Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум — вспыхивать, воспламеняться) — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из

Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум — вспыхивать, воспламеняться) — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно^{[ источник не указан 284 дня ]}-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

4. 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 эксплутационными 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 (неразветвленные) 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 цитоплазменные 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 нефти 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, мазеподобные 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 органоминеральной 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 нефтеокисляющихбактерий, 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 добавить 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

Возможное воздействие на морские организмы и сообщества
разливов нефти в пелагиали и прибрежной зоне на шельфе
без контакта с береговой линией (По: С.А. Патин, 2001)

Группа организмов	Ситуация и параметры воздействия	Ожидаемые нарушения и стрессы
Фитопланктон		Изменение интенсивности фотосинтеза, видового состава и другие нарушения, быстро (в течение часов и суток) исчезающие после рассеяния нефтяного пятна
Зоопланктон		Физиологические и биохимические аномалии, локальное снижение относительной численности и видового разнообразия и другие проявления стрессов, исчезающие через несколько суток после рассеяния нефтяного пятна
Зообентос (пелагическая зона)		Регистрируемые изменения и ответные реакции маловероятны из-за отсутствия нефтяного загрязнения в донных осадках
Зообентос (прибрежная зона)		Возможны сублетальные реакции, снижение численности и местные нарушения видовой структуры бентосных сообществ с периодом восстановления до 1 года и более
Ихтиофауна (пела­гическая зона)		Поведенческие реакции в форме избегания взрослыми рыбами загрязненных участков; поражения ихтиопланктона; популяционные изменения неразличимы на фоне природных колебаний
Ихтиофауна (прибрежная зона)		Ухудшение кормовой базы рыб; возможны нарушения миграций проходных рыб и популяционные перестройки локального и обратимого характера
Млекопитающие	1,2	Реакции избегания, нарушения ареалов обитания, физиологические стрессы и повреждения при контакте с нефтью. У животных, покрытых шерстью, прямой контакт с нефтью может привести к гибели
Птицы	1,2	Стрессы и гибель при прямом контакте с нефтью; ухудшение условий обитания и размножения на участках, загрязненных нефтью; обратимые популяционные нарушения на локальном уровне

Примечание. 1 – временное (до нескольких суток) загрязнение нефтью поверхностного слоя воды с концентрацией нефтяных углеводородов до 1 мг/л на глубине менее 1 м; 2 – временное (до нескольких месяцев и более) загрязнение прибрежной зоны с концентрацией нефтяных углеводородов в воде в пределах 0,1–1 мг/л и их аккумуляцией в донных осадках до уровней 10² мг/кг.

Таблица 10

Возможные биологические последствия нефтяных разливов в морской литоральной и сублиторальной (мелководной) зоне
(По: С.А. Патин, 2001)

Тип берега	Способность к самоочищению	Характерное нефтяное загрязнение**	Возможные стрессовые эффекты (экологические модификации)
Вода, мг/л	Грунт, мг/кг
Открытые скалистые и каменистые берега	Высокая	< 0,1	< 10^2	Поражение наиболее чувствительных видов в первые сутки контакта. Сублетальные эффекты. Нарушения структуры сообществ. Время восстановления – до месяца
Аккумулятивные берега с пляжами из мелких и среднезернистых песков	Средняя	0,1 – 1,0	10^2 –10^3	Элиминация ракообразных (особенно амфипод), доминирование полихет. Снижение биомассы и изменения структуры бентоса. Время восстановления – до 0,5 года
Абразивные берега с пляжами из крупного песка, гравия и гальки	Низкая	1 – 10	10^3 – 10^4	Гибель наиболее уязвимых видов донных ракообразных и моллюсков. Устойчивое снижение биомассы и видового разнообразия. Время восстановления – до 1 года
Абразионные участки берега с пляжами, сложенными валунно-галечниковым и гравийным материалом	Очень низкая	>10	> 10^4	Массовая гибель бентосных организмов. Сильное снижение биомассы и видового разнообразия. Время восстановления – более 1 года

** Суммарное содержание нефтяных углеводородов

Схематическое изображение стрессовых эффектов и последовательности развития реакций основных групп морской биоты в ситуациях нефтяных разливов, при которых нефтяные поля не соприкасаются с береговой линией представлено в табл. 11.

