Воздействие солей тяжелых металлов на растения
















Воздействие солей тяжелых металлов на растения









Выполнила: ученица 9 Е класса
Авинова М.
Руководитель: Малков Д.И.












г. Нижневартовск, 2005 г.

Содержание

Введение..3
1. Источники тяжёлых металлов в окружающей среде..5
2. Распространение и трансформация тяжёлых металлов .6
3. Воздействие солей тяжелых металлов на растения....8
4. Методика проведения исследования..12
Результаты исследования ....13
Вывод.....15
Список использованной литературы..16
Приложения




























Введение

Актуальность. Жизнь растений, как и всякого другого живого организма, представляет сложную совокупность взаимосвязанных процессов. Наиболее существенный из них обмен веществ с окружающей средой. Окружающая среда для растений является тем источником, откуда растения черпают необходимые для нормальной жизнедеятельности всевозможные вещества.
Тяжёлые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространённых и весьма токсичных загрязняющих окружающую природу веществ. В природных условиях они присутствуют в небольших количествах во всех средах жизни. Но с усиленным антропогенным воздействием человека на природную среду их концентрации резко возрастают. Попадая в атмосферный воздух, они претерпевают изменения и в конечном итоге попадают в растения, где оказывают определенное воздействие на процессы, происходящие в клетке. Многие из них, обладают высокой токсичностью, изменяют нормальное течение физиологических процессов растительной клетки, другие могут вызвать их гибель. В связи с этим весьма актуальным является изучение действия токсичных металлов на растительный организм.
Цель работы: изучить воздействие солей тяжелых металлов на растения.
Задачи:
- выявить источники тяжелых металлов в Нижневартовском районе;
- рассмотреть основные закономерности распространения и трансформации металлов в природной среде;
- выявить воздействие тяжелых металлов на растительные клетки,
- определить наиболее устойчивые древесные породы к воздействию тяжелых металлов.
Научная и практическая значимость. Исследования среды обитания и ее отдельных элементов составляет одну из важных задач экологии растений. Сведения о воздействии каждого из факторов жизни растения можно использовать для направленного воздействия на растения. Данные, полученные в результате исследования, могут быть использованы природоохранными организациями, а также предприятиями, занимающимися озеленением города.






























1. Источники тяжелых металлов в окружающей среде


Свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почве, природных водах, живых организмах. Свинец активно рассеивается в окружающей среде в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами автотранспорта. В Нижневартовском районе основным источником свинца является автотранспорт. Это обусловлено использованием этилированного бензина. Кроме того, источником свинца в районе может являться сжиганием топлива на котельных, а также в результате сжигания попутного газа.
Высокие концентрации тяжелых металлов характерны для техногенно загрязнённых территорий: в окрестностях автотранспортных предприятий, вдоль автострад.
Полигоны твердых бытовых отходов (ТБО) Нижневартовского района представляют собой мощные площадные источники загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Металлы находящийся на полигонах твердых отходов подвергаясь воздействию коррозии металлов, поступают во все природные компоненты: поверхностные воды, почву, атмосферу и др.
Естественным источником ртути в окружающей среде, является выветривание осадочных пород. При выветривании осадочных пород ежегодно выделяется 3,5 тысячи тонн ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тысяч тонн ртути, причём значительная часть – антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла попадает на другие территории в результате воздушного переноса.
Всякий водоём или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей.
Основными загрязнителями вод Нижневартовского района являются разнообразные соединения тяжелых металлов, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности.
В водные объекты Нижневартовского района больше всего тяжелых металлов поступает от транспорта и нефтегазодобывающей промышленности. На месторождениях нефти в процессе бурения применяют химические реагенты, также содержащие в своем составе тяжелые металлы.

