Районная учебно-исследовательская конференция «Старт в

Районная учебно-исследовательская конференция
«Старт в науку»
Направление: естественно-математическое
Влияние автотранспорта на содержание
ионов тяжелых металлов в почве
Исследовательская работа
Выполнена ученицей 7 класса
муниципального бюджетного
образовательного учреждения «Двинская
средняя общеобразовательная школа»
Холмогорского района
Анциферовой Алиной Дмитриевной
Научный руководитель - учитель
химии муниципального бюджетного
образовательного учреждения «Двинская
средняя общеобразовательная школа»
Холмогорского района
Сумарокова Ольга Дмитриевна
с. Холмогоры, 2013
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………………………………………………………….……..3
Глава 1.Теоретическая часть по теме исследования……………………………………………5
1.1. Тяжелые металлы – микроэлементы…………………………………………………………5
1. 2.Тяжелые металлы в почвах…………………………………………………………………...5
1.3. Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов…………………...7
Глава 2.Практическая часть……………………………………………………………………….9
Заключение………….……………………………………………………………………………..11
Список литературы………………………………………………………………………………..12
Приложения ………………………………………………………………………………………13
Приложение А «Приготовление почвенной вытяжки»………………………………………...13
Приложение Б «Определение тяжелых металлов в почве»……………………………………..14
2
ВВЕДЕНИЕ
Качество жизни человека зависит от состояния окружающей среды. Воздух, вода,
почва постоянно подвергаются загрязнению. Источниками загрязнения являются заводы и
фабрики, теплоэлектростанции и котельные, химические предприятия и сельское хозяйство.
Практически любая деятельность человека в меньшей или большей степени наносит ущерб
окружающей среде. В последние годы значительно возросло
количество автомобилей,
которые стали значительным источником загрязнения воздуха и почвы ионами тяжелых
металлов, поэтому тема исследования является актуальной.
Цель работы: изучить влияние автотранспорта на содержание ионов тяжелых металлов (железо,
никель, медь, свинец) в почвах.
Гипотеза: Было выдвинуто предположение, что содержание ионов тяжелых металлов будет
больше в образцах почв взятых в местах, где происходит
более активное движение
автотранспорта. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературу по теме исследования.
2. Взять пробы почвы в различных местах:
- обочина федеральной трассы Архангельск – Москва в районе остановки Ныкола;
- въезд в гараж ООО « Двинлеспром»;
- обочина дороги Двинской – Хаврогоры;
- обочина поселковой дороги (Колобовка).
3. Провести подготовку образцов почв к анализу.
4. Освоить методику определения ионов железа, ионов никеля, ионов меди, ионов свинца. 5.
Провести анализ образцов почв на наличие ионов тяжелых металлов.
6. Проанализировать выполненную работу и сделать выводы.
Объект исследования: образцы почв.
Предмет исследования: ионы тяжелых металлов: железа, никеля, меди, свинца.
Методы исследования:
1.Изучение литературы.
2.Проведение эксперимента.
3.Анализ полученных в ходе работы данных.
Некоторые жители п. Двинской, чьи дома располагаются рядом с дорогой, делают
грядки на почвах, которые, возможно, загрязнены тяжелыми металлами. Данная работа
поможет определить присутствие ионов тяжелых металлов в почвах около автотрасс и учесть
это при посадке сельскохозяйственных культур.
Во время работы с информационными источниками были изучены:
3
1.Сайт
http://biogeochemistry.narod.ru/ubugunov/monografi/1/1.htm,
который
содержит
информацию о биологической роли и содержании тяжелых элементов в почвах и растениях
2.
Сайт
http://www.eco-konkurs.ru/research-pochvi,
на
котором
содержатся
методики
приготовления почвенной вытяжки и ее исследование.
3. Мельник А.А., Попова Л.Ф., Евдокимова В.П., Комарова И.С., Круглякова Т.А.
Экологический
практикум.
Качественный
анализ
природных объектов.
Методическая
разработка. В данном пособии описывается способ приготовления кислотной почвенной
вытяжки.
4
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1.Тяжелые металлы – микроэлементы
Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной
массой более 40. В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль
большинства металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов
весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в
них микроорганизмов, растений, животных и человека.
