Влияние тяжёлых металлов на растения

МОУ Гимназия №1

Научная работа:

«Влияние ионов тяжелых металлов на растения»

                                                                                             Выполняли:

Жарова Ирина, Волкова Полина

8Б класс

                                                    Научный руководитель:

                                                                      Зыкова Елена Викторовна

Г.о.Краснознаменск 2011

Цель: с помощью эксперимента узнать, как ионы тяжелых металлов влияют на рост и развитие  растений.

Гипотеза: Ионы тяжелых металлов губительно действуют на растения.

Методы: 1.сбор информации из различных источников

                 2. Лабораторный опыт

                 3. Анализ информации и сведений, полученных в результате опытов.

Содержание

1. Введение
2. Теоретическая часть

    а)  тяжелые металлы и их влияние на растения

    б) содержание кобальта в почве и растениях

    в) содержание марганца в почве и растениях

    г) содержание меди в почве и растениях

    д) содержание цинка в почве и растениях

   е) Влияние тяжелых металлов на организм человека

3. Практическая часть.

                 Заключение

1. Введение

     Планетарный, или глобальный, масштаб вносимых человеком изменений в природные условия на Земле, предсказанный ещё в начале 20 века В.И. Вернадским, уже стал реальностью. « Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой». Хозяйственная деятельность человека губительна для природы. Существенно сократилась площадь зелёного покрова планеты; подкисляются почва и вода; отходы промышленности и сельского хозяйства загрязняют природную среду; катастрофически уменьшаются численность и видовое разнообразие живых организмов. Современное общество- это общество потребления, и его возможности близки к исчерпанию.

   Многие отходы бытовой и промышленной деятельности человека содержат тяжелые металлы. Это не может не влиять на живые организмы. В своей работе мы попытались изучить влияние ионов тяжелых металлов на растения, чтобы лучше понимать роль металлов в жизнедеятельности организмов и последствия загрязнения биосферы.

2. Теоретическая часть

Макро- и микроэлементы. По содержанию в живом веществе металлы делят на 3 категории:

- макроэлементы, концентрация которых превышает 10-3% (К, Na, Ca, Mg, Fe);

- микроэлементы, доля которых составляет от 10-3 до 10-6% (Mn,Zn,Cu,Sr, Bi, Ba, Co, Al, V,Cr и др.);

- ультромикроэлементы, содержание которых не превышает 10-6 % (Hg, Au, Pb,Po,Ag и др.).

    Главный критерий, по которому отличают макро- от микро- элементов – потребность в элементе (выражается в мг/кг или в мг/сутки). Ежедневная потребность в макроэлементах 100 мг/сутки, а в микроэлементах – 5-10 мг/сутки. Макро- и микроэлементы имеют и другие различительные способности. Так, содержание макроэлементов в организме находится на постоянном уровне, и даже случайные существенные отклонения от этого уровня не вызывают серьезных осложнений для организма. Недостаток или избыток микроэлементов (даже незначительный) приводит к заболеваниям.

А)  Тяжелые металлы и их влияние на растения.

   Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

     Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Изучение минерального питания растительных организмов включает в себя знакомство и с микроэлементами.

    В настоящее время при помощи специальных, особо чувствительных методов удалось определить в составе организмов свыше 60 таких химических элементов. Однако можно утверждать, что названное число не является пределом и в состав организмов, в самом деле, входят все известные химические элементы и их изотопы, (как стабильные, так и радиоактивные).

   В настоящее время твердо установлена связь между микроэлементами и витаминами. Показано, что марганец необходим для образования в ряде растений витамина С (аскорбиновой кислоты), предохраняющего человека и, некоторых животных от заболевания цингой. Есть данные, показывающие, что введением марганца можно вызвать образование аскорбиновой кислоты в организме тех видов животных, которые обычно неспособны к выработке этого витамина. Марганец, по-видимому, нужен и для действия витамина D (антирахитного) и B1 (антиневритного). Намечается связь между микроэлементом цинком и витамином В1. Однако наиболее интересно открытие антианемического витамина B12, недостаток которого в организме приводит к тяжелым формам анемии (злокачественному малокровию). Оказалось, что этот витамин — соединение микроэлемента кобальта и сложной органической группы.

   Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм человека и животных. С ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

   Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов,  важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

   Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним устойчивость; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне- и клубнеплоды и др.)

Б) Кобальт в растениях

     Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных.

Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах. Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растен ия. ( недостаток кобальта в растении)

   Применение кобальтовых солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность сахарной свеклы.

Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается на 35%, сахаристость — на 14%, кислотность снижается на 10%.

В) Марганец в растениях

    Марганец находится в почвах в среднем в количестве 0,085%. Однако в отдельных случаях при высоком общем содержании марганца в почвах количество усвояемых его форм, переходящих в солянокислую или солевую форму, может быть явно недостаточно. В среднем растворимая часть Мn в почве составляет 1 —10% от общего его содержания. Среднее содержание марганца в растениях равно 0,001 %. Марганец служит катализатором процессов дыхания растений, принимает участие в процессе фотосинтеза. Исходя из высокого окислительно-восстановителыюго потенциала марганца можно думать, что марганец играет такую же роль для растительных клеток, как железо — для животных.

   И. В. Мичурин подметил, что у гибридных сеянцев миндаля под влиянием марганца срок первого плодоношения ускоряется на 6 лет. Этот факт явился первым описанным в литературе случаем замечательного ускорения роста и созревания растений под влиянием микроэлементов. При недостатке марганца в почвах (низком содержании либо неблагоприятных условиях для усвоения его растениями) возникают заболевания растений, характеризующиеся в общем появлением на листьях растений хлоротичных пятен, которые в дальнейшем переходят в очаги некроза (отмирания). Обычно при этом заболевании происходит задержка роста растений и их гибель. У различных видов растений заболевание марганцевой недостаточностью имеет свои специфические проявления и получило соответственные названия. - cерая пятнистость злаков наблюдается у овса, ячменя, пшеницы, ржи, кукурузы. Характеризуется появлением на листьях узкой поперечной линии увядания. Листья загибаются по линии увядания и свешиваются вниз. У кукурузы на листьях появляются отдельные хлоротичные пятна, в дальнейшем отмирающие, что ведет к образованию отверстий на листьях. Болезнь распространена обычно на щелочных почвах при высоким содержании гумуса.- болезнь сахарного тростника – на молодых листьях появляются длинные беловатые полосы хлоротичных участков, в дальнейшем краснеющие; на этих местах наступает разрыв листьев. Содержание марганца в листьях резко падает; наблюдаются лишь следы.

 Заболевание растений развивается на щелочных и нейтральных почвах. Внесение в почву серы, суперфосфатов (веществ, подкисляющих почву и повышающих содержание доступного марганца) излечивает или предупреждает названное заболевание

 Г) Медь в растениях

     Общее содержание меди в почвах составляет около 0,002%, причем на долю растворимой части приходится около 1% этого количества. Медь способствует синтезу в растениях железосодержащих ферментов, в частности пероксидазы. Болезни недостаточности меди у растений:

- экзантема, или суховершинность плодовых деревьев. Поражает цитрусовые, а также яблони, груши, сливы и маслины. У цитрусовых листья достигают больших размеров, молодые побеги изгибаются, на них развиваются вздутия, затем трещины. Пораженные побеги теряют листья и высыхают. Крона деревьев приобретает кустовидную форму. Плоды мелкие с бурыми пятнами и бородавками. Листья имеют сначала ярко-зеленый цвет, а в дальнейшем появляется пятнистость и хлороз.У яблонь заболевание проявляется в отмирании верхушек побегов — наступает увядание и свертывание листьев. Края листьев становятся как бы обожженными. У персиков наступает гибель побегов, ухудшается цветение и завязывание плодов; на листьях появляются крупные хлоротичные пятна.

- «болезнь обработки» травянистых растений проявляется в подсыхании кончиков листьев, задержке в формировании репродуктивных органов, пустозернистости колоса. При этом заболевании растения кустятся и, не переходя к стеблеванию, погибают.

Поражаются «болезнью обработки» главным образом овес, ячмень, пшеница, свекла, бобовые, лук; меньше— рожь, гречиха, клевер. «Болезнь обработки» встречается преимущественно на болотистых почвах и торфяниках; это заболевание называется также «болезнью освоения», так как она поражает овес, ячмень, яровую и озимую пшеницы и другие злаки, а также лен, коноплю, махорку и другие культуры на мелиорированных почвах.

