海洋油氣開發(fā)鉆井液和鉆屑排放對許氏平鲉幼魚急性毒性研究

郭 靜，謝雙蔚，郭良波，陳 星

(中海油研究總院責(zé)任有限公司，北京100102)

海洋油氣的不斷發(fā)現(xiàn)和持續(xù)開發(fā)，為國家提供了有力的能源儲備，但也給海洋環(huán)境帶來一定的影響。海洋油氣開發(fā)主要污染物之一水基鉆井液和鉆屑的排放，使鉆井平臺周圍海水中懸浮物增多，有研究表明，懸浮物對水體中生物的生理、行為、攝食、生長、繁殖等均會產(chǎn)生影響[1]。懸浮物急劇增加會阻塞魚類的鰓組織，造成其呼吸困難，嚴(yán)重的可能會引起死亡。高濃度懸浮物中的有毒物質(zhì)可在生物體內(nèi)富集積累，從而對生物本身及食物鏈上一級生物產(chǎn)生毒害作用[2]，甚至影響海洋生物生態(tài)系統(tǒng)[3]。目前，學(xué)者們的研究主要集中在疏浚懸浮物濃度升高而產(chǎn)生的海洋生態(tài)問題[4-6]，對鉆井液和鉆屑排放產(chǎn)生的懸浮物影響游泳能力較弱的海洋生物幼體的關(guān)注較少，而海洋生物幼體的多樣性和豐富度可影響整個海洋生物的群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，開展此項研究對海洋油氣的有序開發(fā)、維護海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有十分重要的意義。

許氏平鲉(Sebastesschlegeli)廣泛分布于中國黃渤海海域，卵胎生，幼魚具有漂浮性，是中國重要的海洋漁業(yè)經(jīng)濟魚類。為研究海洋油氣開發(fā)鉆井液和鉆屑排放對海洋生物幼體生長和存活的影響，了解不同懸浮物濃度對海洋生物幼體生存的影響程度，進而優(yōu)化海上鉆井污染物的排放方式，本研究選取黃渤海重要漁業(yè)經(jīng)濟物種許氏平鲉幼魚為研究對象，選取不同濃度的水基鉆井液和鉆屑對許氏平鲉幼魚進行急性毒性實驗，以期為鉆井液和鉆屑排放對海洋生物的影響程度提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

于青島某養(yǎng)殖場購進規(guī)格相近、活力旺盛的許氏平鲉幼魚，將其置于聚乙烯塑料水箱中暫養(yǎng)一周后進行實驗。暫養(yǎng)期間連續(xù)充氧，每天投喂配合餌料1次(于9：00投喂1次，投喂量為幼魚總重量的1%)。在投喂1 h后完全換水1次，所用海水鹽度為28.32～30.70，水溫為22～25℃，pH為7.70～8.10，溶解氧(DO)大于6.5 mg/L。水基鉆井液實驗魚平均體長為(4.25±0.16)cm、體質(zhì)量為(2.43±0.16)g；鉆屑實驗魚平均體長為(4.75±0.42)cm、體質(zhì)量為(3.45±0.88)g。實驗容器為350 mm×250 mm聚乙烯塑料水箱，實驗期間不換水。

實驗采用中海油渤海蓬勃作業(yè)公司提供的海上生產(chǎn)平臺的水基鉆井液和鉆屑。水基鉆井液不含油，主要成分由水和黏土等組成，其中水占比90%，黏土占比7%，其他添加劑占比3%。鉆屑主要由鉆井液從井底帶至地面的巖石碎屑組成，其中鉆屑中含水60%。

1.2 實驗方法

實驗采用96 h急性毒性實驗，即參照GB 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性 第2部分：檢驗方法》[7]，選取不同濃度的水基鉆井液和鉆屑對許氏平鲉幼魚進行急性毒性實驗，通過觀察測定許氏平鲉幼魚在96 h內(nèi)的行為異?；蛩劳鲂?yīng)，分析計算水基鉆井液和鉆屑對許氏平鲉幼魚具有顯著影響的濃度。

1.2.1 水基鉆井液懸浮物實驗方法

參照GB 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性 第2部分：檢驗方法》中的鉆井液配置方法，將1份鉆井原液與9份海水混合后，用磁力攪拌器攪拌20 min再沉降60 min后，取上清液為母液，經(jīng)測定母液懸浮物濃度為1 670 mg/L。

每組實驗體積為3 L，母液與海水的體積比為0(未添加母液，作為對照組)、1∶7、1∶3、1∶1、母液(未添加海水)，根據(jù)母液懸浮物濃度可換算5個實驗組，質(zhì)量濃度分別為0、208.75、417.50、835.00、1 670.00 mg/L。每個實驗組中放置10條實驗用魚，保持充氧狀態(tài)。

1.2.2 鉆屑懸浮物實驗方法

參照《水生生物毒性試驗方法》[8]，分預(yù)實驗和正式實驗。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果確定鉆屑正式實驗所需的濃度范圍，設(shè)置5個正式實驗鉆屑組，濃度分別為0(對照組)、62.5、125.0、250.0、500.0 g/L(濕重)。每組實驗體積為3 L，每個實驗組放置10條實驗用魚，保持充氧狀態(tài)。