2. Распространение и трансформация тяжёлых металлов

Большие массы тяжелых металлов поступают в водоемы с паводковыми водами, а также через атмосферу, в результате воздушного переноса.
Высокие концентрации тяжелых металлов характерны для растительности произрастающей в окрестностях автотранспортных предприятий, автозаправочных станциях, вдоль автострад, а также в окрестностях буровых скважин.
Размеры зоны влияния автотранспорта на природные экосистемы сильно варьируют, и ширина придорожных аномалий содержания тяжелых металлов в почве может достигать 100-150 м. Зеленые насаждения вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки тяжелых металлов от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зелёных насаждений.
Годовое производство многих металлов рано или поздно превышает их естественное содержание в годовом приросте биомассы. Это нарушает естественный круговорот металлов, вызывает загрязнение атмосферы, почвенных, грунтовых и поверхностных вод в целом (рек, водоёмов и т.п.), а также самих почв.
Для некоторых перерабатывающих и производящих металлы производств характерно выделение больших количеств пыли, переносимой ветром на большие расстояния. Попадая в почву, частицы пыли растворяются и чрезвычайно медленно связываются в химически нетоксичные формы, надолго повышая содержание токсичных металлов в почвах и воде. Значительные количества хрома, никеля, меди, цинка, свинца и других токсикантов рассеиваются в виде дыма тепловых электростанций, работающих на каменном угле.
Многие тяжелые металлы, попадая в окружающую среду способны аккумулироваться в почвах. Долговременное действие источников загрязнения является причиной их накопления в почвах. Естественный унос с грунтовыми и почвенными водами, с дождевыми и весенними паводками выводит токсичные металлы медленно, так как они сильно поглощаются почвенными коллоидами. Время удаления токсичных металлов из почв составляет десятки, а иногда и сотни лет.
Тяжелые металлы первоначально поступают в растение через устьица, используемые растениями для газообмена с окружающей средой. Степень их открывания являются основными параметрами, определяющими интенсивность воздействия загрязнителя. Попав в межклеточное пространство листа, тяжелые металлы контактируют с мембраной окружающей клетку. При нарушении целостности этой полупроницаемой мембраны нарушается баланс питательных веществ и процесс поступления в клетку ионов. Пройдя в клетку, взаимодействует с органеллами – митохондриями и хлоропластами, в том числе и с их мембранами, что может привести к весьма серьезным последствиям. Возможна также дезактивация ферментов.

3. Воздействие солей тяжелых металлов на растения

Рассмотрим имеющуюся на сегодняшнее время информацию о химических элементах, которые входят в биологические системы и оказывают на них определённое влияние. Прежде всего, нужно указать на 6 элементов, атомы которых входят в состав белков и нуклеиновых кислот: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Далее следует выделить 12 элементов: хлор, йод, натрий, калий, магний, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. В литературе имеются указание на проявление биологической активности ванадием, хромом, никелем и кадмием. Во всех перечисленных случаях биологическая активность понимается как необходимость элемента для выполнения той или иной жизненно важной функции в растении. Имеется большое число элементов, являющихся ядами для растительного организма, например, ртуть, свинец, талий и др. Они оказывают неблагоприятное биологическое влияние. Причина действия этих ядов связана с блокированием определённых групп в молекулах протеинов или же с вытеснением из некоторых ферментов меди и цинка.
Неорганические вещества в растениях находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с компонентами клеток. Установлено, что многие ферменты (биологические катализаторы) содержат ионы металлов. Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Естественно, что как недостаток, так и избыток этих элементов должен сказаться на содержании соответствующих ферментов, а значит, и на нормальном функционировании клетки и организма в целом.
Тяжёлые металлы поглощаются фитопланктоном, аккумулируются в их клетках и тканях, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространённых загрязнителей гидросферы представлен в таблице 1.
Таблица 1
Токсический эффект на фитопланктон и гидробионтов от тяжелых металлов
Вещество

Фитопланктон
Ракообразные
Моллюски

Медь
+ + +
+ + +
+ + +

Цинк
+
+ +
+ +

Свинец
-
+
+

Ртуть
+ + + +
+ + +
+ + +







Примечание: степень токсичности:
- -отсутствует
+ - очень слабая
+ + - слабая
+ + + - сильная
+ + + + - очень сильная

