UNIVERSITATEA “OVIDIUS” CONSTANTA FACULTATEA DE STIINTE ALE NATURII ŞI STIINŢE AGRICOLE B-dul Mamaia 124 RO-900527 Constanţa ROMÂNIA Tel: 40-0241-614326, Fax 40-0241-618372 e-mail: biologie@univ-ovidius.ro

PROIECT

Aplicaţii Lidar

pentru diagnosticarea la distanţă a poluării accidentale cu produse petroliere în zona costieră a Mării Negre

Etapa 4

Consideraţii privind suspensiile şi petele de hidrocarburi din zona neritică

a litoralului românesc al Mării Negre în vederea stabilirii reţelei de staţii de lucru cu Lidar

COLECTIV:

Conf. univ. dr. Teodora Maria ONCIU responsabil proiect

Conf. univ. dr. Marius SKOLKA responsabil ştiinţific proiect

Şef lucrări dr. Manuela Diana SAMARGIU cercetător

Şef lucrări dr. Gabriela Mihaela PARASCHIV cercetător

Drd. Daniela BĂNARU cercetător

Student Ciprian SAMOILĂ

BENEFICIAR: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică

Mai 2007

1

CONSIDERAŢII PRIVIND SUSPENSIILE ŞI PETELE DE HIDROCARBURI

DIN ZONA NERITICĂ A LITORALULUI ROMÂNESC AL MĂRII NEGRE

ÎN VEDEREA STABILIRII REŢELEI DE STAŢII DE LUCRU CU LIDAR

Proprietăţile optice ale apei de mare, net diferite de cele ale aerului, pot fi studiate

din punct de vedere al transparenţei, refracţiei, polarizaţiei, culorii şi pătrunderii luminii solare

în acest mediu, net diferit de aerul pe care lumina-l străbate în drumul său de la Soare spre

adâncul oceanului. Diferenţelor semnalate li se datorează refracţia (drumul luminii se

modifică odată cu trecerea din mediul aerian în apă, indicele de refracţie fiind condiţionat de

temperatura apei, şi în special de compoziţia chimică, care, la rândul sau, determină şi

densitatea) şi corelat cu aceasta polarizaţia. La definirea proprietăţilor optice ale apei

contribuie, pe lângă salinitate şi substanţa organică solvită. Pătrunderea luminii, transparenţa

şi culoarea depind în cea mai mare măsură de suspensiile (minerale şi organice) aflate în apă:

transparenţa depinde de cantitatea de suspensii, culoarea de diametrul mediu al particulelor.

Astfel, moleculele de apă absorb razele roşii şi difuzează pe cele albastre, apa limpede având

în general, culoare albastră. Suspensiile absorb lumina cu lungime de undă mai mică de 420-

490•10-9 m, şi ca urmare, apa cu suspensii de dimensiuni foarte mici are o culoare verzuie. Pe

măsură ce diametrul particulelor sporeşte, apa are o culoare ce variază de la gălbui la brun-

roşcat (Trufaş, 1969).

În general, când se referă la apă, noţiunea de suspensii este destul de încăpătoare,

aici fiind incluşi aerosoli şi substanţa particulată, minerală (sestonul) sau organică, vie

(fitoplanctonul şi zooplanctonul) ori nevie (triptonul) (Pérès, Devèze, 1963). Gama de

dimensiuni a suspensiilor variază între 10•10-9m şi chiar mai mult de 100•10-6m, sursa lor

putând fii naturală ori antropogenă.

Decelarea acestora se poate face prin diferite metode, cele mai comune fiind cele

gravimetrice (cu separarea după incinerare a fracţiunii organice de cea minerală), o metodă

eficientă constă în determinarea absorbţiei luminii din spectrul vizibil de către suspensiile

reţinute pe filtru, comparabil cu un blanc neutilizat (Yentsch, 1962), iar cele moderne folosind

senzori optici ori, mai recent, acustici (Guillén et al., 2000).

Suspensiile minerale, nevii, care aduc o contribuţie majoră la realizarea

particularităţilor optice ale apei provin in mică măsură din resuspendarea particulelor pelitice

şi a celor coloidale de pe fundul chiuvetei, ponderea deţinând-o cele de origine terigenă

(cenuşă vulcanică, praf, ca rezultat al proceselor de şiroire, debitul solid al tributarilor etc.).

2

În paleta calitativă a triptonului intră o gamă destul de bogată de aerosoli

(proveniţi din auto-evaporarea apei de mare pe creasta valurilor, din gaze provenite fie în mod

natural ca urmare a activităţii vulcanic ori din procese chimice, fie ca rezultat al combustiei

provocate de om), la care se adaugă substanţa organică (OM) ce are origini diferite.

Organismele autotrofe (fitoplanctonul distribuit în coloana de apă, până la

adâncimea de compensaţie unde lumina este suficientă pentru fotosinteză şi macrofitele de pe

fundul chiuvetei, răspândite doar în zona eufotică) şi cele heterotrofe (zooplancton, necton)

după moartea lor sunt atacate de descompunători şi ca rezultat primar al activităţii acestora, se

formează substanţa organică particulată (POM) într-o variată gamă de dimensiuni (0.2 până la

0.7-10.0 m•10-9). Dat fiind faptul că activitatea microflorei bacteriene continuă, materialul

organic este descompus la substanţe simple (glucide, proteine) solvite în masa apei –

substanţa organică solvită (DOM) (fig. 1)( htttp://en.wikipedia.org./wiki/Particulate).

Fig.1. Schema conceptuală a surselor substanţei organice (OM) nevii şi modul de formare al acesteia în ecosistemele acvatice (după Ziegler, Fogel, 2003)

Modul în care se realizează fluxul material este una din particularităţile definitorii

ale ecosistemelor acvatice. În primul rând, în afara organismelor autotrofe fotosintetizante,

3

consumatorii primari au o sursă alternativă de hrană: substanţa organică particulată aflată în

proces de descompunere, deci cu microflora bacteriană aferentă (aşa numitele agregate

organo-bacteriene) şi substanţa organică solvită, ca rezultat intermediar al activităţii

descompunătorilor.