1.2.3 分析方法

溫度、鹽度、DO和pH采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀進行測定，懸浮物參考GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分：海水分析》[9]測定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對實驗結(jié)果進行直線回歸處理，建立幼體死亡率(P%)和鉆井液、鉆屑濃度的對數(shù)(lnC)的線性關(guān)系，求解幼體半致死濃度96 h-LC50值。采用SPSS軟件計算許氏平鲉幼魚半致死濃度LC50值，并進行鉆井液、鉆屑對幼魚生長影響的顯著性分析。

安全濃度(SC)采用特倫堡(Turubell)[10]的安全濃度計算公式：

SC=48 h LC50×0.3/(24 h LC50/48 h LC50)2

2 結(jié)果與分析

2.1 水基鉆井液對許氏平鲉幼魚急性毒性結(jié)果

水基鉆井液對許氏平鲉幼魚的急性毒性結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，不同濃度的水基鉆井液對幼魚具有顯著的影響(P<0.05)；水基鉆井液濃度與幼魚死亡率呈線性關(guān)系(48 h：y=78.065x-162.580，R2=0.819 7；96 h：y=63.150x-104.170，R2=0.998 2)，其半致死濃度96 h-LC50為275.42 mg/L。

表1 水基鉆井液對許氏平鲉幼魚急性毒性實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results on the effect of the water-based drilling fluid on juveniles Sebastes schlegeli

根據(jù)Turubell的安全濃度計算公式，計算出水基鉆井液對幼魚的安全濃度SC為78.91 mg/L。

在最高濃度1 670.00 mg/L懸浮物組中加入幼魚后，幼魚缺氧嚴(yán)重，開始時跳躍、浮頭現(xiàn)象明顯，1～2 h后出現(xiàn)死亡，24 h內(nèi)全部死亡。另外，實驗過程中添加水基鉆井液對幼魚正常攝食有一定的影響，實驗組幼魚攝食量明顯減少，且隨著濃度的增加,幼魚攝食量減少較為明顯。

2.2 鉆屑對許氏平鲉幼魚急性毒性結(jié)果

鉆屑對許氏平鲉幼魚的急性毒性結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，不同濃度的鉆屑對幼魚死亡率具有顯著性影響(P<0.05)；鉆屑濃度與幼魚死亡率呈線性關(guān)系(48 h：y=129.63x-237.71，R2=0.861 8；96 h：y=102.30x-164.49，R2=0.896 0)，其半致死濃度96 h-LC50為125.89 g/L。

表2 鉆屑對許氏平鲉幼魚急性毒性實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results on the effect of the drilling cutting on juveniles Sebastes schlegeli

根據(jù)Turubell的安全濃度計算公式，計算出鉆屑對幼魚的安全濃度SC為41.41 g/L。

實驗觀察到250.0 g/L和500.0 g/L鉆屑溶液組中加入幼魚后，幼魚缺氧嚴(yán)重，開始時幼魚跳躍、浮頭現(xiàn)象明顯，1 h后開始出現(xiàn)死亡，24 h內(nèi)全部死亡。另外，實驗組幼魚攝食量明顯減少，且隨著濃度的增加,幼魚攝食量減少較為明顯。

續(xù)表2

2.3 水基鉆井液和鉆屑造成的pH變化

實驗中添加水基鉆井液和鉆屑后，海水pH值發(fā)生變化，其中添加水基鉆井液后，實驗組溶液pH增加量為0.28～1.43，純母液實驗組的pH超過8.5，其他實驗組的pH滿足GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]第二類要求(7.8～8.5)。添加鉆屑后，實驗組pH變化為(-0.08～+0.06)，可忽略不計，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 加入水基鉆井液后實驗用水pH變化Tab.3 pH change of experimental water after adding water-based drilling fluid

表4 加入鉆屑后實驗用水pH變化Tab.4 pH change of experimental water after adding drilling cuttings

3 討論

3.1 鉆井液對許氏平鲉幼魚的影響

Perricord R K研究表明，懸浮物黏附在游泳生物的體表，會使生物感覺功能下降，游泳能力減弱；懸浮物還可阻塞魚類等的鰓組織，損傷鰓絲，影響其呼吸系統(tǒng)[12]。已有研究結(jié)果表明，堵塞呼吸器官導(dǎo)致生物缺氧窒息，是懸浮物造成海洋生物死亡的主要原因[2]。本次實驗加入水基鉆井液后，通過持續(xù)充氧，基本可以使一定量的鉆井液處于懸浮狀態(tài)。結(jié)果顯示，不同濃度組中幼魚的生存狀態(tài)不同，低濃度組幼魚對水基鉆井液的響應(yīng)不明顯，較高濃度組幼魚攝食量明顯減少，而高濃度組中幼魚出現(xiàn)跳躍、浮頭等現(xiàn)象，甚至短時間內(nèi)死亡。其原因是由于懸浮小顆粒黏附在幼魚的鰓上，從而導(dǎo)致魚缺氧死亡。這與陳永平等研究懸浮物對鱸魚和梭魚幼魚的毒性研究結(jié)果一致，試驗魚的死亡率與懸浮物濃度之間呈現(xiàn)明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系，隨著懸浮物濃度升高，試驗用魚的死亡率也隨之升高；試驗魚死前均出現(xiàn)鰓蓋擴張，鰓部有懸浮物顆粒[13]。這一結(jié)果也充分說明高濃度的懸浮物對許氏平鲉幼魚具有較強的致死作用。

