Лекція 11. Методи і засоби вимірювання забруднень вод океану (2 год)

1. Джерела та види забруднення океану

Сучасні урбанізація і виробництво сприяють зростанню рівня забруднення вод Світового океану. Щорічно в його води надходить величезна кількість шкідливих речовин, деякі компоненти вже спричиняють великомасштабне забруднення. Забруднення Світового океану призводить до зменшення його біологічної продуктивності, скорочення надходження кисню до світового кругообігу речовин.

Під забрудненням морського середовища мається на увазі «привнесення людиною, прямо чи побічно, речовин або енергії в морське середовище, включаючи естуарії, що призводить чи може призвести до таких згубних наслідків, як завдання шкоди живим ресурсам і життю в морі, небезпека для здоров'я людини, створення перешкод для діяльності на морі, в тому числі для рибальства та інших правомірних видів використання моря, зниження якості використовуваної морської води і погіршення умов відпочинку».

Забруднюючі речовини надходять до Світового океану як природним шляхом, так і внаслідок господарської діяльності людини. Ці види забруднень тісно взаємопов'язані, тобто антропогенні можуть посилювати природні небезпечні явища і навпаки.

До джерел природного забруднення океанів та морів належать:

 ̶ річковий стік;

 ̶ прямий стік із суші (теригенний стік);

 ̶ перенесення забруднюючих речовин через атмосферу.

Джерелами антропогенного забруднення Світового океану є:

 ̶ безпосередні скиди забруднюючих речовин, зокрема, нафтопродуктів, в океан (переважно на його поверхню), при перевезенні;

 ̶ розробка корисних копалин на морському дні;

 ̶ аварійні викиди із суден або підводних трубопроводів;

 ̶ навмисне поховання шкідливих речовин в морі (дампінг);

 ̶ випробовування атомної зброї.

Сучасні дослідження забруднення Світового океану свідчать, що річковий і теригенний стоки, а також атмосферне перенесення є основними джерелами забруднення морів. У процесі річкового виносу і стоку із суші забруднюються переважно прибережні води океану, води внутрішніх морів, заток. В антропогенній складовій теригенного і річкового стоків переважають забруднюючі речовини, які містяться в промислових та комунальних водах, а також у змивах із сільськогосподарських угідь: важкі метали, біогенні сполуки, пестициди та нафтопродукти. У поверхневих водах, які надходять до Світового океану, обсяг антропогенного стоку переважно збігається з природним потоком хімічних елементів і їх сполук або навіть перевищує його.

Дампінг – скид та захоронення (поховання, тобто будь-яке навмисне вилучення відходів або інших матеріалів з суден, літальних апаратів, платформ або інших штучно споруджених в морі конструкцій) відходів у морях і океанах. Країни, що мають вихід до моря, зловживають морськими захороненнями різних матеріалів і речовин, зокрема ґрунту, бурового шламу, відходів промисловості, будівельного сміття, твердих відходів. Об'єм захоронення становить 10 % від загальної маси забруднюючих речовин, які надходять до Світового океану.

Явище поширилося внаслідок здатності морського середовища переробляти велику кількість органічних і неорганічних речовин. Однак, дампінг спричиняє низку негативних явищ:

1) зміна якості води внаслідок надходження речовин, що переходять у розчин;

2) швидка втрата Оксигену та поява гідрогенсульфуру внаслідок надходження органічних речовин;

3) підвищення мутності води, що спричиняє загибель малорухомих форм бентосу.

Тому при організації і здійсненні дампінгу слід дотримуватися таких умов:

– оцінювання якості, складу і властивостей (фізичних, хімічних, біологічних) матеріалів, що захороняються, їх токсичності, стійкості, здатності до накопичення і біотрансформації у водному середовищі та морських організмах;

– здійснення нейтралізації, знезараження, реутилізації відходів (якщо це можливо);

– вибір районів скиду з урахуванням максимального розбавлення речовин, мінімального поширення їх за межі скиду, позитивного поєднання гідрологічних та гідрофізичних умов;

– забезпечення віддаленості районів скиду від місць нагулу і нересту риб, від місць життя рідкісних та чутливих видів гідробіонтів, від зон відпочинку і господарського використання.

Найбільш актуальною є проблема хімічного забруднення океану. На основі аналізу даних моніторингу з'ясовано, що основними видами забруднювачів є вуглеводні (сира нафта, нафтопродукти, нафтові вуглеводи); хлоровані вуглеводні (пестициди, поліхлоровані біфеніли); токсичні метали; радіоактивні речовини.

