“Analiza rozwoju chmielu zwyczajnego (Humulus lupulus) w zależności od podawanych substancji i warunków oświetleniowych” – Zespół Szkół nr 1 w Nowym Tomyślu

spotkanie_zdjecie.jpgDwadzieścioro siedmioro uczniów Zespołu Szkół nr 1 w Nowym Tomyślu, wraz z opiekunem, nauczycielem chemii i biologii Mateuszem Wojcieszakiem, wzięło udział w „Klasach Akademickich” jako jednej z części projektu Cyfrowa Szkoła Wielkopolska 2020. Podjęliśmy się analizy rozwoju chmielu zwyczajnego w zależności od podawanych substancji i warunków oświetleniowych, łącząc pasje, zainteresowane uczestników oraz opiekuna. Wspólnie spotykaliśmy się w formie cyfrowej analizując różne etapy realizacji wyżej wymienionego tematu projektu, omawiając sprawy bieżące oraz omawiając tematykę wykładów. Podzieliliśmy naszą grupę na tą, która opracowała zagadnienia w formie teoretycznej, brała udział w badaniach oraz opracowała wyniki w formie cyfrowej.

Roślina badana przez nas należy do kłączy z rodziny konopiowatych. Gatunek ten nie jest wymagający w uprawie, lecz do jego prawidłowego rozwoju najlepsze będzie siedlisko ciepłe, lekko zacienione, osłonięte od wiatru. Gleba powinna być żyzna, dobrze spulchniona, umiarkowanie wilgotna, o pH obojętnym do lekko zasadowego.  Należy zadbać o to, by podstawa i dolna część pędu pozostały chronione przed bezpośrednim słońcem, a górna część pędu posiadała dostęp do światła. Wzrost i rozwój chmielu jest najefektywniejszy, gdy temperatura otoczenia wynosi w granicach 7,5-8,5°C, a w sezonie wegetacyjnym jest to 15-18°C. Z wyżej wymienionych informacji można wywnioskować, że roślina dobrze znosi warunki pogodowe panujące w Polsce.

Chmiel zwyczajny jest silnie związany z naszym miastem. Znajduje się ono 60 kilometrów na zachód od Poznania, a jego populacja wynosi około 20 000 mieszkańców. Tutejsze gleby sprzyjają uprawom chmielu. Stanowią one kombinację torfowisk i bielicy. Poziom wód gruntowych znajduje się najczęściej na wysokości 0,5-1,5 metra pod powierzchnią ziemi. Warunki pogodowe są umiarkowane, lecz należy podkreślić niedobory opadów atmosferycznych przede wszystkimw okresie letnim. Okolica naszego miasta jest zalesiona, co stanowi naturalną osłonę dla rozwijającego się chmielu. Związek naszego miasta z tą rośliną rozpoczął się już w IX wieku, gdy na ziemiach obecnej Wielkopolski została zapoczątkowana uprawa chmielu. Kroniki donoszą, że już w okresie XIII-XIV wieku pojawiły się prywatne plantacje tego surowca.

hops_407645_1920.jpgCzynnikami, które wpłynęły na rozwój chmielarstwa bezapelacyjnie było powstawanie browarów, szczególnie klasztornych i książęcych, co niosło za sobą większe zapotrzebowanie na chmielowy surowiec, a także możliwość polepszania jakości chmielu przez plantatorów, dzięki czemu browary skupowały krajowy produkt. Chmiel nowotomyski słynął z dwóch odmian, które charakteryzowały duże szyszki, duża zawartość garbnika i lupuliny, intensywny zapach, łatwość zbiorów oraz duża wydajność. Jakość surowca przełożyła się na organizowane od II połowy XIX wieku jarmarki i wystawy chmielarskie, w celu poszukiwania kupców pośród klientów pruskich, czeskich, austriackich, szwedzkich i amerykańskich.

Roślina badana przez grupę naszych uczniów posiada wiele zastosowań, spośród których możemy wyróżnić użyteczność w browarnictwie (nadaje piwu charakterystyczny posmak goryczki), lecznictwie (pozostała po suszeniu żółta substancja, znajdująca się we włoskach gruczołowych, nazywana jest lupuliną i jest surowcem leczniczym), działa uspokajająco, przeciwdrgawkowo, stymuluje zasypianie, obniża temperaturę ciała (szyszki chmielowe i lupulina utrudniają przenoszenie bodźców do centralnego układu nerwowego), działa rozkurczowo (szyszki chmielowe zmniejszają napięcie mięśni gładkich naczyń krwionośnych, jelit i dróg moczowych), ułatwia trawienie, przyswajanie pokarmów, zwiększają łaknienie (gorycze zawarte w chmielu pobudzają wydzielanie śliny i soku żołądkowego), a także wykazuje silne działanie przeciwbakteryjne wobec licznych gatunków drobnoustrojów jelitowych (również tych opornych na antybiotyki).

