Проект по культивации водорослей в условиях космического полёта. Николаева К.И.. Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Королёв Московской области
 Скачать 420.5 Kb.
|
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Королёв Московской области «Средняя общеобразовательная школа № 3» 141076, Россия, Московская область, г.о. Королёв, ул. Мичурина, д. 25. тел/факс (495) 512-92-73  Использование низших растений для обеспечения жизнедеятельности экипажа космического аппарата при межпланетных перелётах Автор работы: Николаева Кира, ученица 8 класса Руководитель работы: Платова Елена Александровна, учитель химии КОРОЛЁВ 2022 СОДЕРЖАНИЕ стр Введение…………………………………………………………………………...3 Водоросли…………………………………………………………………..4 1.1. Хлорелла……………………………………………………………….4 1.2. Спирулина……………………………………………………………...5 1.3. Фукус…………………………………………………………………...7 1.4. Ламинария……………………………………………………………..8 1.5. Спирогтра ……………………………………………………………..9 1.6. Улотрикс………………………………………………………………10 Экспериментальная проверка……………………………………………11 2.1. Поглощение углекислого газа………………………………………11 2.2. Выделение кислорода………………………………………………..13 2.3. Возможность использовать в пищу………………………………....15 Выводы…………………………………………………………………………...15 Предложения…………………………………………………………………….16 Источники информации………………………………………………………...17 Введение В наш технически развитый век, когда исследованы буквально все уголки нашей Земли человечество стремится покорить ранее не изученные участки окружающего нас мира. Одним из таких участков является космос. В настоящее время разрабатываются проекты пилотируемых полётов на другие планеты. Полёт к ним займёт многие месяцы и даже годы, поэтому на космическом корабле необходимо организовать производство кислорода и продуктов питания для экипажа, так как данные ресурсы брать с собой или доставлять с Земли технически и экономически нецелесообразно. Одним из направлений исследования в этой области является изучение применение водорослей в качестве источника кислорода и продуктов питания для человека в условиях космического полёта. Цель работы: Исследовать возможности применения водорослей для обеспечения жизнедеятельности экипажа космического аппарата при межпланетных перелётах. Задачи работы: 1. Изучить и проанализировать специальную литературу и информацию в сети Интернет. 2. Провести эксперимент в рамках которого: - Исследовать процессы поглощения углекислого газа различными водорослями; - определить интенсивность фотосинтеза водорослей различных видов; - оценить водоросли различных видов с точки зрения пищевых продуктов. 3. Предложить варианты использования водорослей на пилотируемом космическом аппарате. Гипотеза: Предполагается, что использование водорослей на пилотируемом космическом аппарате решит проблемы возобновления кислорода, обеспечит экипаж пищей, защитит людей от последствий космического излучения. Водоросли Водоросли — гетерогенная экологическая группа преимущественно фототрофных одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, как правило, в водной среде, в систематическом отношении представляющая собой совокупность многих отделов. Водоросли характеризуются высокой скоростью роста, размножения, фотосинтеза, многие из них можно использовать в качестве пищи, из них изготавливают лекарственные препараты. [2;6] 1.1. Хлорелла  Хлорелла – род одноклеточных растений из отдела зеленых водорослей. Этот род объединяет около 20 видов. Наиболее известна и широко распространена Chlorella vulgaris, образующая огромные скопления в воде луж, канав и прудов. [4;7] Представители данного рода распространены повсеместно, так как нетребовательны к условиям окружающей среды и интенсивно размножаются. Быстро развиваются как в соленых, так и в пресных водоемах, а также в обильно увлажненной почве. [4] Клетки хлореллы одиночные, имеют шаровидную или эллипсоидальную форму, диаметр не превышает 15 мкм. Этот неподвижный микроорганизм имеет тонкую гладкую целлюлозную оболочку. В клетке находится одно ядро и только один хлоропласт, расположенный пристеночно. В цитоплазме запасаются такие продукты, как жиры и крахмал. Хлорелла, как и другие зеленые водоросли, способна синтезировать органические вещества в процессе фотосинтеза. Для этого необходимы только вода, углекислый газ и достаточная освещенность, причём как естественная, так и искусственная. Также у водорослей данной группы есть потребность в небольшом количестве минералов для размножения.[6] Для хлореллы характерно исключительно бесполое размножение, которое осуществляется делением клетки на 4-8-16 равных частей - автоспор. Эти вновь образованные клетки после исчезновения материнской оболочки оказываются свободными, быстро увеличиваются в размерах и через короткий промежуток времени снова делятся.