Состояние и перспективы исследований в области снижения латентности экологических преступлений и правонарушений, связанных с химическим загрязнением природных вод

А.М. Воронцов, д.т.н., профессор, директор научно-образовательного центра экологической безопасности Балтийского института экологии, политики и права,
М.Н. Никанорова, к.х.н., доцент, заместитель директора научно-образовательного центра экологической безопасности Балтийского института экологии, политики и права,
А.В. Медимнов, преподаватель Государственного университета кино и телевидения,
Б.Б. Тангиев, к.ю.н., к.т.н., профессор кафедры теории и истории государства и права СПб У ГПС МЧС России.

На протяжении последних пятнадцати лет группа химиков, экологов и юристов организаций Санкт-Петербурга, принадлежащих различным ведомствам (РАН, МЧС, МВД, Мин. обр. и науки РФ), ведет исследования и разработки в области противодействия экологической преступности, в частности, в области снижения латентности экологических преступлений. Координацию работ выполняет юридическая секция МАНЭБ.

В 2010 году для научного обеспечения совместных исследований в этой области Балтийским институтом экологии, политики и права организован межфакультетский научно-образовательный Центр экологической безопасности (ЦЭБ БИЭПП), деятельность которого нацелена на выполнение фундаментальных исследований, решение прикладных инновационных задач, повышение качества основного и дополнительного образования экологов и юристов.

1. Состояние проблемы раннего выявления химического загрязнения вод

Существующая концепция экологического мониторинга основана на периодическом, проводимом строго по графику, измерении ограниченного количества заранее определенных параметров и построении рядов наблюдений. Выполняя прогностическую функцию, экологический мониторинг не позволяет «схватить за руку» виновников кратковременного аварийного или нелегального сброса, момент которого непредсказуем.

Декларированные в 1994 году работы по созданию в России Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) фактически свернуты, что можно объяснить реальной необходимостью развития не столько систем мониторинга, сколько систем оперативного контроля качества природных объектов, желательно, непрерывного контроля «в реальном времени»: именно такой подход может обеспечить экологическую безопасность, в частности, безопасность водоснабжения населения.

Открытые протяженные источники водоснабжения природного происхождения (реки, озера) и искусственные (водохранилища, каналы) часто подвергаются аварийным и нелегальным сбросам промышленных предприятий, но наиболее они уязвимы в диверсионно-террористическом отношении, в частности, легко доступны для химических атак. В то время как террористические акты носят демонстративный, устрашающий характер, диверсионные действия могут быть скрытными, то есть, иметь высокую латентность (до 97-99 %), характерную для экологических преступлений по Главе 26 УК РФ, связанных с эмиссией опасных веществ в окружающую среду [1].

Очевидно, что раннее выявление факта химической атаки на источник водоснабжения крупного населенного пункта может предотвратить масштабную катастрофу.

Существующие методы химразведки нацелены, во-первых, на ограниченную номенклатуру табельных отравляющих веществ, во-вторых, рассчитаны на применение в воздушной и наземной обстановке, но не в водной среде.

Кроме того, в качестве химического агента при диверсионно-террористической деятельности может быть использовано большинство известных и синтезированных к настоящему времени химикатов, общее число которых в 2009 году достигло  ста миллионов. Эти искусственные химические конструкты чужды нормальным процессам метаболизма как человека, так и водных организмов и микроорганизмов, в большинстве своем они не могут не быть токсичными, канцерогенными или мутагенными.

Не удивительно, что методов и средств химразведки водной среды, рассчитанных на быстрое обнаружение присутствия токсичных веществ любой неизвестной природы, не существует ни в нашей стране, ни за рубежом.

В экологической аналитике наметилась тенденция перехода от контроля конкретных веществ в объекте к контролю состояния самого объекта, поскольку в большинстве случаев адресату аналитической информации необходимо знать: состояние объекта «в норме» или состояние объекта «не отвечает норме». Только во втором случае адресат информации должен принимать решение и действовать. Только второй вариант влечет необходимость оперативных действий по обеспечению безопасности, в частности, дополнительному исследованию объекта с целью поиска конкретного химического агента, повлекшего отклонение от нормы. В данном контексте под нормой следует понимать заранее определенное среднестатистическое значение контролируемой величины.

