Противогололёдные реагенты и окружающая среда

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

города Москвы «Школа 1584»

ПРОТИВОГОЛОЛЁДНЫЕ РЕАГЕНТЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Автор:

ученик 9 класса «м», ГБОУ Школа №1584

Щербак Александр Романович

Руководители:

лаборант-исследователь НИЦ «Курчатовский институт»
Иваненко Антонина Дмитриевна,

учитель биологии, ГБОУ Школа №1584

Галина Викторовна Щелканова,

студентка 1 курса магистратуры МГУ им. М.В. Ломоносова

направления подготовки «Гидробиология»

Нагаева Анастасия Сергеевна.

Москва,2025

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. Обзор литературы 4

1.1. Состав противогололёдных реагентов. 4

1.2. Места использования ПГР 4

1.3. Виды материалов обуви использованные в исследовании. 4

1.4. Описание тест-объекта. 5

2.1. Метод проведения тестирования реагента на материалах обуви. 6

2.2. Метод приготовления насыщенного раствора ПГР для биотестирования. 6

2.3. Метод эксперимента над тест-объектом. 7

2.4. Поведение и состояние дафний магна в нормальных условиях. 7

Глава 3. Результаты и их обсуждение 8

3.1. Результаты тестирования материалов обуви. 8

3.2. Результаты биотестирования 8

Выводы 11

Список литературы 12

Приложение 14

ВВЕДЕНИЕ

В зимний период в Москве и многих других городах, подверженных низким температурам и гололёду, используют различные дорожные реагенты для борьбы со льдом на дорогах и тротуарах. Их применение оправданно, так как реагенты являются более эффективным средством борьбы со льдом, по сравнению с традиционными методами механической чисти, они не только обеспечивают быструю очистку большой поверхности дорожного покрытия ото льда, но и защищают от повторного обледенения. Поэтому, например, реагенты незаменимы на высокоскоростных трассах.

Но дорожный реагент имеет ряд негативных побочных эффектов. Люди часто сталкиваются с коррозией на нижней части автомобиля, портится обувь и одежда, некоторые люди страдают от аллергии на химические компоненты реагента. Также, следует учесть, что природными осадками (снег, дождь) и дорожными службами (поливочные и моющие машины) реагенты смываются с дорожного покрытия и попадают в почву и водоемы. Однако, мы не можем быть уверены в том, что они безвредны для них и их обитателей. Сведения об экологическом влиянии реагентов очень противоречивы, особенно в СМИ. Этим обосновывается актуальность проблемы – мы не обладаем достаточными сведениями о влиянии ПГР на окружающую среду. Данный факт является причиной формирования резко негативного отношения к антигололёдным реагентам. Как следствие, например, начали набирать популярность альтернативные методы борьбы с гололёдом на пешеходных частях транспортных сетей.

Цель: оценить качество водной среды при воздействии противогололедных реагентов (ПГР) разных концентраций, изучить влияние реагентов на обувь.

Задачи:
1) проанализировать состояние тест объектов в нормальных условиях,

2) сделать модели загрязнения ПГР водоёма разных концентраций, имитируя сильный смыв с талым снегом, среднее загрязнение и незначительное загрязнение,

3) провести биотестирование с помощью тест-объекта дафния магна,

4) смоделировать воздействие ПГР на обувь.

Глава 1. Обзор Литературы

1. Состав противогололёдных реагентов.

Данные о качественном составе противогололёдных реагентов (далее ПГР) могут сильно отличаться. Состав ПГР в разных регионах могут отличаться в зависимости от производителя, вида ПГР, а также его предназначения. [7,9,10] В нашей исследовательской работе мы использовали ПГР «Бионорд УНЕВЕРСАЛЬНЫЙ». Данный ПГР используется дорожными и коммунальными службами в городе Москве, а именно: в Западном административном округе. В состав ПГР входят хлориды кальция, натрия, калия ( CaCl₂, NaCl, KCl ), карбамид ( (NH₂)₂CO ), формиаты калия, натрия ( HCO₂K, HCO₂Na ) и фракционная часть (мраморная крошка).[9] Данный состав прописан в стандарте производства ПГР, а так же мы проверили наши образцы на соответствие составу экспериментальным путём.[9,8]

1. Места использования ПГР

Реагент «Бионорд УНЕВЕРСАЛЬНЫЙ» применяется в твёрдом виде, но в водоёмы он попадает в виде раствора талого снега и химической части реагента. Спектр мест применения очень широкий, однако, есть ограничения на применение химических ПГР. Например, в парках, скверах, зелёных территориях[6,7,9,10]. Химический ПГР применяют в таких местах как:

• проезжая часть дорог,

• тротуары, пешеходные зоны и бульвары,

• покрытия мостов, путепроводы, эстакады,

• придомовая территория и дворы,

• детские и спортивные площадки.