[4] Хлорелла способна чрезвычайно быстро накапливать биомассу при выращивании, благодаря чему, эта водоросль стала наиболее востребованным объектом культивирования и исследования. Представители данного рода зеленых водорослей используются для экспериментальных исследований в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения. При жизнедеятельности хлорелл выделяется большое количество кислорода в процессе фотосинтеза, что нашло применение для регенерации воздуха в замкнутых пространствах, к примеру, в космических кораблях, подводных лодках. Ведутся исследовательские работы с целью использования хлорелл как вероятного источника пищи, однако сложность состоит в том, что все питательные вещества водорослей покрыты прочной оболочкой, которую не способны разрушить пищеварительные ферменты человека. Однако, существуют технологии, позволяющие разрушить эту оболочку. Например, она разрушается под действием давления или при высушивании при нагревании и последующем измельчении.[2;6;7] 1.2. Спирулина  Спирулина — род осциллаториевых цианобактерий (сине-зелёных водорослей).[5] Трихомы спирулины гомоцитные (состоящие из одинаковых клеток), свёрнуты в спираль. Перегородки под световым микроскопом неразличимы. Слизистые чехлы не развиты или развиты слабо. Виды спирулины встречаются как в пресных, так и в солёных водоёмах, в том числе в содовых озёрах. В ряде стран спирулина активно культивируется.[5;6] Спирулина платенсис (S. platensis) имеет оптимум pH между 8 и 11, в результате чего часто доминирует в солёных озёрах с высокой щёлочностью. Для роста и развития спирулины требуется высокая температура и освещённость. Она может выживать при температуре до 60 градусов, Это говорит о том, что, содержащиеся в спирулине белок, аминокислоты, витамины, ферменты даже при такой температуре сохраняются в клетке, тогда как в обычных условиях температура 50-54 градусов для большинства ферментов является губительной, а некоторые витамины и аминокислоты в этих условиях начинают терять свои полезные свойства.[1;5] Содержание высокоусвояемого полноценного белка достигает в спирулине 70%, в то время как в мясе, его содержится в 3,5 – 7 раз меньше и усваивается мясной белок в 6 – 10 раз медленнее, с гораздо большим расходом энергии на переваривание. Так, по содержанию витамина А (в форме бета-каротина) в хорошо усвояемой форме спирулина превосходит сливочное масло и сыр в 400 раз, яйца в 1500 раз, творог и огурцы в 2500 раз, молоко в 10 000 раз. Витаминов группы В (В1, B2, В3, Вc, B5, В6, В9, В12) в спирулине содержится в среднем в 40-150 раз больше, чем в молоке, сыре, твороге, мясе, яйцах, сливочном масле. Натуральная цельная спирулина по содержанию питательных веществ в десятки раз превосходит такие считающиеся ценными продукты, как икра лососевых и осетровых рыб, лучшие сорта осетрины, перепелиные яйца, мясо молочных телят. [5;7] В спирулине в 5 раз больше железа, чем в пивных дрожжах или укропе. Водоросль содержит селен и германий – вещества являющие антиоксидантами. Кроме того, в ней содержится огромное количество полиненасыщенных жирных кислот: омега-3,-6,-9,-12. Отсутствие у спирулины плотной клеточной мембраны обеспечивает быстрое (за 30-50 минут) и лёгкое усвоение Лепёшки из спирулины использовали в пищу ацтеки. Собирают и едят её в районе озера Чад.[1] 1.3. Фукус  Фукус («морской дуб», «царь водоросль», «морской виноград») — род бурых водорослей. Это многолетняя водоросль с крупным талломом, имеющим сложное морфологическое и анатомическое строение. Слоевище достигает в длину 150 см. Лентовидные дихотомически ветвящиеся ветви фукуса имеют жесткую центральную жилку и воздушные пузыри, расположенные чаще всего парами. Пучки фукусов нередко образуют обширные заросли.[3] Свежее слоевище оливково-зеленое или желтовато-коричневое, в сухом виде - кожистое, черно-коричневое. Представители встречаются на литорали и в сублиторали практически по всему миру. Определяют облик каменистой литорали северных морей. Фукус добывают в Белом море.[3] Один из основных компонентов этой водоросли – фукоидан. Фукоидан обладает противовирусным (в том числе против ВИЧ-инфекции), противоопухолевым, иммунорегулирующим действием. Химический состав фукуса считается уникальным, так как почти идентичен составу тканей человеческого организма и плазмы крови. Эта водоросль – источник полного и сбалансированного набора микро- и макроэлементов (магний, кальций, калий, фосфор, сера, железо, бром, йод и другие), витаминов (А, витамины группы В – В1, В2, В3, В6, В12, Е, К, РР, фолиевая, пантотеновая кислоты и другие). Также в составе присутствуют альгиновая кислота, ее соли, фукостерин, фукоидан, карагинин. Благодаря своему составу фукус по своим качествам превосходит многие натуральные продукты! Для примера – 10 г фукуса (в сухом виде) содержат столько же витамина D, как и 10 кг абрикосов, йода – как 11 кг трески, железа – как 1 кг шпината, витамина А – как 100 грамм моркови.