К настоящему времени хорошо изучены зависимости состава и свойств растворенного органического вещества (РОВ) вод, органического вещества почв и донных отложений от особенностей функционирования соответствующих экосистем и их компонентов. Например, суммарное количество и соотношение легкоокисляемых и трудноокисляемых РОВ позволяет судить о таких важнейших характеристиках водоемов, как первичная продуктивность и степень эвтрофирования; относительное содержание водорастворимых, трудноокисляемых и легкоокисляемых гуминовых веществ — о степени антропогенной нагрузки на почвы. Отметим, что во всех случаях речь идет о совокупности  органических веществ биогенного происхождения, равновесное содержание которых в экосистеме поддерживается метаболизмом элементов биоты и изменяется при любом негативном воздействии на эти элементы. Так РОВ водоемов и водотоков представляет собой, в основном, смесь внешних метаболитов фитопланктона, зоопланктона, бактериопланктона со значительной добавкой продуктов биодеградации вещества наземных и почвенных стоков, а эмиссия в водоем угнетающих или стимулирующих биоту веществ любой априори неизвестной природы неизбежно приводит к нарушению равновесия и резкому изменению, как общего содержания, так и устойчивости (биодоступности) РОВ.

Постулирование невозможности любого внешнего химического воздействия на природные воды, которое не приводит к изменению продукционно-деструкционного баланса, то есть, к изменению состава и свойств РОВ, позволило использовать РОВ как естественный природный индикатор, дающий быстрый отклик на химическую атаку с участием одного или нескольких априори неизвестных опасных веществ любой природы.
Аналогов предлагаемого метода и разрабатываемых средств не существует, поскольку сама задача неспецифической химразведки водной среды путем непрерывного в реальном времени автоматического поиска гидрохимических аномалий по изменению системы интегральных показателей поставлена впервые.

2. Основные результаты исследований научного коллектива за последние годы

2.1. Сформулирована концепция молекулярной биоиндикации состояния водных экосистем, требующая изучения воздействия химического загрязнения на водную биоту не на ставшем привычным уровне изучения популяций, организмов или отдельных клеток, а на уровне изучения внешних метаболитов гидробионтов — растворенного органического вещества биогенного происхождения [2].

2.2. Сформулирована концепция неспецифической химразведки, требующая поиска неселективных интегральных показателей качества природного объекта, аномальные изменения которых имманентно связаны с состоянием объекта и могут служить сигналом об аварийной или нелегальной эмиссии в наблюдаемый объект любых активных химических агентов априори неизвестной природы [3].

2.3. Сформулирована концепция датчиков экологической сигнализации — функциональных и стоимостных аналогов датчиков пожарной сигнализации и датчиков охранной сигнализации, требующая создания нового класса средств контроля природных объектов, то есть, внелабораторных средств, способных без обслуживания и ревизии непрерывно и продолжительно получать в реальном времени информацию об изменении выбранного аналитического параметра и генерировать сигнал тревоги при резком его изменении [4].

2.4. Обнаружен эффект хемилюминесценции, возникающей при окислении озоном молекул растворенного органического вещества биогенного происхождения в непрерывном потоке пробы природной воды, установлен факт корреляции величин интенсивности хемилюминесценции и общего содержания растворенного органического вещества [5].

2.5. Предложен метод оценки общей устойчивости к окислению растворенного органического вещества природных вод и оценки доли легкоокисляемого (лабильного) органического вещества, ответственного за биопродуктивность водных экосистем,  основанный на анализе кинетической кривой реакции окисления растворенного органического вещества в пробе воды избытком озона [6].

2.6. Предложен метод и разработан прибор для непрерывного в реальном времени контроля качества природных вод по величине, эквивалентной суммарной концентрации растворенного органического вещества и выражаемой в единицах ХПК (химическое потребление кислорода, мгО2/л) или в единицах ООУ (общий органический углерод, мгС/л) [7].

2.7. Установлено, что величина константы скорости реакции озонолиза растворенного органического вещества природных вод уменьшается пропорционально загрязненности водных экосистем и может служить индикатором степени антропогенной нагрузки на них [6].

2.8. Разработаны совместно с ЗАО «МЭЛП» (Санкт-Петербург) озонохемилюминесцентные анализаторы РОВ природных вод WQMI-01 и OSM-02.

3. Перспективное развитие работ

3.1. Создание сети автоматических необслуживаемых датчиков раннего выявления гидрохимических аномалий, структурно и функционально подобной сетям датчиков пожарной и охранной сигнализации, способных подать сигнал тревоги при химической атаке на природный объект как неизвестными индивидуальными токсикантами, так и их сочетанием, включая аналоги бинарных отравляющих веществ. Размещение датчиков возможно на борту пришвартованных и патрулирующих плавсредств (включая маломерные моторные, парусные и гребные суда), на буйковых станциях, в опорах мостов, в гидросооружениях, на берегах водотоков, на водозаборах, на выпусках очистных сооружений, в технологических линиях предприятий и т.п. Возможным станет создание систем сбора и непрерывной передачи информации в антитеррористические структуры, природоохранные службы, службы МЧС, службы экологической полиции.

3.2. Разработка технических средств (стационарных и мобильных датчиков, внелабораторных приборов экспресс-обнаружения химических аномалий) для противодействия диверсионно-террористической деятельности, связанной с преднамеренным химическим загрязнением природных вод и систем водоснабжения населенных пунктов;

3.3. Разработка автоматических систем раннего обнаружения возможности возникновения и развития чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийными или нелегальными сбросами токсичных веществ водоемы и водотоки, в частности, при создании сетей датчиков экологической сигнализации — функциональных и стоимостных аналогов сетей датчиков пожарной сигнализации и охранной сигнализации;

3.4. Разработка средств автоматического контроля качества воды в искусственных водных экосистемах — аквапарках, океанариумах, бассейнах, а также на выходе очистных сооружений, содержащих искусственные водные экосистемы с «активным илом»;

3.5. Разработка средств изучения пространственно-временного распределения растворенного органического вещества, в частности, легкоокисляемого органического вещества, в пресноводных и морских акваториях для фундаментальных гидрохимических и гидрологических исследований и для прикладных исследований, связанных с оптимизацией технологии выращивания марекультуры, технологии рыболовства и т.п.

4. Сеть датчиков экологической сигнализации как основа построения открытой иерархической системы экологического контроля

Фактически, приборы WQMI-01 и OSM-02 — первые разработки, отвечающие предложенной ранее [4] концепции «датчиков экологической сигнализации» (ДЭС) - функциональных и стоимостных аналогов датчиков пожарной и охранной сигнализации. ДЭС могут быть установле¬ны непосредственно в существующие линии связи систем пожарной и охранной сигнализации, включая протяженные линии охраны периметров. Применение ДЭС в привычной правоохранительным органам инфраструктуре придаст смысл созданию экологической полиции.
Сформулированы основные требования к этому новому классу приборов:

• ДЭС — неспецифический датчик для регистрации аналитического параметра, коррелирующего с тем обобщенным показателем (суммарным свойством компонентов), который в максимальной мере определяет состояние водной экосистемы или атмосферы;
• ДЭС должен в реальном времени измерять значения аналитического параметра, подавать сигнал тревоги при регистрации его аномальных изменений, обеспечивать документирование процесса измерения (функции «черного ящика» и порогового извещателя);
• ДЭС должен обладать автономностью и способностью функционировать без ревизии, обслуживания, заправки реагентами и т.п. минимум несколько месяцев (электрогенерирование реагентов, исключение эффекта обрастания в природных водах);
• ДЭС должен обладать совместимостью (кодировка сигналов, протоколы обмена информации и т.п.) с существующими автоматическими информационно-измерительными системами безопасности, включая системы датчиков охранной сигнализации и датчиков пожарной сигнализации;
• ДЭС должен работать без генерации каких-либо сбросов, выбросов, излучений, способных оказать негативное воздействие на контролируемый объект или демаскировать датчик;
• ДЭС должен подключаться к существующим проводным и беспроводным линиям связи — как внутриобъектовым, так и к протяженным  линиям охраны периметров;
• ДЭС должен обладать малыми габаритами и энергопотреблением, низкой ценой и возможностью массового тиражирования.

Схема открытой иерархической системы экологического контроля

Массовое применение подобной аппаратуры обеспечит раннее выявление аварийной или нелегальной эмиссии токсичных веществ априори неизвестного состава, что позволит снизить латентность экологической преступности и обеспечить высокий уровень экологической безопасности.
Сеть ДЭС позволяет построить открытую иерархическую систему экологического контроля (ИСЭК), где на каждой более высокой ступени расположены средства измерения более высокого метрологического качества [3]. Схема ИСЭК приведена на рисунке.

На первой ступени ИСЭК работает группа автоматических датчиков экологической сигнализации, установленных на буйковых станциях и в опорах гидросооружений, а также на патрулирующих или выполняющих маневры поиска судах, что обеспечивает непрерывный процесс химической разведки. Для этого ДЭС определяют аномалии в потоке пробы воды, непрерывно подаваемой с поверхности или с различных глубин по трос-кабель-шлангу от буксируемых аппаратов, траектория которых может точно повторять рельеф дна (ГУП ЦНИИ «Гидроприбор») или телеуправляемых аппаратов с телекамерами, способных взять пробы воды и донных осадков в непосредственной близости от возможного источника загрязнения (ЗАО «Интершельф»).

Сигнал тревоги от датчика экологической сигнализации является также сигналом для передачи пробы на вторую ступень ИСЭК, где проводится экспресс-определение токсических свойств пробы методом биотестирования. В настоящее время в ГЭТУ (ЛЭТИ) создан вариант прибора «Биотестер» для экспресс-анализа (несколько минут) токсичности проб воды по хемотаксису нескольких видов тест-объектов. Хемотаксис регистрируется в капиллярной кювете, что позволяет применять прибор во внелабораторных и судовых условиях.
Факт определения токсичности пробы является сигналом для передачи пробы на третью ступень ИСЭК для идентификации токсикантов, производимой с помощью химико-аналитической аппаратуры высокого уровня, в частности, высокоэффективных хроматографов и хромассов.
В случае необходимости, может быть реализована четвертая ступень ИСЭК — ступень судебно-экспертного исследования в существующих экспертных и арбитражных лабораториях.

Предлагаемая открытая иерархическая система кроме возможности поиска химических аномалий в реальном времени путем неспецифической химразведки имеет еще одну уникальная особенность — отсев «пустых» проб при переходе на каждую следующую ступень, то есть, скрининг. ИСЭК производит скрининг не только отдельных проб, как это принято в химико-аналитической практике, но впервые переходит к скринингу протяженных акваторий в пространстве и времени, отбирает пробы только в случае  нахождения биохимических аномалий, что крайне важно, поскольку аналитическое определение микросодержания токсичных веществ это не только длительный, но и очень дорогой процесс. Так, например, пробоподготовка и хроматомасс-спектрометрическое определение некоторых суперэкотоксикантов в одной пробе занимает до десяти часов, а его стоимость может превосходить  30 000 рублей. Понятно, что существующая методология контроля водной среды, когда измерительные аналитические процедуры начинают с применения хроматографов и хромассов, неизбежно приводит к огромным неоправданным затратам при попытках детального оконтуривания опасных зон, а главное, не обеспечивает необходимой оперативности выявления угрозы, не обеспечивает экологическую безопасность. Применение предлагаемой иерархической системы ИСЭК позволит передать на высшую ступень, где установлены «дорогие» анализаторы, только те пробы, что отвечают критериям «есть химическая аномалия» и «есть токсичность». Таким образом, дорогостоящий длительный процесс идентификации угрозы происходит, во-первых, после выявления факта угрозы и немедленного принятия  мер по защите от нее и, во-вторых, только в том случае, если угроза действительно существует.

Литература

1. Воронцов А.М., Никанорова М.Н., Тангиев Б.Б. Классификационный анализ экологической преступности как метод выявления приоритетных угроз экологической безопасности. Материалы научно-практической конференции «Правовые основы обеспечения экологической безопасности» 27-28 ноября 2006 г., СПб Институт Генеральной прокуратуры РФ, СПб, 2009.- с. 48-56.
2. Воронцов А.М., Никанорова М.Н., Новикова Н.В., Медимнов А.В. Водная экосистема как нетрадиционный объект криминалистического исследования. В сб. РАН «Методологические проблемы экологической безопасности». – СПб.: ВВМ, 2008. – с. 126-137.
3. Воронцов А.М., Донченко В.К., Никанорова М.Н. Химико-токсикологический контроль морской среды на трассе Северо-Европейского газопровода. Материалы VIII Международного экологического форума «День Балтийского моря». – СПб.: ООО «Диалог», 2007. – с.253-257.
4. Воронцов А.М., Никанорова М.Н. Проблемы экологической преступности и поиск путей ее снижения. Гос. Доклад о состоянии окружающей среды СПб и ЛО в 1998 году. Т.2, СПб.: 1999. – с. 280-297.
5. Воронцов А.М., Никанорова М.Н., Мелентьев К.В. Экспресс-контроль суммарного содержания органических веществ в водной среде методом озонохемилюминесценции. Водные объекты Санкт-Петербурга. – СПб.: Изд-во Администрации СПб, 2002. – с. 73-79.
6. Новикова Н.В., Воронцов А.М., Никанорова М.Н., Пацовский А.П. Озонохемилюминесцентные датчики для получения оперативной информации о состоянии водных объектов. Известия ОрелГТУ, №43/272 (500), 2008. – с. 79-90.
7. Воронцов А.М., Пацовский А.П., Никанорова М.Н. Возможности применения озонохемилюминесценции для оценки содержания органических веществ в природной воде. Водные ресурсы, Т. 38, №5, 2011. – с. 548-552.