Конкретные загрязняющие вещества; матрица взаимодействия

Чтобы оценить воздействие на окружающую среду того или иного загрязняющего вещества, лучше всего разработать матрицу взаимодействия, которая покажет в общих чертах, где, как и насколько сильно такие вещества взаимодействуют с природной средой. Одна из таких матриц представлена в табл. 19.4, и в последующих разделах мы рассмотрим смысл некоторых ее элементов.

Микроэлементы (элементы А матрицы взаимодействия). Микроэлементами называются те химические элементы, которые встречаются в природе в концентрации 1*10 -6 или меньше. Как указывалось в гл. 7, многие из этих элементов распределяются по вертикали в водной толще так же, как питательные вещества, используемые для удобрения полей, и коррелируют с ними. Мы знаем, что многие морские организмы способны накапливать ионы редких металлов: например, как показывает табл. 19.5, в тканях моллюсков и ракообразных может содержаться свинец в концентрациях, в тысячи раз больших, чем в водах открытого океана [4].

Следовательно, чтобы в первом приближении определить, вредно ли повышение концентрации производимых нами тяжелых металлов, надо сравнить концентрации открытого океана с обогащением, происходящем в самих организмах. Из этого сопоставления легко сделать вывод, что обусловленное человеческой деятельностью увеличение содержания тяжелых металлов влечет за собой незначительные последствия. Напротив, поскольку естественное распределение микроэлементов очень близко к распределению питательных веществ, это наводит на мысль, что органический мир требует присутствия таких элементов.

Но иногда избыточные концентрации одного или нескольких тяжелых металлов причиняют огромный вред. Колонии моллюсков на прибрежных отмелях вблизи устья реки Кинтеро в Чили практически исчезли после того, как медеплавильный завод начал сбрасывать в эту реку сточные воды. В Минамате (Япония) за 1950-е годы сотни жителей получили ртутное отравление, потребляя в пишу рыбу и моллюсков из залива Минамата. Ртуть попадала в залив во сточными водами местных промышленных предприятий. Оставшиеся в живых оказались поражены различными хроническими заболеваниями, у многих ухудшилось зрение, расстроилась речь, резко возрос вес и ослабился слух.

Морские растения также могут подвергнуться воздействию тяжелых металлов. Эксперименты показывают, что процесс фотосинтеза в гигантских водорослях рода Масгоcyslis у берегов Калифорнии ослабляется на 50% после четырехдневного пребывания в воде с концентрациями (в млн-1) ртути 0,05, меди 0,1, никеля 2,0, цинка 10 [19].

Поражает, насколько много загрязняющих веществ поступает в океан через атмосферу (табл. 19.5). Каждый год в результате испарения в воздух попадает 350 тыс. т растворителей, используемых при химчистке, а также 1 млн. т бензина (314 млн. галлонов!) [13]; .10% свинца попадает из недр в океан через атмосферу из выхлопных газов, образующихся при сжигании этилированного бензина. (В настоящее время этилированный бензин в США уже почти не производится.)

Что касается тяжелых металлов, переносимых реками, то большая их доля не достигает открытого океана. Вместо этого ионы металлов соединяются с минеральными частицами или прилипают к ним и оказываются во взвешенном осадке; они осаждаются либо в эстуариях, либо на прибрежных отмелях. Отсюда следует, что речное загрязнение быстро передается эстуарной и прибрежной биосфере, особенно в бентосной среде обитания (см. также гл. 5).

Питательные вещества, используемые для удобрений (элементы В матрицы взаимодействия). Производимые людьми фосфаты и нитраты попадают в океан двумя путями: посредством сброса бытовых отходов и посредством смыва с возделываемых земель, на которых используются фосфорные и азотные удобрения. Оба эти источника в неявном виде присутствуют на схемах распределения, приведенных на рис. 19.19. Фосфаты и нитраты непосредственно вносятся в землю приморской зоны при ее сельскохозяйственной обработке или ввозятся из удобрявшихся внутренних районов в виде продовольственных и технических сельскохозяйственных продуктов либо переносятся реками как растворенные питательные вещества.

Поступление питательных веществ в прибрежные воды оказывает на них сильнейшее воздействие, приводя к избыточному размножению определенных растений. В результате видовое разнообразие уменьшается, так как эти растения не дают развиваться другим видам. В пресноводных озерах и реках такое воздействие называется эвтрофикацией. Там, где оно происходит, может измениться динамика всей пищевой цепи. Поэтому, приступая к изучению потенциального воздействия таких факторов, биологи в первую очередь стараются определить, не понижено ли видовое разнообразие в составе пищевой цепи, т. е. не исчезли ли какие-то виды. Другой мерой этого воздействия может служить резкое изменение обилия одного вида по сравнению с другими.

