Проект "Борщевик Сосновского"
проект по биологии (10 класс) на тему

УДК 502/504 УДК 373

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ «БОРЩЕВИК СОСНОВСКОГО – как извлечь пользу из вредоносного растения?»

АВТОР:Колесниченко О. З.,

Россия, Московская обл., г.о. Краснознаменск.

E-mail:  olgazigm@mail.ru

Соавтор: Барановская И.Г.

Россия, Московская обл., г.о. Краснознаменск.

На территории Московской области огромные поля заняты растением, которое считается ядовитым. У ребят вызвало интерес растение так легко занявшее столько территорий и как его можно использовать. В работе исследованы проблемы повсеместного распространения растения борщевик Сосновского (Heracléum sosnówskyi), его опасного влияния на здоровье человека и способы борьбы с ним, а также перспективы возможного использования данного растения.

Ключевые слова:  борщевик Сосновского; ожоги; жизнеспособность; урожайность, биоэтанол,  проект, обучающиеся, рациональное использование.

Keywords: Heraclium Sosnowskyi; burnings, vitality; crop capacity; bioethanol.

С каждым годом гигантское растение борщевик захватывает все новые и новые земли для своего обитания. Есть поля, которые почти сплошь покрыты зарослями этого растения. Скорость его распространения поистине невероятна. Сегодня в России борщевиком захвачено около миллиона гектаров, и каждый год он разрастается еще на 100 га. Многие люди не знают, как опасен отдых рядом с такими растениями. В Московской области повсеместное распространение борщевика принимает катастрофические размеры вследствие широкой и неконтролируемой экспансии в природные экосистемы, сельскохозяйственные и лесные угодья, а также городские насаждения. В настоящее время это – один из самых злостных сорняков, образующий гигантское количество зеленой массы и практически не поддающийся уничтожению.  Поэтому необходимо найти пути его разумного использования.

     Цель проекта: исследовать проблему повсеместного распространения растения борщевик Сосновского (Heracléum sosnówskyi), его опасного влияния на здоровье человека и способы борьбы с ним, а также перспективы возможного использования данного растения.

Гипотеза исследования. Многие люди, особенно школьники,  не подозревают об опасности растения борщевик Сосновского (Heracléum sosnówskyi) и могут стать жертвой соприкосновения с таким опасным соседом.  

В стеблях и листьях борщевика очень высокий процент содержания сахаров, и его можно использовать для производства биоэтанола.

Методы проведения исследования:

- обзор литературы и интернет-источников по данной теме;

- проведение анкетирования среди учащихся;

- эксперимент по получению биоэтанола из борщевика.

Задачи исследования:

1) проанализировать информационные источники по данной теме;

2) выяснить положительные и отрицательные стороны влияния борщевика;

3) провести анкетирование учащихся;

4) выпустить памятки для детей и подростков;

5) получить биоэтанол из сока борщевика.

Борщевик Сосновского был выведен искусственно. Дикую кавказскую траву культивировали в других регионах. Изначально полагалось, что это будет ценная силосная культура. Растение неприхотливое, живучее, имеет большую лиственную массу – полагалось кормить им скот. Но позже выяснилось, что для кормления скота борщевик Сосновского применять нельзя, так как молоко животных приобретает горький вкус и становится непригодным как для кормления потомства, так и для употребления людям.

В чем опасность этого растения? Опасным борщевик делают ядовитые вещества, которые он выделяет в атмосферу. Прикосновение к растениям некоторых видов этого рода может вызывать раздражение и ожог кожи за счет того, что все части растений содержат фуранокумарины – вещества, резко повышающие чувствительность организма к ультрафиолетовому излучению. Самые сильные ожоги борщевик вызывает, соприкасаясь с кожными покровами в ясные солнечные дни [1].

Что же делать?

• Чтобы уберечься от ожогов борщевика, главное – это не прикасаться к нему.
• Реакция на контакт с борщевиком индивидуальна. Очень чувствительны к ожогам борщевика, например, блондины со светлой кожей.
• Будьте бдительны сами и обязательно объясните маленьким детям, насколько опасен борщевик!

Если вы все таки прикоснулись, то сразу  необходимо:

• защитить пораженные участки от солнечных лучей минимум на двое суток;
•  тщательно промыть пораженные места водой с мылом;
• принять противоаллергическое лекарство;
• смазать пораженные места средством от ожогов;
• если ожог затронул глаза, рот или другие слизистые оболочки, необходимо срочно обратиться к врачу.

Почему же такое опасное растение называется борщевик?

Русское название растений происходит от использования их в пищу, конкретно – в борщи. С давних времен борщевик славился своими лечебными свойствами. Растение обладает бактерицидным действием, поэтому его применяют для лечения животных от паразитов. Растения рода Heracleum неприхотливые, холодостойкие, листья и стебли переносят заморозки –5 °С, хорошо перезимовывают, при достаточном снежном покрове выдерживает –35 … –40 °С.