С одной стороны, концентрация металла может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот
металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците
его относят к микроэлементам.
В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в
организме человека. При этом 15 из них (Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Ni, V, Se, Mn, As, F, Si, Li)
признаны жизненно необходимыми. Однако они могут оказывать отрицательное влияние на
растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает
определенные пределы. Cd, Pb, Sn и Rb считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей
видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при
относительно низких концентрациях.
В связи с бурным развитием промышленности и глобальным техногенным
загрязнением окружающей среды большое внимание стали привлекать
повышенное
содержание ТМ, имеющих индустриальное происхождение.
1.2.Тяжелые металлы в почвах
Содержание ТМ в почвах зависит, как установлено многими исследователями, от
состава исходных горных пород. В последние десятилетия в процессы распространения ТМ в
природной
среде
интенсивно
включилась
антропогенная
деятельность
человечества.
Количества химических элементов, поступающие в окружающую среду в результате
технологической деятельности человека, в ряде случаев значительно превосходят уровень их
естественного поступления. Например, глобальное выделение Pb из природных источников в
год составляет 12 тыс.т., а вклад антропогенного загрязнения -
332 тыс.т. Основными
источниками антропогенного поступления ТМ в окружающую среду являются тепловые
электростанции,
металлургические
предприятия,
карьеры
и
шахты
по
добыче
полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных
5
культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и различных отходов, производство стекла,
удобрений, цемента и пр.
Наиболее высокая концентрация
ТМ возникает вокруг предприятий черной и
особенно цветной металлургии в результате атмосферных выбросов Действие загрязняющих
веществ распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в
атмосферу. Так, металлы в количестве от 10 до 30 % от общего выброса в атмосферу
распространяются на расстояние 10 км и более от промышленного предприятия. При этом
наблюдается комбинированное загрязнение растений, слагающееся из непосредственного
оседания аэрозолей и пыли на поверхность листьев и корневого усвоения ТМ, накопившихся в
почве в течение продолжительного времени поступления загрязнений из атмосферы.
Наиболее существенное загрязнение среды вызывают мощные тепловые станции
Ежегодно только при сжигании угля в атмосферу выбрасывается ртути в 8700 раз больше, чем
может быть включено в естественный биогеохимический цикл, урана – в 60, кадмия – в 40,
иттрия и циркония – в 10, олова – в 3-4 раза. 90 % кадмия, ртути, олова, титана и цинка,
загрязняющих атмосферу, попадает в нее при сжигании каменного угля.
Заметное загрязнение атмосферного воздуха и почвы происходит за счет
транспорта. Большинство ТМ, содержащихся в пылегазовых выбросах промышленных
предприятий, как правило, более растворимы, чем природные соединения . Среди наиболее
активных источников поступления ТМ выделяются крупные индустриально развитые города.
Металлы сравнительно быстро накапливаются в почвах городов и крайне медленно из них
выводятся: период полуудаления цинка — до 500 лет, кадмия — до 1100 лет, меди — до 1500
лет, свинца — до нескольких тысяч лет . Выращивание сельскохозяйственных растений,
используемых в пищу вблизи этих территорий потенциально опасно, поскольку культурами
накапливаются избыточные количества ТМ, способные приводить к различным заболеваниям
человека и животных.
Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм
человека и животных. По разным данным с ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и только 20-40 % с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в
пищу, в значительной степени зависит здоровье населения. Химический состав растений, как
известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями
обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах.. Для большинства растений
первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ,
следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – семена и плоды, а также корне- и
клубнеплоды и др.).
6
1.3.Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов
Влияние ТМ на живые организмы весьма разнообразно. Ниже приведено
воздействие некоторых тяжелых металлов на живые организмы.
Свинец. Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в
ряду основных загрязнителей окружающей природной среды.
Металл токсичен для
микроорганизмов, растений, животных и людей. Избыток свинца в растениях, связанный с
высокой его концентрацией в почве, задерживает дыхание и подавляет процесс фотосинтеза. В
организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный тракт. При токсичных
дозах элемент накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях. При свинцовом
токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система и
почки.
Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе
"новых" микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) и в низких концентрациях
способен стимулировать рост некоторых животных. Кадмий
способен накапливаться в
организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и
проникает в различные органы и ткани. Токсичное действие металла проявляется уже при очень
низких концентрациях. Его избыток задерживает синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот,
влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu,
Se, Fe), что может вызывать их дефицит. Хроническое воздействие кадмия на человека
приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии
и потере обоняния.
Цинк. Особый интерес к цинку связан с открытием его роли в синтезе белков, а
также в обмене витамина А.
Цинк обнаружен в составе более 200 ферментов, В этом
уникальность цинка, т.к. ни один элемент не входит в состав такого количества ферментов и не
выполняет таких разнообразных физиологических функций.
В организмах животных и человека цинк оказывает влияние на деление и дыхание клеток,
развитие скелета, формирование мозга и поведенческих рефлексов, заживление ран,
воспроизводительную функцию, влияет на иммунную систему. При дефиците элемента
возникает ряд кожных заболеваний. Токсичность цинка для животных и человека невелика, т.к.
при избыточном поступлении он не накапливается, а выводится.
Медь – является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для
живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания,
восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов и участвует в
биохимических процессах Данные по токсичности элемента для растений немногочисленны. В
7
организме взрослого человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и
костях и 10% - в печени. Основные процессы всасывания этого элемента происходят в желудке
и тонкой кишке. Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни, при которой
избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и
миокарде.
Никель. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной
организации ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции
организма. Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов
фотосинтеза,. Для живых организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением
активности ряда ферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных
повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлена токсичность никеля
на развитие зародыша.
Хром. Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным
организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного
обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы.
Токсичность хрома выражается в изменении иммунной системы организма, снижение функции
ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления. Кроме того,
избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления
слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки,
нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности, способны вызывать
мутагенный и канцерогенный эффекты.
Таким образом, можно сделать вывод, что тяжелые металлы входят в состав живых
организмов в виде микроэлементов, которые необходимы организму, но их избыток вызывает
у человека различные заболевания. В организм человека тяжелые металлы попадают
различными путями, в том числе через растения, выращенные на загрязненных почвах и
употребленные в пищу. Большую роль в загрязнении почвы в настоящее время играет
автотранспорт. Чтобы это подтвердить, была проведена практическая часть исследования.
8
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Данная часть работы состояла из нескольких этапов:
1 этап. Отбор проб почвы.
Отбор проводили методом конверта с глубины 10 см. Отбор производился с обочин
дорог, отличающихся активностью движения автомобильного транспорта. Первый образец был
взят с обочины федеральной трассы М-8 в районе остановки «Ныкола», где наблюдается
наиболее оживленное движение. Второй образец был взят в п. Двинской около въезда в гараж
ООО «Двинлеспром», где также наблюдается большое количество транспортных средств.
Третий образец был взят с обочины
дороги, соединяющей п.Двинской и д. Хаврогоры.
Движение транспорта на данной дороге незначительное. Четвертый образец был взят в
п.Двинской с обочины малопроезжего участка дороги (Колобовка).
Отобранную почву
высушивали, измельчали в фарфоровой ступке. Измельченную почву рассыпали тонким слоем
в виде квадрата, разделяя его на четыре сектора. Содержимое двух противоположных секторов
отбрасывали, а два оставшихся снова смешивал. И так несколько раз.
2 этап. Приготовление почвенной вытяжки (Приложение А)
1 грамм почвы помещается в коническую колбу или стакан, приливается
пятикратным количеством 1М раствором азотной кислоты. Колба закрывается пробкой и смесь
встряхивается или перемешивается в течение трех минут. Вытяжка отфильтровывается через
сухой фильтр. Перед употреблением вытяжка перемешивается круговыми движениями.[3]
3 этап. Изучение методики определения (качественные реакции) ионов железа, никеля, меди,
свинца [1]
А) на ион железа:
ион железа + родонит калия
получается кроваво-красный раствор
FeCl3 +3 KCNS = 3KCl + Fe(CNS)3
FеCl3 + желтая кровяная соль
темно-синий осадок
Б) на ион меди:
ион меди + нашатырный спирт --- зеленый осадок + нашатырный спирт --- синий раствор СuCl2 + желтая кровяная соль
кирпично-красный осадок
В) на ион никеля:
ион никеля + гидроксид калия
зеленый гель
NiCl2 + 2KOH = Ni(OH)2 + 2KCl
При очень сильном разбавлении раствор приобретает желтоватую окраску,
присутствие геля маловыражено.
