Воздействие нефти и нефтепродуктов на биоценозы

3. Влияние нефти и нефтепродуктов на биоценозы
3.1. Источники и причины загрязнения биоценозов нефтью и нефтепродуктами
В настоящее время в мире ежегодно добывается более 4,0 млрд. т сырой нефти, при добыче, транспортировке и переработке которой теряется около 50 млн. т нефти и нефтепродуктов. В результате значительные территории суши и обширные морские и океанские акватории загрязняются нефтяными углеводородами [Романова Э. П. и др. Природные ресурсы мира. — М.: МГУ, 1993].
Основными источниками загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв и поверхностных вод суши являются нефтепромыслы на суше и континентальном шельфе, нефтераспределительные пункты и базы, автомобильный транспорт, предприятия нефтеперерабатывающей промышленности. Причиной загрязнений бывают, как правило, грубые нарушения технологии добычи, переработки и системы распределения нефти и нефтепродуктов и различные аварийные ситуации, при которых происходят разливы нефти, нефтепродуктов и вод, содержащих нефть. К ним относятся:

• 
  пластовые воды, характеризующиеся высокой минерализацией и средним содержанием нефти около 3 г/л;
  
• 
  законтурные воды нефтяных пластов и сточные воды, полученные в результате отделения пластовых вод при первичной подготовки нефти;
  
• 
  подземные воды и буровые растворы, содержащие нефть;
  
• 
  сточные воды нефтепереработки, содержащие до 10 г/л нефти.
  

Очистку вод, содержащих нефть, производят непосредственно на промыслах, но действующие установки, как правило, малоэффективны. Ошибки и технические неполадки в процессе бурения и эксплуатации скважин приводят к «залповым» выбросам нефти и нефтяного газа, что вызывает локальные, но очень сильные загрязнения окружающей среды. При выбросах газа («газовых шапок») нефтяных месторождений его компоненты осаждаются на поверхности суши и водоемов, загрязняют растительный покров, проникают с атмосферными осадками в глубь почвы.
Значительное количество нефти и нефтяных углеводородов поступает в биосферу при ее переработке. По мере того как возрастает глубина переработки нефти, увеличивается и количество стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнообразные токсические соединения, в том числе пропан, бутан, этилен, фенол, бензол и другие углеводороды.
Серная кислота, используемая в больших количествах в нефтехимии, — один из наиболее вредных для окружающей среды отходов нефтепереработки. Крупнотоннажные сернокислотные отходы содержат в зависимости от технологии производства от 8 – 10 % до 80 – 85 % Н₂SО₄ и от 2 – 3 % до 10 – 15 % нефтяных углеводородов, включая парафины и ароматические соединения. Регенерация отработанной серной кислоты технологически весьма сложна и обходится втрое дороже, чем получение чистой серной кислоты. Поэтому сернокислотные отходы обычно сливаются в овраги, горные выработки, а при малых концентрациях Н₂SО₄ — в реки, отравляя и загрязняя почвы и поверхностные воды. Утилизация сернокислотных отходов — сложная хозяйственная проблема.
Объем выбросов SО₂ на нефтеперерабатывающем заводе мощностью 12 млн. тонн составляет 219 тыс. тонн в год, причем их отрицательное влияние проявляется на расстоянии до 20 км от предприятия. Мощные предприятия нефтепереработки имеют определенную стабильность концентрации загрязняющих веществ вблизи источника и очень медленное ее снижение по мере удаления от него. Наиболее опасная обстановка возникает в аварийных ситуациях, риск которых нельзя исключать даже при использовании современных технологий и новейшей аппаратуры. Достаточно напомнить катастрофу на нефтехимическом заводе в городе Бхопал (Индия) в 1984 г., когда выброс и распространение газового облака, содержащего метилизоцианат, привел к гибели 5 тыс. человек и серьезному нарушению здоровья (потеря зрения, психические расстройства и другие заболевания) у более чем 200 тыс. жителей.
Значительно загрязняют почвы и поверхностные воды городские стоки, содержащие продукты неполного сгорания нефти и нефтепродуктов, отработанные смазочные масла, охлаждающие эмульсии и другие соединения нефтяного происхождения.
Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ в гидросфере, так как около трети ее мирового производства добывается на континентальном шельфе. Большую опасность представляют перевозки нефти крупнотоннажными танкерами — нефтевозами (см. табл. 1).
Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5 – 10 млн. тонн. Сухогрузный и пассажирский водный транспорт также сбрасывает в воды большое количество отработанной нефти и нефтепродуктов. В настоящее время почти 100 % морских судов работает на жидком топливе, причем их мощности возрастают из года в год. Нефть и нефтепродукты поступают в Мировой океан в процессе бункеровки топлива, вследствие утечек, при перекачке за борт трюмных вод, из-за неполного сгорания топлива и т. п.
Своего рода «залповыми» выбросами нефтепродуктов в биосферу стали аварии нефтеналивных судов при столкновениях, посадке на мель. Такое происходит чаще на оживленных судоходных линиях или в мелководных прибрежных районах, например, авария танкера «Торри Каньон», который в марте 1967 г. разбился на рифах у берегов Англии, тогда в море вылилось 117 тыс. тонн сырой нефти; танкер «Экстон», потерпевший крушение у берегов Аляски в 1989 г., и подобные катастрофы меньшего масштаба. В начале 1991 г. большое количество сырой нефти было выброшено в море во время военных действий в районе Персидского залива («экологическая война»). Использование при транспортировке нефти супертанкеров, обладающих большой массой, глубокой осадкой и малой маневренностью, с экологической точки зрения весьма опасно, тем не менее, суда водоизмещением 500 тыс. тонн уже спущены на воду, а суда водоизмещением 800 тыс. тонн строятся в ряде государств [Лозановская И. Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. — М.: Высшая школа, 1998, стр. 25 – 27].
Таблица 1.
Источники загрязнения гидросферы нефтью (по Стокеру и Сигеру)

