Мастер класс по экологии

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа им. К. Маркса» Энгельсского района Саратовской области

 

 

 

 

         

 

    

Исследование снегового покрова

города и села, путем проведения физико-химического анализа и биотестирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Выполнил:  Какорин Никита Сергеевич

                                           МБОУ «СОШ пос.им. К.Маркса»,

                                                            Энгельсского района,

                                     Саратовской области 10 класс.

                                                            Руководитель проекта:

                                                            учитель экологии Постнова О. В.

 

 

 

 

 

 

 

                                     2012-2013г     

              

Оглавление:                                                                                стр.:

1.     Введение. Актуальность темы.                                                                      2

1.1.          Цель исследования                                                                           3

1.2.          Задачи исследования                                                                        3

1.3.          Гипотеза                                                                                            3

1.4.            Объект исследования                                                                         4                                           

1.5.          Место проведения исследований                                                     4                                                  

1.6.          Сроки проведения экспериментальной работы                                4

1.7.          Методы исследования                                                                      4

 

2.     Основная часть                                                                                                5-6  

2.1.          Теоретическое обоснование темы                                                  5-6

2.2.          Практическая часть                                                                          7-8 

2.2.1.   Определение механических примесей                                             9

2.2.2.   Определение прозрачности талой воды                                           9             

2.2.3.   Определение запаха                                                                    10-11                                                               

2.2.4.    Определение водородного показателя образцов воды                 11

2.2.5.   Химический состав образцов снеговой воды                           12-13

2.2.6.   Исследование химической токсичности                                   14-16

                     методом биотестирования

                        

 

3.     Заключение .                                                                                              17        

                                                                                                    

 

4.     Библиографический список.                                                                    18        

 

 

 

5.     Приложения.                                                                                             19-20           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.      Введение. Актуальность темы

                                                                         Все химические загрязнения 

                                                                         среды ведут в никуда человеческих

                                                                      болезней и разрушения природы.                 Н.Ф. Реймерс         

Я считаю, что данная тема является актуальной в наше время. Анализ отечественного и мирового опыта свидетельствует об усилении в последнее время интереса к теоретической и прикладной направленности в исследованиях снежного покрова (Василенко и др., 1985; Калюжный и др., 1998; Головина и др., 1998). Вредные вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями, противогололёдные реагенты, автомобильные выхлопы и другие накапливаются в снегу и с талыми водами поступают в открытые и подземные водоемы, загрязняя их. Анализ качества снежного покрова позволяет проследить пространственное распределение загрязняющих веществ. Индикатором загрязнения окружающей среды служит снег.

         Снег можно исследовать так же, как и воду. Для этого пробу снега вначале растапливают. А затем проводят исследование. Если брать пробы снега в разных местах (в городе, в селе), то можно составить достаточно подробную картину о степени его загрязнения, а также выявить причину и источник загрязнений.

 

 

 

 

 

 

 

1.1.          Цель работы:

Исследовать  физико-химические свойства и  химическую токсичность  снегового покрова в г.Энгельсе и в пос. К. Марксе.

1.2. Задачи

1.Изучить литературу, определить методы исследования.

2.Путем проведения физико-химического анализа проб талого снежного покрова определить: наличие механических примесей, прозрачность, запах, определение кислотности, обнаружение  катионов металлов и анионов кислотных остатков.

3. Провести исследование снега на общую химическую токсичность методом биотестирования.

4. Сравнить физико-химические свойства и  химическую токсичность  снегового покрова в г.Энгельсе и в пос. К. Марксе.

1.3. Гипотеза: Снежный покров города по физико-химическим свойствам и химической токсичности отличается от сельского и оказывает  влияние на живые организмы.

1.4 Объект исследования: Снеговая вода

1.5.   Место проведения исследований:

Село   Город Энгельс

Проба 1- Площадка на пришкольном участке школы

Проба 2   г.Энгельс (ул. Ломоносова)-двор

Проба 3   г.Энгельс (пр. Строителей)-завод

1.6  Сроки проведения экспериментальной работы:

Декабрь-январь

 1.7  Методы исследования:

эмпирические: изучение и анализ литературы;

теоретические: метод сравнения, анализ, обобщение;

исследование: проведение эксперимента.