Найбільш масштабним є забруднення Світового океану нафтою та нафтопродуктами. Поля забруднення нафтовими вуглеводами формуються в шельфових водах, у районах перевезення нафти, інтенсивного судноплавства і аварій танкерів. За даними космічного моніторингу приблизно чверть Світового океану вкрито тонкою плівкою нафти або забруднено нафтою і нафтопродуктами. Нафтопродукти трапляються в усіх районах безпосереднього забруднення й у відкритих районах океанів. Нафтовою плівкою найбільше вкрита північна тропічна, центральна субтропічна та Канарська водні маси. Залежно від умов середовища та типу нафти, нафтові плівки зберігаються на поверхні від кількох годин до кількох днів, нафтопродукти – від кількох місяців до року.

У водах океанів найчастіше наявні такі хлоровані вуглеводні, як дихлордифенілтрихлоретан (ДДТ) та його похідні гексахлорциклогексан і поліхлорбіфеніли (ПХБ). Розподіл хлорорганічних пестицидів в океані нерівномірний: чергуються зони підвищених, низьких та нульових концентрацій. Локальні ділянки зберігаються не тільки в зонах безпосереднього забруднення, а й у відкритих районах океану, що пояснюється атмосферним перенесенням і динамічним розсіюванням. Хлорорганічні пестициди проникають і в глибини океану. При цьому вміст їх у шарі 0-100 м однорідний, а на глибині 500 м зменшується удвічі. У глибинних водах найпоширеніший ДДТ. Концентрація синтетичних поверхневоактивних речовин (СПАР) в океанах у середньому становить 27-30 мкг/дм3 у поверхневому шарі та 8-9 мкг/дм3 на глибині 500 м.

Важкі метали належать до найпоширеніших і дуже токсичних речовин. Для морських екосистем особливо небезпечними є Меркурій, Плюмбум, Кадмій. Надійшовши до морського середовища, Меркурій сполучається із завислими речовинами, органічними агрегатами й осідає на дно. У донних відкладеннях під дією деяких форм мікроорганізмів він переходить у високотоксичні форми метилованого меркурію, період напіврозпаду якого досягає двох років. Для Меркурію характерна глибинно-поверхнева міграція. Забруднення морської води цією речовиною обмежується прибережними зонами та шельфом. Міграційний потік Плюмбуму з континентів в океан надходить із річковим стоком і через атмосферу. У морських прибережних водах Північної півкулі середня концентрація Плюмбуму становить 0,07 мкг/дм3 , переважно він перебуває в шарі 0-500 м. Концентрація Кадмію у водах Світового океану коливається від 0,03 до 0,3 мкг/дм3 при середньому значенні 0,15 мкг/дм3 . Океану притаманна природна радіоактивність, спричинена присутністю в морській воді 40К

Радіоактивні речовини в океан надходять з таких джерел:

– випробування ядерної зброї;

– скид радіоактивних відходів;

– аварії суден з атомними двигунами;

– аварії, пов'язані з використанням, транспортуванням та одержанням радіонуклідів.

Вертикальний розподіл радіонуклідів в океані має складні особливості. Мінімальна концентрація Стронцію, Цезію та Плутонію спостерігається в поверхневому шарі, максимальна – на глибині 100- 700 м. Отже, води Світового океану забруднюються різноманітними шкідливими речовинами антропогенного походження, які мають різні масштаби поширення.

Загалом антропогенне забруднення зумовлює різні негативні явища, зокрема, накопичення хімічних токсичних речовин в біоті; мікробіологічне забруднення прибережних районів моря; зниження біологічної продуктивності; прогресуючу евтрофікацію; виникнення мутагенезу та канцерогенезу; порушення стійкості екосистем.

Небезпечні екологічні наслідки залежать не тільки від рівня забруднення, періоду існування забруднюючих речовин та процесів їх розсіювання і трансформації, а й обумовлені можливістю акумуляції хімічних сполук у морських організмах та передавання їх трофічними (харчовими) ланцюгами. На живі організми, які формують гідробіотичні екосистеми, найпомітніше впливають біогенні хімічні речовини, пестициди, важкі метали, галогени. Їх наявність призводить до порушення функціонування біотичної складової морських екосистем.

