«Наномир» в содержании интегрированных и бинарных уроков естественнонаучной направленности

Почва как среда жизни. Антропогенное загрязнение почвы. Роль нанотехнологий в защите окружающей среды.

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК 9 КЛАСС (ЭКОЛОГИЯ, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ГЕОГРАФИЯ, НАНОТЕХНОЛОГИИ). 2 ЧАСА

Цель урока: развивать и систематизировать знания учащихся, связанные с ролью почвы в биосфере. Показать значимость современных инновационных нанотехнологий в защите окружающей среды.

Тип урока: обобщающий.

Педагогическая технология: исследовательская с использованием ИКТ и здоровьесберегающих форм работы.

Класс делится на 6 групп. Каждая группа получает задание. Через определённое время проходит тезисное представление материала. Учащиеся других групп задают вопросы докладчикам по теме выступления. Право задать вопрос по теме выступления определяется с помощью жеребьёвки.

Критерии оценки вопросов и ответов:

• Обоснованность.

• Краткость.

• Креативность.

• Активность.

Содержательные линии:

• Актуализация знаний.
• Выдвижение гипотезы: «Существует ли в настоящее время доказательство значимости роли почвы в биосфере».
• Свойства почвы.
• Почвообразователи.
• Почвенные организмы.
• Роль почвы в биосфере.
• Нанотехнологические инновации в очистке почвы.

Здоровьесберегающая деятельность. Мотивация обучения — проблемы загрязнения почвы актуальны для каждого человека. Смена видов деятельности (просмотр слайдов, работа с раздаточным материалом, сообщения, заполнение таблицы). Самоанализ. Релаксационная пауза через 20–25 минут от начала урока (смотри приложение).

Планируемые результаты:

Предметные:

Развитие знаний о свойствах, строении, роли почвы, инновационных нанотехнологических  подходах для её очистки; формирование экологического мировоззрения; применение полученных знаний для дальнейшего изучения экологии, понимания значимости нанотехнологий в охране окружающей среды.

Метапредметные (формирование надпредметных знаний):

Ученики способны отбирать необходимые для решения представленной на уроке проблемы источники информации, работать с информацией, изложенной в разных формах (текст, таблица, схема и др.), преобразовывать информацию, интегрируя содержание экологии, химии, физики, медицины, используя в том числе ИКТ. Ученики самостоятельно организуют процесс обучения. Анализируют, обобщают, структурируют материал, строят логические цепочки, выясняют причинно-следственные связи.

Универсальные учебные действия:

Личностные:

Установление связи между целью изучения почвы и мотивом сохранения окружающей среды, в том числе почвы. Формирование ценностно-смысловых ориентаций ученика в вопросах охраны окружающей среды, в том числе почвы;

Регулятивные:

Способность учащихся планировать свою деятельность с учётом конечного результата (чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу, необходимо пройти ряд этапов исследования объектов), способность оценить, что усвоено в данной теме, а что нет. Наметить план дальнейших действий;

Познавательные:

Поиск и выделение необходимой информации для доказательства значимости почвы в биосферных процессах, формирование познавательной цели, поиск новой информации о нанотехнологиях для защиты окружающей среды, в частности почвы;

Метапредметные:

Развитие мыслительной деятельности. Мотив обучения позволит учащимся управлять своей деятельностью, самостоятельно организовывать процесс обучения, анализировать, обобщать, структурировать материал, строить логические цепочки, выяснять причинно-следственные связи. Развитие умений использования методов информационного поиска, в том числе с помощью ИКТ. Способность оценить результаты своей деятельности, учитывая критерии, предлагаемые на данном уроке;

Коммуникативные:

Работа в группе помогает развивать диалог между сверстниками, строить продуктивное взаимодействие и сотрудничество, способствует формированию умения слушать и с уважением относиться к собеседнику.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ ЭТАП УРОКА

Учитель выдвигает гипотезу:

• Почва является глобальным фактором, влияющим на гидросферу и атмосферу, она участвует в круговороте веществ и жизнедеятельности организмов. Однако в настоящее время мало внимания уделяется проблемам экологической защиты почвы, её санитарной функции; недооценивается её роль как глобального фактора.

Попробуем доказать или опровергнуть представленную гипотезу. В процессе освещения тех или иных проблем изучаемой темы предлагается задавать вопросы, дополнять ответы учащихся. Вопрос должен быть конкретным и чётко сформулированным, с желательным последующим комментарием ответа на вопрос.

По ходу урока ученики заполняют таблицу, анализируют данные таблицы и определяют системные взаимосвязи.

ТАБЛИЦА. МНОГОКОМПОНЕНТНОСТЬ ПОЧВЫ

Учитель. (Демонстрирует слайд № 1. Содержание слайда — иллюстрация слоев Земли).

На основании сейсмических исследований в строении Земли выделено

три основных слоя: наружный, называемый земной корой, промежуточный —мантия, внутренний — ядро.

Земная кора и слой верхней мантии составляют литосферу. Верхняя часть литосферы — почва.

Земная кора является источником полезных ископаемых, а процессы, происходящие в ней, влияют на материальный и энергетический баланс биосферы. Мантия и ядро, составляющие 99% объёма Земли, пока  недоступны для химического анализа.

В начале ХХ века В. В. Докучаевым и его учениками было создано первое теоретическое учение о почве как особом естественноисторическом теле природы. В. И. Вернадский (ученик В. В. Докучаева) впервые сказал о глобальном значении почвы, как части литосферы, необходимой для эволюции, функционирования и сохранения биосферы. В почвоведении существует большое количество определений понятия «почва».

Например, почва — продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоёв земной коры под влиянием жизни и обменных процессов.

