CC BY
454
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 551.46(268.4)+574.4:504.05 +574.4:546.027
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ СРЕДЫ МОРЕЙ РОССИЙСКОГО СЕКТОРА АРКТИКИ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОГОНЕННЫХ НАГРУЗОК
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН
Аннотация
Исследован уровень загрязнения природной среды морей российского сектора Арктики в условиях современных техногенных нагрузок. Арктические моря остаются относительно мало загрязненными. Очаги загрязнения в акватории морей и связанные с этим экологические риски определяется развитием хозяйственной деятельности на акватории и на территории водосборных бассейнов. Отмечено снижение радиоактивного загрязнения морской среды по сравнению с периодом неконтролируемой эмиссии 1960-х гг. Ключевые слова:
трансграничный перенос, нефтепродукты, пестициды, радионуклиды, полиароматические углеводороды, парафины, тяжелые металлы, донные осадки, речной сток.
Введение
Потребность в ресурсах
для экономиического развития приводит к возрастающему вовлечению
арктических морских акваторий в сферу хозяйственного освоения. Климатические условия, наличие биологических и ископаемых ресурсов формируют спектр хозяйственного использования водоемов. Интенсивное природопользование генерирует рост экологических рисков и техногенного загрязнения. На поступление и распределение загрязняющих веществ во многом влияют природные условия. Система североатлантических течений, атмосферная циркуляция, речной сток определяют трансграничный перенос загрязняющих веществ из Западной Европы и континентальной Азии в арктические морские бассейны. Импактное (очаговое) загрязнение арктических окраинных морей и связанные с этим экологические риски формируются эмитентами регионального и локального масштаба. Их активность зависит от хозяйственной деятельности на акватории морей и на территории водосборных бассейнов. В этом контексте следует упомянуть Новоземельский испытательный полигон ядерного оружия и захоронения радиоактивных отходов в Карском море. Норильский и Кольский горнопромышленные комплексы как региональные источники оказывают влияние на загрязнение морских воздушных масс и морской акватории. Перенос антропогенных аэрозолей в Арктику наиболее интенсивен в зимне-весенний период [1]. Каналы переноса и источники загрязнителей имеют различную значимость для каждого из морей (рис.).
Более всего изучена роль речного стока как источника поллютантов. Она адекватна объему стока и уровню промышленно-социального развития расположенных в водосборе хозяйственных центров. Наиболее опасными для экологии морей поллютантами, которые устойчиво циркулируют в компонентах морской среды, остаются пестициды группы ДДТ и ГХЦГ, полихлорированные бифенилы, нефтепродукты, полиароматические углеводороды (ПАУ), радионуклиды, тяжелые металлы. Но, по данным ММБИ за 2003-2013 гг., значимость речного стока как источника радионуклидов снизилась на порядок по сравнению с 1950-1990 годами [2, 3].
82
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
Изученность загрязненности арктических морей неодинакова. В большей степени исследованы хозяйственно освоенные бассейны - Баренцево и Белое моря.
Рис. 1. Объемы выноса загрязняющих веществ с речным стоком и распространение в прибрежной зоне арктических морей
Материалы и методы
Материалом исследований формирования качества морской среды послужили данные, полученные ММБИ в экспедициях в разные годы последнего десятилетия, в том числе в рамках выполнения международных исследовательских проектов. Анализ собранных в экспедициях проб воды, донных отложений, приводного слоя воздуха, определение концентрации компонентов химического и радионуклидного загрязнения выполнен в аттестованных лабораториях.
Результаты и их обсуждение Баренцево море
Баренцево море имеет свободный водообмен с Норвежским и Гренландским морями. Система теплых атлантических течений формирует гидрофизическую и геоэкологическую ситуацию в южной части моря. Близость европейских промышленных центров определяет высокую значимость трансграничного океанического переноса поллютантов для баренцевоморской экосистемы. С северо-атлантическими водами в бассейн поступают тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты, радионуклиды. Важна роль атмосферного переноса загрязняющих веществ. В виде аэрозолей они приносятся с территорий Северной Европы и Кольского п-ова. Спектр тяжелых металлов, мигрирующих в атмосфере моря, пополняется из региональных источников аэрозолями Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Cr и Hg, ПАУ. Эффект от их поступления возможен в полосе таяния дрейфующего льда, аккумулировавшего атмосферные выпадения в зимний период [4].
В прибрежных районах экологически значима адвекция поллютантов с водами Норвежского прибрежного течения и со стоками Мурманского промышленного узла через
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
83
Геоэкологическое состояние среды морей российского сектора Арктики...
Кольский и Мотовский заливы, губу Печенга. Месторождения руд на территории водосбора определяют повышенный геохимический фон меди, марганца, никеля, железа, алюминия в пресноводном стоке. В юго-восточной части бассейна (Печорское море) источниками загрязнения являются р. Печора и портово-хозяйственный комплекс «Варандей» [4, 5].
Загрязнение водной среды. К числу наиболее распространенных загрязнителей морской среды относятся нефтепродукты (НП) или нефтяные углеводороды. Их распространение происходит, главным образом, в поверхностном слое вод. Содержание НП в воде варьирует на разных участках акватории от 0 до 0.1 мг/л (2 ПДК). Их среднегодовое содержание составляет 0.01 мг/л [5, 6]. Неравномерность концентрации обусловлена, в большей степени, гидрологическими процессами - течениями и гидрофронтами.