1. Виды материалов обуви использованные в исследовании.

В данной работе использовалось 3 вида материалов обуви: замша, натуральная кожа, нубук. Данные материалы чаще всего встречаются в магазинах и пользуются популярностью у дизайнеров обуви.

Материалы обуви:

Кожа натуральная - это обработанные шкуры животных, в большинстве случаев – коров и быков.[11] Нубук – мелковорсистая кожа, в процессе выделки подвергающаяся хромовому дублению и шлифовке лицевой поверхности мелкоабразивными материалами, например, песком или мелкозернистой абразивной шкуркой.[13]Замша – мягкая бархатистая кожа, выработанная методом жирового и формальдегидно-жирового дубления из шкур любых не очень крупных животных.[12]

1. Описание тест-объекта.

Daphnia magna – водяные блохи из рода Daphnia. Самки достигают 5 мм в длину, самцы – около 2 мм. Таким образом, они являются одними из самых крупных видов в своём роде. Тело защищено полупрозрачным панцирем, состоящим из хитина, прозрачного полисахарида. У него есть брюшное отверстие и пять пар грудных конечностей, которые помогают в процессе фильтрации. Ряды шипов проходят вдоль задней части панциря. Кишечник имеет крючкообразную форму и два пищеварительных отдела. На голове есть две антенны и большой фасеточный глаз [2]. Дафнии широко распространены в пресных водоемах, являются хорошим кормом для рыб и важным звеном во многих водных пищевых цепочках. Из-за своих биологических особенностей они - распространенный объект биотестирования токсических загрязнений воды.

Глава 2. Материалы и методы исследования

Оборудование и материалы: противогололёдный реагент «Бионорд», водопроводная вода, хлорид натрия, речная вода, сухие хлебопекарные дрожжи, спрей для обработки кожи SALTON EXPERCT, контейнер 20х30 см, весы, чайная ложка, химические стаканы, шпатель, поляризационный петрографичиский микроскоп NIKON ECLIPSE LV100N, микроскоп Микромед, кусочки натуральной обувной кожи 5см х 5см (гладкая кожа, нубук, замша).

2.1. Метод проведения тестирования реагента на материалах обуви.

Данный метод заключается в имитировании воздействия ПГР на материалы обуви. Мы проводили два опыта в данном разделе исследования. Материалы были разделены на группы. Группа 1 – материалы, использованные в опыте 1, группа 2 – материалы, использованные в опыте 2.

Опыт 1 заключался в приготовлении раствора ПГР по нормам, которые прописаны в документации к ПГР. В документации прописано, что, на 1 квадратный метр при температуре от -4 до -8°С, должно использоваться 45 грамм ПГР. Так как мы не имели тару площадью в 1 квадратный метр, мы использовали подручное оборудование. Рассчитав концентрацию реагента на исходную площадь, мы поставили воду на холод для замерзания, тем самым сымитировав слой льда на пешеходной части. Затем мы обработали площадь покрытую льдом ПГР. После обработки, в контейнер были помещены на 1 час образцы материалов обуви. Данными действиями мы воспроизвели одночасовую прогулку.

Опыт 2 был поставлен по таким же принципам, кроме концентрации ПГР. Концентрация ПГР была произвольная, значительно превышающая норму, установленную документацией, более соответствующая наблюдаемому реальному ежедневному применению реагента на городских тротуарах городскими коммунальными службами. Этим мы сравнивали различия негативных последствий.

Данные опыты проводились на протяжении 2 месяцев (с 01.12.2023 по 03.02.2024.). После проведения опытов, образцы были рассмотрены под петрографическим микроскопом, где выявили различия последствий.

2.2. Метод приготовления насыщенного раствора ПГР для биотестирования.

Так как реагент используется повсеместно, нельзя выделить одну определённую концентрацию, попадающую в водоём. Раствор реагента может попадать в водоём в чистом виде (стекая с моста) или проходить через гидрологическую систему грунтовых вод. В нашей работе мы высчитали насыщенный раствор реагента для получения усредненных значений. Для этого брали вещество, преобладающее в процентном содержании в ПГР. В нашем случае это хлорид натрия (далее NaCl). Пользуясь источниками, определили его растворимость в воде на 100мл, она составила 35,6г/100мл. Т.к. растворимость этого вещества преобладает, следовательно, это число будет являться растворимостью всего ПГР. [6,8]

2.3. Метод эксперимента над тест-объектом.

