Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
лицей № 179 Калининского района Санкт-Петербурга
Химический анализ и биотестирование листьев березы как показатель качества окружающей среды
ИСПОЛНИТЕЛИ: учащиеся
10 А класса
Арцимович Виктория
Оганнисян Анна
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
К .б. н. Обуховская
Анна Соломоновна
2013-2014
Введение
В литературе приводятся следующие данные, характеризующие способность зеленых насаждений оздоровлять воздушную среду. Так, один гектар леса в течение года очищает от пыли и многих вредных примесей более 5 млн. м3 воздуха; деревья и кустарники , произрастающие на площади 1 га улавливают за сезон 60 т пыли. Очищая от пыли воздух, деревья и кустарники собирают ее, главным образом, на своих листьях. Поэтому изучение содержания пыли на листве деревьев из различных мест может дать ценную информацию о чистоте воздушной среды. (1)
Ряд растительных организмов могут служить индикаторами качества окружающей среды , что определяется их способностью реагировать на изменения внешней среды, в том числе за сравнительно небольшой промежуток времени. (2)
Чрезвычайно интенсивное развитие промышленности и транспорта приводит к значительному ухудшению экологического состояния среды. Большое число вредных веществ попадают в атмосферу, что отрицательно влияет на состояние здоровья людей. Например, углеводороды, входящие в состав выхлопных газов, раздражают дыхательные пути, приводят к нарушению кровеносной и центральной нервной системы, почек, печени, щитовидной железы, вызывают злокачественные новообразования. (3)
Поэтому так важно исследовать качество окружающей среды, в том числе и с помощью методов биоиндикации, химического анализа. Это в свою очередь поможет проводить профилактику ряда заболеваний и своевременно проводить мероприятия, препятствующие загрязнению среды обитания.
Цели и задачи исследования
Цель: провести химическое картирование листьев березы, позволяющее оценить степень загрязнения окружающей среды.
В процессе работы решали следующие задачи:
•Изучить химический состав листьев деревьев, которые растут:
проба №1.Двор лицея №179
проба №2.Автостоянка около лицея №179
проба №3.Перекресток улиц Ушинской и Тимуровской.
•Провести метод биоиндикации
•Сравнить запыленность растений в изучаемых пробах :
•Провести общественную презентацию работы с целью привлечения родителей и учеников школы , жителей микрорайона к проблеме экологической составляющей нашего района.
•Представить результаты работы в газету Муниципального округа № 21 и «Мой район»
Литературный обзор
Трудно переоценить значимость растений для сохранения благоприятного экологического состояния города. Они поддерживают в биосфере равновесия азота, кислорода, углекислого газа и других элементов. Особенно важным свойством зеленых насаждений является очищение атмосферного воздуха, а именно, поглощение углекислого газа и выделение кислорода.
Наиболее опасны для жизнедеятельности организмов являются тяжелые металлы.
Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность 8 г/см3. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т.е. считать тяжелыми металлы с атомной массой свыше 50 атомных единиц. К тяжелым металлам отнесена и группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы – медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).
В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как микроэлементы, или как тяжелые металлы. Однако существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение – «тяжелые» в смысле «токсичные». К ним относятся ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), таллий (T l) и некоторые другие элементы. Их считают наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлоидами, как мышьяк (As), селен (Se), теллур (Te).
Нормирование содержания, в частности металлов, в почвах предусматривает установление их предельно допустимых концентраций (ПДК). Под ПДК тяжелых металлов следует понимать такие их концентрации, которые при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не вызывают каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических почвенных процессов, а также не приводят к накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не могут нарушить биологический оптимум для животных и человека.
Биоиндикация— оценка качества природной среды по состоянию её биоты. Биоиндикация основана на наблюдении за составом и численностью видов-индикаторов.. Биоиндикаторы – это организмы, нарушение жизнедеятельности которых служит показателем изменения каких-либо естественных процессов в природе или условий окружающей среды, в том числе и степени загрязнения. Биоиндикация негативных изменений в окружающей среде позволяет обнаружить отрицательные стороны антропогенного воздействия, что позволяет выработать эффективные методы борьбы с ними. Санкт-Петербургский регион обладает одним из самых высоких индексов техногенной нагрузки. Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят автотранспорт и предприятия теплоэнергетики. Из общего числа передвижных транспортных средств наибольшую опасность для города представляют не только возрастающее число автомобилей, но и концентрация плотности транспортных потоков. Она вызвана ограниченностью магистралей и отсутствием на отечественном автотранспорте устройства по нейтрализации отработавших газов. Их выброс на плотно закрытые зданиями узкие магистрали достигает почти 250000 тонн в год.
