XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЖИВЫЕ ФИЛЬТРЫ И БИОИНДИКАТОРЫ Исследование эффективности дрожжей в очистке водных растворов и почв от загрязнений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Каждый день в мире загрязняются тысячи рек, озёр и почв. По данным экологов, более 80% сточных вод в мире сбрасываются в природу без должной очистки. Это значит, что грязная вода попадает в реки, из которых мы берём воду для питья, и в моря, где живут рыбы и другие животные.
Я живу рядом с рекой Обь, люблю гулять в прибрежной зоне и хочу, чтобы природа вокруг меня оставалась красивой и здоровой. Мне интересно узнать, как наука может помогать экологии, и как я сама могу внести свой вклад в сохранение окружающей среды уже сейчас, будучи школьницей.
В нашей школе есть клуб юннатов, в котором я состою. Мы наблюдаем за экологическими изменениями прибрежной зоны Оби и проток Оби.
Во время наблюдений я заметила, что экологическое состояние Первой протоки Оби с каждым годом ухудшается из-за бытовых сбросов и загрязнений. Вода становится мутной, появляются масляные пятна, неприятный запах, уменьшается количество водных растений.
Первая протока Оби - это уникальный природный объект, но она не справляется с нагрузкой. Если не помогать природе восстанавливаться, со временем эта зона может превратиться в «мёртвую» территорию.
Традиционные методы очистки воды и почвы требуют дорогого оборудования и сложных технологий, что ограничивает их применение в школьных исследованиях и экологических акциях.
В связи с этим возникает потребность в доступных и экологически безопасных методах очистки и мониторинга окружающей среды.
На уроках биологии мы изучали дрожжи. И я узнала о том, что дрожжи могут являться «живыми фильтрами». Сегодня разрабатываются различные методы очистки сточных вод промышленных предприятий от тяжелых металлов. Большое внимание уделяется возможностям микроорганизмов. И тут особый интерес представляют дрожжи.
Пермские ученые -экологи изучили процесс поглощения вредных веществ дрожжевыми грибами, относящихся к семейству Сахаромицеты и показали возможность их использования для очистки воды.
Пекарские дрожжи тоже относятся к семейству Сахаромицеты.
А могут ли очистить воду обычные дрожжи, которые есть у каждой хозяйки?
Актуальность моего проекта заключается в том, что я исследую двойную роль дрожжей: как «живых фильтров» для очистки воды и почвы, и как биоиндикаторов для быстрой оценки качества водной среды.
Проблема
Представьте: вы идёте по парку, видите лужу с масляной плёнкой… А что, если эту лужу можно очистить с помощью дрожжей, как тесто?
Мой проект помогает ответить на вопрос: работают ли дрожжи как «живые фильтры», и можно ли школьникам использовать их в простых экологических опытах.
Если да, то это значит, что каждый из нас может внести маленький, но важный вклад в защиту природы!
Гипотеза
Предполагаю, что дрожжи могут работать как «живые фильтры», и их можно использовать в качестве биоиндикаторов.
Цель
Изучить эффективность дрожжей как «живых фильтров» для очистки воды и почвы от загрязнений и исследовать возможность их использования в качестве биоиндикаторов качества водной среды.
Задачи:
-
Изучить научную литературу о дрожжах и их роли в природе.
-
Изучить очистительные свойства дрожжей (эффект «живого фильтра»).
-
Проверить способность дрожжей реагировать на разные типы загрязнений.
-
Сравнить результаты опытов и сделать выводы о практическом применении дрожжей.
Объект проекта: дрожжи (Saccharomyces cerevisiae)
Предмет проекта: Влияние дрожжей на степень загрязнения водных растворов, качество почвы и их использование как биоиндикаторов.
Методы исследования: эксперимент, наблюдение, сравнение.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Кто такие дрожжи
Когда мы печём пирожки или хлеб, мы пользуемся дрожжами. Но что это такое на самом деле?
Дрожжи - это микроскопические грибы. Но в отличие от обычных грибов (как подберёзовики), дрожжи состоят всего из одной клетки. Их нельзя увидеть простым глазом, только под микроскопом. В одном грамме прессованных дрожжей содержится около 10 миллиардов живых клеток! Это больше, чем людей на всей Земле.
Всего дрожжей насчитывается около 1500 видов. Русское слово «дрожжи» имеет общий корень со словами «дрожь», «дрожать». Английское слово «yeast» (дрожжи, закваска) означает «пена, кипеть, выделять газ».