Тест-объект помещали в стаканы по 100 мл с растворами концентрации 1:100, 2:100, 2.25:100, 2.5:100, 3:100, 4:100, 5:100 и 0:100, как контроль, на 72 часа с двумя повторностями. Среду обитания создавали из насыщенного раствора и воды, в которой обитали гидробионты до проведения опытов. Воду набирали из чистого, проточного водоёма в лесной зоне вдали от дорог (р. Малая Истра, Московская область). Кормили дафний 1 раз перед проведением опыта. Кормом являлись сухие хлебопекарные дрожжи. Соотношение дрожжей с водой 75:100 соответственно. Раствор дрожжей настаивали 30 минут в тёплой воде, после чего кормили 1 каплей на 100мл. [4]

2.4. Поведение и состояние Дафний магна в нормальных условиях.

До проведения опытов были проведены предварительные наблюдения за предметом исследования, а также проанализирована литература на эту тему. Наблюдения проводились 3 недели в нормальных условиях (в сосудах различной величины от 100мл до 2л, комнатная температура воды, длинна светового дня с 7 утра до 21 вечерас учетом искусственного освещения, кормление 3 раза в неделю.). В ходе предварительного этапа были установлены характеристики: дафнии передвигаются вертикально, при взбалтывании поднимаются за 15 секунд на поверхность воды, имеют характерный тёмно-зелёный окрас пищевого тракта, созревание яиц происходит за 7 суток, туловище прозрачно, не имеет оттенков.

Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Результаты тестирования материалов обуви.

Было установлено, что группа 1 была повреждена меньше чем группа 2. Материалы из группы 1 не выцвели, не потеряли свойство гибкости, при высушивании кристаллические образования ПГР не образовывались.

Группа 2 подверглась более существенным изменениям. Нубук и замша потеряли свой характерный цвет. Все материалы потеряли свою гибкость, стали твёрдыми, при высушивании образовывался белый налёт.

Под петрографическим микроскопом, к концу исследования, материалы группы 1 имели незначительные белые кристаллики ПГР. Больше всего пострадала замша. Из-за её структуры площадь соприкосновения с ПГР была больше, следовательно, кристалликов было больше. Меньше всего пострадал нубук. Его покров представляет собой полностью гладкую поверхность, что не давало образованию больших скоплений кристаллов ПГР.

Материалы из группы 2 были подвержены избыточному количеству ПГР, что привело к образованию больших кристаллических структур, которые видны даже не вооруженным взглядом. Надо отметить, что кристаллические образования напрямую влияют на гибкость материалов.

3.2. Результаты биотестирования

Характеристика влияния ПГР на поведение и жизнеспособность дафний.

Мы разделили состояния дафний на 3 вида.

1. Первый вид состояния дафний характеризуется заметными крутящимися движениями (далее вертянка). У дафний примерно схожий цвет туловища с контролем, передвигаются в водной толще воды без особых отличий с контролем. Физическое состояние схожее с контролем.

2. Второй вид состояния дафний характеризуется изменением цвета туловища. Дафнии становятся бледно бежевые, пищевой тракт теряет зелёный окрас. Так же подопытным труднее передвигаться в толще воды, движения их конечностей становятся медленнее, чем в первом состоянии. Часто замечается вертянка. Через 72 часа приводит к летальному исходу.

3. Третий вид состояния характеризуется быстрым изменением поведения дафний. Цвет быстро меняется с прозрачного на сильно выраженный бежевый. Пищевой тракт также меняет цвет. Дафнии ложатся на дно и не могут подняться на поверхность воды при взбалтывании. Приводит к летальному исходу в течение 1.5 – 3 часов.

Таблица 1. Влияние разных концентраций ПГР на дафний

Номер пробы	Концентрация, мл.	Изначальное количество Дафний, шт.	Количество дафний в конце опыта в первой повторности, шт.	Количество дафний в конце опыта во второй повторности, шт.	Характеристика поведения дафний (см. п 2.4.)
1	0 : 100 (контроль)	10	10	10	1
2	1 : 100	10	10	10	1
3	2 : 100	10	9	8	2
4	2.25 : 100	10	3	2	3
5	2.5 : 100	10	0	1	3
6	3 : 100	10	1	0	3
7	4 : 100	10	0	0	3
8	5 : 100	10	0	0	3

График 1. Смертность тест-объектов при разной концентрации ПГР.

В таблице 1 и на графике 1 можно увидеть результаты опытов. Следует отметить, что в пробе 2 предмет исследования не подвергся воздействию ПГР, в пробах 3, 4 Дафнии подверглись незначительному воздействию ПГР, а в пробах 5, 6, 7, 8 подверглись сильному воздействию ПГР.

Выводы

1. Изучив литературу и проведя наблюдение за тест-объектами, мы выяснили их устройство, поведение, особенности питания и размножения, а также научились использовать на практике метод определения токсичности среды и проводить биотестирование.

