Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 508, № 1, стр. 44-49

Карское море – одна из наиболее перспективных акваторий шельфа Российской Арктики, на долю которой приходится около 25% всех углеводородных ресурсов северных морей. [1]. Освоение углеводородов континентального арктического шельфа приводит к тому, что география транспортировки сырой нефти и нефтепродуктов в последние годы интенсивно расширяется и особенно в Карском морях после постройки порта Сабетта. По имеющимся оценкам на морские перевозки нефти приходится в среднем 37% от суммарного поступления углеводородов (УВ) в Мировой океан [2]. Поэтому изучение поведения УВ, соединений природного и антропогенного происхождения в Карском море в последние годы становится особенно актуальным.

Геохимическая барьерная зона атмосфера–вода–поверхностный микрослой (ПМС), толщиной около 300 мкм, привлекает внимание исследователей прежде потому, что здесь наблюдается резкое сгущение физических, химических и биологических свойств и здесь происходит аккумулирование загрязняющих веществ [3–6]. ПМС играет важную роль в современных флуктуациях климата, так как является межфазной зоной океана с атмосферой и одним из ее основных элементов и могут существенно влиять на энергомассообмен между океаном и атмосферой [3].

Кроме того, органические соединения концентрируются во льдах, особенно на границе лед–вода [7]. В этом слое происходит наиболее значительное развитие диатомовых водорослей – ключевого биотопа морской экосистемы в высоких широтах.

Цель проведенного исследования: определить изменчивость в содержании и составе УВ (алифатических – АУВ и полициклических ароматических – ПАУ) в растворенной и взвешенной формах при переходе от ПМС ко льду и к поверхностным водам в Карском море (83 рейс НИС “Академик Мстислав Келдыш”, июнь 2021 г.). Эти исследования необходимы для понимания изменений, происходящих в арктических экосистемах не только под влиянием текущих климатических процессов, но и при увеличении антропогенной нагрузки.

Работы в Карском море были проведены во время таяния сезонного льда. Пробы ПМС отбирали с бака судна специальным экраном из нержавеющей стали, рекомендованным МОК/ВМО [8]. Этим же экраном были отобраны отдельные пробы льда. Кроме того, пробы льда отбирали с трапа судна или с кормы специальной сетью. Для предотвращения загрязнения верхний слой льда снимали ножом из нержавеющей стали. Поверхностную воду отбирали при приближении судна к станции ведром.

Количество взвеси определяли гравиметрически после выделения на ядерные фильтры, а органические соединения – на стекловолокнистые фильтры GF/F. Концентрацию липидов и АУВ определяли методом ИК-спектрофотометрии, содержание и состав алканов – методом газовой хроматографии, ПАУ – флуоресцентным методом, а состав – методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Состав взвеси определяли на сканирующем электронном микроскопе. Подробности методических процедур описаны в [4, 10].

Согласно полученным данным, в ПМС содержание АУВ изменялось во взвеси в интервале 197–1051 мкг/л, в среднем 621 мкг/л (стандартное отклонение – σ = 251), с минимумом на ст. 7043 в северной части Карского моря, а с максимумом – у оконечности Н. Земли в желобе Святой Анны (рис. 1). Концентрации АУВ в ПМС в растворенной форме были значительно ниже: 89–217 мкг/л, в среднем 158 (σ = 54) мкг/л. Обусловлено это повышенной концентрацией самой взвеси в ПМС, где ее содержание в среднем составило 1.89 мг/л, и было в 6 раз выше, чем в поверхностном слое – в среднем 0.33 мг/л.

Рис. 1.

Распределение АУВ (мкг/л) и ПАУ (нг/л) в растворенной (а, в) и взвешенной (б, г) формах в ПМС (а и б) и в поверхностных водах (в, г) в Карском море.

