CC BY
514
УДК 574.632
ВЛИЯНИЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ НА МАКРОЗООБЕНТОС
Д.С. Воробьев
Томский государственный университет E-mail: [email protected]
Обобщены данные по воздействию нефти и нефтепродуктов на донных беспозвоночных животных. Рассмотрено влияние этих загрязнителей на характеристики донных сообществ, отражена зависимость показателей макрозообентоса от качественного состава нефти или нефтепродуктов, их концентрации и периодичности загрязнения; рассмотрена роль донных организмов в процессах самоочищения водных объектов.
Под загрязнением водоемов понимается ухудшение их экономического значения и биосферных функций в результате антропогенного поступления в них вредных веществ. Экологическое действие загрязняющих веществ проявляется на организмен-ном, популяционном, биоценотическом и экоси-стемном уровне. На организменном уровне происходит нарушение отдельных физиологических функций, изменение поведения, увеличение смертности вследствие прямого отравления или уменьшения устойчивости. На популяционном уровне загрязнение может вызывать изменение численности и биомассы, рождаемости и смертности, половой и размерной структуры, типа динамики и ряда функциональных свойств. На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообщества, поскольку одни и те же загрязняющие вещества неоднородно влияют на компоненты биоценоза. В конечном счете, происходит деградация экосистем - ухудшение их как среды обитания, обесценивание в хозяйственном отношении [1].
Нефть является сложной смесью парафиновых, циклопарафиновых, ароматических углеводородов с простыми и разветвленными цепями. Помимо этих основных составляющих, она содержит соединения серы и азота, органические кислоты, микроэлементы. Нефти могут также содержать нафтеновые кислоты и фенольные соединения, хлороформенные битумоиды, в составе которых имеются такие экологически особо опасные соединения, как полиароматические углеводороды [2].
Приконтурные воды за счет высокой восстановительной способности углеводородов обогащаются органическими кислотами, бензолом, толуолом, фенолом и другими органическими веществами. В них также отмечаются заметные аномалии по содержанию серы, фосфора, тяжелых металлов. Загрязнение приконтурными водами способно сильно изменять химический состав подземных вод [3].
Нефтяные компоненты при поступлении в поверхностные воды находятся в различных формах (масляная, растворенная, эмульгированная, адсорбированная). В начальный период 60...70 % поступившей нефти содержится в водной массе в растворенном, эмульгированном, адсорбированном состоянии. Обычно эмульгированных компонентов в 2 раза больше растворенных. Последние состоят на
80.90 % из ароматических углеводородов (бензол, толуол, этилбензол, ксилол и др.), обладающих высокой токсичностью в связи с повышенной способностью к растворению в воде. Поступившая в поверхностные воды нефть вступает в общую цепь сложных и мало исследованных по длительности процессов (испарение, растворение, эмульгирование, окисление, образование агрегатов, седиментация, биодеградация) [4]. Эти процессы зависят как от состава и количества нефти в водной среде, так и от условий в водоемах (наличия в воде коллоидов, взвешенных частиц, планктона, температуры, солнечного освещения и т.д.). Известно, что во всех формах миграции происходит накопление устойчивых к биологическому разложению компонентов (смол, асфальтенов, парафинов и др.), причем максимум нефтепродуктов концентрируется в донных отложениях. При хроническом загрязнении водотоков углеводороды накапливаются в донных отложениях на участках с замедленным течением, где активно проходят процессы илонакопления. Размыв загрязненных донных отложений вызывает вторичное загрязнение вод и их перенос далее вниз по течению реки, что зависит от диаметра частиц и скоростей речного потока. В стоячих водоемах, загрязнение донных отложений нефтью приурочено, как правило, к прибрежным, наиболее биологически продуктивным зонам. При крупных авариях, когда водоем полностью покрыт нефтью и не приняты оперативные меры по ее сбору, донные отложения покрываются слоем нефти и наблюдается полная деградация донных сообществ.
