ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2021
Просмотров: 1382
Скачиваний: 9
76
Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводоро-
ды с большим числом углеродных атомов от 5 до 11. Нормальные (не-
разветвленные) алканы составляют в этой фракции 50–70%. Метановые
углеводороды легкой фракции, находясь в почвах, водной и воздушной
средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые ор-
ганизмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой
углеродной цепью. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко
проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цито-
плазменные мембраны организма. Нормальные алканы, содержащие в
цепочке менее 9 атомов углерода, большинством организмов не асси-
милируются, хотя могут быть окислены. Их токсичность ослабляется в
присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую
растворимость алканов.
Легкая фракция, мигрируя по почвенному профилю и водоносным го-
ризонтам, расширяет, иногда значительно, ореол первоначального загряз-
нения. Значительная часть легкой фракции нефти разлагается и улетучива-
ется еще на поверхности почвы или смывается водными потоками. Путем
испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легкой фракции.
Метановые углеводороды во фракции, кипящей выше 2000
0
С (пристан
С
19
Н
40
, фитан С
20
Н
42
и др.) практически нерастворимы в воде. Их токсич-
ность выражена гораздо слабее, чем у низкомолекулярных структур.
Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти
колеблется от очень малых количеств до 15–20%. Эта характеристика
очень важна при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый па-
рафин не токсичен для живых организмов, но вследствие высоких тем-
ператур застывания (+18
0
С и выше) и растворимости в нефти (+40
0
С) в
условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая
нефть подвижности.
Твердый парафин трудно разрушается, с трудом окисляется на воз-
духе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова,
лишив почву свободного влаго- и газообмена. Это, в свою очередь, при-
водит к полной деградации биоценоза.
К
циклическим углеводородам
в составе нефти относятся нафте-
новые (циклоалканы) и ароматические (арены). Общее содержание наф-
теновых углеводородов в нефти изменяется в среднем от 35 до 60%.
Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень
трудно, что связано с их малой растворимостью и отсутствием функ-
циональных групп. Биодеградация полярных алканов идет легче, окис-
ление происходит главным образом по месту присоединения боковой
цепи или месту соединения циклов.
Ароматические углеводороды
– наиболее токсичные компоненты
нефти. При концентрации 1% в воде они вызывают гибель всех водных
растений. С увеличением содержания ароматических соединений в неф-
77
ти возрастает ее гербицидная активность. Содержание ароматических
углеводородов в нефти изменяется от 5 до 55%.
Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое дей-
ствие на организм, чем полициклические ароматические углеводороды
(ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время,
являясь хроническими токсикантами.
Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению,
обычно медленно окисляясь микроорганизмами.
Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным компонен-
там нефти, определяя во многом ее физические свойства и химическую
активность. Структурный состав смол и асфальтенов составляют высоко
конденсированные полициклические ароматические структуры, со-
стоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными
структурами, содержащими серу, кислород, азот. Смолы – вязкие, мазе-
подобные вещества с относительной молекулярной массой 500–1200,
асфальтены – твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных
углеводородах с массой 1200–3000. В них содержится основная часть
микроэлементов нефти.
При нефтяном загрязнении почвенного покрова негативное действие
смол и асфальтенов заключается не столько в их химической токсичности,
сколько в изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачи-
вается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в ос-
новном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его.
При этом уменьшается поровое пространство почвы. Смолисто-
асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они
снижают поступление к ним влаги, в результате чего растения засыхают.
При поступлении за земную поверхность нефть оказывается в каче-
ственно новых условиях существования: из анаэробной обстановки с
медленными темпами геохимических процессов она поступает в хоро-
шо аэрируемую среду, в которой, помимо абиотических факторов,
большую роль играют биогеохимические факторы и прежде всего дея-
тельность микроорганизмов.
В почвах нефть и нефтепродукты могут находиться в следующих
формах:
–
в пористой среде – в парообразном и жидком легкоподвижном
состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмуль-
сионной фазе;
–
в пористой среде и трещинах – в свободном неподвижном со-
стоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и
агрегатами почвы;
–
в связанном состоянии на частицах почвы, в том числе на гуму-
совой составляющей почвы;
–
в поверхностном слое почвы, в том числе в виде плотной орга-
номинеральной массы.
78
Будучи смесью различных по строению и свойствам компонентов,
нефть разлагается очень медленно – процессы деструкции одних соеди-
нений ингибируются другими, при трансформации отдельных компо-
нентов происходит образование трудноокисляемых форм и т.д.
Скорость деградации нефти, активность самоочищения почв или
устойчивое сохранение в них загрязняющих веществ в разных ланд-
шафтах заметно различаются.
Примечательно, что при авариях нефтепроводов в зимнее время
воздействие нефти на окружающую среду имеет свою специфику: рас-
тительности, находящейся в состоянии покоя и мерзлым почвам будет
нанесен меньший вред, чем летом, несмотря на то, что зимой общая эф-
фективность самоочищения от пленок сырой нефти в 3 раза меньше,
чем в условиях положительных температур. Здесь основную роль игра-
ет испарение со снежной и ледяной поверхности – 50–80% и фотоокис-
ление – 15–35%. Пятна нефти нарушают термическое состояние снега и
льда, тем самым усиливая их таяние. Благодаря этому образуются про-
талины, препятствующие распространению нефти. Прекращение расте-
кания нефти и ее локализация будут происходить также за счет увели-
чения ее вязкости при низких температурах. Лед способен захватывать
нефть с поверхности воды в количестве до 25% собственной массы.
Антропогенному загрязнению нефтью и нефтепродуктами под-
вержены в той или иной степени все категории природных вод
: кон-
тинентальные поверхностные и подземные, воды морей и океанов.
