НАУЧНАЯ РАБОТА ПО ХИМИИ, НА ТЕМУ “Влияние качества воды на активность ферментов ”

МАОУ «Первая Университетская гимназия

имени академика В. В. Сороки»

НАУЧНАЯ РАБОТА ПО ХИМИИ,

НА ТЕМУ

“Влияние качества воды на активность ферментов ”

Выполнила:

Ученица 8 “фт” класса

Первой Университетской гимназии

имени академика В.В. Сороки

города Великого Новгорода

Новгородской области

Васильева Анна.

Научный руководитель:

Баженкова Нина Семеновна,

учитель химии

Первой Университетской Гимназии

имени академика В.В. Сороки

Новгородская область, Великий Новгород

ул. Большая Московская, д. 22/3

2009 г

Содержание

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

• Актуальность исследования…………………………………...3
• Цель исследования………………………………………………3
• Задачи исследования…………………………………………….3
• Объект исследования……………………………………………3
• Предмет исследования………………………………………......3
• Гипотеза исследования………………………………………….3
• Методы исследования…………………………………………...4

2. Основное содержание работы………………………….…………..5

ГЛАВА 1.

•  Современные представления о биологических функциях воды …………………………………………………….………....5

• Ферменты и некоторые факторы, влияющие их на активность………………………………………………………...6
• Состояние водопроводной воды…………………………..........6

ГЛАВА 2.Методика проведения собственных исследований. Итоги работы. ……………………………………………………….9

2.1 Социологическое исследование………………………………..9

2.2 Исследование влияния воды различной степени очистки на активность ферментов………………………………………………9

• Принцип метода………………………………………………….10
• Порядок выполнения работы…..……………………………....10
• Результаты опыта……………………………………………….10
• Обсуждение результатов………………………………………..11

3. Выводы…………………………………………………………..…...12
4. Заключение…………………………………………………………..12

• Литература……………………………………………………......13
• Приложения……………………………………………………….14

                                                             «Самое необходимое в жизни – вода, но

                                                              ее легко испортить».                                          

                                                                                                                      Платон

1.Введение

1.1. Актуальность исследования.

Жизнь как физико-химический процесс протекает в водной среде. Животные, растения на 70-80% состоят из воды. Потеряв 50 %  массы тела в результате голодания, человек  может остаться в живых, но потеря 15-20 % массы в результате обезвоживания  смертельна. Запасы чистой пресной  воды на Земле истощаются, а  хозяйственная деятельность человека приводит к загрязнению имеющейся на земле воды промышленными и бытовыми стоками. Поэтому проблема сохранения качества воды и изучение влияния ее состава на здоровье человека по-прежнему актуальны.

1.2. Цель исследования.

Определение влияния различной степени очистки воды на активность фермента амилаза слюны.

1.3. Задачи исследования:

• Проведение социологического опроса и определение уровня информированности школьников о качестве водопроводной воды и распространенности бытовых фильтров для дополнительной очистки водопроводной воды.

• Отбор и изучение литературы по методике исследований качества воды химическими и биохимическими (ферментативными) методами.
• Освоение экспериментальных методов работы с химическим лабораторным оборудованием.
• Анализ свойств воды различной степени очистки  с помощью фермента амилаза слюны.
• Оценка эффективности использования бытовых фильтров марки «Brita» (тип «кувшин») для доочистки водопроводной воды.

1.4. Объект исследования:

Речная вода (р. Волхов); водопроводная вода; водопроводная вода, пропущенная через фильтр «Brita» (тип «кувшин»); водопроводная вода, пропущенная через фильтр «Brita» (тип «кувшин») с элементом, исчерпавшим ресурс; дистиллированная вода.

1.5. Предмет исследования:

 зависимость активности фермента амилаза от степени очистки воды.

1.6. Гипотеза исследования:

с повышением степени очистки воды снижается содержание токсикантов, ингибирующих ферменты и, следовательно, активность амилазы слюны будет увеличиваться.

