Сайт учителя химии и биологии

Исследовательская работа

тема: "Почва пришкольного участка"

Введение.

Свою работу на пришкольном участке мы строим, используя научные основы культуры земледелия и отдельных её элементов, определяющих получение высоких урожаев на основе выяснения оптимальной системы удобрений, посева гетерозисными гибридными семенами и других методов применительно к местным условиям.

 Решающее значение для эффективной работы имеет знание химического состава почвы, так как именно им определяется развитие и рост растений. Полученная в ходе работы информация  является очень важной для правильного использования почвы пришкольного участка, и, как следствие,  создания оптимальных условий выращивания различных культурных растений, получения высокого и экологически чистого урожая.

Объект исследования: почва пришкольного участка.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: с помощью химического анализа изучить состояние почвы на пришкольном участке, используемой для выращивания разных культур сельскохозяйственных растений и на основе полученных знаний,  установить сходство и различие качественного состава ионов.

ЗАДАЧИ:

1.      Сделать химический анализ почвы, определив наличие основных ионов.

2.      Сравнить состав почвы разных точек исследования.

3.      Дать оценку  полученным результатам.

4.      Сформулировать рекомендации и предложения по использованию почвы.

    Методы исследования:

1.            Изучение  литературы.

2.            Отбор проб почвы в различных точках пришкольного  участка.

3.            Анализ отобранных образцов.

4.            Обработка результатов.

5.            Создание презентации проекта на основе полученных результатов (работа с компьютером, использование фотоаппарата).  

Необходимое оборудование:

1.            Пакеты и совок для отбора проб.

2.            Химическая посуда (колбы, воронки, пробирки)

3.            Набор реактивов

4.            Фотоаппарат.

5.            Специальная литература по почвоведению и экологии.

6.            Компьютер с доступом в Internet.

 Что такое почва?

Почва особое природное  образование,  сформировавшееся  в результате преобразования горных пород растениями и животными, т.е в результате почвообразовательного  процесса.

Почва обладает особым свойством плодородием, она служит  основой сельского хозяйства всех стран.

Почва  при  правильной  эксплуатации не только не теряет своих свойств, но и  улучшает их, становится  плодороднее.

Почва колоссальное  природное  богатство,  обеспечивающее человека продуктами питания, животных кормами,  а  промышленность сырьем. Веками  и  тысячелетиями  создавалась  она. Чтобы правильно использовать почву, надо знать, как она  образовывалась, ее строение состав и свойства. Почва образовывалась из выходящих на поверхность земли  горных  пород  под влиянием различных факторов. Под действием ветра,  атмосферной влаги, в связи с изменением климата и температурными колебаниями горные породы, например, гранит,  постепенно трескались и превращались в рухляк. На рухляке поселялись микроорганизмы, питающиеся преимущественно углеродом и  азотом  атмосферы и минеральными соединениями, которые они получали из горной породы. Микроорганизмы разрушали ее своими выделениями, и химический состав горной породы постепенно  изменялся. Затем здесь поселялись лишайники и мхи. Микроорганизмы  разлагали их остатки, образуя гумус основное органическое вещество почвы, содержащее питательные  вещества,  необходимые высшим растениям.

Животные и растения окончательно разрушали  горную  породу, превращая верхний ее слой в почву.

Лучшие почвы, влагоемкие и воздухопроницаемые, имеют  мелкокомковатую  или мелкозернистую структуру из комочков диаметром от  1  до  10 мм. От состава и свойств горной породы,  на  которой  формируется почва, в значительной степени зависят состав и  свойства почвы.

Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Твердая часть это минеральные и органические частицы. Они составляют от 80-98 % почвенной массы и состоят из  песка, глины, илистых частиц, оставшихся от материнской  породы в результате почвообразовательного процесса. Соотношение этих частиц характеризует механический состав почвы.

Жидкая часть почвы, или почвенный раствор, вода с  растворенными в ней органическими и минеральными соединениями. Воды в почве содержится от долей процента до 40-60  %.

Жидкая часть участвует в снабжении растений водой  и  растворенными элементами питания.

