Курсовая работа

На тему:

«Изучение влияния концентрации свинца в почвенных растворах на накопление хлорофилла в растениях»

Содержание

1.   Введение

2.   Литературный обзор

2.1                Фотосинтез как процесс

2.2                Влияние различных факторов на фотосинтез

2.3                Свинец как тяжелый металл

2.4                Биоиндикация как метод исследования

3.   Экспериментальная часть

3.1                Реактивы и материалы

3.2                Методика эксперимента

3.3                Обсуждение результатов

4.   Выводы

5.   Приложение

6.   Список используемой литературы

Изучение влияния концентрации свинца в почвенных растворах на накопление хлорофилла в растениях.

1.Введение.

Одна из самых приоритетных проблем современности- загрязнение биосферы тяжелыми металлами. Словосочетание  « тяжелые металлы» большинством людей воспринимается как синоним понятия « токсичные металлы». Большинство тяжелых металлов высокотоксичны. Тяжелые металлы способны накапливаться в звеньях биологического круговорота веществ, а также переноситься на  расстояния.

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит в результате естественных процессов (образование аномально обогащенного металлами морского и вулканического аэрозоля, выветривание почв и горных пород), так и антропогенных выбросов.

Выбрасываемые антропогенными и природными источниками металлы преимущественно входят в состав твердых частиц, продолжительность их пребывания в атмосфере определяется временем жизни различных фракций аэрозоля и пыли, т.е., не превышает в нижней атмосфере 1-2 недель. Твердые частицы выбросов предприятий, содержащие тяжелые металлы, попадают в почву из атмосферы с осадками (дождь, снег, град), а также с листопадом. Это создает благоприятные условия для аккумуляции в почве этих элементов и их производных.

 Листья растений  накапливают тяжелые металлы в своих тканях, следовательно, когда листва опадает, то тяжелые металлы попадают на поверхность почвы, где и происходит процесс разложения.

От воздействия тяжелых металлов также страдают и микроорганизмы (дождевые черви и другие членистоногие), которые играют не маловажную роль в процессе разложения  опавшей листвы.

Элементы тяжелых металлов могут поглощаться корневой системой растений и попадать в их наземную часть. Также они могут попадать в атмосферу вместе с пылью, а могут и вымываться и попадать в грунтовые воды.

В IV группе периодической системы особое значение имеет свинец вследствие высокой токсичности его соединений. Свинец ингибирует ферментативные реакции, вступая в химическое взаимодействие с белками и осаждая их.  Присутствие свинца в воздухе, почве, продуктах питания представляет угрозу для  здоровья человека.

Свинец относится к наиболее опасным загрязнителям. При сжигании нефти  и бензина в окружающую среду поступает не менее 50% всего антропогенного свинца, что является важной составляющей в глобальном цикле элемента. Автомобильные выхлопы дают около 50% общего неорганического свинца, попадающего в организм человека. Другим важным источником антропогенного поступления свинца в окружающую среду является производство черных и цветных металлов, а также горнодобывающая промышленность.

Добыча, переработка, выплавка металла сопровождаются рассеиванием свинца в биосфере, причем часто в более активной форме, чем его природные соединения. Это приводит к значительному концентрированию металла в локальных участках земной поверхности.

 Свинец, как токсичный, ядовитый металл известен с древних времен. Сейчас свинцовое отравление является основной проблемой токсикологических исследований по причинам частого отравления на предприятиях. Это производственные процессы, связанные с плавлением, изготовлением батареек, эмалированием и т.д., а также отравлением детей из-за использования свинцовых красок.

Цель курсовой работы - изучить высокую токсичность свинца на примере влияния концентрации солей свинца на накопление хлорофилла в растениях.

Задачи курсовой работы:

2.Литературный обзор.

2.1.Фотосинтез как процесс.

Фотосинтез (от фото и синтез) - образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов, из простых соединений (например, углекислого газа и воды) за счет энергии света, поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами. Это один из важнейших биологических процессов, постоянно и  в огромных масштабах совершающийся на нашей планете. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд.т. органических веществ (около половины этого количества приходится на долю фотосинтеза растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд.т. CO₂ и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд.т. свободного кислорода. Полагают, что благодаря фотосинтезу образуется кислород атмосферы.

Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии системы; все остальные (за исключением хемосинтеза) осуществляется за счет потенциальной энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза.

В реакциях фотосинтеза у высших зеленых растений, водорослей (многоклеточных зеленых, бурых, красных, а также одноклеточных - эвгленовых, динофлагеллят, диатомовых) донором водорода и источником выделяемого кислорода служит вода, а основным акцептором атомов водорода и источником углерода - углекислый газ.

