Методическая разработка интегрированного урока химии и биологии Виртуальная экскурсия на помойку

ПУШКИНСКИЙ ЛИЦЕЙ ЭКОНОМИКИ ПОЛИТИКИ И ПРАВА
Методическая разработка интегрированного урока по биологии
«Экскурсия на помойку»
К.б.н. Большова Н.И., учитель биологии
2017
Тема урока: «Виртуальная экскурсия на помойку»
Цель: расширение кругозора учащихся в области многообразия организмов, встречающихся в локальных экосистемах.
Задачи:
Образовательные:
- продолжить формирование знаний о сложности экосистем, познакомить с различными видами организмов, которые участвуют в химических процессах на свалках и помойках;
- сформировать представление о сложности процессов, которые происходят в локальных экосистемах, созданных человеком;
- умение составлять конспекты
Развивающие:
- развивать умение сравнивать, изучать процессы, происходящие в окружающей среде, давать им соответствующую оценку.
Здоровьесберегающие:
- учащиеся должны понять, что свалки и помойки являются источниками различных заболеваний человека
Воспитательные:
- учащимся необходимо усвоить, что нельзя бесконтрольно выбрасывать различные отходы, так как это загрязняет окружающую среду.
Тип урока: интегрированный урок - биология-химия
Формы работы: составление конспекта.
Учитель. Куда податься биологу в каменных джунглях большого города? Ведь дикая природа все больше оттесняется из городов в далекие заповедники... А на помойку! Экскурсия сюда будет довольно интересной, поучительной и полезной. Конечно, по гигиеническим соображениям нас с вами такую экскурсию лучше проводить мысленно. Главными "экскурсоводами" у нас будут биолог и химик.
С л о в а р ь э к с к у р с о в о д а.
Анаэробные микроорганизмы – микроорганизмы, способные существовать в бескислородной среде.
Брожение – неполный, без участия кислорода, распад органических веществ, в первую очередь углеводов.
Гниение – разложение микроорганизмами азотсодержащих, преимущественно белковых, соединений; может проходить как с участием кислорода, так и в бескислородных условиях.
Компост – однородная масса перегнивших органических остатков, смешанная с грунтом, пригодная для удобрения и роста растений.
Сапрофиты – организмы, питающиеся разлагающимися остатками растений и животных.
Условно патогенные микроорганизмы – микроорганизмы, обычно безвредные, но способные при определенных условиях становиться причиной заболевания (например, кишечная палочка). В последнее время эта группа микробов пополняется новыми видами, ранее считавшимися абсолютно безвредными
Учитель. В больших городах скапливается много мусора, его утилизация становится все большей проблемой. В России за год образуется около 7 млрд т бытовых отходов, в Московском регионе – 6 млн т. (до 350 кг на одного человека в год). До трети состава мусора – пищевые отходы. В средней полосе России в 1980-е годы в пищевых отходах было до 85 % очисток картофеля, мясные же и рыбные остатки и овощи составляли менее 10 %. В пищевых отходах также встречаются частички шерсти, пуха, перьев, кожи. В последние десятилетия в составе непищевого мусора растет доля бумаги, картона и особенно пластмасс, в т. ч. полиэтилена, которые практически не разлагаются естественным путем. Итак, в путь.
Начало "путешествия" – в глубине мусорной кучи. Здесь, куда не проникает воздух, где нет кислорода, развиваются анаэробные микроорганизмы. Они очень широко представлены в почве. Это например, клостридии (слайд1), для которых характерно разложение углеводов, в т. ч. целлюлозы, при помощи процессов маслянокислого и ацетоно-бутилового брожения.
Образующиеся в результате этих реакций продукты обычно имеют довольно терпимый запах. Но клостридии же вырабатывают очень сильные токсины, опасные для человека. Например, бутулин (слайд2), отравление этим веществом нередко заканчивается смертью. При попадании в раны некоторые клостридии вызывают раневые инфекции – столбняк, газовую гангрену. Клостридии могут образовывать споры, которые выдерживают нагревание до + 80 °С в течение одного часа.
Продолжим экскурсию.
