Исследовательская работа "Изучение влияния антигололедных реагентов на объекты окружающей среды"

Министерство образования, науки и молодёжи Республики Крым

Муниципальное казённое учреждение управления образования администрации Сакского района Республики Крым

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

 «Уютненская средняя школа-гимназия» Сакского района Республики Крым

Республиканский конкурс «Исследовательский старт»

Секция: Общие экологические проблемы

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АНТИГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ

НА ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Работу выполнила:

Ватутина Анастасия Васильевна,

ученица 7-А класса

МБОУ «Уютненская

средняя школа-гимназия»

Сакского района Республики Крым

Руководитель работы:

Воеводина Ирина Владимировна,

учитель начальных классов

МБОУ «Уютненская

средняя школа-гимназия»

Сакского района Республики Крым

Уютное - 2020
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….……………. 3

Обзор литературы…………………………………………………………………..5

1.1.         Общая характеристика антигололедных реагентов………………….5

1.2.         Влияние антигололедных реагентов на окружающую среду……….7

1.3.         Состав и свойства почвы……………………………………………....9

1.4.         Загрязнение почв………………………………………………….…..12

Материалы и методы исследования……………………………...…….19

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………..…….21

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………………....23

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………………24

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения безопасности движения на дорогах, тротуарах, автобусных остановках и пешеходных переходах снег посыпают специальными реагентами, чтобы снег не превращался в лед, и не было скользко машинам и людям. Снег с антигололедными веществами вывозят на полигоны хранения, но не весь, часть грязного снега остается на газонах.

Как только речь заходит об антигололедных реагентах, пешеходы начинают жаловаться на испорченную верхнюю одежду и обувь, водители вспоминают грязь, летящую из-под колес, и изъеденные коррозией кузова, ветеринары - своих пациентов, у которых от переизбытка солей на дорогах и тротуарах повреждается кожа лап из-за химических ожогов.

Цель нашей работы – изучить влияние антигололедных реагентов на объекты окружающей среды.

Мы поставили перед собой следующие задачи:

·             изучить литературу по данному вопросу;

·             заложить пробные площадки и собрать пробы снега и почвы;

·             провести эксперимент путем использования собранных образцов;

·        определить степень влияния исследуемых образцов на тест-объекты;

·        определить качественное наличие хлоридов в собранных образцах;

·             сравнить полученные данные и сделать выводы.

Актуальность данной исследовательской работы состоит в том, что антигололедные реагенты не так уж и безобидны и применение их может принести существенный вред окружающей среде.

Как показали результаты многочисленных исследований, на сегодняшний день не существует практически экологически чистых антигололедных реагентов. В их состав могут входить более 15 веществ и практически все они в той или иной степени могут оказывать негативное воздействие не только на окружающую среду. Одна из основных проблем состоит в том, что реагенты часто используются без соблюдения гигиенических норм и необходимых технических условий. В этом состоит практическая значимость работы.

Нами были использованы следующие методы исследования:

·Эксперимент;

·Наблюдение;

·Сравнительный анализ полученных данных.

Объектом нашего исследования стал почвенный покров различных участков села. Предмет исследования - загрязненность почв антигололедными реагентами.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая характеристика антигололедных реагентов

Антигололедные материалы предназначены для обработки в зимнее время дорог и улиц в целях предотвращения образования ледового покрытия или для удаления льда (снега).

Антигололедные реагенты – необходимость для нашей страны, для которой характерны длинный зимний период с отрицательными температурами, суровые холода, резкие перепады температур, оттепели и заморозки.

Противогололедные средства, которые используются для препятствия обледенению, условно подразделяются на:

1. Природные противогололедные реагенты:

- техническая соль (NaCl) или минеральный галит. Составы очень доступны, просты в применении, отличаются низкой стоимостью. Являются самыми распространенными антигололедными реагентами.

- песок - также дешевое, очень доступное средство, используется совместно с технической солью (составы смешиваются в определенной пропорции). Полученная песко-соляная смесь (пескосоль) достаточно эффективна.

- гранитная крошка, представляющая собой гранитный щебень очень мелкой фракции (размер зерен составляет около 4-5 мм.). наиболее часто такой реагент используется для посыпания тротуаров и автомобильных дорог. Также может использоваться при смешивании с технической солью - в данном случае соль способствует растапливанию снега и льда, а крошка эффективно препятствует скольжению.