2.Основная часть

2.1.Теоретическое обоснование темы                                                     

 

Загрязненность снежного покрова является отражением степени антропогенного воздействия на окружающую среду. Анализ отечественного и мирового опыта свидетельствует об усилении в последнее время интереса к теоретической и прикладной направленности в исследованиях снежного покрова (Василенко и др., 1985; Калюжный и др., 1998; Головина и др., 1998). В условиях динамичной урбанизации, при стремительном увеличении антропогенного пресса сохранение экологического равновесия весьма проблематично, особенно когда речь идет о мегаполисе, со всеми присущими ему проблемами и противоречиями. Городская среда обитания - это совершенно особая экосистема. Известно, что в этих условиях практически невозможно поддержание такого состояния природной среды, при котором обеспечивается ее саморегуляция, воспроизводство основных компонентов.   Это  в  равной  степени  относится  ко  всем  составляющим  городской  экосистемы,  однако  наиболее уязвимыми  являются  атмосферный  воздух,  вода,  почва. Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. Поэтому снег можно рассматривать как индикатор чистоты воздуха. Снежный покров является эффективным накопителем загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферного воздуха.

Свежевыпавший снег, проходя через верхние слои атмосферы, увлекает с собою различные пылевые частицы, содержащие неорганические и органические вещества, которые в условиях промышленного города имеют в своем составе тяжелые металлы и различные токсичные соединения. При снеготаянии эти вещества поступают в природные среды, главным образом в воду, загрязняя их.  

          Воду,  полученную  из  снега,  только  условно  называют  дистиллированной. В  действительности  снег  содержит  различные  химические  примеси. Химизм  снега  весьма  разнообразен  как  по  составу,  так  и  по  количественному    содержанию. В  работах  академика              В.И. Вернадского  есть  данные  о   концентрациях  главнейших  составляющих в снеге – хлоридов,  сульфатов,  гидрокарбонатов  и  соединений  азота.  Это  0,001…0,005%.  Снег  приносит  в  почву  и  микроэлементы – необходимые  стимуляторы  роста  и  общего  развития  организмов. Снег  по  своему  составу  в  настоящее  время  может являться  «ядом»  для  окружающей  среды. Например,    снег  может  «проесть»  бетон. Процентное  содержание ряда  компонентов  снега при усиленной антропогенной  нагрузки превышает  стандартный  уровень  в  тысячи  раз,  что  делает  снег  таким  опасным даже  для  человека,  потому  что  человек  дышит парами  испарившейся  воды  отравленного  снега.

          Проблема  засоления  почвы, накопления  в  ней  тяжелых  металлов  во  многом  связаны  с  содержанием  ионов  Cl^-, тяжелых  металлов  в  снеге. При  таянии  снега  токсичные  вещества  поступают  в  почву  и  частично   в  результате  испарения  в  атмосферный  воздух. 

         

          Величина pH снега обусловлена попаданием из атмосферы не только твёрдых частиц, но и газообразных загрязняющих веществ: SO2, CO, CO2, N2O, NO, NO2 . Этот показатель очень важен, т. к. может сильно повлиять на реакцию среды почвы после таяния  снега (подкислить или подщелочить). Чистый снег, как и чистая дождевая вода, имеет pH=5,6, что связано с наличием в воздухе CO2, образующим угольную кислоту, подкисляющую атмосферные осадки. Если в воздухе много оксидов азота, сернистого газа, диоксида серы и других кислотных оснований, то снег будет иметь величину pH < 5,6 (снег  кислый). Если снег имеет значение pH выше 5,6, то он щелочной и загрязнён оксидами  металлов, автомобильными выхлопами

          Влияние автотранспорта на загрязнение снега оценено как существенное. Оно может угнетать рост древесных и кустарниковых насаждений в прилегающей к дороге 10-20-метровой зоне.

