Влияние неблагоприятных экологических факторов на рост и развитие растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГУО «Гимназия №1 г. Орши имени Г.В. Семенова»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«ВЛИЯНИЕ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ»

Автор:

Костюкович Егор Сергеевич,

Учащийся 10 «А» класса

ГУО «Гимназия №1 г. Орши имени Г.В. Семенова»

Руководитель:

Червякова Елена Сергеевна,

Учитель биологии

ГУО «Гимназия №1 г. Орши имени Г.В. Семенова»

Введение

Цель исследования: изучение причин и последствий разных загрязнений почвы для живых организмов, составление списка требований по охране труда для разных предприятий Оршанского района и не только.

Задачи: вырастить растение-образец для проведения эксперимента, изучить некоторые виды химического загрязнения почвы, загрязнить субстрат, где растет и развивается растение химическими веществами, которые являются промышленными отходами,

Двадцать первый век безусловно войдет в историю, как век технологического прогресса, век, который изменил человека и человечество. Однако любая медаль имеет две стороны и за технологическим прогрессом стоит экология нашей планеты. Каждый из-за экологических катастроф каждый год вымирает 3,5 тысячи видов животных [1], около 8 видов растений. Тысячи людей, потребляющих экологически нечистые продукты заболевает онкологическими заболеваниями, заболеваниями ЦНС и ЖКТ. Многие люди становятся жертвами разных экологических катастроф: кислотные дожди, загрязнения почвы, загрязнения водоёмов и т.д.

В своей работе я хочу узнать какие бывают загрязнения почвы, как это влияет на сельское хозяйство и здоровье людей.

Методика работы

Для проведения данного исследования нам понадобится растение, которое можно вырастить в домашних или лабораторных условиях, желательно при комнатной температуре. Для эксперимента я вырастил сальвия обыкновенную или шалфей, который вырастил из семян. Из 12 семян выросло 7 растений, этого количества растений хватит, чтобы изучить влияние некоторых неблагоприятных факторов. Для выращивания растения не рекомендуется использовать удобрения, так как они могут вызвать погрешность в исследовании.

Пока растение росло, а росло оно около 7 месяцев, я изучил некоторые химические загрязнения, которые могут оказывать влияние на растения, а в последствии и на человека. Из всех видов загрязнения я выбрал три самых распространенные: кислотные дожди, защелачивание почвы.

При изучении загрязнений стоит учитывать все факторы, которые могут повлиять на растение такие как: некислотные дожди, подземные воды, биохимические процессы внутри растений, которые служат для вывода токсических веществ из растения.

Для симуляции некислотных дождей растение можно просто поливать, чтобы вода капала с листьев на землю. При симуляции подземных вод могут возникнуть затруднения, ведь невозможно в условиях субстрата создать данные условия, поэтому частью корня, находящейся на глубине субстрата стоит пренебречь. Биохимические процессы можно ускорить светом, ведь именно свет ускоряет все биохимические процессы в растении (если отсутствует постоянный источник света - тогда биохимические процессы войдут в изотонический коэффициент).

Чтобы максимально отразить весь вред загрязнения почвы нужно провести анализ корня, так как именно в корне накапливаются все вещества, которые попадают в растения.

Главная проблема, с которой можно столкнуться при проведении исследования - это оборудование, ведь школьные реактивы и оборудования не подойдут для биохимического анализа корня растения. Поэтому я решил обратиться за помощью к преподавателям кафедры химии и института прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии, которые с радостью согласились помочь. На кафедре химии под руководством Громовой Л.Н. (кандидатом биологических наук, доцентом) мы симулировали кислотный дождь. А исследование корня растения было проведено заместителем директора НИИ прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии Севрюком Иосифом Збигневичем.

Далее у нас осталось 5 растений (1 ушло на эксперимент, 1 ушло для стандартизации).

