ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ КУЛЬТУРЫ ХЛОРЕЛЛЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ
творческая работа учащихся

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ-ГИМНАЗИЯ №15

________________________________________________________                  

РАЙОННЫЙ КОНКУРС

 ПРОЕКТНЫХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ «ДЕНЬ НАУКИ»

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА

По направлению «Биология и экология»

ТЕМА: «ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ КУЛЬТУРЫ ХЛОРЕЛЛЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ»

             Автор работы

                                                                Павлова Варвара Витальевна

             Класс: 11 Б

             Научный руководитель:

             Каляева Елена Анатольевна

             Должность:

             Учитель химии и биологии

г. Клин, 2020 г.

Оглавление

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

Глава 1.1. Хлорелла как биологический объект для минимизации загрязнения вод………………………………………………………………………………5

Глава 1.2.  Экологическая безопасность использования  антигололёдных средств………………………………………………………………………….8

Глава 2.1. Спектрофотометрический анализ окрашенного раствора датчиком оптической плотности «Цифровой лаборатории по химии»………………10

Глава 2.2. Испытание токсикологических свойств водных растворов городской среды……………………………………………………………….11

Заключение………………………………………………………………….....16

Библиографический список  используемой литературы…………………...17

Приложение…………………………………………………………………...18

Введение

Двадцать первый век – время интеграции новейших технологий в современное общество; время грандиозных исследований и немыслимых открытий. Однако все жизненные процессы работают по неизменному правилу «бумеранга» - рано или поздно ты пожмёшь плоды своих стараний, вопрос лишь один – в какой форме?

Стремительное развитие промышленности, техники и разных видов транспорта привели к катастрофическому состоянию экосистемы. Закисленные почвы значительно уменьшают биоразнообразию городского фитоценоза, избыточное скопление углекислого газа спровоцировало возникновение парникового эффекта, в то время как в акватории ежедневно сбрасываются тонны мусора и промышленных отходов. Всё это привело к неизбежной угрозе здоровью человека: по сей день диагностируются новые заболевания, причиной возникновения которых являются токсины и ядовитые вещества, свободно окружающие нас каждый день.

Отныне нельзя беззаботно использовать водные ресурсы для утоления жажды или купания, чтобы избавиться от знойной жары. Каждый водоём несколько раз перепроверяется, чтобы затем быть предоставленным общественному пользованию.

Но это не всё. Двадцать первый век также славится высокими значениями урбанизации. С ростом городов и увеличением парка автотранспорта возрастает количество применяемых противогололедных реагентов, что, в свою очередь, может приводить к накоплению нежелательных ионов в объектах окружающей среды. Реагенты просачиваются в почву, засоряют канализации, вызывают коррозии металлоконструкций, а также представляют огромную опасность всем живым организмам, включая человека.

Я приняла решение лично разобраться в этом дискуссионном вопросе и попытаться экспериментальным путём выяснить, так ли вредны антигололёдные реагенты, как позиционируются, и насколько безопасны водные источники нашего города для живых организмов?

В связи с вышесказанным, цель моего проекта является исследование токсикологических свойств разных источников воды методом определения оптической плотности культуры хлореллы.

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить научную литературу о зеленой водоросли хлорелле как биологическом объекте для минимизации загрязнения вод

2. Определить ключевые аспекты экологической безопасности использования  антигололёдных средств в городской среде.

3. Опытным путем испытать токсикологические свойства водных растворов разных источников воды в городской среде.

Гипотеза исследования: показатель оптической плотности растворов, заселенных культурой хлореллы зависит от степени загрязнения воды.

Глава 1.1. Хлорелла как биологический объект для минимизации загрязнения вод.

Начнём с того, что хлорелла  -  это одноклеточная, неподвижная зелёная водоросль. Она не требовательна к условиям обитания, а потому встречается повсеместно: бентос, перифитон, нейстон, наземные субстраты и почва. В водоёмах выступает в роли планктона. Более того, хлорелла входит в состав лишайников, способна вступать в симбиоз с разными гидробионтами, образуя зоохлореллы. Обратимся к систематическому положению: отдел - зеленые водоросли, класс - зеленые  (или равножгутиковые) водоросли, порядок - хлорококковые  или         протококковые, семейство – ооцистовые, род – Хлорелла.

