ПОП_и_ООС_заочникам / Теория (основная) / Лекции ПОЛНЫЕ

ингридиентам) по оценкам многих авторов в 1,5-2,0 раза превышает объем загрязнений с речным стоком.

5. Непосредственное промышленное загрязнение вод океана

Непосредственное промышленное загрязнение вод океана – это, прежде всего, нефтяное загрязнение. Многочисленные аварии судов, танкеров, аварии при разведке и добыче нефти и газа на шельфе привели к загрязнению ~⅓ поверхности Мирового океана.

По данным Института охраны окружающей среды и энергетики США в 70-80-е годы отмечалось до 1000 аварий в водах США, при этом количество разлитой нефти колебалось от 25 тыс. т до 65 тыс. т. Заметим, что 1 т нефти способна покрыть пленкой 12 км2

Наибольшие концентрации нефтяных углеводородов в Мировом океане локализованы в тонком поверхностном микрослое.

Вблизи нефтяных платформ, вдоль танкерных маршрутов содержание нефтяных углеводородов может быть на 1 порядок больше, чем в открытом океане. В загрязненных эстуариях в донных отложениях концентрация нефти может составлять 5-160 мг/кг, а в открытых районах моря – 0,1-1,0 мг/кг.

Самыми грязными с точки зрения нефтяного загрязнения являются Северное и Средиземное моря.

Наиболее крупная авария танкеров произошла в 1967 г. – танкер Гарри Каньон 18 марта сел на мель в Северном море, вылилось 100 тыс. т нефти. В 1977 г. на нефтяной вышке “Браво” в центре Северного моря вылилось 13 тыс. т нефти и 19 тыс. т газа.

6. Захоронение особо опасных отходов в Мировом океане

Втечение целого ряда десятилетий XX века в ряде районов Мирового океана осуществлялось захоронение особо опасных отходов промышленности, включая радиоактивные вещества, химические и обычные боеприпасы и другие опасные для человека и всего живого материалы.

Еще перед II Мировой войной в Балтийском море было захоронено 7 тыс. т мышьяка в “особо прочных” цементных контейнерах. Этого мышьяка хватило бы, чтобы отравить все население Земли. Естественно, в агрессивной морской среде контейнеры продырявились и из них началась утечка мышьяка.

После войны в руки союзников попало 302 тыс. литров трофейных химических боеприпасов. Боеприпасы, доставшиеся СССР были рассеяны в районах порта Лиепая и датского о. Борнхольм (35 тыс. л). Эти опасные районы обозначены на лоцманских картах.

США и Великобритания вывезли в море списанные суда, в которых химическое оружие уложили в штабели в корабельных отсеках, и затопили их в проливах Скагеррак и Каттегат. Их затопили в четырех местах. Это по сути мины замедленного действия, поскольку с учетом коррозии в 0,10-0,15 мм/год, можно прогнозировать, что верхние боеприпасы раздавят нижние истончившиеся и может произойти массовый залповых выброс иприта, люизита, арсенида, адамента в водную среду. Еще в 1998 г. морской экологический патруль обнаружил в районе шведского порта Люсекил придонные концентрации опасных веществ (ОВ). Расчет, основанный на данных о толщине стенок боеприпасов позволяет предполагать, что залповый выброс ОВ может произойти в ближайшие 5 лет. Пострадают Балтийское и Северное моря. А здесь вылавливается 2,5 млн. т морепродуктов. Трогать захоронения боеприпасов также нельзя. Россия предложила “капсулировать” эти захоронения путем закачки бетона в суда.

В1950-1992 гг. в Новоземельской впадине Карского моря было затоплено 15 реакторов атомного ледокола Ленин, притом 3 реактора с частично не выгруженным топливом и 13 реакторов аварийных атомных подводных лодок из 6 с отработанным топливом.

Великобритания затапливала радиоактивные отходы в Ирландском море, а Франция – в Северном, откуда загрязнения с течениями следуют в Норвежское и Баренцево моря. Тихоокеанский флот, в соответствии с международными нормами сбрасывал свои жидкие отходы в Тихий океан (сливались в специальные баржи, которые затапливались на больших глубинах).

В середине 1990-х гг. Япония решила проблему, выделив нам деньги на строительство плавучей установки по переработке жидких отходов “Ландыш”. Пока обследование районов затопления барж не выявило утечки радиоактивности, за исключением двух районов, где было зафиксировано возрастание концентрации цезия-137 в донных осадках.

