Загрязнение Западной части Среднего Каспия нефтяными углеводородами и биологическое разнообразие

ЭКОЛОГИЯ

Экологические проблемы Нижнего Поволжья и Северного Каспия

УДК 504.4.054: 665.6

Г. М. Абдурахманов, Г. А. Ахмедова, А. Г. Гасангаджиева

Дагестанский государственный университет Махачкала

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ СРЕДНЕГО КАСПИЯ НЕФТЯНЫМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ

В последнее время с ростом геополитической напряженности, повышением экономической значимости Волжско-Каспийского бассейна и, как следствие, ростом промышленной нагрузки на него усилилось антропогенное влияние. Проблема интенсивного загрязнения Каспийского моря продолжает оставаться одной из самых актуальных и серьезных для региона. Особую тревогу вызывает рост уровня загрязнения побережья Каспийского моря нефтяными углеводородами.

В связи с этим целью работы было показать:

- степень загрязнения западного побережья Среднего Каспия нефтяными углеводородами;

- влияние на него поверхностных и речных стоков, физических факторов среды;

- влияние загрязнения нефтяными углеводородами на биологическое разнообразие этого района.

При контакте нефтепродуктов с водной средой в ней начинаются их превращения, ход, длительность и результаты которых зависят как от свойств и состава самой нефти, так и от конкретной ситуации и параметров среды. В ходе этих превращений возникают новые химические вещества, исчезают или меняют свою структуру те, которые составляли раньше смесь, называемую нефтью. По своему биологическому проявлению крайнюю экологическую опасность представляют продукты трансформации нефти в водной среде и их дальнейшее комбинированное взаимодействие с другими токсикантами. При этом помимо индивидуального негативного воздействия создается реальная угроза эффекта синергизма.

Нефтяные разливы - это наиболее сложное и динамичное явление распределения примесей в море. С первых секунд контакта с морской средой сырая нефть перестает существовать как исходный субстрат и подвергается сложным процессам переноса, рассеяния и трансформации. Одно-

временно развиваются процессы растекания и дрейфа нефтяной пленки на поверхности моря с растворением и эмульгированием нефти в морской воде. Поведение нефти, попавшей в морскую среду, зависит главным образом от физических характеристик самой нефти: температуры кипения, плавления, плотности и вязкости, а также от химической природы и соотношения входящих в нефть компонентов. При попадании в морскую среду нефть обычно образует слики - поверхностную пленку разной толщины. В первые часы существования пленки доминируют физико-химические процессы удаления нефтяных углеводородов с поверхности воды. Компоненты с низкой температурой кипения быстро испаряются, увлекая за собой фракции с более высокой температурой кипения. В первые несколько суток, в зависимости от состава нефти и гидрометеорологических условий, теряется 30-70 % нефти, в основном фракции С4-Сп.. Химические превращения нефти в толще воды носят главным образом окислительный характер, часто сопровождаются фотохимическими реакциями под воздействием ультрафиолетовой части солнечного спектра и могут катализироваться в присутствии некоторых микроэлементов, например ванадия, и ингибироваться соединениями серы. Конечные продукты окисления (гидроперекиси, фенолы, карбоксильные кислоты, кетоны, альдегиды и др.) обычно имеют повышенную растворимость в воде и обладают повышенной токсичностью. Фото-окислительные реакции инициируют полимеризацию и деструкцию наиболее сложных молекул в составе нефти, повышают ее вязкость и содержание смолистых и асфальтеновых продуктов и способствуют образованию твердых нефтяных агрегатов. Исследования на природных моделях в Каспийском море показали, что в распаде нефтяных углеводородов значительную роль играет физико-химическое окисление [1].

Распределение гидрологических и гидрохимических характеристик, а также загрязнение в шельфовой зоне осложняют большая меридиональная протяженность Каспийского моря, особенности рельефа берегов и дна, а также особенности циркуляции вод и характер водообмена в море. Орография берегов влияет на распределение скорости ветра над морем. При штормах северных румбов наиболее сильные ветры наблюдаются у западного гористого берега с максимумом в районе п-ова Апшеронский. При юго-восточных штормах наиболее сильные ветры наблюдаются в северозападной части моря, особенно в районе Махачкалы. На западном побережье Среднего Каспия течения с наибольшей вероятностью направлены на юго-восток, т. е. вдоль берега. Скорость ветра уменьшается при удалении от стрежня основного потока в сторону берега и глубокого моря. При усилении ветров северных направлений в стрежне потока наблюдаются волнообразные отклонения, которые могут приводить к образованию нестационарных вихрей как циклонического, так и антициклонического вращения, которые осложняют картину циркуляции.

