Тяжелые металлы исследовательская работа

Обновлено: 21.09.2024

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Почва - это поверхностный слой суши. Она образовалась из смеси минеральных веществ, при распаде горных пород и органических веществ (перегноя) в результате разложения растительных и животных останков.

Актуальность рассматриваемой темы заключается в том, что ценность почвы определяется не только ее значением для производства продуктов питания и сырья для промышленности, но и экологической ролью, которую играет почва в жизни биосферы. Через почвенный покров суши идут сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой, гидросферой и всеми живущими в почве организмами.

Цель:
Исследовать почву пришкольного участка на наличие тяжелых металлов (железа, меди, свинца) и кислотность, сравнить результаты исследования с контрольным участком за городом.

Задачи:
1.Провести отбор проб почвы и определить содержание тяжелых металлов и кислотность.
2. Сделать выводы о причинах загрязнения почв тяжелыми металлами.
3.Изучить и проанализировать литературу о влиянии на живые организмы тяжелых металлов.
Объекты исследования: два участка – на территории школы: 1 – прилегающий к стадиону (не обрабатывается), 2 –перед школой (выращиваются цветы); 3 – на территории удаленной от города на 27 км.
Методы: 1) Работа с литературой. 2) Сбор материалов. 3) Химический эксперимент.

2. Источники загрязнения почвы.

Проблема загрязнения окружающей среды является одной из главных проблем современности. В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ – продуктов хозяйственной деятельности человека, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы. Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см3, с относительной массой более 40.

Как попадают в почву тяжелые металлы?
Почва служит конечным накопителем токсичных веществ. Она повсеместно загрязняется ядовитыми компонентами выхлопных газов транспортных двигателей, нефтью, смазочными материалами, обмывочными водами, металлической и синтетической пылью. Человек загрязняет почву как за счет промышленных и бытовых отходов, а также в результате внесения в почву пестицидов и минеральных удобрений.
В связи с наличием на территории города Владикавказ свинцового цеха наблюдается выброс вредных веществ в атмосферу, содержащих свинец и их накопление во всех компонентах природной среды.
Для села Хумалаг характерно интенсивное загрязнение газообразными и твердыми выбросами. Загрязнение воздушного бассейна дает асфальтный завод и автотранспорт. Загрязнение почв тяжелыми металлами сильное с повышением фона местами в 5-10 раз.

3. Методика выполнения исследования.

3.1. Отбор проб почвы и подготовка к химическому анализу.

Наша школа находится в центральной части села Хумалаг рядом с проезжей частью. Это оживленная улица с большим потоком легкового и грузового транспорта. Образцы почв отбирались с трех участков, отличающихся по видам агротехнической обработки и по расположению относительно оживленной автотрассы.

Для проведения химического анализа отбираем почву методом конверта с глубины 10см, так как именно в верхнем ее горизонте накапливаются тяжелые металлы. Рекомендуется взять участок площадью 100 м2 (10x10м). Берем средние пробы почвы из 5-8 индивидуальных проб, взятых в различных точках участка. На практике для отбора почвенных образцов часто используют метод “конверта”, т.е. в каждой из пяти точек, как указано на рисунке, необходимо взять образец почвы с помощью лопатки, а затем смешать эти 5 индивидуальных образцов, и полученный средний образец использовать для проведения исследования.
Затем почву высушиваем. Измельченный материал тщательно перемешиваем и рассыпаем тонким ровным слоем в виде квадрата, разделяя его на четыре сектора. Содержимое двух противоположных секторов отбрасываем, а два оставшихся снова смешиваем.
После многократных повторений оставшуюся пробу высушиваем в хорошо проветриваемом помещении или сушильном шкафу при 30-40C, рассыпав тонким слоем на кальке, а затем измельчаем в ступке и просеиваем через сито.

3.2. Приготовление вытяжки.

Почвенный раствор готовим за два дня до практического занятия следующим образом. Сухую измельченную почву заливаем 1 М раствором азотной кислоты (10г почвы на 50 мл кислоты) и оставляем на сутки, потом смесь фильтруем и упариваем фильтрат до необходимого объема.
Для определения содержания тяжелых металлов в почвенной вытяжке необходимо знание качественных реакций на ионы данных металлов

3.3. Качественное обнаружение ионов железа Fe 3+ .