Клетки хлореллы обычно содержат чашевидный хлоропласт с пиреноидом или без него, а также одно мелкое ядро. Единственный способ размножения - бесполый, причем каждая гаплоидная клетка митотически делится дважды или трижды с образованием соответственно четырех или восьми потомков - автоспор, которые еще внутри оболочки материнской клетки одеваются собственными оболочками. Освобождаются автоспоры после разрыва стенки материнской клетки. В ходе микроскопических исследований у некоторых видов хлореллы было выявлено сложное строение клеточной стенки. Наружный трёхслойный компонент стенки содержит такое вещество, как  спорополленин, очень устойчивое к действию многих ферментов; а внутренний - целлюлозные микрофибриллы, связанные между собой лигнином [4].

Особое внимание следует обратить на размножение хлореллы, так как именно оно занимает ключевую роль в моём проекте. Способ размножения у хлореллы - бесполый, а темп размножения  очень быстрый. Так, в течение суток одна клетки водоросли может образовать до десяти  дочерних клеток! Однако и это не всё, ведь хлорелла обладает уникальным типом клеточного деления - с участием фикопластов!  Дочерние ядра  здесь движутся навстречу друг другу, в то время как неустойчивое веретено разрушается и параллельно плоскости клеточного деления образуется новая система микротрубочек - фикопласт. Вероятно, он должен гарантировать формирование борозды деления между дочерними ядрами. Ядерная оболочка в процессе митоза сохраняется, у подвижных клеток жгутики прикреплены к переднему концу. Внутри таких клеток находится система корешковых волокон, жгутиков, образованная крестообразно расходящимися четырьмя узкими пучками микротрубочек. Эти пучки начинаются от передних базальных телец или вблизи них [рис.1]

По способу питания хлорелла также непроста: на свету она автотроф, а в тени гетеротроф. С изменением глубины уменьшается интенсивность освещения, в связи с чем, для нормальной жизнедеятельности хлорелле следует уходить не ниже шести метров. К тому же, хлореллу относят к физиологической группе пентон-углеводных организмов, так как для добычи необходимого азота нуждаются не только в пентоне, но и в углеводе (например, глюкоза). К тому же, она использует загрязнители водных объектов в качестве источника питания, поэтому её принято использовать как биологический объект для минимизации загрязнения вод.

Интересно, что хлореллу легко культивировать, поэтому она широко применяется в экспериментах по изучению фотосинтеза. Более того, эту водоросль используют в качестве источника питания, и причин этому множество: богатый источник белка (включает в себя все незаменимые аминокислоты); быстрый рост; занимает меньше пространства, чем традиционные растения и животные; эксплуатация вызывает меньше этических проблем и не затрагивает проблем, касающихся прав животных; не зависит от климатических условий, так как легко культивируется [4].

Однако основным вопросом моего проекта является изучение оптической плотности культуры хлореллы как показателя токсикологических свойств воды. Для этого сначала следует обозначить загрязнители в природных условиях и то, как на них реагирует хлорелла.

Наибольшее загрязнение природных вод дает промышленность таких отраслей народного хозяйства, как нефтеперерабатывающая, химическая, мыловаренная, целлюлозно-бумажная, текстильная, металлургическая, горнодобывающая. В последнее время химизация сельского хозяйства тоже оставила свой след, ведь из внесенных удобрений в воду попадает около 20% азота, 2,5% фосфора и 30% калия [2]. В связи с этим сельское хозяйство стало основным источником загрязнений водных объектов биогенными веществами, которые вызывают прогрессирующую эвтрофикацию (содержание в воде питательных веществ и первичной продукции) водных объектов, приводят к нарушению процессов самоочищения. Не меньшую опасность несут и пестициды. А хлорелла использует загрязнители водных объектов в качестве источника питания, поэтому её принято использовать как биологический объект для минимизации загрязнения вод.