Почва — биокосная система, основанная на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и другими почвенными организмами.

Известны пять факторов новообразования почвы (по определению В. В. Докучаева): материнские породы, растительные и животные организмы, климат, рельеф, время. К ним добавлены почвенные и грунтовые воды, деятельность человека.

ПРОБЛЕМНО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ ЭТАП УРОКА

Работа в группах. Заполнение таблицы. При работе над предлагаемым материалом обратите внимание на структурирование материала, проблемный характер изложения данных. При подготовке к постановке вопросов для других групп проявите умение чётко, в соответствии с заданной темой, формулировать вопрос; наиболее интересными являются проблемные вопросы. При прослушивании ответа проявляйте, пожалуйста, уважение к отвечающему.

Химический состав почв

Первым исследовал химический состав земного вещества американский геохимик Ф. У. Кларк в 1899 году. Среднее содержание химических элементов в земной коре вычислил А. П. Виноградов. Учёные отмечают сходство распространения химических элементов в земной коре и в космосе. Любые почвы содержат все элементы Периодической системы Д. И. Менделеева, а в случае химического загрязнения в почвах обнаруживаются и трансурановые элементы. Диапазон концентраций (см. таблицу ниже) очень велик: от десятков и единиц массовых долей (в %) до 10–10–10–11%. Химические элементы представлены в почвах большим набором соединений. Разнообразие соединений любого из элементов обеспечивает сравнительную устойчивость химического состояния почв. Так, соединения фосфора представлены преимущественно ортофосфатами кальция, алюминия, железа, цинка, свинца, марганца. Кроме того, значительная часть фосфора является составной частью органических соединений и конденсированных фосфатов.

Железо в почвах одновременно входит в кристаллические решетки алюмосиликатов, в минералы гетит FeO(OH), гематит Fe2O3, в различные гидроксиды. По мере расхода наиболее растворимых соединений железа (III) его концентрация поддерживается в почвенном растворе другими соединениями железа. Соединения кремния в почвенном растворе представлены ортокремниевой кислотой H4SiO4 или её полимерными формами, а в твёрдых фазах одновременно сосуществуют аморфный и кристаллический диоксид кремния SiO2 (кварц), минералы группы алюмосиликатов.

ТАБЛИЦА. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПОЧВЕ (В % ПО МАССЕ)

Особенно многочисленны в почвах соединения углерода. Практически всегда в почвенном воздухе есть диоксид углерода CO2, в почвенном растворе — угольная кислота, в степных и сухостепных почвах — CaCO3 и Na2CO3; и это только минеральные соединения. Набор соединений в органическом веществе до сих пор не подсчитан, но в их число входят как низкомолекулярные соединения, начиная от метана CH4, аминокислот, простейших кислот жирного ряда, моносахаридов, так и высокомолекулярные соединения, представленные целлюлозой, лигнином, полипептидами.

Особое место занимают так называемые специфические для почв гуминовые вещества. Впервые гуминовые кислоты выделил из торфа немецкий учёный Ф. Ахард в 1786 г., но до сих пор их строение остается неясным, возраст, датированный по радиоактивному изотопу 14C, достигает сотен и тысяч лет, а молекулярные массы составляют десятки тысяч атомных единиц массы. В основе гуминовых веществ лежат бензолсодержащие фрагменты, их мобильная часть представлена большим набором аминокислот и моносахаридов, они содержат азот и различные кислородсодержащие функциональные группы: карбоксильные –COOH, гидроксильные –OH и другие.

Особенность гуминовых кислот заключается в высокой устойчивости

к гидротермическим и биохимическим условиям. Функции гуминовых веществ в почвах разнообразны и чрезвычайно важны. Они аккумулируют элементы питания растений, защищают почвенные минералы от выветривания, способствуют миграции катионов различных металлов в форме комплексных соединений, регулируют тепловой и кислотно-основной режимы почв, влияют на ёмкость катионного обмена и на буферность почвы, обладают выраженной физиологической активностью и способны стимулировать рост и развитие сельскохозяйственных растений.

Сложность состава почв, большой набор химических соединений обуславливают возможность одновременного протекания различных химических реакций между почвенным раствором и твёрдыми частями почвы (cм. схему), а также способность твёрдых фаз почв поддерживать сравнительно постоянным состав почвенного раствора, откуда растения непосредственно черпают химические элементы. Эту способность почв — поддерживать постоянный состав почвенного раствора — называют буферностью почв, которая определяется большим набором одновременно протекающих химических реакций. Химическое разнообразие делает почву устойчивой к изменяющимся условиям природной среды или антропогенной деятельности.

 СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ПОЧВЕННЫМ РАСТВОРОМ И ДРУГИМИ КОМПОНЕНТАМИ ПОЧВЫ (СЛАЙД № 3)

По современным данным в почвах может происходить более 30 различных химических реакций и процессов. Часть из них имеет общий характер для всех почв, часть присуща только отдельным почвенным типам. Общие для большинства почв реакции следующие: осаждение — растворение, катионный обмен, комплексообразование, синтез и минерализация органических соединений, образование гуминовых веществ.

Почвам северных влажных регионов свойственны накопление кислых продуктов, развитие восстановительных процессов; в сухих южных районах нередко происходит накопление солей, а реакция почв зависит от карбонатов кальция и регулируется карбонатно-кальциевым равновесием. Ниже рассмотрены наиболее важные для почв свойства и характеристики.