Токсичность тяжелых металлов на растения обусловлена их способностью участвовать в комплексообразовании.
Полагают, что избыточное содержание катионов Cr 3+ , Mn2+, Co2+ ,
Ni 2+, Cu2+ , Zn2+ , Pb2+ приводит к замещению ими других катионов в активных центрах ферментов растений. Эти катионы образуют прочные связи с серосодержащими донорными группами ферментов, вытесняя менее прочно связанные катионы. В обоих случаях ферменты ингибируются, т.е. полностью прекращается их деятельность. Помимо этого известно, что многие из перечисленных катионов способны связываться с азотистыми основаниями ДНК и фосфатными группами различных биоактивных молекул. Они изменяют проницаемость мембран, сильно затрудняют окислительное фосфорилирование и синтез белков. У растений эти воздействия приводят к резкому снижению фотосинтеза и снижению накопления биомассы.
В небольших количествах соли тяжелых металлов не оказывают на растения токсического эффекта. Например, в малых дозах медь используют в растениеводстве как бактерицидное средство (вызывающее гибель различных бактерий). Давно замечено бактерицидное свойство серебра и его солей.
Реальная экологическая опасность от тяжелых металлов для растений зависят от большого числа факторов. Среди этих факторов важнейшими являются следующие:
1.Способность растений к избирательному поглощению металлов из почвы и накоплению их в тканях. Эта способность сильно различается для дикорастущих и культурных растений, она индивидуальна для видов и сортов. Но в целом содержание металлов в биомассе во много раз меньше их среднего содержания в почвах.
Таким образом, растения обладают определёнными средствами защиты от избытка токсичных металлов в почвах. На молекулярном уровне действует механизм связывания металлов в комплексы содержащими серу белками, которые выводят металлы из клеточной среды. На клеточном и физиологическом уровнях действует концентрирование катионов в вакуолях, стенках клетки и в отмирающих органах (листьях, корнях) и т.п.
2. Металлы в почвах находятся в основном в виде трудно усвояемых неорганических соединений. В почвенной влаге растворена очень малая часть их запаса в почве. Коллоидные, глинистые и гумусовые вещества являются резервом усваиваемых растениями ионов, которые попадают в почвенный раствор в результате ионного обмена. Кроме того, корневые волоски растений выделяют органические кислоты – хелатообразователи, которые сильно увеличивают растворимость многих минеральных частиц и связывают содержащиеся в них катионы металлов в непосредственно усвояемые хелатные комплексы.
3. Усвояемость токсичных металлов определяется химической формой, в которой они попадают в почву. Важными внешними факторами, увеличивающими концентрации токсичных металлов в почвенных растворах, являются высокие дозы удобрений и кислотные дожди, вызывающие растворение почвенных и привнесённых частиц с высоким содержанием металлов.
4. Растениям присуща неспособность полностью исключать ненужные ионы. При высоких концентрациях ионы проходят через мембраны корневых волосков и аккумулируются растениями.
5. Токсичное действие металлов не ограничивается вредным действием на растения. Под этим воздействием оказывается микрофлора и микрофауна почв, многочисленные насекомые, обитающие в почве и на её поверхности. В результате изменяется сама экосистема, условия обитания в ней.


















4. Методика проведения исследования

Для выявления воздействия солей тяжелых металлов на растения нами была проведена следующая методика.
В качестве оборудования и материалов нам понадобились:
1. микроскоп
2. предметные и покровные стекла
3. препаровальная игла
4. бритва или скальпель
5. пипетка на 1-3 мм
6. стаканы с дистиллированной водой
7. кусочки фильтровальной бумаги
8. 5% растворы солей CuSO4, Pb(NO3)2, HgNO3 и др.
9. листья березы бородавчатой, рябины, ивы козьей
10. электрический чайник
11. термометр
С листьев растений нами было сделано несколько срезов эпидермиса, состоящего из 1-2 слоев клеток. Срезы мы поместили по отдельности на предметные стекла в капли воды, закрыли покровными стеклами и рассмотрели в микроскоп.
Затем определили воздействие на клетки растений солей тяжелых металлов при одинаковых концентрациях. Для этого: заменили дистиллированную воду в препаратах на 5%-е растворы солей тяжелых металлов. Эта замена производилась способом 4-5 кратного накапывания раствора соли с одной стороны покровного стекла и отсасыванием кусочками фильтровальной бумаги с другой до полной замены воды раствором соли.
Затем препараты – клетки в растворе солей тяжелых металлов мы оставили на 15 минут. После этого препараты рассматривали в микроскоп и выделяли изменения в клетках эпидермиса.
Для выявления комплексного действия повышенной температуры на процессы, происходящие в клетке, при воздействии на них солей тяжелых металлов, сделали следующее. Препараты, в которых вода заменена на раствор соли выдержали 10 минут на водяной бане при температуре +80 0С. Для этого в электрическом чайнике нагрели воду и дали ей остыть до необходимой температуры. После чего снова рассмотрели в микроскоп для определения изменений происходящих в клетках эпидермиса.