Таблица 11

Экологический спектр реакций основных групп морской биоты
при нефтяных разливах в открытых водах без соприкосновения
нефти с берегом (1 – разливы объемом до 100 т, 2 – разливы
объемом до 1000 т) (По: С.А. Патин, 2001)

Уровни биологической иерархии

Фазы развития стрессовых эффектов*

Характеристика эффектов для разных групп биоты

Фитопланктон

Зоопланктон

Бентос

Рыбы

Млекопитающие***

Суборганизменный (физиологический)

Толерантность Компенсация Повреждения

Организменный

Толерантность Компенсация Повреждения

Популяционный

Толерантность Компенсация

Повреждения

Порог минимума реакций (10^-4–10^-1% от нормы)**

Биоценотический (сообщества)

Толерантность Компенсация Повреждения

Порог нарушения стационарного состояния (10% от нормы) Порог постоянной деструкции (70% от нормы)

Экосистемный

Толерантность Компенсация Повреждения

* Фазы развития стрессовых эффектов: фаза компенсации (начальный этап адаптации) – стрессы проявляются в форме первичных обратимых реакций (поведенческих, физиологических и др.); фаза повреждений (обычно при условиях хронического стресса) – адаптивные возможности на данном уровне исчерпаны, компенсация последствий возможна только на более высоких уровнях.

** Порог минимума реакций – отклонения от средней нормы для основных параметров популяций (биомасса, численность и др.) в пределах местного ареала: в условиях острого стресса – 10^-1%, в условиях хронического стресса – 10^-4%.

*** При отсутствии контакта млекопитающих с нефтяной пленкой.

Эта схема показывает, что бентос остается практически вне сферы воздействия нефти. Реакции всех остальных групп биоты даже при наиболее пессимистических сценариях не выходят за пределы организменного уровня либо ограничиваются первичными откликами на уровне популяций без каких-либо пороговых повреждающих эффектов.

При соприкосновении нефтяного полотна с береговой линией основные процессы аккумуляции, перемещения и трансформации нефти будут развиваться в литоральной и супралиторальной области, подверженной воздействию ветровых волн, штормов, приливов и отливов.

О возможных последствиях нефтяных разливов для биоты литоральной и сублиторальной зоны можно судить по осредненным оценкам (табл. 12), основанным на анализе литературных данных (относятся в большей мере к нижней литорали и прилегающей к ней мелководной сублиторали глубиной до нескольких метров, где воздействие нефти на организмы будет проявляться не только за счет ее аккумуляции в донных и береговых отложениях, но и в результате присутствия нефти в воде). Один из наиболее крупных разливов (аналогично ситуации с танкером Вальдес) произошел в результате аварии танкера «SeaEmpress» в 1996 г. в Ирландском море у юго-западного побережья Уэльса (Англия) с выбросом около 72 тыс. т сырой нефти. Несмотря на благоприятные погодные условия и принятые меры по локализации разлива, авария привела к значительному нефтяному загрязнению литоральной полосы и скалисто-песчаных берегов протяженностью около 200 км. Зарегистрирована гибель нескольких тысяч морских птиц, однако массовой гибели рыб и беспозвоночных не наблюдалось. Не были обнаружены какие-либо существенные нарушения в планктонных сообществах.

В то же время повышенные уровни нефтяного загрязнения были отмечены в первые два-три месяца после аварии во всех компонентах прибрежной экосистемы (в основном на глубинах до нескольких метров) – от донных осадков и воды до макробентоса и рыб. Наиболее высокие уровни содержания нефтяных углеводородов в биоте (до 1000 мг/кг) наблюдались в мидиях. Выявлены также первичные стрессовые эффекты в организмах и локальные перестройки видовой структуры донных сообществ, включая физиологические и биохимические реакции на присутствие полициклических углеводородов, снижение скорости роста, гибель амфипод и некоторых других ракообразных. Какие-либо эффекты и последствия на уровне популяционных параметров местных видов (биомасса, численность, воспроизводство), в том числе промысловых, не были обнаружены.

