В наши дни трудно найти водоем, не пострадавший от так называемой цивилизации. Нефть, промышленные и канализационные стоки, удобрения, смытые с полей,- все попадает в воду. Даже если какое-нибудь озерцо укрылось высоко в горах, его достанет кислотный дождь или ядовитая пыль. Казалось бы, водоемы давно должны захиреть. Но нет, живут! С трудом, но самоочищаются.
Главные действующие лица здесь - микроорганизмы, обитающие в воде и в донном иле. Процесс очищения невероятно сложен и с микробиологической, и с физико-химической точек зрения. Однако понять его основные закономерности, узнать, что ему способствует, а что препятствует, можно из нескольких простых опытов. К ним и приступим.
Прежде всего нам потребуется донный ил из любого водоема: пруда, озера, не очень быстрой речки. Пригодится и слизистый налет с подводных камней или гранитной облицовки каналов и рек. Его удобно наскрести ложкой из нержавейки. Можно взять даже донные отложения и налет со стенок давно не чищенного аквариума. Для опыта достаточно одной пригоршни этих отложений, которые обязательно надо держать под большим слоем воды. Еще наберите литр воды из любого водоема. В крайнем случае можно использовать и водопроводную хлорированную воду. Но тогда ее надо не менее получаса продувать чистым воздухом с помощью аквариумного микрокомпрессора, чтобы удалить из воды хлор, иначе он исказит результаты всех опытов.
Опыт 1. Поместите в небольшую колбочку (или прозрачный пузырек из-под лекарств) примерно 0,5-1 г донного ила и залейте сверху 30 мл 1 %-го раствора туалетного мыла (напоминаем: в воде не должно быть хлора!). Взболтайте колбочку. Ее содержимое пенится, как и следовало ожидать. Неплотно прикройте сосуд комочком ваты и отставьте на 5-б часов. Снова взболтайте колбочку. Теперь жидкость не пенится, как 6ы долго вы ее ни встряхивали. Мыло исчезло, а сам раствор приобрел довольно неприятный запах, к тому же выпал грязноватый серо-бурый осадок. Дело в том, что микроорганизмы, буквально кишащие в донном иле (в этом легко убедиться, имея микроскоп), съели органическую часть мыла. Продукты их жизнедеятельности частично выпали в осадок, а частично выделились в виде газов с неприятным запахом. Итак, первый и очень важный вывод: микроорганизмы способны перерабатывать органические отходы. Определим, какие газы при этом образуются.
Опыт 2. Внесите в чистую колбочку 0,5 г донного ила и влейте 30 мл любой жидкости, содержащей белок: это может быть мясной суп или вода, в которой мыли мясо; раствор яичного белка, гороховый или фасолевый отвар, сок от консервированного зеленого горошка. С помощью пробки, газоотводной трубки, куска резинового шланга соедините колбочку с прибором для сбора газов, в оба пузырька которого предварительно налейте по 10 мл чистой воды.
Через 5-6 часов отсоедините прибор от колбочки. Уже по запаху можно определить аммиак и сероводород. Но если кто-то забыл запах тухлых яиц (аммиак-то ни с чем не спутаешь), пусть проведет качественную реакцию. К отдельной пробе жидкости, налитой в пробирку, надо добавить 2-3 капли раствора ацетата свинца. Если в растворе есть сероводород, выпадет черный осадок сульфида свинца.
Теперь выясним, так ли всеядны микроорганизмы, все ли подряд пожирают?
Опыт 3. В другую чистую колбочку внесите свежую порцию донного ила и залейте 30 мл 1 %-го раствора любого синтетического стирального порошка. При взбалтывании раствор пенится (да еще как!). Проходит 5-6 часов, сутки, двое - жидкость продолжает пениться! Ясно, что наши микроорганизмы не желают есть синтетику.
Проделав подобные опыты с кусочками полиэтиленовой, поливинилхлоридной, капроновой пленки, полистирола, бакелита, с 1 %-м раствором какого-нибудь шампуня, вы убедитесь, что микроорганизмы либо вообще не перерабатывают синтетику, либо делают это очень неохотно, крайне медленно.
И последний важный вопрос: как действуют на микроорганизмы такие вредные вещества, как ионы тяжелых металлов, меди, свинца (для опыта понадобятся соответственно медный купорос и ацетат свинца), производные синильной кислоты (например желтая или красная кровяная соль), фенол, хлорная известь? Проверим это.
Опыт 4. В несколько колбочек внесите по 0,5 г донных остатков и влейте по 30 мл примерно 10 %-го раствора каждого из упомянутых веществ. Смесь в колбочках тщательно перемешайте и оставьте на 2-3 часа. Затем жидкость во всех колбочках осторожно слейте, остатки промойте несколько раз чистой водой и влейте в каждую колбочку по 30 мл 1 % -го раствора туалетного мыла. Затем делайте все, как в первом опыте. Итоги неутешительны: раствор продолжает пениться много часов спустя. Значит, ядовитые вещества вывели из строя микроорганизмы, и те не смогли переработать органические остатки. Вот, оказывается, почему нельзя сбрасывать неочищенные промышленные стоки в водоемы: те лишаются своих санитаров и погибают!
Напоследок соберите модель очистного сооружения,например, как на фото.
В бутыль 1 залейте 1 % -й раствор туалетного мыла. В трубку 2 поместите смесь донного ила с чистым песком (чтобы их не смыло водой, заткните трубку с обеих сторон кусочками ваты или стекловолокна 3 и 4). В бутыль 5 собирайте очищенную воду со скоростью одна капля в час (скорость регулирует винтовой зажим 6). Разумеется, пить эту воду нельзя: мало ли что могло содержаться в донном иле? А вот проверить, действительно ли вода очистилась, можно. Для этого надо добавить к ней несколько крупинок марганцовки. Если вода чистая, раствор останется малиновым, если нет - вскоре побуреет.
Описанные опыты, в целом, вполне выполнимы в домашних условиях. "Экологическая добавка" в НИР всегда повышает шансы на победу, тем более если эта "добавка" подкрепляется экспериментами и моделями, адаптированными к конкретным местности и промышленным предприятиям-загрязнителям.
По материалам: Паравян Н.А. Невидимые санитары // Химия и жизнь, 1991, №8, с.64-66.
Больше про научно-исследовательские работы школьников по естественным наукам (идеи, формы организации работы с юными исследователями их группами поддержки, адаптированные для детских работ методики (как из занимательных опытов, так и из практикумов для средних и высших УЗ), структура, литература, особенности оформления, информация о конкурсах Малых академий наук, электронных СМИ и т.п.), а также множество интереснейших фактов из химии, физики, биологии, экологии, наук о человеке и здоровом образе жизни в https://vk.com/club134922633, открытая группа Есения (ЕСтЕственно-Научные ИсследованиЯ)