鉆井液特征污染物的毒性評估和海洋測試生物的適用性比較

劉衛(wèi)麗, 余露軍, 李建軍, 陳小曲, 張 磊

鉆井液特征污染物的毒性評估和海洋測試生物的適用性比較

劉衛(wèi)麗1, 余露軍2, 李建軍2, 陳小曲2, 張 磊3

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300450; 2. 廣東省實驗動物監(jiān)測所 廣東省實驗動物重點實驗室, 廣東 廣州 510663; 3. 北京天泰志遠科技股份有限公司, 北京 100020)

隨著海上鉆井?dāng)?shù)量的逐年增加、鉆井液的使用量迅速增加, 與之相關(guān)的環(huán)境危害引起了廣泛關(guān)注, 因此有必要篩選合適的毒性測試生物和開發(fā)環(huán)境友好的鉆井液。本研究中, 按照ISO11348-1(2007)、GB/T21805-2008和GB/T18420.2-2009的毒性測試方法, 采用標準的海洋測試生物: 發(fā)光細菌()、牟氏角毛藻()、諸氏鯔蝦虎魚()、凡納濱對蝦()、鹵蟲(Artemia)、蒙古裸腹溞(), 研究了鉆井廢液特征污染物(苯酚、七水硫酸鋅、氯化汞)以及參比毒物十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate, SDS)的急性毒性效應(yīng)。結(jié)果表明, 鉆井液特征污染物對6種海洋生物的急性毒性效應(yīng)有所不同: Hg2+對海洋生物表現(xiàn)為極高毒性, Zn2+、SDS表現(xiàn)為中、高毒性, 苯酚表現(xiàn)為中、低毒性; 6種海洋生物對4種特征污染物的敏感性順序為: 蒙古裸腹溞>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦>發(fā)光細菌>牟氏角毛藻; 諸氏鯔蝦虎魚與鹵蟲、凡納濱對蝦種間毒性相關(guān)性顯著, 蒙古裸腹溞與發(fā)光細菌、凡納濱對蝦種間毒性相關(guān)性顯著。上述研究結(jié)果為環(huán)保型海洋鉆井液開發(fā)和鉆井廢液生物毒性評價中受試生物的選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

鉆井廢液; 急性毒性; 測試生物

海洋經(jīng)濟已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分, 隨著中國海上石油開采量的逐年增加, 每年大量鉆井廢液排入海洋, 廢棄鉆井液、生產(chǎn)水等造成的環(huán)境污染問題已引起廣泛重視[1]。鉆井廢液中重金屬等多種有毒有害物質(zhì)在海洋生物體內(nèi)蓄積[2], 并沿食物鏈轉(zhuǎn)移, 從而擾亂物種的繁殖、改變生物種群結(jié)構(gòu), 對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成難以逆轉(zhuǎn)的危害[3, 4]。Hg是全球最受關(guān)注的環(huán)境污染物之一, 在油田廢棄鉆井液中存在不同程度的Hg污染問題[5, 6], 中國海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值標準中也對水基鉆井液和鉆屑中重晶石中的Hg含量給予明確規(guī)定[7]。Zn、苯酚分別是鉆井廢液中濃度較高的重金屬和酚類化合物主要組分[8, 9], 也是平臺附近海域沉積物中重要的污染物之一[2]。十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate, SDS)是常用的陰離子表面活性劑, 作為一種新型污染物廣泛存在于海洋環(huán)境中, 同時也為美國試驗材料協(xié)會(ASTM)推薦的生物毒性試驗常用標準毒物之一[10]。研究上述污染物的生物毒性, 對于完善海洋鉆井廢液排放標準、海洋生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險評估具有重要意義。

為了保護水生生態(tài)系統(tǒng), 美國環(huán)保局要求水環(huán)境污染物生物毒性至少使用2種以上不同營養(yǎng)級的實驗生物進行測試評價[11]。發(fā)光細菌()是ISO11348-1(2007)推薦的受試生物, 因其操作便利、反應(yīng)迅速等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)廢水等污染物毒性測試[12]; 蒙古裸腹溞()、鹵蟲(Artemia)、凡納濱對蝦()、諸氏鯔蝦虎魚()是GB/T 18420.2-2009推薦的受試生物, 適用于海洋石油開發(fā)污染物毒性評價[13]; 牟氏角毛藻()是一種易培養(yǎng)、無貼壁的海洋硅藻, 適用于化學(xué)品的毒性評價[14]。上述標準推薦的實驗生物是中國海洋環(huán)境不同生態(tài)位的代表性種類, 但適用范圍各有側(cè)重。 