В аэробных условиях хорошо разлагают целлюлозу(бумагу, листовой опад) бактерии родов цитофага(слайд3) и спороцитофага. Хорошие мусорщики – изогнутые бактерии спириллы(слайд4). Факультативными анаэробами, т. е. способными жить как в присутствии кислорода, так и без него, являются бактерии рода псевдомонас(слайд5), разлагающие крахмал, клетчатку, белки, ароматические углеводороды. Более 200 видов этого рода широко распространены в почвах, продуктах, сточных водах, даже в нефти и газовых месторождениях. Псевдомонады способны выделять светящийся пигмент и поэтому могут служить индикатором испорченности продуктов. Эти микроорганизмы также вырабатывают токсичные вещества и могут быть возбудителями гнойных инфекций ран. Из-за их пигмента гной ран имеет зеленоватую окраску. При попадании в кишечник новорожденных псевдомонады вызывают его воспаление.
Также, частично без кислорода, могут существовать и разные кокки – бактерии сферической формы. Например, стрептококки(слайд 6) вызывают молочнокислое брожение, родственные группы педикокков(слайд 7) сбраживают растительные остатки. Есть особые группы паразитических микробов, которые живут в организме человека или животных и вызывают у них болезни, в частности стрептококковую ангину, скарлатину, родовой сепсис. Частичные анаэробы стафилококки(слайд8) постоянно встречаются на коже, в остатках продуктов, в воздухе. Они вырабатывают желтый пигмент. Типичный возбудитель гнойных инфекций – стафилококк золотистый . Он может вызывать фурункулез, абсцесс, мастит. При попадании в желудочно-кишечный тракт стафилококки способны вырабатывать токсины, вызывая тошноту, рвоту, понос. В кишечнике человека обитают и энтерококки(слайд9), они выделяются с фекалиями, хорошо сохраняются во внешней среде и поэтому могут служить индикатором фекального загрязнения среды. Вообще паразитические микробы из организма человека, обычно вызывающие заболевания, могут долго сохраняться в мусоре и отбросах, хотя и не размножаются там.
Большинство кокков рода Micrococcus(слайд10) широко распространены в грязи, пыли, почве, воздухе, морской и пресной воде, мясо-молочных продуктах. Они очень устойчивы к высушиванию и нагреванию. В основном на эти микроорганизмы ложится нагрузка по переработке мусора – его разложению и компостированию при недостатке кислорода.
В сбраживании органических веществ принимают участие и дрожжи – грибы, которые существуют в виде раздельных одиночных клеток. Они, в частности, участвуют в процессах спиртового брожения. Это группа эндомицетов(слайд 11). Субстратом для спиртового брожения обычно являются фрукты и ягоды.
Ближе к поверхности в слое мусора уже не встречаются строгие анаэробы – клостридии, но есть факультативные анаэробы, способные жить и в присутствии кислорода, – стафилококки, стрептококки. Здесь же появляются и аэробные микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для своего существования, например бациллы рода бациллюс(слайд12). Строго-анаэробные бактерии, вероятно, являются наиболее древними, а специализированные аэробы – эволюционно более молоды. Аэробные бактерии хорошо размножаются в увлажненной почве (не менее 50 – 60 % влажности), при температуре +30... +40 °С, но ряд видов развивается и при температуре ниже +12°, и выше +50°. Уже через 30 минут при комнатной температуре остатки пищи начинают разлагаться под влиянием бактерий. Летом в лесу остатки картофеля и овощей разлагаются и высыхают за 1–2 недели.
Еще быстрее разлагаются продукты животного происхождения. Многие из микроорганизмов-аэробов ответственны за процессы гниения – разложения белков. При этих химических реакциях выделяются метан, сероводород, аммиак. Эти газы и обусловливают резкий неприятный запах гниющих мясных продуктов – в отличие от процессов брожения.
В процессе своей жизнедеятельности в мусоре микроорганизмы продуцируют многие биологически активные вещества: витамины, ферменты, антибиотики, аминокислоты, гормоны. Некоторые из них могут быть, например, стимуляторами роста растений, некоторые – токсичны для человека и животных. Например, ряд продуктов, образующихся при разложении белков, очень ядовиты для человека, но успешно усваиваются другими организмами – сапрофитами, специализирующимися на переработке гниющих растительных и животных остатков.
По краям помойки разнообразие сапрофитов еще больше. Здесь больше кислорода для дыхания, сюда поступает больше воды из атмосферы. Тут еще встречаются стрептококки и стафилококки, но более характерны другие виды микроорганизмов. Картофельные и сенные бациллы разлагают белки и крахмал растительных остатков, выделяя в качестве продуктов обмена различные вещества. Фермент фосфолипидной природы, продуцируемый бациллами вида Bacillus circulans, токсичен для человека и, попадая в организм, способен приводить к пищевым отравлениям, как правило, не смертельным. Эти бациллы очень часто вызывают порчу различных продуктов, особенно консервов в банках с трещинами, через которые проникает воздух (в отличие от бутулизма, вызываемого продуктами метаболизма клостридии, развивающейся в бескислородных условиях герметически закрытых, но плохо простерилизованных консервов).