1.7. Методы исследования:

Эмпирические:

1. изучение теоретических источников, данных Интернета
2. биохимический анализ с использованием фермента амилаза
3. социологический опрос.

Теоретические:

1. сравнение
2. обобщение
3. систематизация
4. анализ

2. Основное содержание работы.

Глава 1

Современные представления о биологических функциях  воды

Живая клетка состоит из ограниченного набора элементов, причем на долю четырех из них (углерод, водород, азот, кислород) приходится около 99 % ее общей массы. А соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве,  это вода. Она составляет около 70 % массы клетки, и большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия этой первобытной среды наложили неизгладимый отпечаток на химию живых существ.

Первостепенная роль воды в жизни всех живых существ, и человека в том числе, связана с тем, что она является универсальным растворителем огромного количества химических веществ, то есть фактически является той средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности.

Вот лишь небольшой и далеко не полный перечень "обязанностей" воды в нашем организме.

Вода:

• Регулирует температуру тела.
• Увлажняет воздух.
• Обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела.
• Защищает и буферизирует жизненно важные органы.
• Помогает преобразовывать пищу в энергию.
• Помогает питательным веществам усваиваться органами.
• Выводит шлаки и отходы процессов жизнедеятельности.

Определенное и постоянное содержание воды - вот необходимое условие существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения и пр. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание температуры тела.

Человек чрезвычайно остро ощущает изменение содержания воды в своем организме и может прожить без нее всего несколько суток. При потере воды в количестве менее 2 % веса тела (1-1,5 л) появляется чувство жажды, при утрате 6-8 % наступает полуобморочное состояние, при 10 % - галлюцинации, нарушение глотания. Потеря 10-20 % воды опасна для жизни.

В зависимости от интенсивности работы и внешних условий человек суммарно (вместе с пищей) употребляет от 2 до 4 л воды в сутки и столько же воды выделяется из организма. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует ежедневно употреблять 30-40 г чистой воды на 1 кг веса тела человека, то есть в среднем 2-2,5 л.

Важное значение имеет минеральный состав воды. Для постоянного питья и приготовления пищи пригодна чистая пресная вода с общей минерализацией не более 0.5 - 1 г/л.

Ферменты и некоторые факторы, влияющие на их активность

Практически все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, представляют собой каталитические процессы. В качестве катализаторов биохимических реакций выступают особые белки - ферменты.

На скорость ферментативных реакций в клетках влияют активаторы и ингибиторы. Активаторы – вещества, повышающие активность ферментов и, следовательно, увеличивающие скорость биохимических реакций. Активаторами ферментов часто бывают катионы металлов: Mg+2, Mn+2, Zn+2, Co+2, K+, а иногда – анион Cl- , которые облегчают взаимодействие фермента с субстратом, т. е. исходным веществом биохимической реакции.

Ингибиторы снижают активность ферментов и, следовательно, тормозят протекание биохимических реакций.

К ингибиторам, необратимо инактивирующим ферменты, относятся  различные химические соединения, в том числе углеводороды, их галогенпроизводные, ионы тяжелых металлов - Hg+2, Pb+2, Cd+2, As+3 и другие.

Воздействие этих соединений на организм усиливается при появлении в водоемах различных природных и синтетических веществ, способствующих растворению осадков, в которых они содержались. Водорастворимые формы токсикантов способны легко проникать в организм животных и человека, а это, в свою очередь, может вызвать тяжелые последствия, например, появление опухолей, мутагенез, нарушение обмена веществ.

Состояние водопроводной воды

В последние десятилетия поверхностные и подземные  водоисточники  России подвергаются интенсивному  антропогенному  загрязнению. Ухудшение  качества водоисточников привело к тому, что во многих регионах питьевая вода не отвечает гигиеническим  требованиям  как  по санитарно-химическим, так по санитарно-биологическим показателям. По данным Минздрава России, около половины  населения страны вынуждено использовать недоброкачественную питьевую воду.

