Автор: Бабикова Ольга, 8 класс
АНО КРЦ «Школа счастливое поколение»
ГБУ ДО ДДТ «Преображенский» Центрального района Санкт-Петербурга
Руководитель: Хабурзания М.З.
ГБУ ДО ДДТ «Преображенский» Центрального района Санкт-Петербурга
Работа представлена на Открытой городской научно-практической конференции для старшеклассников
«Экомониторинг рек и побережья Финского залива и состояния окружающей среды», 2023 г.
Введение
Цель работы: Провести наблюдения за разрушением разных типов батареек в воде и экспериментальным путем изучить влияние батареек на некоторые органолептические и гидрохимические показатели.
Задачи исследования:
- изучить литературу о вреде использованных батареек на окружающую среду и здоровье человека;
- выяснить скорость разложения разных типов батареек в воде;
- оценить влияние продуктов распада батареек на органолептические и гидрохимические показатели;
- провести измерения показателей на тяжелые металлы методом тест полосок;
- провести наблюдение за растением ряска малая во время проведения эксперимента и выяснить, повлияла ли ряска на показатели воды.
Объект исследования: три типа батареек (щелочные, солевые и литиевые).
Гипотеза исследования: использованные батарейки после разрушения в воде влияют на качество и состав воды, а ряска малая может улучшить некоторые показатели воды.
Актуальность темы связана с возрастающим вниманием к проблемам загрязнения окружающей среды. Изучая влияние разложения батареек в воде, мы хотели показать, как важно заниматься утилизацией опасных отходов.
Обзор литературы
Батарейка – это химический источник тока. Электрический ток возникает в результате взаимодействия ионов катода и анода. Элементы питания могут быть разных размеров и типов. Они бывают одноразовыми и перезаряжаемыми.
Самое сложное в создании батареек – это подобрать материал для цилиндриков и раствора между ними. Обычно это редкие металлы. Поэтому во многих странах «севшие» батарейки не выкидывают в общий мусор, а собирают и на специальных заводах восстанавливают материалы, из которых они были сделаны, чтобы использовать их ещё раз.
Разновидности батареек по форме:
- Таблетка
- Крона
- Мизинчиковые
- Пальчиковые
- Бочка
В своей работе я исследовала щелочные, солевые и литиевые батарейки.
Солевые батарейки (R). Они обеспечивают напряжение 1,5 вольта, имеют небольшую емкость, высокий саморазряд и низкий срок хранения (до 2-х лет). При низких температурах они неработоспособны. Солевые батарейки самые дешевые.
Щелочные батарейки (LR). Они имеют напряжение 1,5 вольта, увеличенную емкость, низкий саморазряд и большой срок хранения до 10 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах до -20оС. Эти источники тока недороги, в обиходе их еще называют алкалиновыми.
Литиевые батарейки (CR). Они имеют напряжение 3 вольта, большую емкость, малый саморазряд и большой срок хранения до 10-12 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах до -40оС. Эти источники тока довольно дороги.
Когда мы рассматривали состав батареек, то выяснили, что внутри могут находиться щелочи, соли, металлы, которые входят в перечень классов опасности вредных веществ и отходов (рис. 1).
Батарейки – это второй класс опасности ТКО: высоко опасные отходы. 1 батарейка отравляет 20 квадратных метров земли и 400 литров воды.
Опасные материалы, представляющие реальную угрозу для окружающей среды и живых организмов:
- свинец оказывает разрушительное воздействие на почки;
- кадмий губит печень, кости и щитовидную железу;
- ртуть влияет на мозг, почки и печень.
Попадая в грунт и водоемы, батарейки корродируют (их металлическое покрытие разрушается), и тяжелые металлы вымываются в среду. Из грунтовых вод эти металлы мигрируют в реки, озера и в артезианские воды, используемые для питьевого водоснабжения. Один из самых опасных металлов, ртуть, может попасть в организм человека как непосредственно из воды, так и при употреблении в пищу продуктов, приготовленных из отравленных растений или животных, поскольку этот металл имеет свойство накапливаться в тканях живых организмов.
Органолептические показатели
Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, т.е. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).
Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о составе воды. К таким характеристикам относятся: цветность, мутность (прозрачность), запах, вкус, привкус.
Гидрохимические показатели
- Нитраты: губительно воздействуют на нервную, сердечно-сосудистую систему, желудочно-кишечный тракт и другие внутренние органы. Особую опасность нитраты представляют для маленьких детей, у которых еще не сформирована восстанавливающая ферментная система. Норма по СанПиН – до 45 мг/л.
- Нитриты. Воздействие нитритов на организм проявляется в изменении работы сердечно-сосудистой и выделительной систем, а также губительно для органов желудочно-кишечного тракта и печени. Норма по СанПиН – до 3 мг/л.
- Жесткость. Употребление воды высокой жёсткости способствует образованию мочевых камней, а низкой – незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний (инфаркт, аритмия). Норма по СанПиН – до 7,0оЖ (мг-экв./л) включительно.
- Активный хлор. Высокое содержание в воде хлора и его соединений провоцирует респираторно-вирусные заболевания, пневмонию, гастриты и, что самое страшное, – предположительно онкологические заболевания. Норма по СанПиН – до 0,5 мг/л.
- Кислотность (рН). Водородный показатель рН большинства природных вод близок к 7. Для воды хозяйственно-питьевого назначения рН должен находиться в пределах от 6,0 до 9,0 единиц рН.
Тяжелые металлы
- Ртуть вызывает интоксикацию, болезнь Минамата, параличи, поражение центральной нервной системы и периферических нервов, стоматиты, нарушение репродуктивных функций, поражение почек и печени, некоторые онкологические заболевания.
- Цинк может вызвать малокровие, опухоли, интоксикации, отек легких, поражение кожи (новообразование).
Биоиндикация – метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Рясковые – многолетние травянистые растения, плавающие в воде, хотя и способны существовать некоторое время наземно – на дне пересохших водоёмов. Ряска обладает резистентностью к токсическим веществам. Поэтому в последние годы это растение используют для очистки сточных, промышленных и канализационных вод.
Краткая характеристика семейства Рясковых
Представители семейства Рясковых являются самыми маленькими цветковыми растениями. Они представляют собой изолированную группу однодольных растений. Все Рясковые плавают на поверхности или слегка погружены в воду. Отдельные растения представляют собой зеленую округлую пластинку (щиток) размером 1-10 мм с дочерними щитками – «детками», прикрепленными по бокам материнского щитка. Вырастая, «детки» отделяются и становятся самостоятельными растениями, благодаря чему ряски быстро заполняют водоем. Размер листецов 2-4 мм. Число жилок – 3. Листецы плоские, образуют группы из 3-6 растений. Встречаются в стоячих водах. При благоприятных условиях они размножаются круглогодично (рис. 2).
Методы исследования
Наблюдения велись в период с 1 декабря 2022 года по 23 октября 2023 года. Было приготовлено 6 одинаковых пластиковых емкостей объемом 1 л. Три емкости (контрольные) с чистой водой. В каждую положили по 1 типу имеющих чистый внешний вид, без каких-либо повреждений, но отработанных на бытовых приборах батареек (солевая, щелочная, литиевая). В три емкости (для биотестирования) с чистой водой и с добавлением ряски малой из одного аквариума также положили по 1 батарейке каждого типа.
Использовалась чистая отстоянная вода. Емкости помещали на рассеянном свету под люминесцентными лампами в темный световой период (осень, зима) и при дневном свете в весенний и летний период. Эксперименты проводили при температуре 20-22℃.
Все емкости были пронумерованы и подписаны. Наблюдения проводились 1 раз в неделю, все данные фиксировали в таблицу. Всего было проведено 40 наблюдений (Приложение 1).
Во время эксперимента мы отмечали все изменения, происходящие в воде с батарейками. Измерялись некоторые органолептические показатели (прозрачность, запах, цветность). Гидрохимические показатели: NO3– (нитраты), NO2– (диоксид азота), GH (общая жесткость), рН (кислотность), Cl (активный хлор). Вода проверялась на наличие тяжелых металлов.
Проводилось наблюдение за ряской малой.