Таблица 12

Экологический спектр реакций основных групп морской биоты при нефтяных разливах в литоральной зоне
(1 – разливы объемом до 100 т, 2 – разливы объемом до 1000 т)
(По: С.А. Патин, 2001)

Уровни биологической иерархии

Фазы развития стрессовых эффектов*

Характеристика эффектов для разных групп биоты

Фитопланктон

Рыбы

Бентос

Птицы

Млекопитающие***

Суборганизменный (физиологический)

Толерантность Компенсация Повреждения

Организменный

Толерантность Компенсация Повреждения

Популяционный

Толерантность Компенсация

Повреждения

Порог минимума реакций (10^-4–10^-1% от нормы)**

Биоцентоический (сообщества)

Толерантность Компенсация Повреждения

Порог нарушения стационарного состояния (10% от нормы)

Экосистемный)

Толерантность Компенсация Повреждения

Порог постоянной деструкции (70% от нормы)

* Фазы развития стрессовых эффектов: фаза компенсации (начальный этап адаптации) – стрессы проявляются в форме первичных обратимых реакций (поведенческих, физиологических и др.); фаза повреждений (обычно при условиях хронического стресса) – адаптивные возможности на данном уровне исчерпаны и компенсация последствий возможна только на более высоких уровнях.

** Порог минимума реакций – отклонения от средней нормы для основных параметров популяций (биомасса, численность и др.) в пределах местного ареала: в условиях острого стресса – 10^-1%, в условиях хронического стресса – 10^-4%.

*** Как можно видеть, реакции планктона и рыб обычно не выходят за пределы адаптивных изменений (компенсаций) на уровне организма. Такая ситуация объясняется тем, что время и дозы нефтяной интоксикации относительно невелики и воздействию подвергается незначительная часть популяционной численности организмов в толще воды. В бентосе, а также в фауне птиц и млекопитающих ситуация меняется: уровни воздействия и его продолжительность немного возрастают, и поэтому могут включаться первичные популяционные механизмы регулирования численности.

Время восстановления экологической ситуации по разным критериям и на разных участках колебалось от нескольких месяцев до одного года и более.

В отличие от чисто пелагических сценариев, такого рода события проходят через две основные фазы, которые можно условно назвать острым и хроническим стрессом. Фаза острого стресса обычно длится несколько суток (иногда недель) и может сопровождаться гибелью контактирующих с нефтью организмов, особенно птиц и млекопитающих. Хронический стресс продолжительностью от нескольких месяцев до нескольких лет развивается в основном за счет нефтяного загрязнения береговых отложений и донных осадков литоральной зоны. Основные эффекты и последствия этого стресса проявляются в форме экологических модификаций (адаптивных перестроек) донных сообществ.

В зависимости от характеристик разлива и конкретных условий масштаб воздействий в литорали может варьировать от локального до субрегионального и от временного до хронического (табл. 12).

http://abc.vvsu.ru/

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.

Интенсивное развитие нефтеперерабатывающей отрасли промышленности приводит к тому, что популяции живых организмов вынуждены длительное время находится в условиях нефтяного загрязнения и либо приспосабливаться к хроническому действию токсических веществ, либо погибать. Отселектированы 2 линии Drosophila melanogaster, способные жить и размножаться в условиях хронического нефтяного загрязнения. Мухи, начиная с 1994 г., более 100 поколений содержатся на стандартной питательной среде с добавлением нефти в полулетальной концентрации (5%) от состава среды и при 2,5%. Основные показатели приспособленности (выживаемость, плодовитость, темп развития, поведенческие особенности), статистически значимо отличаясь от контрольного уровня в начале эксперимента, к настоящему времени не отличаются от стандартных. В своих экспериментах мы анализировали уровень полиморфизма в нефтеустойчивых линиях по морфологическим и цитогенетическим характеристикам. Учитывали изменения в цвете и форме глаз, форме крыльев и брюшка, количестве и форме щетинок, цвете и размерам тела. Выявлен высокий уровень изменчивости, практически, всех проанализированных морфометрических показателей. Особенно значимый уровень полиморфизма установлен у мух первого поколения, развившихся в среде с добавлением нефти в полулетальной концентрации. По мере приспособления к условиям нефтяного загрязнения у мух уровень изменчивости хотя и снижался, но был выше среднестатистического по популяции. Показано увеличение спектра генетической активности у мух нефтеустойчивых линий, анализируемый по частоте встречаемости и размерам пуфов в политенных хромосомах. Показано, что ряд пуфов у личинок являются, вероятно, неспецифическими, так как их появление зафиксировано при различных стрессовых воздействиях на дрозофил. Однако ряд пуфов являются специфичными для нефтяного загрязнения. Изменялся и размер пуффированных зон у мух по мере адаптации особей к нефтяному загрязнению.

