Исследовательский проект по теме: «Влияние химических веществ на рост и развитие растений»

Городская научно - практическая конференция школьников «День науки»

Исследовательский проект по теме:

«Влияние химических веществ

на рост и развитие растений»

Работу выполнила: ученица 9б класса

МБОУ «Гимназия №2»

Башкирева Мария

Руководители:

учитель биологии

Чараева Светлана Александровна, учитель химии

Русакова Елена Витальевна

г. Курчатов

2018

Содержание:

Введение…………………………………………………………………3

ГлаваI.Теоретическая часть……………………………………………6

1.1 История исследования………………………………………………6

1.2 Растения в условиях загрязнения окружающей среды……………6

1.3 Влияние различных химических веществ на живые организмы…8

ГлаваII. Экспериментальная часть…………..…………………………11

2.1.Описание эксперимента……………………………………………...12

2.2. Результаты исследования………………………………………….. 13

2.3. Микроскопическое исследование……………………………….. 14

Заключение……………………………………………………………….15

Список литературы………………………………………………………16

Интернет ресурсы………………………………………………………..17

Введение

Обоснование выбора темы проекта и ее актуальность

Велико значение зеленых растений в природе, они оздоровляют воздух, обогащают его кислородом, необходимым для дыхания всех живых существ, и очищают от углекислого газа. Для того что бы растения нормально росли и развивались, нужны благоприятные условия внешней среды. Необходимые условия – тепло, воздух, вода, питание, свет. Из-за загрязнения окружающей среды вредные соединения проникают в почву и из неё всасываются корнями, что негативно сказывается на состоянии и росте представителей флоры. Рассмотрим влияние некоторых факторов на рост растений под воздействием химических веществ.

Одним из наиболее опасных видов химического загрязнения природной среды является загрязнение тяжелыми металлами, к числу которых относятся железо, цинк, никель, свинец, медь и хром. Многие тяжёлые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на организм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец и ртуть, определяются как токсичные металлы.

Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжёлые металлы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк) и их соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью, многие из них — также способностью к накоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержание соединений тяжёлых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошая растворимость этих комплексов способствует миграции тяжёлых металлов в природных водах.

Однако люди не всегда осознают, насколько опасными могут быть продукты, произведенные на загрязненных территориях.

Цель работы: изучить влияние химических веществ на рост и развитие растений.

Задачи:

Изучить имеющуюся литературу по данному вопросу.

Познакомиться с доступными методиками для исследования влияния химических веществ на рост и развитие растений.

Сделать вывод о влиянии химических веществ на основе собственных исследований.

Объект исследования: однолетнее травянистое растение Овес посевной.

Предмет исследования: влияние химических веществ на растения.

Место исследования: кабинет биологии и кабинет химии в «Гимназии № 2» г. Курчатова.

Гипотеза исследования: некоторые химические вещества могут негативно влиять на рост и развитие растений.

Методы, используемые для работы:

лабораторный опыт,

наблюдение,

работа с микроскопом,

сравнение,

анализ.

Растворы:

Хлорид железа (1% и 0,5%)

Сульфат никеля (1% и 0,5%)

Перманганат калия (1% и 0,5%)

Контрольный образец ( вода )

ГлаваI. Теоретическая часть

1.1. История исследования

Похожее исследование проводилось в 2012 году, в Пензенском Государственном Педагогическом Университете имени В. Г. Белинского, на кафедре ботаники, биохимии и физиологии растений, Е. А. Макаровой и С. А. Солдатовым, оно называется «Действие тяжёлых металлов на рост и развитие люцерны».

В этой работе в течение 10 дней исследовалось влияние солей тяжёлых металлов (ZnSO4,CuSO4,Pb(NO3)2) в концентрации 10 и 10 мМ на проростки люцерны изменчивой сортов «Муслима» и «Камелия».

В ходе этой работы было выяснено следующее - растения сорта «Камеля» в большинстве вариантов опыта положительно реагировали на присутствие в среде выращивания солей тяжёлых металлов. У растений сорта «Муслима» в некоторых вариантах опыта наблюдалось ингибирование роста побега.