а) Раствор, содержащий ионы железа Fe 3+ образует с раствором гексацианоферрата (ΙΙ) калия K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) темно-синий осадок берлинской лазури:

б) Ионы железа Fe 3+ образуют с растворами роданида калия или аммония окрашенный в кроваво-красный цвет роданид железа (ΙΙΙ) Fe(SCN)₃

В две пробирки внесла по 2 мл вытяжки. В первую налила 1 мл раствора желтой кровяной соли, во вторую – 10% раствор роданида калия. Появившееся синее окрашивание в первой и красное во второй свидетельствуют о наличии в почве соединений железа.

3.4. Качественное обнаружение ионов свинца Pb 2+ .

а) При взаимодействии ионов свинца с раствором иодида калия образуется желтый осадок иодида свинца

Pb 2 + + 2 I = PbI₃

б) Растворы едких щелочей осаждают из растворов, содержащих ионы свинца, белый осадок гидроксида свинца Pb(OH)₂

В две пробы по 2 мл добавляют 3% раствор иодида калия, а во вторую щелочь гидроксид калия. Если в первой выпал желтый осадок, а во второй – белый, то в растворе присутствуют соединения свинца.

3.5. Качественное обнаружение ионов меди Cu 2+

а) При добавлении аммиака к растворам солей меди выпадает зеленый осадок, растворимый в избытке аммиака с образованием ионов [Cu(NH₃)₄] 2+, окрашенных в интенсивно-синий цвет.

б) При добавлении щелочи в раствор с ионами меди образуется нерастворимое основание гидроксид меди Cu(ОН)_2, окрашенный в синий цвет.

В две пробирки налила по 2 мл фильтрата. В первую добавила раствор аммиака NH3•H2O, а во вторую – щелочь. Появление синего окрашивания в обоих пробирках свидетельствует о наличии ионов меди.

3.6 Определение кислотности почвы.

Для этого необходимы: контрольная шкала образцов окраски растворов, раствор универсального индикатора, пипетка - капельница (0, 10 мл), пробирка с меткой «5 мл».

1. В пробирку наливаем 5 мл ( до метки) почвенного раствора.
2. Добавляем в пробирку пипеткой - капельницей 4-5 капель (около 0.10 мл) раствора универсального индикатора.
3. Содержимое пробирки перемешиваем, покачивая ее.
4.Окраску раствора сразу же сравниваем с контрольной школой, выбирая ближайший по характеру окраски образец шкалы.

Исследовательская работа "Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы"

Окружающая среда является местом обитания живых организмов, которые находятся в контакте с ней всю свою жизнь. Организмы получают из окружающей среды все самое необходимое для нормальной жизнедеятельности: кислород для дыхания, воду, питательные вещества, микроэлементы и многое другое. Среди химических элементов, поступающих в организмы, особое место занимают тяжелые металлы в форме ионов.

Установлено, что ионы тяжелых металлов в норме присутствуют в окружающей среде вследствие поступления их из природных соединений, но естественное содержание их крайне мало. В последнее же время воздействие человека на окружающую среду возрастает, и теперь источником соединений тяжелых металлов выступает еще и деятельность человека (металлургическое производство, автотранспорт, удобрения), причем ионов тяжелых металлов антропогенного происхождения в окружающей среде с каждым годом становится все больше. Следовательно, и в организмы эти ионы будут поступать в большем количестве.

Работает ли здесь правило «чем больше, тем лучше»? Все знают, что в живых организмах присутствуют металлы, в том числе и тяжелые: например, железо в составе гемоглобина, цинк в составе инсулина и многих ферментов, медь нужна для формирования нервной ткани и в процессах кроветворения, а молибден активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Но эти и многие другие химические элементы – тяжелые металлы требуются живым организмам для нормальной жизнедеятельности в довольно малых количествах, тогда как некоторые из тяжелых металлов даже в микроколичествах оказывают отравляющее воздействие, являясь сильнейшими металлами-токсикантами (ртуть, свинец, кадмий).

Действительно ли деятельность человека – мощный источник поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду, а сами тяжелые металлы негативно воздействуют на живые организмы? Изучению данных вопросов и посвящена работа.

В начале работы была выдвинута гипотеза: соединения тяжелых металлов присутствуют в окружающей среде района исследования (сельская местность), содержание соединений тяжелых металлов тем выше, чем ближе территория отбора проб к автомобильной дороге; соединения тяжелых металлов оказывают угнетающее воздействие на живые организмы.