Большой проблемой для агрономов является защелачивание почвы, некоторые растения могут погибать из-за этого, так е щелочная среда может пагубно влиять на растения, вызывая мутации. Теперь посмотрим, как защелачивание почвы влияет на растение, для этого добавим в почву смесь гидрокарбоната натрия и гидроксида натрия в молярном соотношении 100:11, предварительно измерив приблизительный рН раствора индикаторной бумагой. Щелочная среда (рН до 10,5 является нормальным для роста растения) - следовательно для исследования нужно использовать не биохимические методы анализа, а просто наблюдать за ростом и развитием (это может занять много времени).

После всех исследований я составил некоторые рекомендации для предприятий, которые выбрасывают в атмосферу продукты сгорания органических веществ (природный газ, мазут, ДТ, бензин и древесину).

Кислотные дожди. Определение кислотного дождя

Кислотный дождь - это дождь или любая другая форма осадков, которая является необычно кислой, а это означает, что она имеет повышенный уровень ионов водорода (низкий рН).

Данное определение является не совсем верным, так как кислота помимо катиона водорода содержит и анион, который зачастую и оказывает влияние на живые организмы.

Пример 1

H2SO4 = 2H+ + SO4- - анион серной кислоты используется в составе удобрений для растений, а с катионами магния используется, как лекарственное средство в медицинской практике.

HCl = H+ + Cl- - анион соляной кислоты используется в составе минеральных удобрений для растений, хлорид натрия используется как физраствор в медицинской практике, сама кислота используется в качестве стабилизатора для глюкозы, которую принимают внутривенно.

H3PO4 = H+ + H2PO4- + HPO4- + PO4- - дигидрофосфат ионы, гидрофосфат ионы, фосфат ионы используются в комплексных минеральных удобрениях для растений, сама фосфорная кислота используется, как консерватор или стабилизатор в разных продуктах питания.

HNO3 = H+ + NO3- - анион азотной кислоты используется в комплексных минеральных удобрениях

Однако во всем должна быть мера, для того, чтобы ввести удобрения в почву специально обученные люди (агрономы) специально рассчитывают дозировку и проводят анализ почвы. Но природа меры не знает, особенно, когда речь идет о кислотных дождях - поэтому всегда после кислотных дождей в почве оказывается избыток ионов серной, сернистой и азотной кислоты, что пагубно влияет на растения.

Причины образования кислотных дождей

Кислотные дожди, как правило идут в городах и регионах, где хорошо развита химическая промышленность или ТЭС и ТЭЦ не используют катализаторы для очистки продуктов сгорания. Перед тем, как проводить исследования следует разобраться, как образуются кислотные дожди.

Исследование №1 (теоретическое)

Наши ТЭЦ и ТЭС для получения энергии в основном используют природный газ и мазут (в маленьких населенных пунктах РБ осталось большое количество котельных, которые до сих пор работают на угле, поэтому уголь мы тоже буем рассматривать) - это все перегнившие органические вещества, которые используются, как топливо.

Исследование №2 (теоретическое)

В природный газ входят насыщенные и ненасыщенные углеводороды с числом атомов углерода от 1 до 5.

В мазут входят насыщенные и ненасыщенные углеводороды с числом атомов углерода от до 20 до 55.

Каменный уголь является смесью углерода и минеральных веществ.

Но не стоит забывать, что все эти углеводороды являются продуктами разложения живых организмов. В любом живом организме в обмене веществ принимают участие атомы азота (в составе аминокислот, пептидов, белков, ДНК, РНК), немаловажную роль играет и сера, которая входит в состав многих белков, жиров, гормонов и ферментов. При разложении эти атомы никуда не деваются а остаются в составе нитрат ионов, нитрит ионов, аммиака, аминов (для атомов азота), а атомы серы остаются в составе сероводорода, сернистого газа, ромбической и моноклинной серы, меркаптанов, тиокислот и т.д.