Источник загрязнения	Общее количество, млн. тонн/год	Доля, %
Морские перевозки	2,13	34,9
В том числе:
обычные перевозки	1,83	30,0
катастрофы	0,3	4,9
Вынос реками	1,9	31,1
Попадание из атмосферы	0,6	9,8
Природные источники	0,6	9,8
Промышленные отходы	0,3	4,9
Городские отходы	0,3	4,9
Отходы прибрежных нефтеочистительных заводов	0,2	3,2
Добыча нефти в открытом море	0,08	1,3
В том числе:
обычные операции	0,02	0,3
аварии	0,06	0,98

Недавно американские ученые открыли еще один источник загрязнения моря нефтью: это сама природа. Группа химиков из Национального управления по исследованию океанов и атмосферы сообщила в американском научном журнале «Сайенс», что из подводных нефтяных месторождений за год просачивается в воду значительно больше нефти, чем попадает ее в море при всех авариях танкеров.

Это явление было обнаружено случайно. Во время экспедиции на корабле «Рисерчер» в феврале — марте 1978 г. ученые нашли на глубине 200 м необычайно высокие концентрации нефти — 3 – 12 мг на 1 л воды. Химические и физические анализы показали, что эта нефть пробыла в море один-два года. Исследования на газовом хроматографе доказали, что найденная нефть не представляет собой загрязнения, попавшего в воду с самого экспедиционного судна.
К удивлению химиков, первый случай обнаружения нефти на глубине оказался не единичным: следуя через Карибское море к берегам Венесуэлы, на протяжении 800 миль они продолжали обнаруживать нефтяной след, тянущийся под водой. Экспедиция, будучи ограничена во времени и не имея поддержки от других судов, не смогла точно определить протяженность нефтеносного слоя воды. Однако исследователи рассчитали, что если этот слой имеет ширину всего в одну морскую милю и толщину 100 м, то при длине в 800 миль в нем заключено свыше миллиарда литров нефти! По сравнению с таким количеством все аварии танкеров «производят» лишь «капли» нефти. По мнению американских ученых, подобные нефтеносные слои воды — нередкое явление. Вероятно, не только из прибрежных акваторий Венесуэлы, где под морским дном имеются залежи нефти, но и из других районов в океан попадают огромные массы «черного золота» [Хефлинг Г. Тревога в 2000 году: Бомбы замедленного действия на нашей планете. — М.: Мысль, 1990, стр. 98].
3.2. Воздействие нефти и нефтепродуктов на фитоценозы и зооценозы Мирового океана
Самым распространенным загрязняющим веществом гидросферы является нефть и нефтепродукты. Если учесть, что в Мировой океан и поверхностные воды суши ежегодно приносится 15 – 17 млн. тонн нефти и нефтепродуктов, а 1 тонна нефти покрывает тонкой пленкой акваторию со средней площадью 12 км², то потенциально 150 – 180 млн. км поверхности Мирового океана каждый год покрывается нефтяной пленкой. Эта оценка условна, так как не учитывает скорости разложения отдельных компонентов нефти, ее способности коагулировать, сбиваясь комками, но, тем не менее, многими исследователями отмечено, что нефтяные пятна на поверхности океанических вод между Европой и Северной Америкой уже смыкаются. Мономолекулярный слой нефти на 50 % снижает газопропускание, и нефтяные загрязнения препятствуют нормальному газо- и теплообмену между атмосферой и гидросферой. Эти нарушения способны вызвать неконтролируемые изменения климата планеты, а массовая гибель фитопланктона, который, по некоторым оценкам, продуцирует около 70 % кислорода, может привести к серьезным нарушениям баланса кислорода на Земле. По меньшей мере 80 % проб природных вод в той или иной концентрации содержат нефтепродукты.
Влияние нефтяных загрязнений на жизнь океана изучено далеко не достаточно. Судьбу нефти, попавшей в море, невозможно описать во всех подробностях. Во-первых, минеральные масла, попадающие в море, имеют разный состав и разные свойства; во-вторых, в море на них действуют разные факторы: ветер различной силы и направлений, волны, температура воздуха и воды. Важно и то, много ли нефти попало в воду. Сложные взаимодействия этих факторов еще не изучены во всей полноте.
Принято подразделять общее воздействие нефтепродуктов на состояние гидробионтов на пять основных категорий:

1. 
   Непосредственное отравление организмов с летальным исходом.
   
2. 
   Серьезные нарушения физиологической активности гидробионтов.
   
3. 
   Прямое обволакивание птиц и морских животных нефтепродуктами.
   
4. 
   Болезненные изменения в организме гидробионтов, вызванные внедрением углеводородов.
   
5. 
   Изменение химических, биологических и биохимических свойств среды обитания.
   

Летальное отравление морских организмов наступает в результате прямого воздействия нефтяных углеводородов на внутриклеточные процессы и особенно на процессы обмена между клетками.
В этом отношении парафиновые углеводороды с относительно короткими (С10 и менее) цепями менее опасны. Они проявляют наркотическое действие лишь в очень больших концентрациях, отсутствующих в нефтяных пятнах. Напротив, ароматические углеводороды, растворимые в воде, представляют большую опасность: смерть взрослых морских организмов может наступить после нескольких часов контакта с ними уже при содержании 10^-4 – 10^-2 %. Смертельные содержания ароматических углеводородов для икринок и мальков еще ниже (см. табл. 2).
Массовая гибель морских организмов отмечается, как правило, в прибрежных районах, где их обитает особенно много [Лозановская И. Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. — М.: Высшая школа, 1998, стр. 143 – 144]. При загрязнении морской воды вдали от берегов, на больших глубинах, токсичные нефтяные фракции претерпевают различные изменения, такие как:

1. 
   Нефть испаряется. Бензин полностью испаряется с поверхности воды за шесть часов. За сутки испаряется не менее 10 % сырой нефти, а примерно за 20 дней — 50 %. Но более тяжелые нефтепродукты почти не испаряются.
   
2. 
   Нефть эмульгируется и диспергируется, то есть разбивается на мелкие капельки. Сильное волнение моря способствует образованию эмульсии нефти в воде и воды в нефти. При этом сплошной ковер нефти разрывается, превращается в мелкие капельки, плавающие в толще воды.
   