На некоторых торфяных почвах злаки в фазе молочной спелости полегают, образуя колена. В тканях выпуклой части колена окислительные процессы (активность пероксидазы, полифенолоксидазы, цитохромоксидазы) протекают на более высоком уровне и в них содержится в 3 раза больше меди, чем в противоположно расположенных тканях.

 «Болезнь обработки» не возникает, если в почву вносят сернокислую медь в количестве 25 кг на 1 га, что ведет к нарастанию содержания меди в растениях (пшенице, ржи, овсе и других злаках).

Применение медных удобрений не только сказывается на повышении урожайности, но и на качестве сельскохозяйственных продуктов. Так, количество белка в зерне нарастает, сахаристость сахарной свеклы увеличивается, так же как процент выхода каучука у кок-сагыза, содержание витамина С и каротина в плодах и овощах, улучшаются технологические качества волокна конопли. Под влиянием медных удобрений повышается устойчивость озимой пшеницы к полеганию.

Д) Цинк в растениях

   Среднее содержание цинка в почвах составляет 0,005%. Он необходим для образования дыхательных ферментов. Цинк связан с превращением содержащих сульфгидрильную группу соединений, функция которых состоит в регулировании уровня окислительно-восстановительного потенциала в клетках.

Недостаток цинка ведет к значительному уменьшению в растениях ростового гормона — ауксина. Болезни недостаточности цинка распространены преимущественно среди плодовых деревьев; могут заболевать также хвойные растения и кукуруза. Главнейшие из этих болезней недостаточности следующие:

- мелколистность, или розеточная болезнь, листопадных деревьев. Поражает яблони, груши, сливу, персики, абрикос, миндаль, виноград , вишню. На заболевшем растении весной образуются укороченные побеги с розеткой мелких скрученных листьев. На листве —явления хлороза. Плоды мелкие и деформированные, часто вообще не появляются. Через 1—2 года побеги отмирают.

Заболевание излечивается непосредственно введением в стволы больных деревьев сернокислого цинка в кристаллическом виде, внесением в почву соединений пинка, опрыскиванием растений раствором цинковых солги.

- пятнистость листьев цитрусовых, «крапчатость». Между жилками листьев появляются желтые участки, поэтому листья приобретают пятнистый вид. Зеленая окраска сохраняется лишь у основания листьев, остальная часть становится белой. Листья и корневая система перестают расти, и растения погибают.

- бронзовость листьев тунговых. Листья приобретают бронзовую окраску, отдельные участки отмирают. Появляющиеся взамен погибающих новые листья деформированы. Больные деревья мало устойчивы против морозов.

- розеточная болезнь сосны. Хвоя на концах побегов приобретает бронзовую окраску.

- побеление верхушки кукурузы. Между жилками листа появляются светло-желтые полосы, развиваются некротические пятна и отверстия. Новонарастающие листья имеют бледно-желтый цвет.

Цинковые удобрения с успехом используются для повышения урожайности ряда культур: сахарной свеклы, озимой пшеницы, овса, льна, клевера, подсолнечника, кукурузы, хлопчатника, цитрусовых, других плодовых, древесных и декоративных растений.

Некоторые растения особенно отзывчивы на цинковые удобрения. При использовании минеральных удобрений, содержащих 20 кг сернокислого цинка на 1 га, наблюдается больший урожай зерна кукурузы, чем от применения любой удобрительной смеси без цинка. При этом кукуруза, больная «побелением верхушки», полностью выздоравливает — исчезает хлороз, появляются нормальные зеленые листья.

Е) Железо в растениях

Дефицит железа распространяется на многие растения, особенно ярко проявляет себя в растениях, выращиваемых в закрытом помещении. Дефицит первоначально проявляется как хлороз молодых листьев, начиная с прожилок листа зеленого цвета, взрослые же листья остаются нетронутыми. Листья имеют меньший размер, чем они должны быть при нормальном росте. Дефицит железа – особенно выражен в щелочных средах, или во влажной корневой среде. Рост уровня железа происходит с увеличение уровня кислотности корневой системы и питательного раствора.