為了評估不同標準推薦生物對復(fù)雜體系的鉆井廢液毒性測試的適用性, 篩選鉆井廢液毒性測試合適的實驗生物, 作者以Hg2+、Zn2+、苯酚以及SDS為特征污染物, 研究其對6種海洋生物的急性毒性效應(yīng), 并分析了不同生物間的生物毒性敏感性和相關(guān)性, 為中國海洋環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評價及生態(tài)毒理學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 受試物質(zhì)

七水硫酸鋅(ZnSO4?7H2O)、氯化汞(HgCl2)、十二烷基硫酸鈉、苯酚均為分析純試劑。

1.2 實驗生物

發(fā)光細菌(費氏弧菌)由國家海洋局第一海洋研究所崔志松博士惠贈, –80℃保存; 牟氏角毛藻、蒙古裸腹溞、鹵蟲、凡納濱對蝦、諸氏鯔蝦虎魚為廣東省實驗動物監(jiān)測所省實驗動物重點實驗室保種、培育。

1.3 試驗方法

1.3.1 發(fā)光細菌毒性試驗

費氏弧菌在2216E培養(yǎng)基、20℃、180 r/min培養(yǎng)30 h的新鮮菌液, 菌濃度OD600>1.6(分光光度計UV1800, 島津公司), 初始發(fā)光強度>4×106(生物發(fā)光檢測儀Tecan Spark 10M TM, 瑞士帝肯公司)[15]。試驗操作參照ISO 11348-1(2007)的方法進行: 根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果, 各污染物分別設(shè)置5個濃度梯度和1個空白對照組, 每個試驗組設(shè)置3個平行; 2%氯化鈉溶液為稀釋水, 稀釋水和樣品溶液在15±1℃預(yù)冷后, 分別取20 μL加入96 孔板(白色不透明), 立即測定初始發(fā)光強度I0; 在各反應(yīng)孔分別加入180 μL不同濃度的試驗溶液, 對照組加入稀釋水, 立即置于15℃±1℃恒溫孵育; 暴露15 min后, 測定各反應(yīng)孔最終發(fā)光強度It; 發(fā)光抑制率按ISO 11348-1(2007)的公式(1)~(6)計算。

1.3.2 藻類生長抑制試驗

牟氏角毛藻在T2藻類培養(yǎng)基、25℃±2℃培養(yǎng)2~4 d, 藻密度>1×106cells/mL。試驗操作按照GB/T 21805-2008方法進行: 采用150 mL的三角瓶, 測試溶液體積為40 mL; 選擇對數(shù)生長期的藻液, 各試驗溶液中初始藻液濃度5×104cells/mL(藻類培養(yǎng)液為稀釋液); 根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果, 各污染物分別設(shè)置5個濃度梯度和1個空白對照組, 每個試驗組設(shè)置3個平行; 在3 000 Lx、24±1℃條件下暴露72 h, 采用血球計數(shù)板進行計數(shù); 藻類比生長抑制率按照GB/T 21805-2008的公式(1)~(2)計算。

1.3.3 諸氏鯔蝦虎魚、凡納濱對蝦、鹵蟲、蒙古裸腹溞毒性試驗

諸氏鯔蝦虎魚為實驗室培育的封閉群, 養(yǎng)殖條件為23~27℃、鹽度25~32、pH 7.6~8.2, 蝦虎魚10日齡仔魚用于試驗, 孵化和仔魚培育條件為25~30℃、鹽度20~30。鹵蟲無節(jié)幼體為22~27℃、鹽度30~35、光照強度3 000 Lx條件下孵化20~24 h后收集使用。蒙古裸腹溞培育條件為22~27℃、鹽度26~30, 一齡幼蟲用于試驗。凡納濱對蝦10日齡幼體用于試驗, 實驗室23~30℃、鹽度 8~28、pH 8.0~8.3條件下暫養(yǎng)48 h以上。

試驗操作按照GB/T 18420.2-2009進行: 根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果, 各污染物分別設(shè)置5個濃度組和1個對照組, 每個濃度組4個重復(fù), 每個試驗容器10個實驗生物; 采用靜態(tài)試驗方法, 在23~28℃, 鹽度20~35, pH 7.6~8.6條件下暴露96 h, 試驗結(jié)束時記錄生物死亡數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

發(fā)光細菌EC50、牟氏角毛藻生長抑制EC50以及諸氏鯔蝦虎魚、凡納濱對蝦、鹵蟲、蒙古裸腹溞半數(shù)致死濃度LC50分別按照ISO11348-1(2007)、GB/T 21805-2008和GB/T 18420.2-2009的方法進行計算。不同生物毒性結(jié)果采用SPSS 13.0進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 4種特征污染物對6種海洋生物的急性毒性