2. Химические противогололедные реагенты:

- хлористый кальций: наиболее эффективный реагент, быстро устраняющий скользкость дорог. Эффективен при температурах до - 30-35 0С, не оставляет следов на асфальте, не разрушает бетонные покрытия. Хлористый кальций натрий (айсмел) - экономичный в использовании противогололедный реагент, также не оставляющий на асфальте следов и не оказывающий вредного воздействия на окружающую среду.

- хлористый магний MgCl₂ (бишофит, биомаг) - реагент, являющийся не токсичным для людей и животных материалом, великолепно справляется с наледью, не оставляет на асфальте следов.

1.2. Влияние антигололедных реагентов на окружающую среду

С тех пор, как автомобили и общественный транспорт стали частью нашей жизни, антигололедные реагенты прочно вошли в наш быт. Одним из самых распространенных и привычных нам с детства способом устранения скользскости в ХХ веке было применение песка, технической соли или их смеси – что, к сожалению, нередко используется и в наши дни. К сожалению – потому что эти вещества оказывают негативное воздействие на окружающую нас среду и приводят к весьма печальным, хотя подчас и незаметным на первый взгляд последствиям.

При всей простоте обработки дорожных покрытий соляной, песчаной или песко-соляной смесями и дешевизне этих материалов, ущерб значительно превышает суммы, которые кажутся очевидными. В ряде регионов используют гранитную или мраморную крошку, этот метод также имеет отрицательные стороны и сейчас, к счастью, уже изживает себя.

Существует распространенное мнение, что техническая соль – самый дешевый по цене антигололедный реагент. Но давайте рассмотрим этот вопрос с точки зрения фактов.

Как только наступает поздняя осень, и земля начинает подмерзать, начинаются проблемы с гололедом. Повышается риск аварий, несчастных случаев – не говоря уже о элементарном неудобстве передвижения. Дабы исправить ситуацию, территории начинают посыпать солью или песком. Песок добавляется в соляную смесь еще и потому, что соль практически не воздействует на снег, когда температура доходит до -10° С или опускается еще ниже. При таких условиях соль не разъедает лед, а, напротив, сама застывает. В итоге вместо нескользящей дороги получается настоящий каток.

Чтобы избежать гололеда в таких ситуациях, в соль добавляют упомянутый ранее простейший антигололедный реагент - песок: он хорошо противодействует скольжению даже при весьма низких температурах. Но при этом применение песка приводит к сильному загрязнению дорог, что становится особенно заметным весной, когда снежные массы начинают таить. Параллельно происходит засорение ливне-стоковых систем, так как вместе со снежными ручейками в канализацию попадает большое количество песка и мелкого гравия.

Но это не единственные недостатки такого метода. Использование соли вызывает зачастую серьезному засолению водоемов и почвы. Попадая на землю вместе со снегом, сливаясь вместе с талыми водами в водоемы, соль убивает живые микроорганизмы, растительность и отравляет почву, тем самым необратимо пагубно влияя на окружающую среду. Регулярное использование этого вещества может довести до гибели растений и, следовательно, животных в определенных ареалах и способствовать техногенной катастрофе. На исправление складывающейся в результате столь необдуманных действий картины уходят порой не годы, а десятилетия, так как восстановление живой природы – это очень длительный процесс.

Такие антигололедные реагенты, как соль и песок, имеют серьезные недостатки и с точки зрения воздействия на предметы нашего быта. Высокий уровень коррозии от воздействия соли приводит к разъеданию металла, в первую очередь от этого страдают автомобили и общественный транспорт, рельсовые пути и, конечно же, стальные коммуникации городской инфраструктуры – канализационные трубы, электрокабель, инженерные сети и т.д. Соль агрессивно воздействует и на кожаные и меховые изделия, в следствие чего значительно скорее приходит в негодность обувь.

1.3. Состав и свойства почвы

Поверхностный слой земной коры, который возникает в результате воздействия биосферы и атмосферы на литосферу и обладает плодородием, называется почвой. Первое научное определение почвы дал основоположник почвоведения В. Докучаев: «Почвой следует называть «дневные», или наружные, горизонты горных пород, естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых».

