Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Гимназия №1 г.Никольское»

Тосненский район, Ленинградская область

Тема:

«Колонны Виноградского как способ определения загрязнений внутренних вод Ленинградской области»

(Исследовательская работа)

Выполнил(а): 

Мустафина Ева Васильевна, 8Б класс

Научный руководитель: 

Корж-Глухов Владимир Георгиевич,

учитель географии и биологии,

МБОУ «Гимназия №1 г.Никольское»

г. Никольское

2023

Содержание

Введение        3

Глава 1. Что такое колонна Виноградского?        5

Глава 2. Что происходит внутри?        6

Глава 3. Флуоресценция хлорофилла        7

Глава 4. Материалы и методы        7

Глава 5. Исследования        7

5.1. Биологические объекты        7

5.2. Природные вещества        7

Глава 7. Выводы        8

Заключение        9

Список литературы и электронных ресурсов:        10

Приложение        11

Введение

        В современном мире человек напрямую взаимодействует с другими царствами природы. Но плотнее всего мы взаимодействуем с бактериями. Одни бактерии нас защищают, а другие могут оказать и оказывают негативное влияние на нас. Чем больше человечество эволюционирует, тем сильнее оно использует природу и ее ресурсы. И это использование накладывает огромную нагрузку на окружающую среду. Развитие технологий не дает полной защиты окружающей среды и ее ресурсов от продуктов жизнедеятельности человека. Например, наибольшему негативному влиянию подвергаются внутренние воды. Наш регион (Ленинградская область) имеет много природных водных источников. Давайте представим, что у нас есть возможность без лабораторного оборудования отследить наличие тех или иных бактерий в отдельно взятом водоеме, с выходом на практический результат. Так мы решили заняться этим исследованием.

За основу мы взяли колонну Виноградского - стеклянный цилиндр, который является универсальным инструментом для изучения бактериальных форм таких как: клостридий, десульфовибрион, хлорбиом, хроматий, родомикробиум, беггиатто, включая цианобактерии и одноклеточные водоросли.

Причём культивировать можно одновременно разный комплект бактерий в разных колоннах, наблюдая и сравнивая, что в них происходит с течением времени.

Источником отбора материала для колонн Виноградского, была выбрана река Тосно. Река является левым притоком р. Нева, проходит через городское поселение – г. Никольское.

В процессе эксперимента был выявлен еще один интересный факт одноклеточные водоросли и зеленные бактерии могут флуоресцировать. 

Лазерно-индуцированная флуоресценция (ЛИФ) успешно применяется при определении участков загрязнения нефтепродуктами, в том числе аварийного состояния нефтепроводов (технология LDI).

Цель:

        колонны Виноградского - выделить различные разновидности бактерий для их последующих изучений и определения бактериального разнообразия в открытом природном водоеме;

        флуоресценция - изучение явления флуоресценции.

В соответствии с целью были поставлены задачи.

Задачи:

• изучить литературу и другие источники;
• заложить колонны Виноградского с различными компонентами питательных сред;
• провести наблюдения и сделать выводы о скорости образования колоний и видовой принадлежности бактерий;
•  определить влияние различных источников света на флуоресценцию хлорофилла;
• использовать полученный раствор хлорофилла для проведения эксперимента и получить релевантные результаты, чтобы подтвердить актуальность методики выделения и хранения хлорофилла;
• адаптировать результаты эксперимента для внедрения в учебный план по биологии и биоэкологии.

Методы исследования

• сбор информации из разных источников (энциклопедии, сайты интернета);
• наблюдения;
• собственные эксперименты

Актуальность:

       Практическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что полученные результаты при наблюдении за колоннами Виноградского помогут определить и систематизировать бактериальный мир в открытых водоемах и в частности р. Тосно. Постараться определить возможные источники и наличие загрязнений во внутренних водах нашего региона. В дальнейшем привлечь большее внимание школьников к биоэкологическим процессам.   Это необходимо каждому. Именно поэтому, данную тему я считаю актуальной.

