Тяжелые металлы в почвах учебно-опытного участка Станции юных натруалистов

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СТАНЦИЯ ЮНЫХ НАТУРАЛИСТОВ» Трек: « Земля » Тема исследовательской работы: «Тяжелые металлы в почвах учебно- опытного участка СЮН» Работу выполнил а: Мугиддинова Милана, учени ца 9 класса, объединение « Экология и мы » Руководитель: Козунова Мария Сергеевна, педагог дополнительного образования г. Рославль Смоленская область 20 20 год Содержание. 1. Введение. стр. 3 2. Методика исследования. стр. 8 3. Результаты работы. стр. 1 0 4. Вывод. 5. Литература. 6. Приложение. стр. 13 стр. 14 стр. 15 Введение. Тяжелые металлы( ТМ) включают в себя более 40 элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Эта группа химических элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа ТМ во многом совпадает с понятием «микроэлементы». При повышенных концентраци ях термин «микроэлементы» заменяется термином «тяжелые металлы». К ТМ относятся свинец( Pb) , цинк( Zn) , кадмий( Cd) , ртуть( Hg) , молибден( Mo) , марганец( Mn) , никель( Ni) , олово( Sn) , кобальт( Co) , медь( Cu) и др. Источники загрязнения почв тяжелыми металлами. Различают природные и антропогенные источники загрязнения. К природным можно отнести миграцию веществ за счет вулканической деятельности, размыва и выветривания горных пород и рудных месторождений. Антропогенные источники загрязнения более разнообразны. Главными загрязнителями воздуха и почвы ТМ служат продукты сжигания ископаемого топлива, автомобильный транспорт и выбросы промышленных предприятий, особенно горнодобывающих и металлургических. ( П рил ожение 1) . При этом почвы дополнительно загрязняются атмосферными осадками и аэрозолями. Свой вклад в загрязнение почв ТМ в носит и сельское хозяйство. ТМ содержатся в органических, фосфорных и азотных удобрениях, известковых материалах, пестицидах. В атмосферу г. Рославля с выбросами соединений, содержащих тяжелые металлы поступают: оксид кадмия, оксид меди( П) , никеля металлического, свинца и его соединений. Токсичное действие тяжелых металлов на живые организмы. Поскольку задачей нашего исследования является определение содержания в почвах таких металлов, как РЬ, Сu, Сd, Zn, то следует рассмотреть их биологическую роль и токсичность. Среди исследуемых металлов Zn и Cu играют роль микроэлементов. Среднее содержание в организме взрослого человека цинка- 2, 3 и меди- 0, 072 г. Их недостаток, так же, как и избыток вызывает заболевания растений и животных. По действию на человеческий организм тяжелые металлы относятся к разным группам опасности: Cd, Pb, Zn – I класс опасности; Сu, – II класс опасности. В соответствии с этим устанавливаются санитарно- гигиенические нормы их содержания в почвах для сельскохозяйственных культур, в продуктах питания, питьевой воде. Характер действия и степень токсичности этих элементов зависят от их физико- химических свойств, особенно летучести, растворимости в воде и жирах. Чем выше дисперсность, тем легче вещества проникают в организм, поэтому яды, находящиеся в мелкодисперсном пылевом состоянии, более опасны. Цинк и медь в виде тончайших аэрозолей могут вызывать тяжелое заболевание- «литейную лихорадку». Свинцовая пыль обладает кумулятивным действием, изменяет состав крови и костного мозга, вызывает мышечную слабость и паралич лучевого нерва, свинцовые колики, поражает головной мозг, печень и почки. В зависимости от биологического действия токсичные вещества подразделяют на наркотические, нервные( нейротропные) , печеночные( гепатотропные) , кровяные, ферментативные, раздражающие, аллергены, мутагены, канцерогены. К нервным ядам относится марганец- вызывает структурны е повреждения в нервной системе. Соединения свинца относят к мутагенам. Они вызывают нарушения в наследственном аппарате человека и животных. Кромке того, свинец вызывает структурные изменения печени. Высокая токсичность кадмия обусловлена тем, что он химически подобен цинку, играющему важную роль во многих биохимических реакциях. Подобие цинку позволяет кадмию замещать его в биохимических системах, но Cd не способен в то чности выполнять функции цинка. Токсическое действие металлов на растения проявляется в угнетении роста, снижении биологической продуктивности, хлорозах и нейрозах. При атмосферном загрязнении металлами