Природная кислотность почв может быть вызвана органическими кислотами, попадающими в почву с растительными остатками или корневыми выделениями, диоксидом углерода в почвенном воздухе и поступлением азотной и серной кислот с кислотными дождями. Анализ химических равновесий показал, что роль CO2 в этом процессе значительнее, чем это представлялось раньше. Растворение углекислого газа CO2 приводит к образованию угольной кислоты H2CO3. Сама по себе это довольно слабая кислота, но в почвенном воздухе доля углекислого газа CO2 много выше, чем в атмосферном; в последнем доля CO2 составляет около 0,03%, а в почвенном воздухе достигает целых процентов. Поэтому в некарбонатных почвах только за счёт растворения углекислого газа величина pH может опускаться до 4,5 и даже ниже. Болотные почвы имеют pH 4,0–4,5, песчаные — 4,5–5,0, глинистые — около 7,0.

Щелочными считают почвы, водная суспензия которых имеет pH 7,5–8,0или выше. Щёлочность почв вызывается различными солями: роль играют Na2CO3 и CaCO3; последний создаёт кислотно-основную буферность и сравнительно высокую щёлочность. Регулирование реакции осуществляется в этом случае за счёт карбонатно-кальциевой системы CaCO3–H2O–CO2. Карбонатно-кальциевая система работает до тех пор, пока в твёрдой части почвы присутствует CaCO3, и обуславливает величины pH почвенных суспензий в зависимости от парциального давления CO2 в почвенном воздухе.

Окислительные процессы в почвах идут за счёт кислорода воздуха, при этом органические вещества почвы окисляются или частично, или полностью до конечных продуктов — H2O и CO. При высоких окислительно-восстановительных потенциалах почв порядка +0,5 – +0,7 в в наиболее аэрированных и малоувлажнённых почвах практически все элементы с переменной валентностью приобретают высшие степени окисления, многие из них (ионы железа, меди, кобальта, серы, азотосодержащие) становятся малоподвижными и малодоступными для растений.

Свойства почвы

Почва обладает некоторыми свойствами, которых лишены воздушная и водная среды. Частицы образуют мелкоячеистый фильтр, который весьма эффективно задерживает твёрдые взвеси из вод, просачивающихся в почву.

Частицы глины и гумуса являются хорошими адсорбентами, однако каждая почва имеет свою адсорбционную ёмкость. Фильтруемость и накопление примесей в почвах, а также способность почв к регенерации определяют их устойчивость к антропогенному воздействию.

Важным компонентом почвы, способствующим изменению её физико-химических свойств, является биомасса. Под воздействием растений происходит образование специфических органических веществ (гумуса или перегноя), именно содержание гумуса в почвах и определяет их плодородие. В почве живут черви, членистоногие, микроорганизмы. В формировании плодородия почв важнейшая роль принадлежит именно почвенным микроорганизмам (бактерии, грибы, водоросли). Общее их число составляет миллиарды в 1 г — это 0,1% объёма образца почвы. Гетеротрофы (ан- и аэробные) переводят органику в простые химические вещества, а автотрофы осуществляют процесс окисления минеральных соединений. Например, железоокисляющие бактерии в заболоченных почвах осуществляют следующую реакцию:

4FeCO3 + O2 + 6H2O                           4Fe(OH)3 + 4CO2

В почвоведении существует несколько классификаций почв, но единой нет. На территории России выявлено около 100 типов почв, тысячи видов и разновидностей, при этом надо помнить, что почва – эволюционирующая система, которая может переходить из типа в тип.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, то есть способность обеспечить рост и развитие растений. Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и всех живущих на суше организмов. Общая площадь земельного фонда в мире составляет 133,9 млн км2 (14 из них покрыто ледниками) и лишь 3% — это обрабатываемые земли. В развитых странах этот процент стабилизировался, но в развивающихся растёт. Такой экстенсивный путь, однако, не решает проблему производства достаточного количества продовольствия. Гораздо более рациональным решением задачи является повышение плодородия почв, и агрохимическая наука предлагает для этого многочисленные способы.

Почва является гигантской экологической системой, оказывающей наряду с Мировым Океаном решающее влияние на всю биосферу.

Для почвы характерна более или менее рыхлая структура, определённая водопроницаемость и аэрируемость. В верхних горизонтах почвы концентрируются вещества, необходимые для питания растений, — фосфор, азот, кальций, калий и многие другие. В почвенной влаге содержатся газы, растворимые соли, питательные вещества, но иногда и токсичные для организмов соединения. Такие почвенные растворы могут быть кислыми, нейтральными или щелочными.

Почва обладает своеобразными биологическими особенностями, поскольку тесно связана с жизнедеятельностью организмов. Верхние слои содержат массу корней растений. В процессе роста, отмирания и разложения они разрыхляют почву, создавая определённую структуру, а вместе с тем и условия для жизни других организмов. Роющие животные перемешивают почвенную массу, а после смерти становятся источником  органического вещества для микроорганизмов.

Большую роль в формировании почвы играет рельеф. На одинаковых и одновозрастных формах рельефа образуются близкие и даже однотипные почвы.

Свойства почвы в своей совокупности создают её определённый экологический режим, основными показателями которого служат гидротермические факторы и аэрация.

Хорошо увлажнённая почва легко прогревается и медленно остывает. На её поверхности происходят более резкие колебания температуры, чем в глубине. При этом суточные колебания затрагивают слои до глубины в 1 метр, и если учесть, что зимой температура почвы с глубиной повышается, а летом, наоборот, падает, то легко можно представить сезонные вертикальные миграции почвенных организмов, вызванные изменением условий обитания. Естественно, зимой почвенные животные находятся глубже, чем летом.