Цель: изучение содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде (в воздухе, в почве, в воде) и их воздействие на живые организмы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи :

Изучить научную литературу по данной проблеме.

Изучить методы определения соединений тяжелых металлов в окружающей среде.

Провести качественный анализ проб почвы, снега, воды, биологического материала (лишайников) на содержание соединений тяжелых металлов.

Определить воздействие соединений тяжелых металлов на живые организмы.

Оценить степень загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов в районе исследования.

Объект исследования : загрязнение соединениями тяжелых металлов окружающей среды и живых организмов.

Предмет исследования : почва, снег, вода, живые организмы (лишайники, кресс салат).

Методы исследования:

Место проведения исследования: деревня Титково Кардымовского района.

Сроки проведения исследования: февраль-март 2017 года.

Глава I . Тяжелые металлы

Общие понятия о тяжелых металлах

Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом, больше 40. Известно около сорока различных определений термина тяжелые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжелых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы.

Термин «тяжелые металлы» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения. Таким образом, при включении в эту категории учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [5.3] .

Воздействие тяжелых металлов на живые организмы

Глава II . Источники поступления соединений тяжелых металлов

в окружающую среду и живые организмы

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них.

Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений [5.3].

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей.

К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами техногенного происхождения относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.

Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем [5.2].

2.1. Поступление соединений тяжелых металлов в почву

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - выхлопными газами автомобилей. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Почва с лужит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы, что приводит к изменению состава и свойств почвы как динамической системы и в конечном итоге вызывает нарушение равновесия экологических процессов.

В естественных нормальных условиях все процессы, происходящие в почвах, находятся в равновесии. Изменение состава и свойств почвы может быть вызвано природными явлениями, но наиболее часто в нарушении равновесно состоянию почвы повинен человек:

атмосферный перенос загрязняющих веществ в виде аэрозолей и пыли (тяжелые металлы);

неземное загрязнение – отвалы крупнотоннажных производств и выбросы топливно-энергетических комплексов;

растительный опад. Токсичные элементы в любом состоянии поглощаются листьями или оседают на листовой поверхности. Затем, при опадании листьев, эти соединения попадают в почву [5.4] .

Определение тяжелых металлов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных для выращивания экологически чистой продукции.

Если почвы загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую фитомассу. Такие культуры, извлекающие тяжелые металлы, после созревания подлежат уничтожению. На восстановление загрязненных почв требуются десятки лет.

2.2. Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах.

Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня [5.3].

В то же время тяжелые металлы и их соли — широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают как из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), так и со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Например, естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д.

2.3. Поступление соединений тяжелых металлов в атмосферу

Автомобильный транспорт, который работает на жидком топливе (бензине, дизельном топливе и керосине), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплоэлектростанции (ТЭС) представляют собой один из основных источников загрязнения воздуха. В выхлопных выбросах автомобилей содержатся тяжёлые металлы, в том числе свинец. Более высокие концентрации свинца в атмосферном воздухе городов с крупными промышленными предприятиями.

Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы [4]

Общий природный источник

2.4. Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы

Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. По данным с ней поступают 40–80 % тяжелых металлов, и только 20–40 %. — с воздухом и водой. Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:

1) Cd,Cs, Rb — элементы интенсивного поглощения;

2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As –средней степени поглощения;

3) Mn, Ni, Cr –слабого поглощения;

4) Se, Fe, Ba, Te — элементы труднодоступные растениям. Другой путь поступления тяжелых металлов в растения — некорневое поглощение из воздушных потоков.

Поступление элементов в растения через листья происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Свинец и кадмий относятся к высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10–100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автодорог количество кадмия возрастает в 11–17 раз.

Поступление тяжелых металлов в растения может происходить непосредственно из воздуха с оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30% от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается [5.1].

Влияние тяжёлых металлов на организм человека

Значительная доля тяжёлых металлов проникает в почву от источников домашнего и городского хозяйства. В связи с тем, что проблема загрязнения окружающей природной среды тяжёлыми металлами и воздействии их на организм человека являете» актуальной для нашего региона.

Ключевые слова: тяжёлый металл, проблема загрязнения окружающей среды, загрязнение почвы, организм человека.

