Почва - природный фильтр для тяжелых металлов

На районный конкурс «Старт в науку»

Номинация «Эколого-биологическая»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Почва – природный фильтр для тяжелых металлов

 Выполнила:

Ученица 7 класса

МБОУ Речная ООШ

                                                                       Адамовского района

                                                Лежнина Вера Алексеевна        

Руководитель:

учитель химии высшей категории

                                                                             Зеленкова Валентина Денисовна

пос. Речной, 2013г.

Содержание

Введение …………………………………………………………………………. 3

Глава 1. Теоретическая часть

      1.1  Почва и её свойства  …………………………………………………..    5

      1.2 Тяжелые металлы и их влияние на живые организмы………………    7

      1.3  Способы попадания тяжелых металлов в почву…………………..     10

Глава 2. Экспериментальная часть, результаты исследований

2.1 Описание исследуемой почвы и соединений тяжелых металлов ……12

2.2 Описание эксперимента………………………………………………..  12

2.3 Выводы по эксперименту……………………………………………….13

Заключение …………………………………………………………………….  14      

Список литературы……………………………………………………………..  15

Приложения ……………………………………………………………………..16

Введение

        В последнее время в средствах массовой информации – по телевидению, в газетах, в Интернете – очень часто поднимается проблема загрязнения окружающей среды. В нашей школе мы также занимаемся такими вопросами. Совсем недавно выпускница нашей школы выполнила исследовательскую работу «Мониторинг сбора, хранения и утилизации бытового мусора в поселке Речной». Меня тоже интересует данная проблема, но несколько с другой стороны. А именно: что может попасть в почву и как почва на это реагирует.

        В учебниках Географии, Экологии, в Энциклопедическом словаре юного натуралиста я прочла, что в почве могут накапливаться «тяжелые металлы». Они представляют большую опасность, как для человека, так и для природных и сельскохозяйственных экосистем. Это связано с тем, что данные элементы достаточно быстро накапливаются в почве, но очень долго из неё удаляются. Источники поступления тяжёлых металлов в почву и окружающую среду различны: это промышленные отвалы, удобрения, химические средства защиты растений, выбросы транспорта и др. Действие этих источников в перспективе будет только усиливаться.

Промышленное развитие нашей страны, богатой сырьевыми ресурсами, будет приводить к увеличению площадей земель, занятых промышленными отвалами. Совсем недалеко от нашего поселка находится карьер по добыче медной руды. И у нас постоянно говорят о том, что Восточная зона Оренбургской области превращается в «техногенную пустыню», особенно территория вокруг городов Новотроицка и Медногорска, то есть там, где из руды извлекаются эти самые тяжелые металлы. Загрязнение почвы немедленно сказывается на здоровье травоядных животных и человека, приводит к нарушению обмена веществ, вызывая различные эндемические заболевания местного характера. В  почве уничтожается микрофлора (водоросли, бактерии), что приводит к потере плодородия.

Почва становится мёртвой при содержании в ней 2-3 г металла на 1 кг грунта, а вокруг некоторых предприятий г.Орска это содержание уже превышает 15г.

Я решила проверить, действительно ли почва задерживает в себе металлы. Я пока ещё учусь в 7 классе, и не изучала предмет Химию, поэтому химическую сторону вопроса мне помогли сделать 8-классники. Кроме того, мне пришлось прочесть много литературы для того, чтобы выяснить, что такое почва.

Проблема. Почва задерживает в себе тяжелые металлы и становится после этого непригодной для выращивания растений.

Гипотеза. Если через почву пропустить растворы, содержащие «тяжелые металлы», то они там задержатся.

Тема. Почва – природный фильтр для тяжелых металлов.

Цель работы: Изучить свойства почвы как фильтра для тяжелых металлов.

Задачи:

1. Выяснить, что такое почва и из чего она состоит
2. Какими свойствами обладает почва.
3. Что такое «тяжелые металлы» и какое влияние они оказывают на живые организмы
4. В каком виде тяжелые металлы попадают в почву, и какое количество металла может там задержаться.

Методы исследования. Теоретическое исследование, лабораторный анализ, практическое исследование.

Объект изучения. Почва (образец, приобретённый в магазине)

Предмет исследования. Свойства почвы как фильтра.

Глава 1. Теоретическая часть

1. Почва и её свойства

Почва – особое природное  образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Она обладает плодородием, благодаря чему на ней могут жить и развиваться растения. Веками, тысячелетиями создавалось это величайшее природное богатство.

Учёный-почвовед В.В. Докучаев доказал, что почва-это самостоятельное природное тело, образовавшееся из поверхностных слоёв   горных пород под совместным воздействием животных, растений, климата, воды, рельефа местности и деятельности человека.

