Воздействие нефти на гидросферу Земли - рефераты, скачать рефераты, бесплатно рефераты

Рефераты. Воздействие нефти на гидросферу Земли

оксичность нефти зависит от содержаний в ней ароматических углеводородов, которые способны сохраняться в морской воде и донных отложениях в силу своей стойкости. Алканы обладают не меньшей токсичностью, но имеют большую склонность к деградации. Кроме того, в присутствии нефтяных углеводородов, токсичность других загрязняющих веществ (металлов и хлорированных углеводородов) проявляется в большей степени. Наличие нефти в донных отложениях способствует интенсивному накоплению в них хлорированных углеводородов и металлов. С другой стороны, её наличие замедляет переход других загрязняющих веществ из донных отложений в воду.

Установлено, что при дноуглубительных работах часть углеводородов переходит из донных отложений в водную толщу в виде частиц эмульсии или в растворённой форме. Их дальнейшая судьба во многом зависит от начального состоянии при попадании в воду. Нефтепродукты могут: ассимилироваться морскими организмами, повторно седиментировать, образовывать нефтяные агрегаты, окисляться, растворяться и испаряться.

Ещё одна особенность нефтяных загрязнений - способность захватывать и концентрировать тяжелые металлы, пестициды. Когда нефть разливается на большой площади, то велика вероятность протекания различных реакций, так как растворённые в нефти вещества получают возможность участвовать в различных химических процессах.

В случае образования плёнки, концентрирование происходит на поверхности и возможно в самой плёнке. Концентрирование металлов изменяет их токсичность и усложняет молекулярный перенос в плёнке вследствие реакций между металлом и органическими соединениями. Эти процессы, протекающие в нефтяной плёнке, могут также вызвать концентрирование в замкнутой биологический цепи питания с участием низших организмов. Таким образом, введение загрязнений в биологическую среду питания ускорится.

Характер растекания нефти по поверхности водоёмов:

Способность нефти растекаться по поверхности воды проявляется только в начальный период её нахождения на воде и на распространение по водоёму существенно не влияет.

Скорость растекания нефтепродуктов лёгкой фракции (бензин, керосин) ниже, нежели у тяжёлой фракции (мазут, масло), так как поверхностное натяжение у границы с водой у первых выше. По той же причине, при одинаковых количествах, продукты лёгкой фракции растекаются на меньшей площади.

Зона загрязнения распространяется на несколько километров от места попадания нефти в воду. С момента утечки и до момента начала работ по локализации и ликвидации нефтяного загрязнения её распространение по водоёму уже обычно завершается, т.е. зона загрязнение приобретает почти максимальные размеры и определённую форму. Распространение пролитой нефти в условиях водоёма происходит под влиянием течения, ветра, колебаний уровня воды и имеет свои особенности. Для реки, ввиду близости берегов, нефть быстро достигает их. Наличие заводей, мелководных участков, покрытых растительностью, создаёт благоприятные условия для скопления нефти. На открытых участках, где есть ветер и течение, нефть долго не задерживается - её сносит в спокойные зоны. Обычно, в этих же местах скапливается и мусор, с которым она перемешивается.

При интенсивном поступлении нефти из повреждённого судна образуется нефтяное пятно в виде широкой полосы, у которой толщина в середине больше, чем по краям. При постепенном же поступлении - пятно имеет вид узкой полосы. От места утечки нефть перемещается по равнодействующей силы ветра и течения до достижения берега. А, достигнув его, переформируется. В одних случаях, нефть ветром прижимается к берегу или какой-либо преграде и располагается в виде клина - у основания толщина больше. Если действие ветра незначительно, то и толщина слоя примерно одинаковая. Нефть, оставшаяся на берегу из-за понижения уровня воды, также располагается в виде клина или равномерным слоем.

При изменении направления ветра, нефть из одних участков может быть перенесена в другие, загрязняя и их. Как правило, она располагается вдоль берега, заполняя все заводи. Но нередко загрязнённые зоны чередуются с чистыми.