Состав воды регламентируется Санитарными правилами и нормами (для питьевой воды это СанПиН 2.1.4.1074-01). В этом документе указаны верхняя граница (предельно допустимая концентрация, ПДК) или интервал содержания того или иного компонента.

Показатели качества воды разделяют на следующие группы: органолептические (запах, привкус, цветность, мутность), химические (содержание различных химических соединений, в том числе ионов металлов, органических веществ, токсичных элементов) и микробиологические.

К химическим показателям, по которым в водопроводной воде имеются наиболее частые нарушения, относятся: содержание железа, марганца и алюминия. В отдельные периоды, когда из-за ухудшения микробиологических показателей производится дополнительное хлорирование питьевой воды, наблюдаются нарушения по содержанию остаточного хлора и хлорорганических соединений (хлороформа, четыреххлористого углерода). Следует отметить, что в присутствии «органики» в воде при хлорировании образуется широкий спектр хлорорганических соединений (другое название – галогенсодержащие органические вещества).

Алюминий. Соли алюминия используются в процессе водоочистки в качестве коагулянтов. В Санитарных правилах и нормах для питьевой воды установлен второй класс опасности для алюминия, показатель вредности характеризуется как санитарно-токсикологический. Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) предельно допустимая концентрация для алюминия установлен не более 0,2 мг/л по органолептическому признаку, поскольку при этой концентрации (и выше) происходит выпадение хлопьев гидроксида алюминия и изменяется цветность воды.

Железо. В воде железо присутствует в различных формах: ионы двух и трехвалентного железа, гидроксид железа, органическое железо в составе комплексов, бактериальное железо. В воде подземных источников преобладают растворимые соединения двухвалентного железа. В зависимости от минерального состава земной коры в какой-либо местности его содержание может составлять десятки мг/л. В воде городского водопровода, имеющей поверхностное происхождение, могут содержаться все перечисленные формы железа, что характерно для питьевой воды в Великом Новгороде.

Присутствие ионного железа и гидроксида железа связано с процессами коррозии. Железо образует прочные органические комплексы с веществами природного происхождения, присутствующими в воде р. Волхов. По дисперсному составу железо может быть растворенным, коллоидным, также в виде взвешенных частиц - продуктов коррозии. Нередко одновременно с повышением концентрации железа в воде увеличивается содержание марганца.

Хлор и хлорорганические соединения появляются в питьевой воде в процессе ее обеззараживания. Индикатором  образования хлорорганических соединений согласно санитарным правилам считается хлороформ, кроме этого, установлена величина предельно допустимой концентрации еще нескольких десятков хлорорганических соединений. Все эти вещества хорошо растворимы в воде. Нарушения по этим показателям возможны в случае дополнительного хлорирования воды.

Для получения питьевой воды, соответствующей нормам, необходима ее доочистка от растворенных, коллоидных и механических примесей. В бытовых условиях удобнее и дешевле использовать фильтры, особенно если нужна незначительная коррекция. Это могут быть небольшие фильтры-кувшины, способные работать без водопровода.

Особое внимание стоит уделять ресурсу фильтра. Важная деталь -  указываемый производителем ресурс. Отработавший свой ресурс картридж не улучшает воду, а даже ухудшает. Определить загрязненность фильтра на глаз невозможно, поэтому нужно заранее просчитать, сколько воды пропускают через фильтр в день, сопоставить полученное число с ресурсом и выяснить, сколько дней фильтром можно пользоваться. Микробиологическая загрязненность картриджа, особенно угольного, нередко приводит к тому, что количество органических примесей после фильтрации выше, чем до нее.

Глава 2.

Методика проведения собственных исследований.

Итоги работы.

2.1 Социологическое исследование.