В прибрежной зоне концентрации НП, превышающие ПДК (0.05 мг/л), отмечаются в обжитых бухтах, иногда в зонах прибрежных гидрофронтов. В воде Кольского и Мотовского заливов, губы Териберской в единичных случаях наблюдали концентрации выше 5 ПДК. В Печорском море через морские терминалы осуществляется круглогодичная перевалка нефти, добываемой на материковых месторождениях (терминал «Варандей») и Песчаноозерском месторождении (о. Колгуев). На акватории этого моря содержание НП меняется от 0 до 0.02 мг/л, но в локальных участках иногда повышается до 0.1 мг/л [4, 5].
Состав парафиновой группы углеводородов представлен соединениями от С10 до С30. Их суммарное содержание - от 1 до 20 мкг/л. В локальных участках отмечается концентрация около 90 мкг/л. В структурном ряду парафинов преобладают короткоцепочные алканы С12-С22. Углеводороды растительного и бактериального происхождения (C20-25) составляют 30-33%. В зоне прибрежья, особенно в водах Мотовского и Кольского заливов, преобладают легкие парафины нефтяного происхождения.
Суммарное содержание ПАУ в воде низкое (12-80 нг/л), а их композиционный состав беден. Рост концентрации происходит в прибрежных районах и у западной окраины моря. Повсеместно отмечены перилен, пирен, фенантрен, флуорен, флуорантен и бенз(Ь+к)флуорантен. По концентрации и частоте встречаемости доминируют перилен и бенз(Ь+к)флуорантен - индикаторы техногенных выбросов. Бенз(а)пирен и другие канцерогенные ПАУ наблюдаются эпизодически. В районах нефтегазовых структур содержание ПАУ в придонном слое воды растет до 260-330 гн/л [4, 6].
Несмотря на отдаленность Баренцева моря от сельскохозяйственных районов, в водной среде локально обнаруживаются пестициды. Распространены метаболиты ДДТ: рр-ДДЕ, рр-ДДД, ор-ДДД, ор-ДДТ, рр-ДДТ. Их суммарное количество (1.84-3.25 нг/л) ниже уровня ПДК. Повышение концентраций регистрируется эпизодически на участках фронтальных зон и в прибрежье Западного Мурмана. Соотношение метаболитов ДДТ/ДДЕ (~ 2) характерно для малотрансформированного препарата. Очевидно, что ДДТ поступает в Баренцево море в основном с атлантическими водами и водами Норвежского прибрежного течения. В Печорском море концентрация ДДТ снижается до 0.05-0.5 нг/л [4, 5].
Другой распространенный комплексный пестицид - гексахлорциклогексан (ГХЦГ) - также распространен в южной части моря, но имеет более низкие концентрации. В составе ГХЦГ обнаруживаются а-, Р-, у- изомеры. Соотношение метаболитов смещено в сторону у-изомера. По-видимому, с атлантическими водами периодически поступает препарат ГХЦГ недавнего применения. Отмечена тенденция снижения концентраций с 1.7 до 0.7 нг/л от западной периферии моря на восток, к мысу Святой Нос.
Полихлорированные бифенилы (ПХБ) - распространенный техногенный загрязнитель. По наблюдениям, эти соединения обнаруживается на локальных участках акватории. Их содержание в воде намного ниже ПДК [7]. Вода Мотовского залива может содержать около 2.5 нг/л в поверхностном слое и около 1.2 нг/л - в придонном. Повышение концентраций до 4.5 нг/л отмечено во фронтальных зонах моря и в прибрежье. В придонном слое участков
84
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
открытого моря концентрация ПХБ не превышает 0.5 нг/л и увеличивается в прибрежной зоне до 0.7-0.9 нг/л. Загрязненность вод Печорского моря составляет 0.05-1.8 нг/л [4].
Ветви Северо-Атлантического течения служат основным каналом поступления радионуклидов 137Cs и 90Sr в Баренцево море. Речной сток, атмосферные выпадения играют в настоящее время второстепенную роль в загрязнении водоема. В период с 1950 по 2009 гг.
3 137 3 90
по указанным каналам в море поступило около 37.5-10 ТБк Cs и 24.8-10 ТБк Sr. Большая часть поступивших изотопов (26-10 ТБк Cs и 19.5-10 ТБк Sr) выведена из бассейна в процессе водообмена через северные и восточные границы моря. Вынос и рассеяние радионуклидов, сокращение их эмиссии определили снижение концентрации и сглаживание различий в распределении. Современная активность 137Cs в областях распространения атлантических вод: Рыбачья, Мурманская, Демидовская банки, Центральное плато варьирует от 0.4 до 2.5 Бк/м3, а активность 90Sr - от 0.5 до 9 Бк/м3. В полярной водной массе на
137 3 90 3
возвышенностях Персея и Центральной активность 13 'Cs составляет 0.9-2.5 Бк/м3, Sr - 1.8-6.5 Бк/м3.
Донные отложения. Морские донные отложения накапливают загрязняющие вещества (ЗВ), растворенные в водной среде и сорбированные взвесью. Неравномерность их накопления определяется гидродинамическим переносом и аккумуляцией осадочного материала. При изменении условий начинается обратный процесс - десорбция и поступление поллютантов в водную среду, так называемое «вторичное загрязнение».
Накопление нефтепродуктов в донных отложениях открытых районов Баренцева моря весьма мозаично, а их концентрация меняется в интервале от следовых величин до 80 мкг/г сухого осадка. Наиболее высокие концентрации отмечены в отложениях прибрежной зоны и Центрального желоба, где происходит аккумуляция тонкодисперсных фракций. Близ Кольского и Мотовского заливов концентрации НП повышены до 120-700 мкг/г.
Для оценки указанных величин в качестве нормирующего показателя приведем норматив агентства по контролю загрязнения Норвегии (SFT) - ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК) НП в незагрязненных морских осадках, 50 мг/г сухого осадка [8].