Таблица 2.
Чувствительность морских организмов к ароматическим углеводородам нефти (по Стокеру и Сигеру)

Морские организмы	Содержание, вызывающее отравление 10^-4, %
Растения	10 – 1000
Рыбы (взрослые особи)	5 – 50
Личинки (все виды)	0,1 – 1,0
Обитатели морского дна (креветки)	1 – 10
Брюхоногие (улитки)	10 – 100
Двустворчатые моллюски (устрицы)	5 – 50
Морские ракообразные	1 – 10
Другие морские беспозвоночные (черви)	1 – 10

3. 
   Нефть растворяется. В ее составе имеются вещества, растворимые в воде, хотя их доля невелика. Нефть, исчезнувшая благодаря этим явлениям с поверхности моря, подвергается медленным процессам, ведущим к ее разложению, — биологическим, химическим и механическим.
   
4. 
   Немалую роль играет биологическое разложение. Известно более ста видов бактерий, грибков, водорослей и губок, способных превращать углеводороды нефти в двуокись углерода и воду. В благоприятных условиях благодаря деятельности этих организмов на квадратном метре за сутки при температуре 20 – 30° С разлагается от 0,02 до 2 г нефти. Легкие фракции углеводородов распадаются за несколько месяцев, но комки битума исчезают лишь через несколько лет.
   
5. 
   Идет фотохимическая реакция. Под действием солнечного света углеводороды нефти окисляются кислородом воздуха, образуя безвредные, растворимые в воде вещества.
   
6. 
   Тяжелые остатки нефти могут тонуть. Так, те же комки битума могут так плотно заселяться мелкими сидячими морскими организмами, что через некоторое время опускаются на дно.
   
7. 
   Играет роль и механическое разложение. Со временем комки битума становятся ломкими и разваливаются на куски [Хефлинг Г. Тревога в 2000 году: Бомбы замедленного действия на нашей планете. — М.: Мысль, 1990, стр. 94 – 95].
   