Экологические последствия загрязнения морской среды

Анализ литературных данных показывает, что наиболее опасными с точки зрения воздействия на морские экосистемы являются следующие вещества:

–углеводороды (сырая нефть; полициклические ароматические углеводороды – ПАУ, наиболее распространенный в ряду ПАУ – бенз(а)пирен – БП);

–хлорированные углеводороды (полихлорированные бифенилы – ПХБ, пестициды, в том числе ДДТ и др.);

–токсичные металлы (ртуть, кадмий, свинец и др.);

–долгоживущие искусственные радионуклиды (плутоний, цезий, стронций с длительным периодом полураспада).

Общим свойством практически всех загрязняющих океан веществ (как, впрочем, и в пресной воде) является их токсичность и способность к возрастающему концентрированию в организмах с повышением их трофического уровня в морских экосистемах.

На открытых водных поверхностях при загрязнении нефтью образуется эмульсионный слой нефть-вода, который препятствует газообмену между водой и воздухом. Этот эффект приводит к тому, что все живые организмы, находящиеся под этой пленкой, постепенно задыхаются (ацидоз). У морских птиц контакт с нефтью приводит к склеиванию оперения, они быстро гибнут от переохлаждения. Кроме того, растворимые в воде окисленные компоненты нефти могут обладать токсическим действием.

Из состава сырой нефти наиболее токсичны легкие и ароматические фракции. Однако, низкомолекулярные фракции быстро испаряются из сликов на поверхности и производят малый поражающий эффект.

Испарение – это первый процесс трансформации нефти в море. Скорость испарения зависит от природного состава нефти, температуры, ветра, волнения. По оценкам

специалистов через полчаса после попадания в воду летучие соединения испаряются. При этом на испарение влияет вид нефти, в зависимости от которого испаряется от 10% до 40% попавшей в воду нефти. В первую очередь это относится к низкомолекулярным алифатическим и ароматическим углеводородам. Для полициклических ароматических углеводородов скорость испарения и растворения сравнимы и очень малы. К концу первых суток испаряется до 50% соединений нефти, содержащей 13-14 атомов углерода, а к концу третьей недели – 50% соединений с 17 атомами углерода. Потери нефти при испарении могут достигать ⅔ массы. В процессе испарения, которое может длиться долго (месяцы и более) вязкость в остатке нефти увеличивается, образуются смолообразные комки.

Следующий этап, заслуживающий внимания, – растворение нефти в морской воде. Большинство компонентов нефти плохо растворяется в морской воде. Установлено, что лишь 1-3% сырой нефти растворяется в воде. Наибольшей растворимостью обладают низкомолекулярные ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилол.

Третий процесс трансформации нефти – эмульгирование. Некоторые виды нефти очень быстро абсорбируют воду. В результате образуется либо нефте-водная эмульсия (эмульсия нефти в воде), либо водно-нефтяная эмульсия (эмульсия воды в нефти, когда нефть абсорбирует воду в количестве, превышающем 50% своего объема). Так, североамериканская нефть абсорбирует за 7 часов до 80% воды. Тяжелая нефть с высокой вязкостью образует более устойчивые эмульсии. Такие эмульсии тяжелой нефти часто называют “шоколадным муссом” из-за плотного вязкого вида и шоколадного цвета. Такой “мусс” может оставаться на воде и берегу без изменения в течение многих месяцев.

Четвертый процесс – образование нефтяных агрегатов. Некоторые компоненты нефти (асфальтены, полужидкие смолы, воски) остаются в поверхностном слое. Под влиянием биотических процессов вязкость мусса повышается и происходит его слипание в агрегаты (от нескольких миллиметров до многих сантиметров). Потери нефти на формирование агрегатов составляет 5-10%. Общее количество нефтяных агрегатов в Мировом океане оценивается ~280 тыс. т (вдоль транспортных маршрутов, в Средиземном, Японском, Карском морях и в водах Атлантического океана, в морях, омывающих Западную Европу и западное побережье Африки). Есть доказательства, что, начиная с 1979 г., их количество начало убывать (в Средиземном море 500-600 мг/м2, в Саргассовом – до 96 мг/м2, у берегов Японии – до 100 мг/м2).

Пятый процесс – седиментация. Возникновение этого процесса связано с тем, что труднорастворимые остатки нефти по своему удельному весу приближаются к плотности морской воды или превышают ее и тонут. Этому способствует и поглощение нефти

зоопланктоном и включение ее в фекальные пеллеты. Так понеподы Calanus finmarchicus могут осаждать с фекальными пеллетами 1,5·104 г нефти в день, т.е. 15 кг. Популяция из 2000 каланусов, обитающая на площади в 1 км2, может вывести 3 т нефти в сутки при ее концентрации 1,5 мкг/л.