Ca urmare, configuraţia valorilor de biomasă totală la nivele trofice superioare

producţiei primare (consumatori primari, consumatori secundari, terţiari etc.) nu mai respectă

reprezentarea plastică propusă de Elton (1927) ("piramida trofică"), biomasa consumatorilor

primari, ce dispun de un supliment de hrană, depăşind-o pe cea a producătorilor primari.

Pe lângă avantajul de ordin cantitativ – hrană mai multă, consumatorii din mediul

acvatic dispun şi de adaptări fiziologice deosebite: metabolismul se bazează pe proteine, nu pe

carbohidraţi, ca şi în mediul terestru ((Barnabé, Barnabé-Quet, 2000), şi astfel, materialul

organic neviu (particulat ori solvit) poate fi valorificat foarte bine.

În alcătuirea zooplanctonului marin sunt specii ierbivore, ce reţin prin filtrare

algele unicelulare (spre exemplu în Marea Neagră – unele copepode: Calanus helgolandicus,

Centropages ponticus, apendicularul Oikopleura dioica etc.), altele carnivore, de obicei de

talie mai mare, ce capturează organismele de talie mai mică (chetognatul Sagitta setosa,

ctenoforele – Pleurobrachia rhodopis, Mnemiopsis leydii etc.). Omnivore sunt considerate

stadiile de dezvoltare ontogenică a copepodelor, iar foarte multe specii pot perfect valorifica

substanţa organică solvită (Noctiluca scintilans, meduzele), dar mai ales agregatele organo-

bacteriene (cladocerele, copepodul Acartia clausi), fiind astfel evidenţiată, odată în plus,

contribuţia suplimentului neviu de hrană (rezultat al activităţii microorganismelor şi numit de

ecologi "bucla bacteriană") (Castro, Huber, 1997).

Astfel, şi în Marea Neagră, ca şi în oricare bazin acvatic, limnic ori marin,

zooplanctonului îi revine rolul de "industrie-cheie" putând converti o cantitate mare de

producţie primară, dar şi de material proteic neviu, în substanţă organică animală şi în felul

acesta materia şi energia aduse în ecosistem de autotrofele fotosintetizante, pe de o parte, dar

şi substanţa organică particulată ori solvită din masa apei devin accesibile şi pentru organisme

care nu sunt fitofage, ori nu au mecanisme de capturare a agregatelor organo-bacteriene

(Stugren, 1994). Astfel, zooplanctonul devine sursa principală de hrană pentru juvenilii şi

adulţii peştilor planctonofagi, specii care în Marea Neagră constituie elemente esenţiale în

baza trofică a delfinilor, dar şi în compoziţia calitativă a pescuitului industrial (fig. 2).

4

Fig. 2. Locul şi rolul substanţei organice din coloana de apă în reţeaua trofică marină (după Onciu, Skolka, Gomoiu, 2006)

Substanţa organică din coloana de apă, în timp se depune pe fundul chiuvetei, fie

la suprafaţa substratului dur, stâncos, fie se amestecă cu sedimentele. Pe fundurile cu substrat

mobil, în spaţiile interstiţiale dintre particulele substratului există şi o mare cantitate de

PREDATORI de talie mare

Alte

ecosisteme

(benthos)

NECTON

de talie mica

NECTON

de talie mijlocie

ZPK

ierbivor

ZPK

omnivor

ZPK

carnivor

Substanta

Organica Dizolvata

(SOD)

Agregate

organo-bacteriene

si bacterii

FITOPLANCTON

ZPK

consumator

de SOD

Alte

ecosisteme

5

material organic provenit în urma degradării organismelor endopsamice şi iliofile care mor şi

se descompun in situ (Lee, Wakeham, Arnosti, 2004).

In bazinele acvatice, pe lângă cantitatea de substanţă organică autohtonă, există şi

un aport direct,de material organic alohton, de origine terigenă, provenit din ecosistemele

terestre ori rezultat al activităţii antropice. Acesta din urmă provine în procentul cel mai mare

din apele uzate ale aşezărilor umane din zona costieră şi abundă în estuare, zone predeltaice

etc. (Hellings et al, 1999).

Influenţa terigenă asupra cantităţii de substanţă organică se manifestă însă şi prin

aportul de nutrienţi (săruri biogene: azotaţi, fosfaţi, silicaţi etc.) care, odată ajunşi în

ecosistemele acvatice, stimulează dezvoltarea în primul rând a fitoplanctonului, şi apoi şi pe

cea a plantelor (alge şi fanerogame) din bentos. Ca urmare, în cursul unui an, mai ales în

zonele temperate, se constată o dinamică sezonieră a cantităţii de material organic din apă, ca

o consecinţă a variaţiilor structurii calitative şi cantitative a fitoplanctonului. Se produc

modificări ample ale densităţii algelor unicelulare, ale bacteriilor şi ca o urmare directă – a

agregatelor organo-bacteriene (Boss et al., 2007, Fabiano, Pusceddu, 1998, Fischer, Wanner,

Pusch, 2001).

Astfel, începând cu sfârşitul lunii mai (primăvara târzie) şi vara, cantitatea de

suspensii organice din apă este maximă, şi, ca urmare se constată şi densităţi/biomase crescute

ale zooplanctonului, suspensii care influenţează direct proprietăţile optice ale apei. Pollehne

(2005) evidenţiază şi faptul că algele de talie mai mare din coloana de apă, cu precădere

diatomeele cad la fundul chiuvetelor puţin adânci, aici sunt supuse acţiunii bacteriobentosului

şi, ca urmare a hidrodinamismului sunt resuspendate în masa apei, chiar dacă adâncimea la

care ajung frustulele silicioase depăşeşte haloclina. Este, prin urmare, evident faptul că

proprietăţile optice ale apei sunt influenţate de condiţiile meteorologice, vânturile de

intensitate mare, deci valurile de mare amplitudine, pe lângă faptul că antrenează particulele

organice şi anorganice de pe fundul chiuvetei, pot concentra suspensiile în anumite arii ale

mării, alte zone rămânând cu apă limpede.

Condiţiile climatice îşi pun şi ele amprenta asupra proprietăţilor optice ale apei,

direct, prin variaţiile densităţii în corelaţie cu temperatura ambientală (şi deci şi a apei), dar şi

ca urmare a realizării unei stratificări a maselor de apă, stratificare care, în condiţii de calm,

menţine concentrat fitoplanctonul şi suspensiile organice într-un anumit orizont, iar în condiţii

de amestec, când se instalează homeotermia (vernală si cea autumnală), planctonul şi triptonul

sunt relativ uniform repartizate în coloana de apă (Boss et al., 2007).