Дрожжевые грибы размножаются почкованием: сначала у зрелой клетки появляется выпуклость, которая постепенно увеличивается. Она растет и превращается в самостоятельную клетку, которая вскоре отделяется от материнской. При почковании образуются цепочки из множества «склеенных» единиц.
Дрожжи можно разделить на дикие и культивированные. Дикие дрожжи существуют в природе на различных фруктах, ягодах и овощах. Культивированные дрожжи - это организмы, которые производят и применяют в промышленности.
Дрожжевые грибы- гетеротрофы, которые питаются готовыми органическими соединениями. Так как у дрожжей нет мицелия, который бы впитывал питательные вещества, им нужна постоянная жидкая или полужидкая среда, из которой они будут напрямую поглощать нужную для жизни пищу.
В своём проекте я использую пекарские дрожжи. Их полное научное название: «Сахаромицеты церевизия». Почему «сахаромицеты»? Потому что, дрожжи- сладкоежки. Дрожжи едят: сахар, крахмал и другие органические вещества. Дрожжи поглощая сахар, превращают его в спирт, выделяя при этом углекислый газ.
Дрожжи всегда находились рядом с человеком. Вспомните, как выглядит немытая слива или виноград, на них есть легкий мерцающий налёт. Это и есть «сладкоежки» -дрожжи, которые прекрасно чувствуют себя на поверхности сладкой ягоды.
Почему это важно для моего проекта?
Способность дрожжей «поедать» органические вещества (остатки растений, масла, сахар) лежит в основе идеи «живого фильтра». Они не просто задерживают грязь, как сетка, а перерабатывают её.
Биоиндикаторы в экологии
Оценить воздействие человека на окружающую среду позволяют живые объекты - растения, животные, насекомые, микроорганизмы. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики объекта, а биологические – дополняют их, а также служат ранними сигналами загрязнения, или, напротив, хорошего качества среды. С помощью живых объектов можно обнаружить самые загрязненные и самые чистые места в экосистемах или судить о степени вреда тех или иных веществ для природы.
Биоиндикаторы - это живые организмы, которые своим поведением, состоянием или активностью «рассказывают» нам о состоянии окружающей среды.
Ученые используют биоиндикаторы, чтобы определить качественные изменения в экосистеме на основе наблюдений. Биоиндикаторы показывают как положительные, так и отрицательные изменения окружающей среды.
В природе уже есть много «живых датчиков». Например, если в реке живут личинки веснянок, значит вода чистая. Если на деревьях много лишайников , значит воздух свежий.
В своём проекте я хочу добавить к этому списку и дрожжи.
Я предположила, что:
Если дрожжи в образце воды ведут себя «весело» (пузырятся, растут) - среда благоприятная.
Если дрожжи «молчат» (нет активности) - в воде есть что-то, что угнетает жизнь.
Это позволит использовать простой «дрожжевой тест» для быстрой оценки качества воды в природных водоёмах.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
В своём исследовании я использую пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).
Почему именно они:
Безопасны: Они не ядовиты, используются в пище человеком сотни лет.
Доступны: Продаются в любом магазине.
Активны: Быстро размножаются в теплой воде с сахаром.
Изучены: Учёные хорошо знают, как они работают.
Безопасны ли дрожжи для природы?
Это важный вопрос для моего исследования на протоках Оби.
Пекарские дрожжи не выделяют токсинов. И в малых количествах после переработки загрязнений они сами становятся пищей для других микроорганизмов или растений.
Опыт №1: «Дрожжи против мутной воды» (Приложение 1)
Цель эксперимента: Я хотела узнать, смогут ли обычные пекарские дрожжи сделать мутную воду прозрачнее. Это важно для моих исследований на Оби, потому что после дождей вода в протоках всегда становится грязной и мутной.
Подготовка: Для опыта я взяла две одинаковые прозрачные колбы. Чтобы имитировать загрязнение, я добавила в колбы землю и хорошо их взболтала -получилась мутная жижа, похожая на воду в реке после ливня. Также мне понадобились сухие дрожжи, сахар.
Ход работы: Я подписала колбы: №1 «Опыт» и №2 «Контроль».
В колбу №1 добавила половину чайной ложки дрожжей и щепотку сахара (чтобы «разбудить» микроорганизмы).
В колбу №2 добавила только щепотку сахара, без дрожжей - это нужно для сравнения.
Поставила обе колбы в тёплое место подальше от прямых солнечных лучей.