Структурный состав парафинов в донных осадках шире, чем в водной среде. В области Мурманского мелководья для осадков характерно смешение углеводородов нефтяного и биогенного генезиса. Здесь доминируют две группы парафинов С12-С17 и С18-С24 (30% и 45% общей массы соответственно). Рост концентрации биогенных парафинов С20-С21 и С25-С26 обычно отмечается в период развития микроводорослей. Короткоцепочные соединения С10-С14 нефтяного генезиса фрагментами обнаруживаются на всех участках дна, но более всего они распространены в отложениях Центрального желоба, что может быть вызвано элиминацией легких углеводородов из осадочного чехла [4].
Распределение ПАУ в донных осадках неравномерно. В южной и центральной частях моря их содержание составляет 20-400 нг/г сухого осадка. Для открытых районов моря характерно накопление ПАУ природного генезиса - хризена и фенантрена. Незначительную долю в композиционном составе на всех участках дна составляет группа типично нефтяных ПАУ -нафталины, антрацен, инден. Близ устья Кольского залива, в Мотовском заливе, в Варангер-фиорде концентрация ПАУ (до 150 нг/г) многократно ниже порога «загрязнения» по классификации SFT (выше 2 тыс. нг/г). Доминируют соединения нефтяного генезиса нафталин и флуорантен - индикаторы антропогенного пресса на прибрежную зону. Повышенное накопление происходит в отложениях Центрального желоба и губ с инфраструктурой портов. Осадки внутренней части губ Печенга, Ура, южного и среднего колен Кольского залива загрязнены больше, чем устьевые части заливов. На локальных участках губ содержание ПАУ временами повышается до уровня «слабого загрязнения».
Еще более высокое накопление ПАУ происходит в прибрежье Шпицбергена - до 7000 нг/г сухого осадка. В составе ПАУ преобладают пирогенные соединения: пирен, бенз- и дибензантрацены, флуорантен, и прочие, обладающие канцерогенными свойствами. Концентрация бенз(а)пирена - от 0 до 14 нг/г [4, 6].
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
85
Геоэкологическое состояние среды морей российского сектора Арктики...
В Печорском море концентрация ПАУ составляет 5-80 нг/г сухого осадка. На участках нефтегазовых структур доминируют нафталин (5-40 нг/г) и флуорантен (0.2-0.4 нг/г). Концентрация бенз(а)пирена в этом районе мала - 0.0-5.2 нг/г сухого осадка [4].
Накопление ПХБ в донных отложениях открытых районов моря составляет в среднем 0.3 нг/г сухого осадка. В 35 % проб эти соединения не были обнаружены. Повышение концентрации до 1.0-1.5 нг/г происходит в осадках Центрального желоба и в прибрежье -до 2.5 нг/г. Состав ПХБ в отложениях шире, чем в воде, представлен соединениями № 28, 31, 52, 101, 105, 118, 138, 153, 180. Основную массу образуют конгинеры № 52, 118, 138, 153.
В прибрежной зоне отмечен рост концентрации ПХБ в западном направлении. В осадках Варангер-фьорда концентрация загрязнителя местами возрастает до 4.0 нг/г. Повышенные концентрации (4-19 нг/г сухого осадка) наблюдали в осадках губы Печенга. В осадках Мотовского залива накапливается около 2.5 нг/г. В осадках Печорского моря концентрация ПХБ варьирует от 0.05 до 2.3 нг/г сухого осадка.
Накопление стойких хлорорганических пестицидов в баренцевоморских осадках также ниже ОДК для незагрязненных осадков ( < 500 нг/г сухого осадка по SFT). Суммарная концентрация ДДТ варьирует от 0.4 до 15.8 нг/г, составляя в среднем 3.3 нг/г. Максимальные концентрации характерны для отложений Центрального желоба. Основную массу ДДТ (в среднем 55 %) составляет изомер р’р-ДДТ. В осадках прибрежной зоны концентрация ДДТ понижена (0.5-1.5 нг/г сухого осадка) по сравнению с открытыми районами.
Концентрация ГХЦГ в осадках открытого моря изменяется от 1.5 до 5.2 нг/г, составляя в среднем 3.1 нг/г. Содержание у-изомера ГХЦГ (линдана) превышает 50% общей суммы ГХЦГ. Максимум концентраций отмечен в осадках Мурманского мелководья. В Мотовском заливе суммарная концентрация ГХЦГ около 0.65 нг/г, доля линдана составляет 73% как результат инвазии препарата недавнего применения.
С водами теплых течений ксенобиотики распространяются в удаленные высокоширотные районы моря и обнаруживаются в осадках желобов Персея, Франца-Виктории, прибрежья ЗФИ, Шпицбергена, Новоземельской банки. Концентрация ДДТ и ГХЦГ меняется в разных районах от нуля до 7-8 нг/г сухого осадка. Неравномерное соотношение хлорорганических пестицидов на этих участках отражает изменчивое влияния океанографических факторов.
Тяжелые металлы, за исключением железа и марганца, не образуют в осадках высоких концентраций (табл. 1). Их относительное увеличение отмечено в глубоководном Центральном желобе. Для осадков Печорского моря характерны пониженные концентрации. Мозаичность их распределения зависит от доли пелитовой и алевритовой фракций осадка.
В узкой прибрежной зоне, особенно в губах, медь, кобальт, цинк, никель и хром образуют второй максимум концентраций. Формирование этого максимума определяется материковым стоком и осаждением металлов в зоне смешения вод.
