XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Актуализация

Специалисты по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделили приоритетную группу, в которую входят свинец, ртуть, кадмий, никель, хром, цинк, мышьяк как элементы более опасные для здоровья человека и животных. Главный путь опадания тяжелых металлов в организм (до 70 %) – поступает через пищевые продукты, вдыхаемый воздух, реже – через кожу и слизистые. Эти элементы способны накаливаться во всех органах и тканях, сохраняться там месяцами и достигая определенной концентрации, начинают свое губительное воздействие – вызывают отравление организма, мутации. Можно сказать, что они его засоряют даже чисто механически – ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и снижают фильтрационную способность почечных каналов, каналов печени. В свою очередь, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности в клетках нашего организма, т.е. происходит его самоотравление, так как именно печень отвечает за переработку продуктов жизнедеятельности и попадающих в нас ядовитых веществ, а в почки – за их выведение наружу

Поступление тяжелых металлов в биосферу также осуществляется разнообразными путями. Основная их часть их часть поступает в почву из атмосферы, которая насыщена промышленными выбросами. Важнейшим является выброс при высокотемпературных процессах в чёрной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение почвы водами с повышенным содержанием тяжёлых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почву в качестве удобрения. Свой вклад в загрязнение металлами вносят также транспорт и коммунально-бытовые объекты. Почва накапливает тяжелые металлы, поскольку они поглощаются почвенным гумусом с образованием труднорастворимых соединений

Работа состоит из двух практических частей.

Цель 1-й части работы

1. Провести экспериментальный анализ образцов почвы, взятой из трёх разных мест (сад, поле, дорога)

2. Провести качественный анализ ионов металлов, содержащихся в указанных образцах почвы.

Цель 2-й части работы

Экспериментально определить влияние солей тяжёлых металлов, содержащихся в образцах почвы, на живой организм.

Методика проведения эксперимента

Определить содержание тяжелых металлов в почве можно при помощи метода тонкослойной хроматографии. Это один из эффективных методов исследования, который не требует сложного оборудования и дефицитных реактивов. Он позволяет обнаружить вещества в ничтожно малых количествах. Исследуем наличие в почве ионов тяжелых металлов, используя этот метод.

Обнаружение ионов тяжелых металлов в почве с помощью метода тонкослойной хроматографии

Определить содержание тяжелых металлов в почве можно с помощью метода тонкослойной хроматографии

Хроматография – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на разделении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной

Неподвижная фаза представляет собой сорбент с развитой поверхностью, а подвижная – поток газа или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента.

Метод хроматографии был впервые применен русским ученым-ботаником Михаилом Семёновичем Цветом в 1900 году. Он использовал колонку, заполненную карбонатом кальция, для разделения пигментов растительного происхождения. Первое сообщение о разработках метода хроматографии было сделано М. Цветом 30 декабря 1901 года на XI съезде естествоиспытателей и врачей в С.-Петербурге. Первая печатная работа по хроматографии была опубликована в 1903 году, в журнале «Труды Варшавского общества естествоиспытателей». Впервые термин хроматография появился в двух печатных работах Цвета в 1906 году, опубликованных в немецком журнале «Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft”. В 1907 г. М. Цвет демонстрирует свой метод Немецкому Ботаническому обществу.

В 1910–1930 годы метод был незаслуженно забыт и практически не развивался

В 1931 году Р. Кун, А. Винтерштейн и Е. Ледерер при помощи хроматографии выделили из сырого каротина α и β фракции в кристаллическом виде, чем продемонстрировали препаративную ценность метода

В 1941 году А.Дж.П. Мартин и Р.Л.М. Синг разработали новую разновидность хроматографии, в основу которой легло различие коэффициентах распределение разделяемых веществ между двумя несмешивающимся жидкостями. Метод получил название «распределительная хроматография».

В 1947 году Т.Б. Гапон, Е.Н. Гапон и Ф.М. Шемякин разработали метод «ионообменной хроматографии»

В 1952 году Дж. Мартину и Р. Сингу была присуждена Нобелевская премия в области химии за создание метода «распределительной хроматографии»

С середины ХХ века и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из наиболее широко применяемых аналитических методов.

Метод хроматографии – это один из эффективных методов исследования, который не требует сложного оборудования и дефицитных реактивов. Он позволяет обнаружить вещества в ничтожно малых количествах.