При сжигании углеводородов образуются побочные продукты:

Для атомов азота:

NO3- (t > 750oC) = NO2 + N2O5

NO2- (t > 750oC) = NO2 (газообразное вещество)

-NH2 + O2 (t > 750oC) = NO2 (газообразное вещество)

NH3 + O2 (t > 750oC) = NO2 + H2O (газообразные вещества)

Для атомов серы:

S + O2 = SO2 (газообразное вещество)

SO42- + C (t > 750oC) = SO2 + CO2 (газообразные вещества)

-SH + O2 (t > 750oC) = SO2 + H2O (газообразные вещества)

По итогу образуется смесь веществ:

CO2 - продукт полного окисления углерода не очень вреден для природы

NO2 - бурый газ, очень вреден для окружающей среды, именно этот газ «поедает» озон, окисляясь до оксида азота (V), может вызывать кислотные дожди из азотной кислоты

SO2 - сернистый газ, очень вреден для окружающей среды, вызывает кислотные дожди из серных кислот и их производных, аналогично уничтожает озоновый слой.

N2O5 - пентоксид азота, вызывает дожди из азотной кислоты, но из-за своей нестабильности под действием восстановителя образует две молекулы NO2

Из-за неполного окисления углерода может образовываться монооксид азота, который разрушает озоновый слой, окисляясь до диоксида азота.

Все эти вещества вредны для окружающей среды в тех количествах, в которых они выпадают на землю или попадают в атмосферу. Большая часть представленных веществ при смешивании с водой, которой в атмосфере предостаточно образуют кислоты: серную, сернистую, иные серные кислоты, азотную, азотистую и другие.

Так же в нашей стане существуют предприятия, которые иногда образуют вредные продукты. Например: нефтеперерабатывающее предприятие НАФТАН ежегодно выпускает в атмосферу более 100 кг сероводорода. А на ГРОДНОАЗОТ в 2020 году произошла авария и более 1 т бурого газа попала в атмосферу, что вызвало немало кислотных дождей в Польше, Украине, Беларуси, Литвы.

Опадание этих кислот с дождем и называется кислотным дождем.

Можно ли очистить нефтепродукты от серосодержащих и азотсодержащих веществ? - Да, можно, но не полностью, каждый год появляется новое оборудование для очистки нефтепродуктов, и они показывают хороший результат за последние 20 лет число кислотных дождей уменьшилось в 100 раз, но все же есть недобросовестные производители, которые не модернизируют свои производства, тем самым губя нашу планету.

Можно ли как-то избавиться от выбросов на ТЭЦ, ТЭС? - Да, можно, ведь на всех ТЭЦ и ТЭС стоят специальные катализаторы, которые окисляют продукты и выводят их из газовой смеси, но не каждая ТЭЦ или ТЭС готова жертвовать такие большие деньги на них, поэтому проблемы кислотных дождей остается актуальной и по сей день.

Исследование растения, ставшего жертвой дождя

Я решил узнать, как кислотные дожди будут влиять на почву и растение в целом. В моем исследовании мне помогла преподаватель кафедры химии ВГАВМ Кандидат биологических наук, доцент Громова Л.Н.

Исследование №3 (практическое)

Вместе с преподавателем химии в ВГАВМ я создал смесь, которая очень похожа на кислотный дождь, в нее я добавил серную кислоту (w=5%, V= 20 ml), азотную кислоту (w=5%, V= 20 ml), сернистый газ также был пропущен через раствор.

Весь этот раствор был распылён над растением. Растение, над которым проводился эксперимент было помещено в светлое место. Но времени много не было, т.к. эти продукты могут впитываться в течении 2-3 недель, поэтому для ускорения биохимических процессов мы использовали фито-лампу и гиберелевую кислоту (которая для растений является гормоном роста, котрый ускоряет все процессы в организме растения). Гиберелевую кислоту мы ввели прямо в стебель растения шприцом (w=0,5%, V= 1 ml), этого должно хватить.

Так растение провело 3 дня, питаясь серой и азотом в больших количествах.

