Загрязнение гидросферы нефтью

  Установлено, что при дноуглубительных работах  часть углеводородов переходит  из донных отложений в водную толщу  в виде частиц эмульсии или в растворённой форме. Их дальнейшая судьба во многом зависит от начального состоянии при попадании в воду. Нефтепродукты могут: ассимилироваться морскими организмами, повторно седиментировать, образовывать нефтяные агрегаты, окисляться, растворяться и испаряться.

  Ещё одна особенность нефтяных загрязнений  – способность захватывать и  концентрировать тяжелые металлы, пестициды. Когда нефть разливается  на большой площади, то велика вероятность  протекания различных реакций, так  как растворённые в нефти вещества получают возможность участвовать  в различных химических процессах.

  В случае образования плёнки, концентрирование происходит на поверхности и возможно в самой плёнке. Концентрирование металлов изменяет их токсичность и  усложняет молекулярный перенос  в плёнке вследствие реакций между  металлом и органическими соединениями. Эти процессы, протекающие в нефтяной плёнке, могут также вызвать концентрирование в замкнутой биологический цепи питания с участием низших организмов. Таким образом, введение загрязнений в биологическую среду питания ускорится.

  Характер  растекания нефти по поверхности  водоёмов:

  Способность нефти растекаться по поверхности  воды проявляется только в начальный  период её нахождения на воде и на распространение по водоёму существенно не влияет.

  Скорость  растекания нефтепродуктов лёгкой фракции (бензин, керосин) ниже, нежели у тяжёлой  фракции (мазут, масло), так как поверхностное  натяжение у границы с водой  у первых выше. По той же причине, при одинаковых количествах, продукты лёгкой фракции растекаются на меньшей  площади.

  Зона  загрязнения распространяется на несколько  километров от места попадания нефти  в воду. С момента утечки и до момента начала работ по локализации  и ликвидации нефтяного загрязнения  её распространение по водоёму уже  обычно завершается, т.е. зона загрязнение  приобретает почти максимальные размеры и определённую форму. Распространение  пролитой нефти в условиях водоёма  происходит под влиянием течения, ветра, колебаний уровня воды и имеет  свои особенности. Для реки, ввиду  близости берегов, нефть быстро достигает  их. Наличие заводей, мелководных  участков, покрытых растительностью, создаёт  благоприятные условия для скопления  нефти. На открытых участках, где есть ветер и течение, нефть долго  не задерживается – её сносит в  спокойные зоны. Обычно, в этих же местах скапливается и мусор, с которым  она перемешивается.

  При интенсивном поступлении нефти  из повреждённого судна образуется нефтяное пятно в виде широкой  полосы, у которой толщина в  середине больше, чем по краям. При  постепенном же поступлении –  пятно имеет вид узкой полосы. От места утечки нефть перемещается по равнодействующей силы ветра и  течения до достижения берега. А, достигнув  его, переформируется. В одних случаях, нефть ветром прижимается к берегу или какой-либо преграде и располагается  в виде клина – у основания  толщина больше. Если действие ветра  незначительно, то и толщина слоя примерно одинаковая. Нефть, оставшаяся на берегу из-за понижения уровня воды, также располагается в виде клина  или равномерным слоем.

  При изменении направления ветра, нефть  из одних участков может быть перенесена в другие, загрязняя и их. Как  правило, она располагается вдоль  берега, заполняя все заводи. Но нередко  загрязнённые зоны чередуются с чистыми.

  Если  же в водоёма скорость течения значительна, то протяжённость зоны загрязнения увеличивается. Известны случаи, когда она достигала 50-130 км. Плавучая нефтяная плёнка может охватывать огромные пространства. Установлено, что одна капля может занимать площадь примерно в 0,25м². А тонна нефти покрывает пространство в 500 га. Собрать такую нефть очень трудно.

  Все виды нефти содержат легкокипящие элементы, которые быстро испаряются. И уже  через несколько дней пятно уменьшается  на 25%. Низкомолекулярные элементы выводятся  из пятна, главным образом, в результате растворения. Причём, ароматические  углеводороды растворяются быстрее  парафинов.

