Изучение возможности использования почвогрунта и посадочного материала для создания подсветки при выращивании всесезонно рассады

ЭКОЛОГИЯ

КИКО  Александр Георгиевич

Краснодарский край, г. Сочи

МОУ Средняя общеобразовательная школа № 86, 6 класс, МОБУ ДО ЭБЦ г.Сочи, объединение «Экологический вестник»

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВОГРУНТА И ПОСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДСВЕТКИ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ВСЕСЕЗОННОЙ РАССАДЫ.

Научный руководитель: Новоселова Ирина Анатольевна, учитель биологии МОУ СОШ № 86, ПДО МОБУ ДО ЭБЦ г.Сочи

Научная статья

Актуальность работы. Современного человека окружают различные источники электрического тока. Человек очень зависим от электрической энергии. Стоит только отключить электричество, привычная жизнь человека нарушается. В последние годы в связи с особым вниманием к экологическим проблемам, в том числе и связанным с производством электроэнергии, все чаще поднимается опрос об использовании альтернативных источников энергии. Однако, еще 200 лет назад итальянским физиком Александром Вольта было сделано открытие, в 1800 году он изобрел первую фруктовую батарейку из лимона. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прообразом современных батареек.

Последние десятилетия человеческой истории показывают, что мало сделать изобретение. Нужно придумать, как избавляться от вещей, которые уже не используются. Огромные горы мусора, свалки и полигоны уже стали символом современной цивилизации. Среди гор отходов немалое место занимают пришедшие в негодность батарейки и аккумуляторы, которые, к сожалению, большей частью оказываются в отходах и не подвергаются переработке. Содержащиеся в них электролиты оказывают разрушающее действие на почву, растительный и животный мир и представляют реальную угрозу человеку.

Как уменьшить вред от использования таких источников энергии? Как сократить финансовые расходы на электроэнергию? Возможно ли использовать в привычной человеку жизни иные источники энергии, чем ток, идущий по проводам, батарейки и аккумуляторы?

Участвуя в Сочинском городском конкурсе проектов школьников в области устойчивого развития «Экосити 2018», я представлял работу по использованию светодиодных светильников для выращивания растений в условиях искусственного освещения. Современный человек не зависит от времен года и может получить свежие овощи, фрукты, зелень круглый год, независимо от сезона. Но производство растений требует больших вложений, особенно в области использования электричества для досвечивания рассады в зимний период. Приложение 1.

Соединив идею всесезонного выращивания растений и использования альтернативных источников энергии, я пришел к идее этой исследовательской работы.

Цель работы: определить возможность создания электрической системы досвечивания из посадочного материала и почвогрунта для выращивания всесезонной  рассады.

Задачи:

1. Изучить электропроводность растений на разных этапах развития.

2. Заложить опыт получения электричества из        посадочного материала и почвогрунта.

3. Создать электрическую систему досвечивания на светодиодах красного спектра.

4. Проанализировать полученные результаты.        

Гипотеза: В растениях и почве проходят электрические процессы. Существует возможность создания электрической системы для досвечивания рассады в условиях домашнего или промышленного растениеводства.

I часть.

1.1. Первый источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани.  Он исследовал реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. Явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.  В честь Луиджи Гальвани источники тока батарейки называют гальваническими элементами.

Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого – Алессандро Вольта. 200 лет назад он выдвинул  идею, что причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком. Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает напряжение. Таким образом, гальванический элемент (батарейка) — это источник электричества, который основан на химическом взаимодействии некоторых веществ между собой. 

Вещества, которые используются для получения электроэнергии, называются электролитами.  Они различны, и по типу электролита выделяют разные виды батарей:

• Солевые батарейки. В них используется уголь и марганец, электролит из хлорида аммония и катод из цинка. В перерывах между эксплуатацией элементы питания могут «восстанавливаться». Это немного продлевает срок службы батарейки.

• Алкалиновые (щелочные) батарейки. От солевых их отличает состав электролита - здесь используется щелочной электролит. Такие батарейки имеют продолжительный срок хранения.