Для проведения эксперимента были взяты образцы почвы из трёх разных мест: в поле, в саду, у дороги

С целью обнаружения в почве ионов тяжелых металлов была проведена бумажная хроматография. Для этого сухую измельчённую почву (каждый образец массой 10 г) залили 50 мл 1 М раствора азотной кислоты и оставили на сутки. Затем смесь профильтровали и выпарили фильтрат до 3 мл.

Для проведения опытов были использованы 2 растворителя:

- смесь, содержащую 87 % ацетона, 5 % воды и 8 % концентрированной соляной кислоты;

- смесь, содержащую 18 мл этанола, 18 мл пропанола и 4 мл 20 %-ной соляной кислоты.

В качестве проявителей использовали K₄[Fe(CN)₆], NH₄SCN и Na₂S.

Для проведения хроматографии использовали полоски фильтрованной бумаги шириной 2 см и длиной 11 см. На полоске бумаги была проведена стартовая линия на расстоянии 2 см от края, на которую в центре нанесли каплю исследуемого раствора. Пятно обвели простым карандашом и высушили.

В стеклянный цилиндр мы налили 15 мл растворителя. Полоску бумаги с нанесённой на неё каплей анализируемого раствора опустили в сосуд так, чтобы её конец был погружён в растворитель не более чем на 0,5 см. при этом пятно не касалось растворителя, а полоска бумаги – стенок цилиндра

Далее растворителю давали подняться на 10 см. после этого мы вынимали полоску, отмечали карандашом фронт растворителя и высушивали. Затем опрыскивали полоску проявителем и снова высушивали. Окрашенные зоны указывали на присутствие того или иного катиона.

Присутствующие катионы металлов	Проявитель	Цвет зоны
	Растворитель (а) Растворитель (б)	Синий Буро-красный Красный Голубой Желтый Черный Красный Черный Желтый Буро – красный

По результатам эксперимента были получены следующие результаты по содержанию в образцах почвы ионов тяжёлых металлов.

1. Три полоски бумаги, которые были опущены в растворитель (а) и опрысканы проявителем K₄[Fe(CN)₆], окрасились в синий цвет. Значит, во всех этих образцах почвы присутствуют ионы железа (Fe³⁺)

Уравнение реакции:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl

2. Полоски бумаги, опущенные в растворитель (А) и опрысканные проявителем NH₄SCN, окрасились в голубой и красные цвета. Следует отметить, что бумага с образцом земли из сада окрасилась незначительно, а бумага с образцом земли, взятой у дороги, окрасилась сильнее остальных. Следовательно, во всех трёх образцах земли присутствует ионы железа (Fe³⁺) и кобальта (Co²⁺), но в земле из сада их содержание значительно меньше, а в земле у дороги, – больше.

Уравнения реакций:

FeCl₃ + 3NH₄SCN = 3NH₄Cl + Fe[(SCN)₃]

CoCl₂ + 4NH₄SCN = (NH₄)₂[Co(SCN)₄] + 2NH₄Cl

3. Полоска бумаги, опущенные в растворитель (б) и опрысканные проявителем K₄[Fe(CN)₆], окрасились в синий цвет. Так как в приведённой выше таблице указан только красно-бурый цвет, это значит, что во всех трёх образцах почвы нет ионов меди (Cu²⁺).

Уравнение реакции:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl

4. На полосках бумаги, которые были опущены в растворитель (б) и опрысканы проявителем NH₄SCN, появились пятна красного цвета. Это ещё раз доказывает, что во всех трёх образцах присутствует ионы железа (Fe³⁺). Но на бумаге с образцом земли, взятой у дороги, пятно ярче, значит, и содержание ионов железа значительно больше.

Уравнение реакции:

FeCl₃ + 3NH₄SCN = 3NH₄Cl+ Fe[(SCN)₃]

5. Последние три образца, которые были опущены в растворитель (б) и опрысканы проявителем Na₂S, не окрасились ни в чёрный, ни в жёлтый цвет. Следовательно, ни в одном из образцов почвы нет ни ионов висмута (Bi³⁺), ни ионов кадмия (Cd²⁺)

Вывод

Таким образом, благодаря проведенным опытам, мы узнали, что во всех трех образцах почвы (из сада, с поля и у дороги) зафиксировано наличие ионов тяжелых металлов. Особенно большое количество таких элементов обнаружено в почве взятой у дороги. Транспорт, проходящий по дороге, является загрязняющим экологическим фактором данной территории и оказывает значительное влияние на количество содержания ионов тяжелых металлов в почве

А влияние, которое оказывают ионы тяжелых металлов на живой организм, будут исследованы мной позднее, во второй части работы

Определение влияние солей тяжёлых металлов на живой организм

Объектом экспериментального исследования были выбраны семена огурца «Гибрид апрельский», сорт ранний, самоопыляющийся. День посева семян – 5 февраля.

