Оценка влияния отходов бурения на гидробионтов

УДК 574.52:[556.114.679:622.24.002.68]

ББК 28.082.3:[28.082:33.131.09]

В. Н. Крючков, А. А. Курапов ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ НА ГИДРОБИОНТОВ

V. N. Kryuchkov, A. A. Kurapov ASSESSMENT OF THE IMPACT OF DRILLING WASTE ON HYDROBIONTS

Изучено острое и хроническое влияние бурового раствора и бурового шлама на планктонные и бентосные организмы. Результаты биотестирования проб отходов бурения показали их токсическое действие на планктонные и бентосные организмы. Однако это действие проявляется при достаточно больших концентрациях, которые возможны только в зоне прямого воздействия залповых сбросов буровых отходов.

Ключевые слова: буровой раствор, буровой шлам, планктон, бентос, острая и хроническая токсичность.

The acute and chronic effects of drilling mortar and drilling slime on the planktonic and benthic organisms are studied. The results of biotesting of samples of drilling wastes showed their toxic effect on planktonic and benthic organisms. However, this effect has its power at rather high concentrations, which are possible only in the zone of direct influence of massive discharges of drilling wastes.

Key words: drilling mortar, drilling slime, plankton, benthos, acute and chronic toxicity.

В число распространенных загрязнителей воды входят нефть и продукты ее переработки, которые попадают в природную среду при нефтедобыче, транспорте, хранении и переработке нефти, а также при бурении и закачивании глубоких нефтяных и газовых скважин.

Отходы бурения состоят из буровых растворов, воды, различных химических реактивов и шлама (горной породы). Отходы бурения характеризуются сложным многокомпонентным составом: в них, кроме углеводородов нефти, присутствуют полимерные добавки в буровые растворы, такие как карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид, полифенол лесохимический, суль-фитспиртовая барда, окзил и др. [1]. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют органические соединения нефти: углеводороды, фенольные соединения, карбоновые и нафтеновые кислоты, асфальтосмолистые вещества. Большинство из упомянутых соединений растворяется в воде, что делает их более токсичными в отношении флоры и фауны и обеспечивает попадание в пищевую цепь человека.

Исследования, проведенные в 1991-1992 гг. на шельфе Восточного Сахалина, показали, что при производстве буровых работ, когда буровые растворы и шлам сбрасываются в море, на расстоянии в 1 000 м происходит загрязнение морской среды нефтяными углеводородами, концентрации которых превышают ПДК в несколько раз. Это, в свою очередь, может привести к необратимым изменениям в биологическом сообществе шельфа. Снижение биомассы бентоса, сокращение его видового разнообразия в районе буровых установок отмечаются и в работах американских ученых. Так, большие объемы шлама, бурового раствора, сброшенного с буровой платформы в Северном море, изменили характеристики донных отложений на расстоянии 3 000 м. Макробентос в этих участках остается сильно видоизмененным и истощенным [2]. Испытания воздействия буровых растворов на интенсивность фотосинтеза и выживаемость фитопланктона показали достоверное снижение интенсивности этих показателей [3]. Компоненты буровых растворов органического и неорганического происхождения, а также основные прописи буровых растворов, используемых для бурения на шельфе дальневосточных морей, обладали токсическим действием на эмбрионы и личинки двустворчатых моллюсков, молодь и взрослых мизид и других гидробионтов [4]. Подобного рода примеры можно продолжать.

Однако имеется и иная точка зрения. М. В. Семенюк [5], изучив данные отечественных и зарубежных исследователей, делает вывод об отсутствии основания утверждать, что отходы бурения, содержащие некоторое количество биофильных элементов (Са, К, Р, Мп, ^ и др.), представляют угрозу для существования растительного и животного мира.

Универсальные стандартные рецептуры буровых растворов практически отсутствуют, т. к. их применение зависит от конкретных ситуаций и условий, которые существенно различны в разных районах. Более того, они могут радикально меняться в процессе каждого бурения

по мере нарастания глубины скважины и при прохождении разных по структуре горных пород. Именно это обстоятельство не позволяет давать точную предварительную оценку возможного воздействия на водную экосистему бурового раствора, попадающего в воду. Кроме того, необходимо различать свежие и отработанные буровые растворы, которые очень существенно различаются по составу и, следовательно, по воздействию на среду.