Как же хлорелла реагирует на природные загрязнители? И почему её применяют для очистки сточных вод? Процесс реабилитации водоёмов включает в себя минимизацию загрязняющих веществ, улучшение санитарного состояния. В ходе проведения некоторых опытов [4], было выяснено, что, вероятно, хлорелла разрушает только часть наиболее "безвредного для себя" нефтяного загрязнения, зависящую от начальной концентрации. Другая часть нефтепродуктов хлореллой на разрушается, а переводится в объёмно растворимое в воде комплексное соединения скорее всего хелатного типа, выделяемым хлореллой протектором, который таким образует блокирует негативное воздействие нефтепродуктов на свою культуру. В результате с увеличением концентрации микроводоросли значительно увеличивается процент снижения нефтепродуктов в исходной среде.

А вот растворы солей  CuSO4 и FeSO4 являются токсичными для жизнедеятельности хлореллы, и даже небольшая их концентрация подавляет размножение микроводоросли и вызывает гибель клеток. Однако в результате исследований [4] было выявлено, что соли меди являются наиболее токсичными и вызывают гибель живых организмов при малой концентрации – от 0,01мг/л. Более того, хлорелла подавляет развитие болезнетворных бактерий, активно использует не только азот и фосфорсодержащие компоненты, но и многие химические элементы и соли [3].

Глава 1.2.  Экологическая безопасность использования  антигололёдных средств.

Суровые климатические условия нашей просторной и многоликой страны вынуждают людей из года в год прибегать к использованию антигололёдных реагентов с целью обеспечения безопасности дорожного и пешеходного  движения, минимизации травматизма в холодное время года.

В России начало применения ангтигололёдных реагентов датируется 1966 годом: к песку добавлялись хлориды натрия и кальция в количестве 2% по весу [2]. Применение чистых солей на дорогах практически не практиковалось, а в зимний период использовали фрикционные материалы (песок, щебень, шлак) в смеси с солью или без неё. Однако эта смесь, в современном понимании антигололёдных реагентов, разительно отличается от современных образцов и имеет кучу недостатков. Безусловно, первостепенную важность тогда играла цена – данная смесь дешёвая. Тем не менее, песок сильно забивал ливневые канализации, которые затем долго и кропотливо очищали, затрачивая каждый раз нескромную сумму денег. А забитые стоки снижали эффективность антигололёдных реагентов: вода не проходила в канализации, скапливалась на дорогах, из-за этого буквально за одну ночь дороги вновь покрывались новым слоем льда поверх песка. Со временем количества песка сокращали, а долю технической соли увеличивали. Это не могло не сказаться на состоянии окружающей среды: почва серьезно изменила свой состав, что сказалось на здоровье и развитии растений. И если в США и странах Европы дозирование соли строго ограничено – 30 гр/км2, то в России её разбрасывали так же интенсивно, как и в своё время песчано-соляную смесь, превышая норму в несколько раз! И это дало свои «плоды»: соль стала разъедать не только лед, но и колеса и кузова автомобилей, обувь пешеходов и даже контактные сети троллейбусов и трамваев. Концентрация солей в почве резко возросла, из-за чего начали гибнуть зелёные насаждения. Стремительно ухудшилась экология в крупных мегаполисах. Существуют данные, что в Москве соляные пары поднимались на высоту до 15 метров. Экологи забили тревогу, заявив, что если не прекратить использование соли, то положение дел станет необратимым. Тогда было принято решение перейти к более «продвинутым» средствам, которые не оказывали бы на окружающую среду такого негативного воздействия. И главным критерием выбора стала нейтральность  антигололёдного реагента: взаимодействовать он должен был исключительно со льдом, не затрагивая ни металл, ни пластмассу, ни резину, ни прочие материалы [5].

На современном рынке предоставлен огромный выбор реагентов, однако самыми популярными и востребованными по сей день остаются хлоридные реагенты. Именно они наиболее опасны для окружающей среды, здоровья человека и домашних животных, более того, способны вызывать коррозию бетонных конструкций.