Эта работа заинтересовала меня, и я решила провести исследование на культуре овёс сорта «Овёс посевной» и с другими солями в других концентрациях, тем самым подтвердив правильность выводов этой работы.

1.2. Растения в условиях химического загрязнения окружающей среды

Участвуя в пищевых экологических цепочках, являясь производителями кислорода воздуха, выполняя средозащитные функции, растения играют важную роль в нашей жизни. Деятельность человека, технический прогресс не всегда оказывает положительное влияние на окружающую среду. Поэтому особенно важно знать, как реагируют растения на химическое загрязнение среды.

Повышенное содержание в почве и воздухе химических веществ приводит к гибели растений, снижению фитомассы, прироста, продуктивности, формированию аномальных биоморф, сокращению сроков вегетации, изменениям количественного состава химических элементов растений, изменению видового состава, сокращению числа видов и др. Поэтому роль растений в формировании экосистем особо важна при химическом загрязнении окружающей среды.

При повышенном содержании металлов и тяжелых металлов в почве и воздушном пространстве растения начинаю аккумулировать их в вегетативных и генеративных органах. Растения разных видов по-разному реагируют на увеличения токсических веществ. Однако с увеличением токсической нагрузки видовые различия в накоплении химических элементов в тканях большинства видов растений закономерно уменьшаются. [1, стр.260]

Как правило, в условиях токсического действия загрязнителей в растительных организмах, в той или иной степени, протекают приспособительные реакции.

В условиях промышленного загрязнения воздуха древесным листопадным видам присуще сокращение срока жизни листьев и ускорение цикла сезонного развития [6, стр.56] Растения в большинстве случаев снижают продуктивность. У древесных растений это может выражаться в снижении прироста [4, стр.241]), уменьшении пыльцы, ухудшении ее свойств, а также в снижении плодоношения и качества семян [5, стр.120]. Тормозятся ростовые процессы, значительно изменяется развитие растений: сдвигается цветение, сокращается вегетационный период, происходит преждевременный листопад.

Под влиянием токсических газов листовая пластинка в большей или меньшей степени обезвоживается. Оводненность листьев растений, произрастающих в условиях высокой загрязненности воздуха, обычно на 10-15% ниже по сравнению с растениями, находящимися в чистой атмосфере.

В условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами толерантность растений обеспечивают наряду с другими те особенности строения всех тканей листа, которые препятствуют проникновению и распространению в них газов, а именно ксероморфизм, проявляющийся в утолщении эпидермиса, усилении его кутикулой и восковым налетом, опушением, а также в плотном расположении внутренних тканей листа, ведущим к сокращению вентилируемости. Негативное влияние тяжелых металлов на растительный покров можно рассматривать как в плане их фитотоксичности, так и в плане миграции этих элементов на более высокие трофические уровни экосистем.

1.3. Влияние различных химических веществ на живые организмы

Одним из наиболее опасных видов химического загрязнения природной среды является загрязнение тяжелыми металлами, к числу которых относятся железо, цинк, никель, свинец, медь и хром.

Железо: (Fe от лат. Ferrum) — элементвосьмой группы (по старой классификации — побочной подгруппы восьмой группы) четвёртого периода в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Один из самых распространённых в земной коре металлов: второе место после алюминия.

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо- никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al^[3]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Железо активно участвует в процессах обмена веществ, активизирует дыхание, влияет на образование хлорофилла. Железо входит в состав ферментов, участвующих, прежде всего, в окислительно-восстановительных реакциях. В растение железо поступает в виде ионов Fe2+ и Fe3+, а также в незначительных количествах в виде молекул хелатных соединений и концентрируется (около 80%) в белке хлоропластов, т.е. в листьях.

Избыток железа

На почве, обогащенной растворимыми формами железа, может наблюдаться токсическое воздействие данного элемента на растения. Обычно это происходит на сильнокислых почвах, кислых сульфатных и пойменных почвах. Токсичность железа часто бывает связана с засоленностью почв и низким содержанием в них фосфора и оснований.

В целом избыток закисных соединений железа отрицательно влияет на рост растений. Характерными признаками токсического воздействия железа на растения являются отсутствие некротической ткани, развитие хлороза между жилками молодых листьев, при котором жилки остаются зелеными; позднее весь лист становится беловатым или желтым (сходно с признаками дефицита железа).