Соленые  воды  пагубно  влияют  на  рост  растений,  вызывают  засоление  почв.  Использование  соли, дешевого  способа «растопить»  снег, приводит  к  повышению  содержания  хлоридов  в  почве  и  грунтовых  водах. Атмосферные  осадки  не  вымывают  рассыпанную  зимой  соль  из  лунок  грунта,  и  она  накапливается  из  года  в  год вокруг  дорог,  и  со  временем  попадает  в  водоемы. Даже  когда  соль  применялась  в  течение  всего  лишь  одной  зимы,  ее  остается  в  почве  так  много,  что  и  спустя  несколько  лет  может  сохраняться  опасная  ее  концентрация.

Талый снег частично поступает в поверхностные воды, что ведет к увеличению минерализации речной воды весной, а частично - в почву, что приводит к ее засолению. Непосредственно с дорог брызги соли со снегом из-под колес машин попадают на газоны и засоляют почву, в то время как аэрозоль водно-солевой смеси разносится ветром на прилегающие территории и распространяется от 30 до 200 м. Механические барьеры (здания, деревья) уменьшают дальность переноса аэрозолей водно-солевой смеси, резко увеличивая ее концентрацию вблизи дороги. В процессе снегоочистки большая часть солей с дороги также попадает в почву. Моей главной задачей является исследование физико-химических свойств и химической токсичности снега в селе и городе. Схема исследования:  

2.2.Практическая часть.

 

Методика проведения исследования

Используется методика Пасечника для определения физико-химических  свойств снегового покрова. Для отбора проб выбирается несколько точек в разных участках местности города и села. В каждом пункте отбор проводится не менее, чем два раза. Проба снега берется с 1 квадратного метра (до самого грунта). Снег раскладывается в пронумерованные ёмкости. Хранить их можно за окном, в холодильнике. Проведен анализ на следующие компоненты: механические примеси, цветность, запах, наличие осадка, определение кислотности, обнаружение  катионов металлов и анионов кислотных остатков. Исследование снега на общую химическую токсичность провел методом биотестирования. Методика описана в книге авторов С. Е. Мансуровой и Г.Н Кокуевой  «Следим за окружающей средой нашего города» Школьный практикум для учащихся 9 – 11 классов. Выпущенная издательством «Владос» город Москва в 2001 году.

Оборудование: химическая посуда, спиртовка, карандаш по стеклу, стальная булавка, реактивы (хлорид бария, ацетат свинца, марганцовокислый калий, нитрат серебра, щелочь, карбонат аммония, аммиак, универсальная лакмусовая бумага, дихромат аммония, хлорид железа (3), пакеты, лопатки, чашки Петри, семена проса и ячменя.

В каждом пункте произвел отбор снега по два раза - в декабре и январе. Пробу снега брал с квадрата размером 1мХ1м. Снег разложил в пронумерованные сосуды. После того как содержимое сосудов  стало жидким  и приобрело комнатную температуру, я стал проводить опыты. Погодные условия, время сбора проб  заносил в таблицу.

 

 

 

Погодные условия, место и время эксперимента.

 

Номер пробы	Расстояние до дороги	Дата отбора	Время		Осадки	Облачность, форма облаков	Ветре, направление, скорость м/с	Температура воздуха 'С	Погода, предшествующая отбору проб
			Отбора пробы, ч, мин.		Фактически собранное кол-во, г
			начало	конец
1	20м.	27.12 .2012	14.00	14.10	200 г	Ясно	4 м/с	-15 С	Отсутствие осадков
		18.01.2013	15.00	15.10	200 г	Кучевые облака	7 м/с	-2 С	Отсутствие осадков
2	5м.	27.12 .2012	14.45	15.00	200 г	Ясно	4 м/с	-15 С	Отсутствие осадков
		18.01.2013	15.50	16.00	200 г	Кучевые облака	7 м/с	-2 С	Отсутствие осадков
3	3м.	27.12..2012	15.10	15..20	200 г	Безоблачно	4 м/с	-15 С	Отсутствие осадков
		18.01.2013	16.10	16..25	200 г	Кучевые облака	7 м/с	-2 С	Отсутствие осадков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.1 Определение наличия механических примесей

Взяли три пробирки и воронки. В воронки установили обеззоленные фильтры диаметром 90мм. Растопили пробы 50 мл.снега с каждого участка и налили их в воронки с фильтрами. Вскоре, когда снег просочился в пробирки, на фильтрах было видно количество твердых частиц,а затем высушиваем осадок на фильтре  и взвешиваем на весах.