Характерными и неизбежными отходами при всех видах буровых работ являются буровые шламы, гранулометрический, минералогический и химический состав которых может сильно меняться в зависимости от типа горных пород, через которые проходит скважина, от режима бурения, рецептуры бурового раствора, а также технологии и оборудования для отделения и очистки шлама. С экологических позиций, помимо дисперсности шлама, решающую роль играют такие показатели, как содержание в нем нефтяных углеводородов, токсичных компонентов буровых растворов и тяжелых металлов. Именно эти показатели являются основой для принятия тех или иных регулирующих мер и решений по обращению с буровым шламом - от разрешения сбросов в море до их полного запрета. Все эти показатели могут сильно варьировать, даже при бурении одной скважины, в зависимости от многих обстоятельств технического и технологического характера [6].

С токсикологической точки зрения принято различать две зоны токсического эффекта -область остротоксических летальных концентраций и зону пороговых (сублетальных) уровней. В первом случае имеют дело с острой интоксикацией в виде быстрой гибели или необратимого поражения жизненно важных систем организма. Во втором случае токсический эффект проявляется в форме достоверного (по сравнению с контролем) нарушения тех или иных показателей состояния организмов.

Обычно высокоинтенсивные сбросы буровых растворов объемом до 200 м3 происходят при замене рецептуры растворов и при завершении скважины. Кроме того, происходят частые сбросы растворов объемом 20-30 м3 в сутки [6]. Конечно, было бы логично провести сравнительную оценку острой и хронической токсичности, однако мы остановились на исследовании острых воздействий. При планировании разработки северокаспийских месторождений нефтяными компаниями был провозглашен принцип «нулевого» сброса, в связи с чем воздействие на морскую экосистему, связанное с образованием отходов, будет минимизироваться. Наработанные в процессе строительства скважин отходы бурения подлежат централизованному и раздельному (по видам отходов) сбору на платформах с последующим вывозом на береговые централизованные предприятия. Вместе с тем полностью исключить аварийные ситуации нельзя, поэтому были исследованы достаточно высокие концентрации бурового раствора.

Материал и методы исследования

С целью изучения влияния бурового раствора и бурового шлама на гидробионтов, с учетом требований методических разработок, при проведении экспериментальных работ использовались тест-объекты различных экологических групп водного сообщества: ракообразные (Daphnia magna, Artemia salina), хирономиды (Chironomus gr. salinarius), моллюски (Dreissena rostriformis). Экспериментальная оценка токсичности буровых отходов проводилась в лабораторных условиях в диапазоне концентраций 0,5-10,0 г/л. Каждому опыту соответствовал контроль. В качестве контроля использовали отстоянную, аэрированную воду.

В начале проведения опытов по биотестированию контролировали чувствительность тест-объектов к раствору стандартного токсиканта - бихромата калия (К2Сг207) с целью определить пригодность использованных организмов к экспериментальным работам.

При оценке острой токсичности продолжительность опытов равнялась 96 часам. Температурный режим поддерживался на уровне 20-24 °С, который является оптимальным для подобных организмов. Критерием токсичности в острых экспериментах для рачков являлась выживаемость. Продолжительность хронических опытов составляла до 25 суток.

При биотестировании артемий в чашки Петри наливали по 40 см3 пробы воды и контрольной воды. В каждый из контрольных и опытных сосудов помещали по 20 личинок в возрасте до 1 суток. Повторность в контроле и опыте трехкратная. Подсчет личинок, которые выжили в контроле и опыте, проводили визуально на лабораторном столе под бинокуляром, затем рассчитывали в процентах количество погибших науплиусов артемий в опыте по отношению к контролю. В ходе экспериментов проводились также визуальные наблюдения за реакцией артемий (изменение двигательной активности и окраски тела).

В качестве тест-объекта из бентосных организмов были использованы личинки хироно-мид Chironomus gr. salinarius. В каждый из контрольных и опытных сосудов помещали по 10 личинок.

Фильтрационную активность моллюсков определяли по методике, разработанной

С. А. Остроумовым [7], с некоторыми изменениями. Скорость фильтрации определяли по снижению оптической плотности среды инкубации при длине волны фотометрии 550 нм. Среду создавали внесением одноклеточных водорослей. Видовой состав водорослей не определялся. Объем среды инкубации - 0,5 л. В этот объем помещали по 10 дрейссен с длиной раковины около 3 см. Время содержания - до 60 минут. Оптическую плотность измеряли на КФК-4.

Опыты проводили в 3-кратной повторности. Каждому опыту соответствовал контроль. В процессе работы регистрировали следующие показатели: выживаемость, поведение исследуемых организмов.