После 3 дней растение выросло на 3,5 см - это свидетельствует о том, что биохимические процессы в растении сильно ускорились, ведь за неделю оно могло вырастать на 1-1,5 см. На листьях растения появились желтые пятна, чернеющие с каждым часом, скорее всего это свидетельствует об избыточном содержании серы в нем. Но нас интересует, на сколько сильно это растение опасно для окружающей среды.

Для этого я обратился в НИИ прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии, где провели анализ корня. Результаты показали, что в корне растения концентрация нитрат ионов составляет 2031,60 мг/кг, а это почти в 40 раз выше, чем в растении, на которое кислотами не действовали. Массовая доля серы в корне составляет 5,4 промили, а это в 3 раза больше, чем в растении, на которое кислотами не действовали.

По результатам анализов ст. научный сотрудник и заместитель директора НИИ прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии Севрюк Иосиф Збигневич составил заключение: «Растение не может быть высаженным на дачных участках по причине - повышенного содержания серы (возможно загрязнение почвы токсичными отходами разложения серы). Так же почва, в которой росло растение была химически загрязнена нитратами - следовательно растение не может быль употреблено в пищу человеком и животными. Подробные результаты анализа приведены в положении №1.

ВЫВОД

Сальвия обыкновенная в народе называется шалфеем и используется в медицинских целях для полоскания горла. Но данное растение не может быть использовано ни в каких целях, ведь далее растение будет пытаться разложить серосодержащие органические вещества и выпустить их в почву и атмосферу, что будет пагубно влиять на растения рядом и не только.

Данное исследование показывает, на сколько может быть опасен кислотный дождь для всего живого. А ведь такой дождь может пойти на поле с шалфеем медицинским и его будет нельзя употреблять. Или такой дождь пойдет над картофельным полем и сотни людей будут отравлены. Такой дождь может пойти и над водоемом и люди, купающиеся там будут тоже отравлены, так как наша кожа получит большую дозу серы. Следовательно мы должны сделать все, чтобы обезопасить нашу планету. По результатам своих исследований я могу порекомендовать инженерам химических производств, ТЭЦ, ТЭС и иных химически вредных предприятий позаботиться об окружающей среде, постоянно мониторить выбросы в атмосферу, проверять исправность оборудования и качество сырья.

кислотный дождь защелачивание почвы

Защелачивание почвы. Определение защелачивания почвы

Защелачивание почвы - избыточное содержание в почве ионов кальция, натрия, калия, магния, которые повышают значение рН и неблагоприятно сказывается на росте и развитии растений по разным причинам.

Пример №2

Как известно в нормальной почве, где растут растения присутствует вода, в которой происходит гидролиз солей калия, натрия, кальция и магния создавая щелочную среду.

NaH2PO4 + HOH = H3PO4 + Na+ + OH- (pH до 12,0)

Такие процессы происходят со всеми солями щелочных и щелочноземельных металлов в водной среде.

Чем опано защелачивание почвы?

Как оно влияет на рост и развитие растения?

Какие виды профилактики защелачивания почвы существуют?

Как бороться с защелачиванием почвы?

Эти вопросы я поставил перед собой при проведении следующих исследований:

Исследование №4 (теоретическое)

Защелачивание почвы происходит по разным причинам: избыток щелочных удобрений, токсичные выбросы предприятий и другие.

Опасность защелачивания почвы в том, что аномально повышенный рН затупляет биохимические процессы в растении, так как щелочь разлагает жиры, белки, пептиды и другие вещества, участвующие в развитии и росте растения.

Для примера я покажу, как щелочь разлагает жиры и пептиды:

Влияние щелочной среды на сложный эфир, который придает запах орхидеям

Влияние щелочной среды на пептид, служащий ингибитором в шалфее (сальвии обыкновенной):

Таким образом мы доказали, что щелочная среда вредит растению, но ведь зачастую теория не всегда сходится с практикой, поэтому мы посмотрим, как защелачивание влияет на растение в природе.