Газообмен почвенного воздуха с атмосферным, при котором почвенный воздух обогащается кислородом, а приземный — углекислотой, называется аэрацией (от греч. aer — воздух). На аэрацию почвы, которая возможна только благодаря её пористости, влияет много факторов. Например, повышение влажности препятствует проникновению в почву кислорода. С глубиной количество углекислого газа в почве увеличивается, а кислорода — уменьшается. При повышении температуры воздух расширяется и выходит из почвы, а при понижении он более интенсивно проникает в промежутки между почвенными частицами.

Различают физическую и физиологическую сухость почвы. Физическая связана с недостатком влаги и наблюдается в сухом климате;  физиологическая возникает в результате физиологической недоступности физически доступной воды. На сфагновых болотах, несмотря на большое количество влаги, вода оказывается недоступной для многих растений из-за высокой кислотности почвы, её плохой аэрации и наличия токсичных веществ, нарушающих нормальную физиологическую функцию корневой системы.

Органическое вещество почвы играет важную роль в росте и развитии растений. Оно состоит из продуктов гумификации (аэробное разложение) и неполного разложения растительных остатков и трупов почвенных животных. Перегной, или гумус, для всех почвенных обитателей является основным источником необходимых для жизни минеральных соединений и энергии. Он обуславливает плодородие почв и их структуру. Гумус служит источником физиологически активных соединений (витамины, органические кислоты, полифенолы и др.), которые стимулируют рост растений.

Почвообразователи

Наиболее древними почвообразователями являются микроорганизмы. Они функционировали задолго до появления на Земле высших растений и животных. Синтез физиологически активных соединений,   гумусообразование и полная минерализация органических остатков — вот главная функция микроорганизмов в почвообразовательных процессах.

В числе почвенных микроорганизмов имеются представители и растительного, и животного мира. Прежде всего, это одноклеточные и многоклеточные водоросли. Многие из них обладают пигментами типа хлорофилла и отличаются от других микроорганизмов тем, что способствуют обогащению почвы органическим веществом и кислородом. Однако наиболее многочисленны в почвенной микрофлоре грибы, актиномицеты (лучистые грибы, близкие к бактериям) и бактерии. В почвенной микрофауне особое значение имеют амёбы и ресничные, а также многочисленные микроскопические  круглые черви — нематоды. Есть сведения о присутствии в почве также неклеточных форм микроорганизмов — бактериофагов (бактериальных вирусов) и вирусов.

В целом процесс гумусообразования начинается разрушением и измельчением растительной массы и мёртвого животного вещества. Этот процесс осуществляется позвоночными и беспозвоночными животными при обязательном участии грибов и бактерий. К таким животным относятся фитофаги, питающиеся только растительной пищей; сапрофаги, потребляющие гниющие остатки организмов; некрофаги, питающиеся трупами животных; копрофаги, уничтожающие экскременты животных.

Большую роль в процессах почвообразования играют подвижные почвенные животные. Они разрыхляют почву, создают условия для её аэрации, механически перемещают в почве органические и минеральные вещества. Например, дождевые черви на луговых почвах за год выбрасывают на поверхность до 80–90 т/га переработанной земли, а степные грызуны перемещают вверх и вниз сотни кубических метров грунта и органического вещества. Количество организмов в почве огромно, однако в связи со сглаженностью экологических условий все они отличаются «выравненностью группового состава». Кроме того, для них характерна повторяемость в различных климатических зонах.

Почвенные организмы по степени связи со средой обитания разделяются на три основные группы (см. слайд № 4 «Многообразие обитателей почвы»):

Геобионты — постоянные обитатели почвы, весь цикл их развития протекает в почве (дождевые черви, многие первичнобескрылые насекомые).

Геофилы — животные, часть цикла развития которых проходит в почве. К ним относится большинство насекомых: саранчовые, ряд жуков, комарыдолгоножки. Личинки их развиваются в почве, а во взрослом состоянии это типичные наземные обитатели.

Геоксены — животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (таракановые, многие полужёсткокрылые, грызуны, млекопитающие, живущие в норах).

По размерам и степени подвижности почвенные обитатели делятся на группы:

Микробиота — почвенные микроорганизмы, составляющие основное звено детритной пищевой цепи (зелёные и сине-зелёные водоросли, бактерии, грибы, простейшие).

Мезобиота — сравнительно мелкие подвижные животные (почвенные нематоды, мелкие личинки насекомых, клещи, ногохвостки).

Макробиота — крупные, относительно подвижные насекомые, дождевые черви и другие животные, вплоть до роющих позвоночных.

Особую группу представляют организмы, заселяющие сыпучие подвижные пески. Растения, приспособившиеся к таким местам обитания, называются псаммофитами (от греч. psammos — песок), примеры: полынь песчаная, волоснец песчаный, саксаул белый, солянки, джузгун, песчаная акация. Примеры животных-псаммофилов — организмов, обитающих в песчаном грунте: рыбы, откладывающие икру при нересте на песчаный грунт (пескари, бычки, гольцы и др.); ящерицы, тонкопалый суслик, гребнелапый тушканчик, верблюды.

АНАЛИТИКО-ОБОБЩАЮЩИЙ ЭТАП УРОКА

Формулировка выводов.

Мотивация на дальнейшее изучение данной темы.

ВТОРОЙ УРОК (ПРОДОЛЖЕНИЕ)

Роль почвы в системе биосферы.

