МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ИКРЯНИНСКАЯ СОШ»

АСТРАХАНСКАЯ  ОБЛАСТЬ ИКРЯНИНСКИЙ РАЙОН  СЕЛО ИКРЯНОЕ

исследовательская работа

по теме:

« АКВАПОНИКА КАК МЕТОД РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ»

Автор работы:

Грачева Татьяна, 10 класс

Руководители:

Медведева Ольга Валериевна,

Ельчанинова Инна Ивановна,

учителя химии МБОУ «Икрянинская СОШ»

2018-2019 г.

Содержание

1. Введение……………………………………………………………..3-4
2. Методы и методические приемы………………………………….....4
3. Результаты исследования…………………………………………….4

3.1. Водородный показатель (pH)…………………………………...4-5

3.2. Качественные реакции на катионы свинца……………………….6

3.3.Качественные реакции на катионы железа (Fe+3)……………...6-7

3.4 Качественные реакции на катионы Cu…………………………….7

3.5. Качественные реакции на сульфат-ионы…………………………8

3.6.Определение соединений антропогенного происхождения …….9

4. Рекомендации по очистке воды для аквапоники ………………….10

5. Результаты анализа воды в аквариуме с рыбами  ……………….11

6. Выводы……………………………………………………………….11

7. Список литературы………………………………………………….12

1. Введение

В настоящее время народонаселением мира используется примерно 54% стока поверхностных вод. С учетом темпов роста глобальной экономики, показателя роста населения планеты  ожидается, что к 2025 году этот показатель увеличится до 70%.  По данным ООН, в более чем 18 странах наблюдается дефицит воды. По прогнозам число таких государств к 2025 году вырастет до 33. Главный недостаток российских водных ресурсов – их крайне неравномерное распределение по территории страны. К тому же, практически все реки подвержены антропогенному воздействию. Серьезной проблемой  является ухудшение качества воды, что делает ее непригодной практически для всех видов водопользования. Основную нагрузку на водоемы создают не только промышленные предприятия, но и предприятия агропромышленного сектора. На уровне государства и муниципалитетов осуществляется поиск путей решения этих проблем, одним из которых является на наш взгляд аквапоника.

Аквапоника – это высокотехнологичный способ ведения сельского хозяйства, при котором рыбы обеспечивают питание растений, а растения очищают воду. Главным преимуществом аквапоники является максимальная рециркуляция воды, которая позволяет экономить на водном ресурсе, сокращает или нейтрализует сбросы сточных вод. Так как аквапоническая установка – это замкнутая система, необходимо осуществлять постоянный контроль химических показателей воды.

Цель работы: определить качество воды в аквапонической установке.

Основные задачи:

1. Провести полный качественный анализ воды.

2. Проанализировать полученные данные.

Гипотеза: Мы предполагаем, что  аквапоника – наиболее экологичный способ ведения сельского хозяйства.

Актуальность нашей  работы обусловлена тем, что использование  качественной воды является залогом успешного беспочвенного выращивания растений, что в свою очередь существенно сокращает расход водных ресурсов.  

Для начала рассмотрим требования, которым должна отвечать вода, используемая при культивации растений:

• Содержание солей и минеральных веществ в воде должно быть минимальным;
• Вода должна быть мягкой, свободной от солей кальция и магния;
• Присутствие токсичных примесей, инородных включений и растительных ядов недопустимо;
• Реакция среды должна быть нейтральная или слабокислая.

2. Методы и методические приёмы

Для анализа воды отобрана проба  аквариумной воды, проведён химический анализ ее свойств.

Метод химического анализа включает определение ионов в воде с помощью качественных реакций. Большинство известных элементов, входящих в состав вод в сравнительно больших количествах, существуют в виде ионов. Для доказательства наличия этих ионов в воде использовалась методика качественного химического полумикроанализа.

Качественный анализ пробы воды проводился по следующим показателям:

• Наличие в воде катионов  железа(III), свинца, меди, сульфат анионов.
• Определение соединений антропогенного происхождения.
• Определение pH.
• Уровень кислорода
• Нитраты
• Нитриты
• Аммоний

3. Результаты исследования

3.1. Определение уровня pH с помощью лаборатории PASCO

Любые питательные вещества не сделают растение сильным, если будут для него плохоусвояемы.  Главным условием в определении доступности для растения питательных веществ, является кислотность раствора (pH). Обозначение pH - мера кислотных или щелочных свойств какого-либо раствора. Химически чистая вода нейтральна, и pH ее равен 7. Раствор со значением pH менее 7 будет кислым, а выше 7 - щелочным.
Знать это важно также и для нас, поскольку экспериментально было установлено, что питательный раствор для выращивания растений без почвы должен иметь pH между 5,5 и 6,5, то есть быть слабокислым. Если значение pH выше нейтрального, рост растений обычно задерживается, и чем выше будет значение pH, тем сильнее задержка роста. Объяснить это можно хотя бы тем, что высокое значение pH (от 7,0 и выше) приводит к переводу железа, марганца, фосфора, магния и кальция в нерастворимые и неусвояемые растением соединения. Поэтому всегда следует заботиться о том, чтобы раствор имел соответствующее значение pH (от 5,5 до 6,5).