Содержание радиоизотопов в донных отложениях низкое: 137Cs - 0.2-7 Бк/кг; 90Sr -0.1-2. Бк/кг сухого осадка. Вследствие сорбционной подвижности цезия его концентрация в осадках изменяется более динамично, чем концентрация 90Sr. Между долей пелитовой фракции в осадке (размер зерен < 0.01 мм) и накоплением 137Cs существует корреляционная связь [9]. Поэтому в отложениях желобов, накапливающих глинистые илы и служащих каналами распространения атлантических вод, количество 137Cs повышено. В алеврито-илисто-песчаных осадках Центральной возвышенности, Персея и Центрального плато 137Cs собирается до 0.8-2.9 Бк/кг сухого осадка. В Печорском море разнозернистые пески содержат 0.2-1.7 Бк/кг сухого осадка [2, 3].
86
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
Таблица 1
Концентрация тяжелых металлов и микроэлементов в осадках Баренцева моря, мкг/г сухого осадка
Район локализации Pb Co Cu Ni Cd Fe* Cr Mn Zn As Hg Sn
Центральный желоб 7-18 1 -5 12-35 20-50 0.0-0.3 38-60 32-54 160-470 70-85 7-67 0.03-0.07 1-7
Южная часть моря 2-18 1 -3 10-20 18-31 0.0-0.10 14-30 18-38 151-280 40-70 2-24 0.0-0.07 0.7-3.0
Печорское море 1-6 0.4-1.5 3-8 1 -3 0.0-0.1 - 1.4-4.0 21-115 4-10 0.4-1.2 0.01-0.02 0.0
Прибрежная зона и губы 5-10 3-30 4-80 12-24 0.0-0.15 9-17 18-57 128-240 26-150 1 -15 0.03-0.10 1-4
ОДК0** <30 - <35 <30 <0.25 - <70 - <150 <20 <0.15 -
* Концентрации железа приведены в мг/г сухого осадка.
**ОДКо - ориентировочно допустимые концентрации для незагрязненных осадков по SFT [8]
Баланс радионуклидов. В результате расчета годовых балансов радионуклидов их современное содержание в Баренцевом море оценено величинами 11.6103 ТБк 137Cs и 5.3 103 ТБк 90Sr. Большая часть радиоизотопов поступает по системе течений через Норвежское море как последствие сбросов западноевропейских радиохимических заводов. Годовой приток 90Sr с водами и взвешенным веществом превышает расход. Поступление 137Cs было выше его выведения до 1980-х гг., в последние два десятилетия баланс отрицателен. Донные отложения депонируют в настоящее время около 447 ТБк 137Cs и 75 ТБк 90Sr.
В пищевую сеть вовлекается лишь незначительная часть изотопов. Их накопление морской биотой рассчитано как сумма активности 137Cs и 90Sr в компонентах пищевой сети. Суммарная активность 137Cs составляет около 0.1 ТБк, а 90Sr - 0.9 ТБк. Основная масса поглощенного 137Cs заключена в зоопланктоне и бентосе. Рыбы накапливают 90Sr в костных скелетах. Удельная активность 137Cs в рыбе по данным 2010-2014 гг. не превышает 0.1 Бк/кг. Макрофиты прибрежной зоны моря содержат 137Cs около 1.5 Бк/кг сухой массы.
Белое море
Распространение загрязняющих веществ в Белом море происходит, главным образом, со стоковыми течениями крупных рек (рис.). Через устьевые участки рек в прибрежную зону моря сбрасывается около 250.5 млн м3 сточных вод. Зонами аккумуляции поллютантов становятся Онежский, Двинской, Кандалакшский и Мезенский заливы, а также центральная глубоководная область моря - бассейн с замкнутой системой циркуляции вод. Сброс поверхностных и коммунальных стоков формирует в заливах устойчиво повышенный уровень концентраций железа и молибдена (до 2 ПДК), эпизодически - меди. Загрязняющие вещества частично выносятся в Печорское море.
Для Белого моря повышена роль атмосферного переноса загрязняющих веществ. Зимой система преобладающих ветров образует в Баренцево-Карском регионе циркуляцию циклонической направленности, при которой в район Белого моря затягиваются воздушные массы с Кольского п-ова и Северной Европы. Концентрация металлов (кроме меди) в атмосфере над Белым морем значительно выше, чем в Норвежском и Баренцевом морях [1].
Водная среда. Белое море, в отличие от Баренцева, принимает значительно больший объем материкового стока. Северная Двина служит наиболее значимым источником загрязняющих веществ. Вода в устьевых участках и взморье рек Северная Двина, Онега в среднем содержит около 0.04 мг/л нефтепродуктов. Меньшая загрязненность характерна для Мезенского залива -около 0.01 мг/л. Временами содержание НП в заливах может повышаться до двух ПДК.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
87
Геоэкологическое состояние среды морей российского сектора Арктики...
В центральной части моря концентрация нефтяных углеводородов варьирует от 0 до 0.08 мг/л. Но эпизодически отмечаются повышенные концентрации [5].
Алифатические углеводороды в беломорской воде содержатся в меньшем количестве, чем в воде Баренцева моря - от 5 до 30 мкг/л. Парафины имеют преимущественно биогенное происхождение. В Двинском и Кандалакшском заливах, где концентрация алканов повышена, идентифицируются соединения нефтяного генезиса [10].
В составе растворенных в воде ПАУ обнаруживаются антрацен, бенз(а)пирен, бенз(б)флуорантен, фенантрен, пирен. Доминируют пирен и бенз(а)пирен, что является следствием выбросов аэрозолей промышленным узлом Архангельск-Новодвинск [10].
Распространение пестицидов в воде Беломорского бассейна недостаточно исследовано, и по современным данным ограничивается прибрежной частью моря. Даже максимальные концентрации пестицидов, наблюдаемые в водной среде Белого моря, ниже уровня ПДК (10 нг/л). Их нахождение в бассейне обусловлено стоком Северной Двины. В Двинском заливе обнаруживаются пестициды группы ГХЦГ. Средняя и максимальная концентрация изомера а-ГХЦГ составляет 0.2 и 0.4 нг/л соответственно, а изомера у-ГХЦГ - 0.4 и 0.8 нг/л. Пестициды группы ДДТ в воде регистрируются эпизодически [5].