6

Studii de spectrofotometrie pun in evidenţă capacitatea diferită de absorbţie în

condiţii experimentale a luminii de către pigmenţii asimilatori ai diferitelor specii de alge

unicelulare, prefigurând o metodă eficientă, in situ de determinare calitativă a

fitoplanctonului. Astfel, eficienţa de absorbţie a luminii variază semnificativ la două specii de

microfite: diatomeul Cyclotella cryptica şi alga verde Chlorella salina (Neumüller,

Cunningham, Mekee, 2002).

Cercetările recente scot în evidenţă faptul că microflora bacteriană şi cea algală

sunt factorii cheie care determină proprietăţile optice ale apei de mare. Pentru a demonstra

acest lucru Balch et al. (2002) realizează infectarea unei culturi de bacterii marine cu un virus

(bacteriofag) şi proprietăţile optice ale apei în mediul de lucru sunt grav alterate faţă de

martor.

Directa legătură între cantitatea de material organic din coloana de apă şi

fitoplanctonul existent este relativ uşor de evidenţiat prin corelaţia dintre concentraţia de

clorofilă-a şi agregatele organo-bacteriene. Studiile arată o lesne de observat dependenţă

cantitativă între concentraţia de pigment asimilator şi cea de substanţă organică particulată

(fig. 3.).

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

conc

entra

ţia d

e cl

orof

ila-a

(µg•

l-1)

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

conc

entr

aţia

de

subs

tanţă

orga

nică

par

ticul

ată

(mg

C•l-1

)

clorofila-aPOM

Fig. 3. Cantitatea de clorofilă-a şi de substanţă organică particulată în Marea Baltică

(după Schrimpf et al., 2005)

7

Estimarea concentraţiei de clorofilă-a poate fi realizată şi din satelit, permiţând o

permanentă evaluare a culorii, a calităţilor optice ale apei de mare, dar şi a resurselor trofice

(Schrimpf et al., 2005).

Făcând analiza legăturilor dintre concentraţia de clorofilă-a, ca expresie a

cantităţii de fitoplancton, deci a producţiei primare în coloana de apă şi cea de zooplancton

(exprimată prin cantitatea de carbon organic particulat), Grey, Jones, Sleep (2000) constată că

în medii cu concentraţii diferite de nutrienţi se stabilesc corelaţii cu caracter particular

(fig. 4.). Astfel:

• în mediu oligotrof (cu o concentraţie de săruri de fosfor ce 5-10 µg•l-1),

pe măsură ce creşte cantitatea de fitoplancton, proporţional sporeşte şi biomasa

consumatorilor, (coeficient de corelaţie mare, r2 = 0.94), fără ca în mediu să

existe substanţă organică particulată alohtonă ori anterioară momentului

analizei;

• pe măsură ce cantitatea de săruri biogene disponibile în mediu sporeşte

(fosfor total cuprins între 10-30 µg•l-1 în mediu mezotrof - între 30-100 µg•l-1

în mediu eutrof, respectiv într-o concentraţie mai mare de 100 µg•l-1 în mediu

considerat hipertrof) nu se mai poate stabili o relaţie directă între cantitatea de

fitoplancton (exprimată prin cantitatea de clorofilă-a şi cea a consumatorilor

primari (valoarea coeficientului de corelaţie scade), deoarece în mediu există

şi material organic neviu, cumulat în timp.

La o concluzie asemănătoare ajung şi Amon, Benner, 1997, respectiv Lieberman,

Horn, Duffy (2001) analizând însă dinamica structurii comunităţii pelagice în cursul unui an,

în perioada de primăvara (aprilie), în condiţii oligotrofe, cu o uniformizare termică pe

coloană, după creşterea cantitativă a unicelularelor de talie mică (diatomee cu diametrul în jur

de 25 µm), creşte proporţional şi cantitatea de zooplancton erbivor (copepode calanoide),

formele mari, consumatoare de substanţă organică particulată apărând odată cu instalarea

condiţiilor de tip eutrof, de la începutul verii.

Pentru un lac mezo-mixohalin (Lacul Chany din Siberia, Rusia), situaţia este

asemănătoare: cantitatea de fitoplancton (exprimată prin concentraţia de clorofilă-a) creşte

odată cu încălzirea apei (fig. 5.), iar cantitatea de suspensii din apă urmează aceeaşi tendinţă:

la temperaturi ridicate, în timpul dezvoltării exuberante a producătorilor primari, sporeşte

cantitatea de material organic particulat din apă, atât pe seama zooplanctonului (specii de

cladocere Ceriodaphnia sp., Daphnia longispina, Syda crystalina care sunt comune şi în

planctonul neritic al Mării Negre), dar mai ales a agregatelor organo-bacteriene, de

8

provenienţă autohtonă (formate pe seama hidrobionţilor), dar şi alohtonă (frunze ale arborilor

din proximitatea lacului)şi care modifică proprietăţile optice ale apei fiind modificate (Doi et

al., 2006).

mediu oligotrof

y = 1,5227x0,7728

R2 = 0,94090,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,00 0,20 0,40 0,60

concentraţia de clorofilă-a (µg•l-1)

PO

C (m

g C

•l-1)

mediu mezotrof

y = 0,4291x0,3189

R2 = 0,67450,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,00 3,00 6,00 9,00 12,00

concentraţia de clorofilă-a (µg•l-1)

PO

C (m

g C

•l-1

)

mediu eutrof

y = 0,8551x0,3963

R2 = 0,42240,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0,00 20,00 40,00 60,00

concentraţia de clorofilă-a (µg•l-1)

PO

C (m

g C

•l-1

)

mediu hipertrof

y = 1,6354x-0,1097

R2 = 0,03190,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

concentraţia de clorofilă-a (µg•l-1)

PO

C (m

g C

•l-1

)

Fig. 4. Corelarea concentraţiei de clorofilă-a şi de substanţă organică particulată (carbon organic particulat) în medii cu grad de troficitate diferit (după Grey, Jones, Sleep, 2000)

9

0

5

10

15

20

25

30

tem

pera

tura

(°C)

16,50

17,00

17,50

18,00

18,50

19,00

19,50

20,00

20,50

21,00

21,50

22,00

conc

entra

ţia d

e cl

orof

ilă a

(µg•

l-1)

clorofila -atemperatura

Fig. 5. Dinamica concentraţiei de fitoplancton (exprimat prin clorofilă-a) în funcţie de temperatură într-un ecosistem salmastru (lacul Chany) (după Doi et al., 2006)

În ape oligotrofe polare, în condiţii în care biomasa fitoplanctonică se menţine

constantă, cantitatea de zooplancton sporeşte pe seama materialului organic particulat de

origine alohtonă, în cazul coastei canadiene a peninsulei Alaska, provenit din calota de gheaţă

(France et al., 1998).