У морского края дельты Волги располагается зона транзита речных вод - естественная граница между зонами транзита и смешения вод, представляющая собой своеобразный геохимический барьер, где происходят качественные изменения солевого состава воды - от свойственного реке до типичного для моря.

Основным источником загрязнения северо-западной части Каспийского моря обычно считается речной сток, поэтому процессы смешения речных и морских вод играют важную роль в пространственно-временной изменчивости уровня ее загрязненности [2]. На уровень содержания в воде стойких загрязняющих веществ, в том числе и полициклических ароматических углеводородов помимо речного стока влияют процессы обмена веществ между водой и донными отложениями, а также водообмен между Северным и Средним Каспием. При этом поток стойких загрязняющих веществ, так же как и поток взвешенных веществ, направлен из устьевого взморья в глубоководную часть Среднего Каспия. На динамику загрязняющих веществ, подверженных биохимическому разложению, влияет (наряду с отмеченными выше факторами) функциональное состояние биологических сообществ.

На кинетику распада нефти и нефтепродуктов в морской среде оказывают влияние внешние факторы, имеющие отношение к свойствам и характеристикам той среды, в которую попадает нефть. Как показали эксперименты, температурный фактор является определяющим в кинетике распада нефти и нефтепродуктов. В общих случаях скорость химических реакций с повышением температуры на 10 °С увеличивается в 2-4 раза, а понижение температуры среды существенно тормозит не только физикохимические, но и биохимические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией различных веществ. Это объясняется тем, что температурные условия оказывают несомненное влияние на темпы воспроизведения бактериальной массы - с уменьшением температуры понижается общая численность и количество гетеротрофных организмов. Результаты опытов в Каспийском море показали, что понижение температуры водной среды на 10 °С удлиняет период полураспада растворенных форм нефти в 2 раза, а изменение температуры среды на 1 °С изменяет этот период на 40 часов. Таким образом, при понижении температуры воды от 28 до 0 °С период полураспада удлиняется на 1 120 часов.

Увеличение солености морской воды также отрицательно влияет на биохимическое окисление нефтяных углеводородов. При изменении солености на 1 % период полураспада нефтяных углеводородов изменяется на 22 часа. Однако для каждого морского региона изменения солености в целом очень незначительны, и резкие градиенты солености наблюдаются в основном в зонах влияния речного стока и таяния (образования) льдов. То же самое можно сказать и о влиянии рН среды на биохимическое окисление нефтяных углеводородов. Таким образом, эффект изменения периода полураспада нефтяных углеводородов от температуры в 25 раз больше, чем от изменения рН и в 8 раз больше, чем от изменения солености.

Если труднорастворимые остатки нефти вместе с включенными в них неорганическими и органическими примесями по плотности приближаются к плотности морской воды (или превышают ее), то в этом случае происходит их седиментация. В результате нефтяные агрегаты могут оседать на дно или вымываться на берег, что приводит к очищению водной толщи. В свою очередь, донные отложения при волновом взмучивании могут быть источником загрязнения морских вод.

Как было установлено в результате лабораторных и натурных наблюдений, переход нефтяных углеводородов из донных отложений в воду для мелкодисперсных грунтов не превышает 10 %. Сорбция нефтяных углеводородов из загрязненной воды в чистый грунт имеет тот же порядок, а конечное содержание нефтяных углеводородов в воде не превышает 0,5 мг/л. В глубоководных районах моря обмен нефтяными углеводородами на границе раздела фаз «вода - донные отложения» практически не происходит, и эта составляющая при расчете баланса нефтяных углеводородов может быть исключена для глубоководных районов. Однако для мелководных районов, воды которых подвержены интенсивному перемешиванию, эта составляющая должна учитываться, т. к. в результате взмучивания донных отложений происходит вторичное загрязнение вод как растворенными, так и сорбированными на взвесях нефтяными углеводородами. При этом уровень вторичного загрязнения воды прямо пропорционален загрязненности грунта. Последнее в значительной степени зависит от состава донных отложений. Таким образом, зная состав донных отложений и содержание в них нефтяных углеводородов, можно рассчитать потенциальную возможность вторичного загрязнения в мелководных районах.

Основной объем загрязнений (до 90 % от общего количества) поступает в Каспийское море с речным стоком. Это соотношение прослеживается почти по всем показателям (нефтяные углеводороды, фенолы, СПАВ, органические вещества, металлы и др.). Как правило, преобладающая часть загрязняющих веществ, поступающих с речным стоком, вместе со взвесью оседает в устьевой области рек.