  Разложение  нефти под воздействием бактерий и окисления:

  Биохимическое воздействие бактерий, грибков и  организмов на компоненты нефти гораздо  шире и охватывает самые разнообразные  вещества по сравнению с процессами испарения и растворения. Однако, не существует такого микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Бактериальное воздействие характеризуется высокой избирательностью, и полное разложение требует воздействия многочисленных видов микроорганизмов. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, для разрушения которых требуется воздействие очередных организмов. Парафиновые углеводороды наиболее легко разлагаются бактериями, следовательно, более устойчивые циклопарафиновые и ароматические исчезают из океанской среды с меньшей скоростью.

  Также нефтяные углеводороды подвержены процессам  химического окисления и фотоокисления, но в водной среде эти процессы недостаточно исследованы.

  Содержание  питательных веществ и кислорода  является определяющим фактором для  деятельности микроорганизмов. Для  полного окисления 4 литров сырой  нефти потребуется кислород, содержащийся в 1,5 миллионах литров морской воды, насыщенной воздухом при 60°С, что эквивалентно количеству воды слоем 30 сантиметров и площадью 5000 км².

  Нефтяная  плёнка препятствует процессу аэрации  – поглощения водой кислорода  через поверхность. В таких условиях бактериальное разложение может  иметь отрицательные последствия, так как уменьшает количество кислорода. При постоянном расходе  кислорода, прекращение аэрации  может оказаться гибельным для  животного мира водоёма. Нефть относится  к числу трудноокисляемым организмами веществ, потому самоочищение загрязнённых территорий происходит очень длительное время.

  Влияние физических параметров окружающей среды  на скорость разложения нефти в воде:

  Скорость  разложения зависит от параметров окружающей среды, и один из главных – это  температура воды. В общем случае, при повышении температуры на 10°С скорость реакций увеличивается в 2-4 раза. Понижение же температуры тормозит не только химические, но и биологические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией углеводородов. Скорость разложения углеводородов также зависит и от солёности, особенно в тех районах, которые подвержены влиянию речного стока.

  Распад  нефти в менее солёных водах  протекает наиболее активно. С увеличением  активной реакции среды скорость разрушения нефтепродуктов возрастает. Так как диапазон изменений рН в море колеблется в пределах 2 единиц, то эффект изменения периода полураспада  нефти в море в зависимости  от изменения рН в 25 раз меньше, чем  от колебаний температуры, и в  три раза меньше, чем от колебаний  солености.

4. Влияние донных отложений на  распад углеводородов  

  В процессе самоочищения морской среды  от углеводородов значительная роль принадлежит донным отложениям, которые, с одной стороны, способствуют очищению с помощью адсорбцию, но с другой стороны, могут сами стать источников повторного загрязнения. При этом наносы и взвешенные частицы, действуя как  “ловушки”, играют значительную роль в миграции нефтяных загрязнений.

  Углеводороды, адсорбируясь на взвешенных частицах, осаждаются на донных отложениях, но не всегда остаются на их поверхности. Кроме  того, углеводороды, связанные со взвешенными частицами, могут вновь перейти в толщу воды под воздействием гидрометеорологических факторов.

  В глубоководных районах при наличии  придонных течений повышенная концентрация нефти в донных отложениях обуславливается  также повторным суспендированием взвешенных частиц.

  Незначительная  плотность современных отложений  и гидродинамическая активность способствует загрязнению донных отложений  по глубине. При этом повышается связность  неуплотнённых песков и илов в  присутствии нефти, уменьшается  дисперсность и пористость, из-за чего часть донных отложений преобразуется в прослой с высоким содержанием нефти.

  Содержание  нефти в донных отложениях уменьшается  от глинистых илов к суглинистым и супесчаным и от пылеватых песков к крупным. При этом увеличение содержания углеводородов в донных отложениях сочетается с уменьшением их плотности и увеличением дисперсности. Причина повышенной концентрации нефти в мелкодисперсных отложениях служит то, что они обладают большей сорбционной способностью, а, значит, и способностью удерживать.