С первых секунд контакта с морской средой сырая нефть перестает
существовать как исходный субстрат и подвергается сложным динами-
ческим процессам переноса, рассеяния и трансформации. Особенно бы-
стро происходит испарение легких нефтяных фракций: от 30 до 60%
нефти исчезает с поверхности моря уже в первые часы и сутки после
разлива. Одновременно развиваются процессы растекания и дрейфа
нефтяной пленки на поверхности моря (в основном под действием ветра
и течений) с растворением и эмульгированием нефти в морской воде в
результате ветрового перемешивания верхнего слоя. Растворимость
нефтяных углеводородов обычно экспоненциально снижается с увели-
чением их молекулярного веса. Поэтому ароматические соединения
(особенно такие, как бензол, толуол и др.) быстро переходят в водную
фазу в отличие от многих алифатических углеводородов.
Эмульгированная нефть накапливается в морских организмах (осо-
бенно в моллюсках за счет их фильтрационного питания), а также ис-
пользуется в качестве пищевого субстрата для нефтеокисляющих бакте-
рий, которые способны быстро разлагать диспергированные в толще воды
углеводороды. В результате этих многофакторных и взаимосвязанных про-
цессов разлитая в море нефть распределяется на агрегатные фракции,
включая поверхностные пленки, растворенные и взвешенные формы,
79
эмульсии, осажденные на дно твердые и вязкие компоненты и аккумулиро-
ванные в организмах соединения. Доминирующими миграционными фор-
мами в первые часы и сутки являются нефтяные пленки и эмульсии.
Нефтяные разливы относятся к числу наиболее сложных и дина-
мичных явлений распределения примесей в море. Каждый такой разлив
по-своему уникален и неповторим из-за практически бесконечного на-
бора конкретных природных и антропогенных факторов в данном месте
и в данное время. Особенно сложная картина складывается в ледовых
условиях, когда скорость испарения и распада углеводородов резко
снижается, а нефть аккумулируется под ледовым покрытием, в его про-
галинах и пустотах, сохраняясь здесь до начала таяния льда.
С экологических позиций важно различать два основных типа неф-
тяных разливов. Один из них включает разливы, которые начинаются и
завершаются в открытом море без соприкосновения с береговой линией.
Их последствия, как правило, носят временный, локальный и быстро
обратимый характер в форме острого стресса. Другой и наиболее опас-
ный тип разливов предполагает вынос нефтяного поля на берег, акку-
муляцию нефти на побережье и длительные экологические нарушения в
прибрежной и литоральной зоне, что можно трактовать как хрониче-
ский стресс. Чаще всего оба эти сценария развиваются одновременно, и
это особенно вероятно для ситуаций, при которых аварийный разлив
происходит в непосредственной близости от берега.
Как следует из известной статистики, большинство аварийных си-
туаций и нефтяных разливов приходится на прибрежную зону. Так, на-
пример, наибольший ущерб побережью от разлива нефти, согласно
«Книге рекордов Гиннеса», был нанесен 24 марта 1989 г. в результате
аварийного выброса в заливе Принц-Уильямс (Prince Williams) у побе-
режья Аляски. Танкер «Вальдес», принадлежащий компании «Экссон
Мобил» (Exxon Mobil), натолкнулся на риф и получил пробоину. В ре-
зультате в море вылилось 45 000 т нефти. Подверглось загрязнению
около 2 400 км побережья Аляски. Погибло около 645 млн птиц, а также
морские выдры, тюлени, рыбы. Пострадали люди – не были приняты
все меры, чтобы обезопасить принимавших участие в ликвидации по-
следствий катастрофы от воздействия паров сырой нефти и других хи-
мических веществ, особенно токсичного сероводородного газа.
В первый год после катастрофы сбор урожая у местного населения
сократился до 77% (по сравнению с предыдущим годом). Около 12% от
общего объема разлитой нефти осталось в отложениях на дне, 3% – на
берегу. В теплые дни остатки нефти поднимаются на поверхность и
продолжают наносить вред экосистеме.
В дополнение к детально изученному и описанному в литературе
катастрофическому эпизоду с аварией танкера «Вальдес» можно доба-
80
вить ряд аналогичных событий в 90-е годы, включая разливы у берегов
США, Великобритании, Японии и других стран.
Вероятность выноса нефти на берег в таких случаях зависит от ха-
рактера разлива (объем, расстояние от берега и пр.) и конкретных гидроме-
теорологических условий в данном месте и в данное время, в первую оче-
редь от силы, направления ветра и течений. По данным мировой статисти-
ки при больших разливах существует вероятность (в пределах 1–13%) об-
ратного смыва вынесенной на берег нефти в сублиторальную зону, где
уровни нефтяного загрязнения донных осадков обычно на порядок ниже по
сравнению с береговыми и литоральными отложениями. Общая схема раз-
вития биологических эффектов и последствий нефтяного загрязнения при
остром и хроническом воздействии показана на рис. 7.
Разлив нефти
Действие в течение
часов и суток на локальном
уровне
Острая интоксикация
Гибель
Физиолого-биохимические
нарушения
Поведенческие реакции
Сублетальные исходя
Нарушения поведения,
питания, воспроизводства
Изменения структуры
и численности популяций
Изменения структуры
и функций сообществ
Действие в течение
месяцев и лет на локальном
(региональном) уровне
Эффекты и последствия
Рис. 7. Схема основных стадий, биологических эффектов
и последствий нефтяных разливов в море (По: С.А. Патин, 2001)
В зависимости от продолжительности и масштаба загрязнения может
наблюдаться широкий диапазон поражающих эффектов – от поведенческих
аномалий и гибели организмов на начальных стадиях разлива в пелагиали
(табл. 9) до структурных и функциональных перестроек в популяциях и
сообществах при хроническом воздействии в литорали (табл. 10).