Результаты исследований и их обсуждение

Биотестировние бурового шлама с использованием дафний показало следующее. В экспозиции 96 ч острый токсический эффект отмечен в максимальной концентрации - 2,0 г/л, смертность составила 90 %. В растворах с концентрацией 1,0 г/л жизнестойкость рачков была значительно выше, смертность составляла 25 %. Отсутствие смертности отмечено в контроле и при минимальной концентрации (табл. 1). Увеличение экспозиции до 25 суток усилило негативное действие бурового шлама на дафний. На 10-е сутки при максимальной концентрации погибли все особи. К концу эксперимента гибель дафний при концентрации 1,0 и 0,5 г/л составила 50 и 10 % соответственно.

Таблица 1

Влияние отходов бурения на жизнестойкость дафний, смертность, %

Экспозиция, Концентрация, г/л

сут Контроль 0,5 1,0 2,0

Буровой шлам

1 0 0 10,0 50,0

4 0 0 25,0 90,0

10 5,0 8,3 25,0 100,0

15 8,3 10,0 35,0 -

20 10,0 10,0 45,0 -

25 10,0 10,0 50,0 -

Буровой раствор

1 0 0 10,0 33,0

4 0 0 16,3 50,0

10 5,0 6,6 16,3 55,0

15 6,6 6,6 20,0 55,0

20 8,3 8,3 20,0 60,0

25 10,0 10,0 25,0 65,0

В контроле и при минимальной концентрации (0,5 г/л) дафнии положительно реагировали на свет и совершали вертикальные (пищевые) миграции, в то время как особи, находящиеся в растворах 1,0 и 2,0 г/л, были пассивны. При рассмотрении под бинокуляром отмечено засорение их фильтрационного аппарата, налипание микрочастиц на теле и антеннах копепод, что препятствует их движению, рачки переставали питаться и гибли.

Буровой раствор оказался менее токсичным для дафний как в острой, так и в хронической экспозиции. При содержании в исследованном диапазоне концентраций в течение 96 часов наблюдалось снижение жизнестойкости дафний на 50 % при максимальной концентрации - 2,0 г/л, на 16,3 % при концентрации 1,0 г/л, а при минимальной концентрации и контроле смертность не наблюдалась.

В хроническом эксперименте в диапазоне 1,0-2,0 г/л показатель смертности дафний возрастал от 25 до 65 %. Выживаемость на уровне контроля сохранялась только при концентрации 0,5 г/л.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что оба токсиканта в диапазоне 1,0-2,0 г/л токсичны для дафний, и лишь содержание 0,5 г/л в воде не оказывало негативного действия на жизнедеятельность рачков - они оставались активными, положительно реагировали на свет и совершали вертикальные миграции. Увеличение в среде обитания взвешенных частиц приводит к прямому отрицательному воздействию частиц через фильтрационный аппарат на пищевую систему, плавучесть и подвижность, все это приводит к снижению резистентности зоо-планктеров к токсикантам, и в конечном итоге наступает их гибель. Неблагоприятное воздействие

взвешенных частиц на поведенческие, физиологические и иные характеристики морских зоо-планктеров снижает их видовую численность, ареал обитания приводит к сокращению кормовой базы и в конечном итоге отрицательно сказывается на рыбопродуктивности водоема.

При использовании в качестве тест-объекта науплий артемии были получены результаты, представленные в табл. 2. В том случае, когда буровой шлам находился в воде в течение одних суток, острая токсичность (гибель более 50 % организмов) была обнаружена на 2-е сутки эксперимента при концентрации 5,0 и 10,0 г бурового шлама на 1 л воды. При этих концентрациях 100 %-я гибель артемий была зафиксирована на 3-и сутки эксперимента. При концентрации 0,5 г/л в первые двое суток все подопытные артемии были живы. На 3-и сутки была отмечена гибель 15 %, а еще через двое суток погибли 56 % рачков.

Таблица 2

Влияние бурового шлама на жизнестойкость науплий артемий, смертность, %

Экспозиция, Концентрация, г/л

сут Контроль 0,5 2,0 5,0 10,0

1 сутки нахождения бурового шлама в воде

1 0 0 26 35 46

2 0 0 47 71 69

3 0 15 76 100 100

4 8 44 93 100 100

5 19 56 100 100 100

4 суток нахождения бурового шлама в воде

1 0 0 46 45 56

2 0 6 52 86 100

3 0 18 78 95 100

4 11 34 100 100 100

14 суток нахождения бурового шлама в воде

1 0 0 29 28 40

2 0 0 39 43 76

3 0 6 76 79 98

4 9 9,5 80 93 100

5 14 12 94 98

Более длительное нахождение бурового шлама в воде повышает токсичность последней. Рассмотрим вариант опыта, когда буровой шлам находился в воде четверо суток, после чего вода была испытана на артемии. Уже через 24 часа при концентрации 2,0-10,0 г/л была отмечена гибель артемий от 45 до 56 %. При концентрации 10,0 г/л на 2-е сутки все артемии были мертвые. При концентрации 5,0 г/л 100 %-я гибель зафиксирована на 4-е сутки.