Таким образом, для водорослей или зеленых растений суммарное уравнение фотосинтеза записывается следующим образом:

                              hʋ

6СО₂ + 12Н₂О               C₆H₁₂O₆  + 6О₂ + 6Н₂О 

При использовании в фотосинтезе только CO₂ и H₂O образуются углеводороды. Но в процессе фотосинтеза растения образуют не только углеводы, но и содержащие азот и серу аминокислоты, белки, а также пигменты и другие соединения. Акцепторами атомов углерода (наряду с СО₂) и источниками азота и серы в этом случае служат нитраты (NO₃^-) и сульфаты.(SO₄^2-).

Фотосинтезу принадлежит центральная роль в общей энергетике растений и животных организмов, поскольку именно этот процесс служит первичным источником  всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности.

Фотосинтез - один из наиболее мощных процессов преобразования солнечной энергии (т.е. энергии термоядерных процессов, протекающих на Солнце), которая высвобождается в результате превращения водорода в гелий:

4H----He+2e^-+hv (фотоны высокой энергии).

Солнечная энергия при участии зеленых растений  преобразуется в свободную энергию органических соединений.

В химическом отношении накопление энергии  в процессе фотосинтеза связано с перестройкой химических связей. В соответствии с общим уравнением при фотосинтезе происходит разрыв связей в молекулах CO₂(О=С=О) и H₂O(Н-О-Н) и возникает иной тип химических связей (С-С, С-Н, СН₂О):

 6СО₂+6Н₂О------С₆Н₁₂О₆+6О₂

Разрыв связей в молекулах СО₂ и Н₂О требует затраты энергии       + 2510,4 кДж/ моль (+600ккал/моль), в расчете на СН₂О. При образовании связей (в СН₂О) энергия освобождается -2037,6 кДж/моль (-487 ккал/моль) и накапливается в продуктах реакции.

Фотосинтетический аппарат растения - сложно организованная система, обеспечивающая поглощение света и преобразование его энергии в энергию химических связей. Структурно - функциональная организация фотосинтетического аппарата может быть рассмотрена на двух уровнях:

а) на уровне листа, как органа фотосинтеза в растении;

б) на уровне хлоропласта – клеточной органеллы, где сосредоточены все структуры, обеспечивающие фотосинтез.

Лист как орган растения, приспособленный к фотосинтезу, сформировался в результате длительного эволюционного процесса. Он представляет собой эффективную систему для поглощения и преобразования энергии света в ходе фотосинтеза. Структура листа обеспечивает наиболее полное поглощение квантов света, поступление углекислого газа из атмосферы к хлоропластам, а также возможность оттока ассимилятов из атмосферных клеток. Организация фотосинтетического аппарата на уровне листа может быть охарактеризована на основе анализа его мезоструктуры. 

Основными показателями мезоструктуры листа являются: площадь листа, число клеток хлоренхимы на единицу площади листа, число хлоропластов в клетке и их объем, площадь поверхности хлоропластов, а также содержание хлорофилла в расчете на единицу площади листа, содержание ферментов углеводородного цикла фотосинтеза в листе и их активность, общая интенсивность фотосинтеза. Показатели мезоструктуры листа могут значительно варьировать в зависимости от внешних факторов среды, а также от физиологического состояния растений.

В процессе фотосинтеза в листьях из воды и двуокиси углерода под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества. Днем, в результате фотосинтеза и дыхания, растение выделяет кислород и двуокись углерода, а ночью – только двуокись углерода, образующуюся при дыхании.

Большинство растений способно синтезировать хлорофилл при слабом освещении. При прямом солнечном освещении хлорофилл синтезируется быстрее.

Необходимая для фотосинтеза световая энергия в известных пределах поглощается тем больше, чем меньше затемнен лист. Потому у растений в процессе эволюции выработалась способность поворачивать пластину листа к свету так, чтобы на нее падало больше солнечных лучей. Листья на растении располагаются так, чтобы не притеснять друг друга.

Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служат преимущественно красные лучи спектра. На это указывает спектр поглощения хлорофилла, где наиболее интенсивная полоса поглощения наблюдается в красной, и менее интенсивное – в сине-фиолетовой части спектра.

В хлоропластах вместе с хлорофиллом имеются пигменты каротин и ксантофилл. Оба этих пигмента поглощают синие и, отчасти, зеленые лучи и пропускают красные и желтые. Некоторые ученые приписываю каротину и ксантофиллу роль экранов, защищающих хлорофилл от разрушительного действия синих лучей.

Процесс фотосинтеза слагается из целого ряда последовательных реакций, часть которых протекает с поглощением световой энергии, а часть – в темноте. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтеза являются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты, аминокислоты, белки.