могут наблюдаться морфологические изменения у растений: мелколистность, морщинистость, искривление листовых пластинок, сокращение междоузлий и др. , морфологическая изменчивость долей цветка. Большие концентрации металлов в почвах угнетают рост корней, препятствуют прорастанию семян и выживанию сеянцев и саженцев растений. Накопление растениями металлов из почв. Основное поступление ТМ в растения осуществляется через почву. Рассматриваемые нами тяжелые металлы в различной степени поглощаются растениями: Zn характеризуется сильным поглощением, а Cu, Cd, Pb – средним. При загрязнении почв металлами из атмосферного воздуха, содержание их более всего увеличивается в верхних горизонтах, довольно быстро снижается с глубиной. Глубина миграции соединений металлов зависит от свойств почвы, соединений металлов, особенностей климата, рельефа други х факторов. Миграция химических элементов в почвах. Почва занимает переходное положение между «живым» и «неживым». В ней в тесной связи находятся живые организмы, минеральные и органические вещества. В почве взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода и воздух, климатические и физико–химические факторы, живые организмы. Этим определяется многообразие почв. ТМ задерживаются почвой. Поглотительная способность почв( способность поглощать из растворов и газовой фазы) складывается из следующих составляющих: механическая( при фильтрации через почву суспензий и коллоидов) ; химическая( образование труднорастворимых соединений) ; физическая( адсорбция) ; физико- химическая( поглощение ионов за счет ионного обмена) ; биологическая( поглощение микроорганизмами и корнями растений) . Наиболее важной является физико- химическая поглотительная способность, определяющая буферную способность почв( БСП) . Это способность почв сопротивляться изменению состояния почвенного раствора. По отношению к ТМ это свойство обусловлено присутствием в почвенном растворе анионов, с которыми ТМ могут образов ывать труднорастворимые осадки. БСП тесно связана с содержанием в почве гумуса. Наибольшей буферной емкостью обладают почвы с высоким содержанием гумуса. С увеличением рН устойчивость гуматов растет. Под воздействием различных факторов в почве происходит постоянная миграция попадающих в нее веществ и перенос их на большие расстояния. Интенсивность и направление миграций ТМ зависят как от особенностей ионов, формы, в которой присутствует элемент, его химических свойств, так и от физико- химических и биологических условий миграций( щелочно- кислотные, окислительно- восстановительные условия, водный режим, температура, давление, влияние жизнедеятельности растений и других организмов) . Но природная сопротивляемость почв, их естественная буферность, не беспредельны. С повышением температуры увеличивается миграционная способность элементов, повышается скорость протекания химических реакций. В районах с влажным климатом ТМ мигрируют в большей части в коллоидной форме. Загрязняющие почву ТМ в виде растворимых соединений могут переходить в воду, в растения и, следовательно, в организмы животных. Эти вещества перемещаются с грунтовыми и дождевыми водами, при таянии снега, в результате переноса водой и ветром на большие расстояния опавших листьев, содержащих ТМ. Кроме того, ТМ могут переноситься на большие расстояния с пылью от загрязненной почвы. Максимальное содержание ТМ в почвах наблюдается на расстоянии 1- 5 км от источника загрязнения( ближняя зона) . По мере удаления от источника загрязнения содержание металлов уменьшается и на расстоянии 15- 20 км приближается к фоновому уровню. Глубина проникновения ТМ в загрязненных почвах обычно не превышает 20 см, при сильном загрязнении проникают на глубину до 160 см. Опасность такого залегания состоит в том, что при кислой реакции среды и промывном режиме имеется угроза поступления токсичных металлов в виде водорастворимых форм в грунтовые воды. Для почв, расположенных вне зоны влияния источника загрязнения, характерно, как правило, равномерное распределение ТМ. Наибольшей миграционной способностью обладают ртуть и цинк, кадмий занимает промежуточное положение между ними. Приведём особенности миграций( по А. И. Перельману) некоторых металлов в ландшафтах: Zn, Сr, Ni, Pb, Cd- хорошо мигрируют в кислых водах и осаждаются на щелочном барьере; Ag, Hg – мигрируют в кислых и щелочных водах; Zr, Nb, Та, W, Те- слабая миграция с органическими комплексами, частично мигрируют в щелочной среде; Сг, Tl, Ce, Nd, Y, La, Ga, Sc, Sm, Gd, Dy, Tb, Tu, Fr, No, Eu, Lu, Yb, Ir, Bl- слабая миграция с органическими комплексами, частично мигрируют в сильнокислой среде. Тип почвы, ее механический состав, содержание органического вещества, величина рН, присутствие других элементов, в особенности Са и Р, могут сильно изменять токсичность металла для растения, влиять на его доступность. Повышение кальция и фосфора в почвах снижает фитотоксичность ряда тяжелых металлов. Значение кальция особенно велико в случае токсичных кислых почв: внесение извести уменьшает доступность для растений Fe, Zn, Ni, Cu, Co, Mn и др. Большое содержание фосфора в почве также снижает доступность тяжелых металлов. С уменьшением концентрации Р увеличивалась токсичность свинца для культурных растений и его поступл ение в корни и надземную часть. Изучив литературу по данному вопросу, я решила выполнить исследовательскую работу на тему: «Тяжелые металлы в почвах учебно- опытного участка СЮН». Цель работы: определить содержание тяжелых металлов в почвах учебно- опытного участка. Задачи: 1. Рассмотреть биологическую роль и токсичность тяжелых металлов в почве. 2. Изучить механический состав почв. 3. Изучить видовой состав растений пробных участков. Место проведения: учебно- опытный участок СЮН. Сроки проведения: май – август 20 20 год а. Методика исследования. Выбор участков. Было выб рано 3 участка для исследования( № 1, 2, 3) . ( Приложение 2) . Для почв г. Рославля характерно загрязнение газообразными и твердыми выбросами промышленных предприятий; высокая пылевая нагрузка наблюдается вблизи автомагистралей. Станция юных натуралистов расположена в жилой зоне. Это улица с не большим потоком легкового и грузового транспорта. Образцы почв отбирались с трех участков, отличающихся по произрастающим растениям, по ви дам агротехнической обработки, по расположению относительно оживленной автотрассы. Отбор почв и их предварительный анализ. С выбранных участков от обрала пробы почв весом 1 кг, с глубины почвенного горизонта – 15- 20 см. Почву просуши ла в течение суток в хорошо продуваемом месте, с целью прекращения микробиологических процессов и связанного с ними биохимического изменения образца. ( Приложение 3) . 3. Характеристика почв. а) Механический состав почв: определяется «мокрым» способом. Р аскатала мокрую тестообразную почву в шнур толщиной около 3 мм. При сворачивании в колечко диаметром до 3 см, кольцо стойкое, но с образовавшимися трещинами – характерно для тяжелого суглинка( участок № 3) ; при раскатывании шнур распадается, кольцо скатать невозможно – легкий суглинок( участок № 2) ; шнур скатать невозможно – песчаная почва( участок № 1) . б) Г игроскопичность почвы. Взятые образцы почв взвесила, затем поместила в духовой шкаф при температуре 100- 105°C в течение 5 часов. После охлаждения каждый образец почвы взвесила и по разнице в весе определила содержание гигроскопической воды в почве. в) О пределение содержания перегноя. О содержании перегноя судил а по её окраске, руководствуясь шкалой: Окраска почвы Содержание перегноя, % Окраска почвы Содержание перегноя, % Очень черная 10- 15 Серая 2- 4 Черная 7- 10 Светло- серая 1- 2 Темно- серая 4- 7 Белесая 0, 5- 1 в) В идовой состав растений пробных участков. И зучила и сравнила видовой состав растительности пробных участков. г) Кислотность почв( по растениям- индикаторам) . Для определения кислотности почв использовала растения- индикаторы. ( Приложение 4) . д) Определение тяжелых металлов в почве. Для определения тяжелых металлов в почве на исследуемых участках было высажено однолетнее овощное растение – кресс- салат, т. к. оно обладает повышенной чувствительностью к загрязнению почв тяжелыми металлами, а также загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Кресс- салат отличается быстрым прорастанием семян и почти 100% всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Побеги и корни кресс- салата под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям( задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян) . ( Приложение 5) . РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. Характеристика почв. Механический состав