Рейтинг
Порталус

САМООЧИЩЕНИЕ ПРИ НЕФТЯНОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ

Дата публикации: 17 июля 2014
Автор(ы): Андрей КУЗНЕЦОВ
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: ЭКОЛОГИЯ
Источник: (c) Наука в России, № 6, 2008, C. 23-30
Номер публикации: №1405591438


Андрей КУЗНЕЦОВ, (c)

Кандидат географических наук Андрей КУЗНЕЦОВ, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону)

При развитии природных экосистем были выработаны механизмы, поддерживающие их устойчивость в условиях негативного влияния внешних факторов. Благодаря этому многие водные объекты суши и прибрежные морские акватории даже при мощном хроническом антропогенном воздействии сохраняют основные черты естественного функционирования. Что же способствует их самоочищению? На протяжении ряда лет эту проблему изучают специалисты Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) совместно с коллегами из Университета Нанта (Франция).
стр. 23

Основные процессы в разлившейся нефти в водных экосистемах.

В последние десятилетия одним из основных видов загрязнения окружающей среды стали разливы сырой нефти и нефтепродуктов. Причина тому - продолжающийся рост и без того огромных масштабов ее добычи (к началу XXI в. - до 3,5 млрд. т в год), транспортировки и переработки. При этом в Мировой океан ежегодно попадает до 2,5 млн. т. Главные источники - вынос с суши (около 50% общего объема нефтяных загрязнений) и потери при транспортировке танкерами из районов добычи к местам потребления (более 20%). По разным оценкам, в России теряется от 1 до 7% добываемой нефти, причем три четверти этого количества - при прорывах нефтепроводов.

Во многих регионах планеты вызванные этими факторами негативные процессы приобрели хронический характер, достигнув масштабов, при которых нарушается естественный круговорот веществ и энергии, подрывается экологическое равновесие. В наибольшей степени от нефтяного загрязнения страдают водные объекты суши, устья рек, прибрежные и внутриконтинентальные акватории Мирового океана. В связи с высокой интенсивностью танкерных перевозок, густой сетью нефтепроводов, а, следовательно, риском возникновения аварийных ситуаций, особую актуальность приобретают исследования процессов самоочищения перечисленных экосистем.

Напомню: нефть состоит из сотен низко- и высокомолекулярных органических соединений, главные из которых - углеводороды (от 50 до 98 % состава), смолы и асфальтены. При ее перегонке получают фракции, отличающиеся, прежде всего, температурой кипения: бензин (самая летучая), керосин, дизельное топливо и мазут (наиболее тяжелая, включающая высокомолекулярные компоненты - смолы и асфальтены).

Углеводороды объединены в три класса: парафиновые, циклопарафиновые и ароматические. Первые наиболее просты по строению, малотоксичны, довольно легко утилизируются микроорганизмами. Вторые и третьи обладают повышенной устойчивостью структуры и инертнее к окислению, накапливаются в тяжелых нефтяных фракциях. Подвижные ароматические углеводороды, например бензол, - самые токсичные компоненты нефти. Наиболее сложным строением характеризуются полициклические углеводороды того же класса, многие из которых канцерогенны. В целом, с уменьшением содержания легких углеводородов в составе нефти или нефтепродуктов снижается их токсичность, однако возрастает время естественного распада и, как следствие, продолжительность воздействия на окружающую среду.

Зачастую изучение уровня загрязнения ограничивают углеводородной фракцией, что не вполне корректно, поскольку в нефти присутствуют и упомянутые смолы и асфальтены - слабо подверженные микробному разложению, очень вязкие и тяжелые соединения, содержащие, наряду с атомами углерода и водорода, другие химические элементы, в том числе серу и тяжелые металлы, многие из которых токсичны.

Разливы нефти представляют серьезную опасность для окружающей среды. Распространяющиеся при этом слики (поверхностные пленки) вызывают гибель водоплавающих птиц и млекопитающих, нарушают физико-химический обмен воды с атмосферой, снижают количество находящегося в ней кислорода и проникновение солнечных лучей. Растворяющиеся токсичные низкомолекулярные углеводороды, особенно ароматические, угнетают развитие водорослей, поражают сердечно-сосудистую и нервную системы животных. Сильный стресс испытывают планктонные организмы, личинки, икра и мальки
стр. 24

рыб. Накопление нефтепродуктов в донных отложениях вызывает гибель бентоса* и создает источник вторичного загрязнения водной толщи.