Можно встретить в мусоре флавобактерий(слайд13), которые разлагают не только растительные остатки, но даже и некоторые ядовитые гербициды. Очень распространена кишечная палочка(слайд14). Поскольку она попадает во внешнюю среду из кишечника человека, то ее присутствие на пищевых продуктах служит показателем их загрязнения. Некоторые штаммы (разновидности) могут вызывать кишечные заболевания, т.е. являются условно патогенными. В переработке мусора кишечная палочка особой роли не играет.
Сохраняются в фекалиях до 4 лет, а в сырых яйцах – 13 месяцев сальмонеллы(слайд15) – возбудители брюшного тифа, паратифа, сальмонеллеза. При попадании в желудочно-кишечный тракт бактерии рода шигелла(слайд16) вызывают дизентерию, а вибрионы рода вибрио(слайд17), встречающиеся в грязной воде и предпочитающие щелочную среду, могут вызывать холеру. Несколько десятилетий сохраняется в земле бацилла сибирской язвы(слайд18).
В сухой почве развиваются микобактерии(слайд19), которые принимают активное участие в минерализации органических остатков, процессах брожения, квашения, силосования и могут разлагать даже нефть и воск. И среди этой группы есть опасные для человека – возбудители туберкулеза и дифтерии, которые долго могут сохраняться в мусоре, хотя и не перерабатывают его.
Кроме бактерий в куче отходов присутствуют и грибы. Помимо дрожжей большую роль в разложении органических веществ играют «лучистые грибки» – актиномицеты(слайд20), т. е. бактерии, образующие мицелий. Среди них есть как анаэробы, так и аэробы. Описаны актиномицеты, например, рода Streptomyces, усваивающие углеводороды (керосин, бензин, парафин), расщепляющие белок кератин, хитин насекомых, клетчатку, фенольные соединения, – т. е. вещества, которые почти не разлагаются другими организмами, что очень важно для биологической утилизации промышленных отходов. Актиномицеты в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают витамины группы В, гормоны, антибиотики, ферменты. Обычно они развиваются при очень малой влажности почвы (до 8 – 10 %) в условиях, где отсутствует другая микрофлора.
В процессе разложения микроорганизмами органических остатков выделяется тепло, и мусорная куча может разогреваться до +50 ... +60 °С. В этих условиях гибнут многие паразитические болезнетворные микроорганизмы, которые не могут размножаться вне человеческого тела, меняется состав микробов, и на образовавшемся компосте начинают обильно произрастать растения – например, репейник, лебеда, марь, мокрица, разные крестоцветные и т. д. Для образования компоста из мусора нужно 15–18 месяцев; из кала, навоза в смеси с торфом – до 4 месяцев. Зимой, в мороз, образование компоста приостанавливается, а в теплую погоду ускоряется.
Присутствие целого ряда грибов в мусоре можно определить по наличию «плесени». Очень распространены грибки рода пенициллов(слайд21), они могут продуцировать пенициллин – сильный антибиотик. Грибок часто портит бумагу, образуя на ней красноватые пятна. Пенициллы P.italicum и P.digitatum, образующие сине-зеленые налеты, вызывают порчу цитрусовых. Они имеют обманчивый приятный запах, но могут быть и токсичны. А вот пеницилл P.citreo, придающий рису желтый цвет, выделяет сильный токсин цитреовиридин, который может вызывать серьезные отравления. Токсины выделяет также и P.purpukogеnum, а его споры вызывают атомикозы.
Пеницилл P.expansum селится на хлебе, но особенно часто поражает яблоки – мягкой коричневой гнилью. При хранении потери яблок от этого грибка могут достигать 85–90 %, а его споры вызывают у человека аллергию. Пенициллы могут встречаться при температуре от –4 до +33 °С. Грибок P.puberulum поселяется на мясе даже в холодильнике. Зеленые грибки P.roguefokti поселяются на сырах.
Низкая влажность и щелочная среда благоприятны для развития грибков рода аспергилл(слайд22). Их можно встретить на хлебе, варенье, коже, зерне, бобах, горохе, растительных маслах, овощах, орехах, рыбе, ливере, и даже на пластмассе, воске, парафине. A.fumigatus разрушает шерсть, хлопок, зерно, хитин. В компостных кучах при температуре до +50 °С этот грибок составляет до 70% всей микофлоры. Его споры сохраняют жизнеспособность после 6–8 минут пребывания в 60%-ном спирте. Еще один аспергилл, A.versicolor, часто поражает переплеты книг.
