Исследовательская работа "Подсказки природы»

муниципальное автономное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №211 им. Л.И. Сидоренко»

Секция «Экологическое краеведение»

Тема: «Подсказки Природы»

                                                    Выполнили: Кривопуст Андрей Владиславович

                                                                          Кривопуст Антон Владиславович

                                                                          9 «Б» класс МАОУ СОШ №211

                                                                          им.Л.И.Сидоренко Калининского

                                                                          района г.Новосибирска

                                                    Руководитель: Захода Наталья Викторовна

                                                    учитель биологии высшей квалификационной                     

                                                    категории

 Новосибирск, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

                                          Три клада у природы есть: вода, земля и воздух – три её основы.

                                                   Какая бы ни пришла беда –целы они –всё возродится снова.

Введение

В наше время проблема отношения человека к природе при­влекает к себе пристальное внимание. Тому есть важные причины. Возрастание научно-технического потенциала подняло на качественно новую ступень возможности человека по преобразованию окружающей его природной среды и откры­ло перед ним необычайные перспективы. В то же время во взаи­модействии человека с природной средой его обитания прояв­ляется все больше тревожных симптомов опасности, грозящей существованию планеты Земля и всего человеческого рода.

Почва – особое природное образование, обладающее рядом свойств, как  живой, так и неживой природы. К веществам,  загрязняющим почву,  относятся тяжелые металлы, источниками поступления которых,  являются промышленные предприятия, энергетические комплексы, транспорт, сельскохозяйственное производство.

 Опасные для жизнедеятельности живых организмов: ртуть, свинец, кадмий, таллий, бериллий. Тяжёлые металлы, скапливаясь на поверхности почвы, входят в состав глинистых минералов, дают собственные минералы, находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге и в газообразном состоянии в почвенном воздухе.

 Существует множество методик по оценке качества почвы. Мы выбрали один из самых доступных и интересных – метод фитоиндексации. Использование растений, чутко реагирующих на химический состав и другие качественные характеристики почвы, в настоящее время очень много. Нам подошел  доступный для  исследования фитоиндикатор – кресс-салат.

Важным фактором  являлось то, что семена кресс-салата прорастают  быстро.

В связи с чем перед собой мы поставили следующую цель: показать экологическую обстановку соседних районов города Новосибирска, используя метод фитоиндексации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-  изучить биологические особенности растений кресс-салата;

- узнать об источниках загрязнения почвы тяжелыми металлами;

- взять пробы почвы в экологически чистых местах и предполагаемых  местах загрязнённости и изучить влияние данных почв на прорастание кресс-салата;

- выяснить, как влияет содержание в почве свинца на рост проростков.

Для решения поставленной цели определена гипотеза: возможно, что в почве, близко расположенной к автомобильной дороге или вблизи промышленных предприятий, находится большее количество соединений тяжёлых металлов (свинца), чем в какой-либо другой почве.

Для реализации поставленной  цели мы выделили следующие этапы работы:

- поиск литературы на данную тему;

- обработка литературных источников;

- сбор образцов почв в Заельцовском и Калининском районах города Новосибирска;

- проведение практикум-исследование:  «Кресс-салат как биологический индикатор загрязнения почвы»;

- обработка результатов исследования и выводы;

Актуальность данной темы заключается в том, что развитие городов, особенно крупных, неизбежно приводит к обострению экологической ситуации, ухудшению условий жизни горожан. Но и отказаться от жизни в городах человечество в ближайшем будущем не сможет. Поэтому так важно знать проблемы города и  вовремя находить пути их решения.

Глава 1

1.1.          «Там на неведомых дорожках…»

или пути попадания загрязнений в почву

Деятельность человека оказывает значительное влияние на состояние литосферы. При этом наибольшую антропогенную нагрузку испытывает её поверхностный слой – почва.

По оценкам специалистов, наряду с зелёными насаждениями почва – один из главных природных компонентов, поддерживающих необходимое для сохранения здоровья человека состояние окружающей среды. «Живые» почвы поглощают и утилизируют 70-80% окиси углерода и 80-85% диоксида серы. Почва служит естественным фильтром загрязнений, поступающих на её поверхность с атмосферными осадками, а также из других источников. Однако в настоящее время в городах практически не осталось «живых» почв. Их повсеместно заменили урбанозёмы. 