Казалось бы, количество нефти, разлившейся в результате аварии, напрямую определяет масштабы ущерба. Но это не совсем так. Он зависит от множества факторов, главные из них - площадь разноса загрязняющего вещества, его природа, способность к рассеиванию и микробному разложению, географические условия пострадавшей территории, уязвимость ее экосистем и степень хозяйственной освоенности.

Попадая в окружающую среду, нефть претерпевает серию преобразований, со временем приводящих к самоочищению природных компонентов. Изначально основная часть нефтепродуктов, разлившихся по поверхности водного объекта, содержится в пленке, однако длительность ее существования невелика. В первые же часы их объем сокращается за счет испарения, чему, прежде всего, способствует температура воды и воздуха, если она достаточно высока. Но по мере того, как пленка теряет свои летучие и водорастворимые составляющие, вязкость и плотность остатка повышается. При сильном волнении и низких температурах из него образуются эмульсии, известные специалистам как "шоколадный мусс". Немаловажную роль в эволюции загрязнения играет его переход в донные отложения в результате осаждения тяжелых компонентов нефти. И наибольшей поглощающей способностью характеризуются илы: они могут накапливать значительное количество вредных веществ, резко снижая интенсивность их распада.

В долговременном масштабе ключевую роль в самоочищении окружающей среды играют биохимические процессы, протекающие в ней с участием микроорганизмов. Только благодаря им происходит пол-

* Бентос - совокупность организмов, обитающих на грунте и в грунте дна водоемов (прим. ред.).

стр. 25

ный распад нефти до простых соединений, которые легко включаются в общий круговорот веществ в биосфере. Однако скорость бактериального разложения довольно существенно различается в зависимости от того, с чем ему приходится "столкнуться". Так, легкая сырая нефть оказывает токсическое воздействие на микроорганизмы, пока не испарятся ее летучие компоненты. Лишь затем первые при благоприятных условиях за несколько месяцев утилизируют оставшиеся соединения. А тяжелые нефти и мазуты, в больших количествах содержащие полициклические ароматические углеводороды, смолы и асфальтены, разрушаются значительно труднее, могут сохраняться в донных и береговых отложениях многие годы.

Еще раз подчеркну: интенсивность биохимической трансформации нефти зависит от многих природных факторов, главный из них - температура среды. Понижение ее на 10°С (допустим, с 15 до 5°С) уменьшает скорость распада растворенных компонентов нефти примерно вдвое. Важно и то, что нефтеокисляющие микроорганизмы всегда присутствуют в небольших количествах даже там, где разливов нефти нет. Стоит же ей попасть в такую среду, и их численность быстро увеличивается. Образующиеся при разложении нефти вещества служат пищей для других микроорганизмов. В результате окисление нефти в водных экосистемах ведет не отдельный вид или группа бактерий, а все их сообщество. Большинству из них в ходе утилизации необходим кислород. Конечно, некоторые (т.н. анаэробные бактерии) могут справляться с задачей и без него, но в этом случае скорость процесса невысока. Значительное влияние на динамику распада нефти оказывает присутствие биогенных элементов (прежде всего, азота и фосфора). Их дополнительное внесение в несколько раз активизирует процесс.

В силу индивидуальных природных особенностей различные водные объекты и участки побережья в неодинаковой степени способны накапливать нефтепродукты и обеспечивать естественный распад последних. Отсюда должна следовать и разная очередность необходимых превентивных защитных мероприятий и последующей рекультивации. В этой связи важное научное и прикладное значение приобретают поиски методов оценки устойчивости водных и береговых экосистем к загрязнению.

В качестве примера приведу французский опыт борьбы с нефтяным разливом, с которым автор дан-
стр. 26

Соотношение между прямым и косвенным воздействием нефтяного загрязнения на различные элементы западного побережья Франции, пострадавшего в результате разлива мазута в 1999 г.

Динамика процесса распада нефтяного загрязнения с течением времени в донных отложениях малых рек бассейна Нижнего Дона (а):

1 - песчано-гравийные отложения,

2 - песчано-илистые,

3 - илистые в заболоченном ручье; распад загрязнения на атлантическом побережье Франции (b):

1 - корки мазута с танкера "Эрика" на скалах,

2, 3- крупные скопления мазута на скалах с танкеров "Эрика" и "Престиж",

4 - песчано-илистые пляжевые отложения. УВ/СК - отношение содержания нефтяных углеводородов к сумме смол и асфальтенов, к - коэффициент скорости распада нефти, численно равный доле загрязняющего вещества, распавшегося за сутки.