Aşa cum s-a arătat anterior, mai cu seamă în lacuri şi ecosisteme marine neritice,

substanţa organică particulată îşi are originea în zona trofogenă. Concentraţia cea mai mare de

substanţă organică particulată este decelată la adâncimi de 20 m şi 50 m ( în medie

60 µg C•l-1), zone în care şi cantitatea de fitoplancton este maximă (Iseki, 1981 a).

Agregatele organo-bacteriene din orizonturile superioare sunt filtrate, reţinute la

acest nivel de consumatori primari (organisme zooplanctonice) (Amon, Benner 1997). Fie ca

atare (POM – ce va deveni detritus), fie asimilat de consumatori, în timp, triptonul coboară

spre fundul chiuvetei, depunându-se pe substrat dur ori ajungând să fie încorporat în

sedimente. Ca urmare a hidrodinamismului, resuspendarea particulelor organice şi minerale

este posibilă şi ca urmare proprietăţile optice ale apei sunt puternic modificate.

Literatura scoate în evidenţă o cale eficientă şi rapidă de concentrare a

suspensiilor pe fundul chiuvetei, deci curăţirea apei şi ca urmare apropierea parametrilor săi

optici de cei normali. Este vorba de filtrarea realizată de organismele bentale, cu precădere

moluştele bivalve (Pérès, Devèze, 1963), dar şi fecalele organismelor macrozooplanctonice,

10

cu un diametru mediu de până la 67-100 µm cum sunt crustaceele (Iseki, 1981 b) şi salpele

(Thaliacea). În apele Californiei, unde în plancton se găsesc numeroase exemplare de salpe

din specia Thalia democratica (densitate medie de 275 ex•m-3), organisme care reţin pe

sistemul lor de filtrare particule aflate în suspensie, cu o gama variată de dimensiuni - de la

1µm (ordin de mărime căruia-i corespund algele unicelulare) pana la aproximativ 1000 µm

(organisme zooplanctonice, agregate organo-bacteriene!) şi cu o rata de filtrare de 10 l•oră-

1•exemplar-1). Asemenea organisme eficiente în a extrage din mediu toate suspensiile (tripton,

dar şi seston) elimină un volum însemnat de fecale ce reprezintă de fapt, tot substanţă

organică particulată, dar compactată în granule cu diametru de 300 µm, care au posibilitatea

de a se scufunda mai repede, deci de a părăsi coloana de apă cu o rată de

8,5-137,0 µg C•zi-1•m-2, în timp ce organisme zooplanctonice moarte transportă zilnic pe

fundul chiuvetei doar 3,6 µg C•zi-1•m-2(Iseki, a).

Proprietăţile optice ale apei sunt profund alterate şi de prezenţa peliculei de

hidrocarburi.

Au fost realizate numeroase studii în vederea stabilirii cauzelor majore care duc la

contaminarea mediului marin cu produse petroliere. Unul relativ recent (2000), realizat de

Academia de Ştiinţe a Statelor Unite arată că ponderea deversărilor cu petrol o deţin efluenţii

de ape uzate urbane şi din industrie (37 %), la care se adaugă manevrele defectuoase cu nave

petroliere (33%), ceea ce reprezintă de aproape 6 ori mai mult decât deversările provenite în

urma accidentelor navale (12%) (fig. 6.).

33%

12%

9%

7% 2%37%

operaţiuni navale

ape uzate industriale şiurbaneforaje (exploatare şicercetare)surse naturale

aerosoli

accidente cu tancuri

Fig. 6. Ponderea deversărilor cu petrol în mare (Anonymus, 2000)

11

Navele petroliere pot fi implicate în diferite tipuri de incidente care se soldează cu

pierderi de hidrocarburi. Astfel, pentru perioada 1974-1985 s-a estimat că anual s-au

răspândit pe luciul mării 400 000 tone anual, ca urmare a evenimentelor la care au participat

petroliere. Dintre acestea, ponderea cea mai mare o au operaţiile de încărcare/descărcare,

respectiv de alimentare cu combustibil (însumează 92% din incidente), dar având drept

rezultat răspândirea unor cantităţi modeste de petrol( mai puţin de 7 tone pe an). Accidentele

(coliziuni şi naufragii) reprezintă mai puţin de 10%, dar implică pierderi mai mari de 700 tone

anual (tabelul 1).

Tabelul 1

Cantitatea de petrol deversată în mare anual (tone) ca urmare a incidentelor majore în care au fost implicate petrolierele în

perioada 1974-1985 ( după Anonymus, 1999)

< 7 tone 7-700 tone > 700 tone TOTAL

Operaţiuni de încărcare/descărcare 2236 227 11 2474

Alimentare cu combustibil 442 22 - 464

Coliziuni 39 134 54 227

Naufragii 69 134 70 273

TOTAL 2786 517 135 3438

În zilele noastre, când rezervele de combustibili fosili din arii continentale scad

asimptotic, speranţa se îndreaptă mai ales spre stocurile de petrol ascunse în platforma

continentală a mărilor. Se estimează stocul relativ recent descoperit (în 1973) din zona

circumantarctică a fi de15•106 barili, cel foarte cunoscut din Marea Nordului – la 19,7•106

barili, cel îndelung exploatat din apele ce scaldă Alaska – la 8,25•106 barili (Anonymus,

1994). Din exploatarea rezervelor submarine de petrol, cât şi în urma forărilor experimentale

sau în decursul proceselor de cercetare, se varsă însă în mare doar 2% din totalul de

hidrocarburi ce poluează apa oceanului (fig.6.)