В поверхностных водах содержание АУВ во взвеси изменялось в интервале 7–120, в среднем 35 (σ –32) мкг/л. Столь высокая средняя концентрация возникла из-за аномального содержания АУВ на ст. 7021–120 мкг/л (рис. 1 г). В большинстве проб содержание АУВ колебалось в интервале 20–30 мкг/л и было сопоставимо с данными, полученными во время паводка 2019 г., где средние концентрации увеличивались от моря к Обской губе в интервале 20–59 мкг/л [10].

На ст. 7021 вместо ПМС был отобран лед, а на ст. 7023 были отобраны разные формы льда: небольшие куски льда – треугольным экраном для отбора ПМС с бака судна (лед-1), лед толщиной до 1 м сетью с кормы судна (лед-2, лед-3), ведром с трапа – “шуга”, рыхлый лед, смешанный с водой (“ледяная каша”) между большими кусками льда. Аккумулирование АУВ в разных пробах льда было меньше, чем в ПМС: в среднем для АУВ в растворенной форме 46 мкг/л, а во взвеси – 57 мкг/л. В шуге во взвеси их концентрации были незначительно выше (66 мкг/л), чем в других формах льда (рис. 2).

Рис. 2.

Распределение АУВ (а) и ПАУ (б) во взвеси – 1, в растворенной форме – 2 и самой взвеси – 3 в разных объектах на ст. 7023.

Содержание АУВ в пробах льда, отобранных треугольным экраном и сетью с кормы судна, оказались близкими, и незначительно отличались от концентраций во льду на ст. 7021, что может свидетельствовать об отсутствии загрязнения при отборе пробы с кормы судна сетью. Поэтому значение σ для АУВ (8 мкг/л для взвеси и 6 мкг/л для растворенной формы), составляло всего соответственно 16 и 15% от средней величины.

Состав алканов в большинстве изученных проб льда был однотипным (рис. 3 а), и отношение L/H – (Σ(С_9–24)/Σ(С_25–35) в основном <1, доминировали высокомолекулярные гомологи. Минимальное значение этого параметра 0.11 установлено в растворенной форме в поверхностных водах на ст. 7021. В этой пробе также минимальное значение отношения С₁₇/С₂₅ – 0.04, Paq – (С₂₃ + С₂₅)/(С₂₃ + С₂₅ + С₂₉ + С₃₁) – 0.20, довольно низкая величина коэффициента изопреноидности Ki – (i–С₁₉ + С₂₀)/(С₁₇ + С₁₈) – 0.22 и повышенная величина CPI – Σнечетных/Σчетных алканам в высокомолекулярной области – 1.91. В остальных пробах значения CPI изменялись в интервале 1.04–1.69, причем во взвеси их величины были больше, чем в растворенной форме. Все это может указывать на слабые автохтонные процессы в поверхностном слое вод в этом районе. Исключение установлено на ст. 7026, где состав алканов резко отличался от их состава на других станциях (рис. 3 б). Здесь наблюдалось бимодальное распределение гомологов, так как содержание низкомолекулярных алканов колебалось от 2.3 до 19.1% от суммы, а отношение L/H > 1.

Рис. 3.

Состав алканов на станциях 7021 (а) и 7026 (б); 1, 2 – лед в растворенной и взвешенной формах; 3, 4 – поверхностная вода в растворенной и взвешенной формах; 5, 6 – ПМС в растворенной форме и во взвеси; 7, 8 – поверхностная вода в растворенной и форме и во взвеси; состав ПАУ (в, г), определенный методом ВЭЖХ: ПМС во взвеси – 1, ст. 7015, 2 – ст. 7017, 3 – ст. 7025; ПМС в растворенной форме, ст. 7025 – 4, ст. 7023, шуга во взвеси – 5, лед-3 в растворенной форме – 6.

Диапазон концентраций ПАУ в ПМС был больше, чем АУВ (<4–1440 нг/л, флуоресцентный метод) и значительно выше (так как этим методом определяют все флуоресцирующие соединения), чем результаты их определения методом ВЭЖХ (1–103 нг/л). Так же, как и для АУВ их аккумулирование происходит в ПМС во взвеси, где их средние концентрации в 3.3. раза были выше, чем в растворенной форме (779 и 237 нг/л соответственно) и в 8.5 раза выше, чем в поверхностных водах (в среднем 92 нг/л).