Большинство реагентов имеют в своём составе хлориды магния, кальция и натрия. В хлоридно-магнезиальных средах происходит химическая реакция между хлоридом магния Мg и гидроксидом кальция Са, с образованием практически нерастворимого гидроксида Мg и хорошо растворимого хлорида кальция, который выносится из бетона, разрушая его [2, 3]. То есть, в хлоридно-магнезиальных средах происходит коррозия бетонных конструкций, в связи с чем противогололёдные реагенты считаются опасными не только для окружающей среды, но и многих городских построек.

Тем не менее, выделяют и естественные противогололёдные реагенты: техническая соль, обычный строительный песок, мелкий гранитный щебень (известный как гранитная крошка). Однако они значительно проигрывают своим искусственным собратьям, перечисленным в таблице [4], ведь их расход куда более экономичный, воздействие на окружающую среду не такое агрессивное, канализации не засоряют по окончании зимы, а скорость плавления наледи значительно выше.

Глава 2.1. Спектрофотометрический анализ окрашенного раствора датчиком оптической плотности «Цифровой лаборатории по химии».

        Для изучения и сравнения токсикологических свойств воды путем заселения культуры хлореллы мы провели научный эксперимент, где в качестве исследуемых растворов были взяты образцы воды из различных природных и искусственных источников. Данные источники, как можно предположить, имеют разную степень химического загрязнения и поэтому стали интересны в качестве исследования.

Эксперимент построен на заселении образцов воды культурой хлореллы и в определении оптической плотности раствора после выдерживания растворов в темном месте и на свету.  Руководствуясь методическими рекомендациям Жилина Д.М., автора «Цифровой лаборатории по химии» [1], мы будем применять метод спектрофотометрического анализа.  Источник света, соответствующий  длине волны 525 нм, рассеивает зеленый свет, который проходя через кювету с раствором попадает на чувствительный элемент рамки датчика, фиксируя результат через на экране компьютера. Оптическая плотность D согласно закону Бугера – Ламберта – Бэра пропорциональна концентрации окрашенного растворенного вещества.

D = ε⋅l⋅C, где С – это молярная концентрация окрашенного вещества, l – длина оптического пути, а ε - это молярный коэффициент поглощения света.  

Значение оптической плотности зависит от длины световой волны, а также от природы вещества. Чем больше оптическая плотность, тем более окрашен раствор. В качестве оборудования нам необходимы: кювета, датчик оптической плотности 525 нм, стаканы с водными растворами хлореллы [фото 1]. С помощью датчика оптическая плотность измеряется с точностью до  ± 0,002 ед.

Глава 2.2. Испытание токсикологических свойств водных растворов городской среды.

И теперь мы непосредственно приступаем к практической части моей проектной работы. Мы взяли восемь образцов воды:

1) Колодезная вода, раньше считавшаяся самой чистой и полезной. В чистой колодезной воде нет хлора и химикатов, которые в огромных количествах добавляют городские очистные станции.

2) Из лужи - самой малой формой водоёмов. С точки зрения экологии и зоологии водные лужи представляют собой малые водные биотопы. Однако в луже, под воздействием солнца, в теплой воде, очень быстро разводится миллиарды опасных для человека бактерий и микробов.

3) Из пруда - водоёма со стоячей водой. Как и любая другая природная вода, она содержит в своём составе различные растворенные вещества, поэтому редко имеют нейтральную реакцию. Учитывая, что водоём пресный, вода чаще всего бывает слабощелочной, из-за того, что в растворённом состоянии находятся гидрокарбонаты кальция и магния Са(НС03)2 и Mg(HC03)2.                                                                                              

4) Из реки – вода нашей рек, как и многих других, принадлежит к гидрокарбонатному классу. По составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция.

5) Талый снег с обочины шоссе – содержит опасные для биосистемы соединения, проникает в почву и включается в круговорот веществ, нанося серьёзный вред живым организмам.