Таким образом, нефтяные фракции могут частично разбавиться водой до менее опасных концентраций. Однако и в концентрациях, сравнительно невысоких, ароматические углеводороды нефти оказывают негативное воздействие на морские биоценозы.
Эффекты покрытия нефтепродуктами и гибели находящихся в зоне прилива планктона низкорастущих растений и птиц хорошо известны. Нефть склеивает оперение, оно утрачивает теплоизолирующие свойства, а при попытке очистить перья птицы заглатывают загрязнения и погибают, и, кроме того, птица, выпачканная в нефти, не может плавать. Птицы замерзают и тонут. Даже чистка перьев растворителями не позволяет спасти всех пострадавших. Только в Северном море и Северной Атлантике нефтяные загрязнения являются причиной гибели 150 – 450 тыс. птиц в год. В акваториях с замедленным водообменом (заливы, бухты) наблюдается почти полное уничтожение морской флоры и фауны. Нефтяные разливы в реках создают в межсезонный период непроходимый барьер для некоторых видов рыб, чувствительных к углеводородному загрязнению.
Поражение морских организмов в результате накопления ароматических углеводородов в их тканях может происходить даже при очень низких концентрациях нефтепродуктов, если обитатели моря сравнительно долго пребывают в загрязненной ими среде. Присутствие полициклических ароматических углеводородов не только ухудшает вкус съедобных организмов, но и опасно, так как эти вещества являются канцерогенными. Так, концентрация канцерогенных многоядерных углеводородов в ткани мидий, выловленных в районе порта Тулон (Франция), достигала 1,3 – 3,4 мг/кг сухого вещества [Лозановская И. Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. — М.: Высшая школа, 1998, стр. 145].
По последним данным, значительный вред флоре и фауне может быть нанесен только в особых случаях. Например, гораздо опаснее сырой нефти изготовленные из нее нефтепродукты — бензин, дизельное топливо и так далее. Опасны высокие концентрации нефти на литорали (приливо-отливной зоне), особенно на песчаном берегу. В этих случаях концентрация нефти долго остается высокой, и она наносит много вреда. Но к счастью, такие случаи сравнительно редки.
3.3. Влияние нефти и нефтепродуктов на микроценозы почв
Попадание нефтяных углеводородов в почву также вызывает негативные последствия. В районах нефтедобычи и нефтепереработки наблюдается интенсивная трансформация морфологических и физико-химических свойств почв. Глубина их изменения зависит от продолжительности загрязнения, состава и концентрации компонентов нефти, ландшафтно-геохимических особенностей территории и проявляется в смещении реакции почвенного раствора в щелочную сторону, повышении общего содержания углерода в почве в 2 – 10 раз, а количества углеводородов в 10 – 100 раз.
Существенно меняются морфологические свойства почв: усиливается кутанообразование, происходит изменение цветовых характеристик почвенного профиля в сторону преобладания серо- и темно-коричневых оттенков, ухудшается структура почвы. Конечным результатом нефтяного загрязнения является формирование почвенных ареалов с необычными для зональных условий чертами, зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается продуктивность почв вплоть до необходимости вывода загрязненных земель из сельскохозяйственного оборота.
Несмотря на опасные последствия от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, при низких концентрациях нефть и некоторые ее компоненты оказывают стимулирующее действие на почвенную биоту: она является энергетическим субстратом для микроорганизмов, стимулирует рост некоторых почвенных грибов — Раесilоту, Fusarium. Некоторые виды Scolecobasidium обнаружены в почве, насыщенной нефтепродуктами. Эти виды целесообразно использовать в качестве биоиндикаторов на нефтяное загрязнение.
Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов (толуол, ксилол, бензол), нафталина и ряда других фракций нефти. Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. Поэтому период острого токсического действия нефти сравнительно короток. В составе нефти также содержатся метан и пропан, которые окисляются соответствующими видами микроорганизмов: представители группы аэробных грамотрицательных бактерий родов Pseudomonas, Methylococcus, Methylobacter, Methylocinus. Метаноокисляющие микроорганизмы широко распространены в почвах газоносных районов, а также там, где идет энергичный распад органических веществ в анаэробных условиях. Микроорганизмы, использующие высшие члены гомологического ряда алканов, являются обычными обитателями почв нефтеносных районов и служат индикаторами нефтяных месторождений или нефтяных загрязнений.
Различным уровням нефтяного загрязнения почв соответствуют особые микробные системы (по Звягинцеву, Гузеву). Низкому уровню загрязнения соответствуют флуктуационные изменения микробной системы почв, затрагивающие интенсивность микробиологических процессов. Средний уровень загрязнения приводит к возникновению сукцессионных изменений, которые выражаются в перераспределении степени доминирования микробных видов. Этот уровень загрязнения сопровождается устойчивыми нарушениями нормального функционирования почвенной микробиоты. Высокий уровень загрязнения характеризуется нарастанием сукцессионных изменений в микробной системе, полной сменой состава микроорганизмов. Доминирующее положение занимают микроорганизмы, резистентные к данному загрязняющему веществу. Очень высокому уровню загрязнения соответствует практически полное подавление активности микроорганизмов.
Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменениям ее микробиологических свойств. Появляются специализированные формы микроорганизмов, способные окислять твердые парафины, газообразные углеводороды, ароматические углеводороды; это — бактерии родов Arthrobacter, Baccillus, Brevibacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodococcus, спорогенные дрожжи родов Candida, Cryptococcus, Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces, Torulopsis, Trichosporon. Нефтяное загрязнение влияет на изменение численности актиномицетов, грибов, причем наименее чувствительны виды грибов Rhiropus nigricans nigricans, Fusarium moniliforme, Aspergillus flavus и Aspergillus ustus. Чувствительными к воздействию нефти являются нитрифицирующие бактерии. В присутствии значительных количеств нефти подавляется развитие целлюлозолитических микроорганизмов. Высокую чувствительность к нефти проявляют зеленые и желто-зеленые водоросли.
В биогеоценозах осуществляются процессы самоочищения от нефти, причем скорость процесса самоочищения зависит от биоклиматической обстановки. Так, в серо-коричневых солонцеватых почвах в условиях недостаточного увлажнения содержание нефти за 12 месяцев снизилось на 65 %. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах в условиях переувлажнения содержание нефти снижалось быстрее. Наиболее низкой скоростью самоочищения характеризуются почвы супераквальных ландшафтов. Наложение вторичного оглеения в почвах автономных ландшафтов также снижает самоочищающие функции почв. Зная естественные механизмы и скорость самоочищения почв, можно разрабатывать методы очистки почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами [Лозановская И. Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. — М.: Высшая школа, 1998, стр. 145 – 147].