В последние десятилетия выполнены обширные исследования по изучению химического загрязнения Мирового океана.
Показаны отрицательные экологические последствия антропогенного воздействия на морскую среду. Важнейший вывод из этих исследований состоит в установлении прогрессирующего эвтрофирования (чрезмерное обогащение среды биогенными веществами) внутренних морей и прибрежных районов океана, активного накопления химических токсикантов в морских организмах, донных отложениях и взвешенном веществе. В отдельных районах Мирового океана, наиболее активно эксплуатируемых человеком, происходит постепенное преобразование и деградация экосистем.
В бассейне Тихого океана проведены многочисленные исследования по оценке химического загрязнения его среды. Однако биологические последствия этого процесса изучены мало, в основном в прибрежных районах и заливах.
Огромные пространства Тихого океана от Арктики до Антарктиды, от тонких поверхностных слоев и до самых больших глубин, вечно холодных и загадочных, населены массой живых организмов, различных по своей приспособленности и организации. Они составляют колоссальный источник белка и определяют природу грандиозного круговорота органического вещества, а также обмена энергии в океане. Еще В. И. Вернадский подчеркнул важную мысль, что состав воды океана, поскольку он сейчас пополняется новым веществом, в главной своей части регулируется жизнью, живым веществом, его энергией.
Сложившийся на протяжении геологических эпох благоприятный для развития жизни температурный, газовый и химический режим океана нарушается в последние десятилетия в связи с поступлением загрязняющих веществ в морскую среду. В настоящее время идентифицировано около 4 млн. химических веществ, из них 30 тыс. различных соединений выпускаются химической промышленностью. Многие из этих токсикантов, выходя из-под контроля человека, циркулируют в окружающей среде.
Загрязняющие вещества поступают в Мировой океан через атмосферные осадки, с промышленными отходами, сельскохозяйственными смывами, речными и бытовыми стоками, в процессе морских перевозок, добычи нефти и других полезных ископаемых. Атмосферный перенос загрязняющих веществ существенно влияет на глобальное распространение химических токсикантов в Мировом океане. В атмосферных осадках были обнаружены такие вредные вещества, как бензопирен, полихлорированные бифенилы, ртуть, свинец, кадмий.
Антропогенное воздействие на Тихий океан выражается в загрязнении его вод нефтью и ее углеводородами, тяжелыми металлами, хлорированными углеводородами. Наиболее опасной из тяжелых металлов признана ртуть.
Накопление и передача по пищевой цепи ряда тяжелых металлов, и, прежде всего ртути, кадмия, свинца, представляют серьезную экологическую проблему. Известно, что некоторые морские организмы имеют склонность к накоплению отдельных тяжелых металлов. Например, цинк достигает самых высоких концентраций в устрицах, кадмий — в мидиях. Ртуть активно аккумулируется планктоном. Так, в период первой советско-американской экспедиции в Беринговом море в августе 1977 г. на борту советского НИСП «Волна» были проведены специальные работы по изучению загрязнения воды и планктонных организмов. Они показали, что содержание металлов (кобальт, железо, ртуть, цинк, хром, сурьма, скандий) в воде соответствовало природным концентрациям этих элементов. Однако концентрация этих металлов и особенно ртути в планктонных организмах оказалась значительно выше, чем в морской воде (коэффициенты накопления металлов в биоте составили 102—104). Механизм и причина биоаккумуляции тяжелых металлов до конца не выяснены, но существуют доказательства серьезного поражения организмов, содержащих высокие концентрации металлов. Токсические металлы вызывают также генетические повреждения гидробионтов.
Особенно велико загрязнение вод Тихого океана нефтью и нефтепродуктами. Устойчивые поля загрязнения, как правило, формируются у берегов, в районах морских перевозок и распространяются далеко за пределы этих акваторий, охватывая целиком многие моря и обширные районы океана. Большие акватории океана затянуты нефтяными пленками, нефтяные агрегаты широко распространены по всей системе Куросио, у Панамского канала, в Южно-Китайском и Желтом морях, а также на огромной площади от Гавайских островов до Аляски. Нефтяные агрегаты заселяются гидробионтами и образуют плавучие биоценозы в самом поверхностном слое океана. Наибольшее их содержание (до 100 мг на м2) в Тихом океане отмечено в районах к югу от Японии, между Гавайскими островами и побережьем Северной Америки (максимальная концентрация нефтяных агрегатов — 2 тыс. мг на м2 зарегистрирована в северной части Атлантического океана вблизи Гибралтарского пролива). Общее количество нефтяных агрегатов в океанах оценивается величиной порядка 0,7 млн. т.