Но основную судьбу нефти в океане решают бактерии. Именно бактериальная трансформация и окисление нефти определяют ее окончательную судьбу в Мировом океане. Микроорганизмы моря функционируют как компоненты сложного микробиоценоза.

Шестой процесс – биологическое разложение нефти. Экспериментально доказано, что смешанное бактериальное население более эффективно разрушает различные типы сырой нефти, чем отдельные штаммы. Окисление нефти в море осуществляется всем микробным ценозом, а не отдельными группами бактерий. Можно полагать, что доля окисления нефти и ее компонентов морскими бактериями составляет в среднем 50-60%.

Чем опасно загрязнение сырой нефтью?

1.Зоопланктон, который поедает нефть, а им питается рыба, снижает ее товарные качества.

2.Катастрофические разливы нефти вызывают массовую гибель водной и донной флоры и фауны, и особенно в больших масштабах они поражают птиц. Так, в Северной Атлантике и Северном море от загрязнения оперения нефтью ежегодно погибает от 150 до 450 тыс. птиц.

3.Нефть влияет на структуру сообществ морских организмов и приводит к снижению стабильности системы. Изменяется соотношение видов и родов, уменьшается видовое разнообразие, обильно развивается углеводородокисляющая микрофлора, биомасса которой токсична для многих гидробионтов.

Полициклические ароматические углеводороды (на примере бенз(а)пирена)

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) получили глобальное распространение. Основным наиболее опасным из них следует считать бенз(а)пирен (БП). Повышенное содержание БП, наблюдаемое в настоящее время в Мировом океане, обусловлено антропогенной деятельностью. 30 т БП поступают в Мировой океан из атмосферы. Утечка нефти в морскую среду дает еще до 10 т БП. Потеря отработанных масел также дает поступление БП в воду, и примерно 30 т БП поступает от смыва с прибрежных территорий с речным стоком.

Бенз(а)пирен – C20H12 – имеет молекулярную массу 252,32. Растворимость БП в воде незначительна. Но в присутствии различных примесей его растворимость повышается,

она значительна в лимфе и сыворотке различных организмов и, особенно, в сыворотке человека.

Мутагенное и канцерогенное действие БП доказано на ряде животных. Эффективная доза БП мала.

ПАУ не производятся промышленностью, они образуются в процессах горения и содержатся во многих природных продуктах. Например, представителей этой группы соединений можно встретить в нефти, смолах, битумах, саже, они выделяются из гуминовых кислот компонентов почвы, содержатся в выхлопных газах двигателей, продуктах горения печей, отопительных установок, в табаках и пр. Они устойчивы в любой среде, что способствует их накоплению.

ПАУ накапливаются в поверхностных слоях океана. Наибольшее загрязнение характерно для бухт, заливов, замкнутых и полузамкнутых морских бассейнов, подверженных интенсивному антропогенному воздействию.

Особо высокие уровни ПАУ отмечены в бассейнах Северного и Каспийского морей (морские нефтеперевозки), Средиземного и Балтийского морей (индустриальные зоны). В экваториальной зоне Тихого океана их практически нет. Фоновое значение – 0,001 мкг/л (1 нг/л). В Балтийском море южнее о. Готланд зимой 1978 г. в поверхностном микрослое было зафиксировано 132 нг/л, а в придонном горизонте – 108 нг/л. В целом характер содержания БП коррелирует с содержанием нефтяных углеводородов. Летом 1978 г. наибольшие значения БП зафиксированы в западной прибрежной части моря – 180 нг/л. Повторная съемка моря в 1987 г. зафиксировала понижение содержания БП. В Беринговом море в 1984 г. были зафиксированы еще большие значения БП – до 1410 нг/л. У берегов Японии в поверхностном слое в 1981 г. зафиксировано значение 110 нг/л, а в

1984 г. – 122 нг/л.

БП накапливается не только в массе вод, но и в грунтах (в донных отложениях) в верхнем 5 см слое. Фон концентрации, по-видимому, около 5 мкг/кг сухой массы (у берегов Гренландии). В Ла-Манше на трассе судоходства – 5000 мкг/кг сухой массы. На французском побережье Средиземного моря – 2000-5000 мгк/кг. В порту Бостона – 7-12 мкг/кг. Большой Барьерный риф – 0,01 мкг/кг.