Глава 1. Что такое колонна Виноградского?

        Колонна представляет собой вертикальный прозрачный сосуд, наполненный илом, водой и различными химическими элементами, и питательными средами. В совокупности под воздействием солнечного света и положительных температур, внутри колонн протекают микробиологические процессы, которые приводят к возникновению отличных друг от друга сред обитания, где происходит рост бактериальных колоний разных видов^[1].

        Колонна состоит из вертикального сосуда на 2/3 наполняется смесью речного ила и на треть водой из того же водоема. К ней добавляют источники таких элементов, как углерод, карбонат и сульфат кальция, а также серы. Понадобятся и микроэлементы вроде цинка, железа, магния и так далее.

        Несмотря на кажущуюся сложность, собрать колонну Виноградского в домашних условиях весьма просто. Ил собираем в открытом водоёме, углерод – это обрывки газет, карбонат кальция в избытке содержится в яичной скорлупе, а яичный желток предоставит бактериям достаточно микроэлементов и серу. Сульфат кальция, в свою очередь, можно получить из строительного гипса. Достаточно смешать это все в сосуде и выставить колонну на свет.

В результате, «настоявшись» в течение несколько недель, а то и месяцев, колонна Виноградского станет домом для целой популяции разнородных бактерий. Колонны не имеют законченного цикла исследования. Изменяя параметры и условия, мы сможем наблюдать за развитием микромиров неограниченное время. Делая наш эксперимент более насыщенным новыми фактами и выводами!

Глава 2. Что происходит внутри?

        В зависимости от добавленных микроэлементов, в процессе инкубации бактерии внутри колонны создадут так называемые «градиенты», то есть переходящие зоны с разным содержанием кислорода и сульфида.

Отследить градиенты достаточно просто – содержимое колонны начнет окрашиваться в разные цвета, отвечая содержанию тех или иных бактерий в этой «области». Происходит это вследствие жизнедеятельности тех или иных микроорганизмов. Так, одни бактерии начнут производить углекислый газ. Другие, в свою очередь, превратят его в кислород – он будет подниматься в верхние уровни колонны, где им будут дышать аэробные микроорганизмы. В свою очередь аэробные бактерии начнут производить сероводородные соединения, которые опустятся на дно колонны, где другие бактерии начнут ими «питаться», восстанавливая серу. Сера в свою очередь начнет попадать в верхние слои колонн, где будет окисляться цианобактериями и снова превращаться в сероводород.

        Таким образом, жизнь в колонне поделится на несколько «этажей». В водном слое станет возможным образование одноклеточных водорослей. Наверху субстрата будут жить цианобактерии, дышащие кислородом, а на самом дне – анаэробные микроорганизмы, которые будут перерабатывать спускающийся к ним сероводород в углекислый газ. Сформируется природный цикл, полноценная экосистема^[2].

Глава 3. Флуоресценция хлорофилла

Флуоресценция хлорофилла — это явление свечения хлорофилла при поглощении им света, происходит в результате возвращения молекулы из возбуждённого в основное состояние. По флуоресценции хлорофилла можно судить о состоянии водорослей и их устойчивости к различным стрессирующим факторам^[3].

Глава 4. Материалы и методы

1. Для колонн Виноградского: стеклянные сосуды с заложенными субстратами из открытого водоема;

2. Ультрафиолетовый фонарик «UV-21LED» 390-400 нм, 21 светодиод;

Метод инициирования флуоресценции хлорофилла: 

        хлорофилл подсвечивали с помощью ультрафиолетового фонарика.

Глава 5. Исследования

5.1. Биологические объекты

Самое интересное было найти биологические флуоресцирующие тела. В колоннах Виноградского для этого мы использовали одноклеточные водоросли, цианобактерии и аэробные фотосинтезаторы. В литературе так же было описано много морских животных (кальмары, медузы, планктон, осьминоги и пр.).