Газообразная часть, почвенный воздух,  заполняет  поры,  не занятые водой. Почвенный воздух содержит больше  углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный воздух, а также  метан, летучие органические соединения и др.

Живая часть  почвы  состоит  из  почвенных  микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты и др.), представителей беспозвоночных (простейших, червей, моллюсков, насекомых и их личинок), роющих позвоночных. Они обитают в  основном в верхних слоях почвы, около корней растений, где  добывают себе пищу. Некоторые  почвенные  организмы  могут  жить только на корнях.

Почва содержит микроэлементы (азот, фосфор, калий, кальций, сера, железо и др.) и микроэлементы (бор,  марганец,  молибден, цинк и др.), которые растения потребляют  в  ограниченных количествах. Их соотношение определяет  химический  состав почвы.

Состав и свойства почвы  постоянно  меняются  под  влиянием жизнедеятельности, климата, деятельности человека. При  внесении удобрений почва обогащается питательными для  растений веществами, изменяет свои физические свойства.

Неправильная эксплуатация может привести к  нарушению  почвенного покрова к эрозии почвы,  засолению,  заболачиванию ее.

Химическое загрязнение почвы.

 Почва – материальная основа жизни, прежде всего растений, которые своей корневой системой поглощают минеральные вещества земли. Поэтому химический состав почвы отражается в химическом составе пищевых продуктов растительного и животного происхождения. В научных трудах В.И.Вернадского и его учеников показано, что химический состав организма связан с химическим составом земной коры. При этом организм каждого биологического вида имеет определенный химический состав, который является строго индивидуальным как его морфология и физиология. В настоящее время  возросла проблема микроэлементов, необходимых для организма человека, из-за загрязнений окружающей среды такими химическими веществами, как свинец, фтор, мышьяк, кадмий, ртуть, марганец, молибден, цинк и др. Описаны случаи, когда высокие концентрации опасных химических веществ в почве стали причиной отравления людей и животных. Это объясняется тем, что поступающие в организм химические элементы усваиваются только частично. При этом неусвоенная их часть становится загрязнителями всех тканей организма и причиной возникновения болезней (Смотреть приложение Табл.1.Недостаточные, оптимальные и избыточные концентрации химических элементов в почвах (мг/кг) и возможные реакции организма ).

Почва становится мертвой при содержании в ней 2-3 г свинца на 1 кг грунта (вокруг некоторых предприятий содержание свинца в почве достигает 10-15 г/кг).

Значительно обострилась проблема ликвидации твердых промышленных и бытовых отходов, которые существенно влияют на изменение химического состава почвы, вызывая ухудшение её качества. Сильное загрязнение почвы тяжелыми металлами в совокупности с очагами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного угля, приводит к возникновению техногенных пустынь. В почвах подзолистого типа с высоким содержанием железа при взаимодействии с серой образуется сернистое железо, являющееся сильным ядом. (смотреть приложение Таблица 2) Основные источники и наиболее распространенные группы веществ химического загрязнения почвы.

В настоящее время техногенные факторы существенно изменили и продолжают изменять химический состав почв. Это связано с использованием в сельском хозяйстве разнообразных пестицидов, минеральных удобрений, стимуляторов роста растений. Почву также загрязняют промышленные выбросы. Немалую роль в загрязнение почв городов вносят выбросы автотранспорта. (Ссмотреть приложение Таблица 3. Химические вещества – загрязнители почвы и их опасность для организма человека)

Химическое загрязнение влияет на биологические свойства почвы. В частности, ртуть и свинец угнетают микробиологические почвенные процессы, снижают плодородие почвы. В отношении влияния загрязнителей почв на здоровье человека установлено, что повышенное содержание ртути в почве способствует распространению болезней нервной, эндокринной и мочеполовой систем. Накопление в почве свинца может стать причиной изменения со стороны кроветворения, органов внутренней секреции и учащения случаев тяжелых заболеваний.

Вдоль крупных автотрасс в почве накапливаются тяжелые металлы и, прежде всего, свинец. Здесь выпас скота, выращивание сельскохозяйственных культур с экологической точки зрения нежелательно.

В современных условиях особую опасность для экосистем природы и самого человека представляют пестициды (ядохимикаты, используемые для защиты растений и животных от вредителей).

