АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Нефть и нефтепродукты

С химической точки зрения сырая нефть представляет собой сложную смесь нескольких тысяч жидких углеводородов (80–90%) с примесью дру­гих органических соединений (нафтеновые кислоты, асфальтены, смолы, меркаптаны и др.), а также воды (до 10%), растворенных газов (до 4%), минеральных солей и микроэлементов. Установлено, что «типичная» нефть содержит в среднем 57% алифатических углеводородов, 29% ароматиче­ских углеводородов, 14% асфальтенов и других соединений.

Основными загрязняющими веществами, образующимися в про­цессе добычи и переработки нефти, являются углеводороды (48%) и оксид углерода (44%). Кроме этого, нефть содержит около 30 металлов, среди которых максимальные концентрации (порядка долей %) харак­терны для ванадия и никеля.

В отличие от многих антропогенных воздействий, нефтяное загряз­нение оказывает комплексное воздействие на окружающую среду и вы­зывает ее быструю отрицательную реакцию. Так, хронические разливы нефти, нефтепродуктов, соленых пластовых вод, выносимых эксплута-ционными скважинами вместе с нефтью и газом, приводят к уменьше­нию продуктивности земель и деградации ландшафтов. Воздействие нефтепроводов на почвенный покров проявляется в основном в механи­ческом нарушении почвенного покрова при строительстве и ремонтных работах трубопроводов и химическом загрязнении почв при авариях.

Для оценки нефти как загрязняющего вещества природной среды предложено использовать следующие признаки: содержание легких фракций, содержание парафинов, содержание серы.

Летучие ароматические углеводороды (легкие фракции нефти) – толуол, ксилол, бензол, нафталин и др., обладающие повышенной ток­сичностью для живых организмов, легко разрушаются и удаляются из почвы. Поэтому период острого токсического действия сравнительно небольшой. Парафины не оказывают сильного токсического действия на почвенную биоту или планктон и бентос морей и океанов, но благо­даря высокой температуре отвердения существенно влияют на физиче­ские свойства почвы, изменяют ее структуру. Содержание серы свиде­тельствует о степени опасности сероводородного загрязнения почв и поверхностных вод.

Легкая фракция нефти (t_кип < 200⁰ С), куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафины) и ароматические углеводороды – наиболее подвижная часть нефти.

Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводоро­ды с большим числом углеродных атомов от 5 до 11. Нормальные (не-разветвленные) алканы составляют в этой фракции 50–70%. Метановые углеводороды легкой фракции, находясь в почвах, водной и воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые ор­ганизмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеродной цепью. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цито-плазменные мембраны организма. Нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, большинством организмов не асси­милируются, хотя могут быть окислены. Их токсичность ослабляется в присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую растворимость алканов.

Легкая фракция, мигрируя по почвенному профилю и водоносным го­ризонтам, расширяет, иногда значительно, ореол первоначального загряз­нения. Значительная часть легкой фракции нефти разлагается и улетучива­ется еще на поверхности почвы или смывается водными потоками. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легкой фракции.

Метановые углеводороды во фракции, кипящей выше 2000⁰С (пристан С₁₉Н₄₀, фитан С₂₀Н₄₂ и др.) практически нерастворимы в воде. Их токсич­ность выражена гораздо слабее, чем у низкомолекулярных структур.

Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти колеблется от очень малых количеств до 15–20%. Эта характеристика очень важна при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый па­рафин не токсичен для живых организмов, но вследствие высоких тем­ператур застывания (+18⁰С и выше) и растворимости в нефти (+40⁰С) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности.

Твердый парафин трудно разрушается, с трудом окисляется на воз­духе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влаго- и газообмена. Это, в свою очередь, при­водит к полной деградации биоценоза.

К циклическим углеводородам в составе нефти относятся нафте­новые (циклоалканы) и ароматические (арены). Общее содержание наф­теновых углеводородов в нефти изменяется в среднем от 35 до 60%. Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно, что связано с их малой растворимостью и отсутствием функ­циональных групп. Биодеградация полярных алканов идет легче, окис­ление происходит главным образом по месту присоединения боковой цепи или месту соединения циклов.

