12.2. Процеси самоочищення морського середовища від забруднюючих речовин

Самоочищення морського середовища є складним і недостатньо вивченим явищем. Дослідники цієї пробле­ми досі не виробили загальноприйнятих методів загаль­ного опису та кількісної оцінки всіх факторів самоочи­щення.

Самоочищення — сукупність фізичних, хімічних, мікробіологічних і гідробіологічних процесів, які зумовлюють розклад, утилізацію забруднюючих речовин, що частково відновлює природну якість морських вод.

Процеси самоочищення води від окремих груп орга­нічних речовин відбуваються по-різному.

Деградація нафти у морі. Вона відбувається у та­кій послідовності: випаровування, емульгування, роз­чинення, окислення, утворення нафтових агрегатів, осідання та біодеградація.

Важливим явищем у процесі розпаду нафтових плі­вок є випаровування. Вуглеводи з довжиною ланцюга атомів вуглецю в молекулі менше С¹⁵ випаровуються з водної поверхні протягом 10 діб, вуглеводи в діапазоні С¹⁵—С²⁵ утримуються значно довше, а фракція, важча від С²⁵, практично не випаровується. Випаровування мо­же вилучити з поверхні до 50 % вуглеводів сирої нафти, до 10 % важкої нафти, до 75 % легкої паливної нафти.

Основну роль в деструкції нафтових вуглеводів віді­грають мікроорганізми, здатні використовувати вугле­води як джерело вуглецю та енергії. Високою здатністю до окислення нафтопродуктів наділені бактерії роду Mycobacterium, Arthrobacter. У лабораторних умовах вони окислюють до 50—80 % нафти.

Процеси деградації прискорюють такі фактори: на­сичення води киснем (для окислення 1 л нафти необхід­но 3,3 кг кисню); збагачення води біогенними речовина­ми (азот, фосфор) (для окислення 1 мг нафти бактеріями необхідно 4 мг нітратів); для оптимальних умов необ­хідно зберегти співвідношення N:P = 14:1; підвищення температури; зниження солоності води; зменшення рН.

Експериментальні дослідження показали, що су­марна деградація нафти в морській воді відбувається за законом молекулярної реакції першого порядку:

С _t= С_·е^-kt (5.1)

де С„ С_д — кінцева та початкова концентрації речовини; t — час перетворення, k — константа швидкості реакції:

k = ln2/τ, (5.2)

де г -— період напіврозпаду речовини.

Біодеградація СПАР. За ступенем стійкості до біо­хімічного окислення у воді СПАР поділяються на м'які, 50 % яких розкладається протягом кількох діб, та жорс­ткі, для розпаду яких необхідно 2 місяці та більше. При біохімічному окисленні аніонних СПАР відбуваються реакції гідролізу, ^-окислення (окислення кінцевої ме-тильної групи), р-окислення (окислення жирних кис­лот), розщеплення ароматичного кільця. Швидкість са­моочищення природних вод від СПАР визначається низкою чинників: хімічною будовою СПАР, їх концен­трацією, солоністю, температурою, рН води, вмістом розчиненого кисню. Приблизно 20 % розчинених у воді СПАР сорбується завислими речовинами й осідає на дно.

Самоочищення від фенолів. Залежно від хімічної природи фенолів процес їх окислення може бути біохі­мічним і фізико-хімічним. Біохімічне окислення здійс­нюється під впливом ферментів, що виробляють мікроор­ганізми. Швидкість розпаду збільшується із збільшен­ням рН, зменшенням солоності, за наявності фосфатів та солей заліза, присутності білків, жирів, вуглеводів.

Антропогенна дія на Світовий океан призводить до зменшення природної здатності морських систем до са­мовідтворення та саморегулювання, особливо там, де формуються критичні умови для нормального функціо­нування цих екосистем. Поняття «критична» або «допустима антропогенна дія на морські системи» загалом пов'язані з поняттям «екологічний резерв океану». Тому при екологічному нормуванні антропогенних дій вдають­ся до використання концепції асиміляційної ємності.

Асиміляційна ємність морського середовища (A_mj) щодо забруд­нюючої речовини (і) — максимальна динамічна місткість такої кількості забруднюючої речовини, яка може бути за одиницю ча­су зруйнована, накопичена, трансформована і виведена за допо­могою седиментації, дифузії або інших процесів за межі об'єму екосистеми без порушення нормального функціонування.

Процес самовільного поширення речовини у воді в на­прямку зменшення її концентрації, зумовлений тепловим рухом молекул, називають дифузією. Вона призводить до вирівнювання концентрації дифузуючої речовини.

Седиментація — процес осадження дрібних часточок під дією гравітаційного поля або центробіжних сил.

Асиміляційна ємність характеризує здатність мор­ської екосистеми до динамічного накопичення та актив­ного виведення забруднюючих речовин. Для її визна­чення використовують: показник гранично допустимої концентрації речовини (С_ті0) і коефіцієнт кратності (К_ті) кількості речовини, яка може бути перероблена да­ною екосистемою.

Показник асиміляційної ємності визначають за фор­мулою:

A_mi = C_mi0-K_mi-V, (5.3)

де V — об'єм морського середовища, що розглядається.

На практиці виокремлюють три основні процеси, що визначають асиміляційну ємність: гідродинамічний, мік­робіологічне окислення, біоседиментацію. Асиміляційна ємність утворюється з геофізичної ємності, яка визнача­ється виносом токсичних речовин за рахунок геофізич­них процесів, і біологічної ємності, сформованої допусти­мим навантаженням на екологічну систему та виносом токсичних речовин за рахунок біологічних процесів.

Безумовно, води Світового океану мають природну здатність до самоочищення, самовідтворення та саморегу­лювання, але антропогенний вплив уповільнює ці проце­си. Тому доцільне регулювання різних видів діяльності у водах Світового океану, повітряному просторі над ним, на морському дні та в його надрах. З метою з'ясування фак­тичного стану вод морів та океанів, захисту і збереження морського середовища, розроблення та впровадження рішень з ефективного використання, охорони і відтворення цих водних об'єктів необхідно здійснювати комплексний глобальний моніторинг вод Світового океану.