Воздействие различных загрязнителей на морскую среду

Весьма опасными загрязнителями для окружающей среды и ее обитателей являются буровой раствор и шлам, а также нефть и нефтепродукты. Сброс в море 1 м³ бурового шлама приводит к загрязнению 5 тыс. м³ морской воды. Попадание 1 т нефти в воду покрывает пленкой площадь 2,5 км². Все это нарушает процесс газообмена, отрицательно воздействует на физиологические процессы морских обитателей. Даже незначительные концентрации нефти вызывают патологические изменения их тканей и органов, нарушают обмен веществ и деятельность нервной системы. Особенно страдают молодь рыб и микроскопические водоросли. Кроме того, при оседании нефти загрязняются донные осадки и угнетается фитои зообентос.

Опасность отравления нефтью возрастает с увеличением ее концентрации. Токсичность в водной среде проявляется при концентрации более 1 мг/м³. При концентрациях нефтяных загрязнений выше 800 мг/м³ происходит подавление жизнедеятельности фитопланктона и возможно уничтожение планктона в целом.

Но со временем концентрация нефти в воде в результате испарения наиболее летучих компонентов, растворения, фотохимического окисления, эмульгирования и биодеградации уменьшается. Окисленная нефть оседает на дно водоемов. Накопление нефти происходит и в процессе обмена веществ простейших и высокоорганизованных животных. Концентрация ее в морских организмах при благоприятных условиях, таким образом, снижается и в течение недели может достигнуть допустимой.

Нефть пагубно воздействует на донные организмы (бентос). Даже незначительные концентрации нефти приводят к изменению состава крови и нарушению углеводородного обмена рыб. Нефть оказывает в данном случае периодическое действие, и некоторые рыбы не стремятся покинуть загрязненную воду. Содержание нефти в воде выше 100 мг/м³ придаст рыбам специфический запах и привкус, который невозможно устранить при технологической обработке. Запах нефти в воде ощущается уже при небольшом ее содержании. Пороговые концентрации 0,1—0,3 мг/л.

Токсичность нефти зависит от ее химического состава, в первую очередь от количества нафтеновых кислот. Окисление нафтеновых кислот в водной среде происходит очень медленно, что делает их опасными загрязнителями водоемов.

Наибольшей токсичностью обладает растворенная и эмульгированная в воде нефть. Концентрация ее выше 0,05 мг/л приводит к значительным нарушениям биологического равновесия водоемов, влияет на регенеративную и физиолого-биохимическую функцию организмов.

Пленочная нефть менее токсична, однако вызывает изменения обменных процессов между поверхностным слоем воды и воздушной средой, нарушает первичные биохимические процессы, происходящие в поверхностном слое воды, препятствует проникновению солнечных лучей в более глубокие слои.

Ориентировочно скорость перемещения пленки нефти составляет 3,5% от скорости ветра, а растворимость нефти в воде без предварительного взбалтывания равна 1,5 мг/л.

Растекание нефтяной пленки по водной поверхности сопровождается испарением низкокипящих углеводородов, сорбированием на взвешенных частицах вещества, эмульгированием и растворением. Растворимость нефти зависит от солености морской воды.

Особенно опасны нефтяные загрязнения в арктических широтах, так как процессы самоочищения эффективны лишь в теплом климате. Эта проблема особенно актуальна для России, поскольку из общей площади континентального шельфа около 75% приходится на шельф северных морей, в которых нефтяная пленка может сохраняться десятилетиями. К тому же суровые условия и льды крайне затрудняют ликвидацию такого рода загрязнений. Крупномасштабное нарушение экологического равновесия в Арктике может негативно отразиться на изменении климата планеты.

Промывочные жидкости, жидкая фаза которых состоит из воды и дизельного топлива различных марок, попадая в воду, также оказывают опасное воздействие на окружающую среду.

Твердая фаза глинистых растворов представляет собой сложную полидисперсную систему, состоящую из глинистых минералов монтмориллонита, каолинита и иллита, частиц кварца и известняка, а также других нерастворимых минералов. В состав такой системы могут входить утяжелитель (барит, оксиды железа и др.), а также химические реагенты: понизители водоотдачи, пептизаторы, структурообразователи, коагуляторы и т. д.

Отдельные химические реагенты — наиболее токсичные компоненты промывочных жидкостей отрицательно влияют на жизнедеятельность морских организмов.

Ниже указаны наименее токсичные концентрации реагентов, мг/л:

Нитролигнин (1: 0,2)…0,3—0,5.

ССБ 10% (1: 0,2)…0,1−0,2.

ПФЛХ (10% в растворе)…0,05—0,07.

ССБ (10% в растворе)…0,2—0,3.