Никель — элемент десятой, (по устаревшей короткопериодной форме — восьмой) группы, четвёртогопериода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28.Обозначается символом, Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель — это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен. необходимый микроэлемент для растений. У высших растений никель входит в состав фермента уреазы, который осуществляет реакцию разложения мочевины до аммиака и углекислого газа. Показано, что в растениях, обеспеченных никелем, активность уреазы выше и, соответственно, ниже содержание мочевины по сравнению с необеспеченными им растениями. Никель активирует ряд ферментов, в т.ч. – нитратредуктазу, гидрогеназу и другие, оказывает стабилизирующее влияние на структуру рибосом, участвует в перемещении азота и обеспечении им растительных тканей.

Обычно содержание никеля в растениях не превышает 0,005 мг% (по массе), но некоторые растения (например, чай, какао, гречка, морковь, салат) содержат его достаточно много. Концентрируют никель и микроорганизмы, которые могут содержать тысячи и даже сотни тысяч раз больше никеля, чем окружающей среды.

Недостаточность никеля приводит к снижению темпов роста растений и уменьшению накопления биомассы.

Токсичность никеля проявляется в угнетении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Избыток никеля является причиной появления «боанг» (дословно – «пустые орехи») – заболевание кокосовых пальм на Гавайских островах – и может вызвать редукциию цветков, например, у прострела раскрытого.

Магний- элемент второй группы (по старой классификации — главной подгруппы второй группы), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом  Mg  (лат. Magnesium) . Простое вещество магний — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета.

Магний в растениях — важный элемент, необходимый для образования хлорофилла, и, кроме того, он выполняет многие другие жизненно важные функции. Так, этот элемент имеет, например, большое значение для различных ферментативных процессов. При недостатке магния ослабляются ассимиляция, синтез белков и поглощение фосфора.Видимые признаки избытка магния вряд ли можно обнаружить. Тем не менее, известно, что при внесении очень больших количеств магния сильно снижается поглощение растением калия и кальция. Недостаточное же обеспечение кальцием способствует развитию горькой ямчатости.

ГлаваII. Экспериментальная часть

2.1 Описание эксперимента

Целью экспериментальной части исследования является обработка данных о влиянии солей тяжёлых металлов магния, железа, и никеля на рост и развитие растений, а так же сравнение информации из используемой литературы с итоговыми результатами эксперимента. Влияние солей магния, железа и никеля изучено недостаточно, что представляет особый интерес для исследования. Для проведения исследования были выбраны: быстрорастущее съедобное растение класса однодольных овес. Это растение было выбрано в связи с их нетребовательностью к различным видам почв, а так же в связи с их живучестью. Овес быстро растёт и является биоиндикаторам, что делает его самым удачным объектом для проведения опытов в короткие сроки.

В качестве особо токсичных веществ нами были выбраны соли железа и никеля, т. к. они накапливаются в растениях и не выводятся в результате обмена веществ. Кроме этого соли железа и никеля могут вызывать тяжелые отравления организма.

Выращивание растений производилось в феврале 2018 года. Для эксперимента были использованы пророщенные предварительно ростки овса одинакового размера, помещены в стаканы с водопроводной водой. Всего было взято 3 пробных образца, которые находились в растворах, содержащих тяжелые металлы и 1 контрольное растение находившееся в стакане с водопроводной водой. Для приготовления растворов солей тяжелых металлов были взяты навески химических веществ объемом 1 мерная чайная ложка и растворены в отстоянной водопроводной воде.

В процессе эксперимента производилось регулярное наблюдение – ежедневное измерение растений, фотосъёмка растений.

Образец №1 в растворе хлората железа (1% и 0,5%)

Образец №2 в растворе сульфата никеля (1% и 0,5%)

Образец №3 в растворе перманганата калия (1% и 0,5%)

Образец №4 Контрольный образец в воде

Для приготовления растворов солей тяжелых металлов были взяты навески химических веществ объемом 1 мерная чайная ложка и растворены в отстоянной водопроводной воде.

В процессе эксперимента производилось регулярное наблюдение – ежедневное измерение растений, фотосъёмка растений.