4種特征污染物(苯酚、七水硫酸鋅、SDS、氯化汞)對6種海洋生物的急性毒性試驗結(jié)果見表1, 毒性測試數(shù)據(jù)擬合方程相關(guān)系數(shù)為0.87~0.99, 6種海洋生物對特征污染物的毒性效應(yīng)呈顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系(<0.05)。結(jié)果顯示, 苯酚對6種海洋生物的毒性大小依次為: 蒙古裸腹溞>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦>發(fā)光細菌>牟氏角毛藻; Zn2+對6種海洋生物的毒性大小依次為: 蒙古裸腹溞>發(fā)光細菌>凡納濱對蝦>牟氏角毛藻>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲; SDS對6種海洋生物的毒性大小依次為: 諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦>牟氏角毛藻>蒙古裸腹溞>發(fā)光細菌; Hg2+對6種海洋生物的毒性大小依次為: 蒙古裸腹溞>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>發(fā)光細菌>牟氏角毛藻>凡納濱對蝦。

表1 4種特征污染物對6種海洋生物的急性毒性

2.2 4種特征污染物對6種海洋生物的毒性分級

參照HJ/T 154-2004[16]生態(tài)毒理學(xué)危害性分級標準, 水生生物急性毒性LC50/EC50(mg/L)≤1為極高危害, 1~10為高危害, 10~100為中危害, >100為低危害, Hg2+對6種海洋生物L(fēng)C50/EC50為0.003 1 mg/L~ 0.063 5 mg/L, 表現(xiàn)為極高毒性; SDS對6種海洋生物L(fēng)C50/EC50為1.16 mg/L~30.2 mg/L, Zn2+對6種海洋生物L(fēng)C50/EC50為2.21 mg/L~11.51 mg/L, 表現(xiàn)為中、高毒性; 苯酚對6種海洋生物L(fēng)C50/EC50為15.63 mg/L~ 552 mg/L, 表現(xiàn)為中、低毒性。4種污染物對發(fā)光細菌、牟氏角毛藻、蒙古裸腹溞毒性大小依次為: Hg2+> Zn2+>SDS>苯酚; 對諸氏鯔蝦虎魚、鹵蟲、凡納濱對蝦毒性大小依次為: Hg2+>SDS >Zn2+>苯酚。上述結(jié)果表明, 環(huán)境友好型鉆井液應(yīng)嚴格限制含Hg2+組分的添加量。

2.3 6種海洋生物毒性敏感性比較

根據(jù)4種特征污染物對6種海洋生物的生物毒性試驗結(jié)果, 分別按生物對污染物的LC50或EC50進行排序, 統(tǒng)計各生物的排序頻次(表2); 排名1~6對應(yīng)賦分值為1~6積分, 以各生物在本次測試中的平均積分(排名頻次×排名積分/總數(shù))來比較不同生態(tài)位生物的毒性敏感性。由表2可知, 諸氏鯔蝦虎魚、蒙古裸腹溞、鹵蟲、凡納濱對蝦、牟氏角毛藻、發(fā)光細菌的平均積分分別為2.5、2.0、3.5、4.0、4.75、4.25, 故6種海洋生物對苯酚、Zn2+、SDS、Hg2+的敏感性順序為: 蒙古裸腹溞>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦>發(fā)光細菌>牟氏角毛藻。

2.4 6種海洋生物毒性相關(guān)性分析

將4種特征污染物對6種海洋生物的試驗數(shù)據(jù)取以10為底的對數(shù), 采用spss13.0軟件進行Pearson相關(guān)分析(雙變量, 雙尾), 結(jié)果見表3。結(jié)果顯示, 發(fā)光細菌與蒙古裸腹溞以及諸氏鯔蝦虎魚與鹵蟲生物間毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性極顯著(<0.01); 發(fā)光細菌與鹵蟲以及凡納濱對蝦與5種生物間毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著(<0.05); 其余生物間毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性不顯著(>0.05)。