Социологический опрос проводился среди учеников 8 – 11 классов гимназии № 1 г. Великий Новгород в декабре 2009 года. На вопросы ответили 143 ученика гимназии. Были предложены следующие вопросы:

• Знаете ли вы, что на Ваше здоровье влияет качество питьевой воды?
• Устраивает ли Вас и Вашу семью качество водопроводной воды?
• Пользуется ли Ваша семья фильтром для дополнительной очистки водопроводной воды?
• Какой тип фильтра использует Ваша семья (если использует) – кувшин или стационарный?

В результате исследования были получены следующие ответы: из всех опрошенных 96 % (138 человек) владеют информацией о влиянии качества питьевой воды на здоровье человека.

Качество водопроводной воды по тем или иным причинам не устраивает 72 % опрошенных (103 человека).

В семьях 82 % учащихся (117 человек) для дополнительной очистки водопроводной воды используются бытовые фильтры, остальные 18 % (26 человек) фильтры не используют.

На вопрос о типе бытового фильтра были получены следующие ответы: 34 % (49 человек) имеют в семье стационарные фильтры, 37 % (53 человека) пользуются фильтрами-«кувшинами», а у 11 % (15 человек) есть на кухне оба типа фильтров.

Таким образом, можно сделать вывод, что подавляющая часть старшеклассников знает о негативном воздействии плохо очищенной питьевой воды на здоровье и пользуется бытовыми фильтрами для дополнительной очистки воды. Насколько эффективно использование бытовых фильтров для дополнительной очистки водопроводной воды, покажет наше исследование.  

2.2 Исследование влияния воды различной степени очистки на активность ферментов

Наиболее доступным для изучения и исследования влияния различных факторов на активность ферментов является фермент, содержащийся в слюне человека – амилаза. Он участвует в процессе пищеварения, катализирует реакцию гидролиза крахмала. В зависимости от активности амилазы конечным продуктом гидролиза могут быть различные по длине фрагменты молекулы крахмала, вплоть до глюкозы – мономера крахмала.

В лабораторной практике продукты гидролиза крахмала под действием амилазы определяют по окраске реакционной среды с йодом: глюкоза не образует окрашенных соединений с йодом, поэтому при полном гидролизе окраска раствора при добавлении йода желтая (цвет разбавленного раствора йода). Если крахмал не гидролизовался, то реакционная среда при добавлении йода окрашивается в синий цвет (цвет йодкрахмального комплекса). Промежуточные продукты гидролиза дают окраску от фиолетовой до розовой в зависимости от длины фрагмента молекулы крахмала.

Влияние воды различной степени очистки на активность амилазы проводилось по методике «Количественное определение активности α-амилазы слюны по Вольгемуту». В качестве контрольного образца использовали дистиллированную воду.

Принцип метода: метод заключается в том, что слюну, содержащую амилазу, разводят в определенной последовательности водой с различной степенью очистки, затем во все разведения приливают одинаковое количество крахмала и определяют максимальное разведение для данной пробы воды, при котором фермент полностью расщепляет все количество добавленного крахмала.

Порядок выполнения работы:

Разведение слюны: 1 мл слюны разводят в 10 раз в цилиндре на 10 мл, используя одну из исследуемых проб воды. В 9 пробирок наливают по 1 мл исследуемой пробы воды и в 1-ю из них добавляют 1 мл разведенной в 10 раз слюны. Содержимое этой пробирки перемешивают, несколько раз втягивая и выпуская жидкость из пипетки. Набирают в пипетку 1 мл смеси и переносят ее во 2-ю пробирку. Содержимое этой пробирки перемешивают и 1 мл смеси переносят в 3-ю пробирку и т. д., до 9-й пробирки. Из 9-й пробирки отбирают 1 мл смеси и выливают. Аналогично готовят разведения слюны с использованием всех остальных проб воды.

