重金属污染实验报告

第四部分：实验过程
– 对照组的设定
– 实验组的处理
– 实验现象的观察
– 实验数据的记录
– 实验现象数据的分析
• 第五部分：实验总结
– 数据分析
– 对重金属如何影响植 物生长的解释
– 课题的意义
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第七届世界中学生科学大会
第一部分：研究背景
演讲人：
演讲概览
在稍后，我将会介绍为大家介绍： • 重金属的介绍
原叶绿素酸酯还原酶 叶绿素
吸收营养 生病或死亡
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课题的意义
• 本项课题直观的反应了绿色植物在重金属离子的污染下 ，叶绿素含量减少的情况。而通过生物累积和生物放大 ，我们整个生物圈的动植物都会受到重金属的影响。
• 近几年来，越来越多的案例警示着我们不合理利用、处 理重金属会对我们的生活造成多么大的影响。国际原子 能机构预测，全球大约有1.2 亿人暴露于潜在含铅量过高 的空气、土壤和水中。80 个国家的儿童有血铅浓度偏高 的问题。这些铅大多与非法或监管不利的铅酸电池冶炼 厂有关
– 什么是重金属？ – 重金属有什么影响？ – 重金属是如何影响整个生物圈的？
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重金属的介绍
• 什么是重金属？
– 重金属有着广泛的定义。根据一种定义，重金属是在 元素周期表上，铜元素与铅元素之间的一组元素。他 们的相对原子质量介于63.546和200.590之间，比重 大于4.0
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重金属的介绍
• 重金属有什么影响？
• 拟南芥叶绿素含量下降，可能是由于重金属被植 物吸收后，细胞内的重金属离子作用与叶绿素合 成的原叶绿素酯还原酶、氨基乙酰丙酸合成酶、 胆色素原脱氨酶等的肽链富含SH 的部分结合， 抑制酶的活性从而阻碍了叶绿素的合成
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重金属对植物影响的解释
吸收重金属离子 呼吸 酶
氨基酮戊酸 光合作用
能量状态
图示 D
+ Pb2+
Cu2+
图示 B
图示A和B均出自Tracey Saxby, IAN Image Library (ian.umces.edu/imagelibrary/)
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演讲概览
• 第一部分：研究背景 – 重金属的介绍
• 第二部分：实验理论 – 叶绿素含量与植物生 长的关系 – 叶绿素含量的测定
• 第三部分：实验准备 – 实验器材与试剂 – 实验素材的选择 – 拟南芥的种植 – 含有重金属离子的污 水的配制、处理
第七届世界中学生科学大会
Cd、Pb、Cu单一污染 对拟南芥叶绿素含量影响
项目团队: 天津南开中学 项目指导：王浩安
我们的城市——天津
• 天津是中国四个直辖市之一，地处华北平原东 部，濒临渤海湾，海岸线长153公里。有超过 1000万人居住和生活在这一地区，是中国的工 业基地和著名的港口城市。
• 天津地区干旱缺水，水资源总量多年平均值为 18.16亿立方米，人均水资源占有量160立方米 ，仅为全国人均水资源占有量的7%，是全国人 均水资源占有量最少的省、市之一。
• 由于水资源的严重短缺，加重了天津市水环境 恶化的程度，导致水生态系统失衡。
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问题阐述
• 管理有害废物是许多工业化飞速发展的国家面临 的挑战。作为世界上经济发展最快的国家，中国 面临着工业化带来的许多健康和环境风险。
• 风险之一就是重金属污染。它已经成为今日
主要的环境问题。
• 而天津作为中国高速发展的工业城市和水资源最 为稀缺的城市也正面临重金属污染的挑战。
– 定义：生物放大是在食物链中，一种物质浓度增长的 累积
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重金属的介绍
红点越多，甲基 汞的浓度越高
图示 C
水: 1
浮游植物: 105
浮游动物: 106
人: 107
Figure C: Environment Canada
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(www.ec.gc.ca/mercure-mercury/default.asp?lang=En&n=67E16201-1)
– 什么是拟南芥 – 我们为什么选择拟南芥 – 什么是基因模式植物
• 拟南芥的种植 • 含有重金属离子的污水的配制、处理
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实验器材与试剂
图为拟南芥种子
硝酸铅试剂
硝酸镉试剂
• 拟南芥种子，花盆，营养土，分光光度计、离心机、天 平、剪刀、研钵、漏斗、移液管、烧杯、丙酮、石英砂 、Cd(NO3)2、Pb(NO3)2、Cu(NO3)2、蒸馏水
• 拟南芥对低浓度重金属离子污染有一定的耐性，但 随着时间增加，毒害作用逐渐增强，叶绿素含量下 降，生长受到抑制。