2. Смоделировав воздействие ПГР на обувь, и проанализировав полученные данные, мы выяснили характер последствий использования реагента. Из полученных данных следует, что при соблюдении норм использования реагента, предусмотренных инструкцией от изготовителя, никаких существенных негативных последствий для кожаной обуви не возникает. Но при существенном увеличении количества реагента на единицу площади обувная кожа подвергается вредному воздействию и деформируется. Из этого следует, что причиной негативных последствий является не сам реагент, а несоблюдение технических инструкций по использованию ПГР дорожными и коммунальными службами.

3. Проведя биотестирование и проанализировав полученные данные, мы смогли определить влияние ПГР на гидробионтов. Результаты исследования подтверждают, что увеличение в воде концентрации химических веществ, входящих в состав реагента приводит к изменению их поведения и гибели. Данное обстоятельство также свидетельствует о необходимости внимательного контроля за соблюдением нормы использования реагента.

Подводя итог, следует отметить, что данный проект может быть основой для дополнительных будущих исследований в области окружающей среды, в том числе в отношении водных объектов, например, для проведения исследования влияния топливных жидкостей на экосистему водоёмов.

Список литературы

1. Научно-исследовательская работа «Определение токсичности воды при помощи дафний».https://kopilkaurokov.ru/biologiya/prochee/nauchno-issliedovatiel-skaia-rabota-opriedielieniie-toksichnosti-vody-pri-pomoshchi-dafnii(Дата обращения 22.10.2024)

2. Описание тест-объекта- https://en.wikipedia.org/wiki/Daphnia_magna(Дата обращения 23.11.2024)

3. Шилов И.А. и др. Экология: Учеб.для биол. и мед. спец. Вузов. // М.: Высш. шк. – 2001. - 512 с.: ил.

4. Лихачов С.В. и др. Биотестирование в экологическом мониторинге: учебно-методическое пособие // Пермь: ИПЦ «Прокростъ» - 2020 – 89 с.

5. Королев В.А., Соколов В.Н., Самарин Е.Н «Оценка эколого-геологических последствий применения противогололедных реагентов в г. Москве». Журнал«Инженерная экология» 2009 г.

6. Еремина И. Д. и др. Кислотность и минеральный состав осадков в Москве. Влияние противогололедных реагентов //Известия РАН. Физика атмосферы и океана. – 2015. – Т. 51. – №. 6. – С. 700-709.

7. Распоряжение №05-14-650/1 от 28.09.2011 Департамента Жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства города Москвы Режим доступа: https://www.mos.ru/upload/documents/oiv/r_05_14_650_1.pdf(Дата обращения 21.12.2024)

8. Неорганическая химия в реакциях: справочник / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; под ред. Р. А. Лидина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Дрофа, 2007. - 637, [1] с.; 22 см. - (Высшее образование).; ISBN 978-5-358-01303-2

9. СТО 001-80119761-2010 противогололедные материалы«БИОНОРД»https://bionord.store/upload/iblock/848/hpj3n6fjler2bxqxy0g6pgghnichuj0k/STO_001_Bionord.pdf

10. Федеральноедорожное агентство (РОСАВТОДОР), отраслевой дорожный методический документ «Методические рекомендации по применению чистых низкотемпературных противогололедных материалов для зимнего содержания автомобильных дорог» Москва 2019 г.Режим доступа: https://rosavtodor.gov.ru/storage/app/media/uploaded-files/odm-2186021-2019.pdf(Дата обращения 21.10.2024)

11. Описание обувной кожи https://ru.wikipedia.org/wiki/Кожа_(материал)(Дата обращения 23.12.2023)

12. Описание замши https://ru.wikipedia.org/wiki/Замша(Дата обращения 23.12.2023)

13. Описание нубукаhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Нубук(Дата обращения 23.12.2023)

Приложение

Объекты исследования

Кожа	Нубук	Замша

Результат опыта 1.

Кожа (чистая)	Кожа обработанная средством от ПГМ	Кожа необработанная средством от ПГМ

Результат опыта 1.

Нубук (чистый)	Нубук обработанный средством от ПГМ	Нубук необработанный средством от ПГМ

Результат опыта 1.

Замша (чистая)	Замша обработанная средством от ПГР	Замша необработанная средством от ПГР

Результат опыта 2.

Кожа не обработанная	Кожа, обработанная средством от ПГР	Кожа, не обработанная средством от ПГР

Результат опыта 2.

Замша чистая	Замша, обработанная средством от ПГМ	Замша, не обработанная средством от ПГМ

Результат опыта 2.

Нубук чистый	Нубук, обработанный средством от ПГМ	Нубук, не обработанный средством от ПГМ

Daphnia magna