Аспергиллы обладают высокой биохимической активностью, в процессе своей жизнедеятельности они выделяют алкалоиды, антибиотики, витамины, ферменты, органические кислоты и токсины. Поселяясь в легких и тканях птиц, млекопитающих и человека, они вызывают серьезные заболевания – аспергиллез, эндокардиты, поражения мозга. Токсины A.fumigatus действуют на кровь, A.flavus выделяет сильный канцерогенный афлотоксин.
Грибковая плесень не вся видна невооруженным глазом на продуктах, очень часто она токсична и устойчива к нагреванию. Поэтому продукты с грибковой плесенью лучше выбрасывать, а не пытаться ее счищать или вываривать.
Грибы поселяются на фекалиях, растительных остатках, целлюлозе, клее, краске, коже и поэтому играют важную роль в биоразрушении мусора. Однако разные виды грибов имеют свои требования к субстрату, влажности, температуре среды, они размножаются медленнее, чем бактерии, и поэтому встречаются реже и на более ограниченных участках.
Важную роль играют грибы в разрушении мертвой древесины, бумаги, т. е. целлюлозы. Различные виды могут разрушить до 10–60 % волокон бумаги за 3 месяца, но они же уничтожают до 10–30 % заготавливаемой древесины.
К сапрофитным грибам относятся также альтернария(слайд23) и склеротиния(слайд24), поражающия овощи при хранении. Грибы рода Peziza часто растут на компосте и навозе, мукоровые грибы – на сене, соломе, зерне, яблоках, грушах, картофеле, свекле. Грибы семейства тамнидиевых(слайд25) образуют на мясе плесень даже в холодильнике. При минимальной влажности развиваются грибы семейства эуроциевых(слайд26). В результате их жизнедеятельности образуется вода, после чего в увлажненной среде селятся и другие, более влаголюбивые грибы. На навозе селятся сордарии(слайд27), разлагают и усваивают навоз грибы семейства аскоболовых(слайд28), навозниковых(слайд29). На растительных остатках поселяются фикомицеты(слайд30), аскомицеты(слайд31).
В мокром грунте свалок можно встретить простейших – амеб, эвглен, инфузорий(слайд32). Эвглены еще могут сами усваивать органические вещества, но инфузории чаще питаются бактериями, т. е. являются уже вторым звеном в пищевой цепи помойки. На разлагающихся растительных остатках могут поселяться круглые черви – нематоды(слайд33), многие из них связаны с бактериями, которые доводят белки и углеводы до растворимого состояния, пригодного для питания нематод. В почве, удобренной отбросами овощей, могут размножаться кольчатые черви – олигохеты(слайд34), которые прямо поедают растительные частички. Это энхитреи(слайд35) и дождевые черви семейства Jumbricidae.
Очень распространены на остатках продуктов мелкие клещи: тут и панцирные клещики(слайд36), и амбарные(слайд37), зерновые(слайд38), тирофагусы и калоглифусы(слайд39). Они питаются органическими остатками, пометом, грибами и встречаются на зерне, муке, корнеплодах. В хороших условиях они быстро размножаются, а в плохих тироглифоидных клещиков спасает жизненная форма гипопус – неподвижная расселительная нимфа, очень устойчивая к неблагоприятным условиям.
Из ракообразных на свалке попадаются мокрицы(слайд40) – они также поедают растительный мусор.
В окрестностях свалок можно встретить мелких насекомых – ногохвосток, или коллембол(слайд41), похожих на прыгающие точки. Они предпочитают питаться органическими остатками, уже подгнившими, частично переработанными грибками и микробами. Ночью помойки в поисках растительных остатков посещают уховертки(слайд42), сверчки(слайд43), тараканы(слайд44), особенно рыжий – пруссак, постоянный гость мусоропроводов, успешно путешествующий по ним в домах. Фекалии, навоз, почва, богатая органическими остатками, привлекают жуков-навозников афодиев(слайд45) – маленьких, размером 3–12 мм. Они нередко встречаются в городах.
В сухих условиях часть мусора не разлагается, а высыхает. Эти сухие органические остатки также имеют своих потребителей. Остатки шерсти и кожи поедают жуки кожееды(слайд46) и их личинки. Сухие зерна и фрукты поедают личинки грибной и зерновой моли(слайд47) – до 10 видов рода Nemapogon; мех, шерсть, перья – пища личинок молей рода Tineola.