Если же в водоёма скорость течения значительна, то протяжённость зоны загрязнения увеличивается. Известны случаи, когда она достигала 50-130 км. Плавучая нефтяная плёнка может охватывать огромные пространства. Установлено, что одна капля может занимать площадь примерно в 0,25м2. А тонна нефти покрывает пространство в 500 га. Собрать такую нефть очень трудно.

Все виды нефти содержат легкокипящие элементы, которые быстро испаряются. И уже через несколько дней пятно уменьшается на 25%. Низкомолекулярные элементы выводятся из пятна, главным образом, в результате растворения. Причём, ароматические углеводороды растворяются быстрее парафинов.

Разложение нефти под воздействием бактерий и окисления:

Биохимическое воздействие бактерий, грибков и организмов на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения и растворения. Однако, не существует такого микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Бактериальное воздействие характеризуется высокой избирательностью, и полное разложение требует воздействия многочисленных видов микроорганизмов. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, для разрушения которых требуется воздействие очередных организмов. Парафиновые углеводороды наиболее легко разлагаются бактериями, следовательно, более устойчивые циклопарафиновые и ароматические исчезают из океанской среды с меньшей скоростью.

Также нефтяные углеводороды подвержены процессам химического окисления и фотоокисления, но в водной среде эти процессы недостаточно исследованы.

Содержание питательных веществ и кислорода является определяющим фактором для деятельности микроорганизмов. Для полного окисления 4 литров сырой нефти потребуется кислород, содержащийся в 1,5 миллионах литров морской воды, насыщенной воздухом при 60°С, что эквивалентно количеству воды слоем 30 сантиметров и площадью 5000 км2.

Нефтяная плёнка препятствует процессу аэрации - поглощения водой кислорода через поверхность. В таких условиях бактериальное разложение может иметь отрицательные последствия, так как уменьшает количество кислорода. При постоянном расходе кислорода, прекращение аэрации может оказаться гибельным для животного мира водоёма. Нефть относится к числу трудноокисляемым организмами веществ, потому самоочищение загрязнённых территорий происходит очень длительное время.

Влияние физических параметров окружающей среды на скорость разложения нефти в воде:

Скорость разложения зависит от параметров окружающей среды, и один из главных - это температура воды. В общем случае, при повышении температуры на 10°С скорость реакций увеличивается в 2-4 раза. Понижение же температуры тормозит не только химические, но и биологические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией углеводородов. Скорость разложения углеводородов также зависит и от солёности, особенно в тех районах, которые подвержены влиянию речного стока.

Распад нефти в менее солёных водах протекает наиболее активно. С увеличением активной реакции среды скорость разрушения нефтепродуктов возрастает. Так как диапазон изменений рН в море колеблется в пределах 2 единиц, то эффект изменения периода полураспада нефти в море в зависимости от изменения рН в 25 раз меньше, чем от колебаний температуры, и в три раза меньше, чем от колебаний солености.

4. Влияние донных отложений на распад углеводородов
В процессе самоочищения морской среды от углеводородов значительная роль принадлежит донным отложениям, которые, с одной стороны, способствуют очищению с помощью адсорбцию, но с другой стороны, могут сами стать источников повторного загрязнения. При этом наносы и взвешенные частицы, действуя как “ловушки”, играют значительную роль в миграции нефтяных загрязнений.

Углеводороды, адсорбируясь на взвешенных частицах, осаждаются на донных отложениях, но не всегда остаются на их поверхности. Кроме того, углеводороды, связанные со взвешенными частицами, могут вновь перейти в толщу воды под воздействием гидрометеорологических факторов.

В глубоководных районах при наличии придонных течений повышенная концентрация нефти в донных отложениях обуславливается также повторным суспендированием взвешенных частиц.

Незначительная плотность современных отложений и гидродинамическая активность способствует загрязнению донных отложений по глубине. При этом повышается связность неуплотнённых песков и илов в присутствии нефти, уменьшается дисперсность и пористость, из-за чего часть донных отложений преобразуется в прослой с высоким содержанием нефти.