Kwaśne deszcze występują na obszarach silnie uprzemysłowionych, gdzie emisja toksyn jest wysoka. Najczęściej zaobserwować można je w Europie, Stanach Zjednoczonych oraz Azji. Na kontynencie europejskim najbardziej narażone są obszary Europy Środkowej (w tym Polska, Czechy, Słowacja i Niemcy), Europy Północnej (Szwecja, Dania i Finlandia) oraz Wielkiej Brytanii. Najbardziej zagrożony rejon to południowo-zachodnia Polska (głównie Śląsk, Małopolska i Wielkopolska). Z kolei w USA są to północno-wschodnie stany (Ohio, Indiana czy Illinois), skąd wiatr przenosi zanieczyszczenia nad Nową Anglię i południe Kanady. W Azji najbardziej zagrożone są państwa rozwijające się takie jak Chiny, Indie czy Bangladesz, lecz to zagrożenie trwa od lat 70-tych XX wieku, podczas gdy w Europie zarejestrowano je już w XVIII wieku. Każdy z nas może przeciwdziałać kwaśnym deszczom. Jednym z ze sposobów jest ograniczenie emisji niebezpiecznych związków takich jak tlenki siarki, węgla czy azotu, co możliwe jest poprzez wybór roweru zamiast auta, oszczędnoścć papieru i poddawanie go wraz z innymi odpadami do recyklingu. Bezprecedensowo wiadomo, że głównym źródłem emisji zanieczyszczeń są zakłady przemysłowe. Gdyby wykorzystywano w nich pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł emisja zanieczyszczeń pochodzących z elektrowni napędzanych węglem, ropą i gazem znacząco by się zmniejszyła. Przykładem jest Norwegia, w której 98% energii pozyskiwane jest ze źródeł odnawialnych, w wyniku czego jedynym państwem nordyckim (poza Islandią), które nie boryka się z problemem kwaśnych deszczy.

obraz1.pngNasze miasto w 2017r. było niechlubnym liderem w województwie wielkopolskim pod względem zanieczyszczenia powietrza pyłem PM10. Jego średnie stężenie w nowotomyskim powietrzu przekraczało ponad dwukrotnie poziom dopuszczalny przez Światową Organizację Zdrowia.  W 2013 roku Nowy Tomyśl zajął 37 miejsce wśród miast z najbardziej zanieczyszczonym powietrzem z wynikiem 30µg/m3, gdzie wartość graniczna normy PM2,5 wynosi 10µg/m3. Wśród miast Wielkopolskich ten wynik zagwarantował nam niechlubną 2 lokatę. Niska jakość powietrza w Nowym Tomyślu wynika z szybko rozwijającego się przemysłu, co wiąże się z występowaniem kwaśnych deszczy, które mają zły wpływ na rozwój i hodowle roślin, w tym chmielu, którego dotyczyły nasze badania.

Kolejnym zagadnieniem, które dotyczy naszego badania jest fotomorfogeneza. Jest to nauka badająca wpływ światła na ontogenezę organizmów. W przypadku roślin dochodzi do odbierania informacji o braku lub też nadmiernym dostępie do światła i translacji białek niezbędnych do modyfikacji procesów fizjologicznych, adaptując się do nowych warunków. Wśród roślin można zaobserwować wówczas zahamowanie wzrostu, zmniejszenie blaszki liściowej, procesy więdnięcia (spowodowane niemożnością przeprowadzania fotosyntezy), a także (zależnie od gatunku) wzrost w obrębie międzywęźli. Rośliny poddane ciemności od początku ontogenezy mają charakterystyczny jaśniejszy, zielony kolor, w związku ze zmianą rozwoju plastydów. Natomiast rośliny, które dopiero na pewnym etapie doświadczyły problemów z dostępem światła, uzyskują ciemniejszy, zielony kolor, ze względu na rozmieszczenie plastydów oraz gotowość absorbcji każdej dawki światła.

img_3154.jpgW celu przeprowadzenia naszych badań zakupiliśmy siedem roślin chmielu, które następnie podzielono na dwie grupy:

  • badanie wpływu światła na rozwój obiektów badań (2 rośliny),
  • badanie wpływu substancji chemicznych (imitujących kwaśne deszcze) na rozwój obiektów badań (4 rośliny),
  • jedna z roślin pozostała sadzonką rezerwową.