В экологически грязной почве могут быть микробы и вирусы, которые передаются человеку. Возбудители отдельных инфекционных заболеваний сохраняют свою жизнеспособность до 20 и более лет.

Почва обладает свойством самоочищаться. Органические вещества перерабатываются почвенными микроорганизмами, образуя гумус. При этом в почве уменьшается количество болезнетворных микробов, разрушаются токсические органические соединения. Однако способность почвы к самоочищению ограничена, и при чрезмерном загрязнении обезвреживание болезнетворных микробов не происходит.

Нитраты.

Определить по внешнему виду содержание нитратов в овощах и фруктах трудно или вообще невозможно. У вегетирующих  (с листьями и стеблями) растений по интенсивности зеленой окраски листьев и черешков, особенно нижних ярусов, можно лишь ориентировочно судить: чем она темнее, тем нитратов в них содержится больше. При осмотре клубней картофеля, корнеплодов, плодов, ягод это сделать еще труднее. Агробиологии рекомендуют при покупке выбирать не самые красивые плоды. В блестящих, как будто искусственных плодах нитратов, как правило, больше. Замечено, что корнеплоды моркови одного сорта, но имеющие более яркую окраску, содержат нитратов меньше, чем  корнеплоды, окрашенные менее интенсивно. Зеленые  бобы фасоли содержат нитратов больше, чем желтые. Такая же зависимость окраски от содержания нитратов наблюдается и у сладкого перца. В арбузах и дынях много нитратов под коркой и в незрелых плодах. В сочных перезревших арбузах наличие нитратов легко определить по пустотам в мякоти, из которых выпадают семена.

Соли азотной кислоты, нитраты, являются элементом питания растений и естественным компонентом пищевых продуктов растительного происхождения. Их высокая концентрация в почве совершенно не токсична для растений, напротив, она способствует усиленному росту наземной части растений, более активному протеканию фотосинтеза, лучшему формированию репродуктивных органов и в конечном итоге – более высокому урожаю. Во время массового образования кочанов и черешков листьев капусты, нитратов должно быть 2000-3000 мг/кг.

Поскольку в органические соединения растений включается только аммонийный азот, нитрат-анионы, поглощенные растением, должны восстановиться  в клетках до аммиака. Образованием аммиака завершается и распад органических  веществ-аминокислот, амидов, белков.

В то же время у животных и человека высокие дозы нитратов могут вызвать отравление и даже привести к смерти. Токсическое действие нитратов связано с их восстановлением до нитритов, аммиака, гидроксил-амина под влиянием микрофлоры пищеварительного тракта и тканевых ферментов. Если в организм человека поступают высокие дозы нитратов, через 4-6 часов появляются тошнота, одышка, посинение кожных покровов, диарея. Одновременно ощущается общая слабость, головокружение, боли в затылке и сердцебиение. Первой  доврачебной помощью при этом является обильное промывание желудка, прием активированного угля и солевых слабительных. Употребление  в течение долгого времени пищи и воды с высоким содержанием нитратов вызывает также аллергию, нарушение деятельности щитовидной железы, приводит к возникновению многочисленных болезней в результате нарушения обмена веществ, опорно-двигательного аппарата и нервной системы.

Такое токсическое действие на организм нитратов заключается в том, что в желудочно-кишечном тракте они, превратившись в нитриты, попадают в кровь и окисляют двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное. При этом образуется метгемоглобин, не способный переносить кислород к тканям и органам, в результате чего может наблюдаться удушье.

Выявлены два способа окисления гемоглобина HbFe ²⁺. При прямом окислении роль окислителя играют нитрит-анионы:

 3 HbFe ²⁺  + 2 NO^2- + 14 H ⁺ = 3 HbFe ³⁺ + 2 NH₃ + 4 H₂O.

Во время косвенного окисления гемоглобина сначала нитриты окисляются до нитратов с образованием пероксида водорода, затем последний вступает в реакцию с железом гемоглобина:

NO^2- + O₂ + H₂O = NO^3- + H₂O₂,

HbFe²⁺ + 2H₂O₂ + 4H⁺ = HbFe³⁺ + 4H₂O.