Присутствие бурового шлама в воде в течение 14 суток показало следующее. При концентрации 0,5 г/л в течение первых двух суток токсического эффекта отмечено не было. На 3-и сутки была отмечена гибель 6,0 % артемий, а еще через 2 дня - 12 %. При концентрации 2,0 г/л в течение первых суток погибло 29 % рачков, через 5 суток - 94 %. При концентрации 10,0 г/л 100 %-я гибель артемий была отмечена через 4 дня эксперимента.

Таким образом, можно отметить, что продолжительное нахождение бурового шлама в воде приводит к усилению токсичности среды для планктонных организмов. Это связано с тем, что происходит выделение нефтяных углеводородов (и других веществ) из отходов бурения в воду.

В табл. 3 показаны результаты сравнительной оценки токсичности фильтрованной и нефильтрованной воды, в которой находился буровой шлам.

Таблица 3

Влияние бурового шлама на жизнестойкость науплий артемий, смертность, %

Экспозиция, Концентрация, г/л

сут Контроль 0,5 1,0 2,0 5,0

1 0 15 26 35 46

63 50 62 50

2 8 44 47 71 69

82 78 85 80

3 8 70 76 92 97

100 93 100 100

4 14 93 93 94 98

100 97 100 100

В числителе - фильтрованная вода, в знаменателе - нефильтрованная.

Как следует из табл. 3, токсичность нефильтрованной воды была выше во всех вариантах опытов (концентраций). При этом отмечена закономерность: при наименьшей концентрации бурового шлама разница между токсическими свойствами фильтрованной и нефильтрованной воды была наибольшей. Так, при концентрации бурового шлама 0,5 г/л через 24 часа в нефильтрованной воде погибло в 4,2 раза больше артемий, а при содержании шлама 5,0 г/л разница составила всего 4 %. При экспозиции 2-е суток при упомянутых концентрациях разница составила соответственно 86,3 и 15,9 %. Через 4 дня, когда в нефильтрованной воде погибли практически все подопытные рачки, в фильтрованной воде остались живыми при разных концентрациях от 2 до 7 % артемий. По всей видимости, при относительно небольших концентрациях в воде бурового шлама основное действие на артемий оказывали взвеси, а действие растворимых токсичных ингредиентов проявлялось в меньшей степени.

Биотестирование образцов воды, в которой находился буровой шлам, с использованием личинок хирономид Chironomus gr. salinarius, показало отсутствие острого токсического действия на исследуемые тест-организмы в первые сутки эксперимента при концентрации шлама

0,5 мг/л. Токсический эффект при минимальной исследуемой концентрации был отмечен на 4-е сутки (при 9 днях присутствия в воде бурового шлама), когда гибель личинок составила 29 %. Большие концентрации шлама оказывали действие уже через 24 часа, причем наблюдался отчетливо выраженный дозозависимый эффект. Кроме того, наблюдалось изменение в поведении тест-объектов (личинки становились малоподвижными и менее активно реагировали на тактильные раздражения по сравнению с контрольными).

Оценка влияния бурового шлама на моллюсков показала отсутствие острого токсического эффекта. В связи с этим была проведена функциональная оценка моллюсков после воздействия бурового шлама.

Одним из показателей функционального состояния моллюсков может являться скорость фильтрации ими воды. Масштабы и скорость фильтрации воды моллюсками весьма значительны [8, 9]. Этот процесс имеет огромное значение не только для самих гидробионтов (питание, дыхание), но и для водных экосистем, причем в значительной мере. Фильтрация воды моллюсками оказывает кондиционирующее воздействие на водную среду и многие параметры водной экосистемы [10].

Как показали результаты экспериментов, предварительное выдерживание моллюсков в течение 7 суток в аквариумах, в воду которых были добавлен буровой шлам в концентрации от 0,2 до 1,0 г/л, привело к заметному снижению скорости фильтрации (табл. 4).