Легко проникают даже в закрытые мусорные кучи муравьи(слайд48), в частности садовый и фараонов. Заползая после этого в жилые помещения, они могут, как и тараканы и домовые сверчки, заносить сюда с помоек целый ряд болезнетворных микроорганизмов. Не брезгуют мусором, гнилью, падалью и элегантные осы(слайд49) рода Vespa. В Киевском институте онкологии случайно обнаружили, что на осах бывает не меньше стафилококков и стрептококков, чем на мухах.
Обилие мелких насекомых на мусоре привлекает сюда небольших хищных жучков-карапузиков(слайд50) семейства Histeridae. Неустанно ищут они личинок мух и жуков на падали и навозе, гниющих растительных остатках.
В компосте хорошо живут личинки жуков бронзовок(слайд51) и носорогов(слайд52). Иногда на подходящем мусоре, падали могут встретиться жуки хрущики(слайд53), мертвоеды(слайд54), но эти гости тут не очень частые.
Ну, и, конечно, помойка, – это царство мух и других двукрылых(слайд55). Разобраться в их множестве может только специалист: на гнилых фруктах, овощах размножаются плодовые коричневатые мушки дрозофилы, на прочей гнили – темные, мелкие муравьевидки(слайд56), горбатки(слайд57), толстоножки(слайд58), бабочницы(слайд59), мясные (слайд60), падальные мухи(слайд61) и даже зимние комарики(слайд62), что встречаются зимой на снегу.
Из позвоночных животных на свалке можно встретить птиц, иногда сюда во множестве за кормом прилетают вороны(слайд63), галки(слайд64), грачи(слайд65), сороки(слайд66), чайки(слайд67). Прямо в мусорные ящики залетают зимой голуби(слайд68), черные дрозды(слайд69), большие синицы(слайд70), домовой воробей(слайд71). Если на свалке есть лужи, то их во время осенних пролетов могут навещать разные кулики(слайд72).
Семена сорняков, что обильно вырастают у свалок, привлекают сюда полевых воробьев(слайд73), щеглов(слайд74), зеленушек(слайд75), коноплянок(слайд76), чечеток(слайд77), снегирей(слайд78). Могут прилететь овсянки(слайд79), хохлатые жаворонки(слайд80). Весной на свалки – уже за насекомыми – залетают славки(слайд81), пеночки(слайд82), камышовки(слайд83), варакушки(слайд84). На Дальнем Востоке, на свалках у рыбоконсервных заводов даже образуются постоянные популяции насекомоядных птиц, которые собирают личинок мух на рыбных отходах. Тут живут дрозды(слайд85), овсянки(слайд86), коньки(слайд87), трясогузки(слайд88) и даже соловьи(слайд89).
Обилие мелких птиц привлекает на свалки и хищников: ястребов(слайд90), соколов(слайд91), сов(слайд92). Из них наиболее частые гости: ушастая сова, ястреб-перепелятник, сокол-дербник, которых можно встретить и в больших городах. Разумеется, к уничтожению мусора они отношения не имеют, на свалке это хищники 3–4-го звена.
А вот млекопитающих – крыс(слайд93), реже мышей(слайд94), а также собак(слайд95) и кошек(слайд96), на свалки привлекают прежде всего именно пищевые отбросы. Гоняться за живой добычей в городах кошки и собаки нередко просто отвыкают. За грызунами и насекомыми на свалку могут наведываться лисы(слайд97) и ежи(слайд98). Но и они зачастую не гнушаются отбросами человеческого стола, внося свою долю в уничтожение отходов.
Так помойки и пищевые свалки у населенных пунктов, особенно в больших городах, становятся основным местом сбора корма для многих птиц и млекопитающих, сложным образом вплетаясь в систему экологических связей на достаточно больших территориях. При исследованиях живой природы в населенных пунктах и окружающих их районах свалки все больше привлекают внимание биологов.
Вопросы для обсуждения:
Как можно графически изобразить экологическую систему помойки?
Какие уровни трофической цепи в ней представлены?
Участвуют ли автотрофы в этой цепи?
Список литературы
1. М.М.Боднарук, Н.В. Ковылина. Биология. Дополнительные материалы к урокам к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии в 10-11 классах, издательство «Учитель»,Волгоград, 2007г. Стр 95-104
2.М.В.Высоцкая. Биология и экология 10-11 классы, проектная деятельность учащихся. Издательство «Учитель», Волгоград.
3.Я.С.Шапиро. Микробиология 10-11 классы. Москва, издательство «Вентана Граф» 2008г.