Исследовательская работа учащихся. 1

1
Город с. Нижний Таканыш
Республика (область, край) Татарстан
Школа МБОУ «Таканышская СОШ»
Класс
9
Секция Экология
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
Тема: Влияние солей тяжелых металлов на прорастание семян пшеницы
Руководитель
Учащиеся
З. Г. Иванова
учитель химии
первой квалификационной категории
____________
(подпись)
Э. С. Иванова, Газизова С. Р.
____________
(подпись)
2011 год
Оглавление:
I. Введение
стр.
3
II.Основная часть
1.Тяжелые металлы и их влияние на организм.
2.Тяжелые металлы и их влияние на растения.
4
8
3. Особенности строения пшеницы.
10
4. Описание эксперимента.
12
5.Анализ результатов
12
III. Заключение.
14
IV. Литература
15
Приложение
16
3
I.Введение
Мы провели исследование влияния солей тяжелых металлов на прорастание
семян пшеницы. Эту проблему считаем очень актуальной, так как в последние
года загрязнение окружающей среды самая глобальная проблема Земли. Из-за
плохого экологического состояния появляются многие заболевания человека.
Тяжелые металлы не последние в списке загрязнителей окружающей среды.
Мы конечно не можем исследовать влияние вредных веществ на организм
человека. Но хотя бы на растениях хотели это исследовать и показать
токсичность соединений тяжелых металлов. Эта проблема уже довольно
хорошо разработана. Но именно на примере пшеницы данная проблема еще не
исследована.
Объектом исследования взяли пшеницу летнюю. Исследование проводили в
кабинете химии.
Целью исследования было на практике доказать отрицательное влияние
солей меди, свинца, никеля на прорастание пшеницы. По гипотезе, соли
тяжелых металлов при концентрации выше допустимой тормозят прорастание
семян пшеницы.
Задачи: научиться проводить исследования, работать с научной
литературой, делать выводы из результатов опыта, опытно-экспериментальным
путем обосновать отрицательное влияние солей тяжелых металлов на живые
организмы.
В ходе исследования применяли эмпирические и теоретические методы:
наблюдение, эксперимент, анализ и синтез.
Для приобретения теоретических
знаний по этой теме использовали разные источники информации печатные и
электронные: ( интернет ресурсы) .
3
4
II.Основная часть
1.Тяжелые металлы и их влияние на организм
Тяжелые металлы — это элементы периодической системы с относительной
атомной массой больше 40. Термин "тяжелые металлы" связан с высокой
относительной атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с
представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые
позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В современной
цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы — плотность 7,1421,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные металлы —
плотность 0,53-3,5 г/см3 (литий, бериллий и др.) По другой классификации, в
эту группу включают цветные металлы с плотностью большей, чем у железа
(свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, олово, сурьма, висмут, ртуть).1
Так сложилось, что термины "тяжелые металлы" и "токсичные металлы"
стали синонимами. Многие тяжелые металлы в ионной форме входят в состав
витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для
белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co,
W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в
кроветворении — Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании — Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co.
В настоящее время при помощи специальных, особо чувствительных
методов удалось определить в составе организмов свыше 60 таких химических
элементов. Однако можно утверждать, что названное число не является
пределом и в состав организмов, на самом деле входят все известные
химические элементы и их изотопы, (как стабильные, так и радиоактивные).
Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений,
животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и
4
5
обладают выраженной биологической ролью, получили название биогенных
элементов. К числу биоэлементов относятся: азот, водород, железо, йод, калий,
кальций, кислород, кобальт, кремний, магний, марганец, медь, молибден,
натрий, сера, стронций, углерод, фосфор, фтор, хлор, цинк.1 Указанный
перечень будет, несомненно, увеличиваться по мере роста наших знаний.
Например, биогенное значение кобальта и молибдена определилось недавно.
Некоторые элементы биогенны только по отношению к определенным классам,
родам, а иногда и видам организмов. Например, бор необходим для растений,
но пока не может считаться биогенным по отношению к животным и человеку.
Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные
концентрации. Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их
содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать
микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то
это уже тяжелые металлы.
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк,)
относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих
веществ. Они широко применяются в различных промышленных
производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание
соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно
высокое. Большие массы этих соединений тяжелых металлов поступают в океан
через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и
кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.
Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее
широко и в значительных объемах используются в производственной
деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют
серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и
5
6
токсических свойств. К таким тяжелым металлам относят - свинец, ртуть,
кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец,
хром, молибден и мышьяк.
Токсичные металлы могут присутствовать в промышленных,
муниципальных и городских стоках, которые могут быть вредными для
человека и водной среды. Рост городов и производства, являются основными
причинами увеличения объема тяжелых металлов в воде. Из существующих
более 50 химических элементов тяжелых металлов, 17 из которых очень
токсичны, но весьма доступны, и как правило присутствуют в воде.
Чаще всего отравлению организма способствуют такие тяжелые металлы,
как свинец, ртуть, мышьяк и кадмий.
Тяжелые металлы образовываются в воздухе, благодаря выбросам от
сжигания угля промышленными объектами; мусоросжигательными станциями;
в процессе отходов горнодобывающей промышленности, даже использование
старой некачественной краски.2
Промышленность не всегда полностью виновна, так как тяжелые металлы
могут попадать в окружающую среду путем естественных процессов.
Например, в некоторых районах США, в почве присутствуют естественные
геологические месторождения мышьяка, которые в период паводков,
растворяясь, могут попасть в грунтовые воды, что приводит к потенциально
небезопасному уровню тяжелых металлов в питьевой воде в этом районе. После
освобождения, тяжелые металлы остаются в питьевой воде в течение многих
десятилетий и даже веков, что повышает вероятность отрицательного
воздействия на человека.
6
7
Тяжелые металлы, содержащиеся в питьевой воде, очень вредны для нашего
здоровья. Последствия их потребления могут включать снижение темпов роста,
развитие раковых заболеваний, повреждение органов, нервной системы, а в
крайних случаях, смерти. Воздействие некоторых металлов, таких как ртуть и
свинец, такое, что они могут вызывать развитие аутоиммунных заболеваний, в
которых иммунная система человека нападает на собственные здоровые клетки,
убивая их. Употребление тяжелых металлов может привести к артритам и
заболеваниям почек, системы кровообращения.
Молодые люди в большей степени подвержены опасности токсичного
воздействия тяжелых металлов, а плод младенца и маленькие дети гораздо
чувствительнее.
Воздействие на организм ребенка тяжелых металлов может вызвать у него
трудности в обучении, ухудшение памяти, расстройства нервной системы, и
поведенческие проблемы, такие, как агрессивность и гиперактивность. При
более высоких дозах, тяжелые металлы могут вызвать необратимые
повреждения мозга. Дети могут получать большие дозы металлов также из
пищи.
По опасности для здоровья человека ТМ делятся на следующие классы:
1 класс (самый опасный): Cd, Hg, Se, Pb, Zn
2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr
3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr
Характерные заболевания при высоких концентрациях ТМ в организме
человека.
7
8
Pb(Свинец). Повышение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний,
рост общей заболеваемости, изменения в легких детей, поражения органов
кроветворения, нервной и сердечно-сосудистой системы, печени, почек,
нарушения течения беременности, родов, менструального цикла,
мертворождаемости, врожденных уродств. Угнетение активности многих
ферментов, нарушение процессов метаболизма.
Cd (Кадмий). Нарушения функций почек, ингибирование синтеза ДНК,
белков и нуклеиновых кислот, снижение активности ферментов, замедление
поступления и обмена других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может
вызывать их дефицит в организме.
Zn (Цинк). Изменение морфологического состава крови, злокачественные
образования, лучевые болезни; у животных – снижение прироста живой массы,
депрессия в поведении, возможность абортов.
Cu (Медь). Увеличение смертности от рака органов дыхания.
Cr(Хром). Изменение иммунологической реакции организма, снижение
процессов в клетках, ингибирование ферментов, поражение печени.
Ni(Никель). Нарушение синтеза белка, РНК и ДНК, развитие выраженных
повреждений во многих органах и тканях.2
2.Тяжелые металлы и их влияние на растения
Мгогие тяжелые металлы (Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg), как было
уже сказано выше, относятся к микроэлементам. То есть химическим
элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно
тысячные доли процента и ниже). Значительное количество химических
8
9
элементов, постоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает определенное
влияние на течение процессов обмена веществ и на ряд физиологических
функций. Количественное содержание биоэлементов, входящих в состав
организмов, сильно варьирует в зависимости от среды обитания, способа
питания, видовой принадлежности и т. п. Помимо общего благоприятного
влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие
ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например,
фотосинтез у растений.