Цветки борщевика дают много пыльцы и нектара, и являются хорошими медоносами. Борщевик  относится к семейству Сельдерейные (Apiaceae) или Зонтичные (Umbelliferae). Цикл развития: двулетники или многолетники. Корень стержневой с боковыми отверстиями, стебли толстые, полые, округлые, высотой от 1 до 5 м.  Листья крупные, розетчатые с длинными зубчатыми черешками. Соцветие – сложный многолучевой зонтик. Плод – дробная двусемянка. Плодики плоские светло-коричневые с крылатками с запахом эфира. Масса 1000 семян – 12–15 г.  Одно растение может дать 15–20 (в редкие годы мощные особи даже до 70) тысяч жизнеспособных семян! И так – каждый год. Ветер – главный помощник в распространении крылаток борщевика. Вот почему так легко борщевик  занял уже многие тысячи гектаров в разных регионах страны, в том числе в Подмосковье [4]. 

Второй особенностью борщевиков является разнокачественность их семян. В первый год обычно прорастает от 20 до 70% семян. На второй год – от 30 до 60% не проросших в первый год семян. Некоторые плоды могут прорасти лишь через 5–6 или даже 12–15 лет! А раз так долго семена сохраняются в почве, то, значит, борьба с этими растениями должна длиться до полного уничтожения «последнего семени», чтобы не было возможности новой особи вырасти и дать новые цветущие растения и, соответственно, новые жизнеспособные семена.

Семена борщевиков имеют эфирномасличные каналы – как правило, 2 на внутренней и 4 на наружной стороне плодика. Упав на землю, за зиму оболочки сгнивают, и эфирные масла, смолы и другие биологически активные вещества истекают на поверхность почвы. Они оказывают выраженное аллелопатическое (чаще – тормозящее) действие на прорастание семян других видов растений, тем самым обеспечивая бесконкурентное прорастание с последующим захватом территории.

 Хороший эффект в борьбе с борщевиками дает весеннее уничтожение проростков. Можно использовать прополку, вспашку, но важно все эти работы провести вовремя, пока проростки находятся в состоянии первых двух или трех настоящих листьев. 

 Самый действенный способ уничтожения на небольших площадях – обрезка цветков в период бутонизации и начала цветения растений. Но это и один из самых опасных способов – легко обрызгаться соком и получить сильные дерматозы на разных участках тела. Сок с растений не только не должен попасть на незащищенные участки тела, но и промочить одежду.

Если сроки для обрезки бутонов, цветков вручную все же были упущены, а все растения были просто скошены, нужно внимательно следить, чтобы от корней не появились новые боковые зонтики в прикорневой розетке. Как только растение даст новые зонтики и цветки в них образуют завязи, будет новое поколение семян, достаточное для восстановления зарослей.

Сжигание – очень эффективный путь уничтожения семян растений. Тут важно не упустить момент проведения мероприятия. Лучше его проводить до начала полного созревания плодов в центральном, самом крупном зонтике. Этот метод требует максимальной осторожности и аккуратности.

Обработка гербицидами (раундап, торнадо, граунтап и др.). Время обработки – с начала отрастания и обязательно перед началом цветения. Дозы (концентрация) применяемых гербицидов для обработки борщевиков должны быть двойными или даже тройными от прописных для каждого данного вида гербицида. Эффект может быть достигнут при двух повторных обработках с перерывом между ними 15–20 дней. Нужно следить, чтобы препарат попадал не только на листовую поверхность, но и стекал по черешкам в листовую розетку.

Ручной метод. Начиная с ранней весны, как только растения начинают отрастать, самое время выйти со штыковой лопатой на уничтожение злодея. Важно срезать точку роста, которую растения затягивают на 3–5 или 7–10 см (борщевикам свойственен геотропизм – заглубление точки роста ниже уровня почвы). Глубина расположения почки зависит от типа почвы, климатических условий региона. Если срубить выше, на корне останется несколько спящих почек в листовых пазухах, они пойдут в рост и успеют дать семена – основную единицу размножения борщевиков. Однолетние всходы легко уничтожить тяпками, лопатами, прополкой. Всходы могут появляться не только весной, но и в течение лета (особенности разнокачественности семян). Важно не допускать цветения новых растений!