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

1. С атмосферными осадками: многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и  с осадками выпадают 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: твёрдые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать вокруг котельных зимой -  снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, 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 растительным 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 (биологический круговорот веществ).

1.2.          Классификация почвенных загрязнений

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление даётся 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 твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.

2. Тяжёлыми металлами: данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к  накоплению в организме. Наиболее распространённое автомобильное топливо - бензин - содержит очень ядовитое соединение, содержащее тяжёлый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжёлых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Cd (кадмий), Cu (медь), Cr (хром), Ni (никель), Co (кобальт), Hg (ртуть), As (мышьяк), Mn (марганец).

3. Пестицидами: эти химические вещества в настоящее время широко используются 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. Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли.

4. 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.

 Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса, попадает в окружающую среду антропогенным путём: в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы и т. д.

1.3. «Враг невидимка»

 Вопрос о загрязнении почвы свинцом изучается  давно. Загрязнение тяжёлыми металлами, очевидно, начало заметно воздействовать на природу и человека, когда начался бурный рост промышленности. В 20 веке в  Новосибирске активно развивались почти все источники загрязнения тяжёлыми металлами, и рост загрязнения почв металлами напрямую определялся ростом их числа. Люди сами стали творцами и свидетелями отрицательных изменений в природе.

Содержание свинца в почвах населенных пунктов значительно более высокое. Увеличение содержания свинца в почве, как правило, но не всегда, ведет к его накоплению растениями,  как на незагрязненных почвах, так и  в почвах естественных геохимических аномалий.

Кислый почвенный раствор - отличная среда для перевода трудно растворимых солей металлов в форму, доступную для растений. В силу этого, растения - начальное звено пищевой цепи - накапливают в себе токсичные для всего живого большие дозы металлов. Чем больше кислотность, тем больше свинца, кадмия, ртути накапливается в почве, растениях и животных.

Более высокие концентрации свинца (до 1000 мк/гк) характерны в окрестностях металлургических предприятий, рудников по добыче полиметаллов и главным образом вдоль автострад.

Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют, и ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать 100 - 150 м. Лесные полосы вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой насаждений. В сухую погоду происходит накопление свинца на поверхности растений; после обильных дождей значительная часть (до половины) смывается, попадая в почву.

 «Не надо изобретать велосипеда, но не надо и забывать

о его существовании, пользуясь сверхскоростной техникой».

Глава 2.

Подсказки Природы

2.1. Природный эколог

Кресс-салат — однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей.

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, кювета, поддон и т. п.). Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на второй – третий  день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10—15 суток.

Кресс-салат, на самом деле, никакой не салат - на название растения повлияло только внешнее сходство листиков. Это однолетняя культура из семейства Крестоцветных.

Кресс-салат когда-то был одним из древнейших овощей, потребляемых человеком. Он был хорошо известен в Египте, Греции, Римской империи нашей эры, но широкое распространение в Европе получил только в XVIII веке.

Кресс-салат содержит большое количество железа, кальция, фолиевой кислоты, а также витамины группы В. Богато растение витаминами С, Д, Е, К, провитамином А (каротином). В листиках кресс-салата много йода, необходимого для нормальной работы щитовидной железы, а также серы, полезной для волос и кожи.

Кроме того, ученые доказали, что ежедневное употребление кресс-салата существенно уменьшает повреждение ДНК кровяных клеток и снижает риск развития онкологических заболеваний. Кресс-салат способствует повышению уровня содержания в крови лютеина и бета-каротина (эти вещества уменьшают вероятность развития глазных болезней).

В европейской кухне кресс-салат чаще всего используют в сыром виде: так, в Германии, его добавляют в пресные салаты для придания остроты, молодые листочки кладут на бутерброды с мясом, рыбой. На Востоке его принято бланшировать и поливать маслом. В Китае кресс-салат подают с сахаром.

2.2. Технические требования проведения эксперимента

Прежде чем ставить эксперимент по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата, партию семян (предварительно приобретенную в магазине семян), предназначенных для опытов, мы проверили на всхожесть. Процент проросших семян, от числа посеянных называется всхожестью. В нашем случае всхожесть - 94 % семян в течение 1-2 суток (из 300 семян проросло 283). Норма прорастания семян 90-95%.