ной статьи познакомился, участвуя в работе группы экспертов-экологов. В декабре 1999 г. при крушении танкера "Эрика" близ берегов полуострова Бретань в прибрежные воды Франции попало около 20 тыс. т тяжелого топочного мазута. По масштабам ущерба, нанесенного окружающей среде и экономике этой страны, катастрофа вошла в число крупнейших в истории человечества. Столь мощный негативный эффект был обусловлен не только природой разлившегося нефтепродукта, но и тем, что протянувшаяся на 400 км пострадавшая зона охватила густонаселенное побережье, представляющее большую ценность в экологическом, экономическом и рекреационном отношении.

Накопленный здесь ранее богатый опыт борьбы с подобными разливами, наличие заблаговременно подготовленных средств и планов вмешательства позволили местным специалистам в сравнительно короткие сроки (1 - 1,5 года) ликвидировать видимые следы аварии, избежать сильного нарушения экосистем. Однако поспешность проводимых работ, связанная с приближением курортного сезона, и широкое привлечение тяжелой техники вызвали негативные последствия. В их числе - усиление размыва побережья из-за чрезмерного изъятия песчаного грунта пляжей вместе с мазутом (до 80% от общей массы собранных с побережья отходов), дестабилизация клифов (береговых обрывов, сложенных коренными горными породами) и дюн, уплотнение илистого грунта, нарушение его растительного покрова при удалении нефтяных пятен с использованием бульдозеров и др. В итоге, как нами было установлено, на ряде участков основной ущерб окружающей среде был нанесен не самим разливом, а работами по ликвидации его последствий. Иными словами, во многих случаях разумнее было бы не предпринимать никаких действий и предоставить природе самой справиться с "болезнью".

Впервые проблему оценки устойчивости природных комплексов к нефтяному загрязнению применительно к береговым экосистемам подняли в 1978 г. американские геоморфологи. Они разработали так называемый индекс чувствительности среды, основанный на длительности пребывания нефти в горных осадочных породах и пляжевых отложениях различного состава. В 1996 г. этот индекс детализировал
стр. 27

Оценка профессором Федоровым способности водотоков к самоочищению при нефтяном загрязнении по соответствующему интегральному балльному индексу на примере малых рек бассейна Нижнего Дона:

1, 2- низкая, 3 - средняя,

4, 5- высокая способность.

французский географ Линдсей Пэж-Джонс, предложивший при его расчете учитывать не только способность субстрата захватывать и удерживать нефть, но и потенциальный ущерб, который может быть нанесен биологическим сообществам. Из отечественных исследований по этой тематике следует отметить работу геохимика Владимира Батояна (1983 г.). В ней автор выделил три группы факторов, оказывающих влияние на распад нефти в водной среде: климатические, гидродинамические и гидрохимические, а для их учета при районировании поверхностных вод суши предложил использовать сумму активных температур, годовой слой стока и окисляемость воды. В 1989 г. геофизик Юрий Израэль и океанолог Алла Цыбань (впоследствии академики) для оценки ассимиляционной емкости морской среды использовали модель, включающую детальные сведения о взаимосвязях между основными компонентами экосистемы и происходящих в ней процессах массо- и энергообмена.

В настоящее время при решении классификационных задач все чаще прибегают к балльным оценкам, дающим возможность сравнивать различные объекты исследования по так называемому интегральному показателю, суммирующему общее влияние на рассматриваемые процессы. При этом для количественного описания упомянутых факторов определяют набор критериев. Далее каждый из них, независимо от единиц измерения, оценивают в баллах по единой шкале.

Проблемой нефтяного загрязнения, его трансформации в окружающей среде и оценкой самоочищающей способности водных экосистем на протяжении многих лет занимаются и сотрудники кафедры физической географии, экологии и охраны природы Южного федерального университета (до 2006 г. Ростовского государственного университета), возглавляемой профессором Юрием Федоровым. В конце 1980-х - начале 1990-х годов мы провели соответствующие исследования рек ряда крупных нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих регионов России. На основе полученных результатов профессором Федоровым был впервые предложен обобщенный показатель, позволяющий по процентному соотношению основных нефтяных компонентов разделять нефтяное загрязнение на "свежее" и "старое".