Материалы и методы исследования
Материалом исследования были листья берез, собранные в начале июня и середине августа.
Изучение состояния листьев берез Калининского района проводили методом: разложение анализируемых проб смесью концентрированной азотной кислоты и перекиси водорода для извлечения группы кислоторастворимых элементов (пробы кеков и осадков, растительности).
Подготовка проб для анализа: навеску анализируемой пробы массой 1, 0 – 2, 0 г помещают в стеклянный стакан, приливают 20 см3 концентрированной азотной кислоты, перемешивают и постепенно нагревают на электрической плите до температуры 95 0С, избегая бурного кипения. При уменьшении объема пробы до 10 см3, пробу охлаждают и добавляют 2 см3 33 %-ной перекиси водорода, затем снова нагревают пробу до состояния «влажных солей». После охлаждения, к пробе добавляют 5 см3 концентрированной азотной кислоты и около 20 см3 бидистиллированной или деионизированной воды и выщелачивают при слабом нагревании до растворения солей, затем раствор пробы охлаждают. После охлаждения анализируемый раствор доводят бидистиллированной или деионизированной воды до объема 100 см3.
Методы ИСП – АЭ(атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой) и ИСП – МС(масс-спектрометрометрия с индуктивно связанной плазмой) основаны на зависимости аналитического сигнала определяемого металла от его концентрации в растворе анализируемой пробы. Сигналы хранятся в памяти компьютера и используются для расчета и для контроля работы прибора.
Так же мы использовали метод биоиндикации для оценки экологического состояния нашего микрорайона. Изучение состояния древесных пород с трех точек проводилось методом биондикации по следующим параметрам:
1. Некрозы – отмирание органических участков тканей листьев. 
2.Ассиметрия жилкования листа
Выборка листьев включала 50 листьев , по 10 листьев с 5 деревьев, на каждом участке. Выбор материала соответствовал определенным условиям :
Размер листьев ( листья собирались примерно одного размера )
Поврежденность листьев
Результаты и их обсуждения
Химический анализ позволил определить содержание элементов в исследуемых пробах: алюминия, хрома, железа, калия, лития, марганца, свинца, фосфора, бария, кальция, ванадия, титана, кремния, серы. Всего 14 элементов.
В биологических системах содержание химических элементов составляет примерно 80-90% от количества элементов в периодической системе элементов Менделеева.
К сожалению, в доступной нам литературе нет данных по ПДК перечисленных в работе металлов в листьях растений, растущих в Санкт-Петербурге. Однако известно, что картирование растений на содержание металлов в листьях в разных географических районах проводятся. При этом следует учесть, что содержание металлов в растениях во многом зависит от типа почвы, влажности, буферности почвы. Поэтому мы можем говорить только о динамике содержания элементов в разных точках исследования (на автостоянке, пересечении дорог и во дворе лицея).
Содержание алюминия в июне в первой точке была 89 мг/кг, во второй – 155 мг/кг, в третьей – 96 мг/кг; в августе 166 мг/кг, 226 мг/кг, 125 мг/кг соответственно. Следовательно, содержание алюминия на первой точке возросла в 1,8 раза (80%), а на третьей - в 1,3 раза (30%).( См.Приложение. Диаграмма 1.)
Содержание хрома в июне в первой точке была 0,61 мг/кг, во второй – 2,4 мг/кг, в третьей – 1,0 мг/кг; в августе 2,0 мг/кг, 3,2 мг/кг , 1,3 мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 1,39 мг/кг в первой точке, 0,8 мг/кг во второй и 0,3 мг/кг в третьей. Следовательно, содержание хрома на первой точке возросла в 3,2 раза, а на третьей в - 1,3 раза.(30%).( См.Приложение. Диаграмма 2.)
Содержание железа в июне в первой точке была 164 мг/кг, во второй – 329 мг/кг, в третьей – 230 мг/кг; в августе 315 мг/кг, 399 мг/кг, 258 мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 156 мг/кг в первой точке, 70 мг/кг во второй и 28 мг/кг в третьей. Следовательно, содержание железа на первой точке возросла в 1,9 раза (90%), а на третьей – в 1,1 раза (10%).( См.Приложение. Диаграмма 3.)
Содержание калия в июне в первой точке была 11200 мг/кг, во второй – 18589 мг/кг, в третьей – 9998мг/кг; в августе 89882мг/кг, 13380 мг/кг, 94172 мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 78682мг/кг в первой точке, 5209 мг/кг во второй и 84174мг/кг в третьей. Следовательно, содержание калия на первой точке возросла в 8,025 раза, а на третьей – в 9,5 раза. ( См.Приложение. Диаграмма 4.)