Нанотехнологии для защиты окружающей среды

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ ЭТАП УРОКА

Учитель. Предположим, что без полноценного почвенного покрова было бы невозможным возникновение и существование современной биосферы. Почва является незаменимым фактором эволюции живых организмов. Она — основной поставщик химических соединений, преобразующих массивно кристаллические породы в рыхлые отложения, геохимические процессы в которых разнообразны и мобильны. Благодаря почвообразованию косные тела переходят в более активное состояние. Общая активная поверхность мелкозёма почвы в десятки тысяч раз больше субстрата монолитных горных пород. Функционирование водной оболочки Земли зависит от взаимодействия её с почвенным покровом планеты. Формирование речного стока, трансформация поверхностных вод в грунтовые, биопродуктивность водоёмов, сорбционный защитный от загрязнений барьер акваторий — главнейшие гидрологические функции почвенного покрова. Состояние атмосферы также существенно зависит от взаимодействия с почвенным покровом, поскольку почва участвует в поглощении и отражении солнечной радиации, в регулировании влагооборота атмосферы, является источником твёрдого вещества и микроорганизмов, попадающих в воздушный океан, определяет газовый режим атмосферы. Огромно значение почвы как среды обитания растений и животных, с нею связано образование основной массы живого вещества планеты.

Попробуйте доказать справедливость или опровергнуть изложенные факты.

ПРОБЛЕМНО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ ЭТАП

Анализируем материал и работаем в режиме предыдущего урока.

Продолжаем работать в группах.

ТАБЛИЦА. РОЛЬ ПОЧВЫ В БИОСФЕРЕ. РОЛЬ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ОЧИСТКЕ ПОЧВЫ

Влияние почвы на гидросферу. В. И. Вернадский в труде «История природных вод» впервые глубоко и всесторонне обосновал влияние почвы на гидросферу. Он показал огромное значение почвенных растворов для состава водной оболочки Земли. Ни одно явление водного баланса не минует почву. Основная гидрологическая функция почвенного покрова состоит в перераспределении атмосферных осадков в водоразделах, т. е. в формировании речного стока. Если почвы водопроницаемы и в подстилающей толще имеются рыхлые породы, создаются благоприятные условия для равномерного питания рек. При слабовыраженной впитывающей способности почвенного покрова происходит поверхностный сток, что приводит к нежелательным последствиям: весенним паводкам, пересыханию рек в засушливые периоды, усилению эрозии.

Водорегулирующая способность почвы существенно зависит от произрастающей на ней растительности. В лесу небольшой поверхностный сток, так как высока инфильтрация влаги лесными покровами. Поэтому так важно не нарушать почвенный покров при рубке леса. Необходимо помнить, что для возобновления леса требуется 80–120 лет, а для восстановления нарушенных инфильтрационных свойств почвы нужны десятки и сотни лет.

Зональные особенности территорий и соотношение почвенных угодий на площади водосбора существенно влияют на сток воды в озёра и водохранилища. В тайге приходная часть водного баланса (около 65%) формируется в зимне-весенний период, причем доля внутрипочвенного и грунтового стока значительна. В лесостепной зоне большая часть водного баланса (около 55%) также формируется в зимне-весеннее время, но внутрипочвенный и грунтовый сток весьма мал или его практически нет, что объясняется постепенной сменой лесных массивов степными пространствами. Кроме зональных особенностей, на водный баланс озёр и водохранилищ влияют размеры различных сельскохозяйственный угодий, их состояние и распределение на водосборе. Там, где пашня занимает 25% площади водосбора, а лес — 50%, преобладает поверхностный сток. В случае явного доминирования лесов (более 80%) преобладает внутрипочвенный сток.

При фильтрации влаги через почвенный профиль она существенно меняет химический состав. Бедные слоями торфянистые, тундровые, подзолистые песчаные почвы обогащают её органическими веществами и незначительно солями. Гораздо более насыщают воду солями чернозёмные и каштановые почвы, особенно засоленные. При прохождении атмосферных осадков через почву изменяется их газовый состав: уменьшается количество кислорода, который расходуется на окисление органических веществ, и увеличивается содержание углекислоты, что существенно для обогащения растворов карбонатами из подстилающих пород.

Материнские и подстилающие породы, образованные силикатами и

алюмосиликатами, незначительно обогащают воды CaCO3, NaHCO3, KHCO3. Интенсивнее обогащают атмосферные осадки осадочные породы: известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль. Большие антропогенные нагрузки на педосферу: высокие дозы удобрений, пестицидов приводят к тому, что за короткие сроки почвы претерпевают сильные изменения. Это неминуемо сказывается на составе грунтовых вод. При попадании в атмосферу больших количеств хлора, окислов серы формируются кислые атмосферные осадки, которые усиливают вымывание из почвы катионов (Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+,Fe3+, Mn2+, а также анионов: Cl–, SO2–, HCO3–) в грунтовые воды. Почвенный покров, изменяя химический состав поверхностных и грунтовых вод, питающих реки, озёра, моря и океан, поставляет в водоёмы большое количество биофильных макро- и микроэлементов, а также гумуса. Так, воды реки Невы приносят в Балтийское море ежегодно около 2 млн т растворённого органического вещества. Соединения, поступившие с континентов в водоёмы, вовлекаются в продукционный процесс водных экосистем и в биохимические циклы: 95% кальция, 50% магния, 30% калия, извлекаемых организмами из морей и океанов, имеют почвенное происхождение. Таким образом, педосфера активно участвует в формировании биологической продукции водоёмов.

Однако интенсивные антропогенные воздействия на состав воды стали  отрицательно влиять на биологическую продуктивность гидросферы. Главная причина этого — ухудшение санитарного состояния водоёмов вследствие техногенного и сельскохозяйственного загрязнения почв. В результате снижается видовой состав обитателей водоёмов, упрощается структура водных экосистем. В процессе эфтрофирования вод чрезмерное развитие получают сине-зелёные водоросли, их доля может достигать 90% всей биомассы и более. К важнейшим факторам эфтрофирования водоёмов относятся фосфор, азот, органический углерод, гормоны, микроэлементы, витамины.