Содержание нефти в донных отложениях уменьшается от глинистых илов к суглинистым и супесчаным и от пылеватых песков к крупным. При этом увеличение содержания углеводородов в донных отложениях сочетается с уменьшением их плотности и увеличением дисперсности. Причина повышенной концентрации нефти в мелкодисперсных отложениях служит то, что они обладают большей сорбционной способностью, а, значит, и способностью удерживать.

Однако, способность к сорбции может значительно изменяться под воздействием гидрометеорологических факторов (волнение, течение), дноуглубительных и гидротехнических работ, что многократно и наблюдалось в естественных условиях.

Образование нефтяных комочков в воде:

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсии двух типов: прямые “нефть в воде” и обратные “вода в нефти”. Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и наиболее характерны для нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества.

После удаления летучих и растворимых фракций остаточная нефть чаще образует вязкие обратные эмульсии, которые стабилизируются высокомолекулярными соединениями типа смол и асфальтенов и содержат 50-80% воды (“шоколадный мусс”). Под влиянием абиотических процессов вязкость “мусса” увеличивается и начинается его слипание в нефтяные комочки от 1мм до 10см. Агрегаты представляют собой смесь высокомолекулярных углеводородов, смол и асфальтенов. Потери нефти на формирование подобных агрегатов составляют 5-10%. Такие образования могут длительное время сохраняться на поверхности воды, переноситься течениями, оседать на дно и выбрасываться на берег. Нефтяные комочки нередко заселяются сине-зелёными и диатомовыми водорослями, усоногими рачками и другими беспозвоночными.

Соотношение всех процессов, способствующих удалению нефти из водной среды изучено слабо, но известно, что именно активность бактерий определяет конечную судьбу нефти в воде.

5. Биологические и химические изменения, обусловленные загрязнением гидросферы нефтью
Некоторые из фракций, содержащиеся в нефти, весьма токсичны, причём их токсичность возрастает по мере увеличения концентрации. Низкокипящие и некоторые ароматические соединения (бензол, ксилол) токсичны и в разной степени растворимы в воде. В состав высококипящих фракций входят канцерогенные вещества. Нефть сама по себе тоже токсична, но данных об отравлениях нефтью, попадающей внутрь организма, немного. Эмульсии нефти могут физически воздействовать на организмы, вызывая удушье.

Общее воздействие нефти на морскую среду можно разделить на 5 категорий:

1. непосредственное отравление с летальным исходом.

2. серьёзные нарушения физиологической активности.

3. эффект прямого обволакивания живого организма нефтепродуктами.

4. болезненные изменения, вызванные внедрением углеводородов в организм.

5. изменения в биологических особенностях среды обитания.

Отравления с летальным исходом:

Летальное отравление возможно в результате прямого воздействия углеводородов на важные процессы в клетках, особенно на процессы обмена между ними.

Наибольшую опасность представляют растворимые в воде ароматические углеводороды. Воздействие парафиновых углеводородов низкой молекулярной массы может вызвать наркотическое действие, но необходимая для этого концентрация высока и отсутствует в нефтяных пятнах. Смерть взрослых морских организмов может наступить после контакта в течение нескольких часов с растворимыми ароматическими углеводородами, содержание которых составляет 10-4-10-2%. Смертельные концентрации для икринок и мальков составляет 10-5%, таким образом они чувствительнее к нефти в 10-100 раз.

Смертельные концентрации ароматических углеводородов возможны в нефтяных пятнах, не подвергшихся атмосферному воздействию. Однако, уже упоминалось, что после длительного пребывания в воде нефть теряет многие свойства и компоненты.

Токсичные эффекты от нефтяных пятен обычно локализованы и наибольшая смертность там, где загрязнение ограничено прибрежными районами с большим содержанием живых организмов. Большинство нефтяных загрязнений находится далеко от берега, в районах с большими глубинами, поэтому опасные фракции частично испаряются либо разбавляются водой до того, как пятно достигнет прибрежных районов. Компоненты, являющиеся причиной смертельных исходов при больших концентрациях, могут создавать проблемы и при малых - нефтяные углеводороды взаимодействуют с живыми организмами, чувствительными к химическим веществам, влияя на их выживаемость.