6) Талый снег с антигололёдными реагентами – просачиваясь в почву и водоёмы вдоль дорог, талый снег включается в круговорот веществ и загрязняет биосистемы. Живые организмы получают химически вредные вещества в результате взаимодействия с окружающей средой.

7) Вода с пропущенными через неё выхлопными газами – сами по себе отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания содержат около 200 компонентов, однако выделим из них самые главные и токсичные: оксид азота NO, диоксид азота NO2, а также угарный газ, который способен вызывать сильнейшие отравления.

8) Дистиллированная вода – вода, абсолютно очищенная от растворённых в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей путём дистилляции.

Из каждого образца отобрали 50 мл и добавили 30 мл суспензии хлореллы. Распределили тестируемые образцы в отдельные баночки, ёмкостью 50 мл каждая, и поместили в темноте ровно на трое суток. Спустя указанное время проверили замеры оптической плотности благодаря  датчику оптической плотности. Полученные результаты предоставлены в таблице 1, где указанные величины представлены значением оптической плотности (D) [фото 1]. Динамику оптической плотности водных растворов вы можете посмотреть на диаграмме 1, указанной в приложениях.

Отталкиваясь от полученных результатов, можно сделать определённые выводы. В темноте оптическая плотность понизилась у всех образцов, либо осталась неизменной [№2, №8]. Это связано с гетеротрофным типом питания хлореллы. Так, дистиллированная вода [№8] не содержит в себе никаких органических соединений, абсолютно очищена от загрязнений, поэтому считается контрольным образцом. В ней хлорелла размножаться не сможет – нет источника пищи. Вода из лужи [№2] лишена органических веществ и содержит токсины, подавляющие рост хлореллы. Это объясняет отсутствие роста оптической плотности водоросли, а затем и её быструю гибель. В образцах №3,№4 водоросль предположительно съела те органические вещества, которые присутствовали изначально в воде, что объясняет снижение её плотности.

Обратим внимание на изменившиеся показатели оптической плотности при размещении хлореллы на свету. Увеличение значений можем заметить в образцах №1, №5, №6 и №8. В дистиллированной воде повышение значения объясняется либо небольшой погрешностью, либо автотрофным способом питания хлореллы - на свету она фотосинтезирует и размножается. В прудовой воде [№1] хлорелла на свету также фотосинтезирует и размножается, что ведёт к повышению оптической плотности. Тем не менее, чистота образца от органических примесей привела оптическую плотность в своё первоначальное значение – отсутствовали ресурсы для гетеротрофного питания хлореллы. Таким образом, оптическая плотность колодезной воды и её изменения в ходе эксперимента позволяют говорить о приближенности образца к  воде дистиллированной – эталону среди всех остальных образцов, безопасной для употребления внутрь. В образцах №5 и №6 причина увеличения значения остаётся той же: автотрофный тип питания водоросли.

И если в условиях темноты из-за отсутствия органических хлорелла размножаться не могла, то с появлением света воспользовалась своей прекрасной возможностью, начала активно фотосинтезировать и размножаться. Однако в дальнейшем подобной динамики не наблюдалось. Предполагаю, что токсичные вещества, входящие в состав данных вод, ограничивали рост и размножение хлореллы, а затем и вовсе привели к её гибели.

Иная ситуация сложилась с образцами  №2, №3, №4 и №7. Снижение оптической плотности хлореллы в водах из пруда и реки можно объяснить естественной конкуренцией в лабораторных условиях, ведь в природных условиях хлорелла конкуренции не имеет. Не исключена возможность обитания в них фитопланктона, который и составил хлорелле конкуренцию, о чём свидетельствует заметное уменьшение оптической плотности в образцах №3 и №4 даже на свету, когда, казалось бы, есть все условия для интенсивного размножения: свет и органические соединения. Самую высокую, но также почти неизменную оптическую плотность в первые дни исследования имеет образец №7 (вода с пропущенными через неё выхлопными газами). Это свидетельствует о её высокой токсичности  – в первое время хлорелла использовала в качестве источника пищи опасные для водоросли органические вещества, а затем, предположительно, стремительно погибла, поэтому её оптическая плотность не меняется с течением времени даже на свету, наоборот – уменьшается вне зависимости от условий. Говоря об образце №2 – вода из лужи, её токсичное воздействие не вызывает сомнений. Водоросль очень быстро погибла, обратим внимание на начальное значение оптической плотности и то, которое мы получили через три дня: хлорелла быстро погибла, размножение и рост представлялись абсолютно невозможными под действием токсинов.  