[3;4;6;7] 1.4. Ламинария  Ламинария (морская капуста) — род из класса бурых морских водорослей. Многие виды ламинарии употребляются в пищу. С незапамятных времён она используется в питании тех людей, которые живут рядом с морем. Также её использовали и как удобрение, поскольку ламинария содержит очень большой набор макро- и микроэлементов. Слоевище в виде пластинки, ровной или морщинистой, цельной или рассечённой, без отверстий, длиной от нескольких десятков сантиметров до 20 м, бурой окраски. Стволик неразветвлённый, прикрепляется ризоидами или дисковидной подошвой. Спорофиты Laminaria многолетние, у некоторых видов их возраст может достигать 11-18 лет. Растут ламинарии, образуя густые заросли в местах с постоянным течением, образуя «пояс ламинарий» на определенной глубине вдоль берегов. Большие подводные «водорослевые леса» образуются обычно на глубине 4—10 м. На каменистом грунте ламинарии в некоторых районах встречаются до глубины 35 м.[4;7] 1.5. Спирогира  Спирогира (лат. Spirogyra) — нитчатая водоросль семейства Zygnemataceae. Тело спирогиры — неветвящаяся нить, состоит из одного ряда цилиндрических клеток. Размножение вегетативное (делением клеток) или половое (конъюгация). При конъюгации клетки двух соседних разнознаковых («+» или «-») нитей соединяются между собой боковыми выростами, образуется копуляционный канал, по которому протопласт одной клетки перетекает в другую и сливается с содержимым последней. Клетка, в которой произошло слияние (зигота), закругляется, отделяется от нити и, одеваясь толстой оболочкой, превращается в зигоспору. Зигоспора перезимовывает и весной проходит мейоз, давая 4 споры, три из которых отмирают, а одна прорастает в молодую нить («+» или «-»). Все стадии, кроме зиготы и зигоспоры, — гаплоидны.[1;2;6] Спирогира одна из наиболее распространенных водорослей пресных вод всех частей света, встречается также и в солоноватых водах. Спирогира образует большие ватообразные скопления, которые плавают на поверхности воды или стелятся по дну и очень часто встречаются в тине стоячих и текучих вод, в прудах, болотах, канавах, речках, ручьях, бассейнах и т. д. Вследствие большой величины клеток спирогиры, достигающей у некоторых ее видов до 0,01 мм, вследствие ясности их строения, эта водоросль является одной из наиболее хорошо изученных и служит классическим объектом при изучении анатомии клетки водоросли. Род разделяется на 2 подрода: Euspirogyra — сливающиеся клетки одинаковы по размеру, копуляционный канал развит — и Sirogonium — сливающиеся клетки различны по размеру, копуляционный канал развит слабо или совсем отсутствует, поэтому клетки сливаются друг с другом непосредственно. Известно около 200 видов спирогир.[1;2;6] 1.6. Улотрикс  Улотрикс (лат. Ulothrix) — род зелёных водорослей Chlorophyta. Обитает в морских и пресных водах, образуя на подводных предметах тину зелёного цвета. Нитчатый тип дифференциации таллома. Хлоропласт постенный в виде пояска, замкнутого или незамкнутого, с несколькими пиреноидами. Ядро одно, но без покраски не видно.[5] Размножается преимущественно вегетативно четырехжгутиковыми зооспорами. Половой процесс — изогамия (гаметы одинаковых размеров). Некоторым видам свойственен гетероталлизм. Двужгутиковые гаметы образуются в клетках так же как и зооспоры. Они выходят наружу и сливаются. Зигота после периода покоя прорастает в кодиолум-стадию, куда переходит её ядро. Через некоторое время наступает мейоз, после чего могут быть еще митозы. В результате образуется 4—8 зооспор, прорастающих в новые нити улотрикса. Все стадии, кроме зиготы — гаплоидны. К улотриксовым относится микроскопическая водоросль — плеврококк, — обитающая на нижней части стволов деревьев или заборов. По нему можно определять стороны света: плеврококк растёт на северной стороне ствола.