Нарушения физиологической активности:

Проблемы, вызванные попаданием нефти в гидросферу, нередко гораздо шире и продолжительнее по своему воздействию, чем это обычно предполагается. Если учесть также сточные воды, то очевидно, что район, подвергшийся загрязнению, может превратиться в непригодный для водных организмов любого вида.

Химический способ передачи информации играет очень важную роль в жизни морских организмов. Например, морские хищники находят свою добычу по химическим веществам, содержащихся в воде в количестве 10-7%. Подобная химическая природа процессов привлечения, отталкивания играет важную роль при защите от хищников, локализации места обитания.

Некоторые компоненты нефти (главным образом ароматические углеводороды) влияют на химические коммуникационные процессы, блокируя рецепторы организма или подавляя естественные стимулы. Известно, что воздействие ароматических углеводородов в количестве 10-6-10-5% может вызвать серьёзные проблемы.

Обволакивание живого организма нефтепродуктами:

Эффекты покрытия и удушья являются основными последствиями при загрязнении нефтепродуктами. В последние годы частой темой для обсуждения были покрытые нефтью пляжи и гибель находящихся в зоне прилива растений, планктона, птиц.

Морские птицы стали первыми жертвами загрязнения морских вод нефтью. Опускаясь на нефтяные пятна, они пачкали своё оперение. Углеводороды обволакивали перья, нарушая их гидрофобность и нарушая защитную функцию оперения. Поэтому, покрытые мазутом птицы переохлаждались и гибли от гипотермии. Кроме того, птицы интоксицировались нефтью, поглощаемой ими во время ныряния или попытке очистить перья. В результате чего, происходили серьёзные нарушения функций эндокринной системы, в частности функции надпочечной железы.

В настоящее время Ла-Манш, Северное и Средиземное море, всё в большей степени загрязняемые нефтью, постепенно становятся непригодными для обитания морских птиц. Кроме того, следует учитывать и то обстоятель-ство, что малочисленные колонии больше подвержены случайностям при воспроизводстве, что влечет за собой высокий процент смертности эмбрионов и птенцов.

Болезненные изменения, вызванные попаданием углеводородов в организм:

Любой организм, живущий в водной среде, находится с ней в химическом равновесии. Если содержание углеводородов в воде меньше даже 10-7% они могут поглощаться организмом и накапливаться в тканях. Такое внедрение химических веществ, содержащих ароматические углеводороды, изменяет вкус съедобных организмов, кроме того, это опасно, так как подобные вещества являются канцерогенными.

Если же загрязнение невелико и концентрация мала, то они могут полностью выводиться из организма. Однако, при продолжительном пребывании в подобных условиях возможно постоянное загрязнение организма. Показано, что у рыб и ракообразных выведение большинства углеводородов из организма происходит за две недели. Однако, обмен веществ у низших организмов происходит медленнее и механизм его недостаточно понятен.

Прожорливые морские рыбы - основное звено пищевой цепи в морях умеренных широт, нередко проглатывают нефтяные комочки. Таким образом, рыбы накапливают значительное количество токсичных веществ, которые по пищевой цепи могут дойти до человека.

Эффект долгосрочных воздействий непосредственно не обнаруживается и носит кумулятивный характер. Эти эффекты могут быть вызваны периодическим введением веществ с большим временем “жизни” или непрерывным введением устойчивых либо неустойчивых веществ. Протекающие при этом процессы, как химически, так и биологически влияют на окружающую среду.

Очень часто опасные концентрации соответствуют максимально допустимым уровням, не допускающим никаких отклонений в наборе веществ. Например, сточные воду поставляют в систему питательные вещества, но не все организмы могут извлечь из этого пользу. В связи с этим некоторые организмы получают преимущество над другими и экологическое равновесие в той или иной степени нарушается.