КМЦ (5% в растворе) …0,3−0,4.

Барит BaS0₄…50.

Известь Са (ОН)₂…до 50.

В табл. 5.5 приведены пороговые концентрации токсичных веществ для морских организмов.

11ДК некоторых вредных веществ в рыбохозяйственных водоемах составляет, мг/л: ОП-7 — 0,3; ОП-Ю — 0,5; сульфанол — 0,1—0,5; хром (шестивалентный) — 0,1.

Таблица 5.5.

Пороговые концентрации токсичных веществ для рыб и водных животных

При бурении газонефтяных скважин в море основным загрязнителем является буровой иглам, в состав которого входят порода (60—80%), органические вещества (8%), водорастворимые соли (до 6%), утяжелитель и глина, иногда нефть.

Загрязнение шламом обусловлено органическими добавками к буровому раствору: углещелочного реагента, карбоксиметилцеллюлозы, конденсированной сульфит-спиртовой барды, нитролигнина и т. д.

По своему химическому составу выбуренные породы характеризуются наличием оксидов кальция, магния, алюминия, железа и серы, количество которых, как правило, не превышает 10% (каждого), а также оксидов кремния (нерастворимый осадок).

Плотность, г/см³…2,4—3,0.

Содержание, %:

глины…67—100.

утяжелителя…0—33.

водорастворимых солей…1,48—4,05.

влаги…11,5—41,3.

органики…0,3—0,56.

в том числе нефти…0,05—4,15.

pH водных растворов…7,20—9,04.

Буровые шламы имеют следующие характеристики:

Шламы содержат некоторое количество бурового раствора, а следовательно, загрязнены химическими реагентами и нефтью, добавляемыми в раствор в качестве стабилизаторов (УЩР, КМЦ, ХССБ) и понизителей вязкости (нитролигнин, ПФХЛ, окзил и др.).

С ростом концентрации шлама наблюдается отклонение от нормы поведения икринок в процессе деления, в результате чего на определенной стадии развития они погибают. То же самое происходит с личинками и молодью рыб, а также с беспозвоночными. При этом даже небольшие концентрации шлама (0,8—1,2 г/л) вызывают значительные изменения в жизнедеятельности рыб. Уменьшается оплодотворяемость, выживаемость, интенсивность питания и роста массы, изменяются показатели поведения, а также некоторые биохимические показатели в тканях головного мозга.

Безвредная концентрация бурового шлама для рыбохозяйственных объектов не должна превышать 0,5 г/л. Поэтому его можно отнести к группе слаботоксичных веществ.

Помимо токсического воздействия отдельных химических реагентов, содержащихся в шламе, на гидробионты отрицательно влияет муть, создаваемая частицами выбуренной породы и глины.

Буровые сточные воды образуются на ситах-конвейерах при промывке породы, извлекаемой из скважины, глинистым раствором, при охлаждении буровых насосов, смыве глинистого раствора, разлитого во время спуско-подъемных операций. Объем буровых сточных вод на цикл бурения составляет 5000—8000 м³.

Физико-химические свойства этих вод зависят от состава и количественного соотношения содержащихся в них веществ: глинистого раствора, утяжелителя, некоторого количества измельченных пород, химических добавок к буровому раствору, в том числе нефти, отработанных масел.

В буровых сточных водах содержатся углещелочной реагент (УЩР), конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), гипан, окзил, нитролигнин, синтетические ПАВ и другие реагенты, многие из которых являются защитными коллоидами.

Буровые сточные воды могут содержать до 9500 мг/л органических веществ, в том числе до 5000—8000 мг/л нефтепродуктов. Перманганатная окисляемость этих вод достигает 7000 мг/л. Химическое (ХПК) и биологическое (БПК) потребление кислорода соответственно 600 и 400 мг/л; воды имеют щелочную реакцию.

При попадании буровых сточных вод в морскую среду изменяется ряд ее гидрохимических показателей: возрастают pH и окисляемость, уменьшается концентрация растворенного кислорода (табл. 5.6).

Токсическое действие буровых сточных вод сказывается на всех стадиях развития рыб и кормовых организмов. При концентрациях их выше 96,0 мг/л гибель рыб наблюдается через 1—2 суток.

Таблица 5.6

Изменение гидрохимических показателей морской среды под действием буровых сточных вод

При подострой и хронической концентрациях буровые сточные воды оказывают отрицательное влияние на оплодотворяемость и развитие зародышей и личинок, изменяется интенсивность питания и прироста молоди, снижается количество ГАМК (у-аминомасляная кислота) в тканях головного мозга рыб, находящихся в этих условиях.