5.2. Природные вещества

Когда молекула хлорофилла или другого фотосинтетического пигмента поглощает свет, говорят, что она перешла в возбужденное состояние. Энергия света используется для перевода электронов на более высокий энергетический уровень. Энергия света улавливается хлорофиллом и преобразуется в химическую энергию. Возбужденное состояние хлорофилла неустойчиво, и его молекулы стремятся вернуться в обычное (устойчивое) состояние. Например, если через раствор хлорофилла пропустить свет, а затем понаблюдать за ним в темноте, то мы увидим, что раствор флуоресцирует^[4]. Это происходит потому, что избыточная энергия возбуждения преобразуется в свет с большей длиной волны и меньшей энергией, при этом остаток энергии теряется в виде тепла. Так же фотосинтезирующие органоиды растений участвуют в процессе газообмена. Что немаловажно для развития и поддержания жизни в природных водоемах.

Глава 7. Выводы

        На основе колонок Виноградского, с использованием субстрата из р. Тосно созданы несколько работоспособных образцов. При наблюдении за ними можно выделить следующие недостатки: невысокая производительность, чувствительность к температурному режиму и свету. Однако колонны все еще находятся в стадии тестирования! С течением времени явно проявляются изменения, и на этом этапе мы уже можем наблюдать бактериальное, метаболическое разнообразие. Которое своим цветом «расскажет» нам о разных видах бактерий и тех питательных средах, на которых они создают свои колонии. Анализирую основной образец из р. Тосно и, сравнивая его с другими колоннами можно предположить, например, что река не имеет загрязнений источниками серы (сточные воды). Идентифицируя эти питательные среды, в будущем мы сможем выявлять возможные источники загрязнения открытых водоемов на начальном этапе исследований.

        При исследовании эффекта флуоресценции было выявлено то, что для обнаружения этого явления у природных объектов нужно применение специальных приборов (источник ультрафиолета или электронный микроскоп). При воздействии на хлорофилл ультрафиолетом он меняет свой цвет, оттенок становится красным.

Заключение

Таким образом, исследование колонн Виноградского может применяться для следующих целей:

-   изучение метаболического разнообразия микроорганизмов;

- изучение работы экосистем микроорганизмов, «экологической преемственности»;

 - выведение новых популяций бактерий и обогащение уже имеющихся колоний;

- биоремедация, то есть способ очищения водоемов с помощью метаболических процессов проживающих в нем микроорганизмов;

- изучение экосистем того или иного водоема, выявление факторов влияния внешней среды на популяции бактерий.

Познавая явление флуоресценции и мир микробиологии, я узнала много интересного. Считаю, что, изучая эти процессы я могу привнести много нового и интересного в повседневный учебный процесс, делая его еще более интересным и насыщенным.

Список литературы и электронных ресурсов:

1. Иллюстрированная энциклопедия: биологические эксперименты. Р.Б. Томсон, Ф.Б. Томсон
2. Подробнее: https://www.labirint.ru/books/707572/
3. Журнал «Химия и химики», №4, 2015 Часть1. Опыты с ультрафиолетовым излучением [c.7-8].
4. Т.В. Нестеренко, А.А. Тихомиров, В. Н. Шихов. Индукция флуоресценции хлорофилла и оценка устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям. / 2007 г. [с. 444-458].

Интернет источники:

5.  [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/

Люминесценция. Флуоресценция.

6. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mednovosti.by/journal.aspx?article=4071; Использование флуоресцентных методов в медицине.
7. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Яблонский Александр (физик)
8. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://monographies.ru/en/book/section?id=9251; Фосфоресценция и флуоресценция. Диаграмма Яблонского
9. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.convdocs.org/docs/index-9216.html; Пособие по охране труда. Общие положения.
10. [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://ppt-online.org/415385; Спектрофотометрия и спектрофлуориметрия.
11. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://studentoriy.ru/referat-lyuminescenciya-klassifikaciya-metodov-po-sposobu-vozbuzhdeniya-mexanizmu-dlitelnosti-sxemy-yablonskogo; Классификация методов по способу возбуждения, механизму, длительности, схемы Яблонского.