Odată ajuns la suprafaţa mării, petrolul, un lichid cu viscozitate mare, se

răspândeşte şi un timp, datorită densităţii mici, pluteşte. Caracteristicile mecanice ale

produselor petroliere diferă de la o categorie, la alta (tabelul 2).

12

Tabelul 2

Caracteristici mecanice ale diferitelor tipuri de produse petroliere (după Anonymus, 2000)

Tip de produs petrolier densitate (kg •l-1) Viscozitate (mPAS)

ţiţei 0.80-0.95 1-100

benzină 0.70-0,78 0.50

petrol 0.80 2.0

benzină pentru avion 0.8 1.5-2.0

petrol tip Diesel 0.85 5.0

În poluările accidentale cu petrol sunt implicate diferitele tipuri de produse,

ponderea deţinând-o ţiţeiul (27%) la care se adaugă carburanţii utilizaţi de nave (10%) şi cei

transportaţi de navele petroliere (fig. 7.)

15%4%3%

29%

10%

4%

27%

7%1%

bitumuri

benzine

ţiţei

tip necunoscut

hidrocarburi de santină

carburanţi din depozite

carburanţi din rezervorulnavelorresturi provenite din spălareatancurilorlubrifianţi

Fig. 7. Ponderea diferitelor tipuri de produse petroliere

deversate pe mare în poluările accidentale (Anonymus, 2000)

Odată ajunse la suprafaţă mării, produsele petroliere sunt implicate într-o serie de

procese care depind de parametri mecanici ai respectivului produs (densitate, viscozitate,

condiţionate de calitatea derivatului de petrol), dar şi de hidrodinamica mării. Prin examinarea

unui bazin acvatic afectat de poluare cu petrol cu ajutorul unui sistem LIDAR sunt surprinse

anumite caracteristici optice ale apei de la interfaţa aer/apă, dar şi în straturile subiacente,

13

astfel încât observatorul poate obţine doar informaţii disparate, care trebuie integrate într-un

context generalizator pentru a caracteriza calitativ şi cantitativ respectivul accident (Dolgin,

Khmel´nitskii, 1984, Otremba, Król, Piskozub, 2002).

Pe scurt, etapele parcurse de produsul petrolier ajuns la suprafaţa mării sunt

următoarele (fig. 8, 9.)(Anonymus, 1999, 2003, Korotenko et al., 2002):

• răspândirea la suprafaţa mării este condiţionată de tensiunea superficială a

ambelor lichide, de starea de agitaţie a mării, fiind mai rapidă în cazul unei

deversări bruşte, decât dacă este vorba de o scurgere lentă şi are drept rezultat

formarea unei pelicule mai mult sau mai puţin groase, mai mult sau mai puţin

continui;

• evaporarea este determinată de particularităţile produsului petrolier, dar şi de

suprafaţa pe care s-a realizat răspândirea; se produce imediat după accident

(primele 100 ore);

• fotoliza afectează anumite fracţiuni aflate în pelicula de la suprafaţă sau în

micile picături şi procesul se poate prelungi timp îndelungat (104 ore);

• dispersia este condiţionată de procesele de turbulenţă: o parte a materialului

este transformat în mici picături care se menţin în suspensie, altă parte rămâne

sub formă de pete cu caracter discontinuu; în funcţie de hidrodinamism,

picăturile mai mari se pot reîntoarce la suprafaţă şi să fuzioneze la pelicula

rămasă;

• emulsia afectează picăturile de petrol aflate în masa apei şi se produce în

condiţiile unei mări agitate, procesul putându-se prelungi până la 1000 ore de

la producerea accidentului;

• diluţia este condiţionată de calitatea produsului petrolier, de gradul în care s-a

realizat dispersia şi emulsia, dar şi de gradul de agitaţie al mării şi se

prelungeşte imp îndelungat, după momentul deversării produsului petrolier;

• difuzia se realizează în coloana de apă, pe orizontală şi pe verticală, ducând la

contaminarea maselor de apă pe întreaga coloană;

• oxidarea se produce la interfaţa cu atmosfera, produşii petrolieri şi fracţiunile

ce intră în compoziţia lor transformându-se din punct de vedere chimic în

urma interacţiunii cu oxigenul, compuşi rezultanţi având noi proprietăţi

mecanice şi fizice;

14

Fig. 7. Etape parcurse de produsele petroliere ajunse în mare

(schemă după Korotenko et al., 2002)

• formarea picăturilor de smoală se petrece la 1000-10000 ore de la momentul

accidentului;

• sedimentarea afectează picăturile de smoală deja formate; picăturile pot fi

incorporate în substrat mobil, pot pătrunde în anfractuozităţile substratului

stâncos, dar pot fi resuspendate în coloana de apă;

• biodegradarea picăturilor de petrol sub acţiunea microorganismelor;

• bioacumularea - picăturile de petrol pot fi filtrate de suspensiofagi planctonici

şi bentali şi introduse în circuitul trofic.

Răspândirea, evaporaţia, dispersia, emulsia şi diluţia compuşilor solubili prezintă

importanţă în prima perioadă de timp scursă după accident, pe când oxidarea, sedimentarea,

biodegradarea sunt de durată şi se continuă timp îndelungat, după momentul iniţial.

Vânt

Emulsie Fotoliză

Evaporaţie

PeliculaRăspândire

Ridicarea la suprafaţă a picăturilor

Dispersie

curenţi Adsorbţia picăturilorBiodegradare Bioacumulare

Difuziune verticală

Difuziune orizontalăSedimentare

Încorporarea în sediment şi resuspendarea picăturilor

Diluţia compuşilor solubili

Derivă

15

Fig. 8. Reprezentarea temporală a etapelor parcurse de produsele petroliere ajunse în mare (schemă după Korotenko et al., 2002)

*

În condiţiile Mării Negre, ponderea suspensiilor este dată de substanţa organică

particulată, urmată de bogatul euplancton (alge unicelulare şi organisme animale) la care se

adaugă particulele minerale. Ca origine, substanţa organică particulată este autohtonă, dar şi

adusă de tributari, cu precădere de Dunăre (76,65% din materialul transportat de

fluviu)(Gomoiu, 1995). Pe aceeaşi cale ajung în mare şi însemnate cantităţi de produse

petroliere (40-50000 tone•an-1) (Zaitsev, Mamaev, 1997).