Почва располагается на поверхности литосферы. Но было бы неправильным относить ее к минеральным образованиям, так как среди составных частей почвы содержатся растительные и животные организмы, находящиеся в ней постоянно. Нельзя считать почву и продуктом только деятельности растительных и животных организмов. Почва является особым естественноисторическим образованием, самостоятельным природным телом, и находится в беспрерывном изменении во времени и пространстве. Это природное тело, очень сложное по составу, обязано своим существованием взаимодействию факторов почвообразования. [2]

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной.

Твердая фаза почвы содержит минеральные и органические вещества. У большинства почв (исключая торфяники) минеральная часть, образованная в результате длительного разрушения и выветривания различных горных пород и минералов, преобладает над органической. Твердая фаза состоит из частиц различной величины, начиная от камней и кончая частицами меньше 0,0001 мм. Содержание именно этих частиц определяет так называемый механический состав почвы, т. е. принадлежность почвы к пескам, суглинкам или глинам. [5]

В зависимости от содержания в почве мелких (глинистых) или более крупных (песчаных) частиц почвы делятся на легкие (песчаные, супесчаные, легко- и среднесуглинистые) и тяжелые (тяжелосуглинистые и глинистые) .

Жидкая часть почвы, или почвенный раствор, - вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями. Воды в почве содержится от долей процента до 40-60%. Жидкая часть участвует в снабжении растений водой и растворенными элементами питания.

Газообразная часть, почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Почвенный воздух содержит больше углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный воздух, а также метан, летучие органические соединения и др. [5]

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли), представителей беспозвоночных (простейших, червей, моллюсков, насекомых и личинок), роющих позвоночных. Они обитают в основном в верхнем слое почвы, около корней растений, где добывают себе пищу.

Почва содержит макроэлементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо и др.) и микроэлементы (бор, марганец, молибден, медь, цинк и др.), которые растения потребляют в небольших количествах. Их соотношение и определяет химический состав почвы. [5]

Из физических свойств почвы наибольшее значение имеют влагоемкость, водопроницаемость, скважность и теплоемкость.

Влага необходима для прорастания семян, без нее невозможны последующий рост и развитие растения. С водой в растение из почвы поступают питательные вещества, испарение воды листьями обеспечивает нормальные температурные условия жизнедеятельности растения. Влагоемкость почвы – величина, количественно характеризующая водоудерживающую способность почвы; способность почвы поглощать и удерживать в себе от стекания определенное количество влаги действием капиллярных и сорбционных сил.

Способность почвы воспринимать и пропускать воду из верхних горизонтов в нижние называется водопроницаемостью. В процессе водопроницаемости различают впитывание и ее фильтрацию (просачивание). Впитывание — это поступление воды в почву, не насыщенную влагой; фильтрация же начинается с момента, когда большая часть пор почвы данного слоя заполнена водой. Водопроницаемость измеряется количеством влаги, поступавшей в почву с ее поверхности. В первый период она обычно очень велика, затем уменьшается и к концу фильтрации становится постоянной.

Водопроницаемость зависит от механического состава, наличия перегнойных веществ и структурности почвы. Наилучшее просачивание воды у песчаных почв, худшее — у глинистых. Водопроницаемость почв структурных выше, чем бесструктурных.

Порозность, или скважность, — суммарный объем всех пор и промежутков между твердыми частичками и комочками почвы в единице ее объема в ненарушенном состоянии. Та часть скважности почвы, которая заполнена воздухом, называется скважностью аэрации (поры аэрации).

Поскольку воздух в почве находится в той части пор, которая не занята водой, то становится очевидным, что, чем выше влажность почвы, тем меньше в ней воздуха, необходимого для дыхания корней и жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Принято считать, что при 15% содержания воздуха в почве снабжение корней растений и микроорганизмов кислородом воздуха затруднено, а при содержании 8% и ниже снабжение кислородом прекращается, корни у мезофитов начинают отмирать, развиваются процессы оглеения грунта. [2,5]

1.4. Загрязнение почв

Различные почвенные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику поступления этих загрязнений в почву:

1) C атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и осадками попадают в почву. Это, в основном, газы-оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер.  Таким образом и образуются кислотные дожди.

2) Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в селах и около дорого, вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений.