При увеличении содержания металлов в почве, снижается её общая
биологическая активность, и это резко отражается на росте и развитии
растений, причём разные растения реагируют на избыток металлов по-разному.
Металлы распределяются по органам растений неравномерно. В наибольшей
степени металлы накапливаются в листьях. Это обусловлено многими
причинами, одна из которых – локальное накопление металлов в результате
перехода их в малоподвижную форму. Например, в случае медной
интоксикации, окраска некоторых листьев у растений изменяется до красной и
буро-коричневой, что свидетельствовало о разрушении хлорофилла.
Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими
свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом
функциональных группировок на поверхности и внутри клеток. Симптомы
"отравления" растений тяжелыми металлами внешне проявляются в замедлении
их роста и развития, изменении цвета и увядании листьев, уродливости и
недоразвитости корневой системы. 3
Реакция растений на повышенные концентрации ТМ. ( Элемент.
Концентрация в почве, мг/кг)
9
10
Pb (100-500). Ингибирование дыхания и подавление процесса
фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления
цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение качества
растениеводческой продукции. Внешние симптомы – появление темно-зеленых
листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва
Cd(1-13). Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и
фиксации СО2, торможение фотосинтеза, ингибирование биологического
восстановления NО2 до NО, затруднение поступления и метаболизма в
растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы - задержка роста,
повреждение корневой системы, хлороз листьев.
Zn(140-250).
Хлороз молодых листьев
Cr (200-500). Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной
части, повреждение корневой системы, хлороз молодых листьев, резкое
снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро- и
микроэлементов (К, Р, Fe, Mn, Cu, B и др.).
Ni (30-100). Подавление процессов фотосинтеза и транспирации. При этом
наблюдаются явления эндемического заболевания растений, например
уродливые формы. Типичные симптомы повреждающего токсического
действия никеля: хлороз, появление желтого окрашивания с последующим
некрозом, остановка роста корней и появления молодых побегов или ростков,
деформация частей растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях —
гибель всего растения.5
3. Особенности строения растения пшеница
10
11
Мы исследовали влияние солей хлорида меди, сульфата никеля и ацетата
свинца- CuCl2 , NiSO4 , Pb(CH3COO)2 на прорастание и рост пшеницы.
Пшеница (Triticum), род одно- и двулетних трав семейства злаков, одна из
важнейших зерновых культур. Получаемая из зерен мука идет на выпечку
белого хлеба и производство других пищевых продуктов; отходы
мукомольного производства служат кормом скоту и домашней птице, а в
последнее время все шире используются и как сырье для промышленности.
Пшеница – ведущая зерновая культура во многих регионах мира.
У растения пшеницы – свойственный всем злакам стебель-соломина с
узлами и обычно полыми междоузлиями, а листья простые, линейные,
очередные, двурядные. Верхнее междоузлие, или цветонос, несет соцветие –
сложный колос. Он состоит из коленчатой центральной оси и очередно
отходящих от нее мелких простых соцветий – колосков. Каждый колосок несет
на своей оси от двух до пяти очередно отходящих цветков, совокупность
которых прикрыта снизу двумя – верхней и нижней – колосковыми чешуями,
представляющими собой кроющие листья простого соцветия. Цветки обычно
обоеполые, с тремя тычинками и пестиком, несущим два перистых рыльца.
Каждый цветок защищен парой специализированных прицветников – более
крупной и толстой нижней и относительно тонкой верхней цветковыми
чешуями. У некоторых, т.н. остистых, сортов пшеницы нижняя цветковая
чешуя оканчивается длинной остью. ( Рис. 1.) Пшеница – растение в основном
самоопыляемое, хотя у некоторых ее типов происходит и перекрестное
опыление. После оплодотворения завязь превращается в маленький твердый
плод зерновку, удерживаемую в колосе цветковыми чешуями.
Зерновка, или зерно, представляет собой сформировавшийся из стенки
завязи околоплодник, неразрывно связанный с единственным семенем, которое
11
12
содержит зародыш и эндосперм. Зародыш находится сбоку в основании зерна и
состоит из почечки, корешка и прилежащей к эндосперму видоизмененной
семядоли – щитка. После прорастания зародышевый корешок даст первичную
корневую систему, почечка – надземные органы растения и его «взрослые»
корни, а щиток будет выделять ферменты, переваривающие эндосперм, и
проводить его питательные вещества к начавшему развитие всходу. 6
Существенное экономическое значение имеют всего три вида пшеницы –
пшеница летняя, мягкая, или обыкновенная (T. Aestivum)( Рис.2.), пшеница
твердая (T. durum) и пшеница плотноколосая, или карликовая (T. compactum).