Studii recente (Banaru, Onciu, 2007, Banaru et al., 2007, Saliot et al., 2002) folosind

amprenta izotopilor stabili de carbon şi respectiv azot în analiza originii substanţei organice

(tripton integral) din coloana de apă din zona neritică a Mării Negre, arată că în proximitatea

gurilor de vărsare a Dunării domină materialul alohton vehiculat de fluviu, spre sud, acesta

lăsând locul celui de origine marină. Spre sfârşitul iernii, respectiv începutul primăverii,

cantitatea de suspensii organice este mai mică decât în celelalte sezoane (tabelul 3).

DURATA (ore)

EVAPORARE

DISPERSIA (formarea

EMULSIA

FOTOOXIDAREA

BIODEGRADAREA

DILUŢIA

SEDIMENTAREA

Formarea picăturilor de smoală

16

Tabelul 3

Valori medii sezoniere (+/- d.s.) a δ13C şi a δ15N din substanţa organică particulată din apa de mare în sectorul nordic (Sulina - Constanţa) şi sudic (Constanţa – Costineşti)

a litoralului românesc, cantitatea de suspensii organice (SPM), salinitatea (S) şi temperatura (T°C) (n = număr de eşantioane) (Banaru et al., 2007)

Zona Adâncime Anotimp

13C ‰ 13N ‰ SPM mg•l-1 S (psu) T°C n = 6 n = 6 n = 6 n = 6 n = 6

Media ds Media ds Media ds Media ds Media ds

NORD

ape neritice Toamna -27.8 0.5 4.4 2.3 12.2 6.2 3.5 0.6 17.0 1.6

Primăvara -27.4 0.2 7.7 0.2 13.6 9.5 7.2 0.9 18.3 2.5

ape de larg Toamna -26.5 2.0 7.0 0.7 31.0 2.4 1.9 0.0 19.0 0.6

Primăvara -23.2 0.3 5.5 0.6 6.9 3.4 9.7 1.1 17.5 1.6

SUD

ape neritice Toamna -22.0 0.7 7.8 1.9 4.8 1.5 14.3 2.7 18.3 0.3

Primăvara -22.1 1.9 9.3 2.3 3.5 1.6 14.6 2.9 15.3 3.6

ape de larg Toamna -24.1 0.7 6.4 0.3 1.9 0.3 10.9 2.4 14.5 4.9

Primăvara -24.3 0.3 5.9 1.3 1.5 0.3 10.4 2.8 14.5 4.9

De fapt, este bine cunoscut faptul că în lunile de primăvară, la ţărmul românesc al

Mării Negre (la sud de gura de vărsare a braţului Sulina) cantitatea de suspensii este relativ

mică, şi ca urmare a particularităţilor optice ale apei, s-a stabilit o scară a culorilor în corelaţie

cu speciile dominante din fitoplancton (tabelul 4).

Tabelul 4

Legătura dintre culoarea apei, transparenţă (m) şi speciile dominante de alge unicelulare la litoralul românesc al Mării Negre (după Skolka, 1963, 1965, Trufaş, 1969)

Anotimp Culoarea apei Transparenţa

(m) Specia de algă fitoplanctonică

Iarna albastru marin intens 35.00 Chaetoceros socialis albastru marin 30.00 Thalasiosira subsalina

Sceletonema costatum Primăvara

albastru intens 25.00 albastru 23.00 Nitzschia seriata albastru deschis 22.00 Cerataulina bergonii

Primăvara târzie albastru-verzui intens 15.00 Rhysosolenia fragilissima albastru-verzui 11.00verde-albăstrui intens 8.00 Microcystis aeruginosa

Vara

verde-albăstrui 6.00 Mersimopedia tenuissima verde-albăstrui deschis 5.00 Aphanisomenon flos-aquae verzui 4.00 Thalasionema nitzchoides verde gălbui cu nuanţe brune 3.00 Prorocentrum chordatum

Vara târzie

galben-verzui 2.20 Leptocylindrus dannicus galben 1.75 Ceratium furca galben-brun 1.20 Goniaulax polyedra brun-galben 0.90 Mesodinium rubrum

Toamna brun 0.70 Ceratium fusus

17

În extrema nordică a litoralului românesc, aflată sub influenţa braţului Chilia, dar

şi a tributarilor de la ţărmul ucrainean (Nistru, Nipru), apele de suprafaţă ale Marii Negre

prezintă o turbiditate pronunţată. Pentru perioada 1961-2000, debitul solid al Braţului Chilia

a fost în medie de 5-8 •106 tone•an-1, cu maxime în perioada de viitură (528 g•m-3). Aportul de

nutrienţi duce la dezvoltarea unui bogat fitoplancton chiar în apele Dunării (dominat de

diatomee, ceea ce are drept consecinţă scăderea concentraţiei sărurilor de siliciu asimilabil de

la 4,375 mg•l-1 în perioada 1958-1960, la 2.120 mg•l-1 în perioada 1997-2000), generator de

tripton în apele mării. La acesta, o contribuţie însemnată o au resturile organice ce rezultă în

urma descompunerii bogatului material organic ce are drept sursă stuful din deltele interioare

ale Braţului Chilia, dar mai ales din cea secundară (Berlinsky, Bogatova,Garkavaya, 2006).

Autorii menţionaţi scot în evidenţă şi o contaminare a apelor mării cu produse

petroliere (0.04-0.34 mg•l-1) aduse de fluviu:0.01-0.48 mg•l-1 (valori medii pentru perioada

1993-1997).

La ţărmul anatolian (sudic) al Mării Negre, aflat mai mult sub influenţa apelor

sărate pătrunse prin Bosfor parametri chimici, biologici şi implicit cei optici sunt comparabili

cu cei de la litoralul vestic, în condiţiile unei salinităţi medii de 17,8-20,6 psu (Yilmaz et al.,

1998):

• transparenţa - 35 m primăvara (martie-aprilie) în zona Bosforului, 21 m

in dreptul Capului Sinop;

• cantitatea de clorofilă-a – în zona Bosforului creşte de la 0.66 µg•l-1 în

martie - aprilie, la 0.82 µg•l-1 în iulie; şi este de 0.37µg•l-1 la Cap Sinop, în

aprilie.

Rezumând, Calităţile optice ale apei de mare sunt condiţionate, pe lângă factori

mecanici (densitate, vâscozitate) şi fizici (temperatura, hidrodinamism), de salinitate dar şi de

concentraţia de suspensii (seston, holoplancton şi tripton) şi de prezenţa produselor petroliere

sub formă de peliculă sau emulsionate.

Marea Neagră este un bazin cu o productivitate biologică ridicată, bazată pe un

aport consistent de săruri biogene, cea mai mare parte adusă de tributari, doar o cantitate mică

resuspendată. Bogatul fitoplancton, cantonat în zona trofogenă, cunoaşte maxime cantitative

la sfârşitul primăverii calendaristice (mai-iunie) şi în timpul verii. El constituie atât baza

trofică a consumatorilor primari, dar, după moarte, şi o sursă de material organic suspendat ce

devine o sursă alternativă de hrană pentru zooplancton şi organismele detritivore din zona

trofolitică (bentos) – suport trofic pentru consumatorii secundari şi de ordin superior. După

încheierea ciclului lor biologic, rămăşiţele acestor organisme sunt atacate de descompunători

18

şi se formează agregatele organo-bacteriene. Cu prilejul furtunilor, când hidrodinamismul este

mult amplificat, acest material este resuspendat, adăugându-i-se şi fracţiuni minerale

(sestonul). Dar, paleta calitativă a triptonului în Marea Neagră conţine şi o însemnată cantitate

de origine alohtonă, rezultată în acelaşi mod, dar bazată pe producţia primară a tributarilor, cu

precădere a Dunării.

Dunărea aduce însă şi o însemnată cantitate de suspensii anorganice ce se adaugă

sestonului autohton, dar şi de produse petroliere, ultimele adăugându-se cantitativ celor

provenite în urma deversărilor accidentale petrecute în bazinul Mării Negre, în activitatea

petrolierelor ori în manevrele de alimentare ale celorlalte tipuri de nave.

Influenţa marelui fluviu se face simţită mai ales la litoralul vestic al Mării Negre –

prin urmare la ţărmul românesc, unde se află şi unul din cele mai importante porturi –

Constanţa.

*

* *

Drept concluzie cu valoare de recomandare pentru alegerea zonei şi momentului

de lucru pentru testarea sistemului Lidar la litoralul românesc al Mării Negre considerăm că

reţeaua de staţii

• trebuie să fie amplasată în sectorul sudic al litoralului (unde influenţa

Dunării este diminuată);

• să fie circumscrisă portului Constanţa pentru a avea spre comparaţie şi

zone de mare care sunt afectate de poluare petrolieră;

• să includă în aria de investigaţii zona Midia (unde domină substratul

mobil, unde există şi un port cu trafic redus, dar şi ape mai bogate în suspensii)

şi să se extindă, pentru comparaţie, până la Agigea - Eforie Nord (substrat

stâncos, turbiditate redusă, influenţe antropogene mai puţin manifeste),

iar expediţia de lucru să aibă loc primăvara, după încheierea furtunilor de echinocţiu, dar nu

mai târziu de mijlocul lunii mai (să nu depăşească primăvara târzie), pentru caracterizarea

hidro-optică a apei urmând a se colecta şi probe de apă pentru determinarea suspensiilor vii

(fitoplancton şi zooplancton), importante surse autohtone de material organic din coloana de

apă.

19

BIBLIOGRAFIE

AMON, R.,M.,W., BENNER, R., 1997 – Seasonal patterns of bacterial abundance and

production in the Mississippi River plume and their importance for the fate of

enhanced primary production, Microbial Ecology, 35: 289-300.

ANONYMUS, 1994 – Ocean - Managing the Ocean, The GAIA Atlas of Planet Management,

Norman MMYERS editor, Gaia Books Limited, London: 84-93.

ANONYMUS, 1999 – The oil spill, Response to marine oil spills – The international tankers

owners’ pollution federation LTD, Witherby publishers, London: 1-11.

ANONYMUS, 2000 – A guide to contingency planning for oil spills on water - Information

gathering and risk assessment, IPIECA report series, 2: 10-14.

ANONYMUS, 2003 – Biological impacts of oil pollution: rocky shores, IPIECA report

series, 7: 10-11.

BALCH, W., M., VAUGHN, J.,M., NOVOTNY, J.,F., DRAPEAU, D.,T., GOES, J., I.,

BOTH, Emily, LAPIERRE, M., Janeen, VINING, L., Cathy, ASHE, Amanda,

VAUGHN, M.,J., jr., 2002 – Fundamental changes in light scattering associated

with infection of marine bacteria by bacteriophage, Limnol. Oceanogr., 47, 5:

1554-1561.

BANARU, Daniela, ONCIU, Teodora Maria, 2007 – Contribution á l´étude des suspensions

dans les eaux côtières du littoral roumain de la mer Noire en printemps 2006,

Rapp. Com. Int. Mer Médit, 38

BANARU, Daniela, HARMELIN-VIVIEN, Mireille, GOMOIU< M.-T., ONCIU, Teodora

Maria, 2007 – Influence of the Danube River inputs on C and N stable isotope

ratios of the Romanian coastal waters and sediment (Black Sea), Marine Pollution

Bulletin (in press).

BARNABÉ, G., Régine BARNABÉ-QUET, 2000 – Ecology and Management of Coastal

Waters, Springer-Praxis Publishing, Chichester: 396 pp.

BERLINSKY, N., BOGATOVA, Yulia, GARKAVAYA, Galina, 2006 – Estuary of the

Danube, Hdb. Env. Chem., 5, H: 233-264.

BOSS, E., S., COLLIER, R., LARSON, G., FENNEL, Katja, PEGAU, W.,S., 2007 –

Measurements of spectral optical properties and their relation to biogeochemical

variables and processes in Crater Lake, Crater Lake National Park, OR,

Hydrobiologia, 547: 149-159.

CASTRO, P., HUBER, M., 1997 – Marine Biology, WCB/McGraw-Hill, New York.

20

DOI, Hideyuki, ZUYKOVA, Elena, KIKUCHI, Eisuke, SHIKANO, Shuichi, KANOU,

Keiichi, YURLOVA, Natalia, YADRENKINA, Elena, 2006 – Spatial changes in

carbon and nitrogen stable isotopes of the plankton food web in a saline lake

ecosystem, Hydrobiologia, 571: 395-400.

DOLGIN, S.,I., KHMEL´NITSKII, G.S., 1984 – LIDAR for the detection of oil pollution and

chlorophyll in water, Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, 6: 8-11.

ELTON, Ch.S., 1927 – Animal ecology, Sidgwick &Jackson, London.

FABIANO, M., PUSCEDDU, A., 1998 – Total and hydrolizable particulate organic matter

(carbohydrates, proteins and lipids) at a coastal station in Terra Nova Bay (Ross

Sea, Antarctica), Polar Biol, 19: 125-132.

FISCHER, H., WANNER, C., Susanne, PUSCH, M., 2002 – Bacterial abundance and

production in river sediments as related to the biochemical composition of

particulate organic matter (POM), Biogeochemistry, 61: 37-55.

FRANCE, R., LORET, J., MATHEWS, R., SPRINGER, J., 1998 – Longitudinal variation in

zooplankton 13C through the Northwest Passage: inference for incorporation of

sea-ice POM into pelagic foodwebs, Polar Biol, 20:335-341.

GREY, J., JONES, R.,I., SLEEP, D., 2000 – Stable isotope analysis of the origins of

zooplankton carbon in lakes of differing trophic state, Oecologia, 123: 232-240.

GOMOIU, M.-T., 1995 – Conservation des écosystèmes côtières de la mer Noire, Fr.

BRIAND (ed) Mediterranean Trybutary Seas, CIESM Science ssries, 1 :27-43.

GUILLÉN, J., PALANQUES, A., PUIG, P., DURRIEUX DE MADRON, X., NYFFELER,

F., 2000 – Field calibration of optical sensors for measuring suspended sediment

concentration in the western Mediterranean,, Scientia Marina, 64, 4: 427-435.

HELLINGS, L., DEHAIRS, F., TACKX, KEPPENS, E., BAYENS, W., 1999 – Origin and

fate of carbon in freshwater part of the Scheldt Estuary as traced by stable carbon

isotope composition, Biogeochemistry, 47: 167-189.

ISEKI, K., 1981 a – Particulate organic matter transport to the deep sea by salp fecal pellets,

Marine Ecology- Progress Series, 5: 55-60.

ISEKI, K., 1981 b – Vertical transport of particulate organic matter in the deep Bering Sea

and gulf Alaska, Journal of Oceanography, 37, 3:101-110.

KOROTENKO, K.,A., MAMEDOV, R.,M., MOOERS, C.,N.,K., 2002 – Prediction of the

transport and dispersal of oil in the South Caspian Sea resulting from blowouts,

Environmental Fluid Mechanics, 1: 383-414.

21

LEE, Cindy, WAKEHAM, S., ARNOSTI, C., 2004 – Particulate Organic Matter in the Sea:

The composition Conundrum, Ambio: A journal of the Human Environment, 33,

8:565-575.

LIEBERMAN, D.,M., HORN, M., J., DUFFY, S., 2001 – Effects of a temperature control

device on nutrients, POM and plankton in the tailwaters below Shasta Lake,

California, Hydrobiologia, 452: 191-202.

NEUMÜLLER, M., CUNNINGHAM, A., MEKEE, D., 2002 – Assessment of a microscopic

photobleaching technique for measuring the spectral absorption efficiency of

individual phytoplankton cells, Journal of Plankton Research, 24, 8: 741-746.

ONCIU, Teodora Maria, SKOLKA, M., GOMOIU, M.-T., 2006 – Ecologia comunităţilor

zooplanctonice de la litoralul românesc al Mării Negre, Ovidius University Press,

Constanţa: 169p.

OTREMBA, Z., KRÓL, T., PISKOZUB, J., 2002 – Visibility of oil dispersed in the sea,

Proceedings of 3rd International Conference Oil pollution – prevention,

characterization, clean technology, Gdansk: 144-148.

PÉRÈS, J.M., DEVÈZE, L., 1963 - Océanographie biologique marine, 1, 2. Presses

Universitaires de France, Paris, 529+503 p.

POLLEHNE, F., 2005 – sedimentation of particulate organic matter in the central Baltic

basin, http://www.helcom.fi/environment2/ifs/ifs2005/en_GB/sedimentation/

SALIOT, A., DERIEUX, S., SADOUNI, N., BOULOUBASSI, I., FILLAUX, J., DAGAUT,

J., MOMZIKOFF, A., GONDRY, G., GUILLOU, C., BREAS, O., CAUWET, G.,

DELIAT, G., 2002 – Winter and spring characterization of particulate and

dissolved organic Matter in the Danube-Black Sea Mixing Zone, Estuarine,

Coastal and Shelf Science, 54, 3: 355-367.

SCHRIMPF, W., ZIBORDI, G., MÉLIN, F., DJAVIDNIA, S., 2005 – Chlorophyll-a

concentrations, temporal variations and regional difference from satellite remote

sensing, http://www.helcom.fi/environment2/ifs/ifs2005/Chlorophyll-a/en_GB/

STUGREN, B., 1994 – Ecologie teoretică, Casa de Editură "SARMIS" – Cluj-Napoca.

TRUFAŞ, V., 1969 – Hidrologia R.S.R., Marea Neagră – note de curs, Centrul de

multiplicare al Universităţii din Bucureşti.

YILMAZ, A., TUGRUL, S., POLAT, C., EDIGER, Dilek, ÇOBAN, Y., MOROÇ, E., 1998 –

On the production, elemental composition (C, N, P) and distribution of

photosynthetic organic matter in the Southern Black Sea, Hydrobiologia, 363:

141-156.

22

ZAITSEV, Yu. P., MAMAEV, V., 1997 – Biological Diversity in the Black Sea – A study of

change and decline, Black Sea environmental Series, 3, New York: 208 pp

ZIEGLER, E., Susan, FOGEL, L., Marilyn, 2003 – Seasonal and diel relationship between the

isotopic compositions of dissolved and particulate organic matter in freshwater

ecosystems, Biogeochemistry, 64: 25-52.

http://en.wikipedia.org./wiki/Particulate