Результаты эксперимента:

Вывод: уровень pH выше нормы, поэтому  при использовании водопроводной воды  понадобится снижение pH путем подкисления.

2. Обнаружение ионов свинца (Pb2+)

Реагент: хромат калия (10г К2СrO4 растворить в 90мл H2O)

В пробирку помещают 5мл пробы воды, прибавляют 1мл раствора реагента. Если выпадает желтый осадок, содержание катионов свинца более 100мг/л; если наблюдается помутнение раствора, концентрация катионов свинца более 20 мл/л, а при опалесценции – 0,1 мг/л.

Результаты эксперимента: раствор окрасился в желтый цвет, но осадок не обнаружен.

Вывод: ионы тяжелых металлов в пробах воды не обнаружены.

3. Обнаружение ионов железа (Fe3+)

  ПДК железа в питьевой воде составляет 0,3 мг/л по органолептическому показателю.  В листьях растений содержится много железа, и оно задействуется во многих процессах. Железо выпадает в осадок при высоком pH и не усваивается растениями.

В пробирку помещают 10 мл воды, прибавляют 2 мл HCI или HNO3,1-2 капли 3% H2O2. Добавляют 4 капли KCNS.

Результаты эксперимента: наблюдается слабое окрашивание

Вывод: в водопроводной воде были обнаружены следы ионов железа (III), соответствующие норме.

4. Обнаружение ионов меди

 При медной интоксикации изменяется окраска листьев до красной и буро-коричневой, что свидетельствует о разрушении хлорофилла. Кроме того, при избытке ионов меди и свинца, происходит угнетение роста, задержка развития растений.

Для определения ионов меди в фарфоровую чашку поместить 3-5 мл исследуемой воды, выпарить досуха, затем добавить 1 каплю концентрированного раствора аммиака. Появление интенсивно синего цвета свидетельствует о присутствии ионов меди.

Результаты эксперимента:

Вывод: ионы тяжелых металлов в пробах воды не обнаружены.

5. Обнаружение сульфат-ионов

Содержание сульфат-иона в питьевых водах ограничено значением 500 мг/л. Для  сельскохозяйственных культур вода с содержанием сульфатов более 1 г/л непригодна.

 В пробирку вносят 10мл исследуемой воды, 0.5 мл соляной кислоты (1:5) и 2мл 5%-ного раствора хлорида бария, перемешивают. По характеру выпавшего осадка определяют ориентировочное содержание сульфатов:

при отсутствии мути концентрация сульфат ионов менее 5мг/л;

при слабой мути, появляющейся не сразу – 5-10мг/л;

при слабой мути, появляющейся после добавления хлорида бария, -10-100мг/л;

сильная, быстро оседающая муть – высокое содержание сульфат –ионов (более 100мг/л).

Результаты эксперимента:

Вывод: для растений вода с содержанием сульфатов более 1 г/л непригодна.

6. Определение соединений антропогенного происхождения

Важным показателем загрязнения воды является перманганатная окисляемость. Окисляемость — это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей. Перманганатная окисляемость — это показатель общего количества органических веществ в воде.  Он не показывает, какие именно вещества присутствуют, но показывает, сколько их в сумме. Назван показатель по способу получения значения — в пробу воды добавляется марганцовка (перманганат калия). 

Налили в пробирки 2 мл фильтрата пробы, добавили несколько капель соляной кислоты. Затем готовят розовый раствор KMnO4 и приливают его к каждой пробе по каплям. В присутствии органических веществ KMnO4 будет обесцвечиваться. Можно считать, что органические вещества полностью окислены, если красная окраска сохраняется в течение одной минуты.

Результаты эксперимента: 1-я пробирка – исследуемая вода, 2-я пробирка – эталон для сравнения.

Вывод: вода обесцвечивается, а значит, содержит соединения антропогенного происхождения.

В декабре 2016 года наша школа получила установку по аквапонике  и  высококачественную тестовую лабораторию для достоверного анализа всех важнейших показателей качества воды в аквариуме. В школе были созданы творческие группы учащихся биологов и химиков для работы с этой установкой. Мы определили основные направления и план работы. С помощью аквапоники мы выращиваем такие виды культурных растений как лук репчатый, фасоль, клубнику, огурцы, томаты.  В данный момент растения находятся на стадии цветения и образования плодов. Рыбы, используемые нами в системе – клариевые сомы. Так как аквапоническая установка – это замкнутая система, необходимо осуществлять постоянный контроль химических показателей воды. Контроль качества воды проводится нами еженедельно. Мы тщательно следим за уровнем кислорода в воде, наличием нитратов, нитритов и аммония, уровнем кислотности,  карбонатной жесткости и солей тяжелых металлов.