Угрозой для жизни является накопление в крови 20% и более метгемоглобина (HbFe³⁺).

Наибольшая же опасность повышенного содержания нитратов в организме заключается в способности нитрит-иона участвовать в реакции нитрозирования аминов и амидов, в результате которой образуются нитрозосоединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием.

Образование нитрозосоединений происходит при взаимодействии азотистой кислоты со вторичными аминами как в продуктах питания в процессе их кулинарной обработки, так и внутри организма:

 Проведенные на животных опыты показали, что нитрозосоединения способствуют образованию опухолей во всех органах, кроме костей.

Допустимое суточное потребление нитратов для человека  не должно превышать 5мг на 1 кг массы тела, т.е. не более 350 мг в сутки для человека массой 70 кг.

В организм человека нитраты поступают (в %):  с овощами – 70, с водой – 20, с мясными, молочными и консервированными продуктами – 6. Наиболее опасно отравление нитратами растворимыми в воде, т.к. это увеличивает скорость всасывания их в кровь, поэтому содержание нитрат-аниона в воде не должно превышать 45 мг/л.

Больше всего нитратов в организм человека поступает с овощами и картофелем. Это послужило причиной того, что во многих странах мира, в том числе и в нашей, в 1988 году были разработаны предельно допустимые концентрации (ПДК) нитратов в сельскохозяйственной продукции. ПДК нитратов  в овощной продукции разных стран колеблются в значительных пределах, причем у нас установлены самые низкие ПДК по сравнению с зарубежными странами.

Экспериментальная часть

В школьном мониторинге  исследовались опытные участки, используемые под выращивание различных культур.

1.              Пробоотбор и подготовка образцов к химическому анализу.

Для проведения химического анализа был проведён пробоотбор. Почва изымалась с глубины 10 см, по 800-900 мг каждого образца.

Пробы были взяты на следующих территориях:

1 – территория  пришкольного участка, засеянная капустой;

2 – территория  пришкольного участка под картофелем;

3 – почва с грядок корнеплодов и лука;

4 – почва из парника.

Затем почва высушивалась и измельчалась, из нее удалялись посторонние примеси и частицы при помощи набора сит с отверстиями разного диаметра от 5 до 1 мм  Затем пробы высушили до воздушного состояния для получения  водных   вытяжек.

2.                Приготовление водной вытяжки.

Для приготовления водной вытяжки достаточно 20 г воздушно – сухой  просеянной почвы. Почву помещали в колбу на 100 мл, добавляли 50 мл дистиллированной воды и взбалтывали в течение 5-10 минут, а затем фильтровали.

3.      Определение актуальной кислотности почвы.

Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и почвенных микроорганизмов, на скорость и направленность происходящих в ней химических и биохимических процессов. В природных условиях  рН почвенного раствора  колеблется от 3 до 10. Чаще всего кислотность почвы не выходит за пределы 4-8. Связь между кислотностью почвы и величиной рН приведена в табл. 4. (смотреть приложение Таблица 4.Зависимость кислотности почвы от рН)

 Актуальная (активная) кислотность - кислотность почвенного раствора. Этот вид кислотности оказывает непосредственное влияние на корни растений и почвенные организмы.

Актуальную кислотность определяют в водной почвенной вытяжке. Для этого необходимо поместить в пробирку или колбу 2 г почвы, добавить 10 мл. дистиллированной воды; полученную суспензию 1: 5 хорошо встряхнуть и дать отстоять осадку; в надосадочную жидкость внести полоску индикаторной бумаги и, сравнить её цвет с цветной таблицей, сделать вывод о величине pH почвы. (Смотреть приложение Таблица 5.  В наших исследованиях получились следующие результаты)

По величине кислотности почвы можно предсказать наличие тех или иных микроэлементов в почве, а также оценить их подвижность (табл.6). Наиболее подвижные катионы аккумулируются в тканях растений. (Смотреть приложение Таблица 6. Подвижность микроэлементов в зависимости от кислотности почвы.)

3.                Качественное определение ионов в почве.

