5.2. 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:

(5.1)

де С„ С₀ - кінцева та початкова концентрації речовини; і - час перетворення, к - константа швидкості реакції:

к = Іп2/х , (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 метальної 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 (А_ті) 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_т/0) і коефіцієнт кратності (К_ті) кількості речовини, яка може бути перероблена даною екосистемою.

Показник асиміляційної ємності визначають за формулою:

А_ті = С_ті0-К_тГУ, (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.