Изучение хронического действия нефтяного загрязнения проводили также на дафниях (Daphnia magna) и на инфузориях туфельках (Paramecium caudatum). В экспериментах с дафниями оценивали влияние хронического (2 месяца) действия водорастворимой фракции нефти (ВРФН) в полулетальной концентрации (1% раствор ВРФН) и возрастающих концентраций (от 0,5 до 3,5%) токсиканта, растворенного в воде. В экспериментах растворы меняли каждые 5 дней, сохраняя концентрацию (1%) или увеличивая концентрацию на 0,5%.Учитывали выживаемость рачков, их реальную плодовитость, линейные размеры, особенности поведенческих реакций. Показано, что ряд анализируемых показателей статистически значимо изменяется по сравнению с показателями интактных особей. Наиболее заметные отличия касались поведенческих реакций рачков и их плодовитости. В ходе эксперимента было показано, что первичный контакт дафний с токсикантов в концентрации 3,5% приводит к гибели рачков. В ходе постепенного повышения концентрации ВРФН дафнии смогли жить и размножаться в среде, концентрация токсиканта в которой превосходила полулетальную в 3,5 раза. Достигнув 4% ВРФН в среде, системы физиологической адаптации, ответственные за нефтеустойчивость, не выдерживали нагрузки и организмы массово погибали. В отличии от дафний, у парамеций наряду с физиологическими, в адаптации большую роль играют генетические механизмы адаптации. Наряду с работой систем физиологической адаптации, обуславливающих выживаемость инфузорий при возрастании концентрации нефти в грунте, отмечена элиминация только части наиболее чувствительных особей. Выжившая часть популяции инфузорий имела, вероятно, приспособления на генетическим уровне к действию токсиканта в возросшей концентрации. Отмечено наличие у парамеций длительного сохранения эффектов от обработки как у особей кратковременно контактировавших с тестируемым токсикантом, так и у потомков, полученных от родителей, обработанных в течение короткого времени. Эффекты от нефтяной обработки сохранялись у инфузорий в течение 40 поколений после воздействия и выражались в снижении жизнеспособности организмов и интенсивности проявления их поведенческих реакций. Столь длительное сохранение эффектов от нефтяной обработки могут свидетельствовать об изменениях в генетическом материале парамеций. Длительное сохранение эффектов от проведенного воздействия свидетельств

Автор Габибов М.М., Курбанова И.К.

02.07.2009 г.

Дагестанский государственный университет

Эта работа опубликована в сборнике научных трудов «Проблемы и перспективы современной науки» (2008 год, выпуск 2), под редакцией проф., д.м.н. Ильинских Н.Н. Посмотреть титульный лист сборника