Фотосинтез в растительной клетке осуществляется специализированными органеллами - хлоропластами. От других типов пластид хлоропласты отличаются наличием зеленых пигментов хлорофиллов и сложно организованной системой внутренних мембран. Хлорофилл обеспечивает поглощение и первичное преобразование энергии света при фотосинтезе, а высокая степень организации внутренних мембранных структур хлоропластов составляет физическую основу для эффективного поглощения и преобразования энергии света в ходе фотосинтеза. Благодаря высокой степени организации внутренней мембранной структуры хлоропластов достигаются условия, необходимые для преобразования энергии:

1.          определенная ориентация пигментов в мембране, обеспечивающая эффективное поглощение  и преобразование энергии света;

2.          пространственное разделение восстановленных и окисленных фотопродуктов, возникающих в результате первичных актов фотосинтеза, связанных с разделением зарядов в реакционном центре;

3.          пространственная организация электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов, основанная на определенной цепи последовательности и строгой ориентации переносчиков в мембране (необходима для быстрого и регулируемого транспорта электронов и протонов);

4.          определенным образом организованная система мембран в хлоропластах, обеспечивающая сопряжение транспорта электронов и синтеза (АТФ).

Фотосинтез в растениях идет в две стадии. На первой стадии фотосинтеза (световые реакции) энергия света используется для образования АТР (молекула аденозин-трифосфата) и высокоэнергетических переносчиков электронов. На второй стадии фотосинтеза (темновые реакции) энергетические продукты, образовавшиеся в световых реакциях, используются для восстановления СО₂ до простого сахара (глюкозы).

 При освещении растений энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ . Н. Энергия этих соединений легко освобождается и используется внутри клетки растения для разных целей, в первую очередь для синтеза глюкозы и иных органических соединений. Без освещения солнечным или искусственным светом, в спектре которого есть красные и синие лучи, синтез АТФ и НАДФ . Н в клетке растения не происходит. Такую начальную стадию фотосинтеза называют световой фазой.

Когда в растительной клетке накопились АТФ и НАДФ^.Н, синтез глюкозы может проходить и в темноте, без участия света. Эта стадия фотосинтеза называется темновой.

2.2.Влияние различных факторов на фотосинтез.

Фотосинтетическая деятельность растений зависит от многих внешних факторов, и главные из них – условия освещения (интенсивность, спектральный состав света), доступность и концентрация углекислого газа, температура среды, водоснабжение и минеральное питание. Факторы внешней среды( экзогенные, экологические), воздействуя на отдельные реакции фотосинтеза, вызывают изменение активности фотосинтетического аппарата в целом, что в конечном итоге определяет общую продуктивность растений.           

1)         Влияние на фотосинтез интенсивности и спектрального состава света.

 Зависимость фотосинтеза от интенсивности света выражается световой кривой фотосинтеза, которая имеет логарифмический характер: при низких интенсивностях света существует прямая пропорциональная зависимость между интенсивностью падающего на растение света и фотосинтеза. По мере увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее выраженным, и, наконец, при достижении определенного уровня освещенности наступает насыщение фотосинтетической активности листа( плато световой кривой фотосинтеза). Анализ световой кривой фотосинтеза послужил основанием для представления о существовании в этом процессе световых, фотохимических, реакций, прямо пропорционально зависящих от интенсивности света, и «темновых», энзиматических, реакций, скорость которых становится лимитирующей при высоких интенсивностях света.

Стационарный уровень фотосинтеза достигается у разных групп растений при разной интенсивности света. Фотосинтетическая активность в области насыщающих интенсивностей света зависит главным образом от работы систем поглощения и ассимиляции углекислого газа. Чем выше положение кривой в области насыщения, тем больше мощность системы ассимиляции углекислого газа у растения. Условия внешней среды, активирующие углеродные циклы растения (такие, как температура и концентрация СО₂), позволяют ему более эффективно использовать более высокие интенсивности света.

Интенсивность света влияет на характер фотохимических и метаболических процессов в хлоропластах. При низких интенсивностях света в первую очередь активируется  нециклический поток электронов. В условиях избыточной освещенности циклический транспорт электронов может играть защитную роль в хлоропластах, а также служить источником энергии для дополнительного синтеза АТФ и тем самым способствовать активации процессов ассимиляции углерода. С интенсивностью света связано образование различных продуктов фотосинтеза. Так, при слабой освещенности образуются главным образом аминокислоты, тогда как синтез углеводов в хлоропластах требует высокой интенсивности света.

Спектральный состав света определяет общую интенсивность фотосинтеза,  активность его отдельных реакций и набор синтезируемых продуктов. Кривая зависимости интенсивности фотосинтеза от качества света при выровненном количестве квантов( спектр действия фотосинтеза)  демонстрирует два отчетливых максимума- в синей и красной области спектра, совпадающих со спектрами поглощения фотосинтетических пигментов. Качество света определяет и состав продуктов, образующихся при фотосинтезе. Так, на синем свету преимущественно синтезировались органические кислоты и аминокислоты, а позднее - белки, тогда как красный цвет индуцировал сначала синтез растворимых углеродов, а в дальнейшем - крахмала.  