Солевые и алкалиновые (щелочные) батарейки содержат растворенные тяжелые металлы, в состав может входить от 10 до 20 элементов таблицы Менделеева, многие из этих элементов являются сильно токсичными веществами.

• Серебряные батарейки имеют катоды из оксида серебра. Их напряжение на 0,2 В выше, чем солевых в одних и тех же условиях. В остальном серебряные элементы питания похожи на солевые.

• Литиевые батарейки обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в большом диапазоне температур, поскольку не содержат воды. В их состав входит литиевый катод, электролит и анод из различных материалов [2].  

Схема работы всех элементов питания одинакова. В них создается электрический заряд в результате реакции между двумя химическими веществами, в ходе которой электроны передаются от одного из них к другому. В батарейках для фонарика эти вещества обычно представлены цинком и углеродом. В автомобильном аккумуляторе это свинец и диоксид свинца. В компьютере или мобильном телефоне используются обычно оксид лития с кобальтом и углерод.

У любой батарейки есть положительный полюс (катод), отрицательный полюс (анод) и электролит, который может быть сухим или жидким.

Электрический ток бежит от анода (-) к катоду(+), но между ними обязательно должна быть нагрузка (потребитель энергии). Если нагрузки не будет, то есть (+) соединить с (-) напрямую, то произойдет короткое замыкание.

Катоды выполняют функцию восстановителя, то есть принимают электроны от анода.

Электролит – это среда, в которой перемещаются ионы, образовавшиеся в процессе химической реакции. В процессе работы батарейки постепенно образуются новые вещества, а электроды постепенно разрушаются – батарейка садится. Многие гальванические элементы могут быть использованы только один раз. Они производятся на заводе, разряжаются в процессе использования и затем выбрасываются. Сейчас наиболее популярны перезаряжаемые батарейки, называемые аккумуляторами.

1.2. На сегодняшний день ни для кого не секрет, что каждая живая клетка обладает собственными «электростанциями». Данные исследований лаборатории молекулярной биологии и биофизической химии  МГУ по созданию мембран показали, что живая клетка, запасая электрическую энергию в митохондриях, использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры и т.д. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется (например, как это делают листочки мимозы-недотроги), растет [1].

Растения придумали, как использовать энергию Солнца миллионы лет назад, запустив процесс фотосинтеза. Ученые обратили внимание на использование растениями собственной энергии еще в 19 веке. В 1845 Р.Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия переходит в химическую энергию, запасаемую в растениях. В 1875 году в книге «О насекомоядных растениях» Чарльз Дарвин предположил, что электрические явления имеют место и в листьях насекомоядных растений, обладающих довольно сильно выраженной способностью к движению [4].  

По его просьбе эксперименты с венериной мухоловкой были проведены в 1875 году физиологом Оксфордского университета Бурданом Сандерсоном. Подсоединив лист этого растения к гальванометру, ученый отметил, что стрелка тотчас же отклонилась. Значит, в живом листе этого насекомоядного растения возникают электрические импульсы. Когда исследователь вызвал раздражение листьев, прикоснувшись к расположенным на их поверхности щетинкам, стрелка гальванометра отклонилась в противоположную сторону. Немецкий физиолог Герман Мунк, продолживший опыты Сандерсона, в 1876 году пришел к заключению, что листья венериной мухоловки в электромоторном отношении подобны нервам, мускулам и электрическим органам некоторых животных.

В 20 веке в 1972 году ученый М.Кальвин выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр.

В Японии и сейчас проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательных средах[1]. Возобновляемые источники сырья и способы получения из них энергии – ведущая тема многих университетских исследований. Например, лаборатория в Нидерландах изучает возможность получения электричества из растений, точнее, из корневой системы растений и из бактерий, находящихся в почве, в которую эти растения высаживаются [5].

II часть.