Загрязнение водоемов нефтью и нефтепродуктами – один из самых распространенных видов техногенного прессинга. Наиболее загрязнены донные осадки акваторий портов, судоходных каналов, морских нефтепромыслов. Для анализа состояния водных экосистем в условиях интенсивного антропогенного воздействия важно знать о реагировании гидробионтов на загрязнение среды. Анализ изменений в метаболических процессах и генетическом аппарате клетки способствует выявлению действия повреждающих факторов среды на организм, углублению представлений о процессах интоксикации, так как на молекулярном уровне изменения проявляются раньше, чем на уровне организма.
В связи с этим целью работы является исследование биохимических параметров белково-липидного обмена и цитогематологических показателей рыб при хроническом воздействии нефти.
Материал и методы исследований. Объектами модельных опытов служили: мальки кутума (Rutilus frisii kutum) в возрасте 54 дня, привезеные с Нечаевского осетрового рыбоводного завода «Сулак» (Республика Дагестан) и ее молодь; взрослые особи северокавказской воблы (Rutilus rutilus caspicus) и сеголетки карпа (Cyprinus carpio) из прудов Широкольского рыбоводного комбината; двухлетки красноперки (Scardinius erithrophthalmus), отловленные в южной части Аграханского залива Каспийского моря. Моделирование хронического нефтяного загрязнения водной среды (5-70 суток) проводили в аквариальных условиях. В качестве токсиканта использовали сырую нефть (0,05; 0,1; 0,5 и 1,0 мг/л), а в эксперименте с северокавказской воблой высокопарафинированную нефть (1,25; 2,5; 5,0; 10,0 мг/л). В опытах и контроле рыбы содержались в аквариумах с постоянной аэрацией и одинаковым режимом питания при температуре воды 20–25ОС. Контролем во всех опытах служили рыбы из аквариумов с чистой водой.
Изучали динамику содержания суммарных фосфолипидов (Кушманова, Ивченко, 1983), общего холестерина (Методы биохимических исследований, 1982), общего белка, белковых фракций и активность кислой протеиназы (Lowry et. al., 1951; Пушкина, 1963) в 1% мышечных гомогенатах рыб, цитогенетический анализ эритроидных клеток путем учета микроядер (Захидов и др., 1993), определение гемоглобина, эритроцитов (Терскова, Гительзон, 1957), подсчет лейкоцитарной формулы (нейтрофилов, моноцитов, лимфоцитов). Статобработку данных провели методом малой выборки (Лакин, 1990) по t-критерию Стьюдента (р≤0,05).
Результаты и их обсуждение. Исследование содержания общего белка при хроническом воздействии сырой нефти (0,05–1,0 мг/л) на мальков кутума показало, что уже через 10 дней экспозиции при концентрациях нефти 0,5 и 1,0 мг/л происходит снижение количества белка в мышечной ткани подопытных рыб с тенденцией к повышению на 20-е сутки опыта. В вариантах с 0,05 и 0,1 мг/л нефти значения общего белка соответствовали контрольным. При пролонгированном воздействии нефти содержание белка у интактных рыб снижалось (кроме концентрации 0,05 мг/л), особенно на 70-е сутки опыта (на 23,0; 14,0 и 16,3% соответственно при 0,1; 0,5 и 1,0 мг/л нефти), что свидетельствует о преобладании катаболических процессов в организме рыб. Кратковременное фазовое повышение белка может быть связано с усилением синтеза стрессовых белков и металлотионеинов.
Динамика активности кислой пептид-гидролазы мышечной ткани кутума при действии нефти имела вид волнообразной кривой с повышением на 10-е сутки опыта и последующим ингибированием по сравнению с контролем. На 70-е сутки опыта активность катепсинов достоверно повышалась по отношению к контролю с увеличением концентрации нефти в среде на 30,1%, 12,8% и 31,6% соответственно в вариантах 0,1; 0,5; 1,0 мг/л, а при концентрации нефти 0,05 мг/л была приближена к контрольным значениям. Согласно нашим данным, автолитическая активность в мышечной ткани интактных рыб в течение первого месяца влияния нефти незначительно превышала протеолитическую, а на 70-е сутки снизилась, за исключением варианта с 1,0 мг/л нефти в воде (на 30,5% выше, чем в контроле).
Полученные данные свидетельствуют, что при воздействии на молодь кутума концентраций нефти 0,05; 0,1 и 0,5 мг/л в течение всего периода опыта адаптивные механизмы организма рыб успешно функционируют, но при концентрации 1,0 мг/л начинаются деструктивные процессы. Таким образом, лизосомальные протеиназы проявляют адаптивную функцию в ответе организма рыб на антропогенное воздействие (Немова, Сидоров, 1990; Немова и др., 2002; Курбанова и др., 2004). Снижение активности кислой протеиназы можно объяснить ингибирующим действием отдельных составляющих нефти, как многокомпонентного токсиканта, или стрессовыми метаболитами гидролитических процессов.
Электрофоретическое исследование мышечных белков молоди кутума при действии нефти (0,05–1,0 мг/л) выявило фазово-мозаичные изменения в количественном соотношении белковых фракций, выразившиеся в диспротеинемии и парапротеинемии (появлении посторонних патологических белков). После 70-дневного воздействия нефти отмечено снижение альбуминовой фракции, особенно при концентрациях 0,5 и 1,0 мг/л (на 25,4 и 44,4% соответственно), что говорит об их расходовании организмом рыб в условиях интоксикации. Содержание альфа1-глобулинов (за исключением варианта с 0,05 мг/л нефти в воде) у подопытных кутумов понижено, содержание альфа2-глобулинов, напротив, повышалось по мере роста концентрации нефти. Бета-глобулиновая фракция плавно уменьшалась, а гамма-глобулиновая возрастала пропорционально концентрации нефти. Выявленные диспротеинемии свидетельствуют о нарушениях в липидном обмене рыб и развитии воспалительно-аллергических реакций уже на 10 сутки действия нефти. При пролонгированном влиянии нефти защитные механизмы организма рыб угнетаются, что выражается в стойком снижении гамма-глобулиновой фракции и иллюстрирует развитие хронической патологии.