Для прорастания семени необходимы: вода, тепло, воздух и свет. Вода необходима для набухания семени и разрыва кожуры, превращения питательных веществ в растворимое состояние. Благодаря холодостойкости культуры семена кресс-салата начинают прорастать при температуре +5°С. Однако, при данной температуре могут появляться только единичные всходы. Оптимальной для прорастания семян кресс-салата считается температура воздуха +15-20°С, что соответствует оптимальной температуре большинства холодостойких культур (Я.Х. Пантиелев, 1979, А.Н. Ансин, 1983, В.П. Переднев, Е.А. Стельмашок, 1996). Доступность воздуха – ещё одно условие, необходимое для прорастания семени. Полностью погруженные в воду семена через 2-3 дня набухают, но не прорастают и, в конце концов, загнивают, поскольку им не был доступен воздух. У прорастающих семян дыхание усиливается и возрастает потребность в кислороде. Потребность разных растений в свете неодинакова. Кресс-салат является культурой длинного дня. Он плохо переносит затенение и загущение посевов. Однако для получения высокого урожая наиболее благоприятным является 10-12 часовой день (Н.С. Богданова, Г.С. Осипова, 1988).
      После определения всхожести семян мы приступили к проведению эксперимента.

2.3.  Лаборатория вопросов и ответов

или «Верь глазам своим!»

С давних времен живет в нас вера в чудодейственную силу растений раскрывать самые заветные тайны природы. В далеком прошлом жизнь каждого человека зависела от умения приспособиться к окружающей природе, от знания законов произрастания растений, обитания животных. Проходят тысячелетия. И сведения, проверенные многими поколениями. Превращаются в наставления, поучения, сказки. И чем дальше от конкретных наблюдений отходят сказители, тем интереснее и занимательнее становятся их рассказы.

В наш век научно-технической революции зависимость от природы стала несоизмеримо меньшей. Большинство людей проживает в городах или крупных населенных пунктах. Мы научились управлять многими природными явлениями. Но получив власть над природой, мы теряем способность ее понимать в той мере, как наши предки.

Динамичность нашей природной среды столь велика, что сколько бы мы не устанавливали стационаров для наблюдений за стихийно-разрушительными процессами, за вечно меняющейся погодой, уловить происходящие изменения вокруг нас мы можем с помощью приборов лишь в отдельных точках. А знать об этих изменениях нужно. И вот как индикаторы процессов, проходивших в прошлом, в пределах столетий и даже тысячелетий, растения незаменимы. Еще римляне в судебной практике использовали правило: «Один очевидец больше стоит, чем десять только слышавших». Перефразировав, мы и решили провести наш эксперимент с помощью природного индикатора.

1. Взяли  одноразовые чашки и заполнили до половины исследуемым субстратом (образцы почвы, взятые из разных мест).

Новосибирск:  лесная зона «Соснового бора» и Заельцовского парка, территория  у заводов: «Экран», «НЗХК», обочина автомобильной дороги по улице  Фабричной у завода  «Химпласт».

2. В отдельную чашку положили заведомо чистый субстрат, который будет служить в качестве контроля по отношению к исследуемому материалу.

3. Субстраты во всех чашках увлажнили одним и тем же количеством отстоянной водопроводной воды до появления признаков насыщения.

4. В каждую чашку на поверхность субстрата укладывали  по 50 семян кресс-салата. Расстояние между соседними семенами старались сделать по возможности одинаковым.

5. Покрыли семена теми же субстратами, насыпая их почти до краев чашек, и аккуратно разровняли поверхность.

6.Увлажнили верхние слои субстратов до влажности нижних.

7. В течение 10—15 дней наблюдали за прорастанием семян, поддерживая влажность субстратов примерно на одном уровне.

8. Результаты наблюдений записывали в таблицу.

Результаты наблюдений (Новосибирск)

1.Загрязнение отсутствует в пробах почвы, взятых из лесной зоны парка «Сосновый бор». Всхожесть семян достигает 96%  (норма 90 – 100 %). Всходы дружные, проростки крепкие, ровные.  Парку в 2016 году исполнилось 40 лет, въезд на территорию на автомобилях ограничен. На входе  предлагается парковка для машин.

2.           Слабое загрязнение имеется в пробах почвы, взятых на  территории Заельцовского парка. Всхожесть 88% (60 —90%). Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные. Заельцовскому парку в 2012 году исполнилось 80 лет, на его территории долгое время был свободный въезд на автомашинах, лишь в последнее время там ограниченное движение по лесу, стоят ограждения (только по асфальтированной трассе).