С 1993 г. на протяжении 11 лет мы вели наблюдения за изменением содержания нефтяных компонентов в экосистемах малых рек бассейна Нижнего Дона, куда неоднократно прорывалась сырая нефть из магистрального нефтепровода Лисичанск-Тихорецк. Столь длительное изучение изменений разлившейся нефти в натурных условиях можно считать уникальным. А с 1999 г. совместно с профессором Полем Фатталем и его коллегами из Университета Нанта (Франция) мы проводим сравнительное изучение прямых и косвенных (обусловленных вмешательством человека) последствий крупных нефтяных разливов, вызванных крушениями танкеров "Эрика" и "Престиж", для различных типов атлантического побережья Франции, осуществляем наблюдения за процессом распада разлившегося мазута на участках, в разной степени подверженных воздействию солнечных лучей, приливов и отливов, морского прибоя. Как итог этих исследований, мы и французские специалисты разрабатываем интегральный индекс устойчивости побережья к загрязнению, включающий как природную составляющую, так и социально-экономическую.

С середины 1990-х годов совместно с сотрудниками Гидрохимического института (Ростов-на-Дону), Донской и Кубанской устьевых станций, Краснодар-
стр. 28

Оценка устойчивости побережья к нефтяному загрязнению по интегральному показателю и ее картографирование на примере острова Нуармутье (Западная Франция). Цифрами 1 - 20 обозначены сектора побережья с относительно однородными природными условиями.

ского краевого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды мы организуем регулярные комплексные экспедиционные исследования Азовского моря и его побережья, а также северовосточной части Черного моря. В ходе экспедиций, проведенных в 2006 - 2008 гг., впервые для Азовского моря на 22 станциях мониторинга летом, осенью и частично зимой осуществлялось послойное определение содержания основных нефтяных компонентов в колонках донных отложений мощностью от 20 до 100 см с параллельной датировкой времени образования изучаемых слоев по данным радиологического анализа. Особое внимание уделяли районам с устойчивым высоким уровнем хронического нефтяного загрязнения (речь идет об устьевых областях Дона и Кубани, Таганрогском заливе и Керченском проливе, где сходятся пути следования нефтеналивных судов и осуществляется подводное складирование извлекаемых при углублении дна отложений, а также об акватории и побережье Черного моря, прилегающих к портовым терминалам города Новороссийска, через которые ежегодно на экспорт отгружается более 50 млн. т сырой нефти).

В итоге многолетних натурных наблюдений за изменениями состава разлившейся нефти и мазута в воде и донных отложениях малых рек Ростовской области, на пляжах и скалах побережий Западной Франции, Черного и Азовского морей выявлены важные закономерности процесса самоочищения. В частности, установлено, что самым устойчивым индикатором загрязнения и его многолетнего изменения являются смолистые соединения (смолы и асфальтены), содержащиеся в сырой нефти, тяжелых нефтепродуктах и активно накапливающиеся в донных отложениях. В отличие от углеводородов, они поступают в окружающую среду исключительно в составе нефти и нефтепродуктов (т.е. не синтезируются в водных объектах живыми организмами) и подвергаются распаду, как упоминалось, крайне медленно.

Снижение уровня загрязнения и доли в нем углеводородов происходит по экспоненциальному закону, т.е. разложение вещества замедляется по мере уменьшения его концентрации. Это позволяет использовать период полураспада в качестве показателя скорости разложения нефти. В донных отложениях обследованных нами водных экосистем тот же показатель изменялся в пределах от 190 - 970 суток для нелетучих углеводородов до 500 - 1395 суток для смолистых соединений.

На основе литературных сведений, а также по результатам работ, проведенных нами, были выделены основные факторы, контролирующие процесс микробного разложения нефти: термические условия среды, подвижность и глубина водной толщи, характер донных отложений и активность микроорганизмов. Для их количественного описания выбраны следующие критерии оценки: годовая сумма положительных среднесуточных температур, скорость течения (для водотоков), подверженность приливно-отливной и волноприбойной деятельности моря (для побережья), сорбционная способность донных отложений, глубина, относительное содержание растворенного кислорода и скорость его биохимического потребления. Вклад каждого из указанных факторов
стр. 29

в процесс самоочищения был определен статистическим анализом результатов многолетних наблюдений за динамикой распада нефтяного загрязнения на малых реках Ростовской области и атлантическом побережье Франции.