В табл. 5.7 приведены острые, подострые и хронические концентрации буровых сточных вод для ряда морских организмов. Безвредная концентрация их в водоемах рыбохозяйственного назначения — 12,1 мг/л.

Таблица 5.7.

Концентрации буровых сточных вод, влияющие на морские организмы.

Тампонажный цемент, попадая в морскую среду, существенно изменяет гидрохимические показатели: количество растворенного в воде кислорода уменьшается с 8,71 до 4,87 мг/л, несколько возрастают окисляемость и pH.

Основными показателями острой, подострой, хронической и безвредной концентраций тампонажных цементов служат выживаемость, рост массы, интенсивность питания, изменение частоты дыхания и кардиограммы, динамика общего белка, белковых фракций в крови и нервных процессов в головном мозге рыб.

Наиболее чувствительны к воздействию тампонажных цементов молодь лосося, которая при концентрации цемента 30 г/л гибнет через 29—35 ч, а также донные беспозвоночные, для которых острая концентрация не превышает 3,2—3,6 г/л.

При концентрации выше 1 г/л оболочка икринки значительно увеличивается, сильно обводняется, форма ее становится неровной.

У взрослых рыб с ростом концентрации цемента уменьшается численность потомства, у которого отмечается пониженная двигательная активность и темп прироста, изменяется стереотип поведения, уменьшается количество общего белка в сыворотке крови.

Хозяйственно-бытовые сточные воды, сливаемые в воду, содержат нерастворимые вещества в грубодисперсном и тонкодисперсном состояниях, а также коллоидные и растворенные вещества, среди которых встречаются органические вещества, минеральные соли и загрязнители бактериального происхождения.

По количественному составу сточные воды состоят из 58% органических и 42% минеральных веществ (из них 20% представляют собой нерастворимые вещества в виде взвешенных частиц).

Сбрасываемые необработанные сточные воды содержат пять основных загрязняющих компонентов:

• — большое количество бактерий, паразитов, а возможно и вирусов, заражающих морских животных и людей;
• — растворенные органические компоненты и взвеси, у которых в водной среде отмечается высокая биохимическая потребность в кислороде;
• — твердые частицы (органические и неорганические), осаждающиеся на дне и при биохимическом распаде также поглощающие кислород;
• — плавающие частицы (органические и неорганические), удерживающиеся на поверхности воды в виде отдельных кусочков или суспензии;
• — питательные вещества высокой концентрации (главным образом фосфорные и азотные соединения), что приводит к возможной эутрофикации (зарастанию водоема в результате загрязнения).

При попадании сточных (фекальных) вод в водоем начинается сложная цепь биохимических превращений. Бактерии и другие микроорганизмы, используя часть растворенного в воде кислорода, разлагают мертвые органические вещества на простые соединения и диоксид углерода. Водоросли используют эти конечные продукты для своего роста путем фотосинтеза, одновременно выделяя в воду кислород. Так происходит самоочищение водной среды.

Естественный цикл самоочищения протекает медленно и только при здоровом равновесии между животными и растительными организмами. Для поддержания такого равновесия решающее значение имеет достаточная концентрация в воде растворенного кислорода. А при чрезмерном или постоянном загрязнении содержание растворенного в воде кислорода уменьшается, что приводит к нарушению процесса естественного самоочищения и, как следствие, к изменению всего экологического характера акватории, создаются неблагоприятные условия для жизни рыб, которые либо гибнут, либо уходят из загрязненного района.

Фосфаты и нитраты, содержащиеся в бытовых сточных водах, служат пищей для водорослей и являются причиной их бурного разрастания. Погибая, водоросли оседают на дно, еще более увеличивая слой ила и гниющих растений, на разложение которых уходят остатки кислорода в нижних слоях воды.

Необработанные сточно-фекальные воды содержат миллионы бактерий, в том числе болезнетворных или патогенных, способных вызвать тиф и другие тяжелые заболевания.

Продолжительность загрязнения, вызванного сбросом сточных вод, зависит от биохимических условий, сложившихся к моменту очередного сброса в рассматриваемом районе. В районах с низкой температурой воды биохимическое разложение идет медленно и может совершенно не проявиться. В таких условиях основным фактором уменьшения загрязнения будет разбавление. Этот вариант самоочищения характерен для северных морей. В южных морях наряду с разбавлением активно происходят биохимические процессы.

Болезнетворные бактерии при низкой температуре морской воды сохраняются гораздо дольше, чем в теплых водах. Но в любом случае патогенные бактерии и вирусы живут в морской воде длительное время, достаточное для непосредственной передачи инфекции человеку, попадания в организм морских животных и нанесения ущерба их жизнеспособности или, продолжая движение по питательной цепи промежуточных бациллоносителей, возвращения к человеку.