Нефть влияет на структуру сообщества морских организмов и приводит к снижению стабильности экосистемы. Это проявляется в изменении соотношения видов и родов, уменьшении видового разнообразия, появлении индикаторных видов, обильном развитии углеводородокисляющей микрофлоры. Значительная биомасса этой микрофлоры может быть токсична для многих гидробионтов, особенно на ранних стадиях их развития. Начальный этап воздействия нефтяного загрязнения вызывает увеличение первичной продукции органического вещества, которое затем сменяется резким подавлением этого процесса. Нефть вызывает патобиологические эффекты у морской биоты, которые проявляются в возникновении уродливых форм, уменьшении размеров организмов, изменении ориентации гидробионтов в пространстве, нарушении дыхания, роста, возникновении мутагенеза и канцерогенеза.
Особую опасность для морских экосистем представляет длительное воздействие даже небольшой концентрации нефти. При устойчивом, хроническом загрязнении морской среды нефтяными углеводородами наблюдается постепенное снижение первичной продукции, происходит нарушение жизнедеятельности и продуцирования одновременно всех составляющих биотической компоненты.
Наибольшие концентрации нефти в океане локализованы в тонком приповерхностном микрослое, который является коллектором всех загрязняющих веществ. Нефтяные пленки, в которых аккумулируются также пестициды и ионы тяжелых металлов, существенно влияют на многие свойства поверхности раздела вода — воздух, такие, как скорость испарения, проникновение света, обмен газами и теплом. Они поражают морские организмы, развивающиеся в приповерхностной зоне океана — нейстон, который включает наиболее уязвимые к токсическому воздействию стадии раннего развития гидробионтов, личинки, мальки многих ценных промысловых рыб, его недаром называют «детскими яслями моря».
Загрязнение поверхности океана липидными (содержащими жиры и жироподобные вещества) соединениями и нефтяными углеводородами вызывает также нарушение обмена двуокисью углерода между океаном и атмосферой. Между тем углекислотно-карбонатная система регулирует некоторые характеристики морской воды и, влияя на химическое равновесие в морской среде, поддерживает условия, благоприятные для жизни. Поскольку океан поглощает углекислоту антропогенного происхождения, он может сыграть важную роль в изменении температуры на Земле, а следовательно, и в возможном изменении климата.
В отличие от нефти и тяжелых металлов хлорированные углеводороды составляют группу неприродных компонентов среды. Между тем в последнее десятилетие хлорированные углеводороды, в первую очередь пестицидные препараты (ДДТ, бензолгексахлорид и т. д.), полихлорированные бифенилы (ПХБ) и др., которые нашли широкое применение в сельском хозяйстве и промышленности, активно циркулируют во внешней среде. Химической промышленностью выпускается в настоящее время около тысячи химических соединений этого класса. Более 1/4 млн. т пестицидов продается ежегодно на мировом рынке, из них, как отмечает американский ученый Р. Дьюс, около 1,5 млн. т уже вошло в состав водных и наземных экосистем.
Хлорированные углеводороды — ДДТ и его метаболиты ДДЕ, ДДД, а также ПХБ — обнаружены во многих районах Мирового океана в разных компонентах морской экосистемы. Являясь неполярными соединениями, они легко растворяются в жирах, активно аккумулируются в липидных фракциях гидробионтов, а также в океанских пленках, где концентрируются липиды и нефтяные углеводороды.
Устойчивость хлорированных углеводородов в процессе биологического и химического окисления, способность накапливаться в морских организмах, острая токсичность и, по-видимому, непрямой мутагенный эффект определяют всю серьезность проблемы загрязнения морской среды этими искусственными соединениями.
В условиях растущего антропогенного воздействия на Мировой океан серьезные последствия гигиенического характера связаны с микробиологическим загрязнением морской среды. Патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, попадая в море с речными и бытовыми стоками, адаптируются к новым условиям, особенно в прибрежных зонах океана. Они накапливаются в моллюсках, имеющих важное экономическое значение, сосредоточиваются в приповерхностном микрослое и могут распространяться на большие расстояния в прибрежных районах океана. Нельзя не отметить, что микробиологическое загрязнение уже вызвало ряд драматических ситуаций в прибрежных областях океана в связи с распространением патогенной микрофлоры и вируса холеры через моллюски и прибрежные воды.
В последние годы получены многочисленные доказательства проявления мутагенных и канцерогенных эффектов из-за распространения в морской среде различных химических веществ. Это — хлорированные алифатические углеводороды с короткой цепочкой, пестицидные препараты, полиароматические полициклические углеводороды, главным образом бензопирен (БП).
Современными исследованиями установлено присутствие бензопирена в некоторых областях океана, его накопление в приповерхностном микрослое, морской биоте и в донных отложениях.
Большую роль в загрязнении вод полиароматическими полициклическими углеводородами (ПАУ) играют процессы микробного превращения нефтепродуктов, а также атмосферный перенос и выпадение ПАУ на поверхность океана. С этой точки зрения нефтяное загрязнение Мирового океана представляет серьезную опасность экологического и гигиенического характера, так как может привести к накоплению канцерогенных ПАУ в морской биоте.