Г) на ион свинца:
9
ион свинца + иодид калия
желтый осадок
PbCl2 + 2KI = 2KCl + PbI2
Ион свинца + дихромат калия
желтый осадок
При очень сильном разбавлении раствор приобретает темно-желтую окраску, без
выпадения осадка.
4 этап. Определение наличия тяжелых ионов в почвенной вытяжке. (Приложение Б)
Для определения иона железа использовались оба реактива (родонит калия и
желтая кровяная соль). Все четыре образца почвенной вытяжки дали положительный результат,
т.е. ион железа присутствует во всех образцах почвы.
Для определения иона
меди
использовался нашатырный спирт т.к. желтая
кровяная соль реагируя с ионом железа давала образование темно-синего осадка, который
препятствовал визуальному обнаружению кирпично-красного осадка. Образования зеленого
осадка не наблюдалось, следовательно, ион меди отсутствует либо присутствует в малых
количествах, которые невозможно определить в данных лабораторных условиях.
Для определения иона никеля использовался гидроксид калия. Образование
зеленого геля не наблюдалось, но в почвенной вытяжке, полученной из образцов почвы взятых
около остановки «Ныкола», гаража и на обочине Хаврогорской дороги появилось желтое
окрашивание, что можно расценить как присутствие иона никеля в малых количествах.
Для определения иона свинца первоначально использовался иодид калия, но в
результате его взаимодействия с азотной кислотой, образовывался темный осадок йода. В связи
с этим решено было использовать в качестве реактива дихромат калия. Желтый осадок не
выпал ни в одном из образцов, но в почвенной вытяжке, полученной из образцов почвы взятых
около остановки Ныкола, гаража и Хаврогорской дороги раствор стал темно-желтым, что
можно расценить как присутствие иона свинца в малых количествах.
10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследовательской работы были получены следующие результаты:
1. Изучены информационные источники о тяжелых металлах, их значении для живых
организмов и вреде, который они могут оказывать в больших концентрациях.
2. Взяты пробы почвы в четырех местах, характеризующихся различной оживленностью
движения автотранспорта.
3.Приготовлены почвенные вытяжки.
4. Освоена методика определения ионов железа, ионов никеля и ионов свинца в растворах.
5.Проведен анализ образцов почв на наличие ионов железа, ионов никеля и ионов свинца.
Проанализировав выполненную работу, был сделан вывод, что автотранспорт загрязняет
почву ионами тяжелых металлов. Образцы почв, взятых в местах, где происходит более
активное движение автотранспорта (федеральная трасса, Хаврогорская дорога, въезд в гараж)
содержат ионы никеля и ионы свинца.
11
СПИСОК ЛИТЕРАТУЫ
1. Мельник А.А. Экологический практикум. Качественный анализ природных объектов.
Методическая разработка / А.А. Мельник, Л.Ф. Попова, В.П. Евдокимова, И.С. Комарова, Т.А.
Круглякова - Архангельск: изд-во ПГУ, 2000. - 27 с.
2. Работа 24. Обнаружение тяжелых металлов в почве и водоемах [Электронный ресурс] / Режим доступа http://www.eco-konkurs.ru/research-pochvi 23.10.2013. – Загл. с экрана
3. Работа 16. Приготовление почвенной вытяжки [Электронный ресурс] / - Режим доступа
http://www.eco-konkurs.ru/research-pochvi 23.10.2013. – Загл. с экрана
4.Тяжелые металлы: биологическая роль, содержание в почвах и растениях (агроэкологический
аспект)
[Электронный
ресурс]
/
-
Режим
доступа
http://biogeochemistry.narod.ru/ubugunov/monografi/1/1.htm 3.04.2012. - Загл. с экрана
12
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Приготовление почвенной вытяжки
Измельчение почвы
Взвешивание почвы
Растворение почвы
Изготовление фильтра
Фильтрование
13
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Определение тяжелых металлов в почве
За работой
Определение ионов свинца в почвенной вытяжке
Качественные реакции на ионы металлов
Определение ионов железа в почвенной вытяжке
14