Уровень концентрации тяжелых металлов в воде известен по исследованию Кандалакшского залива, в котором аккумулируется сток рек Кольского п-ова. Для вод залива характерно устойчивое превышение рыбохозяйственных норм (около 2 ПДК) по содержанию меди, молибдена и железа [5, 7].
Радиоактивное загрязнение вод Белого моря низкое. По данным ММБИ за 2011-2014 гг. среднее содержание 137Cs составляет 1.2 Бк/м3, 90Sr - 1.5 Бк/м3.
Донные отложения. Распределение нефтяных углеводородов в донных отложениях имеет сходство с их распределением в воде. Максимальные концентрации НП отмечаются в осадках Двинского и Кандалакшского заливов. Суммарное содержание нефтяных углеводородов варьирует от 4 до 33 мг/кг сухого осадка.
Концентрация парафинов в донных осадках изменяется от 0.8 до 12.5 мкг/г сухого осадка. Это соответствует их содержанию в незагрязненных арктических районах - в море Бофорта, Лаптевых и др. В Двинском и Кандалакшском заливах алканы имеют нефтяное происхождение. В устьевых частях заливов состав алканов представлен преимущественно терригенными соединениями, а центральной части моря - биогенными [10].
Суммарное содержание ПАУ варьирует в диапазоне 13-208 нг/г сухого осадка. Для осадков Белого моря характерны ПАУ пирогенного происхождения - бензфлуорантен, бензпирены, бензперилен, типичных для атмосферных выпадений промышленных центров. В глинистых осадках Двинского и Кандалакшского заливов повышено суммарное содержание ПАУ и бенз(а)пирена (10 нг/г сухого осадка). В то же время в осадках заливов значительна доля ПАУ типично терригенного происхождения - перилена и хризена. Концентрация терригенных ПАУ резко повышается в зонах разгрузки речного стока - в вершинных частях заливов. От центральной части моря (бассейна) к Горлу концентрация ПАУ снижается соответственно от 80 нг/г до 47, а далее, к устью Воронки - до 16 нг/г. И даже в южной прибрежной части моря накопление ПАУ (около 60 нг/г) ниже, чем в осадках депрессии бассейна. В целом, накопление ПАУ существенно ниже уровней, допустимых для незагрязненных осадков - < 300 мкг/г сухого осадка [8].
Уровень тяжелых металлов накопления низкий, мкг/л: Cu - 0.5-16; Pb - 1.9-63; Co - 0.7-19.9; Cr - 1.2-17.1; Ni - 1.6-34.1; Hg - 0.04-0.1; Ni - 30 сухого осадка. В отложениях Кандалакшского и Двинского заливов отмечено повышение концентрации тяжелых металлов по сравнению с осадками бассейна.
Средняя удельная активность радионуклидов в осадках Белого моря по наблюдениям ММБИ невысока, Бк/кг: 137Cs - 3; 90Sr - 0.4 сухой массы. Однако отмечены участки импактного загрязнения изотопами - Двинская губа, впадина Кандалакшского залива, Горло Белого моря.
88
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
На этих участках удельная активность 137Cs повышена на порядок, до 22-31 Бк/кг сухой массы, что связано с поступлением радионуклидов от местных источников [9].
Карское море
Загрязняющие вещества в Карское море поступают с обильным стоком рек, обладающих обширными хозяйственно освоенными водосборными бассейнами. Речные воды участвуют в формировании устойчивой системы ветровых и плотностных течений в морском бассейне, образуя ветви Обь-Енисейского и Западно-Таймырского течений. Летом воды поверхностного стока проникают далеко в море (рис.). Реками Обь, Надым, Таз, Енисей в Карское море переносится от 470 до 535 тыс. т нефти и нефтепродуктов; от 3до 83.5 т ГХЦГ (а- и у-изомеры); около 9.5 т ДДТ и ДДЕ, соли тяжелых металлов и фенолы. С материковым стоком поступает около 1 % 137Cs и 4.7 % 90Sr [1, 2].
Водообмен с Баренцевым морем - источник загрязняющих веществ в локальных участках проникновения этих вод в Карское море. Источником поллютантов служит также поток атлантических вод по желобам Святой Анны и Воронина. В районе их распространения отмечены повышенные концентрации нефтяных углеводородов и ПАУ. Через новоземельские проливы осуществляется трансграничный перенос приблизительно 64 % 137Cs и 47 % 90Sr поступающих в Карское море радионуклидов.
В зимний период Норильский ГМК воздействует на воздушную среду Карского моря вплоть до высокоширотных районов благодаря господству северных ветров. В спектре загрязнителей присутствуют Pb, Ni, Cu, Cr, Hg, Cd, Co, Mn, хлорорганические пестициды -ГХЦГ и ДДТ. Некоторые поллютанты содержатся в аэрозолях в большей концентрации, чем в Печорском море. В частности, это пестициды, хром, кадмий, кобальт, марганец. Влияние эолового переноса определяет и загрязненность ледового покрова прибрежных участков.
Воздействие атмосферных выпадений 137Cs и 90Sr на современное радиоактивное загрязнение Карского моря незначительно.
Водная среда. Основной поток нефтепродуктов поступает со стоками Оби и Енисея. Распределение нефтепродуктов на акватории неравномерно. Их концентрация варьирует от 0.00 до 0.04 мг/л, а в среднем составляет 0.02 мг/л, т.е. ниже уровня ПДК.