В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение почв тяжёлыми металлами стало особо острой проблемой. Тяжёлые металлы беспрепятственно могут попадать в растения, организмы животных, человека через пищу и в больших количествах оказывают очень пагубное воздействие как на организм в целом, так и на отдельные органы.

Доклад «Влияние тяжёлых металлов на организм человека» (на примере анализа почв отдельного района в 12, 13, 14, 16 и 16 а микрорайонах) представляет собой исследовательскую работу студентов по изучению почв на содержание тяжелых металлов и влиянии их на организм человека.

В соответствии с ГОСТом тяжелые металлы, по степени опасности, разделяются на три класса опасности:

1. класс опасности: мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, силен, свиной, цинк

2. класс опасности: кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма.

3. класс опасности: ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций.

При превышении концентрации тяжелых металлов ПДК приводит к серьёзным последствиям, в организме происходят необратимые изменения.

Значительная доля тяжёлых металлов проникает в почву от источников домашнего и городского хозяйства.

В связи с тем, что проблема загрязнения окружающей природной среды тяжёлыми металлами и воздействии их на организм человека являете» актуальной для нашего региона. И что серьёзным изучении данного вопроса до сих пор никто не занимался, директором клуба «Эксперимент» Комковым В. Е., была проведена экспериментальная работа, которую в основном проводили исследовательская группа. Основную часть группы составили студенты НИК», экологи (специальность 3201).

C целью получить наиболее точную информацию о загрязнении почвы города Нефтеюганска тяжёлыми металлами мы выбрали отдельный район дли его тщательного обследования. Обследовали мы район с помощью взятия проб почвы.

Пробы почвы были отобраны около подъездов, на детских площадках и территорий школ, в подвалах, а также на остановках и магазинах. Пробы отбирались в герметичные пластиковые коробочки, которые нумеровались.

В ходе подготовки образца к химическому анализу выделяются следующие основные процессы: высушивание, дробление, просеивание и измельчение.

Анализ почвы производится на эмиссионном спектроскане. Главное достоинство эмиссионного спектрографа состоит в том, что на нем возможно определение многих элементов одновременно с помощью рентгеновской трубки, которая возбуждает атомы исследуемого вещества.

Если на спектрограмме пик элемента приходится на отметку выше 4096 импульсов в секунду, то в данной пробе концентрация данного элемента выше ПДК и начинает оказывать пагубное действие на организм человека.

В своей экспериментальной работе мы сравнивали среднее содержание каждого металла в отдельности и изучали его действия на организм.

После чего мы пришли к такому выводу: где пробы превышают предельно допустимую концентрацию, в тех микрорайонах заболеваемость повышенная. Это связано с тем, что пыль в подъездах домов, в которой содержится большое содержание вредных твердых металлов, имеет прямой доступ в легкие человека, осаждаются на них и приводят к заболеваниям, а так же пыль поднимается в микрорайонах при неблагоприятной розе ветров, попадает в квартиры и организм человека соответственно. Помимо этого, обладает повышенным уровнем радиации 30–35 микрорентген в час в воздухе в подвалах, квартирах, что указывает на наличие примеси радиоактивных строительных материалов.

Данная работа по экологическому мониторингу микрорайонов города является пионерной ранее никогда не проводившейся. В планах лабораторий центра «Эксперимент» продолжение этой работы: многократное измерение данных параметров и составление экологических карт. При выявлении объектов городского хозяйства, имеющих повышенный радиационный фон и другие загрязнения выше норм ПДК, будет проводиться более тщательное исследование с передачей информации муниципальным властям для принятия решений.

Данная работа является обобщением как теоретического, так и практического материала.

Его можно использовать:

— как методику для проведения дальнейших исследований;

— для оценки состояния почв воздуха,

— для прогнозирования антропогенных изменений состояния почвы.

Гусакова Н. В. Техносферная безопасность: физико-химические процессы в техносфере: учебное пособие/Н. В. Гусакова. — Москва: ИНФРА-М, 2015. — 84 м.
Никифорова Л. О. Влияние тяжёлых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ/Л. О. Никифорова, Л. М. Белопольский — Бином, Лаборатория знаний, 2013. — 80 с.

Основные термины (генерируются автоматически): организм человека, класс опасности, металл, городское хозяйство, проблема загрязнения, значительная доля, окружающая природная среда, отдельный район, экспериментальная работа.