Почвы могут быть структурными и бесструктурными. Структурой почвы называют различные по форме и величине комочки почвы, в которые склеены почвенные частицы. Лучшие почвы имеют мелкокомковатую, или зернистую, структуру, таковы, например, чернозёмы.

По механическому составу почвы подразделяются:
- на глинистые, которые обладают высокой влагоёмкостью и более обеспечены элементами питания;
- на песчаные - маловлагоёмкие  и хорошо влагопроницаемые;
- на суглинистые - наиболее благоприятные по своим  физическим свойствам для земледелия
- и супесчаные - обычно бесструктурные, хорошо водо-  и воздухопроницаемые. Такие почвы при использовании в земледелии требуют улучшения их физических и химических свойств.

Химический состав почвы говорит о том, бедна или богата она различными элементами, необходимыми, растениям. Почвы могут быть кислыми, нейтральными и щелочными. Наиболее благоприятны  для растений нейтральные почвы.

Чёрный цвет почве придает Перегной, почему  и называют такие почвы чернозёмными. Чернозёмы отличаются высоким содержанием питательных веществ, прочной структурой и являются наиболее плодородными. Перегной, или гумус, образуется в результате разложения органических и растительных остатков бактериями и другими почвенными организмами. Сам этот процесс является основой жизни почвы и, значит, укорененных в ней растений, так как только живые почвенные организмы способны в процессе жизнедеятельности переработать органические остатки в доступную и пригодную для потребления растениями форму. Гумус определяет степень плодородности почвы. В упрощенном виде данный процесс можно описать следующим образом: почвенные бактерии и другие организмы разлагают растительные и органические остатки, в результате чего высвобождаются минеральные соединения, жизненно важные для развития растений. Питательные вещества в гумусе перерабатываются таким образом, что становятся доступными для всасывающих корней растений, а значит, могут быть целиком усвоены растением. Кроме того, находясь в связанном состоянии, они не вымываются из почвы. Гумус называют иммунной системой почвы, так как благодаря его действию сохраняется и улучшается структура почвы, поддерживаются ее основные функции и обеспечивается здоровье почвенной среды. Гумус активизирует естественную сопротивляемость растений заболеваниям и вредителям, предотвращает массовое развитие болезнетворных организмов.

Важной составляющей почвы является почвенная вода, заполняющая пространства между твердыми частицами. В ней в растворенном виде содержатся питательные вещества почвы. Вода поступает в почву посредством осадков, из воздуха, в незначительной степени в результате подпитки грунтовыми водами или путем целенаправленного полива. Снабжение почвы водой является основным условием развития всех жизненных процессов в ней. Пространства, или поры, между твердыми частицами почвы заполняются водой и служат проводниками воды до корней растений, а также исполняют роль дренажа, препятствующего процессам избыточного накопления и застоя воды.

Почвенный воздух также содержится в полостях между твердыми частицами почвы. Почвенный воздух содержит больше углекислого газа, чем атмосферный, что объясняется жизнедеятельностью корней растений, которые для дыхания используют кислород и вырабатывают углекислый газ. Воздух необходим почве, чтобы обеспечить дыхание корневой системы растений и почвенных организмов. Недостаток кислорода в почве сдерживает рост корневой системы, отрицательно влияет на поглощение растениями почвенной влаги и на усвоение ими питательных веществ, растворенных в воде. Поэтому даже в почве с достаточной степенью увлажнения рост растений может быть подавлен вследствие недостатка почвенного воздуха и затрудненного в этой связи усвоения питательных веществ.

1.2 Тяжелые металлы и их влияние на живые организмы.

Минеральные вещества, в состав которых входят и металлы, составляют значительную часть человеческого тела по массе (в среднем, в организме около 3 кг золы). В костях минеральные вещества представлены в виде кристаллов, в мягких тканях - в виде растворов в соединении главным образом с белками.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 элемент обнаружен в организме человека. При этом 15 из них (в том числе металлы железо, медь, никель, марганец) признаны жизненно необходимыми. Однако они могут оказывать отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40.

В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства "тяжелых" металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.
             Мы выяснили роль некоторых металлов в организме человека и в растениях.