Органолептические показатели
- Прозрачность воды
В воде находятся взвешенные вещества, которые уменьшают ее прозрачность. Существуют несколько методов определения прозрачности воды. Мы определяли по шрифту. Прозрачность воды выражается толщиной (см) слоя воды, через который еще возможно чтение стандартного шрифта (прозрачность по Снеллену). Под цилиндр высотой 60 см и диаметром 3-3,5 см подкладывают стандартный шрифт на расстоянии 4 см от дна, исследуемую пробу наливают в цилиндр так, чтобы можно было прочитать шрифт, и определяют предельную высоту столба воды. Метод количественного определения прозрачности основан на определении высоты водяного столба, при которой еще можно визуально различить (прочесть) черный шрифт высотой 3,5 мм и шириной линии 0,35 мм на белом фоне.
- Определение запаха воды.
- Заполнили колбу водой на треть объема и закрыли пробкой (рукой).
- Взболтали содержимое колбы.
- Открыли колбу и осторожно, неглубоко вдыхая воздух, определили характер и интенсивность запаха
По характеру запахи делятся на две группы:
- естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.);
- искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).
Интенсивность запаха оценивают по шестибалльной шкале (табл. 2).
- Определение цветности воды
- Колбу заполнили на две трети части водой.
- Определили цветность воды, рассматривая колбу сверху на белом фоне при достаточном освещении (дневном, искусственном).
- Выбрали наиболее подходящий оттенок.
Гидрохимические показатели
Для определения гидрохимических показателей и тяжелых металлов мы использовали тест-полоски. Тест-полоски индикаторные предназначены для качественного и полуколичественного определения тяжелых металлов в природных, технических и сточных водах.
В начале эксперимента проводились измерения с помощью рН тестов индикаторов для измерения рН воды в аквариуме. НИЛПА (научно-исследовательская Лаборатория Прогрессивной Аквариумистики). Для подтверждения данных были проведены тестирования с помощью полосок-индикаторов и приложения для цифрового анализа воды TetraAquatics (табл. 4).
В конце исследования (через 11 месяцев) мы использовали тест-системы Биосенсор-Аква-5: нитраты, нитриты, общая жесткость, активный хлор, рН, и Биосенсор-Аква-ТМ: тяжелые металлы свинец, ртуть, кадмий, кобальт, никель, цинк, медь, алюминий, марганец.
Водородный показатель (рН)
Величина рН воды – один из важнейших показателей качества вод для определения стабильности воды, ее накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. В зависимости от рН воду рационально делить на семь групп.
Перед проведением анализа наливали воду в емкость и тщательно перемешивали. Вскрывали комплект, доставали тест-полоску. Вертикально погружали сенсорный элемент тест-полоски полностью в воду на 10 секунд. Вертикально извлекали тест-полоску и избыток воды на сенсорном элементе удаляли осторожным прикосновением ребра полоски к чистой фильтровальной бумаге (салфетке) на 2-3 секунды. Ровно через 1 минуту сравнивали окраску сенсорного элемента тест-полоски с соответствующим полем цветовой шкалы на этикетке упаковки при хорошем освещении (но не при солнечном свете).
Отличие цвета теста от приведенных на упаковке, свидетельствовали о присутствии и наибольшем содержании определенного металла:
- малиновый цвет свидетельствует о присутствие ионов цинка;
- темно-зеленый – о присутствии алюминия;
- сине-бордовый – кобальта;
- желто-коричневый – ртути;
- коричневато-зеленый цвет – меди;
- оранжево-коричневый – свинца и кадмия;
- оранжево-красный – марганца;
- серо-коричневый – никеля.
Любое изменение окраски сенсорного элемента на хром, свидетельствует о его наличии в образце.
Наблюдения с использованием ряски
Рясковые характеризуются высокой чувствительностью к перемене состава воды, т.к. способны своей поверхностью поглощать химические составляющие водных объектов. Благодаря быстрому росту данные свойства рясковых позволили использовать их для очистки воды.