Для определения причин снижения интенсивности размножения хлореллы св талой воде с регентами, мы также провели ряд измерений и качественных реакций антигололёдных реагентов с целью выявления их химического состава: Эрегон; песчано-соляная смесь; соляной реагент [фото3].

Я взяла ровно пять граммов каждого реагента, добавила 20 мл воды, а затем тщательно размешала, профильтровала. Данные, полученные мною, вы можете увидеть в таблице [2], а результаты проведённых опытов в приложении. Проведя химический анализ мы определили в реакции с щелочью наличие ионов магния [фото 4], по цвету пламени присутствие натрия (жёлтый цвет), в третьем образце мы обнаружили барий (зелёный цвет) [фото 5]. Эрегон и соляная смесь показали слабокислый водородный показатель, в то время как песчано-соляная смесь имеет значение, ближе к нейтральному значению. В каждом образце были обнаружены хлориды путём качественной проверки на хлор нитратом серебра AgNO3 [фото 6].

Заключение

В результате проделанной работы гипотеза исследования подтвердилась, так как  показатель оптической плотности растворов, заселенных культурой хлореллы действительно зависит от степени загрязнения воды. Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Во-первых, из всех источников воды по результатам определения оптической плотности культуры хлоры самыми токсичными оказались образцы с антигололёдными реагентами, с выхлопными газами, из лужи и с обочины шоссе.

Во-вторых, мы смогли определить предположительный состав антигололёдных реагентов, их водородный показатель и достоверно на примере культуры хлореллы показать вред, наносимый ими окружающей среде.

В-третьих, кислая среда реагентов и транспортные отходы могут привести к закислённости почв, грунтовых вод, и соответственно разнообразию только ацидофильных растений. Это, скорее всего, приведёт к исчезновению биоразнообразия в городской экосистеме.

Таким образом, экологическая безопасность городских экосистем находится под прямым воздействием загрязнителей техногенного характера, которые отнюдь не безобидны. И если сейчас они снижают интенсивность роста популяции культуры хлореллы, то при неуправляемом использовании могут привести к глобальным экологическим последствиям.

Библиографический список  используемой литературы

1. Жилин Д.М. Цифровая лаборатория по химии, Методическое пособие, Научные развлечения, Ювента, Москва 2016 г.

2. Розенталь Н. К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и

особо низкой проницаемости. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Москва, 2004 г.

3. А.Г. Стародубов, С.Б. Чудакова. Различные методы и технологии, применяемые для борьбы со снегом, и льдом, а также зимней наледью. Москва, 2005 г.

4. https://ibeauty-health.com/zdorovoe_pitanie/vodorosl-hlorella-i-ee-svojstva.html Токсикологические методы контроля. Дата обращения 11.11.2019

5. https://ohranatruda.ru/ot_biblio/norma/397591/#i245900/Экологическая безопасность. Дата обращения 01.11.2019

Приложение.

Фото. 1.  Датчик оптической плотности      Рис.1. Схема деления хлореллы                                                        

Фото 2. Образцы для исследования.

Фото 3. Эрегон (1),  песчано-соляная смесь (2), соль (3).

Фото 4.. Соль, песчано-соляная смесь, Эрегон (по порядку).

Фото 5. Обнаружение бария - зелёный цвет,               Фото 6. Определение хлоридов.

натрия – желтый цвет пламени.

Таблица 1.

Показания датчика оптической плотности

Диаграмма 1.

 Динамика оптической плотности водных растворов

Таблица 2.

Сравнение качественных характеристик антигололедных средств.