В воде регистрируется относительно широкий спектр ПАУ, их средняя суммарная концентрация около 115 нг/л. В комплексе ПАУ преобладают нафталины (27 %) - типично нефтяные соединения. Пирен, флуорантен и алкилзамещенные ПАУ пирогенного генезиса составляют лишь около 2 %. Доля ПАУ естественного геохимического фона (фенантрен) в среднем около 15 %. Оставшаяся часть ПАУ представлена техногенными полиаренами. Доля бенз(а)пирена в воде ниже 1 % от суммарного количества ПАУ. Общее содержание ПАУ в воде Карского моря ниже, чем в прибрежной зоне Баренцева моря, а их качественный состав практически такой же, хотя водоем и удален от крупных промышленных центров. Основное поступление ПАУ в бассейн обеспечивается, по-видимому, поверхностным стоком с территории водосбора и атмосферными выпадениями.
Хлорорганические пестициды групп ДДТ и ГХЦГ обнаруживаются лишь в очень небольших количествах в верхнем слое воды. Содержание метаболитов ДДТ составляет около 1 нг/л, на порядок ниже уровня ПДК. В группе ГХЦГ преобладает изомер а- ГХЦГ - 0.4 нг/л. Изомер у-ГХЦГ содержится в количестве около 0.3 нг/л. По соотношению метаболитов (ДДТ/ДДЕ < 1; а-ГХЦГ/у-ГХЦГ < 1) видно, что пестициды поступают в бассейн уже в метаморфизированном виде по отношению к исходным техническим препаратам. Средняя концентрация семи основных («голландских») конгинеров ПХБ составила 1.0 нг/л.
Концентрация тяжелых металлов в верхнем слое воды Карского моря ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов (табл. 2) и ниже, чем в водах Баренцева моря [5, 7]. Тем самым подчеркивается роль геохимии водосборных территорий и водообмена с Баренцевым морем.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
89
Геоэкологическое состояние среды морей российского сектора Арктики...
Диапазон активности 137Cs относительно узок, от следовой активности (мда < 1 Бк/м3) до 2.5 Бк/м3. Повышенные концентрации 137Cs (до 2.5 Бк/м3) наблюдали в водах Восточно-Новоземельского желоба, что вызвано особенностями океанографического режима - адвекцией вод из Баренцева моря через пролив Югорский Шар, материковым стоком с побережья Новой Земли. Низкая активность 137Cs (до 0.8-1.7 Бк/м3) характерна для мелководных участков центральной части моря и Обь-Енисейского мелководья.
Диапазон активности 90Sr варьирует в интервале 1-15 Бк/м3. Повышенные концентрации радионуклида отмечены в мелководных частях моря, подверженных воздействию стока Оби и Енисея. В водах Восточно-Новоземельского желоба, как и у северо-восточной границы моря, активность изотопа, наоборот, понижена - 1.5-3.5 Бк/м3.
Таблица 2
Концентрация тяжелых металлов в поверхностном слое воды Карского моря, мкг/л
Металл Mn Zn Cu Ni Pb Co Cd Sn
Средняя концентрация 1.9 1.7 0.82 0.14 0.5 0.1 0.13 0.14
ПДК 50 50 5 10 10 10 10 112
Многолетний ряд наблюдений позволил выявить тенденции к снижению концентраций цезия-137 и стронция-90 в воде Карского моря, которые описываются экспоненциальными кривыми:
y = 12.116e-0 0735x, R2 = 0.6465 (для 137Cs);
y = 20.119e-0 0394x, R2 = 0.5327 (для 90Sr), где х - количество лет, прошедших после максимума загрязнения.
Период уменьшения объемной активности 137Cs в воде в 2 раза происходит за 9.5 лет, 90Sr - за 17.5 лет. Для сравнения: в Баренцевом море эти показатели составляют 6 и 12 лет соответственно [3].
Донные отложения. В донных отложениях южной части моря уровень накопления нефтепродуктов изменяется от 6.5 до 8 мкг/г сухого осадка. Их средняя концентрация составляет 7.5 мкг/г сухого осадка. Такой низкий уровень соответствует наиболее «чистым» участкам Баренцева моря.
Накопление парафинов в осадках Карского моря существенно выше, чем в осадках различных зон Баренцева моря. Распределение парафинов в осадках мало зависит от их литотипа и в большей степени определяется потоками атлантических и речных вод. Для осадков прибрежных мелководий характерна наиболее низкая концентрация парафинов -от 150 до 400 нг/г сухого осадка. Доминируют соединения преимущественно биогенного происхождения, входящие в состав липидов планктонных организмов (С15-С19) и восков наземных растений (С23-С29). Гидродинамика этой области обусловлена распространением прибрежных и смешанных вод Восточно-Новоземельского и Обско-Енисейского течений. В осадках северо-западной периферии моря уровень накопления парафинов выше - 500-800 нг/г. Гидрологический режим этой части определяется поступлением вод из Баренцева моря и Арктического бассейна. Повышенная концентрация короткоцепочных, типично нефтяных парафинов С12-С14 отмечена во фронтальной области атлантических вод, поступающих из пролива Святой Анны, что может быть следом антропогенного загрязнения атлантических вод нефтепродуктами. Осадки центральной части моря, которая включает нефтегазоносные структуры: Русановскую, Ленинградскую и Обручевскую, выделяются максимальным
содержанием парафинов - 1-7 тыс. нг/г. Резкие отклонения концентраций в районе нефтяных месторождений обусловлены природными эпигенетическими процессами - миграционным потоком углеводородов из недр осадочного чехла. Преобладают парафины С20-С26, компоненты метаморфизации органического вещества.