Результаты исследования
По результатам проведенных исследований были получены следующие результаты, представленные в таблицах 6-13:
Обсуждение
Через 50 дней эксперимента
У солевой батарейки (в воде без ряски) оболочка немного набухла из-за попадания воды. Жидкость осталось практически прозрачной, без запаха.
В конце наблюдений у соляной батарейки (в воде с ряской) появилось небольшое пятно черного цвета. Вода осталась практически прозрачной с сильным травянисто-гнилостным запахом.
Существенные изменения произошли со щелочными батарейками. Вода (без ряски) сильно окрасилась в желто-коричневый цвет из-за разрушения корпуса батарейки, появилась ржавчина на одну треть батарейки.
Со щелочными батарейками (в воде с ряской) батарейка тоже немного покрылась ржавчиной, есть осадок, но вода прозрачная. Кроме того, вместе с ряской в воду попали яйца улиток из аквариума с ряской. Из яиц вылупились улитки, которые росли и развивались. Сложилось впечатление, что улитки очищают стенки сосуда и воду, т.к. вода достаточно прозрачная по сравнению с водой, где лежала батарейка без ряски. Наблюдения за разрушением батареек в воде показало, что лучше всего сохранился корпус литиевых батареек (на них не было никаких пятен, ржавчины, набуханий корпуса и пр.). Запах в воде (без ряски) не зафиксирован, вода прозрачная, присутствует небольшой осадок.
По результатам органолептических показателей было выяснено, что у всех емкостей с ряской был отчетливый и даже сильный травянисто-гнилостный запах. В воде без ряски запах отсутствовал. Сильнее всего изменился цвет и прозрачность воды у щелочных батареек в воде без ряски.
По результатам определения водородного показателя рН с помощью рН тестов индикаторов для измерения рН воды НИЛПА и с помощью полосок-индикаторов и приложения для цифрового анализа воды TetraAquatics. Было выяснено, что вода во всех пробах в начале и в конце эксперимента была в пределах нейтральных показателей (6,5-7,5) и протекание электролита не произошло.
Определение влияния батареек на физиологические свойства ряски на морфологическое состояние и жизнеспособность ряски малой с помощью биотестирования показало следующие результаты:
- распад батареек в воде за 50 суток эксперимента не вызывали гибель ряски малой;
- замечен ряд изменений физиологических свойств ряски малой;
- наблюдался хлороз (пожелтение или побледнение листецов ряски) в различной степени, что особенно было характерно варианту с добавлением щелочной батарейки;
- наблюдался некроз (полное обесцвечивание) отдельных листецов, также особенно ярко имеет место частичный распад растений до обособленных листецов;
- вода со щелочной батарейкой и с ряской была прозрачнее по сравнению с теми же опытами без ряски.
Через 11 месяцев эксперимента
По изменению батареек
Корпус солевых батареек набух, поржавели полюса. В опыте с ряской ржавчины меньше. У щелочных батареек оболочка сильно отходит от корпуса, выцвела, поржавела. Корпус литиевых батареек не изменился. В опыте с ряской поселились сине-зеленые водоросли, которые образовали зеленый налет на корпусе батарейки и надпись на батарейке сала плохо видна.
Органолептические показатели
По прозрачности произошли изменения у солевых батареек без ряски – вода стала мутной. И, наоборот, у щелочных батареек без ряски вода из мутной стала более прозрачной. Вода с ряской из-за осадка ржавчины и омертвевшей ряски немного помутнела. У литиевых батареек вода так и осталась прозрачной.
Запах изменился незначительно. Ряски стало меньше, и травянисто-гнилостный запах уменьшился.
Цветность воды претерпела незначительные изменения.
Гидрохимические показатели
По нитратам
Показатели во всех опытах в пределах нормы, до 45 мг/л
Щелочные батарейки с ряской имеют нулевой (0 мг/л) показатель нитритов по сравнению с батарейками без ряски (показатель 10 мг/л).
У литиевых батареек в воде с ряской показатели ниже, чем без ряски (10 мг/л и 25 мг/л, соответственно)
В емкостях с солевыми батарейками ряска погибла в середине эксперимента и показатели нитритов выше в воде с погибшей ряской (25), чем без ряски (10).