            Железо – один из наиболее широко распространенных в природе металлов. Важная роль железа для организма человека установлена еще в XVIII в. Железо незаменимо в процессах кроветворения и внутриклеточного обмена. Этот элемент входит в состав гемоглобина крови, отвечающего за транспорт кислорода. Суточная потребность в железе составляет 10 мг у мужчин и 20 мг у женщин. Безопасное потребление железа при диетическом питании – до 45 мг/сут.
           Лучше всего железо усваивается из мяса млекопитающих – говядины, меньше – из мяса домашней птицы или рыбы и меньше всего – из печени, яиц, молока и хлебных злаков. К продуктам, в которых содержится большое количество железа с высокой биодоступностью, т.е. способностью всасываться, относятся коровья печень и почки, яйца, рыба. Богаты железом также: сушеные белые грибы, персики, абрикосы, зелень петрушки, яблоки, айва, толокно, овсяная крупа, какао, горох, листовая зелень, изюм.
          Смертельная доза для взрослого человека - 7-35 грамм,  для ребенка смертельным может стать прием сульфата железа в дозе 3 грамма и выше.

Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании и т.д. Медь имеет большое значение для поддержания нормальной структуры костей, хрящей, сухожилий, эластичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи. Медь входит в состав оболочек нервов.                
        Ядовитым  для человека содержанием  меди является  200-250 мг/сутки.

          Избыток меди, попавшей в желудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике и вызывает рвоту. Хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу и низкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках, мозге.

        В растениях медь активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Недостаток меди у растений вызывает хлороз листьев, потерю ими упругости, увядание, задержку стеблевания и слабое образование семян.

Избыток меди снижает рост корня, развитие корневого чехлика становится ненормальным, его удлинение замедляется. В результате растение теряет способность усваивать элементы питания и воду и растение увядает.

Никель - элемент, необходимый для нормального роста животных, однако его роль до конца еще не выяснена.

Никель в основном поглощается с пищей и водой. Как и другие тяжелые металлы, он способен реагировать с биологически важными молекулами, включая белки и ДНК.

При попадании в организм никель накапливается преимущественно в почках (что может вызвать их разрушение). Могут наблюдаться заболевания глаз. Никель и его соединения - сильные аллергены.
          Соединения никеля могут быть канцерогенными. Употребление соединений никеля более 20мг в день может вызвать тяжелое отравление.

        Никелевое голодание у растений практически не встречается. При высоком содержании никеля в почве он аккумулируется преимущественно в корнях, однако частично поступает и в надземные органы. Растения замедляются в росте, становятся уродливыми и погибают.

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента. Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается способность марганца усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры.
            Соединения марганца в основном поступают в организм с пищей. Суточная потребность в марганце для взрослых 2–5 мг. Много марганца содержится в ржаном хлебе, пшеничных и рисовых отрубях, сое, горохе, картофеле, свекле, помидорах, чернике. Очень богаты марганцем кофе и чай. Сравнительно богаты этим микроэлементом крупы, в первую очередь овсяная и гречневая.
              Токсическая доза для человека - 40 мг марганца в день -  возникают тяжелые нарушения психики, включая гиперраздражительность, гипермоторику и галлюцинации.

Таким образом, мы выяснили, что влияние "тяжелых" металлов на живые организмы весьма разнообразно. Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более "агрессивной" с химической точки зрения. В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

1.3 Способы попадания тяжелых металлов в почву

        Тяжёлые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, значительно опережая такие широко известные загрязнители, как углекислый газ и соединения серы. В прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы.
         Загрязнение тяжёлыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве и со слабыми системами очистки, в результате чего тяжёлые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя её.
        Тяжёлые металлы относятся к важнейшим загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Почва являются основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с выпадением кислотных осадков, что способствует переходу металлов из достаточно прочных  веществ в свободное состояние. Наиболее опасными являются растворимые соединения – сульфаты и хлориды.

Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

Глава 2. Экспериментальная часть. Результаты исследования.

2.1 Описание исследуемой почвы и соединений тяжелых металлов

Мы взяли образец почвы, купленной в магазине. На этикетке было написано, что данная почва (садовая земля) предназначена для выращивания рассады и комнатных растений. Почва приготовлена на основе торфа из Мещеры. Почва плодородная, максимально обогащена гумусом, по составу нейтральная. Цвет почвы  в увлажненном виде чёрный, в сухом – тёмно коричневый.  Имеются включения мелких корешков и прозрачных песчинок. Почва рыхлая, легко рассыпается при нажатии. В сухом виде в почве есть округлые орехообразные включения размером до 2см, которые легко разламываются. Мы решили, что данная почва относится  к чернозёму.

В школьной химической лаборатории  мы взяли соединения следующих металлов: сульфаты никеля, меди, железа двухвалентного и железа трёхвалентного и хлорида марганца, то есть 5 видов соединений.

Опыты мы проводили вместе с учителем химии, соблюдая все правила техники безопасности.