Почва благодаря своей огромной активной поверхности может поглощать многие вредные соединения на пути их миграции в водные экосистемы, а также снижать избыточное поступление биофильных элементов в реки, озёра, моря, грунтовые воды, исполняя роль защитного барьера акваторий.

Почвы — это сильный природный сорбент, но их сорбционные возможности не беспредельны, поэтому в водоёмы всё-таки поступает значительное количество загрязняющих соединений. Острота проблем чистой воды на Земле имеет тенденцию к нарастанию, очевидно, в связи с недооценкой гидрологических функций почв.

Влияние почвы на атмосферу, так же, как и на гидросферу, существенно.

Зависимость состава атмосферы от почвенного покрова обусловлена их взаимопроникновением через газообразную фазу почвы. Выделяют подземную атмосферу, являющуюся продолжением собственно атмосферы. Взаимодействие нижних слоев атмосферы с почвой отражается на всей атмосфере. Педосфера формирует и изменяет газовый состав атмосферы прямо и опосредованно. Функционирование наземных биоценозов, определяющих многие параметры атмосферы, зависит, прежде всего, от свойств почв. Прямое воздействие заключается в непосредственном газообмене между почвой и воздушной оболочкой. Поглощение почвой атмосферных газов осуществляется в основном почвенной биотой, которой требуется кислород в значительных количествах. Для создания 1 г сухой надземной биомассы корневые системы должны поглотить 1 мг O2. Большинство биохимических процессов, осуществляемых почвенной микрофлорой, происходит с поглощением кислорода. Микробиологическая фиксация атмосферного азота почвами экологически безвредна, позволяет избежать огромных энергозатрат, так как осуществляется за счёт солнечной энергии. Почвенные микроорганизмы интенсивно поглощают оксид углерода и диоксид серы. Активно поглощаются почвой сероводород, этилен и другие газы. Сорбция диоксида серы почвами приводит к образованию сульфата и сульфита, а сорбция сероводорода — к образованию сульфидов металлов и элементарной серы. Таким образом, почвенный покров Земли — важнейший регулятор газового состава воздушной оболочки. Он не только выделяет многочисленные газы в атмосферу, но и не менее эффективно поглощает их. Влияние почвы на энергетический режим атмосферы определяется поглощением и отражением солнечной радиации, отчего зависит динамика тепла воздушных масс. Так, чернозёмы отражают 5–7% солнечной радиации, подзолы — 25–30%, солончаки — 30–35%.

Влияние почвы на литосферу выражается, прежде всего, в защите её от разрушения. Поверхностные горизонты литосферы испытывают  состоянное разрушающее действие воды и ветра. Кроме защиты дневных горизонтов каменной оболочки Земли, почва выполняет функцию прогрессивного развития литосферы. Действие воды на литосферу Земли сочетается с преобразующим влиянием живого вещества, неразрывно связанного с почвенной оболочкой. В результате многократно (в сотни и тысячи раз) повышается активность химических процессов экзогенного преобразования литосферы.

Геохимический принцип сохранения жизни гласит: жизнь на Земле и

других планетах возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен веществом и энергией между их недрами и поверхностью. Таким образом, функционирование отдельных оболочек биосферы тесно связано с интенсивностью многочисленных процессов, протекающих в почвенном покрове.

Общебиосферные функции педосферы обусловлены тем, что почва может называться «оболочкой жизни». Именно в ней и на ней существует большинство видов организмов, образуется основная масса живого вещества планеты. Плодородие почв позволяет наземным автотрофам накапливать колоссальную массу растительного органического вещества и энергию, заключённую в ней. Почвенная среда является (в основном за счёт гумуса) аккумулятором и источником вещества и энергии для организмов суши. В почвенной оболочке Земли сосредоточено около 2500 млрд т гумуса. В настоящее время, в связи с широким использованием почвенного покрова и усилением его эрозии, происходит сокращение и уменьшение мировых запасов гумуса. В год они сокращаются на 1,2–1,4 млрд т.

Санитарная функция почвы представляет собой процессы, связанные с переработкой ежегодно попадающих в неё отходов жизнедеятельности организмов, растительного опада, посмертных останков животных, а также тех антропогенных загрязнений, которые частично или полностью обезвреживаются почвой.

Трансформация почвой вещества и энергии в биогеоценозах предполагает работу почвы как сложноорганизованной системы, по разложению и изменению различных природных соединений: косных, биокосных, органогенных. При реализации данной функции происходит преобразование исходного вещества материнских пород, продуктов, поступающих с пылью, атмосферными осадками, грунтовыми и поверхностными водами, растительными остатками.

Таким образом, современная почвенная оболочка Земли — продукт длительной, сложной эволюции биосферы. Она является устойчивым структурно-функциональным компонентом биосферы, находящимся в состоянии гомеостаза.

В почве обитает великое множество различных живых организмов, формирующих сложную детритную цепь: бактерии, микрогрибы, водоросли, простейшие, моллюски, членистоногие, дождевые черви и многие другие. Все они играют важную роль в формировании почвы и её очистке. К сожалению, третий современный экологический кризис называют кризисом редуцентов, они не успевают очищать биосферу, и, в том числе, почву в силу непрерывного антропогенного загрязнения окружающей среды.

Загрязнение почвы

Источники загрязнения почвы:

• Бытовые предприятия и жилая застройка. Основные загрязняющие компоненты: бытовые и пищевые отходы, строительный мусор, фекалии,отходы отопительных систем: в мире ежегодно выбрасывают в окружающую среду 3 млрд тонн твёрдых промышленных и бытовых отходов. В почву населённых мест с выделениями и отбросами попадают возбудители инфекционных заболеваний — дизентерии, брюшного тифа, туляремии, сибирской язвы. Годами сохраняют жизнеспособность и вирулентность спорообразующие бактерии столбняка, газовой гангрены, ботулизма, сибирской язвы. Заражение может происходить за счёт непосредственного контакта с почвой, а также через выращиваемые на ней продукты питания и источники водоснабжения. Особенно велика роль почвы в распространении гельминтов (см. санитарную функцию почвы).