Масса осадка на фильтре в трех разных пробах оказалась различной.

№ пробы	Место взятия пробы	Вид осадка	Наличие примесей в мг/л
1	Пришкольный участок	Снег (талая вода)	0,080
2	г.Энгельс (ул. Ломоносова)-двор	Снег (талая вода)	0,160
3	г.Энгельс (пр.Строителей)-завод	Снег (талая вода)	0,180

Вывод:  наиболее загрязненный снег проба №3, а наименьшее загрязнение наблюдается на территории школы.

2.2.2. Определение прозрачности талой воды.

Качественную оценку прозрачности талой воды можно провести путем сравнения ее с дистиллированной водой, на фоне листа белой бумаги сравнить наблюдаемый цвет (бесцветная, светло-бурая, желтоватая, серая,  и т. д.).

Оборудование: химические стаканы, дистиллированная вода, исследуемая вода.

Ход исследования:   Исследуем воду с дистиллированной водой и талую воду 3 проб при естественном освещении на фоне листа белой бумаги.

Показатели цветности снеговой воды исследуемых участков.

 

Результаты исследования и выводы:

Ø По прозрачности соответствует норме только образец воды с пришкольной площадки

Ø Исследования, проведённые за два месяца доказывают, что снег значительно загрязнён

2.2.3. Определение запаха

Определение запаха воды производится следующим образом: 100 мл исследуемой воды при комнатной температуре наливают  в колбу вместимостью 150-200 мл с широким горлом. Накрывают часовым стеклом или притертой пробкой, встряхивают вращательным движением, открывают пробку или сдвигают часовое стекло и быстро определяют характер и интенсивность запаха. Затем колбу нагревают до 60°С на водяной бане и также оценивают запах. Различают  следующие запахи воды: ароматический, болотный, землистый, рыбный, огуречный, аммиачный, гнилостный, древесный, плесневелый, сероводородный, травянистый и др. Интенсивность  определяют в баллах: 0 – не ощущается, 1 – очень слабый, 2 – слабый, 3 – заметный, 4 – отчетливый, 5 – очень сильный. 

Таблица. Определение характера запаха

 Результаты исследования и выводы:

Ø снеговая вода с площадки пришкольного участка, как и дистиллированная вода не имеет никакого запаха;

Ø   снеговая вода пробы №2 имеет слабый, едва заметный запах, проба№3 имеют отчетливый искусственный запах

Ø  Исследования, проведённые за два месяца доказывают, что снег загрязняется сильнее.

2.2.4. Определение водородного показателя образцов талой воды               

Количественной характеристикой кислотности раствора является водородный показатель pH, который показывает реакцию среды

            pH < 7 - кислая  среда                                   pH > 7- щелочная среда                   

            pH = 7 - нейтральная среда              

Смочив, опускали индикаторную бумагу в ёмкость с растаявшим снегом и сравнивали её цвет со шкалой цветности.

Проба	Участок	рН
		27.11 10	18.12.10
1	Пришкольный участок	6  слабо-кислая	6 слабо-кислая
2	г.Энгельс (ул. Ломоносова)-двор	5, 5 слабо- кислая	5,5 слабо-кислая
3	г.Энгельс (пр. Строителей)-завод	5 кислая	5 кислая

 

Вывод:реакция pH -среды в пробах № 1-№2 слабокислая, а в пробе № 3 кислая

 

2.2.5. Химический анализ проб снеговой воды

Анализ на содержание катионов металлов:

а) свинца – Pb²⁺

К  1-2мл раствора 1-3 пробы добавили 1-2мл разбавленной серной кислоты. Выпадение белого осадка и помутнение раствора указывает на наличие катионов свинца.

В пробе № 1 –№2 – катионов свинца нет,№3-слабое помутнение 18.01.13г

б)  цинка  - Zn²⁺

К 1-2мл раствора 1-3 пробы добавили 1-2 мл раствора подогретой щелочи КOH. Если присутствуют катионы цинка,  должен выпасть творожистый осадок.