В течение 5 дней я ежедневно подходила к колбам, фотографировала изменения.
Что я наблюдала:
Уже на второй день в колбе с дрожжами появились мелкие пузырьки . Это значит, микроорганизмы «проснулись» и начали работать. К третьему дню я заметила, что вода в опытной колбе стала белой, а на дне появился плотный осадок. В контрольной колбе вода оставалась мутной, и земля оседала очень медленно. К пятому дню разница стала очевидной: в колбе с дрожжами вода оставлась мутно- белой, но земли стало меньше, она осела и собралась в комок. В контрольной вода всё ещё была мутной, и на поверхности также была земля, то есть загрязнение оседало очень медленно.
Вывод: Этот опыт показал, что дрожжи действительно помогают загрязнениям быстрее оседать на дно и очищать от них воду. Хотя чистой, как слеза, вода не стала, результат меня порадовал, дрожжи работают.
Опыт №2: «Дрожжи против масляной плёнки»
Цель эксперимента:
Мне было важно проверить, смогут ли дрожжи справиться с масляными загрязнениями, потому что во время экспедиций на Первую протоку Оби я часто видела радужные плёнки на поверхности воды. Такие пятна опасны для рыб и птиц, и я хотела узнать, есть ли природный способ их убрать.
Подготовка:
Я подготовила два одинаковых прозрачных стакана, налила в каждый по 150 мл воды и добавила по одной столовой ложке растительного масла. Масло сразу всплыло и образовало сплошную жёлтую плёнку. Также мне понадобился раствор активированных дрожжей (я заранее размешала их в тёплой воде с сахаром) и обычная вода для контроля.
Ход работы:
Я подписала стаканы: №1 «Опыт» и №2 «Контроль».
В стакан №1 аккуратно влила 2 столовые ложки раствора дрожжей.
В стакан №2 добавила 2 столовые ложки обычной воды, чтобы количество жидкости было одинаковым.
Поставила стаканы на подоконник и наблюдала за ними в течение 7 дней, ежедневно фотографируя поверхность воды.
Что я наблюдала:
Уже на следующий день в опытном стакане я заметила мелкие разрывы на масляной поверхности, словно кто-то проколол её иголкой. К третьему дню плёнка превратилась в своеобразную «сеточку», а между участками масла стала видна чистая вода. К седьмому дню масло в стакане с дрожжами собралось в отдельные капли по краям, тогда как в контрольном стакане плёнка так и осталась сплошной.
Вывод:
Опыт показал, что дрожжи не убирают масло полностью, но способны разрушать масляную плёнку, разбивая её на отдельные капли. Это значит, что они могут помогать природе справляться с нефтяными загрязнениями, хотя для полной очистки потребуется больше времени или другие микроорганизмы.
Опыт №3: «Дрожжи и жизнь в почве»
Цель эксперимента:
Я хотела узнать, как дрожжи влияют на рост растений, особенно в загрязнённой почве. Это важно для восстановления прибрежных зон Оби, где земля часто бывает уплотнённой и бедной питательными веществами.
Подготовка:
Для опыта я взяла четыре одинаковых стакана, наполнила их грунтом для цветов. В два горшка я добавила немного растительного масла и жидкость для мытья посуды, чтобы имитировать загрязнение почвы. Также мне понадобились семена кресс-салата (они быстро всходят) и раствор дрожжей для полива.
Ход работы:
Я подписала стаканы: №1 (чистая почва + дрожжи), №2 (загрязнение + дрожжи), №3 (чистая почва+вода), №4 (загрязнение + вода).
Посадила в каждый горшок одинаковое количество семян кресс-салата на глубину 1 см.
Поливала растения: где планировались дрожжи: раз в три дня раствором дрожжей, остальные : обычной водой.
В течение 7 дней я записывала день появления первых всходов, считала количество проросших семян.
Что я наблюдала:
Первые всходы появились раньше всего в первом стакане (чистая почва + дрожжи) уже на второй день. В загрязнённой почве без дрожжей растения всходили очень тяжело. Но самое удивительное было во втором стакане: несмотря на загрязнение, растения с дрожжевой подкормкой взошли тоже на второй день и выглядели крепче, чем их соседи без дрожжей. Через неделю самая дружная зелень была именно там, где я использовала дрожжи.
Вывод:
Этот опыт доказал, что дрожжи работают как натуральное биоудобрение. Они не только помогают растениям расти быстрее и выше, но и смягчают вред от загрязнения почвы. Это значит, что дрожжи можно использовать для восстановления зелёных зон на берегах рек.даже в загрязнённой земле.