Результаты исследования


В результате проведенного исследования нами полечены следующие данные. Так при воздействии биогенной соли CuSO4 на срез листа березы бородавчатой наблюдается интенсивное изменение окраски хлоропластов, хлоропласты становятся более светлыми. Через 10 минут наблюдается краевой плазмолиз. При повышении температуры наблюдается усиление краевого плазмолиза (приложение 1).
При воздействии на эпидермис березы соли ZnSO4 плазмолиз идет менее интенсивно. Наблюдается слабое изменение цвета хлоропластов через 15 минут. При повышении температуры краевой плазмолиз также незначительно усиливается лишь в отдельных клетках. Появляются незначительные темные хлопья (приложение 2). Еще слабее наблюдается плазмолиз в клетках березы при воздействии на нее соли FeSO4 (приложение 3). Цвет хлоропластов при этом по истечении 25 минут слабо изменяется.
В эпидермисе листвы осины при воздействии на них CuSO4 наблюдается появление темных хлопьев, разрыв клеточных стенок отдельных клеток листа. Колпачковый плазмолиз в клетках наблюдается через 3-4 минуты. Изменяется цвет хлоропластов с темно зеленого на темно коричневый. При повышении температуры наблюдается разрушение клеточных стенок (приложение 4).
При воздействии на клетки листа осины соли FeSO4 происходит колпачковый плазмолиз. Кроме того, наблюдается изменение цвета хлоропластов клеток с зеленого на темно фиолетовый (приложение 5). Воздействие ZnSO4 вызывает образование в клетках темных хлопьев, плазмолиз протекает интенсивно, наблюдается разрушение клеточных оболочек отдельных клеток (приложение 6).
Разрушение клеточных оболочек примерно через 4-5 минут происходит в клетках листа рябины при воздействии на них CuSO4. Кроме того, происходит изменение окраски хлоропластов с зеленого на черный цвет, в клетках появляются черные хлопья. При повышении температуры разрушения клеточных оболочек усиливаются (приложение 7). FeSO4 вызывает появление в клетках темных хлопьев, изменение цвета хлоропластов незначительны (приложение 8). Практически сразу (3-4 минуты) наблюдается колпачковый плазмолиз в клетках рябины при воздействии на них ZnSO4. В отдельных клетках наблюдается разрушение клеточных оболочек и образование темных хлопьев (приложение 9).












Вывод

В Нижневартовском районе основными источниками тяжелых металлов в окружающей среде являются: автотранспортные предприятия, автозаправочные станции и сам автотранспорт работающий на этилированном бензине. Кроме того, антропогенным источником тяжелых металлов являются предприятия нефтегазодобывающей промышленности. Часть токсикантов попадают на территорию Нижневартовского района с соседних территорий в результате воздушного переноса, а также с осадками.
Ионы тяжелых металлов входят в состав ферментных систем растений, которые обеспечивают регуляцию всех процессов в клетке. При поступлении в растение воздушным (через устьица) или капельным (роса, туман, слабые осадки) путями, доза тяжелых металлов включается в состав ферментных систем и стимулирует обменные процессы, способствуют поглощению других химических элементов. С повышением концентрации появляется стимулирующий эффект, который усиливается, достигает оптимума и через небольшой период времени оказывает отрицательное действие. В небольших концентрациях тяжелые металлы оказывают нейтральный эффект. Однако при увеличении концентрации тяжелых металлов в клетках растений наблюдаются разрушения: изменение окраски хлоропластов, появляются темные хлопья, разрушение клеточных оболочек.
Если рассматривать на организменном уровне соли тяжелых металлов вызывают поражения ткани листвы, задерживают рост и развитие растений, снижают биомассу, а, кроме того, при больших концентрациях вызывают их гибель.
На основании полученных данных можно предположить, что наиболее устойчивой к токсическому действию солей тяжелых металлов является – береза бородавчатая. Менее устойчивой рябина. Это следует учитывать при подборе древесных пород в целях озеленения городской среды Нижневартовского района.
Список использованной литературы



Акимова Т.А., Хаскин В.В. «Экология». М., 1998 г.
Балин Б., Десс Б.Р. «Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы». Санкт-Петербург, «Гидрометеоиздат», 1989 г.
Гамалей Ю.В. «Таксономическая и экологическая специфичность структур и функций растений», Бот. журн., 1999 г. т. 84, № 6. С. 1-7.
Горышина Т.К. «Фотосинтетический аппарат растений и условия среды». Ленинград, 1989 г.
Горышина Т.К. «Экология растений», Ленинград, 1979 г.
Елисеев И.А. «Лучшие рефераты по экологии». Ростов-на-Дону, «Феникс», 2001 г.
Князев Д.А., Смарыгин С.Н. «Неорганическая химия». М., «Высшая школа», 1990 г.
Кукушкин Ю.Н. «Химия вокруг нас». Справочное пособие. М., «Высшая школа», 1992 г.
Одум Ю. «Экология» в 2-х томах. М., «Высшая школа», 1986 г.
Радкевич В.А. «Экология». Минск, 1998 г.
Реймерс Н.Ф. «Экология». М., 1994 г.
Риклефс Р. «Основы общей экологии», М., 1979 г.
«Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев» / Под ред. Ю.Л. Цельникер, А.И. Уткина. М., 1993 г.
Чернова Н.М., Былова А.М. «Экология». М., «Просвещение», 1988 г.
Хван Т.А., Хван П.А. «Экология». Ростов-на-Дону, «Феникс», 2002 г.
Хотунцев Ю.Л. «Экология и экологическая безопасность», М., «Академа», 2002 г.








HYPER13PAGE HYPER15


HYPER13PAGE HYPER142HYPER15





Приложенные файлы

  • doc met
    Малков ДИ
    Размер файла: 92 kB Загрузок: 2

Добавить комментарий