Карбонат-ионы.  Небольшое количество почвы помещают в фарфоровую чашку и приливают пипеткой несколько капель 10%-го раствора соляной кислоты. Образующийся по реакции оксид углерода (IV) CO₂ выделяется в виде пузырьков (почва «шипит»). По интенсивности их выделения судят о более или менее значительном содержании карбонатов.

Сульфат-ионы. К 5 мл фильтрата добавить несколько капель концентрированной соляной кислоты и 2-3 мл 20%-го раствора хлорида бария. Если образующийся сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка, это говорит о присутствии сульфатов в количестве нескольких десятых процента и более. Помутнение раствора также указывает на содержание сульфатов – сотые доли процента. Слабое помутнение, заметное лиши на черном фоне, бывает при незначительном содержании сульфатов – тысячные доли процента.

Нитрат-ионы. К 5 мл фильтрата по каплям прибавляют раствор дифениламина в серной кислоте. При наличие нитратов и нитритов раствор окрашивается в синий цвет.

Железо (II и III). В две пробирки внести по 3мл вытяжки. В первую пробирку прилить несколько капель раствора красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆)], во вторую – несколько капель 10%-го раствора роданида калия KSCN. Появившееся синее окрашивание в первой пробирке и красное во второй свидетельствует о наличии в почве соединений железа (II) и железа (III). По интенсивности окрашивания можно судить об их количестве.

Алюминий. К 5 мл почвенной вытяжки прибавляют по каплям 3%-ный раствор фторида натрия до появления осадка. Чем быстрее выпадает осадок, тем больше алюминия содержится в почве. (Смотреть приложение Таблица 7. Результаты химического анализа почвенной вытяжки.)

4.                Обнаружение нитратов в растительных объектах.

            Кусочек растительного объекта растирают пестиком в ступке. Каплю, полученного растительного сока с помощью пипетки помещают на предметное стекло и добавляют несколько капель дифениламина.

Содержание нитратов оценивают таким образом: в отсутствие нитратов сок не изменяет цвет; при небольшом количестве нитратов, сок приобретает светло-голубую окраску; при большом количестве - темно-синюю. Для проведения опыта были взяты овощи из школьной столовой. (Смотреть приложение Таблица 8. Результаты исследований)

Выводы и рекомендации.

1)      Т.к. исследование кислотности показало, что на пришкольном участке в основном слабокислые и близкие к нейтральным почвы, то можно говорить о возможности накопления в растениях таких тяжелых металлов как медь, цинк, кадмий; отмечается низкое содержание карбонатов  и незначительное содержание нитратов в почвенных пробах. Участок рекомендуется известковать, особенно почву, используемую для выращивания  картофеля.

2)      Результаты исследования овощей показали, что употреблять в пищу овощи, выращенные на пришкольном участке, где контролируется внесение удобрений, можно без опасения.

3)      Подкормку овощей лучше проводить органическими удобрениями.

4)      Уменьшить содержание нитратов в овощах можно следующим образом: зелень петрушки, укропа и др. можно поставить в воду и выставить на прямой солнечный свет. В этих условиях нитраты в листьях в течение 2-3 часов полностью перерабатываются, и практически не обнаруживаются. Такую зелень можно употреблять без опаски. Свеклу, морковь, капусту, кабачки перед употреблением нарезать мелкими кубиками и залить водой  2-3 раза на 5-10 минут. Нитраты легко растворяются в теплой воде и вымываются из нее. При варке содержание нитратов в овощах снижается до 50-80%. Уменьшить содержание нитратов помогают квашение, соление и маринование овощей. А сушка, приготовление соков и пюре повышают.

Заключение

В данной работе были получены достаточно подробные сведения о химическом составе почвы пришкольного участка. Рассмотрены  негативные воздействия на почву и здоровье человека загрязняющих факторов. Выяснено также, что состав почвы играет важнейшую роль  в жизнеспособности выращиваемых растений, формировании урожая.

Если мы хотим сохранить здоровье, то должны знать состояние почвы, её химический состав, правильно её использовать, охранять почвенные ресурсы, соблюдать режим внесения удобрений, соблюдать хотя бы элементарные мероприятия по ее очистке