К факторам, существенно сдерживающим скорость деградации нефти, относятся низкая прозрачность воды, сдерживающая фотоокисление (особенно в половодье), а также пониженная температура воды и дефицит кислорода, приводящий в зимний период к заморам. Установлено, что при отсутствии ультрафиолетового излучения скорость химической деструкции нефти снижается почти в 2 раза [5], а со снижением температуры на 10° - в 2.4 раза [6]. Пониженная температура существенно снижает и биохимические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией различных веществ. В анаэробных условиях или дефиците кислорода происходит не окисление, а сульфатредук-ция и метанообразование. При этом в воде накапливаются токсичные для гидробионтов вещества
(меркаптаны, сероводород и др.) [7]. Наиболее экологически опасными являются хорошо растворимые, трудно окисляемые нефтяные углеводороды
- водорастворимая фракция может содержать до 90 % токсичных ароматических соединений. В нижних горизонтах локализуется сверхмедленно окисляемая фракция, обогащенная полиараматиче-скими углеводородами [8, 9].
Важная роль в распределении нефтепродуктов в водотоках принадлежит физическим процессам -сорбция нефти взвесью и ее осаждение. По мере удаления от источников загрязнения концентрация нефтепродуктов во взвеси снижается, что обусловлено испарением их летучих компонентов, а также биохимическим окислением. Опытами установлено, что 1 г взвеси и донных отложений сорбирует до 12.25 мг солярового масла [10]. Однако на взвеси чаще всего сорбируются липкие смолистые компоненты нефти [11]. Не исключено, что промежуточные продукты распада органического детрита, захороненного в донных отложениях, могут определяться как нефтепродукты, хотя они не являются компонентами загрязнения. Полициклические ароматические углеводороды могут образовываться из захороненной биоты при участии микроорганизмов [12].
Основная роль в деструкции нефтепродуктов в воде принадлежит биогенному фактору, и в первую очередь микроорганизмам-деструкторам. Как отмечают И.А. Кузнецова и А.Н. Дзюбан [13], бактериальные сообщества четко выявляют «концентрационную границу» нефтяного загрязнения, ниже которой микробиальные ценозы вода-грунт еще справляются с поступающими в донные отложения углеводородами и стабилизируют ситуацию - 40.60 мг/кг сухого грунта. При избыточном нефтяном загрязнении возрастает численность и биомасса бактерий, однако снижается их общая активность. Накапливаются токсичные продукты анаэробного распада [14].
За летний период микроорганизмами поверхностных вод может быть окислено от 1,2 до 2,5 мг нефтяных углеводородов в 1 л. Однако, как отмечают сами авторы, данная закономерность прослежена на легко доступных для микроорганизмов углеводородах, скорость деструкции углеводородов других классов будет более низкой [15]. В связи с активной трансформацией и деградацией нефтепродуктов изменяется их структура, получаются все более и более устойчивые к биологической переработке вещества, либо токсичные продукты [16].
Загрязнение донных осадков нефтью и нефтепродуктами приводит к перестройке бентосных сообществ, как в морских, так и в пресноводных экосистемах [17-19]. Бентосные организмы значительно выносливее к нефтяному загрязнению, чем планктонные, которые быстро гибнут в концентрациях нефти порядка 0,01.0,001 мг/л [20, 21]. На гаммаридах было показано, что молодь гораздо чувствительнее к нефтепродуктам, чем взрослые особи [22], что вполне соответствует положениям, дополняющих «закон» толерантности [23].
Многие структурные характеристики макрозообентоса - видовое разнообразие, численность, биомасса, зависят от физических свойств грунта и количества преобразованного бактериями легкоусвояемого органического вещества в нем, так и от качества отложений. В основе критериев качества донных отложений должны быть показатели, учитывающие уровень количественного развития зообентоса. Для грунтов с признаками нефтяного загрязнения характерна бедность видового состава при высокой численности и биомассе выносливых к загрязнению форм, а при сильном хроническом загрязнении наблюдается угнетение всего сообщества, включая устойчивые формы [24-26]. При загрязнении ароматическими углеводородами снижаются значения численности бентоса, типичные рео-фильные виды донных беспозвоночных заменялись высокотолерантными к этим загрязнителям видам [27, 28]. Относительная токсичность нефти для морских организмов прямо коррелирует с содержанием в ней ароматических углеводородов [29].