2)    Влияние на фотосинтез концентрации углекислого газа.

Содержание СО₂ в окружающей среде является одним из важнейших факторов, определяющих скорость фотосинтеза. При концентрации

СО₂ 0,06%-0,15% у большинства растений достигается насыщение фотосинтеза. Увеличение интенсивности фотосинтеза при повышении концентрации СО₂ обусловлено реализацией в этих условиях потенциальной карбоксилазной активности Рубиско и созданием в хлоропластах большого пула акцептора СО₂- рибулозобисфосфата.

Концентрация СО₂, при которой его поглощение в процессе фотосинтеза уравновешено выделением углекислоты в ходе дыхания( темнового и светового),  называется углекислотным компенсационным пунктом(УПК). Положение УПК может существенно зависеть от вида растения. Особенно выражены различия между С₃- и С₄- растениями. Так, у С₃- растений УПК находится при довольно высоких концентрациях СО₂ (около 0,005%). Это связано с наличием у них активного фотодыхания. С₄ –растения, обладающие способностью фиксировать СО₂ через фермент ФЕП-карбоксилазу, производят релаксацию углекислого газа при слабом фотодыхании, поэтому у них УПК приближается к нулевой концентрации СО₂.

3)    Влияние температуры на фотосинтез.

Для большинства С₃-растений умеренной климатической зоны оптимальная  для фотосинтеза температура находится в интервале 20-25 градусов. У растений С₄ путем фотосинтеза и САМ - фотосинтезом температурный оптимум приходится на 30-35 градусов. При дальнейшем повышении температуры фиксация СО₂ уменьшается вследствие тугора в листьях и закрывании устьиц.

В растениях наибольшую термозависимость проявляют реакции углеродных циклов. Весьма чувствительны к температуре также транспорт электронов и синтез АТФ. Первичные реакции фотосинтеза, связанные с поглощением света, миграцией энергии возбуждения в реакционные центры и разделением зарядов в реакционных центрах, от температуры практически не зависят.

4)    Влияние водного режима на фотосинтез.

Значение водного режима на фотосинтез определяется в первую очередь действием воды на состояние устьиц листа: до тех пор, пока устьица остаются оптимально открытыми, интенсивность фотосинтеза не изменяется под влиянием колебаний водного баланса. Частичное или полное закрывание устьиц, вызванное дефицитом воды в растении, приводит к нарушению газообмена и снижению поступления углекислого газа к карбоксилирующим системам листа. В результате в условиях водного дефицита наблюдается ингибирование фотосинтетической активности растений. При длительном дефиците воды возможно снижение общей фотосинтетической продуктивности растений, в том числе и за счет уменьшения величины листьев, а сильное обезвоживание может в итоге вызвать нарушение структуры хлоропластов и полную потерю их фотосинтетической активности.

2.3.Свинец как тяжелый металл.

Химический состав растений зависит от состава почв, на которых произрастают растения, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями. Химические элементы неравномерно распределены по органам растений. Значительная часть элементов накапливается в наземных частях растений (листьях, стеблях): Mn, Mo, Sr, La, Cu, Ti, Ni, в меньшей степени Fe, Al, Co. В корнях растений аккумулируются такие элементы, как Ag,Pb,Sn,W,Cr,V,U. На условие и поглощение химических элементов растениями влияют природные и антропогенные факторы. К природным факторам относятся: уровень инсоляции, колебания температуры, количество выпадающих осадков. В результате воздействия антропогенных факторов происходят существенные изменения в растениях. При химическом загрязнении биосферы нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы.

Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой, получившей общее название «тяжелые металлы».

Тяжелые металлы активно участвуют в биологических процессах, многие из них входят в состав ферментов. К числу тяжелых металлов относят хром, медь, ртуть, молибден, марганец, цинк, никель, висмут, германий, сурьму, теллур, таллий, кадмий, железо, олово, кобальт, свинец.

В IV группе периодический системы особое значение имеет свинец вследствие высокой токсичности его соединений. Свинец ингибирует ферментативные реакции, вступая в химическое взаимодействие с белками и осаждая их.

В характерных для биосферы условиях свинец представлен соединениями со степенями окисления свинца +2 и +4 (оксид PbO и диоксид свинца PbO₂).Более устойчивы и распространены в природе соединения Pb (II). Наибольшее влияние на состав соединений свинца в почвах могут оказать анионы: CO^2-₃, OH^-, S^2-, PO₄^3- и SO₄^2-. Попадающий при химическом соединении в почву свинец сравнительно легко образует гидроксид при нейтральной или щелочной реакции. Если почва содержит растворимые фосфаты, тогда Pb(OH)₂ переходит постепенно в Pb₃(PO₄)₂ или другие труднорастворимые фосфаты, например плюмбогуммит PbAl₃H(OH)₆(PO₄)₂. Эти соединения преимущественно определяют уровень содержания Pb в почвенных растворах, который в нейтральной среде близок к 10^-8 моль/л.