Реакція морської біоти на дію забруднюючих речовин буває різна: від поступового зменшення розмірів особин, перебудови ензиматичних систем до нездатності розмножуватися, вимирання організмів. Антропогенна дія проявляється на індивідуальному і популяційно-біоценотичному рівнях. Первинні критичні порушення у функціонуванні гідробіонтів під дією забруднюючих речовин виникають на рівні біологічних ефектів (змінюється хімічний склад клітини, характер ферментативних систем, процесів дихання, росту та розмноження, мають місце мутація та канцерогенез, порушується рух та орієнтація в просторі) і морфологічних змін (патологія внутрішніх органів, зміна розмірів організму, поява потворних форм, зміна товщини зябер, порушення біохімічних та фізіологічних процесів).

У районах з несприятливою екологічною ситуацією спостерігаються зміни у структурі і функціонуванні морських біоценозів, що проявляється в наступних процесах:

- зміна біомаси популяцій планктонних і бентосних організмів;

- зменшення родів та угруповань гідробіонтів, поява нехарактерних для морського середовища організмів (наприклад, кишкової палички);

- збільшення середньої біомаси мікроорганізмів, фітопланктону, найпростіших, зоопланктону, бентосу;

- зникнення окремих видів високочутливих морських організмів і поява нових, адаптованих до хімічних умов.

Дія різних забруднюючих речовин на морські організми може значно розрізнятися. Біогени (Нітроген, Фосфор) діють на зябра, печінку, нервову систему, скелет, луску гідробіонтів. Концентрація 1 мг/дм3 усіх форм Нітрогену (аміачної, нітритної, нітратної) знижує здатність риб зв'язувати Оксиген, з'являються ознаки інтоксикації. Фотосинтез фітопланктону пригнічується на 75-90 % при концентрації хлорорганічних пестицидів (ХОП) 1-10 мкг/дм3 , для зоопланктону вони токсичні в дозах близько 10 мкг/дм3 . Пестициди завдають різну шкоду: пригнічують фотосинтез рослин і дихання тварин, порушують мембранний обмін, функції нервової системи. Важкі метали не підлягають біодеградації (руйнуванню) і тому можуть накопичуватися в усіх компонентах екосистем. Наявність галогенів у морській воді теж зумовлює небажані явища, зокрема, низькі концентрації Хлору і його сполук (до 0,0001 мг/дм3 ) викликають погіршення товарної якості риб (каталізатор – феноли). Дія Брому та його сполук протягом 30-70 хв. у дозі 400 мг/дм3 є смертельною, 100 мг/дм3 спричиняють загибель організмів через 1-3 год, 10 мг/дм3 безпечні для риб.

Гідробіонти засвоюють радіонукліди з водного середовища через покривні тканини, зябровий апарат, травний тракт. Асиміляція радіонуклідів відбувається пасивно й активно. Пасивний обмін пов'язаний з вирівнюванням градієнтів концентрації солей у воді та тканинах; активний процес накопичення зумовлений здатністю біологічних мембран поглинати радіонукліди з водного середовища. Навіть якщо ступінь забруднення морського середовища радіонуклідами порівняно невисокий, живі організми уражаються через трофічні зв'язки. Кількість забруднюючих речовин в морських організмах характеризується коефіцієнтом накопичення – відношенням вмісту забруднюючої речовини в організмі до вмісту її в морській воді.

2. Організація спостережень за станом морів і океанів

Оцінити сучасний стан якості вод Світового океану можна за допомогою систематичних спостережень. У світі така робота була розпочата у другій половині XX ст. В Україні моніторинг стану вод Чорного і Азовського морів почали проводити у 60-х роках XX ст. Теоретичний аспект проблеми охорони вод морів і океанів від забруднення полягає у рекомендаціях по регламентації або повній забороні захоронення відходів людської діяльності у водах Світового океану, відповідно до яких процеси природної утилізації повинні переважати над процесами забруднення і призводити до усунення порушень у морському середовищі та у екологічних системах. Для цього необхідно розв'язати такі завдання:

– проведення систематичних спостережень й оцінювання стану морських вод, визначення впливу забруднення на природні фізико-хімічні і гідробіологічні процеси;

– вивчення шляхів і параметрів поширення та природної утилізації забруднюючих речовин для подальшого визначення можливого режиму їх захоронення у водних об'єктах;

– прогнозування динаміки забруднення вод морів і океанів на найближчу і віддалену перспективи за відомими значеннями скиду відходів, гідрометеорологічними і гідрохімічними умовами;

– розроблення рекомендацій для оптимального режиму скидів у певних ділянках морів і океанів. Згідно до «Порядку здійснення державного моніторингу вод» oб’єктами державного моніторингу вод є

– морські води в межах територіального моря;

– виключна морська економічна зона України, в тому числі зони (території), які підлягають охороні.