В пробах № 1-№3 творожистого  осадка не обнаружено. Катионы цинка отсутствуют.

 Анализ на содержание анионов:

а) SO₄^2-

К1-2мл раствора 1-3 пробы добавили 1-2 мл BaCl₂. Если присутствуют ионы SO₄^2-, то должно быть помутнее или выпасть осадок.  При проведении анализа этого не наблюдалось. В пробах № 1-№2 -  сульфат – ионов  нет, в пробе №3слабое помутнение 18.01.13г.

б) NO₃^-

К 1-2мл раствора 1-3 пробы добавили 1-2 мл концентрированной серной кислоты и опустили медную проволоку.

Никаких изменений не произошло. В пробах № 1-№3 – нитрат - ионов нет.

в) Определение хлорид - иона.

Определение хлорид ионов основано на реакции осаждения хлоридов нитратом  серебра. При малых концентрация хлорид ионов выпадение осадка не происходит, а возникает помутнение раствора.

Вывод : хлорид - ионы обнаружены  в пробе №2-№3. Появилось помутнее раствора.

AgNO₃+NaCl=AgCl ↓+NaNO₃                               

Результаты химического анализа проб снеговой воды

Химические  соединения
	1		2		3
	27.12	18.01	27.12	18.01	27.12	18.01
SO42-						+
NO3-
Рв2+						+
Zn2+
Cl-			+	+	+	+

На основании проведенных исследований физических и химических свойств талого снега можно сделать следующие выводы:

• анализ физических свойств проб талого снега показал, что наиболее близки к дистиллированной воде по прозрачности и запаху пробы № 1,  механический осадок присутствует во пробе №2, №3;
• показатель рН близок к норме (для атмосферных осадков нормально рН = 5,6) во всех пробах;
• исследование химического состава проб талого снега показали разную степень их загрязнения: в пробе №2, №3 обнаружено наличие хлорид-ионов , №3 –катионы свинца, что объясняется соседством с дорогой;
• самой чистой оказалась проба №1 (территория школы).

2.2.6. Исследование снега на общую химическую токсичность методом биотестирования.

 Оборудование и реактивы:          Одинаковые по размеру семена одного урожая,      чашки ;       пробы снега;       дистиллированная вода.

Ход работы:

1.     Взял пробы снега примерно по 20 г (две столовые ложки с горкой)  со двора школы, г.Энгельса (ул.пр. Строителей)

2.     Поместил  семена проса и ячменя  в  чашки  и налил в них талую воду. Предварительно подписал чашки, указав откуда взята проба.

Вел наблюдения за семенами  в течение 9 дней. Не давал семенам и проросткам высохнуть, добавлял в чашки по мере необходимости талую воду, полученную из снега тех же участков. Результаты своих наблюдений по каждой пробе занес в таблицу.

 Рост и развитие проростков ячменя и проса в талой воде со двора школы

Дни	Число проросших семян	Сроки проклевывания семян	Сроки образования боковых корней	Длина корней одного проростка
1.	-	-	-	-
2.	-	-	-	-
3.	4	11января	-	0,5 см
4.	10	12 января	-	0,9см
5.	Все	13 января	-	1,5см
6.	Все	14 января	-	2,4см
7.	Все	15 января	+	3,0см
8.	Все	16 января	-	3,1см
9.	все	17 января	-	3,5см

 

 

 

Рост и развитие проростков ячменя и проса в дистиллированной воде.