Растворимость соединений свинца в диапазоне pH 8,5-11,0 и в восстановительных условиях при pH 2 низкая - менее 1 мг/л; в интервале pH 6-8 растворимость элемента является сложной функцией pH,концентрации СО₂ и соединений серы в воде. Свинец образует малоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллювиальных горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной  биоты.

Свинец существенно влияет на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Он ингибирует процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляет дыхание почвенных микроорганизмов. Высокая концентрация соединений свинца тормозит ферментативную деятельность в почвах - активность амилазы, каталазы, уреазы и т.д.

На растворимость соединений тяжелых металлов большое влияние оказывает концентрация их в растворе. При очень низкой концентрации микроэлементы не выпадают в осадок при соответствующем изменении реакции среды и при добавлении осадителей. Этот фактор играет важную роль в случае металлов, образующих труднорастворимые соединения при величинах рН и Е_h, характерных для природных вод.

Формы миграции тяжелых металлов в природных водах и, в частности, в почвенных, многообразны. Взвешенные и коллоидные формы соединений входят в состав почвенных гранулометрических фракций, а истинно растворенные извлекаются в составе водных вытяжек из почв. Для вещественного состава водных вытяжек характерно следующее:

1.Водные вытяжки содержат большой набор органических соединений различного состава;

2.Вещества, содержащиеся в водных вытяжках, способны образовывать комплексы с тяжелыми металлами; эти комплексы могут иметь в природных условиях различный знак заряда;

3.На комплексообразование оказывает сильное влияние рН, конкурентное комплексообразование, ионная сила раствора, состав лигандов, наличие и состав неорганических анионов.

Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов  значительно варьирует для разных элементов, но составляет весьма продолжительные периоды времени: для Zn–от 70 до510 лет, для Cd –от 13 до 110 лет, для Cu –от 310 до 1500 лет и для Pb - от 740 до 5900 лет.

На характер перераспределения тяжелых металлов в профиле почв оказывает влияние комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав почв, реакция среды, содержание органического вещества, катионообменная способность, наличие геохимических барьеров, дренаж.

Поглощение тяжелых металлов почвами существенно зависит от реакции среды, а также от состава анионов почвенного раствора. Свинец сорбируется  преимущественно в кислой среде.

Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса  они менее доступны для поглощения.

Катионообменная способность зависит от минералогического состава илистой фракции, а также от количества органического вещества. Чем выше емкость катионного обмена, тем больше тяжелых металлов удерживает почва и тем меньше тяжелых металлов поступает в растения и живые организмы.

Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в более растворимые формы. Анаэробные условия  повышают доступность тяжелых металлов растениям. Поэтому дренажные системы, регулирующие водный режим, способствуют преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и тем самым снижению их миграционной способности.

Как и у других тяжелых металлов, миграция свинца тесно связана с щелочно-кислотными условиями. В нейтральной и щелочной среде его соединения (Pb(OH)₂)⁰, (Pb(OH)₃)- малоподвижны, в кислой среде он хорошо мигрирует в катионной форме. Свинец легко образует комплексные соединения с серо-, фосфор-, кислород- и азотсодержащими лигандами.

В гумидных ландшафтах свинец мигрирует в кислой среде в виде истинно растворимых катионных форм, со взвесями, коллоидами и органическим веществом и более доступен растениям. Концентрируют свинец лишайники, мхи, а среди деревьев - ель, береза, осина, дуб, сосна, особенно их корни, кора и старые ветви. В лесах биогенная аккумуляция свинца ведет к его накоплению в опаде, в меньшей степени - в гумусовом горизонте почв. В профиле подзолистых почв установлена слабая биогенная, иногда элювиально-иллювиальная дифференциация металла. Как правило, коэффициенты радиальной дифференциации его валовых форм в гумусовых и иллювиальных горизонтах не превышает 1,5-2, а подвижных-2-3. Это определяет менее активную, по сравнению с другими тяжелыми металлами, радиальную и латеральную миграцию свинца в гумидных ландшафтах. Основные геохимические барьеры для свинца - щелочной, сорбционный (гидроксиды (Fe и Mn)), в меньшей мере - биогеохимический.

В степях и пустынях миграция свинца затруднена образованием слаборастворимых карбонатов. На карбонатном фоне биогеохимическая специализация по семействам, родам и видам слабо выражена. Только злаки (типчак, ковыль сарептанский, и другие) и полынь холодная концентрируют свинец (3-5 КК). Минимальны  содержания свинца в растениях семейства маревых. Это определяет его слабую биогенную аккумуляцию в гумусовых горизонтах степных почв. В катене из типичных черноземов и торфяно-глеевых почв на покровных суглинках в гумусовых горизонтах преобладают органоминеральные формы свинца.