Основной вклад в загрязнение моря вносит речной сток, а особая роль принадлежит р. Волге, влияние которой ощущается далеко за пределами приустьевой области. Судя по объему, количество загрязняющих веществ, стекающих на акваторию, распределяется по мере убывания между реками Волгой, Курой, Тереком, Уралом и Самуром [4].

Волжские воды, смешиваясь с морскими и перевалив через Ман-гышлакский порог, следуют в дальнейшем вдоль берегов Дагестана. Исходя из этого, можно предполагать, что основным источником загрязнения Среднего Каспия является адвекция загрязненных вод Северного Каспия, с которыми сюда поступает только нефтяных углеводородов в 15 раз больше, чем их сбрасывается со сточными и речными водами [5]. Количественная оценка адвекции как источника загрязнения основывается на данных о содержании загрязняющих веществ в водах Северного Каспия и сведениях о результирующем водообмене в западной части Мангышлак-ского порога [6]. Учитывая это, можно предполагать, что при увеличении повторяемости западных ветров над Северным Каспием, способствующих повороту основной струи волжских вод в его восточную часть [7], поступление загрязняющих веществ в Средний Каспий через Мангышлакский порог должно уменьшаться, а при увеличении повторяемости северных ветров - увеличиваться.

Следует заметить, что концентрации и объемы загрязняющих веществ стали уменьшаться после распада СССР и резкого сокращения промышленности в прикаспийских странах СНГ. В результате среднемноголетнее количество нефти, поступающей со стоком р. Волги, снизилось с 71,6 (1978-1991 гг.) до 54,3 тыс. т (1992-2000 гг.), а ее концентрация в водах дельты в среднем с 0,24 до 0,17 мг/л.

По данным Дагестанского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ДЦГМС), осуществляющему наблюдения за расходами воды и содержанием загрязняющих веществ в устьевых створах рек Терек, Сулак и Самур, в море с речным стоком ежегодно сбрасывается в среднем 425 т нефтяных углеводородов (без р. Терек).

В последнее десятилетие особенно критическая ситуация наблюдается на р. Терек, где в отдельные периоды концентрация нефтяных углеводородов превышала допустимые нормы (ПДК равна 0,05 мг/л) для рыбохозяйственных водоемов в 570 раз (по данным ЦГСЭН в Республике Дагестан). По данным ДЦГМС, непосредственно в море с терскими водами с 1995 по 2000 г. ежегодно сбрасывалось в среднем до 1 200 т нефтяных углеводородов (в отдельные годы до 2 500 т нефти). Источником столь высокой концентрации нефтяных углеводородов в водах р. Терек служит разрушенная в ходе войны нефтяная индустрия в Чеченской Республике. Следует отметить, что суммарное (из всех источников) поступление нефтяных углеводородов в Средний Каспий составляет более 25 тыс. т/год.

Другой источник поступления нефтепродуктов в Каспийское море -это промышленный и хозяйственный сток городов и поселков, расположенных вдоль прибрежной полосы моря. В Каспийском регионе сосредоточено 200 крупных городов более чем с 220 источниками загрязнения водного бассейна. Здесь ежегодно сбрасывается примерно 39 км3 сточных вод, из которых почти 8 км3 загрязнены. В Дагестане, по данным статот-четности по форме 2ТП-водхоз, ежегодно сбрасывается в море примерно 1 300 млн м3 сточной воды жилищно-коммунального хозяйства, коллекторнодренажных систем и промышленного производства, из них загрязненной -280 млн м3 (без очистки - 200 млн м3 и недостаточно очищенной - 80 млн м3). Вместе со сточными водами в море сбрасывается до 30 т нефтяных углеводородов. За рамками статистической отчетности остаются ливневые стоки населенных пунктов, а также аварийные сбросы [8].

Неблагоприятную экологическую обстановку на Каспии усугубил подъем уровня моря, продолжавшийся с 1978 по 1995 г. Вследствие этого были полностью выведены из строя очистные сооружения городов Дербент и Избербаш, вследствие чего ежесуточно более 300 тыс. м3 неочищенных канализационных стоков городов Махачкала, Дербент и Избер-баш попадают в Каспийское море.

До начала нефтедобычи, ставшей одним из главных источников антропогенного нефтяного загрязнения морских вод, на Каспии имело место (и продолжается в настоящее время) естественное поступление нефтяных углеводородов в морскую среду. В частности, таковым является подземный водный сток, ежегодный объем которого равен 4-5 км3, причем содержание нефтяных углеводородов в подземных водах составляет 0,3-3,0 мг/л.