3.2 鉆井液和鉆屑對許氏平鲉幼魚影響比較

根據(jù)實驗結(jié)果(表5)可知，水基鉆井液和鉆屑對許氏平鲉幼魚的毒性不同，比較兩種污染物對幼魚的毒性可以得出：水基鉆井液>鉆屑，即鉆井液對幼魚的毒性高于鉆屑。其原因主要與這兩種污染物的性質(zhì)有關(guān)，鉆井液主要成分為水和黏土，鉆屑為巖石碎屑，鉆井液顆粒粒徑小于鉆屑，且鉆井液與鉆屑相比含有少量添加劑；鉆井液高濃度實驗組中pH明顯升高，這可能也是導(dǎo)致許氏平鲉幼魚死亡的原因之一。

表5 不同類別污染物對許氏平鲉幼魚毒性比較Tab.5 Comparison of the toxicity of different pollutants to juveniles Sebastes schlegeli

研究比較懸浮物對不同魚類急性毒性，結(jié)果表明不同魚類對懸浮物的敏感性存在差異。如懸浮物對梭魚幼魚的安全濃度為105.28 mg/L[13]，懸浮物對鱸魚幼魚的安全濃度為16.81 mg/L[13]，懸浮物對半滑舌鰨伏底階段稚魚的安全濃度為211.72 mg/L[2]，懸浮物對褐牙鲆幼魚的安全濃度為1 263.70 mg/L[14]。這可能與不同魚類對懸浮物耐受性存在差異相關(guān)，也可能與懸浮物的來源即不同水中重金屬、有機物等有害物質(zhì)差異相關(guān)。

3.3 鉆井液和鉆屑排放對許氏平鲉幼魚的安全性影響

《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，人為增加懸浮物濃度≤10 mg/L符合一(二)類標(biāo)準(zhǔn)要求，10～100 mg/L為三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，100～150 mg/L為四類海水水質(zhì)要求。本文研究結(jié)果：水基鉆井液對許氏平鲉幼魚的安全濃度為78.91 mg/L，由此得出，若水基鉆井液排放導(dǎo)致海水處于三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，則可能會對許氏平鲉幼魚安全造成一定的影響。鉆屑對許氏平鲉幼魚的安全濃度為41.41 g/L，鉆屑對許氏平鲉幼魚安全濃度高，對幼魚的安全性影響小于鉆井液，這主要與其形態(tài)和成分有關(guān)，鉆屑顆粒粒徑較大，易較快沉降在底部，對游泳生物的損傷較小。

4 結(jié)論

本研究表明，鉆井液和鉆屑中的懸浮物對許氏平鲉幼魚具有一定的影響，且不同濃度的鉆井液和鉆屑對幼魚影響不同。因此，需嚴(yán)格控制海洋油氣開發(fā)中鉆井液和鉆屑的排放濃度和排放速率，不能高濃度、長時間的排放，也不能無序的排放。

1)高濃度的鉆井液和鉆屑會對許氏平鲉幼魚產(chǎn)生毒害作用。當(dāng)水基鉆井液濃度超過78.91 mg/L、鉆屑濃度超過41.41 g/L時，均會對許氏平鲉幼魚產(chǎn)生一定的危害；當(dāng)水基鉆井液濃度達到275.42 mg/L時、鉆屑濃度達到125.89 g/L時，均會導(dǎo)致半數(shù)的許氏平鲉幼魚死亡。

2)水基鉆井液對許氏平鲉幼魚的安全濃度為78.91 mg/L，若水基鉆井液排放導(dǎo)致海水處于三類及超三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，則可能會對許氏平鲉幼魚的安全造成一定的影響。

為保護海洋生物資源，海洋油氣開發(fā)工程利用海洋生態(tài)修復(fù)和補償資金在油氣開發(fā)海域開展了多項生物增殖放流[15]，以期恢復(fù)生物資源。同時進行規(guī)范管理，并在修復(fù)期間定期進行漁業(yè)資源與捕撈產(chǎn)量的跟蹤監(jiān)測，保證上述海域海洋生態(tài)環(huán)境得到良好修復(fù)?？紤]大多數(shù)魚類的卵為浮性卵，通過深水排放措施，降低海域懸浮物濃度，嚴(yán)格控制對工程海域海洋生物資源擾動的強度，減少對海洋生物幼體的傷害。本研究結(jié)果可為海洋生物資源恢復(fù)和保護提供參考依據(jù)。