Сопоставление данных о скорости разложения нефти и мазута в различных экосистемах с их климатическими, гидродинамическими, гидрохимическими, микробиологическими и литологическими характеристиками позволило получить уравнение регрессии. С его помощью можно не только определить влияние различных природных факторов на динамику микробного разложения загрязнения, но и оценивать потенциальную способность водных и береговых экосистем к самоочищению. Как оказалось, для малых рек главные его факторы - температура, скорость течения и тип донных отложений. В сумме они на 85% определяют скорость распада нефти в изученных нами водотоках. А применительно к побережью, наряду с упомянутыми, для самоочищения крайне важна подверженность участка воздействию приливов и морского прибоя. Вычисленные значения интегрального индекса самоочищающей способности применены для районирования обследованных экосистем. Наибольшей скоростью самоочищения характеризовались участки рек и побережья с песчано-гравийными отложениями и высокой подвижностью водной толщи. Напротив, самая низкая скорость распада нефти отмечена на заболоченных участках, отличающихся замедленным водообменом, аккумуляцией илистого материала, большим содержанием органических веществ и дефицитом кислорода в донных отложениях.

В отличие от загрязнения, рассеянного в донных и береговых отложениях, крупные скопления нефти на поверхности скал и пляжей трансформируются лишь на границе контакта с водой и атмосферным воздухом. С течением времени они покрываются твердой коркой, под которой длительное время может сохраняться достаточно свежее пятно с высоким относительным содержанием углеводородов. Однако в дальнейшем, при контакте с воздухом, воздействии солнечной радиации и более заметных перепадов температуры процесс старения слика идет активнее, чем отмечено в донных и пляжевых отложениях.

Полученные нами результаты были использованы в совместной с французскими коллегами разработке интегрального индекса устойчивости побережья к нефтяному загрязнению, суммирующего как экологические, так и социально-экономические показатели. На основе их детального анализа мы предложили соответствующую формулу. Помимо рассмотренных выше критериев оценки, она включает расположение рассматриваемого участка относительно возможных источников поступления и путей переноса нефтепродуктов, уязвимость биологических сообществ, устойчивость к такого рода воздействиям хозяйственных объектов и памятников природного и культурного наследия, эффективность системы предотвращения загрязнения и борьбы с ним. Роль социально-экономических факторов в формировании устойчивости побережья количественно определили благодаря анализу обширной статистической информации о распределении материального ущерба от нефтяных разливов.

Проделанная работа имеет не только теоретическое, но и прикладное значение, а поэтому должна сопровождаться картографированием. Такие карты в дальнейшем послужат основой для разработки планов действия органов и служб, ответственных за предотвращение и ликвидацию последствий аварии.

Предложенная методика оценки интегрального индекса устойчивости побережья к нефтяному загрязнению была апробирована на примере острова Нуармутье. Являясь частью атлантического побережья Франции, он представляет собой обособленный географический объект, характеризующийся значительным разнообразием природных и социально-экономических условий (скалистые берега и абразионные террасы на западе, песчаная коса с массивами дюн на юге, заболоченное низменное побережье на востоке; остров - центр рыбного промысла, аква-культуры и производства морской соли, излюбленное место отдыха туристов). В декабре 1999 г. он сильно пострадал от крупного разлива мазута, вызванного крушением танкера "Эрика".

Для предстоящего картографирования интегрального индекса устойчивости побережья и критериев его оценки береговую зону острова разбили на 20 секторов, характеризующихся относительной однородностью рельефа и экспозиции относительно преобладающих ветров и течений. Для каждого из них рассчитали балльные значения девяти критериев оценки устойчивости побережья. В результате получили карты пространственного распределения индексов устойчивости экосистем и социально-экономической сферы, а также интегрального индекса устойчивости побережья к нефтяному загрязнению.

Рассмотренные модели в дальнейшем планируется адаптировать под экосистемы, испытывающие хроническое нефтяное загрязнение, скажем, внутрикон-тинентальные моря юга России. Мониторинг этих природных комплексов в сочетании с изучением колонок донных отложений и датированием времени образования отдельных слоев радиоизотопными методами позволит восстановить хронологию загрязнения Азовского и Черного морей, оценить эффективность функционирования процессов их самоочищения.

Данные исследования проводятся при поддержке Министерства образования и науки РФ (гранты Президента РФ в поддержку ведущих научных школ и молодых ученых), Российского фонда фундаментальных исследований и Национального центра научных исследований Франции (CNRS).

Опубликовано на Порталусе 17 июля 2014 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?



Искали что-то другое? Поиск по Порталусу:


О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама