порошок, 4 – шампунь с концентрациями  по10%;

2)Через  неделю  мы посмотрели сосуды с дождевыми червями и посчитали их количество

3) Сделали следующие выводы:  вредные вещества, содержащиеся в различных СМС пагубно влияют на ж/д  дождевых червей. В растворе со средством для мытья посуды гибель дождевых червей произошла на 60%, в порошке – 85%, а в шампуне – 80% .

Список литературы          

1.       www.aquaria.com.ua/coretra.html

2.       Алексеева А.В. Коллоидная химия. – СПб: «Наука», 1998 – 290 с.

3.      Николаев П.В. Основы химии и технологии производства синтетических моющих средств: учеб. Пособие/ П.В. Николаев, Н.А. Козлов, С.Н. Петрова; Иван.гос. хим.-технол. Ун-т. – Иваново, 2007. – 116 с.

4.      Ставская С.С. Биологическое разрушение АПАВ. – К.: Наук. думка, 1981 г. – 116 с.

5.      Яковлев С.В. и др. Охрана окружающей среды: Учебник / С.В. Яковлев и др. – М.: Изд-во АСВ, 1998. – 180 с.