2.2 Результаты эксперимента

1. 01.02.2018 мы поместили предмет исследования в растворы солей и водопроводную воду

На второй день у растения, находившегося в 1% растворе хлората железа, корни пожелтели, а листья пожухли. Также у растения, находившегося в 1% растворе сульфата никеля, листья скрутились. У остальных образцов изменений не наблюдалось.

2. На четвёртый день образец, находившийся в в 1% растворе хлората железа, засох. У образца, находившегося в 0,5% растворе хлорате железа, наблюдалось засыхание листьев. У образца в 0,5% растворе перманганата калия, рост протекал активно, но на корнях начали оседать частички магния и раствор из ярко малинового стал светлый и мутный. Тоже самое произошло и с раствором 1% перманганата калия, но образец стал засыхать. Образцы в растворах сернокислого железа, засохли. Контрольный образец активно развивался.

3. На шестой день образцы в сульфате никеле засохли, а у остальных образцов видимых изменений не произошло.

Эксперимент закончен. Взятые срезы корней мы рассмотрели под микроскопом.

2.3. Микроскопическое исследование

Для проведения данной части работы использовали микроскоп Эврика. Учебный микроскоп Эврика (40х-1280х) предназначен для исследования биологических объектов в виде мазков и срезов. Прибор применяется для выполнения лабораторных работ по биологии в учебных учреждения, а также может использоваться юными исследователями в домашних условиях. Микроскоп укомплектован встроенными осветителями-светодиодами, которые работают от сети переменного тока 220 В и от трех батареек типа АА. Таким образом, данный прибор можно использовать не только в лабораторных условиях, но и на выездных практикумах на природе.

Срез №1 Клетки корней овса из опытного образца с добавлением сернокислого железа имели ровную структуру, однако их цитоплазма была темно окрашена с вкраплениями. Вероятно, это свидетельствует о накоплении железа в клетках овса.

Срез №2 Клетки корней овса из опытного образца с добавлением сульфата никеля приобрели окраску, клеточные стенки частично разрушились

Срез №3 Клетки корней овса из опытного образца с добавлением перманганата калия приобрели темную окраску. Корневая система также исчезла. Клетки имели ровную структуру.

Срез №4 Контрольного образца. Имели ровные светлые клетки без признаков какой-либо деформации.

Заключение

При выполнении данной работы мы:

изучили имеющуюся литературу по данному вопросу;

ознакомились с доступными методиками для исследования влияния химических веществ на рост и развитие растений;

сделали вывод о влиянии химических веществ на основе собственных исследований.

В ходе исследования было установлено, что некоторые химические вещества могут накапливаться в клетках растений и негативно влиять на их рост и развитие, таким образом, выдвинутая гипотеза подтвердилась.

Вывод:

Все образцы погибли, кроме образцов, росших в 0,5% растворе перманганата калия и контрольном образце. Таким образом, мы видим, что все рассмотренные металлы препятствуют росту растений. Тем самым доказывая нам, что это может нанести вред не только растениям, но и организмам потребляющим данные продукты в пищу, в том числе и человеку.

Список литературы

Безель В.С., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности // Экология. – 2007. – № 4. – С. 259-267.

Добролюбский О.К. Микроэлементы и жизнь. – М., 1956.

Дробков А.А. Микроэлементы и естественные радиоактивные элементы в жизни растений и животных, - Научно-популярная серия, М.: АН СССР, 1958.

Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. – Киев: Наукова думка, 1978. – 248 с.

Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. – М.: Наука, 1974. – 126 с.

Солярникова З.Н. Древесно-кустарниковые растения в условиях шинного производства // Интродукция и экспериментальная экология растений: Сб. статей. – Днепропетровск: Наука, 1985. – С. 55-62.

Филов В.А. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп. - М.: Химия, 1988.

Шапиро Я. С. Биологическая химия, М.- Издательский центр Вентана-Граф, 2010.

Школьник М.Я., Макарова Н.А. Микроэлементы в сельском хозяйстве. – М., 1957.

Интернет ресурсы

КиберЛенинка – научная электронная библиотека.

Википедия – свободная энциклопедия.

Дача впрок – советы дачников

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/309031-issledovatelskij-proekt-po-teme-vlijanie-himi