На рис. 19.20 показано, что эта проблема может оказаться весьма серьезной.

Сброс сточных вод у плотно населенных берегов Флориды составляет в обшей сложности 500 млн. галлонов в сутки (около 1,6 млн. м3/сут, что приблизительно равно 0,01 расхода реки Нил). Принимая за основу расчета средние концентрации фосфатов и нитратов в бытовых сточных водах (Foyn, в сб. [19]), мы получаем, что ежедневно в прибрежную зону Флориды поступает около 100 т веществ, используемых для удобрения полей. В долговременной перспективе это означает, что такой ежедневный выброс химикатов эквивалентен общему количеству удобрений, вносимых ежегодно примерно на 1000 акров обрабатываемой земли. За год выбрасывается столько удобрений, сколько хватило бы на 365 тыс. акров, или 600 кв. миль (1460 км2). И опять-таки читатель должен иметь в виду, что это новые питательные вещества, ввозимые, как говорилось ранее, в приморскую зону из других мест.

Бытовые сточные воды, направляемые по трубам прямо в море, обычно выбрасываются через серию выпускных сопел, называемых диффузорами (рис. 19.21).

Этим способом обеспечивается достаточное механическое перемешивание сбрасываемой жидкости, почти всегда менее плотной, чем морская вода, с окружающей морской водой, в результате чего смесь становится плотнее, чем вышележащий слой теплой поверхностной воды. Поэтому расходящиеся струи смеси сбросовых и морских вод поднимаются не выше плотностного раздела, приуроченного К термоклину. Таким образом, сточные воды не достигают поверхности, а прибрежные течения в конце концов относят их дальше от берега.

Углеводороды (элементы С матрицы взаимодействия). В докладе Национальной академии наук США за 1971 г. [20] обобщены данные о воздействии нефти и других углеводородов на морскую среду. Читатель может получить некоторое представление об этом, проанализировав табл. 19.6.

Во-первых, естественное просачивание нефти в морские воды сравнимо по размерам с утечкой в результате просачивания из морских нефтедобывающих скважин. Во-вторых, количество нефти, выбрасываемой ежегодно в море в результате работы танкеров и других судов, в пять раз больше, чем излилось при крушении танкера «Торри-Каньон» или при аварии морской буровой скважины у Санта-Барбары, Калифорния. В-третьих, самое большое количество нефти (0,8 млн. т/год), попадающей в море непосредственно в результате человеческой деятельности, связано с повседневной промышленной и экономической деятельностью в приморской зоне, а также с умышленным сливом нефти и нефтяных отходов (0,5 млн. т/год).

Эти величины складываются из множества мелких составляющих, среди которых — слив отходов нефтепродуктов в систему канализации, утечка при транспортировке и перегрузке, мытье автосервисных станций и многие другие бытовые и промышленные отходы. Но заметьте, что самые значительные случаи попадания загрязняющих углеводородов в море являются результатом испарения летучих нефтепродуктов и производных от них веществ — таков их косвенный путь от человеческого общества в океаны.

Нефть попадает в море в ходе танкерных операций, когда в нефтяные цистерны (танки) закачивается водяной балласт, а затем вода выливается за борт, неизбежно захватывая нефтяную эмульсию. Судостроительная промышленность постепенно совершенствует эту процедуру: разрабатывается оборудование, улавливающее нефть и уменьшающее, таким образом, загрязнение моря.

Большие научные и технологические исследования направлены на то, чтобы ослабить эффект локального нефтяного загрязнения, например в случае аварии танкера. Нефтяные пленки, появляющиеся в заливах и гаванях, можно теперь собирать, расставляя вокруг них пластмассовые ограждения (рис. 19.22).

Пятна, образующиеся в открытом море и подвергающиеся там действию сильных волн и ветра, быстро растекаются на большую площадь. При аварии у Санта- Барбары образовалась нефтяная пленка, распространившаяся на 800 кв. миль (более 2 тыс. км2), но примерно через две недели она рассосалась — главным образом благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. Бактерии играют очень важную роль в процессе окисления сырой нефти, поэтому в настоящее время проводятся серьезные исследования по созданию «супербактерий», которые можно было бы выпускать на нефтяные пятна, чтобы быстро с ними «расправляться».

Недавно выяснилось, что важным первым шагом, способствующим разложению бактериями нефтяных пленок, является эмульгирование (создание эмульсии) нефти в воде. Представляется, что лучший способ рассеивать и удалять нефтяные пятна — собирать как можно больше малых судов и направлять их строем туда-сюда через пятно: их винты создадут эмульсию, в результате чего возникнет благоприятная обстановка для быстрого размножения бактерий.