Несмотря на относительно малые потери углеводородов при их добыче на шельфе, аварийные ситуации на буровых установках остаются пока неизбежными, причем при аварийных и технологических сбросах нефтепродуктов в море с буровых установок загрязнение носит большей частью локальный характер. Однако вблизи источника концентрация нефтяных углеводородов может в десятки и сотни раз превышать норму, установленную для рыбохозяйственных водоемов. В среднем при освоении месторождений в морскую среду поступает от одной скважины 30-120 т нефти. В случаях, когда локальное загрязнение приобретает хронический характер, нефтепродуктами загрязняется не только вода, но и донные отложения.

Исследования выявили зависимость токсического воздействия сточных вод, буровых растворов и шламов на организмы Каспийского моря от их состава и условий обитания. Нефтяные углеводороды в концентрации

0,05-0,5 мг/л, как правило, не влияют на выживаемость морских организмов, если их токсическое действие не усугубляется действием других токсикантов. При этом практически во всех тканях и органах наблюдаются физиологические и биохимические изменения, которые приобретают необратимый характер при увеличении концентрации нефти от 0,5 до 50 мг/л. Уже у самой нижней границы этого интервала (0,5-1,0 мг/л) изменения физиологических и биохимических показателей сопровождаются нарушениями роста и развития, а также плодовитости рыб. Снижение плодовитости проявляется в большей степени у последующих поколений [1, 9]. Устойчивость водных и донных организмов к токсическому воздействию нефти зависит от их таксономической принадлежности и стадии развития, концентрации углеводородов, продолжительности воздействия и его сочетания с другими факторами и условиями среды.

В Каспии обитает 62 вида простейших, 397 - беспозвоночных, 79 -позвоночных и 170 видов паразитических организмов. Из этих видов 46 % являются эндемиками Каспийского моря, 66 % имеют происхождение из соседних южных морей, 4,4 % - атлантическое и средиземноморское происхождение и 3 % - арктическое. В Каспии рыбы и ракообразные дают наибольшее число видов. Биоразнообразие моллюсков также велико - от 57 до 70 автохтонных видов зарегистрировано в Каспии.

Зоопланктон Северного Каспия насчитывает около 200 видов. Наиболее разнообразно представлены Infusoria (более 70 видов), Rotatoria (более 50 видов), Cladocera (около 30 видов) и Copepoda (более 20 видов). По мере продвижения с севера на юг моря наблюдается смена комплексов от солоноватоводных к эвригалинным и морским. В зоопланктоне Северного Каспия при повышении водности р. Волги и с подъемом уровня моря наблюдается тенденция к возрастанию числа видов пресноводного комплекса (с 54 до 62 %). В целом распределение зоопланктона согласуется с распределением фитопланктона.

Донная фауна Северного Каспия претерпела существенные изменения в связи с изменением его уровня. Несмотря на то, что величина общей биомассы бентоса оказалась примерно на уровне маловодных лет (1973-1974 гг.) и варьировала от 47,8 до 67,5 г/м2, в настоящее время более интенсивно

развиваются ракообразные (на 4 % больше), черви (на 60 % больше) и хи-рономиды (на 65 % больше). Распределение донных беспозвоночных в значительной мере определяется соленостью. Биомасса форм средиземноморского комплекса увеличивается с севера на юг и с глубиной. Многие виды обнаруживают приуроченность к определенным видам грунта.

Перифитон Каспия насчитывает около 200 видов водорослей (Cyanophyta - 33, Bacillariophyta - 126, Chlorophyta - 12, Phaeophyta - 8, Rhodophyta - 11) и более 60 видов беспозвоночных (Protosoa - 28, Spongia - 2, Coelenterata - 2, Kampotozoa - 1, Vermes - 3, Mollusca - 7, Crustcea - 21). Из общего числа видов, отмеченных в обрастаниях Каспийского моря, существенную роль играют только 8-10. Это Balanus improvisus, B. eburneus, Mytelaster lineatus, Cardylophora caspia, Perigonimus megas, Comopeum seurati, Rhihropanopeus harrisii tradentatus.

Микроорганизмы в водах Каспия в сезонном и пространственном отношении распределены неравномерно. Среднее число бактерий летом и осенью в 10-20 раз больше, чем в зимний период. Благодаря наличию легкодоступных форм органического вещества основная масса сапрофитных бактерий представлена бесспоровыми формами. Физиологические группы бактерий в воде представлены азотобактером, денитрофицирую-щими бактериями, аэробными и анаэробными целлюлозными бактериями, сульфатредуцирующими бактериями.