Исследование проводилось в несколько этапов. На первом я убедился, что растения действительно образуют электричество. Были проведены замеры напряжения в овощах и фруктах. Интернет наполнен формацией о том, как можно собрать гальванический элемент из картофеля, огурцов или яблок. Однако, измерения показали, что возникающее в плодах и корнеплодах растений напряжение невелико, оно уменьшается при увядании плодов и не годится для использования.

Поэтому для подтверждения  гипотезы мною была собрана электрическая цепь, состоящая из медных трубок, которые выполняют роль анода, и цинковых пластин, выполняющих роль катода. Эта цепь была помещена в горшки с рассадой, начиная с момента посева семян. Электрическое напряжение возникало из-за химических процессов, происходивших в почве между минеральными веществами. Причем, изменение величины напряжения проявилось сразу после полива (в сухом грунте 1,55В. в пролитом водой -2.21В)

Для эксперимента были выбраны 10 одинаковых горшков объемом 2 литра, заполнены одинаковым почвогрунтом.

Опыт проводился при посеве редиса, лука, тыквы. К сожалению, редис не дал дружных всходов, и опыт пришлось прекратить. Лук, выращиваемый в системе, не давал значимых показателей напряжения. И только проросшие семена тыквы показали, что рост проростков может оказать влияние на величину напряжения. Приложение 2.

К электрической цепи были подсоединены светодиоды, свечение которых подтверждало наличие электрического тока.  Ежедневно проводились измерения напряжения.  

Так как почва во всех горшках была одинакова, количество проращиваемых семян тоже, но  при этом происходило изменение электродного потенциала, я пришел к выводу, что именно рост проростков тыквы изменял электродный потенциал.

Результаты измерений напряжения представлены в таблице.

 Таблица 1. Результаты измерения напряжения.

Для полноценного освещения рассады необходимо собрать устройство, которое покрывало бы площадь 100Вт на 1 кв.м. Т.е. на площадь одного горшка (100 кв.см) необходимо 1Вт на один горшок [3].

Однако, система электродов, собранная мной  показала, что максимальное напряжение, которое возникает на выходе, составляет 2,53 Вт. Этого достаточно для освещения 1-ватным светодиодом только 2х горшков с рассадой. Приложение 3.

Поскольку площадь, выбранная для выращивания рассады невелика, создать полноценную систему досвечивания не удалось. Однако, если провести простейшие математические расчеты, можно убедиться, что величина напряжения может быть увеличена путем увеличения площади электродов и объема почвогрунта.

Заключение.

В ходе исследования цель был достигнута частично. Недостаточная площадь горшков и используемых медных и цинковых электродов не позволили создать полноценную систему досвечивания для выращивания рассады. Однако, возможность получения электричества из почвогрунта доказана, собрана действующая цепь из светодиодов.

Помимо освещения рассады, электричество из почвы или самих растений можно использовать для декоративной подсветки деревьев в садах и на улицах, для создания декоративных светильников, которые можно использовать в домашних условиях.

Вывод: электричество из почвы и растений – перспективное направление исследований. В целях экономии электроэнергии, соблюдения экологических норм использование альтернативных источников энергии в растениеводстве является прекрасной альтернативой обычным лампам.

Направление дальнейших исследований: на основе экспериментов университета Нидерландов провести получение электричества из корневой системы деревьев.

Список использованной литературы.

1.Альтернативные источники энергии: Электричество из фруктов и овощей https://school-science.ru/5/1/35515

2.Описание и классификация батареек//http://www.xn--80aaacnkyej1ders.xn--p1ai/opisanie_i_klassifikaciya_batareek.html

3. Светодиоды для растений. СМhttp://www.660nm.ru/index.php/topic,438.0.html

4.Электричество в растениях. https://myzooplanet.ru/populyarnaya-biologiya-nauchno/elektrichestvo-rasteniyah-22160.html

5. Электричество - из почвыhttps://ru.euronews.com/2013/04/29/heats-shoots-and-leaves-electricity-from-living-plants

Приложения.

Приложение 1.Экосити 2018.

Приложение 2. Подготовка опыта.

Приложение 3.

Осуществление опыта.