Тяжелые металлы исследовательская работа

Тяжелые металлы в городских почвах и листьях деревьев города Люберцы

1 Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 25 имени А.М. Черемухина муниципального образования городской округ Люберцы Московской области

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Органические отбросы, биогенные вещества наносят вред городским и природным экосистемам тогда, когда перегружают их. Загрязненная ими экосистема может при благоприятных условиях очиститься сама. Однако есть загрязнители, которые абсолютно чужды экосистемам, поэтому их вред более существен. Среди таких веществ особое место занимают тяжелые металлы.[1]

В результате деятельности человека уже на протяжении многих десятков и сотен лет происходит поступление тяжелых металлов в биосферу, что привело к значительному увеличению содержания этих элементов в окружающей среде. Загрязнение водоемов, почвы и продуктов питания тяжелыми металлами представляет серьезную угрозу для здоровья людей. [6]

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности и автомобильного транспорта во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, в частности свинцом и кадмием. Повышенные содержания этих элементов обнаруживаются в атмосферных аэрозолях, почвах, поверхностных и грунтовых водах, а также растениях. [8]

Люберецкий район один из районов ближнего Подмосковья с наиболее сложной экологической обстановкой [3]. Поэтому любые экологические исследования в Люберецком районе, способствующие снижению возможного экологического риска, актуальны. Школьники должны научиться оценивать состояние собственного здоровья и соотносить полученные результаты с абиотическими условиями и образом жизни, вносить коррективы в свой образ жизни с учетом полученных результатов [4].

Гипотеза: воздух в городе загрязняется тяжелыми металлами, которые накапливаются в почвах и листьях деревьев, произрастающих в городе Люберцы.

Цель: определить степень загрязнения городских почв тяжелыми металлами и наличие их в листьях разных пород деревьев листьях.

Собрать пробы почвы и листьев растений в начале лета (июнь)

Собрать пробы почвы и листьев в начале осени (сентябрь)

Подготовить образцы к химическому анализу.

Методом химического анализа определить содержание свинца, меди, цинка и кадмия в почве и в растениях

Сравнить полученные результаты

Оценить экологический риск воздействия неблагоприятной окружающей среды на растения и на человека.

Тяжелые металлы – загрязнители природной среды

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин "тяжелые металлы" применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см 3 , либо с атомным номером больше 20. Хотя, существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 ат. ед. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.[12]

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность. [12]

Токсикология свинца тщательно изучена, так как его содержание в окружающей среде в настоящее время быстро растет в результате деятельности человека.

Ежегодное мировое потребление свинца составляет около 3 млн т, которые используют для разных целей:

Производство аккумуляторных батарей (40% от мирового потребления)

20% тетраэтилсвинца (ТЭС) и тетраметилсвинца — присадок к бензину

12% — в строительстве

6% — для покрытия кабелей

Тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец — это ядовитые жидкие вещества, которые и сейчас добавляют как антидетонирующие присадки к бензинам. Поэтому выхлопы автомобилей — наиболее серьезный источник загрязнения окружающей среды свинцом.

Вдоль автотрасс свинец абсорбируют растения (из воздуха, а не из почвы!), этот же процесс происходит при загрязнении поверхностных слоев вод. В воду свинец может попасть из загрязненных им (свинцом) почв.[1]

Соединения свинца являются загрязнителем воздуха и почвы, куда они попадают чаще всего вследствие выбросов промышленных предприятий. Пыль, содержащая соединения свинца, оседает на растения и вызывает у них замедление процессов фотосинтеза. Ионы свинца вызывают потерю клетками растений тургора, в результате чего листья становятся дряблыми. Загрязнение свинцом объектов окружающей среды приводит к существенному снижению качества сельскохозяйственной продукции.[6]

Соединения свинца попадают в организм человека через желудочно-кишечный тракт или легкие, далее он попадает в кровь и разносится ею по всему телу, накапливаясь в костях, мышцах, печени, почках, сердце, лимфатических узлах. [7]

Неорганические соединения свинца ( Pb +2 ) нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов, вызывая у детей умственную отсталость, заболевания мозга, нарушение координации движений, ухудшение слуха и памяти. Попадая в клетки, свинец дезактивирует ферменты. Свинец может заменять кальций в костях, становясь постоянным источником отравления. Органические соединения свинца еще более токсичны. Степень отравления свинцом определяют по концентрации его в крови.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав белков. Их биологическая роль связана с процессами переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизни поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению меди в тканях путем ограничения ее абсорбции или стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях при соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга.[2] Содержание меди в виде различных соединений в человеческом организме составляет около 1 мг на 1 кг веса. Медь для человека является микроэлементом. [5]

