Авачинская бухта на Камчатке — вторая по размеру бухта в мире после Сиднейской. Прекрасное место для дайвинга и для любителей серфинга. Здесь на каждом камне обитали десятки животных. Актиниевые сады сменялись лугами, на которых паслись морские ежи. По дну ползали волосатые и каменные крабы, а также раки-отшельники. Туда-сюда суетились фиолетово-розовые холодноводные креветки. Здесь обитали 32 вида рыб, в том числе камбала, бычки, терпуги. В бухте жили нерпы, сюда заходили сивучи и касатки.
Осенью 2020 года воды Авачинской бухты опустели. На дне повсюду лежали мертвые полихеты — многощетинковые черви, которых обычно не видно: они прячутся среди водорослей. Исчезли рыбы. У морских ежей выпали иголки. Погибли губки, актинии, двустворчатые моллюски…
Что же убило биосферу залива? Внезапная массовая гибель морских организмов в Авачинской бухте немедленно вызвала подозрение экологов: виновата человеческая деятельность! Утечка жидких радиоактивных отходов из подземного хранилища? Ракетное топливо (несимметричный диметилгидразин) и продукты его распада, через подземные воды вынесенные в океан? Нефтепродукты, пролившиеся с проходившего мимо корабля?
Начинаем с воды
После того как известие об экологической катастрофе на Камчатке широко распространилось, в Москву из пострадавшего района привезли 20 проб воды. В лабораториях провели анализы в поисках нефтепродуктов, ракетного топлива и радиоактивных веществ. Были обнаружены фенолы (признак разлива нефти), но в концентрации, недостаточной для массовой гибели живых организмов.
В одной из 20 проб нашли следы окисления одного из главных токсичных компонентов ракетного топлива — несимметричного диметилгидразина. Однако делать выводы об отравлении ракетным топливом было бы преждевременно, потому что несимметричный диметилгидразин при окислении образует огромное количество соединений, а в той единственной пробе обнаружили только два из них, причем не самые стойкие: тетраметилтетразен и нитрозодиметиламин. Более того, последний может быть продуктом разложения многих органических веществ, поэтому необязательно имеет антропогенное происхождение.
После первого анализа вопросы остались без ответов. Чтобы принять или отвергнуть антропогенные версии, нужны были дополнительные исследования.
Спускаемся на дно
Через несколько дней на Камчатку отправилась экспедиция телеканала Life. Дайверы собрали образцы погибших бентосных организмов: морских ежей, крабов и раков-отшельников. Затем автор фильма «Ядовитый океан» Александра Ли приехала в ИФХЭ РАН и попросила проверить эти образцы на нитрозодиметиламин и диметилгидразон формальдегида. Если бы эти вещества были найдены в пробах тканей, отравление ракетным топливом можно было бы считать доказанным.
Образцы поступили в лабораторию физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН.
От пробы к масс-спектру
Приборы — хромато-масс-спектрометры — работают либо с жидкими, либо с газообразными пробами. Пробы поступили в ИФХЭ РАН в замороженном виде. Здесь их заморозили еще сильнее, залив жидким азотом. При минус 196 °С пробы стали хрупкими, и образцы перетерли в порошок в химической ступке.
Следующий этап — экстракция органических веществ. В ходе этого процесса вещества переводят в растворитель, не смешивающийся с водой. Опытный исследователь умеет выбрать растворитель, который наилучшим образом экстрагирует вещество. Для усиления экстракции используются ультразвуковые ванны, куда залитый растворителем образец помещается на час или два.
Затем, чтобы окончательно отделить раствор от осадка, полученную смесь помещают в центрифугу. После центрифугирования раствор был введен в газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором. Были зарегистрированы хроматограммы — графики с большим количеством пиков, где каждый пик соответствует какому-то отдельному химическому соединению. Для каждого пика был получен свой масс-спектр, и по нему с помощью библиотеки, содержащей более 300 тыс. соединений, определены химическое соединение и его структура.
Свежего нефтяного отравления не обнаружено
Самые интересные результаты были получены при изучении морских ежей.