На Балтике в 1978 г. значения колебались от 12,8 до 134 мкг/л. Увеличение содержания ПАУ в морских водах, особенно в продуктивных прибрежных районах, вызывает не только адсорбцию этих соединений на поверхности организмов, как это отмечено у дафний, но и активную внутриклеточную аккумуляцию канцерогенных углеводородов. Коэффициенты накопления при этом могут варьировать от нескольких десятков до нескольких тысяч. Накопление ПАУ идет и в бентосных организмах и в

объектах ихтиофауны. Особенно у карпов (!), которые за 76 часов способны накопить 2700-кратное количество ПАУ.

БП-трансформирующая микрофлора также как и в случае нефти обеспечивает сохранение чистоты океана. От нуля до 100 клеток на 1 мл изменяется эта флора, и максимальна она в зонах с повышенным содержанием БП. Штаммы бактерий, выделенные из морской воды, обладали способностью к трансформации от 10% до 67% вносимого БП.

Долгопериодные исследования в Балтийском море свидетельствуют о широком распространении в водной толще БП-трансформирующей микрофлоры до 104 клеток/мл, и они оказались способны в эксперименте разрушать в поверхностном слое от 35% до 87% вносимого БП.

Опасные последствия загрязнения морской среды канцерогенными ПАУ проявляются не только в их аккумуляции гидробионтами. Имеется прямая корреляция между концентрацией ПАУ и частотой появления опухолей у рыб. Например, до 1950-х гг. в Южной Балтике лимфосаркома у щук не встречалась, а в 1970-е гг. регистрировалась высокая частота появления этой болезни. Происходит снижение рождаемости рыб, генетические изменения (например, у плотвы). Все это в конечном итоге представляет опасность для человека.

Для нас, естественно, очень опасно попадание в организм ПАУ с морепродуктами (как и вообще с продуктами, ПАУ может находится и в мясе). Жители больших городов вынуждены вдыхать до 200 мг бенз(а)пирена в год. Курильщик, выкуривающий 1 пачку в день, практически удваивает эту “норму” для себя.

Экологические последствия загрязнения хлорированными углеводородами

К хлорированным углеводородам относят ДДТ, гексахлорбензолы, альдрины, полихлорированные бифенилы (ПХБ) и др.

Океан играет роль “конечного резервуара” для этих соединений. По современным оценкам 370 тыс. т ПХБ поступило в окружающую среду, в том числе около 280 тыс. т ПХБ сосредоточилось в водах Мирового океана и в донных осадках (110 тыс. т). Всего было произведено более 1,2 млн. т ПХБ, и за этот период только 43 тыс. т разложено и сожжено. Сколько же еще их поступит в окружающую среду?

ПХБ слабо растворимы в воде, но растворяются в жирах. Это чрезвычайно устойчивые вещества с периодом полураспада на открытом воздухе от 10 до 100 лет. Химическая инертность, малая летучесть, негорючесть, высокая диэлектрическая константа обеспечили высокохлорированным ПХБ широкое распространение в промышленности.

Они используются как растворители, для изготовления пестицидов. Это диэлектрики в трансформаторах и крупных конденсаторах, в системах теплопередачи и гидравлических системах, входят в состав смазочных и охлаждающих масел. Используются в красителях, копировальной бумаге, клеях, замасках, пластификаторах и т.д.

Хлорированные углеводороды содержатся и в воде, в основном в эмульгированном виде, накопление ПХБ происходит и в донных осадках (~ 110 тыс. т). Так, в Балтийском море в донных осадках накопилось от 10 до 100 нг хлорированных углеводородов на 1 г сухой массы.

В настоящее время многими исследователями доказано накопление хлорированных углеводородов в морских организмах. При том, чем выше организм в трофической цепочке, тем больше накопление.

Таблица __ Средняя концентрация хлорированных углеводородов в морской воде и гидробионтах Тихого океана

Примечание: ПХБ - полихлорированные бифенилы, ДДТ – дихлордифенилтрихлорэтан.

Устойчивые хлорированные углеводороды, такие как ПХБ и ДДТ, сохраняются в организме в течение длительного времени. Они в значительной степени влияют на репродуктивные функции млекопитающих. Исследования в Балтийском море показали, что в водной толще существуют ПХБ-трансформирующие микроорганизмы. Для изучения скорости и характеристик деградации ПХБ природными популяциями микроорганизмов были проведены экспериментальные исследования. Оказалось, что на скорость и степень разложения компонентов ПХБ существенное влияние оказывает степень хлорирования обоих бензольных колец в молекуле бифенила.