Содержание лития в июне в первой точке была 0,39мг/кг, во второй – 0,84мг/кг, в третьей – 0,21мг/кг; в августе 0,57мг/кг, 0,93мг/кг, 0,27мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 0,18мг/кг в первой точке, 0,09мг/кг во второй и 0,06мг/кг в третьей. Следовательно, содержание лития на первой точке возросла на первой точке 1,5 раза (50%), а на третьей – в 1,3 раза (30%).( См.Приложение. Диаграмма 5.)
Содержание марганца в июне в первой точке была 70 мг/кг, во второй – 60мг/кг, в третьей – 342мг/кг; в августе 92мг/кг, 103мг/кг, 516мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 22мг/кг в первой точке, 43мг/кг во второй и 174мг/кг в третьей. Следовательно, содержание марганца на первой точке возросла в 1,3 раза, а на третьей – в 1,5 раза (50%).( См.Приложение. Диаграмма 6.)
Содержание фосфатов в июне в первой точке была 1664мг/кг, во второй – 1459мг/кг, в третьей – 1607мг/кг; в августе 2050мг/кг, 2210мг/кг, 2128мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 386мг/кг в первой точке, 751мг/кг во второй и 521мг/кг в третьей. Следовательно, концентрация фосфатов на первой точке возросла в 1,2 раза, а на третьей – в 1,3 раза. ( См.Приложение. Диаграмма 7.)
Содержание свинца в июне в первой точке была 0,40мг/кг, во второй – 0,85мг/кг, в третьей – 0,64мг/кг; в августе 0,99мг/кг, 1,2мг/кг, 1,1мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 0,59мг/кг в первой точке, 0,35мг/кг во второй и 0,46мг/кг в третьей. Следовательно, содержание свинца на первой точке возросла в 2,5 раза, а на третьей – в 0,8 (20%).( См.Приложение. Диаграмма 8.)
Содержание солей серы в июне в первой точке была 1594мг/кг, во второй –1712мг/кг, в третьей – 1729мг/кг; в августе 1611мг/кг, 2503мг/кг, 1969мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 17мг/кг в первой точке, 791мг/кг во второй и 240мг/кг в третьей. Следовательно, содержание солей серы на первой точке возросла в 1 раз, а на третьей – в 1,4 раза (40%).
( См.Приложение. Диаграмма 9.)
Содержание силикатов в июне в первой точке была 41мг/кг, во второй – 118мг/кг, в третьей – 52мг/кг; в августе 79мг/кг, 271мг/кг, 71мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 38мг/кг в первой точке, 153мг/кг во второй и 19мг/кг в третьей. Следовательно, содержание ионов силикатов на первой точке возросла в 1,8 раза, а на третьей – в 1,14 раза (40%).( См.Приложение. Диаграмма 10.)
Содержание ванадия в июне в первой точке была 0,31мг/кг, во второй – 0,47мг/кг, в третьей – 0,42мг/кг; в августе 0,55мг/кг, 0,80мг/кг, 0,73мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 0,24мг/кг в первой точке, 0,33мг/кг во второй и 0,31мг/кг в третьей. Следовательно, содержание ванадия ионов на первой точке возросла в 1,8 раза (80%), а на третьей – в 1,7 раза. ( См.Приложение. Диаграмма 11.)
Содержание кальция в июне в первой точке была 10500мг/кг, во второй –12592мг/кг, в третьей –10497мг/кг; в августе 12897мг/кг, 16874мг/кг, 12996мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 2397мг/кг в первой точке, 4283мг/кг во второй и 2499мг/кг в третьей. Следовательно, содержание кальция на первой точке возросла в 1,23 раза (23%), а на третьей – в 1,24 раза (24%).( См.Приложение. Диаграмма 12.)
Содержание магния в июне в первой точке была 2366мг/кг, во второй – 2388мг/кг, в третьей – 2311мг/кг; в августе 2479мг/кг, 2906мг/кг, 2419мг/кг соответственно. Таким образом, отмечено изменение содержания в августе на 113мг/кг в первой точке, 518мг/кг во второй и 108мг/кг в третьей. Следовательно, содержание магния на первой точке возросла в 1,05 раза, а на третьей – в 0,9 раза (5%).( См.Приложение. Диаграмма 13.)
При помощи биоиндикации мы заметили, что в августе, по сравнению с июнем, наблюдается асимметрия березовых листьев, нарушение их жилкования и обнаружены пятнистые некрозы листьев. собранных ближе к дороге.