Суб’єкти моніторингу: - державна гідрометеорологічна служба (ДСНС, яка управляє мережею моніторингу стану прибережних вод, що складається зі станцій моніторингу у місцях скиду стічних вод та науково-дослідних станцій, розташованих на прибережних територіях Чорного та Азовського морів;

- державні інспекції охорони Чорного та Азовського морів (Мінприроди) мають власні системи спостережень; до повноважень яких відносяться щомісячні відбори проб та аналіз впливу джерел забруднення, що розташовані на узбережжі; моніторинг скидів з кораблів; забруднення від діяльності з пошуку та видобування нафти, газу і будівельних матеріалів на морському шельфі; нагляд за використанням живих ресурсів моря;

- державна санітарно-епідеміологічна служба (МОЗ), яка здійснює моніторинг якості морської води в зонах рекреаційного та оздоровчого водокористування. Загальну координацію та організацію моніторингу здійснюватиме Мінприроди.

Дослідження морських вод здійснюється для територіального моря та виключної морської економічної зони України з метою:

– визначення екологічного стану морських вод;

– встановлення референційних умов для морських вод;

– оцінки прогресу в досягненні встановлених екологічних цілей;

– оцінки тенденцій довгострокових природних та антропогенних змін стану морських вод.

На підставі даних та інформації, отриманих в результаті здійснення державного моніторингу морських вод, визначається їх екологічний стан, розробляється морська стратегія та оцінюється прогрес у досягненні “доброго” екологічного стану морських вод в межах виключної морської економічної зони та територіального моря України. Прогнозування стану вод та його зміни здійснюється шляхом моделювання кількісних і якісних показників вод з метою розроблення рекомендацій щодо здійснення заходів для запобігання можливим негативним змінам та покращення існуючого стану вод.

Для організації спостережень за якістю морської води використовують пункти трьох категорій. Категорію пункту спостереження вибирають з урахуванням розміщення та потужності джерел забруднення, а також складу, концентрації забруднюючих речовин, регіональних фізико-географічних умов. Межі контрольованих районів визначають залежно від фізико-географічних особливостей та гідрометеорологічного режиму кожного моря з урахуванням розподілу забруднюючих речовин.

Пункти І категорії призначені для спостереження за якістю води в прибережних районах, які мають важливе народногосподарське значення. Вони розміщуються у районах водокористування населення; у портах і припортових акваторіях; у місцях нересту та сезонного скупчення цінних риб та інших морських організмів; у місцях скиду міських стічних вод і стічних вод промислових та сільськогосподарських комплексів; у районах розробки та транспортування корисних копалин; на гирловому узмор'ї великих річок.

Пункти II категорії призначені для спостереження за якістю води прибережних районів і районів відкритого моря, а також для дослідження сезонної та річної зміни рівня забрудненості морських вод. Вони розташовуються в районах, де надходження забруднюючих речовин проходить за рахунок міграційних процесів.

Пункти IIІ категорії призначені для спостереження за якістю морських вод у районах відкритого моря, для дослідження річної зміни забруднення морських вод і для розрахунку балансу хімічних речовин. Отже, спостереження за якістю води в пунктах І категорії проводять в місцях скиду забруднюючих речовин, у пунктах ІІ категорії – в забруднених районах морів та океанів, у пунктах ІІІ категорії – у відносно чистих водах (фонові спостереження). На кожному пункті спостереження визначають кількість і місцезнаходження вертикалей та горизонталей з урахуванням розміщення та потужності джерел забруднення, а також складу, концентрації та форми надходження забруднюючих речовин.

Кількість вертикалей у пункті спостереження за якістю води на гирловому узмор'ї визначається його шириною: при ширині гирла менше 100 м – 1 вертикаль, від 100 до 1000 м – 3 вертикалі, більше 1000 м – 5 вертикалей. Одну вертикаль розміщують посередині гирла, а інші – рівномірно по його ширині.

Кількість горизонталей визначають залежно від глибини річки: при глибині річки 1-5 м – горизонти проводять на поверхні та біля дна; при глибині 5-10 м – на поверхні, на половині глибини і біля дна; при глибині річки більше 10 м – на поверхні, через кожні 5 м та біля дна. В інших ситуаціях кількість горизонталей визначають з урахуванням глибини об'єкта, складу та концентрації забруднюючих речовин.

Під час моніторингу морських вод здійснюють спостереження за такими речовинами:

1) нафтовими та хлорованими вуглеводами – на поверхні, на глибинах 5, 10, 20 м і біля дна;

2) за синтетичними поверхнево-активними речовинами та фенолами – на поверхні, на глибині 10 м та біля дна;

3) за важкими металами – на поверхні, на горизонтах 10, 50, 100 м та біля дна.