Первый из них – обычная хлебопекарная пшеница, выращиваемая по всему
миру. Зерно второго используется для производства макаронных изделий,
поскольку богато клейковиной – смесью белков, образующих липкую массу,
которая не только связывает тесто, но и удерживает в нем пузырьки
углекислого газа; тесто «поднимается», и хлеб становится пышным. Пшеница
карликовая идет в основном на получение рассыпчатой выпечки. Меньшее
значение имеют пшеница спельта (T. spelta), эммер, полба, или пшеницадвузернянка (T. dicoccum), пшеницы польская (T. polonicum) и английская, или
тучная (T. turgidum). Во всем мире шире всего разводится пшеница летняя. 4
4. Описание эксперимента
Для опыта взяли 8 химических стаканов, внутреннюю стенку стаканов
покрыли фильтровальной бумагой и между бумагой и стенками стаканов
поместили семена пшеницы, по 12 штук в каждую. В 6 стаканов налили
соответственно 0,01% и 0,02% растворы солей CuCl2 , NiSO4 , Pb(CH3COO)2 . А
в 2 стакана обычную чистую воду. Раствор не должен покрывать семена.
Через 3 дня семена начали набухать. И через пять дней у многих уже вышли
12
13
корешки и стебли. Но некоторые семена не проросли, а некоторые с трудом
начали прорастать, очень медленно росли и были уродливыми.
5. Анализ результатов
После двух недель сравнили результаты опыта. В стаканах с растворами солей
количество всходивших семян было меньше, чем в стаканах с чистой водой. И
по длине стебля они отставали от контрольных экземпляров. Особенно плохое
развитие было в стаканах с растворами солей никеля.
Таблица 1. Результаты опыта.
№
Число
Всхожесть
Средняя длина
варианта
всходивших
(%)
стебля (см)
Раствор
семян из 12
1
CuCl2 0,01%
9
75
10
2
CuCl2 0,02%
8
67
10
3
Pb(CH3COO)2
8
67
10
5
49
9
0,01%
4
Pb (CH3COO)2
0,02%
5
NiSO4 0,01%
5
49
3
6
NiSO4 0,02%
3
25
2
7
Вода чистая
11
92
10
8
Вода чистая
11
92
10
Показатель всхожести семян пшеницы под действием растворов солей
тяжелых металлов.
13
14
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01%
0,02%
вода
CuCl2
Pb2+
NiSO4
вода
III.Заключение.
В результате исследовательской работы я узнала, какие элементы входят
в состав живых организмов, какую роль они играют в организме, о влиянии
повышенной концентрации солей тяжелых металлов на живые организмы, об
особенностях строения растения пшеницы. По предварительной гипотезе, под
воздействием 0,01% и 0,02% растворов CuCl2, NiSO4, Pb(CH3COO)2 понижается
прорастаемость пшеницы. В результате нашего исследования эту гипотезу
выяснили и доказали. И в правду 0,01% и 0,02% растворы CuCl2, NiSO4 ,
Pb(CH3COO)2 отрицательно влияют на прорастание семян пшеницы. Так как
эта концентрация для них является выше допустимой.
Выводы после проведения этого эксперимента: Не допускать
попадания соединений тяжелых металлов в окружающую среду, так как из
почвы они попадают в растения, а из растений и в организм человека. И они
будут отрицательно влиять на наш организм.
14
15
IV.Использованная литература:
1. Электронный ресурс /biogeochemistry.narod.ru/…/monografi/1/1.htm.
2. Реферат: Токсичность тяжелых металлов в с.х. растениях BestReferat.ru...
3. Сад у дороги. Кандидат биологических наук Т. Сенновская. Наука и
жизнь №5, 2006 год.
4. Ботаника. В.А. Корчагина. М., Просвещение, 1984.
5. Тяжелые металлы и их влияние на растения. studzona.com
6.Онлайн энцеклопедия /krugosvet.ru › enc…i_tehnika/
15
16
Приложение.
Рисунок 1. Строение пшеницы.
Рисунок.2. Пшеница летняя.
16
17
Фотографии хода эксперимента.
17
18
18
19
19