Экологические последствия изменения химического состава океанской среды составляют целый спектр взаимосвязанных процессов, наиболее существенным проявлением которых являются преобразование естественных биогеоценозов, нарушение циклов углерода, азота, серы и других элементов, прогрессирующая эвтрофикация, накопление химических токсикантов в морской биоте, снижение биологической продуктивности, возникновение мутагенеза и канцерогенеза в морской среде.
Современные представления об экологических последствиях загрязнения океана только начинают складываться. Это объясняется тем, что морская биота, подверженная воздействию токсикантов, проявляет самые различные изменения от постепенного уменьшения размеров особей, перестройки ферментативных систем до прекращения размножения и вымирания организмов. Эти эффекты проявляются на уровне организмов (биологические последствия) и их сообществ (экологические последствия).
На индивидуальном уровне (на уровне организмов) токсиканты воздействуют на отдельные процессы в организме, что приводит к изменениям химического состава клетки, характера ферментативных систем, процессов дыхания, роста размножения, осмотической регуляции, возникновению мутаций, канцерогенеза, нарушению движения и ориентации гидробионтов в пространстве. Это — последствия биохимического, морфологического, физиологического и генетического характера.
Экологические последствия. Анализ материалов о влиянии загрязняющих веществ на популяции и сообщества морских организмов показывает, что принципиально важные для характеристики степени стабильности экосистемы популяционно-биоценотические (экологические) эффекты антропогенного воздействия на морскую среду включают следующие процессы структурного и функционального характера.
1. Изменение средней биомассы популяций. В связи с эвтрофированием отдельных районов Мирового океана в последние десятилетия отмечается увеличение средней биомассы микроорганизмов, фитопланктона, простейших, зоопланктона.
2. Изменение числа высших таксонов — родов или семейств морских организмов.
3. Изменение соотношения между численностью отдельных таксономических групп морских организмов и развитием так называемых индикаторных или показательных форм гидробионтов.
Определение индикаторных групп бактерий связано с изучением физиологической активности микрофлоры в момент ее выделения из среды обитания.
Недавними исследованиями показана четкая связь между характером загрязнения морской среды и физиологическими свойствами микробных популяций.
С загрязнением морской среды, ее чрезмерным обогащением биогенными веществами связывают явление красных приливов, проявляющееся в интенсивном развитии планктонных организмов рода Jonyaulex. В настоящее время установлено, что в период цветения эти организмы насыщают морскую среду опасным токсином, который аккумулируется двустворчатыми моллюсками. В течение последних ста лет в мире погибло более тысячи человек при употреблении в пищу моллюсков, содержащих этот токсин. В последние годы красные приливы с интенсивным развитием Jonyaulex стали еще чаще наблюдаться в Тихом океане, в частности в заливах и прибрежных водах Японии.
4. Изменение интенсивности процессов продукции и деструкции органических веществ, нарушение соотношения продукционно-деструкционных процессов.
5. Нарушение процессов экологического метаболизма. Химические токсиканты ингибируют, либо стимулируют выделение микроорганизмами, фитопланктоном и другими гидробионтами внешних метаболитов. Это воздействие загрязняющих веществ приводит к нарушению биологического баланса в экосистеме, а некоторые загрязняющие вещества, в частности детергенты, подавляют образование антибиотиков у морских микроорганизмов, что может привести к бактериальному загрязнению морской среды.
Широкий спектр биологических и экологических последствий загрязнения океана может быть идентифицирован и положен в основу экологического мониторинга океана — системы наблюдений, анализа и прогноза состояния морских экосистем с учетом экологических, геофизических и экономических аспектов. Научной основой системы экологического мониторинга океана служит совместный анализ состояния биотической и абиотической компонент морской экосистемы. Основные аспекты анализа включают:
- определение изменений в условиях среды (изменение содержания биогенных элементов, кислорода, уровня загрязнения, структуры составляющих экосистемы и т. д.);
- изучение экологических последствий и биологических эффектов воздействия загрязняющих веществ на индивидуальном и популяционно-биоценотическом уровнях.
Итак, в процессе активного использования ресурсов биосферы человечество оказывает все более глубокое воздействие на природу океанов, которое ведет к изменению химического режима, согласованности биологических явлений и угрожает нарушить важнейшие процессы, происходящие в области взаимодействия океана и атмосферы и определяющие состояние климатической системы Земли. «Лик планеты — биосфера — химически меняется человеком сознательно, и главным образом, бессознательно» (В. И. Вернадский). Между тем Мировой океан, регулируя жизненно важные процессы на Земле, играет огромную роль в существовании всего живого на нашей планете. Сберечь его природу ради будущих поколений Земли — важнейшая задача современности.
Автор: А. В. Цыбань, доктор биологических наук