3.           Сильное загрязнение в пробах почвы, взятых  у завода «Экран» 10%.  Всхожесть семян очень слабая % (менее 20%).

4. Наиболее загрязнены почвы завода НЗХК 6%  и  почва с обочины улицы Фабричная (з-д  Химпласт) 6%.     

На основе анализа данных, полученных после проведения исследования, мы сделали следующие выводы:

1.  В почвенных пробах высокое содержание нефтепродуктов, солей тяжелых металлов, что могло привести к гибели зародыша семян, а те проростки, которые появились, отличались слабым развитием корневой системы, замедленным ростом и искривленностью побегов.

2.  Выявлено, что загрязнение почв  Новосибирска  распределяется по территории города мозаично, образуя очаги в зависимости от источников выбросов.

3.  Экология Новосибирска  во многом связана с двумя важнейшими проблемами: загрязнением почв и радиационной обстановкой.

Заключение

В послевоенные годы шло усиленное развитие индустрии. Новосибирск был  в центре этого процесса. Промышленное освоение велось в такой ситуации, когда господство над природой выступало непременным условием социальных и экономических успехов.

Сама нормативная база по охране окружающей среды продолжает быть несовершенной. Критерием служат предельно допустимые концентрации веществ в воздухе или воде. ПДК рассчитаны применительно к организму человека и не учитывают, как правило, воздействия на растительный и животный мир. Не учитывают эффект не только суммирования различных веществ, но и наложения выбросов одного и того же вещества с разных производств.

Фитоиндикация является прикладным направлением многих современных научных направлений. И было бы, вероятно, излишним связывать ее лишь с одним. Итак, чем же может быть полезна фитоиндикация современному человеку?

 Трудно даже перечислить все возможности фитоиндикации. По цветам на подоконниках мы можем сразу же определить и микроклимат комнаты, и привычки хозяев  к проветриванию. А по деревьям – долгожителям узнать климатические условия на протяжении веков целых стран. Одно дерево ивы, зеленеющее среди полупустыни, укажет на колодец с близким залеганием вод.

Можно и дальше приводить примеры, но мы использовали фитоиндикатор для выявления фактора среды, скрытого от наблюдателя, но быстро распознаваемого с помощью видимой растительности. В нашем случае культурного растения.

Понятно, что где факторы  среды постоянны, можно обойтись и без применения фитоиндикаторов. Но в неизвестных местах, там, где еще остались «белые пятна» и человек не может выяснить интересующее с помощью технических средств, растения-индикаторы как раз и нужны.

Справка:

Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200 - 5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тысячи лет, вся углекислота - за 300 - 395 лет.

Ученые подсчитали, что до XVIII века человечество использовало лишь 12 элементов таблицы Менделеева: углерод, свинец, олово, ртуть, серебро, медь, серу, золото, железо, мышьяк, сурьму, фосфор. В XVIII веке их стало 37 - добавились платина, никель, цинк, водород, азот, марганец, титан. В XIX веке было открыто, изучено и использовалось в хозяйстве, а, следовательно, вовлечено в биогеохимический круговорот, уже 75 элементов. Сейчас известно свыше 100 элементов и более сотни изотопов, количество которых все увеличивается.

Зная все это решать только нам!

Литература

1.     Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агронромиздат, 1987г.

2.     Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений/ ОюПюМелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева. М. Издательский центр «Академия», 2008г.

3.     Волобуев В.Р. Экология почв. - Баку, 1963.

4.     Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. - Новосибирск: Наука, 1991.

5.     Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001.

6.     Казахстан: 1991-2002 годы. Информационно-аналитический сборник. Агентство Республики Казахстан, но статистике. - Алматы: ТОО «Интеллсервис», 2002.

7.     Ковальский В.В. Геохимическая экология. - М.: Колос, 1974. 14. Ковда В.А. Проблемы защиты почвенного покрова и биосферы планеты. - Пущино, 1989.

8.     Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. - М., 1988.

9.     Почва, город, экология / Под. ред. Г.В. Добровольского - М.: Фонд «За экономическую грамотность», 1997.

10. Строганова М.Н. Роль почв в городе / М.П. Строганова, А.Д. Мягкова, Т.В.Прокофьева//Почвоведение. 1997.

11. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова - М.: Изд- во МГУ, 1995.

12. Интернет-ресурсы