Выводы
1. По данным ИСП-АЭ и ИСП-МС в листьях березы определены металлы и другие вещества (содержание Al, Cr, Fe, K, Li, Mn, фосфатов, Pb, солей серы, силикатов, V, Ca, Mg).
2. Во всех исследуемых пробах березовых листьев, которые были собраны в июне, содержание металлов и других веществ (Al, Cr, Fe, K, Li, Mn, фосфатов, Pb, солей серы, силикатов, V, Ca, Mg) было меньше, чем в августе.
3. В пробах березовых листьев (точки забора №2 – автостоянка, №3 – пересечение ул. Ушинского и ул. Тимуровской) содержание Al, Cr, Fe, K, Li, Mn, фосфатов, Pb, солей серы, силикатов, V, Ca, Mg было выше, чем в точках забора №1 (двор лицея).
4. В пробах березовых листьев (точка забора №1) содержание Al, Cr, Fe, K, Li, Mn, фосфатов, Pb, солей серы, силикатов, V, Ca, Mg меньше, чем в точках №2 и №3.
5. Биоиндикация листьев березы свидетельствует: в августе ,по сравнению с июнем, наблюдается асимметрия листьев и некрозы ,которые более выражены у березовых листьев ,собранных в точках 2 и 3.
6. Увеличение содержания металлов и других веществ Al, Cr, Fe, K, Li, Mn, фосфатов, Pb, солей серы, силикатов, V, Ca, Mg в точках №2, №3 (автостоянка, пересечение магистралей) связано с тем, что растения выполняют биоиндикаторную (основана на способности растений аккумулировать загрязняющие вещества) и биоремедиационную (очистка атмосферного воздуха за счет метаболического потенциала биологических объектов) функции и является подтверждением более высокой степенью загрязненности, названных участков. Кроме того, в августе, по сравнению с июнем, адсорбционная способность листьев стала больше, что способствовало большей адсорбции загрязняющих веществ.
В соответствии с Законом Санкт-Петербурга «Об экологическом мониторинге на территории СПб» от 17.04.2006 № 155-21 , начиная с 2007 года , Комитет по природопользованию , охране окружающий среды и обеспечению экологической безопасности ведет мониторинг состояния зеленых насаждений общего пользования.
У каждого (из 40-50 деревьев) дерева исследуют в том числе степень деформации и дехромации и другие показатели. Однако, данных о содержании металлов в листьях растений Санкт-Петербург мы не нашли, поэтому данное исследование ,на наш взгляд, является актуальным и значимым. В дальнейшем мы будем продолжать работать над данной темой.
Список использованной литературы
1.Методика ЦИКВ (Центр исследования и контроля воды) исследования металлов в листьях
2. Методика ЦИКВ (Центр исследования и контроля воды) исследования металлов в листьях
3. Серебрицкий И.А. Система мориторинга зеленых насаждений общего пользования. Сборник «Охрана окружающей среды, природопользования и обеспечения экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2010 году» г. СПб ООО «Сезам-Принт» 2011 стр. 49-51
4. http://www.ecosystema.ru/07referats/isp_les.htm
5. http://nsportal.ru/ap/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/library/vliyanie-tyazhelykh-metallov-na-rasteniya
6. Негробов О.П., Хицова Л.Н. Артюхов В.Г., Селиванова О.В. Научное общество учащихся в системе формирования экологических знаний / Экологическая безопасность и здоровье людей в XXI веке. Метериалы VI Всероссийской научно-практической конференции. г. Белгород 10-12 октября 2000 г. Белгород, 2000. С. 141-142.
7. Ю.А. Урманцев. СИММЕТРИЯ ПРИРОДЫ И ПРИРОДА СИММЕТРИИ (Философские и естественно-научные аспекты)
Ю.А. Урманцев. Симметрия и асимметрия развития
Наши предложения
Необходимо на пром учреждениях установить очистные сооружения. Введение в учебных заведениях экологического воспитания.
Нужна санитарная очистка почвы на территории населенных мест,где есть такие нарушения. Тем более в настоящее время помогают это сделать нанотехнологии.
В настоящее время создаются новые технологии , экологически чистые материалы и топлива,новые источники энергии,снижающие загрязнение окруж.среды
Разрабатываются умные энергосети которые в будущем заменят свинцовые трубки. Углеводородные нанотрубки представляют один из вариантов, повышающих эффективность энергосети. Они являются прочным материалом. Они основаны на синтезе графита и углеводородов,путем химического осаждения из паровой фазы при катализаторах.
Приложения
 
   |
