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  • ISSN 1007-6336
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0#柴油分散液和乳化液对栉孔扇贝的急性毒性效应及富集差异性分析

景玉婷 李志林 张传松 石晓勇

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0#柴油分散液和乳化液对栉孔扇贝的急性毒性效应及富集差异性分析

    作者简介: 景玉婷(1994-), 女, 山东济南人, 硕士研究生, 主要研究方向为海洋污染生态化学与海水分析化学, E-mail:yutingjing0@163.com;
    通讯作者: 张传松(1972-), 男, 山东日照人, 博士, 讲师, 主要研究方向为海洋化学, E-mail:zcsong@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发项目(2016YFC1402101);国家海洋局海洋减灾中心科研项目(2014AA060)
  • 中图分类号: X171.5

Acute toxicity effects and bioaccumulation characteristics of No.0 diesel dispersion and diesel emulsion on Chlamys Farreri

  • 摘要: 本文以我国船舶常用燃料油0#柴油作为实验油品,以常用作海洋污染物指示的栉孔扇贝为受试生物,采用半静态暴毒实验法分别开展了栉孔扇贝对0#柴油分散液和柴油乳化液的急性毒性效应、富集与释放特征的对比研究。结果表明:(1)石油烃对栉孔扇贝具有较强的毒性效应,栉孔扇贝在柴油分散液中的96 h-LC50为2.68 mg/L,在柴油乳化液中的96 h-LC50为1.74 mg/L,二者均为高毒物质,消油剂的使用增加了柴油对扇贝的毒性;(2)栉孔扇贝在柴油乳化液中的稳态生物富集系数BCF1为404.6~91.75 mg/L,动力学生物富集系数BCF2为1973.80~327.06 mL/g,动力学吸收速率常数ku为8.89~0.71 mL/(g·h),均大于同浓度下在柴油分散液中BCF(292.2~49.6 mL/g、1412.4~106.5 mL/g)和ku(6.92~0.48 mL/(g·h)),表明栉孔扇贝对柴油乳化液有更强的富集能力与富集速率。
  • 图 1  在柴油分散液和乳化液中扇贝体内石油烃平均浓度的变化

    Figure 1.  The change of diesel in Chlamys farreri in dispersion and diesel emulsion in different concentrations

    图 2  各实验组平台期时扇贝体内的石油烃浓度

    Figure 2.  The concentration of diesel in Chlamys farreri at the stage of platform

    图 3  扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中富集参数的比较

    Figure 3.  Bioaccumulation parameters of Chlamys farreri in diesel dispersion and diesel emulsion

    表 1  不同浓度柴油分散液和乳化液中栉孔扇贝96 h的死亡统计

    Table 1.  The statistics of Chlamys farreri under different concentration of diesel dispersion and diesel emulsion in 96 hours

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    表 2  石油烃污染物对水生生物的LC50

    Table 2.  The LC50 of aquatic organisms in different kinds of oil

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    表 3  扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的富集动力学参数

    Table 3.  Bioaccumulation kinetic parameters of Chlamys farreri in diesel dispersion and diesel emulsion

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-12
  • 录用日期:  2018-05-09
  • 刊出日期:  2019-12-20

0#柴油分散液和乳化液对栉孔扇贝的急性毒性效应及富集差异性分析

    作者简介:景玉婷(1994-), 女, 山东济南人, 硕士研究生, 主要研究方向为海洋污染生态化学与海水分析化学, E-mail:yutingjing0@163.com
    通讯作者: 张传松(1972-), 男, 山东日照人, 博士, 讲师, 主要研究方向为海洋化学, E-mail:zcsong@ouc.edu.cn
  • 1. 中国海洋大学 化学化工学院, 山东 青岛 266100
  • 2. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
  • 3. 国家海洋局海洋减灾中心, 北京 100194
基金项目: 国家重点研发项目(2016YFC1402101);国家海洋局海洋减灾中心科研项目(2014AA060)

摘要: 本文以我国船舶常用燃料油0#柴油作为实验油品,以常用作海洋污染物指示的栉孔扇贝为受试生物,采用半静态暴毒实验法分别开展了栉孔扇贝对0#柴油分散液和柴油乳化液的急性毒性效应、富集与释放特征的对比研究。结果表明:(1)石油烃对栉孔扇贝具有较强的毒性效应,栉孔扇贝在柴油分散液中的96 h-LC50为2.68 mg/L,在柴油乳化液中的96 h-LC50为1.74 mg/L,二者均为高毒物质,消油剂的使用增加了柴油对扇贝的毒性;(2)栉孔扇贝在柴油乳化液中的稳态生物富集系数BCF1为404.6~91.75 mg/L,动力学生物富集系数BCF2为1973.80~327.06 mL/g,动力学吸收速率常数ku为8.89~0.71 mL/(g·h),均大于同浓度下在柴油分散液中BCF(292.2~49.6 mL/g、1412.4~106.5 mL/g)和ku(6.92~0.48 mL/(g·h)),表明栉孔扇贝对柴油乳化液有更强的富集能力与富集速率。