 Кларк синца в почвах легкого гранулометрического состава составляет примерно 10 мг/кг, в суглинистых и глинистых -20-25 мг/кг, что немного выше Кларка литосферы. В почвах он связан с глинистыми минералами, гидроксидами Fe, Mn и Al органическим веществом, карбонатами. Среди тяжелых металлов он менее подвижен.

Свинец - один из основных токсикантов, образующих контрастные техногенные аномалии. Выбросы автотранспорта создают вблизи шоссейных дорог локальные и малоконтрастные аномалии подвижных форм свинца в воздухе, растениях и почвах. В почвах обочин шоссе техногенные аномалии свинца формируются обычно в слое 0-5см и прослеживаются на расстоянии до 50-100м. Загрязнение свинцом зависит от плотности движения автотранспорта  преобладающего направления ветра, особенностей рельефа, типа автомобилей, скорости их движения, наличия защитных лесополос.

2.4. Биоиндикация как метод исследования

Химическая экотоксикология  использует весь арсенал химико-аналитических методов, пригодных для обнаружения и количественного определения микропримесей токсикантов в объектах природной и окружающей человека среды. Однако специфическими для этой науки являются биологические методы исследования – биоиндикация и биотестирование.

Биоиндикация - оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях. Отличительной чертой для биоиндикации является то, что на основании получаемой с ее помощью информации можно судить об особенностях окружающей среды и происходящих в ней изменениях.

В экологическом мониторинге используют различные  методы исследования. Среди них можно выделить дистанционные и наземные методы. К наземным методам относятся биологические (биоиндикационные) и физико-химические  методы.

Биологические методы анализа основаны на том, что для жизнедеятельности – роста, размножения и нормального функционирования – живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного соединения организм через какое-то время подает соответствующий обратный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для обнаружения и определения.

Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани. В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, а также растения. Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить:

1) жизненно необходимые;

2) токсичные;

3) физиологически неактивные.

От характера определяемого вещества зависит выбор того или иного индикаторного организма. (Основы аналитической химии, 2002).

 В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с по­мощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Актуальность биоиндикации обусловлена  простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды.

Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический  состав и др.) и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т.п.), в  том числе происходящие под влиянием человека.

 В качестве биоиндикатора обычно выступает определенный биологический вид или сообщество видов, по наличию, поведению или состоянию которого судят об особенностях среды обитания и происходящих в ней естественных или антропогенных изменениях. Биоиндикатор может служить для обнаружения и определения концентраций загрязняющих компонентов.

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, орга­низмов, популяций, сообществ, экосистем и биосферы в целом.

 Антропогенные воздействия, с одной стороны, представляют собой новые параметры среды, с другой – обуславливают антропогенную модификацию уже имеющихся природных факторов и тем самым изменение свойств биологической системы. Если эти новые параметры значительно отклоняются от соответствующих исходных величин, то возможна биоиндикация.

  В этом основное различие между физическим или химическим изменением антропогенных факторов среды и биоиндикацией. Если первые методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии, то с помощью второго подхода можно получить информацию о биологических последствиях и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора.

  Для количественной оценки значимости отклонений необходимы абсолютные или относительные калибровочные стандарты. При биоиндикации антропогенных или испытывающих антропогенное воздействие факторов среды соблюдаются следующие стандарты сравнения:

1.     Сравнение с показателями биологической системы, свободной от воздействий.

2.     Экспериментальное исключение антропогенных или антропогенно - модифицированных факторов.

3.     Сравнение с биологическими системами прошлого, слабо или вовсе не подверженными действию антропогенных факторов.

4.     Построение градиента измерений одного и того же объекта вплоть до времени пренебрежимо малого антропогенного воздействия.

    При биоиндикации изменения биологической системы всегда зависят как от антропогенных, так и от природных факторов среды. Эта система реагирует на воздействие среды в целом в соответствии со своей предрасположенностью, то есть такими внутренними факторами, как условия питания, возраст, генетически контролируемая устойчивость и уже присутствующие нарушения.  (Афанасьев, 2001).

В реальных условиях в окружающей среде мы сталкиваемся с действием на один и тот же объект нескольких веществ или других неблагоприятных факторов окружающей среды (например, шумы, виб­рация, различного рода излучения, высокая и низкая температура и т.п.). Комплекс неблагоприятных факторов усложняет проблему воздействия веществ на биологический объект. (Юртов, 1987).

В порядке возрастания толерантности к загрязнениям раститель­ные организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайни­ки, хвойные, травянистые растения, листопадные деревья. Среди сельхозкультур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, ви­ноград, розоцветные, подорожник. Практически все виды растений можно использовать в практике биомониторинга. (Черненькова, Степанов, 2001). Следует отметить, что указанные градации не являются одинаковыми для всех видов загрязнителей среды, т. к. их воздействие разное и выявление спе­цифических биоиндикаторов на тот или иной фактор придает само­му методу новый научный аспект, который дает возможность сделать его более точным и информативным.