Монохлорбифенилы разлагались полностью, из 12 дихлорбифенилов деградировали 9, но только 1 разлагался полностью за 5 суток. Из 24 трихлорбифенилов в реакции разложения вступали лишь 12 соединений, причем ни один из компонентов не разлагался полностью за 5 суток. Значительно хуже разлагались тетрахлорбифенилы – из 42 лишь 9. Из наиболее распространенных 45 пентахлорбифенилов разложению подвергались лишь 4 соединения. И, что самое главное, чем выше содержание хлора, тем выше токсичность вещества.

Имеет место и фотохимическое разложение хлорированных углеводородов, но его скорость невелика. Так период полураспада по данным американских исследователей в Великих американских озерах для ПХБ составляет 1-2 года в зависимости от величины солнечной радиации.

Отравление ПХБ приводит к хлорозу (поражению кожи, печени, нервной системы). ПХБ, ДДТ и другие пестициды являются канцерогенами.

Экологические последствия загрязнения морских вод тяжелыми металлами

Самыми токсичными из тяжелых металлов являются ртуть, свинец, кадмий, мышьяк. По токсикологическим оценкам тяжелые металлы уступают только пестицидам. Основными источниками поступления тяжелых металлов в океан являются:

–речной сток;

–смыв с суши;

–вымывание из атмосферы;

–непосредственная промышленная деятельность в море.

Ртуть (Hg) – один из самых токсичных металлов. Антропогенный источник ртути – сжигание ископаемого топлива, сбросы сточных вод с хлорощелочных предприятий, использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения. Ежегодно в окружающую среду поступает до 10 тыс. т ртути, из которых около 3 тыс. т – за счет сжигания ископаемого топлива (из атмосферы).

Кадмий (Cd) – получают в промышленности из цинковых руд. Ежегодно добываются до 18 тыс. т кадмия. К основным источникам поступления кадмия в окружающую среду – горнорудные и металлургические предприятия и сточные воды.

Мышьяк (As) – входит в состав инсектицидов, гербицидов, пищевых консервантов, антикоррозийных агентов в красках. Загрязнение идет за счет индустриальных стоков и стоков с сельскохозяйственных полей. В основном поступает с речным стоком. По оценкам специалистов – до 70 тыс. т в год.

Свинец (Pb) – добывают около 3,5 млн. т в год. Кроме того, происходит повторное извлечение (еще 4,1 млн. т). Загрязнение свинцом идет за счет обжига и плавки свинцовых руд, за счет выбросов отходов производств, использующих свинец, в результате сжигания древесины и других органических материалов, при использовании этиолированного бензина (с присадками тетраэтилсвинца). В больших количествах поступает с речным стоком в прибрежные зоны Западной Европы.

По исследованиям самые высокие концентрации ртути:

– у берегов Германии – до 0,045 мкг/л;

Очень высокие концентрации тяжелых металлов фиксируются в отложениях эстуариев рек, бухтах. По оценкам немецких исследователей в осадках содержание тяжелых металлов в 1000-10000 раз больше, чем в воде. Например, в бухтах Норвегии ртути – до 350 мкг/г сухой массы.

Тяжелые металлы активно накапливаются в тканях гидробионтов, притом на их накопление в тканях влияют температура и соленость воды, а также pH.

Свинец концентрируется в гидробионтах, где его концентрация варьирует от 50 до 20000 мкг/кг сырой массы. Он наиболее активно концентрируется в жабрах рыб.

Кадмий практически не концентрируется в гидробионтах. Регуляция его поступления в ихтиофауну осуществляется более жестко, чем у высших растений. Проникая в организм гидробионтов, он трансформируется и связывается с белками-металлопротеинами. Его концентрация в тканях организмов может колебаться от 50 до 550000 мкг/кг сухой биомассы.

Ртуть является наиболее опасным для человека тяжелым металлом. Под воздействием анаэробных микроорганизмов она переходит в очень токсичные соединения – метилртуть и диметилртуть. Концентрация в тканях – от 50 до 3800 мкг/кг. Устрицы накапливают ртуть более активно, чем другие металлы.

Мышьяк особенно активно накапливают моллюски и ракообразные. Физиологические последствия: изменения таких функций организмов, как рост,

дыхание, питание, размножение, ионно-осмотическая регуляция, фотосинтетическая активность у водорослей. Биохимические последствия: воздействие на ферментативные