  Однако, способность к сорбции может значительно изменяться под воздействием гидрометеорологических факторов (волнение, течение), дноуглубительных и гидротехнических работ, что многократно и наблюдалось в естественных условиях.

  Образование нефтяных комочков в воде:

  Смешиваясь  с водой, нефть образует эмульсии двух типов: прямые “нефть в воде”  и обратные “вода в нефти”. Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и наиболее характерны для нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества.

  После удаления летучих и растворимых  фракций остаточная нефть чаще образует вязкие обратные эмульсии, которые  стабилизируются высокомолекулярными  соединениями типа смол и асфальтенов и содержат 50-80% воды (“шоколадный мусс”). Под влиянием абиотических процессов вязкость “мусса” увеличивается и начинается его слипание в нефтяные комочки от 1мм до 10см. Агрегаты представляют собой смесь высокомолекулярных углеводородов, смол и асфальтенов. Потери нефти на формирование подобных агрегатов составляют 5-10%. Такие образования могут длительное время сохраняться на поверхности воды, переноситься течениями, оседать на дно и выбрасываться на берег. Нефтяные комочки нередко заселяются сине-зелёными и диатомовыми водорослями, усоногими рачками и другими беспозвоночными.

  Соотношение всех процессов, способствующих удалению нефти из водной среды изучено слабо, но известно, что именно активность бактерий определяет конечную судьбу нефти в воде.

5. Биологические и химические изменения,  обусловленные загрязнением гидросферы  нефтью

  Некоторые из фракций, содержащиеся в нефти, весьма токсичны, причём их токсичность возрастает по мере увеличения концентрации. Низкокипящие и некоторые ароматические соединения (бензол, ксилол) токсичны и в разной степени растворимы в воде. В состав высококипящих фракций входят канцерогенные  вещества. Нефть сама по себе тоже токсична, но данных об отравлениях нефтью, попадающей внутрь организма, немного. Эмульсии нефти  могут физически воздействовать на организмы, вызывая удушье.

  Общее воздействие нефти на морскую  среду можно разделить на 5 категорий:

  1.  непосредственное отравление с летальным исходом.

  2.  серьёзные нарушения физиологической активности.

  3.  эффект прямого обволакивания живого организма нефтепродуктами.

  4.  болезненные изменения, вызванные внедрением углеводородов в организм.

  5.  изменения в биологических особенностях среды обитания.

  Отравления  с летальным исходом:

  Летальное отравление возможно в результате прямого  воздействия углеводородов на важные процессы в клетках, особенно на процессы обмена между ними.

  Наибольшую  опасность представляют растворимые  в воде ароматические углеводороды. Воздействие парафиновых углеводородов  низкой молекулярной массы может  вызвать наркотическое действие, но необходимая для этого концентрация высока и отсутствует в нефтяных пятнах. Смерть взрослых морских организмов может наступить после контакта в течение нескольких часов с  растворимыми ароматическими углеводородами, содержание которых составляет 10^-4-10^-2%. Смертельные концентрации для икринок и мальков составляет 10^-5%, таким образом они чувствительнее к нефти в 10-100 раз.

  Смертельные концентрации ароматических углеводородов  возможны в нефтяных пятнах, не подвергшихся атмосферному воздействию. Однако, уже упоминалось, что после длительного пребывания в воде нефть теряет многие свойства и компоненты.

  Токсичные эффекты от нефтяных пятен обычно локализованы и наибольшая смертность там, где загрязнение ограничено прибрежными районами с большим  содержанием живых организмов. Большинство  нефтяных загрязнений находится  далеко от берега, в районах с  большими глубинами, поэтому опасные фракции частично испаряются либо разбавляются водой до того, как пятно достигнет прибрежных районов. Компоненты, являющиеся причиной смертельных исходов при больших концентрациях, могут создавать проблемы и при малых – нефтяные углеводороды взаимодействуют с живыми организмами, чувствительными к химическим веществам, влияя на их выживаемость.