  Существуют различные формы биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, речь идет о специфической биоиндикации. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором.

   Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенные воздействия большей частью без быстро проявляющихся нарушений. Такое значительное накопление, загрязнение, постепенно  превышающее нормальный уровень, чаще всего происходит на уровне экофизиологических или биоценотических процессов.

  Обычно в природе все виды биоиндикации включены в цепочку последовательно происходящих реакций или процессов. Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то речь идет о прямой биоиндикации. Но нередко биоиндикация становится возможностью только после изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов. В этом случае мы имеем дело с косвенными биоиндикацией и биоиндикатором.

   Даже внутри организма наблюдается определенное  соподчинение реакций, возникающих в ответ на какой-либо антропогенный фактор. Первая реакция создает основу для первичной биоиндикации, следующая – для вторичной.

   Часто необходимо заблаговременно обнаружить биологическое действие антропогенного фактора, для того чтобы при известных условиях иметь возможность  произвести направленное вмешательство. Наличие очень чувствительных биоиндикаторов приводит к ранней индикации, когда реакция заметна уже при минимальных дозах спустя очень короткое время и происходит в месте воздействия фактора на элементарные молекулярные или биохимические процессы.

Основные принципы применения биоиндикации:

   Для биоиндикации пригодны в основном два метода – пассивный и активный мониторинг.

   При биоиндикации следует учитывать четыре основных требования:

1.     Относительная быстрота проведения.

2.     Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.

3.     Присутствие объектов, применяемых в целях биоиндикации, по возможности в большом количестве и  с однородными свойствами.

4.     Диапазон погрешности по сравнению с другими методами тестирования должен быть не более 20%.

 Под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные  факторы среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия, более или менее сильно влиять на систему. В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных биотических и абиотических стрессов. Среди вызываемых стрессами нагрузок на биологические системы следует различать упругие (обратимые) и пластические (необратимые).

В природе на организм воздействует не один стрессор, а всегда наблюдается целый комплекс нарушающих факторов (комплексное стрессовое воздействие среды). При этом, разумеется, какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. В связи с этим понятно, что реакция организма на стрессоры в лабораторном эксперименте не всегда совпадает с наблюдающейся в естественных условиях. Поэтому исследования  комбинированного воздействия  стрессовых нагрузок, то есть комплексного стрессового воздействия среды, являются принципиально важными для установления допустимой нагрузки и стабильности биологических систем в нарушенной среде со многими антропогенными стрессорами.                                                                                         

Тяжелые металлы, такие как кадмий, цинк и никель, свинец  в концентрациях, не влияющих на рост, усиливают повреждающее воздействие клеточных ультраструктур  чувствительных растений, воздействуя, в первую очередь на хлоропласты.

  При воздействии на растения порошково-образных солей (хлорида натрия, хлорида кальция, хлорида магния) хлорид-ион, имеет наибольшее стрессовое значение, так как может значительно влиять на протекание физиологических процессов.

Пример растения-биоиндикатора – кресс-салат.

Кресс-салат - клоповник посевной (Lepidium sativum), однолетнее растение семейства крестоцветных. Кресс-салат – скороспелое  холодостойкое растение. Листья содержат минеральные соли, витамин С, каротин, йод, железо.

Кресс-салат отличается быстрым и почти стопроцентным прорастанием, которое заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Кресс салат отзывчив на минеральные удобрения, особенно азотные. Внесение азота в 1,5 раза увеличивает продуктивность растений за счет количества и размера листьев, в этом случае развитие растений замедляется.   При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков.

Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).

Кресс-салат как биоиндикатор удобен еще и тем, что действие стрессо­ров можно изучать одновременно на большом числе растений при неболь­шой площади рабочего места (чашка Петри).  (Афанасьев, 2001). 

 На примере кресс-салата хорошо исследовано влияние различных условий выращивания (почва, температура, влажность) на индикаторные свойства. При благоприятных условиях культивирования,  влияние газодымовых выбросов на количественные показатели растений (длину проростков и корешков, число семян, общий вес) проявляется особенно отчетливо. Использование кресс-салата для тестирования качества воды является государственным тестом в Голландии.

Итак, объектом исследования был выбран кресс-салат (клоповник посевной – Lepidium sativum L.), сорт «Аэлита». Выбор кресс-салата в качестве объекта объясняется быстрым ростом его побегов, высокой всхожестью семян и достаточно высокой чувствительностью к разного рода токсикантам.

3.Эксперементальная часть. 

            3.1Реактивы и оборудование

Таблица 1.

Реактивы

            Оборудование

·        мерные колбы на 100 мл

·        мерный цилиндр на 50 мл

·        чашки Петри

·        прибор МКФК-02

·        стеклянные кюветы толщиной 1 см

            3.2.Методика эксперимента

1.   Высевание кресс-салата

Семена кресс – салата высаживали в чашках Петри. В каждую чашку Петри высадили по 100 семян в 50 мл. воды или раствора нитрата свинца. На раствор каждой концентрации было отведено по 2 чашки Петри. Затем чашки Петри поместили в термостат на 7 дней.

2.   Фотометрическое определение хлорофилла

Содержание хлорофиллов устанавливали по величине поглощения спиртового экстракта листьев при длине волны 610 нм. Навеску листьев –растирали в маленькой ступке с дистиллированной водой, переносили в центрифужные пробирки и центрифугировали в течение 5 минут при 3000 g. Водный раствор декантировали и измеряли величину поглощения  при 610 нм. (Голубкина, Шамина, 2004).                                                                                 

          Колориметрирование раствора производили на фотоэлектроколориметре (МКМФ-02) с красным светофильтром (610 нм).  

Для пересчета хлорофилла на стандартные величины использовали раствор Гетри, который готовится следующим образом:

 1) 1%-ный раствор CuSO4∙5H2O (брали только синие кристаллы),

 2) 2%-ный раствор K₂Cr₂O₇,

 3) 7%-ный раствор аммиака. (готовили разбавлением 30%-ного раствора).

Для изготовления стандарта в мерную колбу емкостью 100 мл точно отмеривали растворы  CuSO₄∙5H2O – 28,5 мл, K₂Cr₂O₇ – 50 мл, NН₄ОН – 10 мл), доводили дистиллированной водой до метки и перемешивали.

Стандартный раствор Гетри по окраске колориметрически эквивалентен раствору кристаллического хлорофилла по содержанию последнего 85 г. в литре. (Фёдорова, Никольская, 2001).

         Методом разбавления стандартного раствора строили калибровочную кривую, где по оси абсцисс откладывали содержание хлорофилла (мг/л), а по оси ординат – оптическую плотность. Калибровочную кривую строили от концентрации 0,085 мг/л (1 мл исходного раствора и 99 мл воды) до 7,65 мг/л (90 мл исходного раствора и 10 мл воды). Данные для построения калибровочной кривой приведены в таблице 2.

Таблица 2.

 Соответствие оптической плотности растворов Гетри концентрации растворов хлорофилла

По полученным данным построили калибровочный график, который имеет следующий вид:

Измерения на МКМФ производили несколько раз, затем вычисляли среднее. По полученным данным определяли концентрацию хлорофилла в опытных образцах по калибровочной кривой. Затем вычисляли количество хлорофилла в мг/г листа (по сырой массе). Результаты измерений представлены в таблице 3.

Таблица 3.

3.3. Обсуждение результатов

4.Выводы

5.Приложение

Предельно Допустимые Концентрации в воде водоема хозяйственно – питьевого  и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) – это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Таблица №1 «Используемые реактивы»

Таблица№2 «Зависимость оптической плотности раствора Гетри от его концентрации»

Таблица №3 «Результаты измерений»

Таблица №4 «Данные разведения раствора Гетри»

6.Список использованной литературы.

1.     Афанасьев Ю. А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды / Афанасьев Ю. А., Фомин С. А, Меньшиков В. В. – М: МНЭПУ, 2001.

2.     Беликов П.С., Дмитриева Г.А. Физиология растений: Учеб. пособие. – М.: Изд-во РУДН, 1992. - 248 с.

3.     Физиология растений: Учебник для студ. Вузов / Н.Д.Алехина, Ю.В. Балконин, В.Ф. Гавриленко и др.; Под ред. И.П. Ермакова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 640 с.

4.     Голубкина Н.А., Шамина М.А. Лабораторный практикум по экологии. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. – 56 с.

5.     Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию: Учеб.пособие.- СПб: Химиздат, 1999. – 144с.

6.     Основы аналитической химии. Кн. 2  Методы химического анализа. / Золотов Ю. А., Дорохова Е. Н., Фадеева В. И. – М.: Высшая школа, 2002. - С.398

7.     Пенкин П. Физиология растений, 1975. С. 69.

8.     Соколов М.С., Монастырский О.А., Пикушова Э.А. Экологизация защиты растений. – Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1994. – 462с.

9.     Тихонова И.О., Тарасов В.В. Практикум по химическим методам анализа в экологическом мониторинге.- М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2002.- 64 с.

10. Федорова А. И., Никольская А. Н., 2001. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС – 288 с.

11. Черненькова Т.В., Степанов А.М. Общая экология. Природопользование: Воздействие тяжелых металлов на растения.- М.: МИСиС, 2001.- 139 с.

12. Юртов Е.В. Химическая токсикология. Текст лекций / Е.В. Юртов, Ю.А. Лейкин. – М.: ХТИ им. Д.И. Менделеева, 1987. - 40 с.