Ароматические углеводороды – наиболее токсичные компоненты нефти. При концентрации 1% в воде они вызывают гибель всех водных растений. С увеличением содержания ароматических соединений в неф-

ти возрастает ее гербицидная активность. Содержание ароматических углеводородов в нефти изменяется от 5 до 55%.

Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое дей­ствие на организм, чем полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсикантами.

Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению, обычно медленно окисляясь микроорганизмами.

Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным компонен­там нефти, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Структурный состав смол и асфальтенов составляют высоко конденсированные полициклические ароматические структуры, со­стоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот. Смолы – вязкие, мазе-подобные вещества с относительной молекулярной массой 500–1200, асфальтены – твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах с массой 1200–3000. В них содержится основная часть микроэлементов нефти.

При нефтяном загрязнении почвенного покрова негативное действие смол и асфальтенов заключается не столько в их химической токсичности, сколько в изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачи­вается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в ос­новном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почвы. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они снижают поступление к ним влаги, в результате чего растения засыхают.

При поступлении за земную поверхность нефть оказывается в каче­ственно новых условиях существования: из анаэробной обстановки с медленными темпами геохимических процессов она поступает в хоро­шо аэрируемую среду, в которой, помимо абиотических факторов, большую роль играют биогеохимические факторы и прежде всего дея­тельность микроорганизмов.

В почвах нефть и нефтепродукты могут находиться в следующих формах:

– в пористой среде – в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмуль­сионной фазе;

– в пористой среде и трещинах – в свободном неподвижном со­стоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы;

– в связанном состоянии на частицах почвы, в том числе на гуму­совой составляющей почвы;

– в поверхностном слое почвы, в том числе в виде плотной орга-номинеральной массы.

Будучи смесью различных по строению и свойствам компонентов, нефть разлагается очень медленно – процессы деструкции одних соеди­нений ингибируются другими, при трансформации отдельных компо­нентов происходит образование трудноокисляемых форм и т.д.

Скорость деградации нефти, активность самоочищения почв или устойчивое сохранение в них загрязняющих веществ в разных ланд­шафтах заметно различаются.

Примечательно, что при авариях нефтепроводов в зимнее время воздействие нефти на окружающую среду имеет свою специфику: рас­тительности, находящейся в состоянии покоя и мерзлым почвам будет нанесен меньший вред, чем летом, несмотря на то, что зимой общая эф­фективность самоочищения от пленок сырой нефти в 3 раза меньше, чем в условиях положительных температур. Здесь основную роль игра­ет испарение со снежной и ледяной поверхности – 50–80% и фотоокис­ление – 15–35%. Пятна нефти нарушают термическое состояние снега и льда, тем самым усиливая их таяние. Благодаря этому образуются про­талины, препятствующие распространению нефти. Прекращение расте­кания нефти и ее локализация будут происходить также за счет увели­чения ее вязкости при низких температурах. Лед способен захватывать нефть с поверхности воды в количестве до 25% собственной массы.

Антропогенному загрязнению нефтью и нефтепродуктами под­вержены в той или иной степени все категории природных вод: кон­тинентальные поверхностные и подземные, воды морей и океанов.

С первых секунд контакта с морской средой сырая нефть перестает существовать как исходный субстрат и подвергается сложным динами­ческим процессам переноса, рассеяния и трансформации. Особенно бы­стро происходит испарение легких нефтяных фракций: от 30 до 60% нефти исчезает с поверхности моря уже в первые часы и сутки после разлива. Одновременно развиваются процессы растекания и дрейфа нефтяной пленки на поверхности моря (в основном под действием ветра и течений) с растворением и эмульгированием нефти в морской воде в результате ветрового перемешивания верхнего слоя. Растворимость нефтяных углеводородов обычно экспоненциально снижается с увели­чением их молекулярного веса. Поэтому ароматические соединения (особенно такие, как бензол, толуол и др.) быстро переходят в водную фазу в отличие от многих алифатических углеводородов.