По разным оценкам ихтиофауна Каспийского моря насчитывает от 124 до 156 видов и подвидов рыб. При небольшом разнообразии видового состава Каспийское море является продуктивным по величине ихтиомас-сы. По количеству форм (видов и подвидов) главенствующее положение в Каспийском море принадлежит представителям семейств сельдевых, карповых и бычковых рыб, составляющих более 75 % ихтиофауны. Отличительной особенностью каспийской ихтиофауны является высокий эндемизм, наблюдающийся с уровня рода до уровня подвида. Число эндемиков на уровне рода составляет 8,2 %, вида - 43 %, подвида - 100 %. Наибольшее число эндемичных форм принадлежит семействам сельдевых и бычковых [10].

Таким образом, исследования биологического разнообразия подтверждают, что загрязнение нефтяными углеводородами ограничивается популяционным уровнем, снижает качество среды, но пока не затрагивает собственно биологического разнообразия (что не относится к отдельным локальным районам - дельтовым областям рек, местам плохо законсервированных старых нефтяных скважин и др.), где общий уровень антропогенной нагрузки превышает допустимые [11].

В настоящее время количественно оценить поступление нефтяных углеводородов в Каспий трудно. Для этого необходимо провести ряд целенаправленных комплексных исследований, оценив степень загрязнения нефтяными углеводородами воды и донных отложений на различных участках Каспийского моря, провести инвентаризацию имеющихся данных. Это позволит создать объективную картину загрязнения акватории Каспия, прогнозировать ситуацию, а также составить комплексную программу мониторинга по трансграничному переносу загрязняющих веществ.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Биоэкологические основы и практические разработки системы защиты биологического разнообразия Каспийского моря от нефтяного загрязнения / А. Ф. Сокольский, Н. В. Попова, Е. В. Колмыков, А. А. Курапов. - Астрахань: КаспНИРХ, 2005. - 128 с.

2. Устьевая область Волги: гидролого-морфологические процессы, режим загрязняющих веществ и влияние колебаний уровня Каспийского моря. - М.: ГЕОС, 1998. - 280 с.

3. Экологическая политика ОАО «ЛУКОЙЛ» на Каспийском море. Т. 2. Охрана окружающей среды при поиске, разведке и добыче углеводородного сырья в северной части Каспийского моря. - Астрахань: КаспНИРХ, 2003. - 256 с.

4. Гюль А. К.-О. Комплексное изучение техногенного загрязнения Каспийского моря: Автореф. дис. ... д-ра геогр. наук. - Баку, 2003. - 52 с.

5. Некоторые особенности формирования гидрохимического режима прибрежных вод Дагестана / С. К. Монахов, А. М. Бутаев, Г. А. Ахмедова, А. Д. Гусейнова // Вестн. ДНЦ РАН. - 2000. - Вып. 6. - С. 101-105.

6. Современное состояние и факторы, определяющие биологическое и ландшафтное разнообразие Волжско-Каспийского региона России / Г. М. Абдурахманов, М. И. Карпюк, Б. Н. Морозов, Ю. Г. Пузаченко. - М.: Наука, 2002. - 416 с.

7. Абдурахманов Г. М., Ахмедова Г. А. Влияние загрязнения на биологическое разнообразие Волжско-Каспийского бассейна / Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений: Материалы I Междунар. конф. - Астрахань: Изд-во КаспНИРХ, 2005. - С. 11.

8. Доклад о состоянии и использовании водных ресурсов Республики Дагестан в 2002 году / Федеральное гос. управление по водному хозяйству Республики Дагестан «Дагводресурсы». - Махачкала, 2003.

9. Иванов В. П. Нефтяная экспансия и биологические ресурсы Каспийского моря // Материалы IV Ассамблеи Ассоциации университетов Прикаспийских государств. - Махачкала, 1999. - С. 28-29.

10. Полонский В. Ф., Лупачев Ю. В., Скриптунов М. А. Гидрологоморфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза). - СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 383 с.

11. Современный и перспективный водный и солевой баланс южных морей СССР // Тр. ГОИН. - 1972. - Вып. 108. - С. 236.

Статья поступила в редакцию 26.04.06

POLLUTION OF THE WESTERN PART OF THE MIDDLE CASPIAN FROM OIL HYDROCARBONS AND BIOLOGICAL DIVERSION

G. M. Abdurakhmanov, G. A. Akhmedova, A. G. Gasangadgieva

Investigations of the Northern Caspian biological diversion prove that pollution from oil hydrocarbons is limited by population level reduces environment quality, but at present it does not affect biological diversion. It does not relate to certain regions - delta areas of rivers, areas of old oil wells badly preserved, etc. where general level of anthropogenic load exceeds permissible one.