Источники поступления меди в экосистемы - это результат использования медьсодержащих веществ: удобрений (минеральных и органических), растворов для опрыскивания, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, а также поступления из индустриальных источников, транспорта. [6,10]

Медь считается одним из наиболее подвижных тяжелых металлов в гипергенных процессах. Однако катионы меди обладают многообразными свойствами и в почвах и осадках проявляют большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. В итоге Cu - относительно малоподвижный элемент в почвах, и ее суммарные содержания обнаруживают сравнительно слабые вариации в почвенных профилях.

Преобладающей обычно в поверхностных средах подвижной формой меди является катион с валентностью +2, однако в почвах могут присутствовать и другие ионные формы.

Микробиологическая фиксация играет важную роль в связывании Cu в некоторых типах почв. Количество Cu, связанной в биомассе микроорганизмов, меняется в широких пределах и зависит от многих факторов - концентрации меди, свойств почвы, сезона года. Микробиологическая фиксация Cu - важный этап в ее экологическом круговороте. Хотя медь - один из наименее подвижных тяжелых металлов в почве, ее содержание в почвенных растворах достаточно велико во всех типах почв. Образование органических комплексов Cu имеет важное практическое значение для управления биологической доступностью и миграцией Cu в почве.

В тканях корней растений Cu почти целиком присутствует в комплексных формах, однако представляется более вероятным, что в клетки корневой системы она проникает в диссоциированных формах. Перемещение Cu между различными частями растения играет главную роль в ее утилизации. Была обнаружена способность корневых тканей удерживать Cu от переноса в побеги как в условиях ее дефицита, так и избытка. Подвижность Cu в растительных тканях сильно зависит от уровня ее поступления, достигая максимума при оптимальном уровне. Однако Cu имеет меньшую подвижность в растениях по сравнению с другими элементами. Большая ее доля остается в тканях корней и листьев, пока они не отомрут, и только малые количества могут переместиться в молодые органы.

Несмотря на общую толерантность растительных видов и генотипов к меди, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный. Процессы, вызванные избытком ионов Cu 2+ и Cu + , можно суммировать следующим образом:

повреждение тканей, вытянутость клеток корней;

изменение проницаемости мембран, вызывающее потерю корнями ионов и растворенных веществ;

переокисление липидов в мембранах хлоропластов и ингибирование переноса электронов при фотосинтезе;

иммобилизация Cu на стенках и в вакуолях клеток и в виде неспособных к диффузии Cu-протеиновых комплексов.

Некоторые виды имеют большую устойчивость к повышенным содержаниям Cu и могут аккумулировать экстремально высокие количества этого элемента в своих тканях. Концентрация Cu в тканях растений зависит от уровня ее содержания в питающих растворах и почвах. Однако параметры этой связи различны для разных видов растений и их частей. У ряда видов, произрастающих в широком диапазоне природных условий, концентрации меди в побегах редко превышают 20 мг/кг сухой массы, поэтому такая величина часто рассматривается как граница, отделяющая область избыточных содержаний. [9]

Загрязнениепочв кадмием рассматривается как наиболее серьезная опасность для здоровья. В антропогенных условиях содержание кадмия в поверхностном слое почв обычно возрастает. Считается, что Cd не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Растворимые формы Cd в почве всегда легкодоступны растениям. Заметная доля Cd поглощается корнями пассивно, но поглощается он также и метаболическим путем. [9]

Известно, что большая часть Cd аккумулируется в тканях корней, даже если он попадает в растения через листья. Можно сделать вывод, что, хотя корни некоторых видов способны поглощать большие количества Cd из среды, перенос Cd в растении может иметь ограниченные масштабы из-за того, что Cd легко захватывает большинство обменных позиций в активных веществах, расположенных на клеточных стенках. Кадмий считается токсичным элементом для растений, и основная причина его токсичности связана с нарушением ферментативной активности. [9]

Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием Cd в растениях, - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков. Помимо создания препятствий нормальному метаболизму ряда микрокомпонентов питания, фитотоксичность Cd проявляется в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации С O ₂, изменении проницаемости клеточных мембран. Известно также, что Cd ингибирует процессы в микроорганизмах, происходящие с участием ДНК, препятствует симбиозу микробов и растений и повышает пред расположенность растений к грибковым инвазиям. Содержащийся в растениях кадмий представляет наибольшую опасность, так как может служить источником поступления в организмы человека и животных. Поэтому толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям Cd, хотя они и важны с точки зрения сохранности окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека. [9]

Кадмий попадает в окружающую среду вследствие курения (дым сигарет), выбросов промышленных предприятий, выбросы с заводов цветной металлургии, удобрения, сжигание угля. [12]

Установлены ПДК веществ для охраны от загрязнения: шкала экологического нормирования тяжелых металлов предложена с учетом генетического типа почвы. Главное значение имеет не количество тяжелых металлов, а их формы соединений в почве, зависящие от pH почвы (таблица 1).[1]

Презентация по химии "Экспериментально-исследовательская работа «Влияние тяжелых металлов на рост и развитие растений»"

определить влияние цинка на рост и развитие растений.

Гипотеза: тяжелые металлы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, влияют на рост и развитие растений. Так как основное количество тяжелых металлов, содержащихся в выхлопных газах, оседает вблизи дорог, мы предполагаем, что по мере удаления от них степень воздействия тяжелых металлов на растения уменьшается.

Задачи:

Изучить и проанализировать литературу о влиянии тяжелых металлов на окружающую среду.

Определить наличие ионов свинца в почве и соке пырея ползучего, собранных возле автомобильной дороги и на расстоянии 15,100, 150 и 300 метров от нее.

Установить степень влияния ионовна прорастание семян фасоли красной и развитие проростков.

Объект исследования: почва и растения, находящие на определенном расстоянии от дороги.

Предмет исследования: влияние ионов свинца на жизнедеятельность растений.

2. Экспериментальная часть.

Пробы почвы взяты на:

- клумбе у школы – 100 м от дороги (проба №1);

- остановке- 15 м от автодороги (проба № 2);

- детской площадке по адресу ул. Бумажников - 300 м от автодороги (проба №3);

- на городском стадионе – 500 м от автодороги (проба № 4)

Последовательность эксперимента.

Взятие проб из почв

Пробы почвы взяты на:

- клумбе у школы – 100 м от дороги (проба №1);

- остановке - 15 м от автодороги (проба № 2);

- детской площадке по адресу ул. Бумажников - 300 м от автодороги (проба №3);

- на городском стадионе – 500 м от автодороги (проба № 4)

Содержимое разработки

МБОУ СОШ «Каменногорский ОЦ»

Экспериментально – исследовательская работа

«ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕРНИЙ»

Работу выполнили ученицы 9а класса

Агурьянова Н., Федорова Г., Бирюкова В.

Научный руководитель – Шевченко Ю.Н.

Актуальность

Цель работы : определить влияние цинка на рост и развитие растений . Гипотеза : тяжелые металлы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, влияют на рост и развитие растений. Так как основное количество тяжелых металлов, содержащихся в выхлопных газах, оседает вблизи дорог, мы предполагаем, что по мере удаления от них степень воздействия тяжелых металлов на растения уменьшается.

Изучить и проанализировать литературу о влиянии тяжелых металлов на окружающую среду.
Определить наличие ионов свинца в почве и соке пырея ползучего, собранных возле автомобильной дороги и на расстоянии 15,100, 150 и 300 метров от нее.
Установить степень влияния ионовна прорастание семян фасоли красной и развитие проростков.

Объект исследования : почва и растения, находящие на определенном расстоянии от дороги.
Предмет исследования: влияние ионов свинца на жизнедеятельность растений

Взятие проб

Пробы почвы взяты на:

клумбе у школы – 100м от дороги (проба №1);
остановке- 15 м от автодороги (проба № 2);
детской площадке по адресу ул. Бумажников - 300м от автодороги (проба №3);
на городском стадионе – 500м от автодороги (проба № 4)

Пробы почвы взяты на:

Затем все пробы профильтровали, полученный фильтрат проверили на наличие ионов свинца