W obecności grupy, zajmującej się tą częścią badań (wpływ substancji chemicznych na obiekt), rośliny zostały zroszone spryskiwaczem (imitacja deszczu). Ten moment był rozpoczęciem badań (części praktycznej) oraz czasem uzupełniania protokołów obserwacji. Druga grupa (wpływ światła na obiekt) rozpoczęła badania w domu, zapewniając warunki świetlne przydzielone każdej z osób w ramach badań. Badanie trwało od 16.02.2021r. do 20.04.2021r. (przez 40 dni rośliny ze względu na porę roku były hodowane aby można było przeprowadzić doświadczenie). Aspektem poddanym badaniom uczniów był wpływ nasłonecznienia na rozwój i ontogenezę. Przebieg badania: jedna z roślin umieszczona została na parapecie o dobowym słonecznym periodzie oraz dostępie do światła, druga z nich została znajdowała się w miejscu całkowicie pozbawionym światła. Obie podlewane były taką samą wodą i taką samą jej ilością. Chmiel zwyczajny każdego dnia o stałej porze był fotografowany, a wyniki wprowadzane do elektronicznej dokumentacji. Wynikami i wnioskami płynącymi z tej części badań jest to, że rośliny do prawidłowego rozwoju potrzebują promieniowania słonecznego. Obiekty, które poddane były energii słonecznej, rozwijały się lepiej. Długość pędu w pierwszym dniu badania wynosiła 45cm, natomiast w ostatnim dniu wynosiła ona aż 18cm więcej i mierzyła 63cm. Obiekt przebywający w cieniu bezapelacyjnie rozwijał się słabiej, jego liście całkowicie uschły, a roślina obumarła. W pierwszym oraz ostatnim dniu badań długość pędu wynosiła 45cm.

img_3157.jpgGrupa badająca wpływ stężenia rozpylanej substancji również przeprowadzała badania w terminie 16.02.2021r.-20.04.2021r. Aspektem poddanym badaniu był wpływ różnych stężeń kwasu siarkowego rozpylanego na rośliny. Przebieg badania: przygotowane zostały 4 sadzonki chmielu zwyczajnego.

20210409_002755.jpgWszystkie sadzonki w trakcie badania przebywały w takich samych warunkach oświetleniowych i wodnych. Na trzy spośród nich rozpylony został kwas siarkowy (VI) o stężeniach: 0,01mol/dm3, 0,1mol/dm3 oraz 1mol/dm3. Jedna z roślin pozostała próbą kontrolną, na którą rozpylono wodę destylowaną. Każdego dnia o stałej porze obiekty były fotografowane, a wyniki wprowadzane do elektronicznej dokumentacji. Wynikami i wnioskami płynącymi z tego badania jest to, że substancje chemiczne zawarte w kwaśnych deszczach (pochodne tlenków azotu i siarki) czyliw naszym przypadku wykorzystane pochodne tlenku siarki (VI), powodują niszczenie struktury morfologicznej liścia, jego tkanek oraz komórek, co prowadzi do finalnej śmierci rośliny lub znacznej degradacji. Wartość rozpylanego stężenia ma wpływ na czas pierwszych widocznych objawów od momentu rozpylenia substancji, ale także na żywotność rośliny. Największe z użytych przez nas stężeń spowodowało, że już po 30-stu minutach widoczne były naoczne zmiany w obrębie rośliny (utrata turgoru, widoczne plamy na powierzchni blaszki liścia, zmiana koloru rośliny). Natomiast po 48 godzinach obiekt całkowicie obumarł. Niższe z użytych stężeń spowodowały plamiste zmiany w obrębie badanego obiektu, jednak nie powodują jego kompletnej śmierci części nadziemnej i podziemnej. Ciekawostką jest to, że z rośliny poddanej stężeniu 0,01 mol/dm3 pomimo obumarcia zielonego pędu, z kłącza wyrosły nowe pędy. Obrazuje to nam zdolności regeneracyjne rośliny.

 

Poniżej zamieszczamy multimedialną prezentację naszych poczynań.