Опыт 4: Очистка воды от органического красителя
Цель: показать способность дрожжей удалять растворённые вещества.
Ход работы:
Приготовила раствор загрязнителя: в два стакана налила воды и добавила одинаковое количество чайного настоя.
В один стакан (опытный) добавила дрожжи. Второй стакан (контрольный) оставила без изменений.
Что я наблюдала:
Я наблюдала за изменением интенсивности окраски в обоих стаканах.
Через 24 часа я профильтровала растворы через кофейный фильтр и сравнила цвет растворов.
Вывод: дрожжи прекрасно удаляют растворённые вещества.
Опыт № 5: «Дрожжи - биоиндикаторы»
Цель эксперимента:
В ходе исследования у меня возникла идея: а могут ли дрожжи не только чистить, но и «сообщать» о качестве воды? Я хотела проверить, как они реагируют на чистую воду, органическую грязь и опасную химию, чтобы создать простой тест для юннатов.
Подготовка:
Я подготовила четыре стакана и налила в них разную воду: №1 чистая бутилированная, №2 чистая + сахар, №3 вода с землёй (органическое загрязнение), №4 вода с каплей средства для мытья посуды (химическое загрязнение). Для этого опыта мне понадобились сухие дрожжи, сахар.
Ход работы:
Я добавила во все стаканы одинаковое количество дрожжей.
Аккуратно перемешала содержимое .
Наблюдала за реакцией в течение 60 минут.
Что я наблюдала:
Во втором стакане (чистая вода + сахар) реакция началась быстрее всего, через 10 минут появилась густая пена высотой 2 см. В стакане с землёй пена тоже была, но чуть меньше (1 см), значит, органика не мешает дрожжам работать. А вот в четвёртом стакане, где была бытовая химия, произошло самое важное: дрожжи не запустились совсем. Не было ни пузырьков, ни пены, они просто осели на дно.
Вывод:
Этот опыт стал для меня открытием: дрожжи действительно работают как биоиндикаторы. Если они активно пузырятся, вода безопасна для жизни. Если реакции нет, это значит, что в воде есть токсины, опасные для живых организмов. Так родился метод «Дрожжевого теста», который я описала в памятке для юных экологов.
Это простой и быстрый способ первичной оценки качества воды.
Связь результатов с моими исследованиями на Оби
Во время изучения Первой протоки Оби я видела:
Мутную воду после дождей - Опыт №1 показал: дрожжи могут помочь частицам осесть, но вода не будет осветлена до конца, она будет мутной, в ней будет много дрожжей, а это уже опасно для жизнедеятельности водных организмов.
Масляные пятна на поверхности - Опыт №2 показал: дрожжи частично расщепляют масляную плёнку.
Уплотнённая почва на берегу - Опыт №3 показал: дрожжи улучшают структуру почвы.
Необходимость мониторинга - Опыт № 5 показал: дрожжи могут быстро показать качество воды
Практический вывод:
Дрожжи можно использовать для быстрого мониторинга состояния проток Оби.
Дрожжи можно использовать для очистки воды, но при этом, не высыпая прямо в водоём огромное количество дрожжей.
ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Основные выводы
Гипотеза подтвердилась частично.
Дрожжи действительно работают как «живые фильтры»: они способствуют очищению загрязненной воды и улучшают качество почвы (растения растут быстрее и крепче). Однако полностью убрать все загрязнения дрожжи не смогли.
Я начинала проект с мысли: «А что, если очистить реку дрожжами?». Но в ходе исследования я поняла: природа - это сложная система.
Дрожжи в стакане - это безопасно и полезно. Дрожжи в реке - это риск для рыб и насекомых, потому что они заберут кислород и нарушат баланс.
Поэтому мой главный вывод: дрожжи - отличный инструмент для проверки воды (биоиндикатор) и для лабораторных опытов. Но очищать природные водоёмы нужно другими, более безопасными методами, например, сажать растения, которые фильтруют воду, или убирать мусор вручную.
Быть юннатом значит не только хотеть помочь, но и не навредить.
Открыта новая роль дрожжей - биоиндикаторы.
В ходе работы я выяснила, что по активности дрожжей (пенообразованию) можно судить о качестве воды. Если дрожжи активно работают - вода безопасна. Если «молчат» - в воде могут быть токсичные вещества.
Метод доступен и безопасен.