2.2 Описание эксперимента

Для нашего эксперимента мы взяли 6 воронок объёмом 30 мл и стакан такого же объёма. В воронки мы положили фильтры из фильтровальной бумаги и плотно набили неувлажнённую почву. Одну воронку и стакан мы использовали для определения количества воды, всасываемой из поддона. Остальные пять воронок мы пролили водой до её естественного протекания через фильтр. Выяснилось, что при проливании почвы водой сверху в неё впиталось 12 мл воды, а при всасывании из поддона в почву в воронке впиталось 13 мл, а в почву в стакане только 7мл (эксперимент длился 1 час 20 минут).

После этого мы приготовили растворы солей. Мы предположили, что если через предельно влажную почву пролить 8-10-12 мл раствора, то весь этот раствор протечет через фильтр.

Для приготовления раствора мы взяли по 2г солей и 10 мл (это 10г) воды. Мы получили растворы с очень яркой окраской.

Сульфат никеля – ярко зелёный,

сульфат меди – ярко голубой,

сульфат железа двухвалентного – желтый,

сульфат железа трёхвалентного – почти оранжевый,

хлорид марганца – розовый.

Учащиеся 8 класса подсказали мне, что окраску растворам придают ионы металлов, и что наличие этих ионов можно проверить с помощью щелочи. Действительно, при добавлении прозрачной бесцветной щелочи в прозрачные окрашенные растворы солей выпадал осадок с характерной окраской. Для данного эксперимента мы использовали около 2мл каждого раствора. Еще 2мл мы использовали для определения второй составной части солей - кислотного остатка.

Остальной раствор мы аккуратно пролили через почву в воронках.  Если до эксперимента растворы имели интенсивную окраску, то после эксперимента практически все растворы обесцветились. К отфильтрованным растворам мы также добавили щелочь. И если до эксперимента реакции были выражены очень ярко, то после эксперимента они были едва заметны.

Реакция на наличие кислотных остатков как до, так и после эксперимента была одинакова.  

2.3. Выводы по эксперименту

1. Почва впитывает определённое количество воды: на 30мл почвы –    12-13мл воды. Причем, неважно, льём мы воду сверху или почва сама впитывает её из поддона. Главное, чтобы в ёмкость с почвой был доступ воздуха через какое-то отверстие (воронка). В ёмкость без доступа воздуха (стакан) воды впиталось почти вдвое меньше – 7мл на 30мл почвы.
2. Если цвет раствору соли придают частицы металла (ионы), то исчезновение цвета говорит о том, что большинство частиц остались в почве. Об этом же говорят результаты взаимодействия с щёлочью.
3. Кислотные остатки (сульфаты и хлориды) почвой не задерживаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы, которая заключалась и в теоретических исследованиях, и в лабораторных опытах, мы познакомились со следующими понятиями:

1. Изучая литературу, мы выяснили, что такое почва и из чего она состоит, а также какими свойствами обладает.
2. Из Интернет-источников мы узнали, что такое «тяжелые металлы» и какое влияние они оказывают на живые организмы.
3. Мы поняли, как тяжелые металлы попадают в почву.
4. Наша Гипотеза о том, что почва является природным фильтром для тяжелых металлов, подтвердилась.

На следующий год мы постараемся продолжить нашу работу и выяснить, какое влияние тяжелые металлы оказывают на рост растений.

Список литературы

1. Энциклопедический словарь юного натуралиста, Москва, Педагогика, 1981г.
2. География Оренбургской области, учебник для 8-9 классов под редакцией А.А.Чибилева, Москва, 2003г.
3. Основы безопасности жизнедеятельности, учебник для 8 класса под редакцией Ю.Л.Воробьева, Москва, АСТ, 2011г.
4. Саблина О.А., «Методы почвенного анализа», Учебно-методическое пособие по дисциплине «Биологические основы сельского хозяйства», г.Орск, 2012г.

Интернет-ресурсы:

http://www.akademout.ru  Загрязнение почвы и его последствия

http://biogeochemistry.narod.ru Роль тяжелых металлов в организме
         человека

http://www.smed.ru   Роль тяжелых металлов в живом организме

Мы взяли образец почвы, купленный в магазине - «Садовая земля», обогащенная гумусом.

Лабораторный опыт по определению количества воды, которую может впитать почва

Готовим растворы солей «тяжелых металлов»

Они получились очень яркими

Фильтруем растворы солей тяжелых металлов через почву

После фильтрации через почву растворы практически полностью обесцветились.

Реакция с щелочью также показала, что количество металла в растворе сильно уменьшилось.

А вот кислотные остатки (хлориды и сульфаты) почва пропустила