[3;5;7] Экспериментальная проверка Для оценки возможности использования водорослей в космосе мы исследовали поглощение углекислого газа водорослями, выделение кислорода и возможность применения водорослей в пищу для экипажа космического корабля. Мы взяли из естественных водоёмов нашего города (реки Яуза и Клязьма) образцы хлореллы и спирогиры, в зоомагазине приобрели фукус и улотрикс, через интернет-магазин купили ламинарию и спирулину. Затем мы подготовили 12 колб. 6 для экспериментальных групп и 6 для контрольных. Затем мы приготовили воду, объёмом 250 мл (ограничением была вместимость колбы), субстрат и высадили водоросли. Воду для выращивания морских водорослей фукуса и ламинарии мы готовили следующем образом: засыпали искусственную морскую соль для аквариумов марки Tropic Marine, соблюдая пропорцию – 37 г. соли на 1 л. воды. Для выращивания спирулины мы подготовили воду следующим образом: В 1 литре дистиллированной воды мы растворили 16 грамм гидрокарбоната натрия (сода пищевая), 2 г. нитрата калия, 1 г. поваренной соли, 0,1 г. фосфата аммония, 1 мл крепкого зеленого чая, 0,01 г железного купороса, 0,1 г. сульфата магния, 0,5 г сульфата калия и 0,1 г извести. 2.1. Поглощение углекислого газа Для исследования эффективности поглощения углекислого газа различными водорослями мы поместили по 3 г водоросли каждого вида в 12 колб. Из них 6 колб составляли контрольную группу и 6 колб – экспериментальную. Колбы были помещены в одинаковые условия освещённости и температурные условия. Через колбы экспериментальной группы пропускали углекислый газ, получаемый при взаимодействии кусочков мрамора с раствором соляной кислоты, а аппарате Кирюшкина. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O   По мере растворения мрамора мы заменяли его на новый и продолжали пропускать углекислый газ через колбы с экспериментальной группой водорослей в течение 10 дней. После чего измерили рН воды и взвесили водоросли. Для исключения влияния случайных факторов эксперимент был проведён трижды. Результаты средних значений представлены в следующей таблице:
Данные таблицы были преобразованы в диаграммы:   Из проведённого эксперимента видно, что наиболее хорошо поглощают углекислый газ хлорелла, спирулина, фукус и спирогира. 2.2. Выделение кислорода Кроме поглощения углекислого газа и возрастания биомассы, очень важной функцией водорослей на космическом корабле является выделение кислорода в результате фотосинтеза. Для определения этого параметра мы подсчитали количество пузырьков кислорода на стенках колб и визуально выделяющихся из сосудов. В процессе этого эксперимента мы применяли методику описанную выше.
Данные таблицы были преобразованы в диаграммы: Число пузырьков на стенках сосуда:  Число выделившихся пузырьков за 5 минут  Из проведённого эксперимента можно сделать вывод, что использование ламинарии в качестве утилизатора углекислого газа и источника кислорода и пищи для экипажа космического корабля является неэффективным ввиду сложности технологии выращивания, ограниченного объёма для роста водоросли, недостаточного уровня поглощения углекислого газа и выделения кислорода по сравнению с другими видами водорослей. Также не очень эффективным является использование улотрикса. 2.3. Возможность использовать в пищу. Как было сказано выше, водоросли имеют ряд преимуществ перед высшими растениями в плане их использования в качестве источника пищи для космонавтов при дальнем космическом перелёте. Они быстро увеличивают свою биомассу и содержат большое количество необходимых человеку веществ. Недостатком является тот факт, что клеточные оболочки многих водорослей не разрушаются пищеварительными ферментами человека, и питательные вещества из водорослей не могут быть усвоены. Однако, специальная обработка растительного материала позволит решить эту проблему. Водоросли можно сильно измельчить и использовать как отдельный источник пищи или как приправа к другим блюдам. В настоящее время я работаю над разработкой рецептов блюд из водорослей, которые можно было бы приготовить в условиях дальнего космического перелёта. Выводы В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы: 1. Для дальних космических перелётов необходимы водоросли, они эффективно поглощают углекислый газ, образующийся при дыхании экипажа, и также эффективно выделяют кислород, необходимый для жизнедеятельности людей. 2. Водоросли можно употреблять в пищу. 3. Многие водоросли содержат вещества, препятствующие негативному воздействию ионизирующего излучения на клетки живого организма. Предложения Поэтому я предлагаю, при дальних межпланетных перелётах наряду с высшими растениями использовать водоросли, которые будут обеспечивать экипаж космического корабля кислородом, необходимыми питательными веществами и защищать клетки от воздействия ионизирующего излучения. Источники информации Боголюбов С.А. «Экология» М.: Знание, 1997 Костенко О.К. «Экология» М.: Аквариум, 1997 Новиков Ю.В. «Экология, окружающая среда и человек» М.: Гранд, 1998 http:// bioecolog.ru http://ByGreenBizon.ru http://astraltravel.ru http://knowledge.allbest.ru/biology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||