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Figure C: 生长在被镉、 铅、锌污染的水中的植物
引用：Dreamcatcher UNEP 2010 YEAR BOOK
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第七届世界中学生科学大会
第五部分：实验总结
演讲人：
• 据此即可得到叶绿素a 和叶绿素b 的浓度Ca、Cb (mg/L) ，二者之和为叶绿素总浓度，再根据下 式可进一步求出植物组织中叶绿素的含量:叶绿 素的含量 (mg/g) = [叶绿素的浓度×提取液体 积×稀释倍数] /样品鲜重。
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第七届世界中学生科学大会
第三部分：实验准备
演讲人：
演讲概览
在稍后，我将会介绍为大家介绍： • 实验器材与试剂 • 实验素材的选择
– 动植物需要适当量的某些重金属元素 – 但是，过度的对这些重金属摄取对动植物有害 – 除了一些特殊情况，其他的重金属对动植物有严重危
害
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重金属的介绍
• 重金属是如何影响整个生物圈的？
– 通过生物累积和生物放大
• 生物累计的过程
– 定义：一种物质在一个生物个体中的累积叫作生物累 积
• 生物放大的过程
• 配制含有Cd(NO3)2，Pb(NO3)2，Cu(NO3)2的溶液，分别使 其含有Cd2+，Pb2+，Cu2+离子的浓度为5mg/L、25mg/L、 50mg/L、100mg/L
配置的图片
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第七届世界中学生科学大会
第四部分：实验过程
演讲人：
演讲概览
在稍后，我将会介绍为大家介绍：
• 对照组的设定 • 实验组的处理 • 实验现象的观察 • 实验数据的记录 • 实验现象数据的分析
• 测定叶绿体色素混合提取液中叶绿素a、b和类胡 萝卜素的含量，只需测定该提取液在三个特定波 长下的光密度D，并根据叶绿素a、b及类胡萝卜 素在该波长下的比吸收系数即可求出其浓度。
• 在测定叶绿素a、b时为了排除类胡萝卜素的干扰 ，所用单色光的波长选择叶绿素在红光区的最大 吸收峰。
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叶绿素测定原理
• 选择吸水性好，土质松软的营养土作为拟南芥种 植土壤。
• 在直径9cm的花盆中，每盆播种20-30颗。 • 播种以后在花盆上罩上薄膜，给植株的生长提供
一个湿润的环境。 • 在第五天的时候出芽，约在第四个星期后长出第
三片子叶，开始试验。
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拟南芥的种植
（图为小组同学在种植拟南芥）
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含有重金属离子污水的配制
第七届世界中学生科学大会
第二部分：实验理论
演讲人：
演讲概览
在稍后，我将会介绍为大家介绍： • 叶绿素含量与植物生长的关系 • 叶绿素含量测定的方法
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叶绿素含量与植物生长的关系
• 光合作用是植物主要的能量来源也是其物质基础。 对光合作用的阻碍意味着能量吸收的减少
• 叶绿素是光合作用过程中的主要色素。它的含量 直接影响光合作用的速率，因此，叶绿素的含量 反映了植物进行光合作用的能力。也正是如此， 叶绿素含量的减少也可反应叶片的衰老。
• 式中：k为比例常数。当溶液浓度以百分浓度为 单位，液层厚度为1cm时，k为该物质的比吸收 系数。各种有色物质溶液在不同波长下的比吸收 系数可通过测定已知浓度的纯物质在不同波长下 的光密度而求得。
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叶绿素测定原理
• 如果溶液中有数种吸光物质，则此混合液在某一 波长下的总光密度等于各组分在相应波长下光密 度的总和，这就是光密度的加和性。
• 已知叶绿素a、b的80%丙酮提取液在红光区的最 大吸收峰分别为663nm和645nm，又知在波长 663nm下，叶绿素a、b在该溶液中的比吸收系数 分别为82.04和9.27，在波长645nm下分别为 16.75和45.60，可根据加和性原则列出以下关系 式：
– I663 = 82.04Ca+9.27Cb (1) – I645 = 16.75Ca+45.60Cb (2)
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对照组的设定
• 设定对照组
– 植物是可以在一定浓度重金属离子下正常生长的，我 们将在这个浓度下生长的拟南芥设为对照组。而实验 组则为在远高于这个浓度的重金属离子污水中生长的 拟南芥
• 通过查阅资料，我们了解金属离子Cd，Pb 和Cu 在水中的允许含量：
– Cd：0.005 mg/L(地表水) – Pb：0.005 mg/L – Cu：0.01 mg/L
– 定义：生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究 ，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，此时，这 种被选定的生物物种就是模式生物。