Во все пробирки добавляют по 1 мл соответствующей пробы воды и по 2 мл 0,1 %-ого раствора крахмала, перемешивают, встряхивают пробирки и помещают их в термостат при 38о С на 30 мин. После инкубации в каждую пробирку добавляют по 1 капле раствора йода в иодиде калия и перемешивают. При реакции с йодом жидкость в пробирках окрашивается в желтоватый, розовый или синий цвет. Отмечают последнюю пробирку с желтоватой окраской, где гидролиз крахмала прошел полностью. Полученные данные заносят в таблицу.

Результаты опыта

Обсуждение результатов.

Опыт показал, что при использовании для разведения амилазы слюны дистиллированной воды, т. е. воды, не содержащей растворенных веществ, которые могут повлиять отрицательно на активность фермента, амилаза катализирует гидролиз крахмала при разведении 1:640, т. е. проявляет максимальную активность.

Фермент, для разведения которого использовали речную неочищенную воду, катализирует расщепление крахмала при разведении 1:80, таким образом, в речной воде, вероятно, присутствуют растворенные вещества, ингибирующие фермент. При использовании для разведения водопроводной воды активность фермента проявляется при несколько большем разведении 1:160, что указывает на незначительное снижение количества токсичных веществ, по-видимому, имеет место вторичное загрязнение воды в городской водопроводной сети.

 Использование для разведения амилазы водопроводной воды, дополнительно очищенной в бытовом фильтре «Brita» (тип «кувшин»), повышает активность фермента, т. е. реакция идет при разведении 1:320, что незначительно отличается от результата, полученного при использовании дистиллированной воды, следовательно, бытовой фильтр удаляет соединения, ингибирующие фермент. При использовании водопроводной воды, пропущенной через фильтр «Brita» (тип «кувшин») с элементом, исчерпавшим ресурс, наблюдается резкое снижение активности фермента, реакция протекает при разведении 1:80, результат аналогичный результату, полученному при использовании неочищенной речной воды, т. е. имеет место значительное вторичное загрязнение воды.

3. Выводы.

1. Большая  часть старшеклассников (96 %) знает о негативном воздействии плохо очищенной питьевой воды на здоровье; в их семьях (82 %) используются  бытовые фильтры для дополнительной очистки воды.
2. По данным литературных источников, качество воды зависит от содержания  в ней как органических, так и неорганических соединений, кроме того, в воде могут содержаться патогенные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.
3. Речная вода р. Волхов значительно ингибирует активность фермента амилазы, что указывает на присутствие токсичных веществ. Ингибирование амилазы несколько снижается при использовании водопроводной воды, т. е. содержание токсикантов незначительно уменьшается.
4. Для удаления токсичных веществ из водопроводной воды целесообразно использовать бытовые фильтры «Brita» (тип «кувшин»).
5. Использование фильтрующих элементов, исчерпавших свой ресурс, в бытовых фильтрах «Brita» (тип «кувшин») приводит к значительному вторичному загрязнению воды.
6. Используемый нами метод ферментативного анализа позволяет дать общую комплексную оценку качества питьевой воды и его влияния на биохимические процессы в организме.

4. Заключение.

Исследования показали, что наличие в воде растворенных токсикантов (независимо от их природы) снижает активность фермента амилаза, что подтверждает нашу гипотезу. Можно предположить аналогичное действие воды различной степени очистки на другие ферменты нашего организма, т. е. попадание в организм речной и водопроводной воды, которые не прошли дополнительную очистку, может привести к значительному торможению биохимических реакций и к негативным последствиям для всего организма.

Литература:

1. Энциклопедия для детей. Т. 2. Биология. – Глав. Ред. М. Д. Аксенова. – М.: Аванта+, 2003.
2. Энциклопедия для детей. Т. 19. Экология. – Глав. Ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001.
3. Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. – Глав. Ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.
4. Слесарев В. И. Химия: Основы химии живого: Учебник для вузов. – СПб: Химиздат, 2001.
5. Биохимия полости рта: Методические указания к лабораторно-практическим работам / Сост. Л. В. Андреева. НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2006.