Таблица 4

Изменение фильтрационной способности Бгешепа роїутогрки после воздействия бурового шлама

Длительность измерения, мин Оптическая плотность среды инкубации

1 000 мг/л 500 мг/л 200 мг/л Контроль

0 0,36 0,35 0,35 0,35

10 0,35 0,33 0,30 0,22

30 0,28 0,24 0,17 0,12

60 0,22 0,21 0,16 0,07

В сосудах с контрольными моллюсками заметное осветление инкубационной среды произошло уже через 10 минут. Через 30 минут инкубации оптическая плотность среды с контрольными моллюсками уменьшилась почти в 3 раза, что свидетельствует об активном изъятии моллюсками из воды одноклеточных водорослей. Через 60 минут опыта оптическая плотность уменьшилась в 5,3 раза.

Буровой шлам угнетал фильтрационную активность моллюсков, причем был отмечен дозозависимый эффект. Так, оптическая плотность среды с моллюсками, предварительно выдержанными в концентрации шлама 1,0 г/л, через 60 минут уменьшилась в 1,63 раза. При концентрациях бурового шлама 5,0 и 2,0 г/л через 60 минут произошло осветление воды соответственно в 1,66 и 2,19 раза. Разница с контролем более чем очевидная.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют: несмотря на то, что моллюски при экспериментальной интоксикации во всех вариантах опыта оставались живыми, налицо заметное ухудшение их физиологического состояния.

Из анализа литературы и результатов собственных экспериментов можно заключить, что в результате попадания в водоёмы и накопления в донных осадках твердых фракций буровых отходов нарушения в бентосе будут носить точечный, временный и обратимый характер. Для наиболее уязвимых, неподвижных форм бентоса (губки, гидроиды) губителен слой осадка около 5 мм, тогда как гибель крупных моллюсков происходит лишь при толщине слоя покрытия более 10-15 см [10]. Поражающее действие взвеси проявляется при концентрациях более 1 000 мг/л. Такие условия на дне и в придонном слое воды могут возникать лишь в непосредственной близости (10-20 м) от точки сброса буровых отходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гатауллина Э. М. Биотехнологический способ очистки буровых растворов от нефти и полимерных реагентов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - СПб., 1996.

2. Печенева Н. В., Гаврина Л. Ю. Оценка влияния буровых растворов и шлама на гидрохимическое и биологическое состояние морской среды Восточного Сахалина // Тез. Всерос. конф. «Экосистемы морей России в условиях антропогенного пресса (включая промысел)», 20-22 сентября 1994 г. - С. 509.

3. Гаранина С. Н. Действие отходов бурения на фитопланктон // Тез. докл. 1 конгресса ихтиологов России. - М.: ВНИРО, 1997. - С. 412.

4. Мойсейченко Г. В. Оценка токсикологического влияния на биоту компонентов буровых растворов, используемых при освоении и эксплуатации нефтегазовых месторождений на шельфе дальневосточных морей // Тез. Всерос. конф. «Экосистемы морей России в условиях антропогенного пресса (включая промысел)», 20-22 сентября 1994 г. - С. 486-487.

5. Семенюк М. В. Начальные этапы лесообразовательного процесса на буровых площадках Сургутского полесья: дис. ... канд. биол. наук. - Красноярск, 1998. - 23 с.

6. Патин С. А. Нефть и экология континентального шельфа. - М.: Изд-во ВНИРО, 2001. - 247 с.

7. Остроумов С. А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. - М.: МАКС-Пресс, 2001. - 334 с.

8. Остроумов С. А. Введение в биохимическую экологию. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. - 176 с.

9. Матишов Г. Г., Никитин Б. А. Научно-методические подходы к оценке воздействия газонефтедобы-чи на экосистемы морей Арктики. - Апатиты, 1997. - 393 с.

10. Шульман Г. Е., Финенко Г. А. Биоэнергетика гидробионтов. - Киев: Наук. думка, 1990. - 248 с.

Статья поступила в редакцию 28.02.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Крючков Виктор Николаевич - Астраханский государственный технический университет; д-р биол. наук, доцент; профессор кафедры «Гидробиология и общая экология»; kvn394@rambler.ru.

Kryuchkov Victor Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Biological Science, Assistant Professor; Professor of the Department "Hydrobiology and General Ecology"; kvn394@rambler.ru.

Курапов Алексей Александрович - ООО «Лукойп-Нижневолжскнефть»; д-р биол. наук; начальник отдела экологии; kvn394@rambler.ru.

Kurapov Aleksey Alexandrovich - Ltd. "Lukoil-Nizhnevolzhskneft"; Doctor of Biological Science; Head of the Department of Ecology; kvn394@rambler.ru.