Л.С. Кравцовой и др. [30] исследовалось влияние водорастворимых битумов в донных отложениях на распределение гидробионтов. Максимальные значения численности и биомассы олигохет, хирономид и моллюсков отмечены при содержании водорастворимых битумов 40 мг/кг грунта. При более высоких концентрациях (82 мг/кг) происходило уменьшение количественных показателей, как отдельных групп, так и зообентоса в целом. Однако, влияние водорастворимых битумов на группы зообентоса неоднозначно. Так, концентрации 40 мг/кг, вероятно, создают оптимальные условия для развития микрофлоры, повышающей пищевую ценность детрита, что способствует обилию гидробионтов. При дальнейшем возрастании содержания водорастворимых битумов наблюдается снижение численности как у моллюсков, так и хирономид; у олигохет эта тенденция выражена слабо. Аналогичные закономерности прослежены и другими исследователями [31]. При загрязнении донных отложений дизельным топливом смертность личинок хирономид (на примере Chironomus riparins) достоверно была выше контрольной при содержании нефтепродуктов 220.320 мг/кг [32].
Нефть разных месторождений по-разному влияет на донных беспозвоночных, прежде всего это связано с различным фракционным составом углеводородов. Нефть с высоким содержанием нафтеновых кислот, смол и серы была самой ядовитой для гидробионтов [31]. Нефть не является специфическим токсикантом, поражающим какую-либо одну систему, а вызывает несогласованные изменения в содержании белка, свободных нуклеотидов и нуклеиновых кислот [33].
Помимо микробиальных деструкторов нефти, донные организмы также участвуют в преобразовании нефти в донных осадках. Многие исследователи уже давно отмечали, что гидробионты способны накапливать в своем организме нефтепродукты.
Так, полихеты способствуют преобразованию нефти в грунте. Эксперимент показал, что ароматические структуры органического вещества фекалий нереисов из опыта приобретали иной характер, чем исходных. Полихеты перерабатывали нефтепродукты, а именно тяжелые фракции [34].
Проходя через организм мидий, углеводороды нефти претерпевают более глубокие качественные и количественные изменения по сравнению с трансформацией нефти в морской воде. Накопление углеводородов мидиями зависит от нескольких факторов: степени их исходного загрязнения углеводородами нефти; физиологического состояния, связанного с отсутствием (недостатком) питательных веществ; химического спектра углеводородов в нефтях и нефтепродуктах. Моллюски способны продолжительное время сохранять в своем теле нефть [35, 36].
Одно из интереснейших направлений в современной гидробиологии - восстановление гидрофауны нефтезагрязненных водоемов. В 2004-2005 гг. впервые в мировой практике «Научно-техническим объединением «Приборсервис» (г. Томск) была испытана флотационная технология очистки донных отложений от нефти [37-39]. Успешные результаты работ подтверждались не только гидрохимическими, но и гидробиологическими данными. Сотрудниками Томского государ-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Константинов А.С. Общая гидробиология. - М.: Высшая школа, 1986. - 472 с.
2. Кузин И.Л., Яковлев О.Н. Характер загрязнения окружающей среды при разведке нефтегазоконденсатных месторождений на севере Западной Сибири // Многоцелевые гидрогеохимические исследования в связи с поиском полезных ископаемых и охраной подземных вод. - Томск, 1993. - С. 82.
3. Белоусова А.П. Изменение химического состава подземных вод нефтяного месторождения под влиянием техногенеза // Водные ресурсы. - 2001. - Т. 28. - № 1. - С. 88-98.
4. Егоров Н.Н., Шипулин Ю.К. Особенности загрязнения природных вод и грунтов нефтепродуктами // Водные ресурсы. -1998. - Т. 25. - № 5. - С. 598-602.
5. Сохина Л.И., Щербаков О.Н. Особенности деструкции нефти в прибрежных районах Баренцева моря // Мониторинг окружающей среды в условиях Крайнего Севера / Под ред.
В.В. Крючкова. - Мурманск, 1984. - С. 15-16.
6. Морозов Н.В., Николаев В.Н. Влияние условий среды на развитие нефтеразлагающих микроорганизмов // Гидробиологический журнал. - 1978. - Т. 14. - № 4. - С. 55-61.
7. Кондратьева Л.М. Вторичное загрязнение водных экосистем // Водные ресурсы. - 2000. - Т. 27. - № 2. - С. 221-231.
8. Михайлова Л.В., Шорохова О.В. Особенности состава и трансформации в водорастворимой фракции тюменской нефти // Водные ресурсы. - 1992. - № 2. - С. 130-139.