По водородному показателю и активному хлору
Величины водородного показателя (кислотности среды) были в пределах нормы, как и содержание свободного хлора.
Общая жесткость
Показатели жесткости у солевых и щелочных батареек соответствуют средней жесткости. У литиевых батареек без ряски – мягкая вода, с ряской – жесткая.
Тяжелые металлы
Тяжелые металлы (ртуть) была обнаружена в воде со щелочными и литиевыми батарейками. В воде с солевыми батарейками из тяжелых металлов обнаружен цинк.
Наблюдения за ряской
Лучше всего ряска сохранилась в воде со щелочными батарейками. В воде с солевыми батарейками ряска вся побелела. А в воде с литиевыми батарейками ряска опустилась на дно.
По результатам наблюдений, было предположено, что из-за низкого уровня питательных веществ в емкостях с батарейками, ряска использовала нитриты (показатели нитритов в воде с ряской ниже). Растительные культуры берут азот из соли с целью выстраивания клеток организма и формирования хлорофилла.
В емкости со щелочными батарейками и с ряской много улиток и нематод. Был определен вид улиток (Китайская катушка Гираулюс).
Выводы
- В результате наблюдений было выяснено, что корпуса всех батареек через 11 месяцев во всех экспериментах не были разрушены полностью. Повреждены только пластиковые оболочки у щелочных и солевых батареек. Выяснилось, что у литиевых батареек прочность корпуса самая надежная и рассчитана на долгий эксплуатационный период.
- Органолептические показатели (цвет, запах, прозрачность) изменились не значительно. Гидрохимические показатели (содержание нитратов, нитритов, общая жесткость, активный хлор, рН) остались в пределах нормы.
- Нитратов в воде без ряски у солевых и литиевых батареек обнаружено значительно больше, чем в воде с ряской. Это подтверждает нашу гипотезу, что ряска отлично очищает воду от нитратов, которые являются загрязнителями. Она поглощает эти вещества для своего роста и развития, таким образом, очищая окружающую среду от негативного влияния антропогенной деятельности.
- Тяжелый металл (ртуть) был обнаружен в воде со щелочными и литиевыми батарейками. Тяжелый металл (цинк) был обнаружен в воде с солевыми батарейками.
- За 11 месяцев наблюдений ряска погибла в емкостях с солевыми батарейками. В емкостях со щелочными и литиевыми батарейками растение ряска малая продолжает расти. Причем в емкостях со щелочными батарейками и ряской обитало много нематод и улиток.
Я планирую продолжить наблюдения за батарейками и провести измерения показателей воды после окончательного разрушения оболочек батареек. Кроме того, планирую уделить особое внимание изучению ряски и влиянию этого растения на очищение загрязненной воды.
Список литературы
- Биомониторинг состояния окружающей среды: учебное пособие / Под. ред. проф. И.С. Белюченко, проф. Е.В. Федоненко, проф. А.В. Смагина. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – c. 153
- Буркова Е.А., Канарская З.А., Канарский А.В. Влияние токсикантов на физиологические свойства ряски малой Lemna minor L, 2014. https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-toksikantov-na-fiziologicheskie-svoystva-ryaski-maloy-lemna-minor-l
- Денисова, С. И. Полевая практика по экологии [Текст] / С.И. Денисова. – Мн.: Университетское, 1999. – 120 с.
- Кончина Т.А. Полевой практикум по экологии: Учебно-методическое пособие.- Арзамас: АГПИ, 2007.
- Мусатова О.В. Биоиндикация и биоповреждения : метод. рекомендации по проведению лабораторных работ / О.В. Мусатова ; М-во образования РБ. УО «ВГУ им. П.М. Машерова». — Витебск: Изд-во УО «ВГУ им. П.М. Машерова», 2006. – 31 с.
- https://alminda.ru/about/4957/14283/14304/
- https://kopilkaurokov.ru/himiya/prochee/issliedovaniie-ghidrokhimichieskikh-i-orghanolieptichieskikh-pokazatieliei-rodnikovoi-vody
Приложение1
Начало эксперимента (солевые, щелочные, литиевые батарейки)
Продолжение эксперимента