Воздействие высокопарафинированной нефти (1.25; 2,5; 5,0; 10,0 мг/л) в хроническом режиме на липидный обмен северокавказской воблы также вызвало определенные модификации в содержании и соотношении фосфолипидов и холестерина. Так, на 5-е сутки отмечено достоверное (на 18%) по отношению к контролю снижение количества холестерина в мышечной ткани воблы при концентрациях нефти в воде 2.5 и 5,0 мг/л; на 10-е сутки уровень показателя у рыб из аквариумов с содержанием токсиканта 1,25; 2,5 и 10,0 мг/л упал на 21, 26 и 30% соответственно. 15-е сутки воздействия характеризовались относительной стабилизацией, за исключением 2-го варианта (2,5 мг/л), где содержание общего холестерина значительно повышено (на 25%) относительно контроля. К концу эксперимента (25-е сутки) наблюдалось снижение уровня холестерина во всех вариантах на 15; 26; 28 и 20% соответственно возрастанию концентрации нефти.
Динамика содержания суммарных фосфолипидов имела разнонаправленный характер на протяжении всего опыта. Так, 5-е сутки воздействия характеризовались повышением содержания фосфолипидов значительно (на 23%) во 2-м варианте и незначительно в 3-м и 4-м. На 10-е и 20-е сутки эксперимента наблюдалось снижение показателя во всех вариантах: значительно в 1-м и 2-м - на 10-е сутки (22 и 17% соответственно), в 3-м на 15-е сутки (17%) относительно контрольных значений.
Если считать, что накопление фосфолипидов в тканях свидетельствует о процессах адаптации молоди к стрессовому воздействию загрязнителя, то резкое снижение содержания суммарных фосфолипидов, сопровождающееся, как известно, накоплением неэтерифицированных жирных кислот и лизосоединений в тканях, может служить показателем усиления перекисного окисления мембранных липидов (Исуев и др., 1998; Уцов, 2002).
Изучение морфологии крови является важным показателем в токсикологических исследованиях. При хроническом воздействии сырой нефти (5–40 суток) в концентрации 0,5 мг/л у сеголеток карпа и двухлеток красноперки развивалась анемия, снижалось содержание гемоглобина (на 28,3; 21,3 и 63,1% соответственно на 5; 15 и 30-е сутки опыта). Значительно снижался уровень лейкоцитов (во все периоды воздействия нефти и значительнее всего на 30-е сутки: на 38,9%), наблюдались изменения в соотношении отдельных форм лейкоцитов. На 5-е сутки воздействия сырой нефти уровень нейтрофилов выше контроля в 2,5 раза, в то время как на 15 и 30-е сутки это увеличение статистически недостоверно (р>0,5). Загрязнение водной среды нефтью вызывало существенное увеличение количества моноцитов и более всего на 5-е сутки (в 3,5 раза выше контроля). На 15-е и 30-е сутки интоксикации уровень моноцитов в крови двухлеток красноперки оставался повышенным. У опытных рыб отмечен полиморфоядерный лейкоцитоз - снижение количества лимфоцитов (на 19,5% к 30-м суткам опыта), увеличение количества нейтрофилов и моноцитов.
Результаты цитогематологических исследований и литература (Кондратьева и др., 2001; Горбунова и др., 2003) указывают на взаимосвязь между изменением содержания в крови лейкоцитов и иммунными свойствами крови рыб при нефтяном загрязнении. С помощью метода учета микроядер нами показано, что в периферической крови рыб при действии сырой нефти частота встречаемости эритроцитов со следами хромосомных поломок значимо превышало уровень спонтанно возникающих мутаций на 5; 15; 30 и 40-е сутки воздействия. В течение всего опыта в популяции эритроидных клеток наблюдалось статистически значимое увеличение против нормы числа клеток с микроядрами и двуядерных клеток.
Исследование влияния сырой нефти на накопление индуцированных генетических повреждений в эритроцитах сеголеток карпа и двухлеток красноперки показали высокие уровни генетически аберрантных клеток (в 1,4-7,3 раза выше), чем в контроле. Несмотря на отмеченное статистически значимое увеличение числа микроядер и двуядерных эритроцитов, в крови рыб была выявлена кластогенная активность. Очевидно, это связано с условиями модельного эксперимента либо с сильными цитотоксическими эффектами сырой нефти, приводящих к массовой клеточной гибели, в результате которой и происходит искусственное занижение клеток со следами хромосомных аномалий (Тates, Engels, 1989).
Известно, что нефть вызывает усиление перекисного окисления липидов. Свободно-радикальному окислению подвергаются не только жирные кислоты липидов, но и молекулы ДНК и белков. В белках окисляются некоторые аминокислоты, структура белков разрушается, все это активирует протеолитические ферменты, гидролизирующие поврежденные белки (Биохимия, 2004). Хроническое токсическое воздействие нефти чревато необратимыми нарушениями метаболизма и гибелью рыб, что представляет определенную экологическую опасность.
Проведенные исследования позволяют заключить, что токсическое воздействие нефти на рыб проявляется в виде существенных биохимических и цитогемалогических изменений. Представленные данные иллюстрируют возможность использования показателей белкового и липидного обмена и цитогематологические параметры в качестве биомаркеров при проведении эколого-биохимического и цитогенетическом мониторинге водной среды.