почв. Раскатала мокрую тестообразную почву в шнур толщиной около 3 мм. При сворачивании в колечко диаметром до 3 см, кольцо стойкое, но с образовавшимися трещинами – характерно для тяжелого суглинка( участок № 3) ; при раскатывании шнур распадается, кольцо скатать невозможно – легкий суглинок( участок № 2) ; шнур скатать невозможно – песчаная почва( участок № 1) . Показатели № участка № 1 № 2 № 3 Тип почвы Дернов о- подзолистая( песчан ая) Дернов о- подзолистая( легкий суглинок) Дернов о- подзолистая( тяжелый суглинок) Механический состав Песчаная Супесчаная Суглинок Структура Сыпучая Сыпучая Комковатая Включения Остатки растений Кислотность Щелочная Щелочная Кислая Гигроскопичность почвы № участка Проба почвы, кг Масса пробы почвы после проветривания, кг Масса пробы почвы после духового шкафа, кг №1 1 кг 0, 9 5 0, 76 № 2 1 кг 0, 9 7 0, 82 № 3 1 кг 0, 99 0, 9 Вывод: большей гигроскопичность ю обладает почва с участка № 1( дерново- подзолистая почва) . Определение содержания перегноя. Взятые образцы почв( по окраске) сравнили со шкалой содержания перегноя в почве. № участка Окраска почвы Содержание перегноя, % № 1 Светло- серая 1- 2 №2 Серая 2- 4 № 3 Серая 2- 4 Вывод: т яжелые металлы накапливаются гумусовым веществом почв, вследствие чего происходит их детоксикация. Все исследованные образцы почвы имеют серую окраску, что соответствует содержанию перегноя от 2 до 4% . Видовой состав растений участков. № участка Видовой состав растений Растения- индикаторы кислотности почв рН № 1 Марь белая, мокрица обыкновенная, подорожник большой, щаве лек малый, хвощ полевой Хвощ полевой, щавелек малый, 4, 5- 6, 0 № 2 Одуванчик обыкновенный, клевер луговой, мятлик луговой, мокрица обыкновенная, сныть европейская Сныть европейская, клевер луговой, мятлик луговой 6, 0- 7, 3 № 3 Гусиная лапка, мать- и- мачеха, пырей ползучий, осот обыкновенная, пастушья сумка Мать- и- мачеха, гусиная лапка 6, 7- 7, 8 Доступность микроэлементов для растения зависит от целого ряда факторов, в частности, от содержания органического вещества и кислотности. По степени кислотности почва с участка № 1 и № 2- щелочная, а почв а с участка № 3 – кислотная. Одним из источников загрязнения почв учебно- опытного участка свинцом является автотранспорт. Подсчет движения автотранспорта: проводился в течение 1 часа с 16 до 17 часов 9 июня 20 20 года. Интенсивность движения автотранспорта. Легковой автотранспорт Грузовой автотранспорт Мотоциклы 94 42 4 д) Определение тяжелых металлов в почве. Семена кресс- салата были посажены 19 мая. Было высажено по 50 семян на одинаковую глубину. Всходы кресс- салата появились на 3- 4 день. На 7 день после всходов провела измерение длины побега. ( Приложение 6) . Длина побега. Наименьшая длина побега у кресс- салата наблюдалась на участке № 3. Это связано с тем, что этот участок ближе всего расположен к оживленной автомобильной трассе. Почва, по сравнению с другими участками, сильнее загрязнена ионами свинца. На участке № 1 и № 2- длина всходов кресс- салата 3 см. и 4 см. Это говорит о низком содержании свинца в почве. По краям данных участков произрастают растения, которые являются хорошими поглотителями свинца( липа сердцевидная, клен остролистный, каштан конский) . ВЫВОД. В результате выполненной работы можно сделать вывод, что количество содержания солей свинца в исследуемых образцах почв, зависит от озеленения участка. Литература. Почвоведение/ И.  С. Кауричев, Н.  П. Панов, Н.  Н. Розов и др. ; п од ред. И.  С. Кауричева. – 4- е изд. , перераб. и доп. – М. : Агропромиздат, 1989. Аринушкина Е.  В. Руководство по химическому анализу почв/ Е.  В. Аринушкина. – 2- е изд. , перераб. и доп. – М. : Изд. Моск. ун- та, 1970. Мякина Н.  Б. М етодическое пособие для чтения результатов химических анализов почв/ Н.  Б. Мякина, Е.  В. Аринушкина. – М. : Изд. Моск. ун- та, 1979. ПРИЛОЖЕНИ Е. Приложение № 1 Источники загрязнения почв тяжелыми металлами( г. Рославль) Источники загрязнения Тип производства Вид загрязнения Машиностроительная промышленность Предприятия с термической обработкой металлов Цинк, свинец, медь Химическая промышленность Производство лакокрасочных изделий, производство пластмасс, ЖБИ Цинк, медь, стронций Полиграфическая промышленность Типография Свинец, цинк, олово Загрязненные поливочные воды Свинец, цинк, медь