Эффективный способ уничтожения растений – кошение, но только при условии, что оно будет проводиться перед выходом растений «в трубку», т.е. обязательно перед цветением борщевиков, с повтором не позже чем через 3–4 недели после первого скашивания. Этот прием нужен для уничтожения всех побегов, несущих соцветия и цветки. Скашивать один раз и в середине цветения – лишь способствовать дальнейшему размножению растений. Скошенный материал нельзя бросать на месте. Побег борщевика имеет в стебле большой запас питательных веществ, достаточный, чтобы на упавшем растении в главном зонтике созрели завязавшиеся уже семена, т.е. дошли до восковой фазы их спелости, уже вполне достаточной, чтобы весной из этих семян выросли новые растения. Скашивать или срезать растения, когда на них уже созрели плоды, и делать это в ветреную погоду недопустимо. Все это будет способствовать распространению вида на новые территории. Скошенные растения необходимо тут же убрать в кучи и сжечь.

И еще один способ – разведение природных вредителей. На сегодняшний день известна лишь одна «вредительница» – борщевичная моль, личинки которой проникают внутрь ствола и продвигаются внутри до соцветия, успевая в значительной степени объесть цветки до распускания. Съедая цветки еще в бутонах, моль сильно снижает семенную продуктивность растений. Но не придется ли еще и с ней бороться?…

Практическая часть

Мы провели анкетирование среди учеников на знание этого опасного растения и последствий «общения» с ним. Вот его результаты:

•  Знают борщевик 20% школьников.
• Лишь каждый пятый подросток встречал борщевик в природе.
•  Об опасных свойствах борщевика знают 10 %.
•  Многие подростки не задумываются об опасности незнакомых растений.
• Со случаем ожога встречался один человек.

По результатам анкетирования мы поняли, что основная масса учеников нашей школы не знает о свойствах борщевика и может подвергнуться опасности при встрече с этим растением.  Поэтому мы разработали для них специальную памятку в виде информационного буклета.

Учитывая невероятную урожайность зеленой массы борщевика – от 500 до 2000 ц/га  [3], а также высокий процент содержания сахаров, который достигает максимума в период бутонизации – от 10% до 31%  [5], можно предложить эффективное использование этого растения, например, для выработки этилового спирта. Предварительные расчеты показали, что при урожайности 50 т/га и 10% сахаров выход биоэтанола составит от 2500 л/га, при урожайности 200 т/га и 31% сахаров – 29000 л/га, а то и выше^[1]. Сравнение по культурам представлено в таблице 1.

Таблица 1

Производство биоэтанола из различных культур

Исходя из данных таблицы хорошо видно, что урожайность борщевика несравнимо выше, чем всех других сахаросодержащих и крахмалсодержащих культур.  Поэтому он является  безусловным лидером по продуктивности выработки биоэтанола.

Сбор зеленой массы борщевика лучше всего производить в период окончания  фазы  бутонизации, до массового цветения растений, так как в это время процент содержания сахара наиболее высок.

Примерную технологическую схему производства  этанола из борщевика мы нашли в статье С. С. Доржиева, И. Б. Патеевой [2]. Изображенная на рис.1.

Рис. 1. Технологическая схема получения биотоплива из зеленой массы растений рода Heracleum

Часть отжатого сока отбирается и подается в дрожжегенератор для культивирования дрожжей, остальное смешивается с закваской в бродильном аппарате. Для брожения в растительный сок добавляют культуру Saccharomyces cerevisiae, которая благодаря своим ферментам перерабатывает сахарозу в этанол. В хорошо сбродившем продукте содержание этанола должно составлять не менее 10%, но и не более 13%.

С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6

сахароза            глюкоза    фруктоза

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2

                                                                     глюкоза        этанол

    Оптимальной концентрацией дрожжевых грибов является 15–20 г на 1 л сока борщевика. В этом случае процесс брожения происходит достаточно быстро, обычно в течение 6–7 ч.  Далее сок  идет на перегонку. Метод основан на том, что этанол и вода имеют разную температуру кипения. Если вода закипает при температуре 100 °С, то этанол – при 78 °С.  Помимо воды и этанола, сбродивший продукт содержит массу примесей. Легкие фракции начинают закипать при температуре в 68 °С, а тяжелые – при 85 °С. Именно поэтому при ректификации нужно придерживаться температуры примерно 78–80 °С. На выходе получается этанол с концентрацией около 96%.

Оставшаяся взвесь может пойти на корм животным. Ее нужно отфильтровать и высушить, а затем направить на завод, производящий комбинированные корма. На фильтрате (жидкой части) взеси можно выращивать специальные расы кормовых дрожжей –  актиномицеты, продуцирующие антибиотик биомицин и одновременно витамин В12, используемые в животноводстве.

Полученный биоэтанол смешивается с бензином, в результате чего на выходе получаем автомобильное биотопливо.  Такую топливную смесь (85% этанола и 15% бензина) активно применяют в Бразилии и США  [2].