 Железный дефицит также проявляется как хлоротическая крапчатость молодых листьев. В более серьезных случаях, молодые листья испытывают недостаток в хлорофилле и на них образуются небольшие вымершие пятна. Эти пятна на молодых листьях появляются сначала возле основания листа, образуя желтую полосу по всему листу.

Холодные температуры, повышенная влажность и влажные условия корневой системы создают дефицит железа, особенно если уже существует его недостаток.

Усваивание растением железа уменьшается с увеличением pH уровнем раствора.

Увеличение количества железа порождает солнечный ожог листьев и проявляется в виде крошечных коричневых пятен.

Количество железа, доступное растению, оказывает влияние на их способность усваивать азот.

Вывод:

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами.     Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений.

Многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выраженным каталитическим действием. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют и в живом организме, особенно тогда, когда они вступают во взаимодействие с органическими веществами, содержащими азот.

Максимальную каталитическую активность металлы как таковые или, чаще, их металлоорганические (органо-минеральные) соединения приобретают, вступая в соединения с белками. Именно такое строение имеют многие биологические катализаторы — ферменты. Помимо значительного повышения активности, роль белкового компонента заключается в придании таким соединениям, в основном ферментам, специфичности действия.

При взаимодействии микроэлементов с белковыми компонентами ферментов образуются металлоэнзимы.

 Е) Влияние тяжелых металлов на организм человека.

Тяжелые металлы широко используются в производстве, вследствие чего в огромных количествах накапливаются в окружающей среде и легко попадают в организм человека как с продуктами питания и водой, так и при вдыхании воздуха.

Когда содержание тяжелых металлов в организме превышает предельно-допустимые концентрации, начинается их отрицательное воздействие на человека. Помимо прямых последствий в виде отравления, возникают и косвенные – ионы тяжелых металлов засоряют каналы почек и печени, чем снижают способность этих органов к фильтрации. Вследствие этого в организме накапливаются токсины и продукты жизнедеятельности клеток, что приводит к общему ухудшению здоровья человека.

Вся опасность воздействия тяжелых металлов заключается в том, что они остаются в организме человека навсегда. Вывести их можно лишь употребляя белки, содержащиеся в молоке и белых грибах, а также пектин, который можно найти в мармеладе и фруктово-ягодном желе. Очень важным является то, что бы все продукты были получены в экологически чистых районах и не содержали вредных веществ.

3. Практическая часть

Хлорофитум. Семейство лилейных. Родина - Южная Америка. Хлорофитум является одним из наиболее распространенных комнатных растений. Это не удивительно: он быстро растет, у него красивые изогнутые листья, а весной и летом на тонких стеблях появляются сначала мелкие белые цветы, а потом крошечные розетки листьев. Их можно отделить и укоренить. Еще одна причина популярности хлорофитума - его выносливость. Хлорофитум относится к светолюбивым растениям.

В 6 сосудов поместим 6 отростков хлорофитума:

1. Вода
2. Питательная смесь (Полная питательная смесь Прянишникова - ППСП) Pb2+ +  Cu2+ + Zh2+  + Mg2+   

В состав полной питательной смеси Прянишникова входят (на 1 л воды) соли: 0,334 г NH4NO3, 0,166 г KNO3, 0,70 г Ca3(PO4,)2, 0,25 г Fe2(SO4)3, 0,614 г KCl, 0,50 г MgSO4∙7H2O, 0,50 г CaSO4∙2H2O.

3. Питательная смесь с добавлением ионов меди Сu2+    
4. Питательная смесь с добавлением ионов Pb2+
5. Питательная смесь с добавлением ионов Zh2+
6. Питательная смесь с добавлением ионов различных тяжелых металлов, подкисленная раствором соляной кислоты. 

Через 2-3 недели сфотографировали  результаты, измерили длину корешка и определили цвет листьев.

Результаты наблюдений представлены в сводной таблице.

Выводы:  В нужном количестве тяжелые металлы благоприятно влияют на растения, но переизбыток или недостаток их ведет к гибели растений. Особенно губительно для растений содержание (каких ионов)

Мы рекомендуем сажать культурные растения вдали от пром предприятий, автодорог. В помещениях использовать хлорофитум как хороший очиститель воздуха.