• Промышленные предприятия. Характер отходов промышленных предприятий определяется типом производства. В отходах предприятий

металлургической промышленности присутствуют соли различных металлов; машиностроительной — цианиды, соединения мышьяка, бериллия; химической — бензол, фенол, углеводороды.

• Теплоэнергетика. Мощным источником оксидов серы, углерода, азота, сажи, углеводородов, радиоактивных веществ являются выбросы электростанций, особенно при сжигании каменного угля.

• Сельское хозяйство — почва загрязняется ядохимикатами, пестицидами. Ежегодно на полях рассеивается около 500 млн тонн минеральных удобрений, свыше 4 млн тонн ядохимикатов.

• Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания вместе с выхлопными газами в окружающую среду выделяются оксиды серы, азота, углерода, свинец, углеводороды, целый ряд оксидов металлов.

По существу, все химические вещества, попавшие в атмосферный воздух, рано или поздно загрязняют почву, либо непосредственно оседая на ней, либо попадая на неё с дождевой водой.

Нанотехнологии в защите окружающей среды

Учитель. В раздаточном материале есть данные о нанотехнологиях, в том числе для очистки почвы. Познакомьтесь с ними, а затем обсудим.

1. На сегодняшний день нанотехнологии являются одной из развивающихся и перспективных отраслей современной науки и промышленности. Эта наука о применении вещества в наноформе (одна миллиардная доля метра) всё больше внедряется в различные области народного хозяйства.

2. Нанотехнологии — одно из направляющих и основных научных достижений человечества, которое на сегодняшний день является «прорывным» направлением, указывающим путь к проведению научных, экономических, социальных и образовательных реформ, к которым так долго шло человечество.

3. Мы знаем ряд определений нанотехнологий:

• Нанотехнологии — это набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, т. е. методик регулирования структуры и состава вещества в масштабах 1–100 нм.

• Нанотехнологии — это междисциплинарная технологическая область, оперирующая процессами сборки и самосборки структур пониженной размерности на атомарном и кластерном уровнях, которые позволяют придать веществу или материалу принципиально новые  физикомеханические, химические и эксплуатационные свойства.

• Все технологии и исследования, которые выполняются на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне (диапазон размеров 1–100 нм), считаются нанотехнологическими.

Приведите, пожалуйста, пример нанотехнологий для очистки почвы от антропогенного загрязнения.

 Наночастицы железа

Уникальные исследования, проведённые инженером по защите окружающей среды Чжан Вейсянем (Wei-xian Zhang) из Университета Лехай (США), продемонстрировали потенциал наномасштабного железного порошка, способного очищать почву и грунтовые воды, загрязнённые промышленными веществами.

Железо, один из наиболее распространённых металлов на Земле, может стать недостающим звеном в решении проблемы охраны окружающей среды. Железо обладает способностью легко окисляться и образовывать ржавчину. Если это окисление происходит в присутствии таких опасных загрязняющих веществ, как трихлорэтилен, тетрахлорид углерода, диоксины или полихлорированные дифенилы (ПХД), то их сложные молекулы распадаются на более простые и менее токсичные углеродные компоненты.

Аналогичное явление наблюдается, когда окисление железа происходит в присутствии таких опасных тяжёлых металлов, как свинец, никель, ртуть и даже уран. Тогда эти металлы образуют нерастворимые формы, которые оседают в почве и не переносятся по пищевой цепочке (т. е. не попадают в организм человека, а, следовательно, их вредное влияние на окружающую среду уменьшается).

Многие компании в настоящее время начали применять железный порошок для очистки своих промышленных отходов перед выбросом их в окружающую среду. Эта технология прекрасно подходит для новых промышленных отходов, но учёных беспокоит ситуация и со старыми отходами. В этом деле им помогут наночастицы железа.

Наночастицы железа в 10–1000 раз активнее обычных макроскопических частиц.

Обладая меньшим размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникнуть в центр загрязнённой зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают всё окружающее пространство (см. рис.).

Результаты исследований показывают, что наночатицы железа остаются активными в течение 4–6 недель, т. е. до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа в природе.

На свойства наночастиц железа не влияют кислотность, температура или содержание питательных веществ в почве. Крошечные размеры (1–100 нм, что в 10–1000 раз меньше бактерии) позволяют наночастицам легко и быстро перемещаться между частицами почвы. Лабораторные и полевые испытания показали, что благодаря наночастицам железа уровень загрязнения возле места их введения значительно падает уже за 1–2 дня и снижается практически до безопасного уровня за несколько недель. Результаты этих исследований показывают, что наночастицы железа остаются активными в течение 4–6 недель, то есть до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа в природе.

РИС. НАНОЧАСТИЦЫ ЖЕЛЕЗА НЕЙТРАЛИЗУЮТ

ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕ

Этот тип нанотехнологической инновации может быстро улучшить ситуацию в загрязнённой окружающей среде. Более того, может быть, в недалёком будущем он и вас вдохновит на поиски новых способов очистки от загрязняющих веществ. Следует отметить, что метод Чжана гораздо дешевле и эффективнее, чем раскопки загрязнённой почвы и её полная переработка обычными методами.

Ещё ряд примеров. В области защиты окружающей среды особое внимание привлекают нанопористые материалы и мембраны, позволяющие значительно увеличить эффективность очистки стоков, что, в свою очередь, скажется на качестве почвы.