– 在我们的实验中，如果观察到重金属离子对拟南芥产 生了影响，那么这种影响也会发生在其他植物上。
• 因为它的优点，我们选择拟南芥作为我们的实验 对象。
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拟南芥的种植
0.0001 mg/L(地下水)
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实验现象的观察
受到Cu2+污染的拟南芥与正常生长的拟南芥在6周时的对比
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实验数据的记录
Cd2+ /(mg/L)
α
Pb2+ /(mg/L)
α
Hale Waihona Puke Baidu
Cu2+ /(mg/L)
α
5
54%
5
51%
5
90%
25
32%
25
23%
25
77%
50
14%
50
10%
50
57%
100
0%
• 式(1)、(2)中的I663和I645为叶绿素溶液在波长 6素6a3和nmb和的6浓45度nm，时以的m光g/L密为度单，位C。a、Cb分别为叶绿
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叶绿素测定原理
• 解方程组(1)、(2)，得：
– Ca = 12.72I663 – 2.59I645 (3) – Cb = 22.88I645 – 4.67I663 (4)
• 我们为什么选择拟南芥？
1. 它植株形态个体小，非常适于在茶杯这种小空间内 进行种植。
2. 它的生命周期短，从播种到收获种子一般只需6周左 右。
3. 一个单独植株可以结数千个种子。 4. 生命力强，用普通培养基就可作人工培养。 5. 拟南芥只有五条染色体
基因模式植物
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实验素材的选择
• 基因模式动植物
• 将Ca与Cb相加即得叶绿素总量(CT)：
– CT = Ca + Cb =20.29I645 + 8.05I663 (5)
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叶绿素测定原理
• 另外，由于叶绿素a、b在652nm的吸收峰相交， 两者有相同的比吸收系数(均为34.5)，也可以在 此波长下测定一次光密度(I652)而求出叶绿素a、 b总量：CT =(I652 × 1000)/ 34.5 (6)
演讲概览
在稍后，我将会介绍为大家介绍：
• 数据分析 • 重金属对植物影响的解释 • 课题的意义
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数据分析
• 本试验中拟南芥叶绿素含量在Cd、Pb、Cu单一 污染条件下减小。随着处理时间的延长，不同浓 度镉胁迫下叶绿素含量显著低于对照，这是因为 重金属离子的毒害作用随时间延长而不断累积显 现出来。叶绿素含量随着重金属离子浓度的升高 反而降低，且都低于对照值。
• 为了让更多的人意识到重金属污染的严重性，我 们设计了一个实验来展示，呼吁人们为改善重金 属污染而作出努力。
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项目概览
• 我们设计了一个实验来展示镉，铅，铜单一污染 对拟南芥叶绿素含量的影响。
• 实验结果表明叶绿素的含量随着镉，铅，铜的 浓度的增加而减少
高叶绿素含量
低叶绿素含量
图示 A
} Cd2+
• 因此，我们在实验中选择叶绿素含量作为衡量植 物是否受到重金属影响的重要指标
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叶绿素测定原理
• 根据叶绿体色素提取液对可见光谱的吸收，利 用分光光度计在某一特定波长下测定其光密度 ，即可用公式计算出提取液中各色素的含量。
• 根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，某有色溶液 的光密度D与其中溶质浓度C和液层厚度L成正比 ，即：D=kCL。
100
0%
100
30%
• α表示处理后拟南芥叶绿素的测量值与未被处理的测量 值的比例
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实验现象与数据的分析
• 在不同浓度重金属处理下，实验组拟南芥叶片叶绿 素含量在第1天均没有变化，其后3天叶绿素含量的 变化(下降) 与对照组相比均达到显著水平，尤其是 第4天，叶绿素含量随着镉处理浓度增大而显著下降 。
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实验素材的选择
来自http://domesticfuel.com/wpcontent/uploads/2011/01/a_thaliana.jpg
我们种植的拟南芥
• 什么是拟南芥？
– 拟南芥是一种生长在欧洲、亚洲和非洲西北部的植物。它是一 年生植物，通常高度为20-25cm。
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实验素材的选择