表2 6種海洋生物對4種特征污染物的敏感性比較

注: 生物毒性平均積分=各名次積分×該生物獲得該名次的頻次/有效數(shù)據(jù)個數(shù), 積分越小表明敏感性越高

表3 4種特征污染物對6種海洋生物毒性的相關(guān)性分析

注: “**”. 相關(guān)性極顯著(<0.01); “*”. 相關(guān)性顯著(<0.05); “/”. 表示未比較

3 討論

理想的指示生物通常應(yīng)具有對污染物的敏感性和重復(fù)性好、本地生態(tài)位代表性強、來源方便、易質(zhì)量控制等特征[17]。而實驗生物的環(huán)境本底、養(yǎng)殖條件、生理狀態(tài)直接影響毒性試驗結(jié)果的準確性和可重復(fù)性, 美國環(huán)保局規(guī)定只有實驗室嚴格控制培養(yǎng)條件的生物才能用于毒性測試[11]。本試驗采用的實驗生物是中國海洋不同生態(tài)位的代表種類, 已廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境生物毒性評價研究[18-20], 其中諸氏鯔蝦虎魚、蒙古裸腹溞、費氏弧菌()、牟氏角毛藻、鹵蟲均為中國本土生物, 且為實驗室內(nèi)全人工繁殖或穩(wěn)定培育傳代, 遺傳背景清晰、環(huán)境本底一致, 便于數(shù)據(jù)比較和交流, 為中國海洋鉆井廢液排放標準的完善積累了本土生物毒性數(shù)據(jù)。

目前, 國內(nèi)外通?；趯嶒炇覂?nèi)大量受試生物的毒性測試數(shù)據(jù)來評估污染物對整個生態(tài)系統(tǒng)的影響和危害水平, 且推薦使用本土物種的毒性數(shù)據(jù)[21-22]。本研究結(jié)果顯示, Hg2+對牟氏角毛藻的72 h EC50為0.059 3 mg/L, 與戰(zhàn)玉杰[23]等海洋硅藻毒性結(jié)果接近(旋鏈角毛藻(), 96 h EC50為0.042 mg/L), 高于國外海洋硅藻毒性結(jié)果(布氏雙尾藻(), 5 d EC50為0.01 mg/L) (https:// cfpub. epa.gov/ecotox); Zn2+對費氏弧菌的15 min EC50為3.57 mg/L, 對鹵蟲的96 h LC50為11.51 mg/L, 而國外學(xué)者研究Zn2+對費氏弧菌的15 min EC50為26 mg/L[12], 對鹵蟲的72 h EC50為37 mg/L(https://cfpub.epa.gov/ ecotox),表明中國海洋生物毒性敏感性與國外物種的敏感性存在一定差異, 這與李會仙[17]等研究結(jié)果相似, 進一步為中國本地物種毒性數(shù)據(jù)的重要性提供了理論支持。

對水環(huán)境污染物生物毒性評價, 歐美等發(fā)達國家要求至少使用3個不同營養(yǎng)級的受試物種, 以確定最敏感的物種。本試驗選用的實驗生物涵蓋了單細胞藻類(生產(chǎn)者)、無脊椎動物甲殼類(初級消費者)以及脊椎動物魚類(次級消費者)以及細菌(分解者), 可探討多生態(tài)位海洋生物對污染物的毒性敏感性。由于細菌、藻類與其他水生動物對污染物的毒性反饋機制不同, 直接進行毒性效應(yīng)可比性不足, 而基于污染物對生物的毒性大小分級賦分, 并以此為依據(jù)進行積分值比較是綜合評價不同生物敏感性的一種簡單、常用的方法[16, 24]。本研究中, 蒙古裸腹溞對4種特征污染物敏感性綜合評價積分值最低(2.0分), 為最敏感種類; 其次為諸氏鯔蝦虎魚(2.5分); 牟氏角毛藻積分值最高(4.75分), 為最不敏感種類。王穎[20]等研究結(jié)果顯示, 4種水生動物對消油劑的敏感性順序為蒙古裸腹溞>蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦; Li[25]等研究表明, 6種水生生物對鉆井液組分敏感性順序為蝦虎魚>蒙古裸腹溞>鹵蟲>凡納濱對蝦>牟氏角毛藻>費氏弧菌, 上述結(jié)果與本試驗敏感性規(guī)律相似。

理論上, 采用不同生態(tài)位代表性實驗生物種類越多, 越能全面客觀地反應(yīng)污染物對水生生態(tài)系統(tǒng)的綜合毒性影響, 但毒性評價工作量和成本也將隨之增加。不同物種間毒性相關(guān)性研究有助于以一種生物的毒性預(yù)測其他多種生物的毒性, 便于整體評價污染物對不同生態(tài)位生物的毒性水平, 因此雖然物種間生物組織結(jié)構(gòu)和污染物毒性作用機制存在差異, 但仍有許多學(xué)者探討了不同物種間的相關(guān)性關(guān)系[26-27]。本研究中, 諸氏鯔蝦虎魚與鹵蟲、凡納濱對蝦毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著(<0.05), 與發(fā)光細菌的毒性數(shù)據(jù)種間相關(guān)性不顯著(sig=0.062)。王東[28]等研究表明, 鉆井液毒性評價時, 發(fā)光細菌與糠蝦()毒性相關(guān)系數(shù)僅為0.3; 馮曉娜[29]等研究顯示, 有機化合物對發(fā)光菌和魚的毒性呈正相關(guān), 但種間相關(guān)性較差, 上述結(jié)果與本研究一致; 蒙古裸腹溞與發(fā)光細菌、凡納濱對蝦毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著(<0.05), 與藻類的毒性數(shù)據(jù)種間相關(guān)性不顯著(=0.117), 與Zhang[30]等研究結(jié)果類似。因此, 綜合生物的生態(tài)地位、毒性敏感性以及物種間的相關(guān)性考慮, 蒙古裸腹溞和諸氏鯔蝦虎魚是較為理想的鉆井廢液生物毒性綜合評價受試生物。

4 結(jié)論

4種特征污染物(苯酚、七水硫酸鋅、SDS、氯化汞)對6種海洋生物具有不同程度的毒性作用, 其中Hg2+對6種海洋生物表現(xiàn)為極高毒性, 環(huán)保型鉆井液應(yīng)嚴格限制含Hg2+添加劑的使用。6種海洋生物對4種特征污染物的敏感性順序為: 蒙古裸腹溞>諸氏鯔蝦虎魚>鹵蟲>凡納濱對蝦>發(fā)光細菌>牟氏角毛藻; 諸氏鯔蝦虎魚與鹵蟲、凡納濱對蝦種間毒性相關(guān)性顯著, 蒙古裸腹溞與發(fā)光細菌、凡納濱對蝦種間毒性相關(guān)性顯著。綜合測試生物的生態(tài)地位、毒性敏感性以及物種間的相關(guān)性考慮, 諸氏鯔蝦虎魚和蒙古裸腹溞是海洋鉆井廢液理想的生物毒性綜合評價受試生物。以上研究結(jié)果為中國海洋鉆井廢液排放標準的完善積累了本土生物毒性數(shù)據(jù)。

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Toxicity evaluation of drilling fluid characteristic pollutants and comparison of applicability of marine organisms for toxicity test

LIU Wei-li1, YU Lu-jun2, LI Jian-jun2, CHEN Xiao-qu2, ZHANG Lei3

(1. China Oilfield Services Limited, Tianjin 300450, China; 2. Guangdong Laboratory Animals Monitoring Institute; Guangdong Provincial Key Laboratory of Laboratory Animals, Guangzhou 510663, China; 3. Beijing Tiantai Zhiyuan Technology Co., Ltd., Beijing 100020, China)

Given the yearly increases in the number of offshore drillings, the utilization of drilling fluids has rapidly increased. The environmental hazards associated with drilling waste have attracted a lot of attention. Therefore, it is important to select ecofriendly drilling fluid additives and screen for reliable bioindicators. In this study, the toxicity of ZnSO4?7H2O, HgCl2, phenol, and sodium dodecyl sulfate (SDS) was investigated according to the guidelines of ISO 11348-1 (2007) and the Chinese national standards (GB/T 21805-2008 and GB/T 18420.2-2009). Marine test organisms, including bioluminescent bacterium, marine diatom, cladoceran, anostracan, whiteleg shrimp, and fish, were selected for this study, considering their high sensitivity. The results showed that Hg2+is highly toxic to the six marine organisms. Zn2+and SDS are moderately and highly toxic, respectively, whereas phenol exhibits a moderate to low toxicity. The order of sensitivity of the species to drilling fluidcharacteristic pollutantsis as follows:>>>>>Furthermore, there are significant correlations between,, andand between,, and. This study aids in the selection of test marine organisms for the evaluation of toxicity of drilling fluids.

drilling waste; acute toxicity; test organisms

Dec. 6, 2019

X82; Q95.3

A

1000-3096(2020)10-0074-07

10.11759/hykx20191202002

2019-12-02;

2020-04-28

中海油田服務(wù)股份有限公司項目(YHB20YF014)

[Capacity Promotion of Scientific Research Platform of Oilfield Chemicals, No. YHB20YF014]

劉衛(wèi)麗(1984-), 女, 工程師, 主要從事海洋石油鉆井液與完井液研究, 電話: 15343168569, E-mail: 277465200@qq.com; 張磊,通信作者, 022-59551616, E-mail: 342704462@qq.com

(本文編輯: 譚雪靜)