Эмульгированная нефть накапливается в морских организмах (осо­бенно в моллюсках за счет их фильтрационного питания), а также ис­пользуется в качестве пищевого субстрата для нефтеокисляющих бакте­рий, которые способны быстро разлагать диспергированные в толще воды углеводороды. В результате этих многофакторных и взаимосвязанных про­цессов разлитая в море нефть распределяется на агрегатные фракции, включая поверхностные пленки, растворенные и взвешенные формы,

эмульсии, осажденные на дно твердые и вязкие компоненты и аккумулиро­ванные в организмах соединения. Доминирующими миграционными фор­мами в первые часы и сутки являются нефтяные пленки и эмульсии.

Нефтяные разливы относятся к числу наиболее сложных и дина­мичных явлений распределения примесей в море. Каждый такой разлив по-своему уникален и неповторим из-за практически бесконечного на­бора конкретных природных и антропогенных факторов в данном месте и в данное время. Особенно сложная картина складывается в ледовых условиях, когда скорость испарения и распада углеводородов резко снижается, а нефть аккумулируется под ледовым покрытием, в его про­галинах и пустотах, сохраняясь здесь до начала таяния льда.

С экологических позиций важно различать два основных типа неф­тяных разливов. Один из них включает разливы, которые начинаются и завершаются в открытом море без соприкосновения с береговой линией. Их последствия, как правило, носят временный, локальный и быстро обратимый характер в форме острого стресса. Другой и наиболее опас­ный тип разливов предполагает вынос нефтяного поля на берег, акку­муляцию нефти на побережье и длительные экологические нарушения в прибрежной и литоральной зоне, что можно трактовать как хрониче­ский стресс. Чаще всего оба эти сценария развиваются одновременно, и это особенно вероятно для ситуаций, при которых аварийный разлив происходит в непосредственной близости от берега.

Как следует из известной статистики, большинство аварийных си­туаций и нефтяных разливов приходится на прибрежную зону. Так, на­пример, наибольший ущерб побережью от разлива нефти, согласно «Книге рекордов Гиннеса», был нанесен 24 марта 1989 г. в результате аварийного выброса в заливе Принц-Уильямс (Prince Williams) у побе­режья Аляски. Танкер «Вальдес», принадлежащий компании «Экссон Мобил» (Exxon Mobil), натолкнулся на риф и получил пробоину. В ре­зультате в море вылилось 45 000 т нефти. Подверглось загрязнению около 2 400 км побережья Аляски. Погибло около 645 млн птиц, а также морские выдры, тюлени, рыбы. Пострадали люди – не были приняты все меры, чтобы обезопасить принимавших участие в ликвидации по­следствий катастрофы от воздействия паров сырой нефти и других хи­мических веществ, особенно токсичного сероводородного газа.

В первый год после катастрофы сбор урожая у местного населения сократился до 77% (по сравнению с предыдущим годом). Около 12% от общего объема разлитой нефти осталось в отложениях на дне, 3% – на берегу. В теплые дни остатки нефти поднимаются на поверхность и продолжают наносить вред экосистеме.

В дополнение к детально изученному и описанному в литературе катастрофическому эпизоду с аварией танкера «Вальдес» можно доба-

вить ряд аналогичных событий в 90-е годы, включая разливы у берегов США, Великобритании, Японии и других стран.

Вероятность выноса нефти на берег в таких случаях зависит от ха­рактера разлива (объем, расстояние от берега и пр.) и конкретных гидроме­теорологических условий в данном месте и в данное время, в первую оче­редь от силы, направления ветра и течений. По данным мировой статисти­ки при больших разливах существует вероятность (в пределах 1–13%) об­ратного смыва вынесенной на берег нефти в сублиторальную зону, где уровни нефтяного загрязнения донных осадков обычно на порядок ниже по сравнению с береговыми и литоральными отложениями. Общая схема раз­вития биологических эффектов и последствий нефтяного загрязнения при остром и хроническом воздействии показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема основных стадий, биологических эффектов и последствий нефтяных разливов в море (По: С.А. Патин, 2001)

В зависимости от продолжительности и масштаба загрязнения может наблюдаться широкий диапазон поражающих эффектов – от поведенческих аномалий и гибели организмов на начальных стадиях разлива в пелагиали (табл. 9) до структурных и функциональных перестроек в популяциях и сообществах при хроническом воздействии в литорали (табл. 10).

Таблица 9

Дата добавления: 2015-02-05 | Просмотры: 1074 | Нарушение авторских прав