У разлива нефти имеются характерные признаки в виде соединений углеводородов: летучие и быстро биоразлагаемые n-алканы (c С7 по C40) и более стойкие стераны, терпаны и гопаны. Гопаны дольше всего без изменений сохраняются в тканях живых организмов.
На хроматограммах, полученных при исследовании тканей морских ежей, были обнаружены пики, характерные для гопанов. Стераны и терпаны в тканях морских ежей обнаружены не были.
В случае свежего разлива нефти хроматограмма распределения по n-алканам должна иметь специфическую форму колокола. Однако полученная хроматограмма по алканам имела другой вид. Во всех образцах были найдены алканы C15 и С17, но эти компоненты часто имеют естественное происхождение, встречаются в морском фитопланктоне и с большой вероятностью попали в донные организмы неантропогенным путем.
Следовательно, обнаруженные в тканях морских ежей следы нефтяного загрязнения уже метаболизированы животными. Это свидетельствует о давнем нефтяном отравлении ежей, носившем хронический, а не катастрофический характер. Морские ежи уже долго впитывали нефть.
Также анализ показал, что антропогенные углеводороды почти полностью отсутствуют в биологическом материале крабов и раков-отшельников. Такое отличие между образцами морских ежей и ракообразных может быть обусловлено их разным образом жизни и трофическими цепями.
Тяжелые металлы в норме
Другим маркером нефтяного загрязнения является присутствие тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля, циркония, ванадия, цинка) в тканях живых организмов. Методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой было измерено содержание металлов из всей таблицы Менделеева (от лития до урана).
Делать выводы сложно, потому что содержание металлов в тканях донных животных камчатской акватории ранее не изучалось и поэтому нормальное содержание металлов для них не определено. Пришлось сравнивать результаты с результатами, полученными для близких видов животных, обитающих в других местах. Выяснилось, что содержание металлов, за исключением алюминия, в гонадах морских ежей не превышает нормы. В тканях краба только концентрация кадмия находится у верхней границы допустимой нормы, для других металлов концентрация в пределах нормы. Поэтому можно сказать, что тест на присутствие тяжелых металлов не указывает на недавнее нефтяное отравление.
Ракетное топливо и радиоактивные отходы не обнаружены
Результаты не указывают на присутствие несимметричного диметилгидразина, а также самых стойких продуктов его окисления из группы триазолов. Также не обнаружено то, что просили поискать представители канала Life,— нитрозодиметиламин или диметилгидразон формальдегида. Хотя на морских обитателях эксперименты с несимметричным диметилгидразином не проводились, есть работы, показывающие, что у млекопитающих диметилгидразин, попав на кожу, быстро всасывается в общий кровоток и на протяжении долгого времени определяется в тканях. Поэтому если бы ракетное топливо попало в морскую воду, его компоненты присутствовали бы в тканях животных. Но они обнаружены не были. Также не было обнаружено следов радиоактивных веществ.
Дальнейшие исследования
Результаты позволяют сказать: это была не нефть. Это было не ракетное топливо. Это были не радиоактивные отходы. Животные в Авачинской бухте погибли из-за чего-то другого.
Впервые хроматографисты ИФХЭ РАН, исследовав причины массовой гибели животных на Камчатке, исключили три наиболее обсуждаемые антропогенные причины. Результаты исследований были опубликованы в февральском номере журнала Marine Pollution Bulletin за 2021 год.
«Мы готовы и дальше работать в этом направлении,— заявил директор ИФХЭ РАН, член-корреспондент РАН Алексей Буряк,— например, вместе с биологами искать следы каких-то специфических веществ, которые будут маркером для биогенной причины случившегося. Или продолжить контроль за содержанием углеводородов и металлов в тканях морских организмов, проверяя, как идет восстановление биосреды и не появляется ли какая-то новая невидимая угроза. Теперь, когда первые измерения проведены, у нас имеются точка отсчета и задел на будущее. У хромато-масс-спектрометрии с ее чувствительностью и точностью воистину безграничные возможности по выявлению и предупреждению экологических катастроф».
Ольга Макарова, Институт физической химии и электрохимии РАН («Коммерсантъ Наука»)