4. Рекомендации по очистке воды для аквапоники

Таким образом,  проведя качественный анализ, мы пришли к выводу:

в исследуемой воде были обнаружены ионы железа (Fe3+), сульфат ионы, соединения антропогенного происхождения, а так же было установлено, что уровень pH не соответствует средним показателям.

Поэтому:

1. Необходимо снижение уровня pH. Этого можно добиться путем подкисления   мягкими  кислотами: ортофосфорной,  либо лимонной кислотами.
2. Необходима дополнительная очистка воды от соединений антропогенного происхождения.

Мы предлагаем несколько способов очистки воды.

•  Наиболее эффективным методом удаления из воды соединений антропогенного происхождения  признан сорбционный метод очистки на активном угле.  
• Большое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд.
• Отстаивание воды.
• Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли.
• Особенно интересен  нам показался метод биологической  очистки воды, основанный  на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ.  Используют такие виды высших водных растений, как камыш, водный орех, водный гиацинт. Например, ученые обнаружили, что на поверхности корневой системы водного гиацинта  перерабатываются разные органические загрязнители, то есть фактически, чем грязнее водоем, тем лучше чувствует себя растение.

         Результаты после предварительной  обработки воды:

         Химический анализ воды после сорбции углем  показал снижение уровня  содержания  соединений антропогенного происхождения, которые задерживают усвоение азота растениями. Уровень pH был доведен до средних показателей 5,5-6,5. Теперь водопроводная вода пригодна для использования в аквапонике.

5. Результаты анализа воды в аквариуме с рыбами.

Взяв пробы воды  из аквариума, мы установили избыточное содержание нитритов. Повышенное содержание нитритов при несоответствующем значении рН губительно для рыб.  Задача биологов – вносить очищающие бактерии.

Так же было выявлено повышенное содержание фосфатов. Задача биологов –  замена воды на 20-30% каждые 2 недели, не слишком обильное кормление рыб.

Установлено повышенное  содержание силикатов.  Задача биологов –  фильтровать воду через фирменный  поглотитель силикатов.

Содержание кислорода в воде соответствует норме.

Ионы тяжелых металлов не обнаружены.

Общая и карбонатная жесткость воды в норме.

Вывод

Таким образом,  проведя качественный анализ, мы пришли к выводу:

1. В аквапонической установке необходим постоянный контроль уровня рН. В нашем случае необходимо снижение уровня pH. Этого можно добиться путем подкисления   мягкими  кислотами: ортофосфорной,  либо лимонной кислотами.
2. Вода из установки не содержит веществ с превышением предельно допустимых концентраций.
3. Результаты анализа позволяют сделать предположение, что ее дальнейшее попадание в почву, в водоемы не приведет к нарушению экосистем.

В условиях аквапонной установки имеет место дополнительная очистка воды за счет прямого поглощения и усвоения ионов азота корнями растений. Эти установки являются экологически целесообразными. Они особенно выгодны при дефиците воды и почвы, необходимых для ведения традиционного сельского хозяйства. Вода является ценным товаром в развивающихся странах; а в аквапонике большая часть используемой воды возвращается в систему, и в итоге потребляется значительно меньше воды, чем в традиционном сельском хозяйстве.

Аквапоника дает возможность «сводить на нет» отходы обеих из систем, образуя закрытую экосистему, в которой выбросы рыб поглощаются растениями, питая их, а вода, где проживают рыбы, очищается растениями.

В аквапонике не используются гербициды и пестициды, так как они губительны для бактерий и животных. Естественным образом в аквапонике экономятся средства на покупку азотных и фосфоросодержащих удобрений.

Подводя итог, можно сказать, что с появлением  системы аквапоники в нашей школе, школьники получили возможность расширить свои исследования. Получение хорошего урожая при выращивании растений без почвы – цель нашей дальнейшей работы. Для этого необходим систематический мониторинг важнейших показателей качества воды и своевременное выявление отклонений от норм. Наши данные используются группой биологов для поддержания показателей в норме, что позволит вырастить растения, не содержащие антропогенных соединений и сохранить биологические виды рыб  в аквариуме.

Список литературы

1.  Вахмистров Д. Б. Растения без почвы / Д. Б. Вахмистров. – М.: Детская литература, 1965. – 112 с.

2. Домашняя гидропоника. Пособие по гидропонике. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://gidroponika.by/urok-1-chto-takoe-gidroponika/ 

3.  Зальцер Э. Гидропоника для любителей / Э. Зальцер [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.flowersweb.info/ 

4. Турлакова Е.В. Определение показателей качества воды. // Химия в школе. – 2001. – №7.
5. Харьковская Н.Л., Асеева З.Г. Анализ воды. // Химия в школе. – 1997. – №3 (апрель – май).