Разработаны наноматериалы, позволяющие отфильтровать бактерии, вирусы, что имеет огромное значение для переработки бытовых и промышленных стоков. Нанофильтры очищают воду от пестицидов, гербицидов и углеводородов.

Предполагаемые вопросы учеников:

Вопрос: Насколько безопасны наночастицы железа для человека? Известны ли особенности влияния наночастиц на живые организмы?

Ответ: Из-за малых размеров (1–100 нм) наночастицы обладают высокой проникающей способностью, проходя через биологические ткани и стенку кровеносных сосудов (тканево-кровяной барьер). Затем наночастицы попадают в органоиды клетки (митохондрии, ядро и др.). Таким образом, может быть повреждена иммунная система деятельности органов и систем.

Что касается токсичности наночастиц железа. Были поставлены опыты: наночастицы железа вводились животным через дыхательные пути ингаляционным способом. Воздействие наночастиц оксида железа размерами 22 и 280 нм на лабораторных крыс в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках. Был отёк и разрастание тканей лёгких, нарушение систем свёртывания крови. Однако дозы 20–40 мкг/кг (опыт длился 90 дней) никаких изменений в организме не вызывали. Интересно, что при дозах от 2 до 6 мкг/кг наблюдается стимулирование роста животных, повышается бактерицидная активность сыворотки крови.

Вопрос: Какой метод лежит в основе нанофильтрации?

Ответ: Нанофильтрация — физический метод разделения сред. Приведите доказательства, что нанотехнологии позволяют решить проблемы экологической защиты почв и способствуют выполнению её санитарной функции.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

• Ещё раз поработать с таблицей. Попытайтесь проявить техническое мышление и представить своё видение применения нанотехнологий в очистке почвы. Например, использование принципов функционирования жгутиков кишечной палочки (жгутиковые моторы) для очистки почвы.

Приложение. Пример проведения релаксационной паузы

Звучит музыка. Учитель ровным голосом читает текст:

Поплавок и море

Представьте себе солнечный берег и спокойное, почти застывшее море. На поверхности — неподвижный поплавок. Поплавок — это вы. Вы маленький поплавок в огромном океане. У вас нет цели, компаса, карты, руля, вёсел. Вы движетесь туда, куда несёт вас ветер и океанские волны. Вы замечаете спокойную небольшую волну. Она поднимает поплавок. Снова поплавок неподвижен. Пытайтесь ощутить эти толчки и выныривания. Ощутите движение волны, тепло солнца, капли дождя, подушку моря под вами, поддерживающую вас. Посмотрите, какие ещё ощущения возникают у вас, когда вы представляете себя маленьким поплавком в большом океане. Волнение усиливается и растёт. Близится шторм. Поплавок — это вы — поднимают и захлёстывают волны. Но вы — поплавок не можете утонуть, переворачиваетесь и, ныряя, вы снова оказываетесь на поверхности. Буря затихает, уменьшаются волны. Море затихает, вы слышите спокойное шуршание гальки. Поплавок неподвижен. Под лучами солнца он высыхает и становится тёплым. Вы ощущаете это тепло, покой и неподвижность.

Постепенно, каждый в своем темпе, возвращайтесь в наш класс. Ощутите прикосновение тела к полу. Сделайте вдох, выдох. Потянитесь. Медленно открывайте глаза.

Маяк

Представьте маленький скалистый остров вдали от континента. На вершине острова — высокий, крепко поставленный маяк. Вообразите себя этим маяком, стоящим на скалистом острове. Ваши стены такие толстые и прочные, что даже сильные ветры, постоянно дующие на острове, не могут покачнуть вас. Из окон вашего верхнего этажа вы днём и ночью, в хорошую и плохую погоду посылаете мощный пучок света, служащий ориентиром для судов. Помните о той энергетической системе, которая поддерживает постоянство вашего светового луча, скользящего по океану, предупреждающего мореплавателей о мелях и являющегося символом безопасности для людей на берегу. Теперь постарайтесь ощутить внутренний источник света в себе, — света, который никогда не гаснет.

Список литературы, использованной для подготовки

представленных методических материалов по экологии

1. Алексеев С. В. Экология человека / Алексеев С. В., Пивоваров Ю. П., Янушанец О. И. — М.: Икар, 2002. — 770 с.

2. Алексеев С. В. Экология. 10–11 кл. / С. В. Алексеев. — СПб.: СМИО Пресс, 2001. —240 с.

3. Иванов В. П., Обуховская А. С., Кричевская И. Е. и др. Экология человека: учебное пособие. — СПб.: СПбГМА, 2010.

4. Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Экология: учебник для 10–11 кл. — М.: Дрофа,2007.

5. Павлов Г. В., Желанкин Р. В. Введение в нанотехнологии и нанобиологию: учебное пособие. — М., 2011.

6. Роговая О. Г., Яковлев Ю. Б. Основы экологической химии: учебное пособие. —СПб.: Изд-во РГПУ им. Герцена, 2000.

7. Сыч В. Ф., Дрождина Е. П., Санжапова А. Ф. Введение в нанобиологию и нанобиотехнологии:учебное пособие. — СПб.: Лема, 2011.

8. Уильямс Л., Адамс У. Нанотехнологии. — М.: Эксмо, 2010.

9. Фундаментальное ядро содержания общего образования. Стандарты второго поколения/ Под ред. В. В. Козлова, А. М. Кондакова — М.: Просвещение, 2009.

10. Здоровьесберегающее образовательное пространство. Вып. 2. Материалы семинара «Гигиенические критерии рациональной организации урока». — СПб, 2008