90
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
Распределение ПАУ в осадках неравномерно - от 6 до 90 нг/г сухого осадка. Выделяются два участка повышенного содержания, которые локализованы в области устья части Оби и в прибрежье о. Вайгач. На большей части морской акватории доминируют антрацен и флуорантен - полиарены преимущественно антропогенного генезиса. Типично нефтяные биядерные ПАУ - нафталин и его метиллированные гомологи, обнаруживаются на всей акватории моря. Суммарное содержание нафталинов около 10% ИПАУ. Высокий уровень их накопления (до 48 %) характерен для ареалов смешения Обь-Енисейского стока с морскими водами. Распределение бенз(а)пирена (0.0-2.4 нг/г сухого осадка) в отложениях Карского моря в целом совпадает с закономерностями о распределения ИПАУ [6].
Хлорорганические соединения содержатся в очень малых количествах в осадках южной части моря. Суммарная концентрация соединений ГХЦГ составляет от 0.25 до 1.0 нг/г сухого осадка (среднее содержание 0.5 нг/г). Пространственная изменчивость концентраций ДДТ незначительна - от 0.3 до 0.6 нг/г. Средняя суммарная концентрация ДДТ - 0.4 нг/г. Гексахлорбензолы накапливаются в осадках в концентрациях 0.1-0.4 нг/г сухого осадка. В целом уровень накопления пестицидов ниже, чем в осадках Баренцева моря и много ниже ориентировочного уровня для незагрязненных осадков ( < 500 нг/г по SFT).
В композиционном составе ПХБ обнаруживается до 15 конгинеров, их суммарная концентрация изменяется от 2.7 до 4.2 нг/г сухого осадка. Наиболее широко распространены конгинеры № 28, 31, 52, 101, 105, 118, 138, 153. Накопление ПХБ в южной части моря определяется влиянием речного стока [5].
Также влиянием поверхностного стока определяется накопление тяжелых металлов. В южной части моря отмечено повышенное накопление меди, никеля, кадмия, олова и мышьяка, что может быть связано с особенностями геохимического фона водосборного бассейна и воздействием Норильского ГМК (табл. 3) [5].
Таблица 3
Концентрация тяжелых металлов и микроэлементов в поверхностном слое донных отложений
Карского моря, мкг/г сухого осадка
Металл Mn Zn Cu Ni Pb Co Cd Sn Cr Hg As
Средняя 214 28.3 36.2 34.7 14.2 5.37 0.18 33.5 12.6 0.001 18.7
концентрация
ОДКо --- <150 <35 <30 <30 --- <0.25 --- <70 <0.15 <20
Удельная активность 137Cs в донных отложениях варьируется на участках дна от следовых значений до 12 Бк/кг. Неравномерность распределения обусловлена главным образом морфологией дна, а, следовательно, гидродинамикой и литотипом осадков. Донные отложения в районе Восточно-Новоземельского желоба представлены в основном глинисто-илистыми отложениями с примесью песка. Для этих осадков характерны участки повышенной активности 137Cs - до 12 Бк/кг сухого осадка. На мелководных участках моря концентрация 137Cs ниже минимально детектируемой активности (МДА < 1 Бк/кг). Гидродинамический режим придонных вод создает условия интенсивного промывания осадков на мелководье и низкий уровень накопления радионуклидов в промытых песчаных осадках. Лишь на локальных участках регистрируется активность до 5 Бк/кг.
Удельная активность 90Sr в донных отложениях ниже, чем в водной среде, что вызвано низкой сорбционной способностью радионуклида. В основном он остается в водной фазе и слабо накапливается взвесью. Поэтому даже в зоне смешения речных и морских вод, в так называемой зоне маргинального фильтра, не происходит накопление 90Sr.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
91
Геоэкологическое состояние среды морей российского сектора Арктики...
Анализ многолетней динамики среднегодовой активности изотопов цезия и стронция в донных отложениях Карского моря выявил, что за прошедшие тридцать лет произошло снижение концентраций 90Sr в 3 раза, 137Cs почти в 5 раз.
Море Лаптевых
Источники загрязнения этого водоема изучены мало. Основным из них следует считать сток р. Лена. Относительно крупный промышленный источник поллютантов в бассейне - порт Тикси. Характерные загрязняющие вещества - нефтепродукты, фенолы, соединения железа, меди и свинца. Среднегодовая концентрация большинства загрязняющих веществ в реках не превышает 1-3 ПДК. Вынос нефтепродуктов в прибрежье отдельными реками варьируется, а в целом может достигать 390 тыс. т. Более 98 % этого количества попадает в море с водами р. Лена (рис.) [5].
Водная среда. Среднее содержание нефтепродуктов в водах моря Лаптевых не превышает 0.04 мг/л. Максимальные концентрации нефтепродуктов наблюдаются в воде губы Буор-Хая в районе п. Тикси - до 0.08 мг/л - около 1.5 ПДК.
Концентрация пестицидов много ниже ПДК. Сток хлорорганических пестицидов с речными водами не отмечен. Тем не менее, соединения ДДТ обнаруживаются в воде южной части моря - 0-1.3 нг/л; а соединения ГХЦГ - 0.03-2.05 нг/л. Повышенные концентрации свойственны прибрежным районам, устьям рек.
Радиоактивное загрязнение моря Лаптевых в современный период характеризуется как низкое. Среднее содержание 137Cs в поверхностных водах по данным 2013 гг. составляет около 1.6 Бк/м3, 90Sr - около 3.5 Бк/м3.