В пределах одного вида, при переходе от молодого организма к взрослой особи, требования к питательным веществам изменяются, что отражается и в разной реакции на отклонения от нормы. Взрослые организмы могут перенести определённый уровень загрязнения, который в то же время является смертельным для молодых. Поэтому наличие взрослой рыбы вовсе не означает, что воды пригодна для жизни водных организмов.

Нефть и нефтяные смолы содержат канцерогенные вещества, которые могут способствовать появлению аномального количества новообразований у организмов, сходных с раковыми опухолями человека.

Изменения в биологических особенностях среды обитания:

Загрязнение нефтепродуктами влияет на окружающую среду и может привести к невозможности жизни в субстрате. Субстрат является средой, от которой организм или растение получает поддержку. Присутствие углеводородов разной массы в количестве 10-6-10-5% может химически изолировать субстрат от всех видов. Виды, нуждающиеся в субстрате только как в пассивной поддержке - просто опираются на него и испытывают меньшую зависимость; виды, живущие в субстрате, то есть активно от него зависящие, более уязвимы.

Вблизи Саутгемптона (Англия) имеются соленые марши, куда сливаются отходы нефтеперегонного завода - 5800 литров воды каждый день с очень незначительным загрязнением (10х10-6 - 20х10-6). Систематическое загрязнение нефтью привело к гибели всей растительности на площади 36 Га вокруг завода. После гибели растительности пески начали сдуваться ветрами и смываться дождями, так что эффективная глубина загрязнения почвы нефтью резко возросла. Птицы и другие водные существа, которые раньше находили здесь пропитание, теперь вынуждены были покинуть эти места. Таким образом, даже очень малые уровни загрязняющей нефти при длительном действии могут привести к серьезным последствиям для сообщества водных организмов.

В районах, где нефть часто попадает в воду, например на морском нефтяном месторождении «Мейн-Пасс» в Мексиканском заливе, заметными становятся и изменения видового состава морского сообщества. Организмы, селящиеся на донных осадках в заливе Тимбальер (Мексиканский залив), принадлежат в основном к двум видам, известным тем, что они обитают преимущественно в загрязненных районах. Мексиканский залив загрязнялся нефтью на протяжении столь длительного времени, что сейчас там невозможно отыскать еще не загрязненное место, чтобы надежно оценить характер прежних природных сообществ.

В Северном море, напротив, промышленное бурение с целью добычи нефти и газа началось в 1973 году, и с тех пор там велись биологические исследования, которые выявили постепенное увеличение содержания нефти в донных осадках в окрестностях буровых скважин. Кроме того, заметно снизилось число видов водных организмов, а также общая численность организмов. С течением времени площадь областей, в которых были отмечены эти явления, постоянно возрастает.

Водные организмы, населяющие поверхностный слой Мирового океана, обеспечивают возврат в атмосферу значительной части свободного кислорода планеты. Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. кубических километров воды. И наметившееся в отдельных районах загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене - испарении с поверхности океана.

Заключение

Проблема загрязнения нефтью появилась относительно недавно - века полтора назад, когда только началась промышленная добыча нефти, но это не уменьшает её опасности. С загрязнением необходимо бороться, некоторые из способов были описаны выше, но на всё требуются деньги, а руководители стран часто не обращают должного внимания на вопросы охраны среды. Всегда будут находиться люди и организации (“Greenpeace”), уделяющие внимание проблеме и пытающиеся бороться с этим, но их усилия не изменят мир и самих людей.

Список литературы

1. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. Учебник, - М.; “Недра”, 1996.

2. Джамалов Р.Г. Инженерная геология с основами геокриологии. Учебное пособие, - Международ. уни-т природы о-ва и человека “Дубна”, 2003.

3. Химия окружающей среды. Перевод с английского языка под редакцией А. Цыганкова. - Москва: Химия, 1982 г.

4. Шлыгин И.А. и др. Исследование процессов при сбросе отходов в море. - Ленинград: Гидрометиоиздат. 1983 г.

Страницы: 1, 2