Дрожжи - дешёвый, нетоксичный материал, который можно использовать в школьных исследованиях и экологических акциях без специального оборудования.
Практическая значимость для исследования проток Оби.
Полученные данные можно применять для мониторинга малых рек и проток (например, Первой протоки Оби). «Дрожжевой тест» поможет юннатам быстро выявлять загрязнённые участки, а внесение дрожжей в почву поможет восстанавливать прибрежные зелёные зоны.
Рекомендации:
Использовать дрожжи как индикатор качества воды в рамках школьного экологического мониторинга.
Продукт проекта
Продуктом проекта является «Памятка юнната, эко- исследователя».
Памятка создана для тиражирования опыта моего исследования среди школьников. Главная цель продукта - дать каждому ученику простой и безопасный инструмент для первичной оценки качества воды в природных водоёмах без использования сложного лабораторного оборудования.
Памятка делает научный метод доступным для массового использования: она позволяет школьникам самостоятельно проводить мониторинг состояния малых рек в ходе экскурсий или экологических акций. Продукт апробирован в ходе моего исследования и содержит только проверенные данные, что гарантирует достоверность получаемых результатов.
Перспективы дальнейшего исследования
Полевые испытания: Взять пробы воды из Первой протоки Оби в разных местах и проверить их на качество с помощью дрожжей.
Сравнение видов дрожжей: Проверить, какие работают лучше - сухие, прессованные или живые пивные.
Комбинированные методы: Изучить, как дрожжи работают вместе с растениями (камышом, рогозом) для очистки воды.
Картографирование: Создать карту экологического состояния проток Оби на основе «дрожжевого теста».
Личный вклад в сохранение природы
Этот проект - мой первый шаг к большим экологическим открытиям. Я поняла, что даже пятиклассник может внести вклад в сохранение природы, используя простые научные методы. Дрожжи из обычного магазина могут стать инструментом для помощи большой реке, если подойти к делу с умом и любовью к природе.
Я продолжу свои исследования на протоках Оби и обязательно проверю «дрожжевой тест» в полевых условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
Пасечник В.В. Биология. Бактерии, грибы, растения. 5 класс: учебник для общеобразовательных организаций. - М.: Просвещение, 2023.
-
Пребраженский Е.С. Дрожжи в природе и жизни человека: образовательный модуль для 5–6 классов / Под ред. Е.С. Преображенской. — М.: Биомолекула, 2023.
-
Голубева В.Л. «Микробиология». - М.: Академия, 2020.
-
Экологический мониторинг: учебное пособие / Под ред. Т.А. Акимовой. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2019.
-
Биоиндикация в экологии / И.В. Темерева. - Новосибирск: НГПУ, 2021.
-
Энциклопедия для детей «Аванта+». Биология. -М., 2018.
Интернет- ресурсы
-
Сайт «Биомолекула»: www.biomolecula.ru (статьи о дрожжах)
-
Экологический центр «Экосистема» — материалы для юных экологов: www.ecosystema.ru
-
Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (www.meteorf.ru)
Приложение 1
Опыт №1: «Дрожжи против мутной воды»
Вывод: Этот опыт показал, что дрожжи действительно помогают загрязнениям быстрее оседать на дно и очищать от них воду. Хотя чистой, как слеза, вода не стала, результат меня порадовал, дрожжи работают.
Опыт №2: «Дрожжи против масляной плёнки»
Вывод:
Опыт показал, что дрожжи не убирают масло полностью, но способны разрушать масляную плёнку, разбивая её на отдельные капли. Это значит, что они могут помогать природе справляться с нефтяными загрязнениями, хотя для полной очистки потребуется больше времени или другие микроорганизмы.
Опыт №3: «Дрожжи и жизнь в почве»
Вывод:
Этот опыт доказал, что дрожжи работают как натуральное биоудобрение. Они не только помогают растениям расти быстрее и выше, но и смягчают вред от загрязнения почвы. Это значит, что дрожжи можно использовать для восстановления зелёных зон на берегах рек, даже в загрязнённой земле.
Опыт 4: Очистка воды от органического красителя
Вывод: дрожжи прекрасно удаляют растворённые вещества.
Опыт № 5: «Дрожжи - биоиндикаторы»
Вывод:
Этот опыт стал для меня открытием: дрожжи действительно работают как биоиндикаторы. Если они активно пузырятся, вода безопасна для жизни. Если реакции нет, это значит, что в воде есть токсины, опасные для живых организмов.