Литература
1. Биологические мембраны. Методы /Под. ред. Финдлея Дж. Б., Эванза У. Г.: Мир, 1990. - 424 с.
2. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. 2-е изд. М.: Геотар-Мед, 2004. 784 с.
3. Горбунова Г.С., Костров Б.П., Горбунова Н.В. Влияние нефти, газоконденсата и отходов бурения на показатели крови рыб. // В сб. Рыбохозяйственные исследования на Каспии. Астрахань. 2003. С.109-113.
4. Захидов С.Т., Карпюк М.И., Галиченков В.А. Цитогенетический мониторинг волжского бассейна. Уровни хромосомных мутаций в половых и соматических клетках самцов стерляди // Изв. РАН, сер. Биол.- 1993а. №1. С. 102-106.
5. Исуев А.Р., Габибов М.М., Магомедгаджиева Д.Н., Гусейнова С.А. Перекисное окисление липидов и антиоксидантная активность сеголеток русского осетра при загрязнении водной среды нефтью // Вестник ДГУ. Махачкала: ИПЦ ДГУ, 1998. С. 92-95.
6. Кондратьева И.А., Киташова А.А., Ланге М.А. Современные представления об иммунной системе рыб // Вестник Моск. ун-та. сер.16. Биология.2001. №4. С.11-20.
7. Курбанова И.К., Исуев А.Р., Габибов М.М. Влияние нефтяного загрязнения водной среды на некоторые показатели белкового обмена мальков кутума Rutilus frisii kutum (Cypriniformes, Cyprinidae) // Вопросы ихтиологии. 2004. Т.44, №5. С.700-708.
8. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. -М.: Медицина, 1983. 272 с.
9. Лакин Г.Ф. Биметрия. М.: Высшая школа, 1990. 352с.
10. Немова Н.Н., Сидоров В.С. Влияние некоторых токсикологических факторов на лизосомальные протеиназы пресноводных рыб // Гидробиол. Журн. 1990. Т.26. №4. С. 69-73.
11. Немова Н.Н., Высоцкая Р.У., Сидоров В.С. Эколого-биохимическое тестирование водоемов по состоянию рыб // Научные аспекты экологических проблем России. Т.1. М.: Наука, 2002. С. 215-220.
12. Терсков И.А., Гительзон И.И. Метод кислотных эритрограмм // Биофизика. 1957. т.2, вып.2. С..259-266.
13. Пушкина С.В. Биохимические методы исследования. М.: Наука, 1963. 230 с.
14. Уцов С.А. Влияние токсикантов нефтегазовых разработок на ихтиофауну Среднего Каспия: Автореф. Дисс. … канд. биол. наук. М., 2002. 22 с.
15. Lowry D.H., Rosebrough H.J., Farr A.L., Randall R.J. Protein measurement with the Folinphenol reagent // J. Biol. Chem., 1951. Vol. 193. P. 265-275.
16. Tates A.D., den Engels L. The role of the induction of micronuclei in rat liver by ethylnitrosourea and methyl methanesulphonate: the importance of experimental design // Mutat. Res.- 1989.- vol.210, №2. p.271.

Дата добавления: 2015-08-29