Исследование №5 (практическое)

Щелочь в почве обнаружить легко, а вот в растении нет, для обнаружения щелочи в растениях используют как правило спектрофотометрию или же биохимические анализы на биохимическом анализаторе. Но нам это не нужно, ведь щелочная среда почвы повредит растение так, что это можно будет заметить и невооруженным глазом.

Для работы нам понадобится гидрокарбонат натрия и гидроксид натрия в молярном соотношении 10:1 объемом 25 мл, с концентрацией гидроксид ионов = 1 М. Так рН почвы составит приблизительно 12.3, что уже вредно для растения. Так же нам понадобится время, около 4-5 месяцев, чтобы увидеть, как будет изменяться рН почвы и посмотреть сможет ли растение побороть стихию.

В первые 2 недели растение никак не изменилось, а даже немного выросло [2].

Через месяц на растении появились черные точки, которые могут свидетельствовать о том, что ткани начинают потихоньку отмирать.

Через 2 месяца некоторые листы сгнили, некоторые пожелтели и скоро опадут, а на некоторых появились черные пятна, растение несильно увеличилось, ни один лист не остался нетронутым.

Через 3 месяца растение сильно увяло, перестало расти, а в середине 3 месяца растение погибло и начало гнить. Гниение говорит о том, что в растении появились бактерии, с которыми растение справится не смогло.

Из нашего исследования можно сделать вывод о том, что защелачивание почвы грозит вымиранием большинству растений в ней. Так же возможны мутации в семени растений из-за разложения ДНК и РНК в клетках растений под действием щелочи.

Из всех проведенных мной исследований можно сказать, что защелачивание безусловно вредно для почвы и растений, однако с ним можно бороться и даже очень эффективно. В борьбе с защелачиванием почвы главное - диагностика. Диагностировать защелачивание легко, достаточно лишь взять небольшой образец почвы, растворить его в дистиллированной воде, подождать приблизительно 5 минут, окунуть в раствор индикаторную бумагу, а после посмотреть приблизительное значение рН и сделать вывод.

Если рН повышен, причем значительно выше нормы нужно принимать меры, ведь существует много способов борьбы с защелачиванием:

1. Подкисление борной кислотой:

Борная кислота - уникальное вещество из-за своих амфотерных свойств. Она вступает в реакцию с гидрокид анионами:

Н3ВО3 + ОН- = Н2О + Н2ВО3- - происходит нейтрализация почвы. Минусы этого способа в том, что избыточное содержание бора повреждает растения, создавая ожоги на листьях.

2. Подкисление слабыми органическими кислотами:

Как пример можно взять уксусную кислоту, ведь она не сильно вредит растениям: CH3COOH + OH- = CH3COO- + H2O

Или лимонную кислоту, анионы которой могут благоприятно сказываться на росте и развитии растений:

3. Так же существует вариант подкисления почвы при защелачивании - это использование гранулированной серы (приблизительно 10 кг на га) однако результатов от данного способа стоит ждать более 2-х лет и некоторых случаях данный способ не является эффективным, так как избыточное содержание серы в почве вредит окружающей среде и самим растениям.

Итог

В своей работе я рассмотрел несколько способов загрязнения почвы, влияние неблагоприятных факторов отражено в моих исследованиях. Мои исследования могут помочь специалистам ТЭЦ, ТЭС, экологам в борьбе с выбросами вредных веществ. Так же способы доказывания факта того, что произошел кислотный дождь могут пригодиться Комитету Государственного Контроля Республики Беларусь, Государственному Комитету Следственно-судебных экспертиз Республики Беларусь. Ведь халатность на предприятиях, которые осуществляют выбросы в атмосферу карается по закону. Так же моя работа может помочь дачникам и начинающим фермерам в борьбе с защелачиванием почвы.

Размещено на Allbest.ru