5.2. Процессы самоочищения морской среды от загрязняющих веществ

Самоочищение морской среды является сложным и недостаточно изученным явлением. Исследователи этой проблемы до сих пор не выработали общепринятых методов общего описания и количественной оценки всех факторов самоочищения.

Самоочищение — совокупность физических, химических, микробиологических и гидробиологических процессов, определяющих расписание, утилизацию загрязняющих веществ, которая частично восстанавливает естественное качество морских вод.

Процессы самоочищения воды от отдельных групп органических веществ происходят по-разному.

Деградация нефти в море. Она происходит в такой последовательности: выпаривание, эмульгирование, растворение, окисление, образование нефтяных агрегатов, оседание и биодеградация.

Важным явлением в процессе распада нефтяных пленок является выпаривание. Углеводы с длиной цепи атомов углерода в молекуле меньше С¹⁵ испаряются с водной поверхности на протяжении 10 суток, углеводы в диапазоне С¹⁵ – С²⁵ сохраняются значительно дольше, а фракция, более тяжелая от С²⁵, практически не испаряется. Выпаривание может изъять с поверхности до 50 % углеводов сырой нефти, до 10 % тяжелой нефти, до 75 % легкой топливной нефти.

Основную роль в деструкции нефтяных углеводов играют микроорганизмы, способные использовать углеводы как источник углерода и энергии. Высокой способностью к окислению нефтепродуктов наделены бактерии рода Mycobacterium, Arthrobacter. В лабораторных условиях они окисляют до 50-80 % нефти.

Процессы деградации ускоряют такие факторы: насыщение воды кислородом (для окисления 1 л нефти необходимо 3,3 кг кислорода); обогащение воды биогенными веществами (азот, фосфор) (для окисления 1 мг нефти бактериями необходимо 4 мг нитратов); для оптимальных условий необходимо сохранить соотношение N:P = 14:1; повышение температуры; снижение солености воды; уменьшение рН.

Экспериментальные исследования показали, что суммарная деградация нефти в морской воде происходит по закону молекулярной реакции первого порядка:

где С_t, С₀ — конечная и начальная концентрации вещества; t — время преобразования, k — константа скорости реакции:

где t – период полураспада вещества.

Биодеградация СПАВ. По степени стойкости к биохимическому окислению в воде СПАВ делятся на мягкие, 50 % которых раскладывается на протяжении нескольких суток, и жесткие, для распада которых необходимо 2 месяца и больше. При биохимическом окислении анионных СПАВ происходят реакции гидролиза, λ-окисление (окисление конечной метильной группы), β-окисление (окисление жирных кислот), расщепление ароматического кольца. Скорость самоочищения природных вод от СПАВ определяется рядом факторов: химическим строением СПАВ, их концентрацией, соленостью, температурой, рН воды, содержанием растворенного кислорода. Приблизительно 20 % растворенных в воде СПАВ сорбируется зависшими веществами и оседает на дно.

Самоочищение от фенолов. В зависимости от химической природы фенолов процесс их окисления может быть биохимическим и физико-химическим. Биохимическое окисление осуществляется под влиянием ферментов, которые вырабатывают микроорганизмы. Скорость распада увеличивается с увеличением рН, уменьшением солености, при наличии фосфатов и солей железа, присутствия белков, жиров, углеводов.

Антропогенное действие на Мировой океан приводит к уменьшению природной способности морских систем к самовоспроизведению и саморегулированию, особенно там, где формируются критические условия для нормального функционирования этих экосистем. Понятие «критическая» или «допустимое антропогенное действие на морские системы» вообще связаны с понятием «экологический резерв океана». Поэтому при экологическом нормировании антропогенных действий обращаются к использованию концепции ассимилирующей емкости.

Ассимилирующая емкость морской среды (А_mі) относительно загрязняющего вещества (i) — максимальная динамическая вместительность такого количества загрязняющего вещества, которое может быть за единицу времени разрушено, накоплено, трансформировано и выведено с помощью седиментации, диффузии или других процессов за границы объема экосистемы без нарушения нормального функционирования.

Процесс самовольного распространения вещества в воде в направлении уменьшения его концентрации, обусловленный тепловым движением молекул, называют диффузией. Она приводит к выравниванию концентрации дифузирующего вещества.

Седиментация — процесс осаждения мелких частиц под действием гравитационного поля или центробежных сил.

Ассимилирующая емкость характеризует способность морской экосистемы к динамическому накоплению и активному выводу загрязняющих веществ. Для ее определения используют: показатель предельно допустимой концентрации вещества (С_mіо) и коэффициент кратности (К_mі) количества вещества, которое может быть переработано данной экосистемой.

Показатель ассимилирующей емкости определяют по формуле:

А_mі = С_mіо · К_mі · V

где V – объем морской среды, который рассматривается.

На практике выделяют три основных процесса, которые определяют ассимилирующую емкость: гидродинамический, микробиологическое окисление, биоседиментацию. Ассимилирующая емкость образовывается с геофизической емкости, которая определяется выносом токсичных веществ за счет геофизических процессов, и биологической емкости, сформированной допустимой нагрузкой на экологическую систему и выносом токсичных веществ за счет биологических процессов.

Безусловно, воды Мирового океана имеют природную способность к самоочищению, самовоспроизведению и саморегулированию, но антропогенное влияние замедляет эти процессы. Поэтому целесообразно регулирование разных видов деятельности в водах Мирового океана, воздушному пространству над ним, на морском дне и в его недрах. С целью определения фактического состояния вод морей и океанов, защиты и сохранения морской среды, разработки и внедрения решений по эффективному использованию, охраны и обновления этих водных объектов необходимо осуществлять комплексный глобальный мониторинг вод Мирового океана.