9. Ващенко М.А. Загрязнение залива Петра Великого Японского моря и его биологические последствия // Биология моря. -2000. - Т. 26. - № 3. - С. 149-159.
10. Зюлькина В.Я. Значение взвешенных наносов и донных отложений в самоочищении р. Селенги от нефтепродуктов // Гидробиологический журнал. - 1975. - № 3. - С. 63-65.
ственного университета в 2003-2005 гг. проводились исследования донной фауны озера Щучье (Ус-инский район, республика Коми). До начала очистных работ концентрация нефти в донных отложениях превышала 50 г/кг, а на мелководных участках 125 г/кг. После проведения комплекса очистных работ, на прибрежных участках (до 2 м), где содержание нефти в составе донных отложений было снижено до 2 г/кг (более чем в 60 раз), были обнаружены представители малощетинковых червей (олигохеты), хирономиды, двустворчатые моллюски. Следует отметить, что основу бентоса по численности (90.100 %) и биомассе (80.100 %) организмов составляли олигохеты. Данный факт подтверждает исследования других гидробиологов
- олигохеты одни из наиболее выносливых групп к нефтяному загрязнению, которые также активно участвуют в преобразовании токсичных нефтепродуктов в донных осадках.
Донные беспозвоночные подвержены влиянию нефти и нефтепродуктов, которое выражается в изменении количественных и качественных характеристик донных сообществ, его структуре, причем это влияние зависит от качественного состава нефти или нефтепродуктов, их концентрации и периодичности загрязнения. Важная роль отводится донным организмам в процессах самоочищения водных объектов от данных загрязнителей.
11. Мочалова О.С., Антонова Н.М., Гурвич Л.М. Роль диспергирующих средств в процессах трансформации и окисления нефти // Водные ресурсы. - 2002. - Т. 29. - № 2. - С. 221-225.
12. Лахиджани Х.К., Немировская И.А., Красножон Т.Ф. Углеводороды в донных отложениях Иранского побережья Каспийского моря // Водные ресурсы. - 1999. - Т. 26. - № 1. - С. 104-107.
13. Кузнецова И.А., Дзюбан А.Н. Микробиологическая оценка последствий нефтяного загрязнения водоемов // Современные проблемы гидробиологии Сибири: Тез. докл. Всесоюз. конф. -Томск, 2001. - С. 123-124.
14. Дзюбан А.Н., Крылова И.Н. Оценка состояния бактерио-планктона и бактериобентоса Рыбинского водохранилища в районе г. Череповец (Вологодская обл.) // Биология внутренних вод. - 2000. - № 4. - С. 68-79.
15. Ильинский В.В., Поршнева О.В., Семененко М.Н. Углеводо-родокисляющие микроорганизмы в прибрежных и открытых водах Можайского водохранилища: активность и вклад в процессы естественного очищения в летний период // Водные ресурсы. - 1998. - Т. 25. - № 3. - С. 335-338.
16. Попов А.Н. Особенности самоочищения рек // Охрана речных вод. - Новосибирск: Наука, 1982. - С. 17-20.
17. Миловидова Н.Ю., Кирюхина Л.Н. Влияние нефти и нефтепродуктов на донные осадки и макрозообентос в природных условиях // Проблемы химического загрязнения вод мирового океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 86-124.
18. Попков В.К., Воробьев Д.С., Лукьянцева Л.В., Рузанова А.И. Бассейн реки Васюган (средняя Обь) как модель пойменно-речной системы для изучения влияния нефтяного загрязнения на водные сообщества // Эколого-биогеохимические исследования в бассейне Оби / Под ред. В.В. Зуева. - Томск, 2002. - С. 220-245.
19. Рузанова А.И., Воробьев Д.С. Трансформация донных сообществ в условиях нефтяного загрязнения // Экология пойм си-
бирских рек и Арктики / Под ред. В.В. Зуева. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - С. 71-78.
20. Калугина А.А., Миловидова Н.Ю., Свиридова Т.В., Уральская И.В. О влиянии загрязнений на морские организмы Новороссийской бухты Черного моря // Гидробиологический журнал. - 1967. - № 1. - С. 47-53.
21. Миловидова Н.Ю. Действие нефти на некоторых прибрежных ракообразных Черного моря // Гидробиологический журнал. -1974. - № 4. - С. 96-100.