Донные отложения. Повышенной концентрацией нефтяных углеводородов и ПАУ в осадках выделяются приустьевые области, область материкового склона и подножия. Устьевые области рек формируют вдоль побережья обширную зону маргинального фильтра. По желобам, секущим материковый склон, «мутьевые потоки» переносят загрязненные шельфовые осадки к подножию и определяют ареалы повышенной концентрации нефтепродуктов и ПАУ на больших глубинах. В донных отложениях шельфовой части моря уровень накопления нефтепродуктов составляет от 10 до 180 мкг/г сухого осадка. Наиболее высокие концентрации нефтепродуктов отмечены в осадках губы Буор-Хая - до 180 мкг/г, и в Хатангском заливе -до 86 мкг/г [5]. Эти концентрации значительно выше, чем в других арктических морях и соответствуют хозяйственно развитым участкам прибрежья Баренцева моря. В мелководной части моря суммарная концентрация ПАУ варьирует в пределах 13-40 нг/г сухого осадка. Основу композиционного состава ПАУ составляют пирогенные полиарены и петрогенные арены, принесенные речным стоком. Максимальное содержание ПАУ локализовано в устьевой зоне р. Лена. В осадках глубоководной части моря общее содержание ароматических углеводородов варьирует от 1 до 66 мкг/г, но лишь в осадках материкового подножья у желобов концентрации ПАУ повышены.
В осадках устьевого взморья р. Лена образуются наиболее высокие концентрации тяжелых металлов. Содержание свинца может повышаться до 25.0 мкг/г сухого осадка; кадмия -до 2.1, меди - до 20.0, а цинка - до 220 мкг/г сухого осадка.
Концентрация 137Cs в донных отложениях варьирует в диапазоне от следовой активности (МДА < 0.2 Бк/кг) до 5.7 Бк/кг сухой массы, 90Sr -от 0.1 до 1.7.
Выводы
Современный уровень исследований не позволяет дифференцированно с балансовой точностью оценить роль трансграничного переноса и местных источников загрязняющих веществ в окраинных бассейнах Российской Арктики. Можно отметить снижение объемов загрязняющих веществ, поступающих по глобальной системе морских течений в направлении с запада на восток. Роль речного стока наиболее значима в морях Карском и Лаптевых, тогда как
92
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина
в Баренцевом море, напротив, значительна роль морских течений в транспорте загрязнителей извне. В него попадает больше техногенных ЗВ, чем в другие моря Российской Арктики. Концентрация антропогенных загрязнителей происходит на участках фронтальных зон, включая локальные прибрежные и эстуарные гидрофронты, в понижениях донного рельефа, заливах и губах, аккумулирующих материковые и коммунальные стоки. Очаги импактного загрязнения в акватории морей и связанные с этим экологические риски определяются развитием хозяйственной деятельности на акватории и территории водосборных бассейнов.
Очевидна важная роль атмосферных выпадений как источника тяжелых металлов, стойких хлорорганических соединений, ПАУ. Максимальное поступление поллютантов в воздушную среду морей от региональных эмитентов происходит в зимний период. Развитие хозяйственной деятельности на акваториях и в водосборных бассейнах морей диктует необходимость расширения исследований экологического статуса арктических водоемов, мониторинга антропогенных и природных воздействий на экосистемы в изменяющихся климатических условиях.
ЛИТЕРАТУРА
I. Ильин Г.В., Голубева Н.И. Антропогенные нагрузки и риски химического загрязнения морской среды в Арктике // Морские экосистемы и сообщества в условиях современных климатических изменений. СПб.: Реноме, 2014. С. 50-76. 2. Многолетняя динамика радиоактивного загрязнения Баренцево-Карского региона (1960-2013 гг.) / Г.Г. Матишов, Д.Г. Матишов, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина // Докл. РАН. 20l4. Т. 458, № 4. С. 473-479. 3. Усягина И.С. Распределение и пути миграций искусственных радионуклидов в экосистеме Баренцева моря: автореф. дис. ... геогр. наук, специальность 25.00.28. Мурманск. 22 с. 4. Ильин Г.В. Распространение загрязняющих веществ в шельфовых морях Российской Арктики // Геология и геоэкология континентальных окраин Евразии. М.: ГЕОС, 2009. Вып. 1. С. 124-163. 5. Качество морских вод по гидрохимическим показателям. Ежегодник 2002 г. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. С. 126. 6.Жилин А.Ю., Плотицина Н.Ф. Алифатические и полициклические ароматические углеводороды в донных осадках Медвежинско-Шпицбергенского района Баренцева моря // Проблемы морской палеоэкологии и биогеографии в эпоху глобальных изменений. Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген. М.: ГЕОс, 2009. Вып. 9. С. 248-256 . 7. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: Изд. ВНИРО, 1999. 305 с. 8. Klassifisering av miljekvalitet i fjorder og kystfarvann. Veiledming /
J. Molvaer, J. Knutsen, J. Magnusson, B. Rygg, J. Skei, J. Serensen // SFT Veiledming. 1997. Vol. 97, № 3. 36 p. (in Norwegian). 9. Искусственные радионуклиды в экосистеме / Д.Г. Матишов, Н.Е. Касаткина, И.С. Усягина, Е.В. Павельская // Кольский залив: освоение и рациональное природопользование. М.: Наука, 2009. С. 313-332. 10. Немировская И.А. Углеводороды в экосистеме Белого моря // Океанология. 2005. Т. 45, № 5. С. 678-688.
Сведения об авторах
Ильин Геннадий Васильевич - к.г.н., зав. лабораторией океанографии и радиоэкологии Мурманского морского биологического института КНЦ РАН; e-mail: [email protected] Усягина Ирина Сергеевна - к.г.н., старший научный сотрудник лаборатории океанографии и радиоэкологии Мурманского морского биологического института КНЦ РАН; e-mail: usj agina@mmbi. info
Касаткина Надежда Евгеньевна - к.х.н., ученый секретарь Мурманского морского
биологического института КНЦ РАН; e-mail: [email protected]
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015(21)
93