Результаты занесли в таблицу

Раствор желтел и выпадали хлопья желтого цвета

Выпадали хлопья желтого цвета

Раствор желтел и выпадали хлопья желтого цвета

Выпадали хлопья желтого цвета

Проросток развиваются хорошо

рост стебля в высоту у одного проростка идет быстрее

Проросток развиваются хорошо

два проростка развиваются хорошо, другие отстают в развитии

Проросток развиваются хорошо

один проросток отстает в росте

слабые проростки начали желтеть

Проросток развиваются хорошо

один проросток продолжает отставать в росте

два проростка развиты хорошо, другие продолжают усыхать

Один из проростков начал усыхать

проба № 1 проба № 2 проба № 3 проба № 4

Из приведенных исследований можно сделать следующий вывод:

впадение желтых хлопьев и пожелтение раствора в пробах № 1,2 свидетельствует о том, что почва, взятая возле автомобильной дороги(15м) и на расстоянии 100м содержит ионы свинца. В пробах №3,4, взятых на расстоянии 150 и 300м от автомобильной дороги, ионы свинца не обнаружены. исследование сока пырея ползучего показало, что сок растений, произрастающих возле дороги, содержит ионы свинца. В соке растений , собранных на расстоянии 150 и 300 метров от дороги, ионы свинца не обнаружены Проростки фасоли появились не во всех пробах. В пробе № 1(15м от автодороги) не проросло ни одно семя. В пробе № 4 взошло 6 семян из 10, а в пробе № 2 и №4 – 1 и 2 семя. Хорошо развивался проросток пробы №2 Хорошо развивались проростки в пробах №3 и4 , формирование растений шло хорошо, но во второй половине наблюдений в пробе №3 стали отставать в росте 4 проростка, а в пробе №4- один а потовом вообще стали усыхать. Данные результаты говорят о том, что ионы свинца отрицательно влияют на рост и развитие растений
впадение желтых хлопьев и пожелтение раствора в пробах № 1,2 свидетельствует о том, что почва, взятая возле автомобильной дороги(15м) и на расстоянии 100м содержит ионы свинца. В пробах №3,4, взятых на расстоянии 150 и 300м от автомобильной дороги, ионы свинца не обнаружены.
исследование сока пырея ползучего показало, что сок растений, произрастающих возле дороги, содержит ионы свинца. В соке растений , собранных на расстоянии 150 и 300 метров от дороги, ионы свинца не обнаружены
Проростки фасоли появились не во всех пробах. В пробе № 1(15м от автодороги) не проросло ни одно семя. В пробе № 4 взошло 6 семян из 10, а в пробе № 2 и №4 – 1 и 2 семя. Хорошо развивался проросток пробы №2 Хорошо развивались проростки в пробах №3 и4 , формирование растений шло хорошо, но во второй половине наблюдений в пробе №3 стали отставать в росте 4 проростка, а в пробе №4- один а потовом вообще стали усыхать. Данные результаты говорят о том, что ионы свинца отрицательно влияют на рост и развитие растений

1. Вредные вещества, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, накапливаются в окружающей среде. 2. В результате проведенных исследований была подтверждена выдвинутая в начале работы гипотеза. Наибольшее количество ионов свинца и содержится в почве и соке растений, находящихся в непосредственной близости от автомобильной дороги. По мере удаления от дороги содержание ионов свинца и хлора в окружающей среде уменьшается. Содержание ионов свинца в соке пырея ползучего говорит о том, что растения поглощают из почвы и накапливают в себе эти ионы. 3. Ионы свинца влияют на рост и развитие растений. Растения растут медленнее, хуже развиваются, быстрее погибают. 4.Необходимо информировать население о влиянии выхлопных газов автомобилей на окружающую среду.

1. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и ее охрана. М.:’»Просвещение», 1985. 2.Камлюк Л.В., Лемеза Н.А., Лисов Н.Д. Биология. Учебное пособие для 10 класса. Мн.: «Народная света»,2007. 3.Влияние тяжелых металлов на организм человека / Л.А.Яковлева, Н.Бунт // Химия: проблемы выкладання.-2006.-№9.-С.56-64. 4.Логинов Н.Я., Воскресенский А.Г., Солодкин И.С. Аналитическая химия. М.:»Просвещение»,1975. 5. Литвинова Т.Н., Смыкова К., Морозова И. Определение сравнительной устойчивости древесных растений к выхлопным газам автомобилей/ Т..Н.Литвинова, К.Смыкова, И.Морозова// Экалогiя.-2009.-№12.-С.20-23.

-82%

Читайте также: