Contact Us
Human Activities

Стойкие органические загрязнители в Антарктике

Simonetta Corsolini (1)*, Cristóbal Galbán-Malagón (2,3) & Rosalinda Carmela Montone (4)

(1) Department of Physical, Earth and Environmental Sciences, University of Siena, Siena, Italy. simonetta.corsolini[at]unisi.it
(2) Departamento de Ecología y Biodiversidad, Facultad de Ciencias de la Vida, Universidad Andres Bello. Santiago de Chile, Chile. cristobal.galban[at]unab.cl
(3) GEMA Center for Genomics, Ecology & Environment, Universidad Mayor, Huechuraba, Santiago, Chile.
(4) Departamento de Oceanografia Física, Química e Geológica, Instituto, Oceanográfico da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil. rmontone[at]usp.br

Стойкие органические загрязнители (СОЗ) представляют собой химические вещества антропогенного происхождения на основе углерода, которые оказывают токсическое воздействие на организмы. По этой причине Программа Организации Объединённых Наций по окружающей среде в 2004 году реализовала Стокгольмскую конвенцию о СОЗ для охраны здоровья людей и окружающей среды. Благодаря своим физико-химическим свойствам СОЗ легко переносятся в основном атмосферными или океаническими течениями на большие расстояния, в том числе в полярные регионы, где эти химические вещества попадают в ловушку из-за крайне холодного климата. Оказавшись в антарктическом регионе, они биоаккумулируются в организмах и могут оказывать на них токсическое воздействие. Экосистемы Антарктики и Южного океана хрупки и обладают низкой сопротивляемостью, поэтому загрязнение может иметь непредсказуемые последствия. Более того, глобальное изменение климата может повлиять на абиотические факторы распространения и мобильности химических веществ в экосистемах Антарктики. Таким образом, знание концентрации и распределения загрязняющих веществ необходимо для понимания риска их воздействия на Антарктику и для оценки общего состояния окружающей среды и других возможных последствий в глобальном масштабе.

Стойкие органические загрязнители (СОЗ) представляют собой химические вещества антропогенного происхождения на основе углерода [1]. Благодаря своим физико-химическим свойствам (таблица 1) эти соединения широко используются во всём мире в сельском хозяйстве, промышленности и в быту (для борьбы с вредителями растений и уничтожения паразитов животных и человека). Эти уникальные свойства делают эти химические вещества вредными для организмов и окружающей среды, поэтому в 2004 году Программа Организации Объединённых Наций по окружающей среде реализовала Стокгольмскую конвенцию по СОЗ для охраны здоровья людей и окружающей среды [1]. Эти соединения характеризуются четырьмя критериями (таблица 1), в числе которых стойкость, способность к переносу в окружающей среде на большие расстояния (LRET), способность биоаккумулироваться и оказывать токсическое воздействие на организмы, в том числе на человека [1,2]. Согласно требованиям Стокгольмской конвенции необходимо провести тщательную оценку свойств химических веществ, прежде чем включать их в список СОЗ конвенции (таблица 1).

Таблица 1. Свойства СОЗ, их определение и критерии для включения химического вещества в список СОЗ Стокгольмской конвенции (представлено в изменённом виде из [1]).

Рисунок 1. Перенос в атмосфере на большие расстояния (LRAT) СОЗ и взаимосвязь между LRAT (см. текст) и цикличностью в абиотических и биотических компартментах экосистем (рисунок представлен в изменённом виде из [4]).

На биогеохимический цикл СОЗ напрямую влияют экологические переменные, такие как температура, скорость ветра, солнечная радиация, осадки и другие. Фактически, большинство СОЗ приобретают способность к переносу в окружающей среде на большие расстояния благодаря своей полулетучести, что позволяет им распространяться по всему миру путём трансграничного переноса в атмосфере на большие расстояния. Эти соединения испаряются из почв и водоёмов и, следовательно, могут переноситься на большие расстояния от источников и областей использования. Летучесть зависит от температуры, и, таким образом, СОЗ проходят различные циклы улетучивания-осаждения, прежде чем осаждаться в холодных областях [3] (рисунок 1). Антарктика и Южный океан считаются для них холодной ловушкой [4]. СОЗ (как ранее существовавшие соединения, так и недавно использованные потребительские химикаты) были обнаружены в Антарктике и в Южном океане, несмотря на их удаленность и географическую изоляцию. Однако на сегодняшний день опубликованной информации об уровнях и миграции СОЗ в окружающей среде, а также их воздействии на организмы в Антарктическом регионе по-прежнему недостаточно.

СОЗ изучались в абиотических и биотических компартментах антарктических экосистем, а их концентрации варьируются в зависимости от района, компартмента и времени отбора проб [5]. Наиболее изученными и обнаруженными СОЗ в окружающей среде Антарктики являются полихлорбифенилы (ПХБ), гексахлорциклогексаны (ГХГ), гексахлорбензол (ГХБ), дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) и другие хлорированные пестициды [5]. Концентрации СОЗ в атмосфере Антарктики были как минимум на порядок ниже, чем в других регионах [6-7], что также справедливо для снега, морского льда и морской воды [8]. Сезонные изменения наблюдались с более высокими уровнями летом, чем зимой [6].

Пищевая сеть стала наиболее изученным центром загрязнения СОЗ в Антарктике [9-13]. Для экосистем Антарктики характерны короткие пищевые сети, и большинство организмов зависят только от нескольких видов, таких как криль (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема пищевой сети Антарктики (рисунок представлен в изменённом виде из [4]). Бентическая пищевая сеть представлена в правой части рисунка: фильтрующие беспозвоночные получают твёрдые органические вещества из поверхностных вод и толщи воды и являются добычей других беспозвоночных и рыб.

СОЗ усваиваются организмами у основания пищевых сетей и постепенно переносятся на следующие трофические уровни (биомагнификация [5,11-15]), где они могут достигать значительных показателей. К сожалению, до сих пор было опубликовано мало информации о концентрациях в первичных производителях (основа пищевой сети) [5].  Было проведено несколько исследований для понимания биоаккумуляции и (или) воздействия СОЗ на антарктические организмы [13-15]: в организмах из экстремально холодной среды содержание липидов выше, чем у видов из умеренных или тропических регионов (они используют липиды для тепловой изоляции и в качестве запаса энергии), таким образом, они могут биоаккумулировать липофильные загрязнители, такие как СОЗ; кроме того, эти организмы часто демонстрируют плохую детоксикационную способность, что делает их более уязвимыми к накоплению СОЗ [14]. Антарктический криль (Euphausia superba)  и серебрянка (Pleuragramma antarcticum) являются ключевыми видами в морских пищевых сетях Антарктики и играют важную роль в переносе СОЗ [14-16]. В качестве биоиндикаторов СОЗ в Антарктике использовались пингвины (Pygoscelids) [5, например, 15-16], поскольку эти животные могут накапливать относительно высокие концентрации загрязняющих веществ из-за их трофического положения. Хорошо известно, что ГХБ, ДДТ и ПХБ являются преобладающими СОЗ в Антарктике, а их концентрации варьируются от нескольких нанограмм на грамм криля до двух порядков на верхних трофических уровнях (морских птиц и млекопитающих). Кроме того, в биоте также были обнаружены новые загрязнители, такие как антипирены (например, полибромированные дифениловые эфиры, ПБДЭ) [10-11,15-17].

В опубликованной литературе указывается, что концентрации в абиотических компартментах уменьшаются в 2 или 3 раза, что согласуется с результатами моделирования [18]. Как следствие, глобальные изменения будут влиять на разделение СОЗ и биогеохимию, особенно на улетучивание, диффузионный обмен между водой и воздухом, разделение газ-частицы и осаждение [19]. Более того, есть данные, что изменение климата повысит продуктивность в поверхностных водах [20] в сочетании с таянием ледников [8]. Полевые измерения показали, что изменения температуры будут увеличивать улетучивание ПХБ из почв, что даёт результаты, которые согласуются с моделями, показывающими, что улетучивание ГХБ будет увеличиваться в результате изменения климата, а концентрации в поверхностных водах будут уменьшаться [19-20]. Однако это увеличение концентрации в атмосфере может увеличить диффузионный обмен между воздухом и водой. Отбор проб в Антарктике показал, что первичная продуктивность является ключевым процессом, который связывает абиотический и биотический компартмент в миграции СОЗ [13]. В настоящее время остаётся неясным, приведёт ли увеличение первичной продуктивности в море к увеличению переноса через пищевые сети до уровня высших хищников, или напротив, будет увеличение концентраций в окружающей среде в донных отложениях и бентических кормушках.

Отмечаемая в настоящее время нехватка данных и отсутствие схем мониторинга затрудняют точную оценку уровней загрязнения и временных тенденций, однако данные более обстоятельных наблюдений из Арктики ясно продемонстрировали, какую роль инструментальный непрерывный и скоординированный мониторинг может играть в оценке рисков, связанных с этими соединениями (например, [6,21]). Международная программа мониторинга может помочь дать ответы на такие важные вопросы:

а) Как ремобилизация СОЗ из-за глобальных изменений (таяние льда [21], повышение температуры) повлияет на биогеохимический цикл СОЗ и перенос загрязняющих веществ через пищевую сеть? [4,19] (рисунок 3)

б) Как рост человеческой деятельности в регионе [4,22-23] повлияет на уровень СОЗ в компартментах окружающей среды? В настоящее время распространение СОЗ (в том числе антипиренов и полициклических ароматических углеводородов) со станций, научно-исследовательских, рыболовных и туристических судов неизбежно и, безусловно, является вторичным источником [4,23-24].

Рисунок 3. Выброс СОЗ в морскую воду во время таяния льда (рисунок представлен в изменённом виде из [4]).

Антарктический континент и Южный океан считаются крайне важными для глобального климата, баланса пресной воды и стабильности экосистемы, включая здоровье человека. Глобальные изменения могут повлиять на распространение СОЗ во всем мире и способствовать их переносу в антарктические районы, где они могут оказаться в ловушке во льдах и снегах. С таянием ледников, снега, пакового льда и обвалом шельфовых ледников [25] те СОЗ, которые были захвачены в прошлом (и, возможно, не используются до сих пор, как многие ранее существовавшие СОЗ), и те, которые недавно были перенесены на юг (в том числе новые загрязняющие вещества) могут попадать в окружающую среду. О влиянии изменения климата на ремобилизацию и осаждение СОЗ в Антарктике уже сообщалось [26], равно как и о последующих возрастающих концентрациях в организмах [27]. Поэтому изучение влияния изменения климата на биогеохимический цикл СОЗ, биоаккумуляцию и воздействие на экосистемы Антарктики должно иметь первостепенное значение. Возможный сценарий ближайшего будущего в Антарктике будет включать в себя повышение температуры [28] и выброс загрязняющих веществ, поэтому организмы должны быстро адаптироваться как к изменению окружающей среды, так и к повышению уровня СОЗ: смогут ли они сделать это в человеческих временных рамках?

1970-е гг.

Начало международных инициатив с целью сокращения или прекращения использования СОЗ.

1995 г.    

Совет управляющих Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) запрашивает международную оценку двенадцати СОЗ в своём решении 18/32. Межправительственному форуму по химической безопасности (МФХБ) предлагается разработать рекомендации по международным действиям.

2001 г.    

Подписана Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях, договор Организации Объединенных Наций (вступает в силу в 2004 году). Его цель – исключить или ограничить производство и использование СОЗ.

2001 г.    

Сеть операторов по окружающей среде Антарктики (AEON), группа сотрудников по охране окружающей среды, поддерживаемая Советом управляющих национальных антарктических программ (КОМНАП), публикует сводные данные о деятельности по мониторингу окружающей среды (КОМНАП-AEON, 2001 г.).

2002 г.    

Опубликован доклад (ЮНЕП, 2002 г.), в котором содержится первый обзор источников, переноса и воздействия 26 стойких токсических веществ (СТВ) в Антарктике (включая 12 СОЗ Стокгольмской конвенции) за период с 1979 по 1998 гг.

2005 г.    

Первое совещание Комитета по рассмотрению стойких органических загрязнителей (КРСОЗ), вспомогательного органа Стокгольмской конвенции, в Женеве, Швейцария.

2006 г.    

Постоянная научная группа СКАР по физическим наукам в 2006 г. создаёт на XXIX Совещании СКАР в Хобарте, Австралия, Инициативную группу «Загрязняющие вещества в окружающей среде Антарктики» (ECA), чтобы улучшить понимание микрокомпонентов в полярных средах.

2009 г.    

По запросу Стокгольмской конвенции публикуется отчёт КООС по СОЗ: «Стойкие органические загрязнители (СОЗ) в окружающей среде Антарктики. Обзор результатов», доступный по адресу: https://www.scar.org/library/scar-publications/occasional-publications/3507-persistent-organic-pollutants-pops-in-the-antarctic-environment-a-review-of-findings/

2018 г.    

Инициативная группа СКАР по СОЗ (Пути поступления стойких органических загрязнителей в Антарктику – ImPACT) официально утверждена на XXXV Совещании делегатов СКАР в Давосе, Швейцария. Её задачей является содействие исследованиям и мониторингу СОЗ в антарктическом регионе.

Other information:

  1. Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (POPs) as amended in 2009, Text and Annexes, http://chm.pops.int/
  2. B.G. Loganathan, P.K.S. Lam, Global contamination trends of persistent organic chemicals. CRC Press. Taylor and Francis, Boca Raton, FL, pp. 638. (2011)
  3. F. Wania, Assessing the potential of Persistent Organic Chemicals for long-range transport and accumulation in Polar Regions. Environmental Science and Technology 37, 1344-1351. (2003).  doi: 10.1021/es026019e.
  4. S. Corsolini, Antarctic: Persistent Organic Pollutants and environmental health in the region. In J.O. Nriagu et al. (eds) Encyclopedia of Environmental Health. 2nd Edition. (Elsevier B.V., in press).
  5. S. Corsolini, Industrial contaminants in Antarctic biota. Journal of Chromatography A 1216, 598–612. (2009). doi.org/10.1016/j.chroma.2008.08.012.
  6. S.M. Bengtson Nash, S.J. Wild, D.W. Hawker, R.A. Cropp, H. Hung, F. Wania, et al. Persistent Organic Pollutants in the East Antarctic atmosphere: inter-annual observations from 2010 to 2015 using high-flow-through passive sampling. Environmental Science & Technology 51(23), 13929-13937. (2017). doi:10.1021/acs.est.7b04224.
  7. R.M. Dickhut, A. Cincinelli, M. Cochran, H. W Ducklow. Atmospheric concentrations and air−water flux of organochlorine pesticides along the Western Antarctic Peninsula. Environmental Science & Technology 39, 465–470. (2005).
  8. M. Bigot, D.W. Hawker, R. Cropp, D.C.G. Muir, J. Bjarne, R. Bossi, et al. Spring melt and the redistribution of organochlorine pesticides in the sea-ice environment: a comparative study between Arctic and Antarctic Regions. Environmental Science & Technology 51(16) 8944-8952. (2017). doi:10.1021/acs.est.7b02481.
  9. N.W. Van den Brink, M.J. Riddle, M. Van den Heuvel-Greve, J.A. Van Franeker, Contrasting time trends of organic contaminants in Antarctic pelagic and benthic food webs. Marine Pollution Bulletin 62, 128–132. (2011). doi.org/10.1016/j.marpolbul.2010.09.002.
  10. C.V.Z. Cipro, F.I. Colabuono, S. Taniguchi, R.C. Montone, Persistent organic pollutants in bird, fish and invertebrate samples from King George Island, Antarctica. Antarctic Science 25(4) 545–552. (2013). doi:10.1017/S0954102012001149.
  11. S. Corsolini, G. Sarà, The trophic transfer of persistent pollutants (HCB, DDTs, PCBs) within polar marine food webs. Chemosphere 177, 189-199. (2017). doi: 10.1016/j.chemosphere.2017.02.116.
  12. S. Corsolini, Contamination profile and temporal trend of POPs in Antarctic biota. In: B.G. Loganathan, P.K.S. Lam (Eds.), Global contamination trends of persistent organic chemicals. CRC Press. Taylor and Francis, Boca Raton, FL, pp. 638. (2011)
  13. Galbán-Malagón, S. Del Vento, N. Berrojalbiz, M. Ojeda, J. Dachs, Polychlorinated biphenyls, hexachlorocyclohexanes and hexachlorobenzene in seawater and phytoplankton from the southern ocean (Weddell, South Scotia, and Bellingshausen seas). Environmental Science and Technology 47(11), 5578-5587. (2013). doi:10.1021/es400030q.
  14. S. Corsolini, T. Romeo, N. Ademollo, S. Greco, S. Focardi, POPs in key species of marine Antarctic ecosystem. Microchemical Journal 73, 187–193. (2002). doi.org/10.1016/S0026-265X(02)00063-2.
  15. S. Corsolini, A. Covaci, N. Ademollo, S. Focardi, P. Schepens, Occurrence of organochlorine pesticides (OCPs) and their enantiomeric signatures, and concentrations of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in the Adèlie penguin food web, Antarctica. Environmental Pollution 140(2), 371-382. (2005).  doi.org/10.1016/j.envpol.2005.04.039
  16. I. Rudolph, G. Chiang, C.F. Galbán-Malagón, R. Mendoz Martinez, M. Gonzalez, C. Becerra, et al. Persistent organic pollutants and porphyrins biomarkers in penguin faeces from Kopaitic Island and Antarctic Peninsula. Science of the Total Environment 573, 1390–1396. (2016). doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.07.091.
  17. M. Nadal, M. Marquès, M. Mari, J.L. Domingo, Climate change and environmental concentrations of POPs: a review. Environmental Research 143, 177-185. (2015). doi:10.1016/j.envres.2015.10.012.
  18. J.M. Armitage, C. L. Quinn, F. Wania, Global climate change and contaminants – an overview of opportunities and priorities for modelling the potential implications for long-term human exposure to organic compounds in the Arctic. Journal of Environmental Monitoring 13(6), 1532-1546. (2011). doi:10.1039/c1em10131e.
  19. S. Moreau, B. Mostajir, S. Bélanger, I.R. Schloss, M. Vancoppenolle, S. Demers, et al. Climate change enhances primary production in the western Antarctic Peninsula. Global Change Biology 21(6), 2191-2205. (2015). doi.org/10.1111/gcb.12878.
  20. A. Cabrerizo, J. Dachs, D. Barceló, K.C Jones. Climatic and biogeochemical controls on the remobilization and reservoirs of Persistent Organic Pollutants in Antarctica. Environmental Science & Technology 47, 4299–4306. (2013). doi: 10.1021/es400471c.
  21. M.C. Mangano, G. Sarà, & S. Corsolini, Monitoring of persistent organic pollutants in the polar regions: knowledge gaps and gluts through evidence mapping. Chemosphere 172, 37-45. (2017). doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.12.124.
  22. R.C. Montone, C. de Castro Martins, M.H. Maruch Tonelli, T.H. Trevizani, M.Caruso Bícego, R.C. Lopes Figueira, et al., Globalization of the Antarctic seas: pollution and climate change perspectives. In A.H. Arias, J.E. Marcovecchio (eds). Marine Pollution and Climate Change. (CRC Press,  2017), pp.237-278.
  23. S. Corsolini, D. Baroni, T. Martellini, N. Pala, A. Cincinelli, PBDEs and PCBs in terrestrial ecosystems of the Victoria Land, Antarctica. Chemosphere 231, 233-239 (2019). doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.05.126.
  24. O. Gagliardini, The health of Antarctic ice shelves. Nature Climate Change 8(1), 15-16 (2018). doi.org/ 10.1038/s41558-017-0037-1.
  25. A. Cabrerizo, J. Dachs, D. Barceló, K.J. Jones, Climatic and Biogeochemical Controls on the Remobilization and Reservoirs of Persistent Organic Pollutants in Antarctica. Environmental Science & Technology 47(9), 4299-4306 (2013). doi/10.1021/es400471c.
  26. A. Cincinelli, T. Martellini, K. Pozo, P. Kukučka, O. Audy, S. Corsolini, Trematomus bernacchii as an indicator of POP temporal trend in the Antarctic seawaters. Environmental Pollution 217, 19-25 (2016). doi:10.1016/j.envpol.2015.12.057.
  27. S. R. Rintoul, S. L. Chown, R. M. DeConto, M. H. England, H. A. Fricker, V. Masson-Delmotte, T. R. Naish, M. J. Siegert, J. C. Xavier, Choosing the future of Antarctica. Nature 558(7709), 233-241 (2018). doi:10.1038/s41586-018-0173-4.