22. Смоляр Р.И. Выживаемость молоди и интенсивность размножения бокоплава Gammarus olivii M. Edwards при хронической нефтяной интоксикации // Гидробиологический журнал. -1981. - Т. 17. - № 3. - С. 132-133.
23. Одум Ю. Основы экологии: Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. -740 с.
24. Виноградов ГА., Березина Н.А., Лаптева Н.А., Жариков ГП. Использование структурных показателей бактерио- и зообентоса для оценки качества донных отложений (на примере водоемов Верхневолжского бассейна) // Водные ресурсы. - 2002. -Т. 29. - № 3. - С. 329-336.
25. Рузанова А.И. Сравнительная оценка методов биоиндикации загрязнения водоемов по донным сообществам // Чтения памяти Ю.А. Львова. - Томск, 1995. - С. 225-228.
26. Михайлова Л.В., Акатьева Т.Г., Рыбина ГЕ. Токсичность и генетическая опасность донных отложений малых рек в районе нефтедобычи // I съезд токсикологов России: Тез. докл. - М., 1998. - С. 300.
27. Duke B.M., Steevens J.A., Lotufo G.R., Bridges T.S. Toxicological Evaluation and Comparison of Explosives using Freshwater Macroinvertebrates // In: SETAC 21st Annual Meeting “Environmental Science in the 21st Century: Paradigms, Opportunities, and Challenges”, 12-16 November 2000, Nashville, TN, USA. Pensacola, FL, USA, SETAC Press, 2000. - P. 8.
28. Петрова И.В. Экспериментальное исследование влияния загрязненного дизельным топливом ила на гидрохимический режим и бентос (на примере Asellus aquaticus) // Известия Гос-НИОРХ. - Л., 1981. - Вып. 173. - С. 102-107.
29. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенопроизводные углеводородов: Справ. изд. / Под ред. В.А. Филова и др.
- Л.: Химия, 1990. - 435 с.
30. Кравцова Л.С., Лезинская И.Ф., Кицук Т.И. Бентофауна на участках нефтегазопроявлений озера Байкал // Гидробиологический журнал. - 1988. - Т 24. - № 5. - С. 90-93.
31. Касымов А.Г., Грановский С.И. О влиянии нефти на донных животных Каспийского моря // Гидробиологический журнал.
- 1970. - № 5. - С. 96-99.
32. Гапеева М.В., Гребенюк Л.П., Ершов Ю.В., Томилина И.И. Токсикологическая и тератогенная оценка загрязнения донных отложений нефтепродуктами и ртутью на примере водохранилищ верхней и средней Волги // Биология внутренних вод. - 2001. - № 3. - С. 85-91.
33. Дивавин И.А., Ерохин В.Е. Изменение биохимических показателей некоторых прибрежных гидробионтов Баренцева моря при экспериментальной нефтяной интоксикации // Гидробиологический журнал. - 1978. - Т. 14. - № 5. - С. 73-77.
34. Георга-Копулос Л.А., Алемов С.В. Участие нереисов в преобразовании нефтяных смол в морских донных осадках // Гидробиологический журнал. - 1990. - Т 26. - № 2. - С. 60-64.
35. Щекатурина Т.Л., Миронов О.Г Аккумуляция углеводородов нефти двустворчатыми моллюсками Mytilus galloprovincialis L. // Гидробиологический журнал. - 1987. - Т. 23. - № 2. -С. 71-76.
36. Касымов А.Г., Лиходеева Н.Ф. Накопление нефти моллюсками // Гидробиологический журнал. - 1984. - Т. 20. - № 4. -
С. 63-66.
37. Лушников С.В., Воробьев Д.С. Очистка донных отложений: первый шаг сделан // Экология и промышленность России. -2005. - № 9. - С. 30-31.
38. Лушников С.В., Воробьев Д.С., Фадеев В.Н. Очистка донных отложений Заполярных водоемов от нефти // Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий: Тез. докл. Междунар. конф. - Архангельск, 21-25 июня 2005 г. -СПб., 2005. - С. 63.
39. Lushnikov S.V., Vorobyov D.S., Fadeev V.N. Remediation of Lake severely by oil spills: pilot project in Komi Republic (Russia) // Abstract book SETAC Europe 15th Annual Meeting, 22-26 May 2005, Lille, France. SETAC Pres, 2005. - P. 334.