3) При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

4) С растительном опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву. [7]

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление дается по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

1) Мусором, выбросами,  отвалами, отстойными породами. В эту группу входят различные по характеру загрязнения смешанного характера, включающие как твердые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой пощади.

2) Тяжелыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжелые металлы нередко обладают высокой токсичностью  и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространённое автомобильное топливо – бензин – содержит очень ядовитое соединение – тетраэтилсвинец, содержащие тяжелый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжелых металлов, соединение которых загрязняют почву, можно назвать Cd (кадмий), Сu (медь), Сr (хром), Ni (никель), Co (кобальт), Hg (ртуть), As (мышьяк), Mn (марганец).

3) Пестицидами. Эти химические вещества в настоящее время широко используется  в качестве средств борьбы с  вредителями культурных растений и поэтому могут находиться в почве в значительных количествах. По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Именно по этой причине был запрещён для использования препарат ДДТ (дихлор-дифенилтрихлорметилметан), который является не только высокотоксичным соединением, но, также, он обладает значительной химической стойкостью, не разлагаясь в течение десятков (!) лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде. Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли. [8]

4) Микотоксинами. Данные загрязнения  не являются антропогенными, потому что они выделяются некоторыми грибами, однако, по своей вредности для организма они стоят в одном ряду с перечисленными загрязнениями почвы.

5) Радиоактивными веществами. Радиоактивные соединения стоят несколько обособленно по своей опасности, прежде всего потому, что по своим химическим свойствам они практически не отличаются от аналогичных не радиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы, встраиваясь в пищевые цепочки. Из радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один наиболее опасный - ⁹⁰Sr ( стрронций-90). Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении(2-8%), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а, значит, способность откладываться в косных тканях животных и человека, относительно высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. ¹³⁷Cs (цезий-137), ¹⁴⁴Ce (церий-144) и ³⁶СL (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами. Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путём: в процессе производства и испытания ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы. [6,8]

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Приборы и оборудование:

Стеклянная воронка диаметром 80-100 мм; конические колбы объёмом                        300-400 мл; пластиковые цилиндры; обычные пробирки из белого прозрачного стекла - 5 шт.; раствор AgNO₃, НNO₃, весы с разновесами; фарфоровая ступка с пестиком; одноразовые тарелки; фильтровальная бумага, секундомер.

Исследуемые образцы снега и почвы:

№ 1 – улица Садовая;

№ 2 – улица Евпаторийская;

№ 3 – улица  Кирова.

Период времени, в который проводились исследования, – с 10 января по 30 апреля 2019 года.

Методы исследования:

·Эксперимент;

·Наблюдение;

·Сравнительный анализ полученных данных.

1. Качественное определение кислотности почвы

Степень кислотности, или щелочности, почв оказывает большое влияние на развитие корней и поступление питательных веществ в растение.

Ход работы:

1. Образец грунта тщательно растереть в фарфоровой ступке.

2. Взвесить 25 г подготовленной почвы.

3. Перенести взвешенную почву в колбу объемом 200 мл.

4. Налить в колбу 50 мл дистиллированной воды.

5. Содержимое колбы тщательно взболтать и дать постоять 10 минут.

6. Профильтровать раствор в колбу объемом 100 мл.

7. Определить рН раствора с помощью универсального индикатора.

2. Изучение загрязненности проб почвы с помощью тест-объекта

Ход работы:

1. В емкости помещаются образцы почвы.

2. В каждую емкость высевается 100 семян кресс-салата.

3. Измерения проростков производятся через каждые 2 дня.

В зависимости от всхожести семян образцам присваивают один из четырех уровней загрязнения:

1) Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

2) Слабое загрязнение. Всхожесть 60-90%. Проростки нормальной длины, крепкие, ровные.

3) Среднее загрязнение. Всхожесть 20-60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые имеют деформации.

4) Сильное загрязнение. Всхожесть очень слабая (меньше 20%). Проростки мелкие и уродливые.

3. Качественное определение хлоридов

Ход работы:

1. В пробирку налить 5 мл фильтрата водной вытяжки.

2. Добавить 5 капель раствора HNO₃ (w = 0,1).

3. Каплями добавить раствор AgNO₃ (0,1 н.)