В своем эксперименте  мы собрали 1,3 кг зеленой массы борщевика. За неимением отжимного пресса выделение сахара проводили следующим образом: измельчили листья и стебли (с соблюдением мер безопасности), поместили в стеклянную банку и залили кипятком. Перемешивали субстанцию, а после остывания и отстаивания отцедили полученный раствор. К раствору сока борщевика добавили дрожжи и оставили для брожения. Процесс сбраживания длился около суток, при комнатной температуре. После чего раствор подвергли перегонке.

Количество полученного биоэтанола оказалось существенно меньше ожидаемого. На снижение выхода продукта оказали влияние следующие факторы:

- недостаточно полная выжимка сахара из зеленой массы;

- сбор борщевика проводился в сентябре, когда цветение уже закончилось и образовались семена.

В этот период процентное содержание сахара существенно понижается.

Учитывая производственные данные (табл. 1), объем биоэтанола, получаемого из 1 т зеленой массы, равен 47 л.  Планируемый выход, по нашим расчетам, должен был составить около 5 мл этанола из 1 кг листьев.  

Мы смогли получить только 2 мл, то есть 40% от запланированного объема. На следующий год продолжим эксперимент, с использованием соковыжималки, в оптимальный период для сбора борщевика при максимальном содержании сахара. Таким образом, сможем обеспечить школьную химическую лабораторию техническим этанолом для проведения практических работ.

Помимо спирта, из борщевика можно получить еще один крайне нужный продукт – сахар. С одного га, при средней урожайности 18 т зеленой массы, вырабатывается около 3 т сахара [7].  А из растительных отходов производства можно делать топливные брикеты. То есть производство получается высокоэффективным и практически безотходным.

Выводы:

1. Борщевик Сосновского (Heracléum sosnówskyi) широко распространен и опасен для здоровья человека.

2. Поражения соком и пыльцой могут возникать даже при контакте через одежду!

3. Дети и подростки мало знают об опасности этого растения, поэтому нуждаются в просвещении по данному вопросу. С этой целью нами разработана специальная памятка.

4. Борщевик является дешевым и доступным сырьем для производства биоэтанола, так как содержание сахара в нем больше, чем в сахарном тростнике.

5. Возможно использование борщевика для получения пищевого сахара.

6. Отходы производства можно использовать для выработки топливных брикетов и для выращивания кормовых дрожжей – актиномицет.

Заключение

Своей работой мы хотим привлечь внимание к борщевику Сосновского не только как к ядовитому и опасному сорняку, захватившему огромные территории Московской области и не поддающемуся уничтожению. Мы считаем, что необходимо рассматривать его с точки зрения значительной выгоды, которую может принести его использование.  Ведь это растение отличается огромной урожайностью, крайней выносливостью и неприхотливостью. Его не нужно специально культивировать: он растет сам и практически везде.  И вместо того, чтобы бесконечно говорить о проблеме неконтролируемой экспансии борщевика, нужно просто найти ему достойное применение. И тогда из врага он превратится в соратника.

Дальнейшие планы

Продолжить изучение полезных свойств борщевика.  Получить из него лабораторным путем сахар. Расширить просветительскую работу об этом растении, и не только о его опасных свойствах, но и о широких и перспективных возможностях его использования.

Список использованных источников

1. Виноградова, Ю. К. Внимание: Борщевик Сосновского,  растение из «Черной книги» / Ю. К. Виноградова. – М.: Изд-во: Вако, 2009. – 235 стр.

2. Доржиев, С. С. Энергосберегающая технология получения биоэтанола из зеленой массы растений рода Heracleum / С. С. Доржиев, И. Б. Патеева // Ползуновский вестник. – 2011. – № 2/2. – С. 251–255.

3. Кулешов, Н. И. Разработка приемов возделывания Борщевика Сосновского в условиях центральных районов Нечерноземной зоны: автореф. дис.биологических наук/ Н. И. Кулешов. – М.: Вестник, 1990. –290 с.

4. Ламан, Н. А. Гигантские борщевики – опасные инвазивные виды для природных комплексов и населения Беларуси / Н. А. Ламан, В. Н. Прохоров, О. М. Масловский; Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси. – Мн.: , 2009. – 40 с.

5. Нильсен, Ш. Практическое пособие по борьбе с гигантскими борщевиками (на основе европейского опыта борьбы с инвазионными сорняками) / Ш. Нильсен; ред. Ш. Нильсен, Г. П. Равн, В. Нентвиг, М. Вэйд.  – Hoersholm Dennmark:  Вако 2005. – 43 c.

6. Социперова, И. Ф. Борщевики флоры СССР / И. Ф. Социперова. – Л.: Наука, 1984. – 140 с.

7. Щербакова, Т. Чай с борщевиком / Т. Щербакова // Юго-Восточный курьер. – 2017. – № 27. – 7 с.