Дни	Число проросших семян	Сроки проклевывания семян	Сроки образования боковых корней	Длина корня одного проростка
1.	-	-	-	-
2.	-	-	-	-
3.	8	11 января	-	0,6 см
4.	15	12 января	-	1,0см
5.	Все	13 января	-	1,9см
6.	Все	14 января	-	2, 5см
7.	Все	15 января	+	3, 1см.
8.	Все	16 января	-	3, 6см
9	все	17января	-	3,8см

Рост и развитие проростков ячменя и проса в талой воде  г.Энгельса

Дни	Число проросших семян	Сроки проклевывания семян	Сроки образования боковых корней	Длина корня одного проростка
1.	-	-	-	-
2.	-	-	-	-
	-	-	-	-
4	-	-	-	-
5	-	-	-	-
6	5	11 января	-	0,2см.
7	8	12января-	-	0,5см.
8	10	13 января	+	0,7см
9	14	14 января	-	1,2 см

 

Выводы

В ходе исследований мы доказали, что наличие загрязняющих веществ влияет на рост и развитие растений. В пробе с пришкольного участка и с дистиллированной водой 100% всхожесть семян ячменя и проса. Рост и развитие проростков ячменя в талой воде со двора школы проходит интенсивнее. Всхожесть семян в талой воде городского снега очень низкая, а рост и развитие проростков слабое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Гипотеза, выдвинутая в начале исследования, подтвердилась. Опытным путём мы смогли доказать, что в настоящее время снег в селе и в городе отличаются по физико-химическим свойствам. Снеговой покров в Энгельсе больше загрязнен механическими примесями, менее прозрачен и имеет запах, это связано с большим количеством автомобильного транспорта, промышленных предприятий. Кроме этого обнаружено повышенное  содержание  хлоридов и ионов свинца, сульфат-ионов. Как выяснилось ионов цинка и нитрат-ионов не обнаружено.  При исследовании на химическую токсичность методом биотестирования выяснилось влияние качества снега на рост и развитие проростков ячменя и проса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература

1.     АЛЕКСЕЕВ С.В., Груздева Н.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии: учебное пособие / под ред. С.В. Алексеева. – М.: АО МДС, 1996. – с 221

2.     АШМХИМИНА Т.Я. Школьный экологический мониторинг: Учеб.-методич. пособие /  Под ред. Т.Я. Ашихминой. – М.:Агар, 2000, с 56 

3.     ЗЛОТНИКОВ Э.Г., ЭСТРИН Э.Р. Химико-экологический анализ различных природных сред: Эксперим. материал для факультатив. и кружковых занятий в сред. шк. Киров: ВГПУ, 1996, 78.

4.     КОЛЕСНИКОВ В.И. Экологическое образование учащихся в процессе школьного химического эксперимента // Химия в шк. 1991. № 5. С. 52-53. 

5.     МАНСУРОВА С.Е., КОКУЕВ Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города Практикум для учащихся 9 – 11 классов. Издательство «Владос» г. Москва  2001 г, с 101

6.     НАЗАРЕНКО В.М., МАЛЫХИНА З.В. Программа курса «Химия и экология»: VII кл. // Химия в шк. 1993. № 4. С. 42-44.

7.     САЖНЕВА Т.В. Экологическая оценка окружающей среды. Практикум. РО ИПK и ПРО, 1997; с 73.

8.ТУРЛАКОВА Е.В. Определение показателей качества воды. Химия в школе, 2001, № 7; с 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение №1

Таблица 1.   

 Характер и род запаха воды естественного происхождения

 

Характер запаха	Примерный род запаха
Ароматический	Огуречный, цветочный
Болотный	Илистый, тинистый
Гнилостный	Фекальный, сточной воды
Древесный	Мокрой щепы, древесной коры
Землистый	Прелый, свежевспаханной земли, глинистый
Плесневелый	Затхлый, застойный
Рыбный	Рыбы, рыбьего жира
Сероводородный	Тухлых яиц
Травянистый	Скошенной травы, сена
Неопределенный	Не подходящее под предыдущие определения

 

 

         Таблица 2.  

        Интенсивность запаха воды       

Балл	Интенсивность запаха	Качественная характеристика
0	Никакой	Отсутствие ощутимого запаха
1	Очень слабая	Запах, не поддающийся обнаружению  потребителем, но обнаруживаемый в лаборатории  опытным исследователем
2	Слабая	Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый, если на него обратить внимание
3	Заметная	Запах, легко обнаруживаемый и дающий повод относиться к воде с неодобрением
4	Отчетливая	Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду не пригодной для питья
5	Очень сильная	Запах, настолько сильный, что вода непригодна