4. Наблюдать изменения, происходящие в растворе.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения экологического состояния почвенного покрова было заложено 3 пробных площадки размером 5х5 м, на которых в январе отбирались по 3 смешанные пробы снега с поверхности и глубины 5 см и 10 см, а в марте-апреле по 3 смешанные пробы почвы. В качестве контроля использовали отстоянную водопроводную воду и почву из домашнего палисадника.

Для качественного определения кислотности почвы была приготовлена вытяжка из проб почвы опытных площадок. Среднее значение рН=6. Почва на исследуемой территории имеет слабокислую реакцию.

При добавлении к образцам фильтратов водной вытяжки почв нескольких капель азотной кислоты, а после – нитрата серебра наблюдаем в образцах №2 и №3 выпадение белых хлопьев. В образце № 1 осадок не выпадает, но раствор мутнеет.

Биотестирование экологического состояния проводили методом постановки опыта с проростками. В качестве тест-объекта использовались семена кресс-салата.

Среднее загрязнение почвенного покрова антигололедными реагентами наблюдается на пробных площадках №2 (ул. Евпаторийская) и №3 (ул. Кирова). Это проявляется в малом количестве проросших семян, затягивании периода между посевом и всходами растений. В пробе почвы и талой воды с площадки №2 прорастание семян зафиксировано на 3 суток позже, чем в контрольном образце. В пробе талой воды процент прорастания семян кресс-салата составляет 32%, в пробе почвы с этой же площадки – 40%. На площадке №2 в пробе талой воды процент прорастания семян кресс-салата составляет 41%, в пробе почвы с этой же площадки – 48%. До конца наблюдений прослеживалось отставание в росте и развитии растений. Это объясняется высоким уровнем транспортной нагрузки на пробных площадках и большим количеством используемых антигололедных реагентов.

На пробной площадке №1 (ул. Садовая) состояние почв более благоприятные. Всхожесть семян в талой воде зафиксирована на второй день после посева, достигает 64%. Семена, высеянные на образцы почвы собранной у тротуаров улицы тоже взошли на второй день, но процент проросших семян выше – 76%. Это объясняется невысоким уровнем обработки антигололедными реагентами  данных территорий. Почва имеет слабое загрязнение.

Результаты эксперимента с проростками отражены в диаграмме 1.

Диаграмма 1

Влияние антигололедных реагентов на тест-объект

Результаты эксперимента убедительно свидетельствуют о том, что загрязнение почвы остатками антигололедных реагентов негативно сказываются на состоянии почвенного покрова на улицах поселка. (Приложения 1-9)

ВЫВОДЫ

1.     Зеленая зона нашего села после снегопадов и гололеда подвергается активному загрязнению антигололедными реагентами.

2.     Анализ растворов проб почвы с помощью универсального индикатора показал, что среднее значение рН=6, следовательно, почва является слабокислой.

3.     В образцах №1 и №2 выпадение белых хлопьев свидетельствует о наличии хлоридов в десятой доли процента, в образце №3 наблюдалось помутнение, что говорит о наличии хлоридов в сотых долях процента.

4.     Эксперимент с использованием тест-объекта показал, что пробы, взятые на улице Кирова и на улице Евпаторийской имеют среднее загрязнение, а пробы почвы, взятые на улице Садовой – слабое загрязнение.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.     Воронцов А.И., Николаевская Н.Г. Вопросы экологии и охраны окружающей среды. К.: Высшая школа, 1986 г.

2.     Добровольский Г.В., Гришина Л.А. Охрана почв. М.: Изд-во Моск. университета, 1985 г.

3.     Докучаев В.В. Разбор главнейших почвенных классификаций. Избр. соч., Т.3. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1949 г.

4.     Камерилова Г.С. Изучаем экологию города. – Н.Новгород: Изд-во Волго-Вятской академии государственной службы, 1996.

5.     Карамова Е.Н., Терешкин А.В. Оценка пригодности почвогрунтов урбанизованной среды // Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития. - Тюмень: Тюменский издательский дом. - 2009. - Вып. 4.

6.     Материалы семинара по биоразнообразию Сакско-Евпаторийского региона, Симферополь, 2000 г.

7.     Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. К.: Высшая школа, 1986 г.

8.     Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв/ Ред. Д.С. Орлова, В.Д. Василевской. М.: Изд-во Моск. университета, 1994 г.

9.     Скачано с www.znanio.ru