Содержание ПАУ во льду во взвеси также были выше, чем в растворенной форме, в среднем 81 и 59 нг/л. При этом диапазон содержания полиаренов был больше, чем для концентраций АУВ и величины σ в растворенной форме и во взвеси составили 22 и 34% от средних концентраций соответственно. В составе ПАУ доминировали фенантрен, флуорантен и пирен (рис. 3 в, г). Фенантрен и флуорантен – наиболее устойчивые полиарены, которые распространены в природных объектах, а пирен образуется при сжигании топлива [2, 10–12].

Подводя итог полученных результатов, необходимо отметить, что изучение УВ в ПМС в Карском море проводили впервые. ПМС, существующий на границе атмосферы и гидросферы и занимающий 70% земной поверхности [3, 6], обладает свойствами, отличающими его от поверхностных вод. Силы поверхностного натяжения создают физически стабильный микрослой, но он подвержен большим изменениям окружающей среды и климата, чем толща воды [5, 6]. В условиях сильного ветра и волнения ПМС разрушается, превращаясь из непрерывной квазидвумерной структуры в объемные дисперсии типа морской пены и воздушно-капельной дисперсии [3], поэтому этот слой рекомендовано отбирать при волнении меньше 3 баллов [8].

Антропогенные загрязнения, и прежде всего нефтяные, накапливаются вблизи морской поверхности [4, 13, 14]. Благодаря своему уникальному химическому составу, ПМС представляет собой с одной стороны сорбент, а с другой – источник загрязняющих веществ [5, 6]. Просмотр проб фильтрационной взвеси под электронным сканирующим микроскопом показал, что агрегаты взвеси из ПМС были более крупными по сравнению с поверхностными водами, достигая 300–400 мкм, а иногда даже более. Связано это не только с тем, что в ПМС формируется особое сообщество микроорганизмов – нейстон [5, 13], но этот слой, кроме того, обогащен микропланктоном, бактериями, тонкими обломками минералов и скелетами планктона. Увеличение концентраций УВ здесь происходит не только за счет механического концентрирования взвеси, но и за счет интенсивного развития микропланктона, их синтезирующего. Все это приводит к более высоким концентрациям УВ в ПМС по сравнению со льдом. Аккумулирование УВ наблюдается во взвеси, где содержание АУВ в ПМС в Карском море было почти в 4 раза выше, чем в растворенной форме (в среднем 621 и 158 мкг/л соответственно), а по сравнению с взвесью поверхностных вод – почти в 22 раза выше.

Тем не менее состав алканов, в основном, свидетельствовал о незначительных автохтонных процессах в этом слое. Это заключение подтвердили также данные, полученные нами в августе 2020 г. в северной части Баренцева моря (80 рейс НИС “Академик Мстислав Келдыш”), где были отобраны пробы ПМС и тающего льда. В составе алканов в этих объектах доминировали высокомолекулярные гомологи.

В Карском море иной состав алканов установлен в ПМС на ст. 7026, во фронтальной зоне в районе желоба Св. Анны. Ранее в зоне температурно-соленосного фронта в этом районе содержание АУВ увеличивалось в растворенной форме в 4 (до 40 мкг/л), а во взвешенной в 11 раз (80 мкг/л) и соизмеримо с величиной ПДК для нефтяных УВ (50 мкг) [15]. Рост концентраций здесь обусловлен естественными природными процессами, так как происходил в области высоких градиентов температуры между арктическими водами и водами, опресненными материковым стоком, и маркировались также высокими градиентами концентраций хлорофилла, растворенного органического вещества и взвеси [15, 16]. При этом было отмечено, что положение фронтальных зон значительно меняется от года к году и предположительно связано с влиянием интенсивных ветровых событий.