Додатковим горизонтом при спостереженнях є шар води, де стрибкоподібно змінюється температура

Достовірність і повноту спостережень забезпечує виконання програм спостережень за якістю морських вод. Вони поділяються на два типи: програми спостережень за фізико-хімічними показниками і програми спостережень за гідробіологічними показниками.

Програма спостережень за фізико-хімічними показниками охоплює визначення основних фізичних характеристик і концентрацій забруднюючих речовин. Виконання обох програм у комплексі дає змогу отримати максимально точну оцінку якості води. Програма спостережень за якістю морської води за гідробіологічними показниками є доповненням фізико-хімічної програми.

При візуальних спостереженнях відзначають явища, незвичні для досліджуваного району моря, наприклад, плаваючі домішки, плівки, масляні плями; розвиток, накопичення та відмирання водоростей; масовий викид молюсків на берег; підвищення мутності, незвичне забарвлення води. Залежно від категорії пункту спостереження визначають тип програми та терміни проведення спостережень.

У пунктах І категорії спостереження проводять три рази на місяць за фізико-хімічними та гідробіологічними показниками: 1 декада – скорочена програма; 2 декада – повна програма; 3 декада – скорочена програма. У пунктах II категорії спостереження проводяться 5-6 разів на рік за повною програмою. У пунктах ІІІ категорії спостереження проводять 2-4 рази на рік за повною програмою спостережень.

3. Оцінювання і контроль нафтових забруднень поверхні океану

Забруднення Світового океану нафтопродуктами є однією з важливих проблем сучасної екології. Контролювання забруднення морських вод цими речовинами здійснюють різними методами. Нафтопродукти, які розтеклися у вигляді поверхневої плівки, можна виявити і проконтролювати за допомогою дистанційних методів, які дають змогу виявити та оцінити масштаби шкоди, послуговуючись дослідженнями в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній частинах спектра. Вони поділяються на пасивні та активні методи .

Пасивні методи. Вдаючись до них, вивчають природне випромінювання, відбите або випущене системою «нафта – вода». Ефективність використання цих методів залежить від випромінювальних і відбивальних характеристик поверхні, температури, параметрів атмосфери, спектрального діапазону спостережень. Сонячне ультрафіолетове випромінювання, яке падає на поверхню моря, має межі 280-400 нанометрів (нм). Оптичні властивості води і нафти суттєво відрізняються: коефіцієнт відбивання чистої води становить 1,5 %. сирих нафтопродуктів – 5-6 %, дизельного пального 2-3 %. Для виявлення нафтових плівок за допомогою дослідження цього діапазону використовують спектральні сканувальні системи, відеосистеми, апаратуру з відповідною оптикою та фільтрами.

При спостереженнях з супутників найінформативнішим для виявлення забруднених районів океану є спостереження випромінювання в інтервалі 600-800 нм. Ускладнює спостереження у видимому спектральному діапазоні вплив метеоумов та спектральних особливостей атмосфери. Вимірювання в інфрачервоному діапазоні ґрунтуються на різниці температур чистої води і покритої нафтовою плівкою або на різних коефіцієнтах випромінювання.

Активні методи. Ці методи дистанційного виявлення забруднень передбачають використання штучного джерела випромінювання. До них належать:

– методи оптичної локації, основані на різних коефіцієнтах відбивання від забрудненої та чистої поверхні;

– методи, які ґрунтуються на вимірюванні флюоресценції плівок нафти за допомогою лідарів (спеціальних приладів) при робочих довжинах хвиль 337, 354, 530 нм. Обсяг розлитої нафти та товщину плівки можна оцінити за її кольором

Для контролювання вмісту нафти і нафтопродуктів у стічних водах використовують такі методи:

– турбідіметричний, який ґрунтується на зміні здатності нафтомістких вод поглинати світло (прилад реєструє ступінь послаблення світлового потоку, який проходить крізь шар води);

– люмінесцентний, основою якого є здатність окремих фракцій нафти під дією ультрафіолетового променя люмінесціювати, що фіксує спеціальний прилад;

– поглинання ультрафіолетового випромінювання окремими фракціями нафти та інфрачервоного випромінювання (λ = 3,4-3,5) усіма вуглеводами.

Використовуючи аналізатори вмісту нафти та нафтопродуктів у стічних водах і дистанційні методи виявлення на поверхні води нафтових плівок, можна оперативно і ефективно боротися з цим видом забруднення.