Каждый образец почвы мы делили на 3 группы и высаживали в образцы почвы о 3 семени. Посадка группы I мы поливали дистиллированной водой осадки группы II – водопроводной водой, а посадки III группы – раствором определенной соли (почву из сада – раствором FeCl₃, почву с поля – раствором CuSО₄, почву, взятую у дороги, – раствором CdCl₂). Все жидкости брали объемом 50 мл. Молярные концентрации растворов солей были следующими:

С_м(CdCl₂ · 2,5H₂O) = 1·10^-2 моль/л

C_м(FeCl₃)= 2·10^-2 моль/л

C_м (CuSO₄·5H₂O) = 7·10^-3 моль/л

Результаты работы:

День	Почва из сада			Почва из поля				Почва у дороги
	H2O (дист)	H2O (водопр)	Р-р FeCl3	H2O (дист)	H2O (водопр)	Р-р CuSО4	H2O (дист)		H2O (водопр)	Р-р CdCl2
10 февраля появились первые ростки	+	+	+	+	-	+	+		+	-
12 февраля (взошли последние ростки)	+	+	+	+	+	+	+		+	+
Всего взошло в каждом стакане	2	2	2	3	2	3	3		3	1
19 февраля – первые листочки	+	+	+	+	+	+	+		+	+
20 февраля длина самых высоких ростков (см)	10	10	9	9	9	10	10		9	7

По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:

1) Более пагубное влияние на рост и развитие растений оказывают соли кадмия (II).

2) Менее пагубное воздействие оказывают соли железа (III).

3) Соли меди (II) наоборот, оказали положительное воздействия на объект исследования: ростки, политые раствором этой соли, оказались длиннее, чем ростки, политые водой.

Список использованных источников

1 Алексеенко, В.А. Основные факторы накопления химических эле-ментов организмами / В.А. Алексеенко // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – Т. 7. – № 8. – С. 20–24.

2 Кучер, М.И. Экология: учеб. пособие [текст] / М.И. Кучер; под ред. проф. Е.Э. Френкеля – Вольск: ВВИМО, 2015. – 263 с.

3 Научно-исследовательская работа «Формирование экологической компетентности будущих специалистов служб МТО при изучении экологии в военном вузе»: Заключительный отчёт [текст]. – Вольск: ВВИМО, 2014. – 170 с. – Инв. № 54 от 28.11.2014.

4 Никитина, Ю.Е. Исследование биоаккумуляции некоторых ионов тяжёлых металлов микроорганизмами / Ю.Е. Никитина, А.Р. Хамидуллин, О.И. Сапходоева, М.И. Кучер [текст] // Международная заочная научно-практическая конференция «Вопросы образования и науки» (Россия, Тамбов, 31 декабря 2015). – Научный альманах. 2015. № 12-2(14) (Science almanac). – С. 383–387.

5 Рабочая программа учебной дисциплины «Экология» [текст] / О.И. Сапходоева, Е.Н. Френкель, М.И. Кучер. – Вольск: ВВИМО, 2014. – 16 с.

6 Сизенцов, А.Н. Экологические аспекты аккумуляции свинца и цинка пробиотическими препаратами на основе бактерий рода Bacillus [текст] / А.Н. Сизенцов, А.И. Вишняков, А.Е. Новикова // Вестник ОГУ. – 2011. – № 4. – С. 7–9.

7 Френкель, Е.Н. Изучение значения микро- и макроэлементов в питании военнослужащих в рамках дисциплины «Экология» [текст] / Е.Н. Френкель, М.И. Кучер, А.Н. Сорокина, Д.А. Денисюк // Рациональное питание, пищевые добавки и биостимуляторы. 2015. № 1. С. 145–154.

8 Френкель, Е.Н. Химия: учеб. пособие [текст] / Е.Н. Френкель; под общ. ред. Сапходоевой О.И. – Вольск: ВВИМО, 2015. – 222 с.

Код для цитирования: Скопировать