English Abstract

  • 随着全球经济一体化进程的加快,海洋作为石油的重要开采地和运输渠道,面临海上石油勘探开发的规模不断扩大和海上石油运输高速发展,随之出现的是溢油污染事故频发。2010年4月20日墨西哥“深水地平线”钻井平台的溢油事故、2011年6月中海油渤海湾蓬莱19-3油田的溢油事故等,都对污染海区的海洋生态、经济发展、人类健康和公共安全均造成巨大损害[1-2]。溢油事故发生后,常使用消油剂(即溢油分散剂)来治理溢油污染。虽然大多数溢油消油剂本身的毒性比许多常用的化学制品小,但是仍然有一些消油剂本身比溢油对海洋生物的毒性更大[3-4],因此须谨慎使用。

    国外许多学者对石油烃的海洋生态毒理学进行了探讨,并对其急性毒性效应、富集机理等过程进行了大量的研究[5-7]。肖雅元[8]、许贻斌[9]等人都对贝类进行了毒性效应研究,结果均表明消油剂的使用增加了柴油对扇贝的毒性。迄今为止,关于石油烃污染物对海洋生物的毒性研究主要集中在石油烃和消油剂单独作用时对生物的急性毒性[10-11],而石油烃污染物对生物体的富集与释放特征及动力学参数和石油烃与消油剂对海洋生物的混合毒性数据还相对较少。此外,0#柴油是我国船舶应用最为广泛的油品,而双壳贝类由于其对污染物的富集特性常被用作污染物指示生物,栉孔扇贝(Chlamys farreri)作为一种双壳底栖贝类,是广泛分布在我国北部沿海地区的重要经济物种。因此,本研究选择0#柴油为实验油品,栉孔扇贝作为受试生物分别从柴油水溶性组分以及添加消油剂的柴油乳化液对扇贝的急性毒性、柴油组分在扇贝体内的富集和释放特征这两个方面研究了石油烃污染物对海洋生物的影响,以期为深入研究石油类污染物对生物的致毒机理以及开展海洋溢油的生物监测工作提供基础数据。

    • 实验所用0#柴油来自青岛某加油站;本实验选用GM-2型消油剂,来自青岛某环保公司;海水取自沙子口附近海域,盐度为27~30,pH为7.9~8.5;实验所用容器为40 cm×40 cm×30 cm的玻璃缸,实验受试生物栉孔扇贝取自沙子口附近水产品养殖场,用干净海水冲洗后除去其表面附着物,在实验条件下(温度21±1℃、调节pH=8.0±0.3、盐度29±1)驯养10 d,驯养期间连续通气,每天换水,换水前2 h投喂定量绿藻粉,驯养结束后选择活泼且体长相近(6.0±0.5 cm)的扇贝用于实验。

    • 将0#柴油和过滤海水混合搅拌,通过变换不同油水混合比例,得出其最终水溶性油含量,即0#柴油分散液的浓度。从上述实验中选择最佳油水混合比例,变换消油剂的投放比例,得出其对最终水溶性油含量的影响,即0#柴油乳化液的浓度。综上实验,用油品的最佳投放比例[12-13]来制定方案。

      经实验确定,0#柴油与过滤后的海水以体积比为1: 2的比例制备柴油分散液母液;按消油剂、柴油、海水体积比为1: 10: 100的比例制备柴油乳化液母液。混合于三角瓶中,封口,置于磁力搅拌器上连续避光搅拌24 h。静置8 h后虹吸下层液体即为母液,经0.45 μm的醋酸纤维膜过滤后转移到棕色试剂瓶中,于4℃冷藏保存待用。

      0#柴油分散液和乳化液母液在使用前,依照1.2.2的方法测定其石油烃浓度,并按照实验设计用海水稀释至所需要的浓度。

    • 本实验采用日本日立出产的F-4500荧光分光光度计测定海水和生物体中石油烃的浓度,具体操作均按照《海洋监测规范》(GB 17378.4-2007[14]和GB 17378.6-2007[15])进行。

    • 由柴油急性毒性预实验,根据死亡率估算半致死浓度的区间为1~10 mg/L。

      根据预实验浓度设计急性暴毒浓度,按对数区间设定5个浓度组:1.00,1.78,3.16,5.62,10.00 mg/L和一个空白对照组,每个浓度组设置3个平行实验组,每个平行实验组放置12 L实验水体和10只大小相近、活泼的扇贝,每天定时充氧2 h,每24 h换一次水。采用半静态暴毒方式,连续进行实验96 h,实验期间不喂食,观察扇贝中毒后的性状变化,及时记录扇贝死亡情况(扇贝张口不闭合并用玻璃棒轻触扇贝无反应即可定为死亡)并捡出死亡扇贝以免污染水质。

    • 根据国家海水质量标准,设置4个实验浓度组和一个对照组,每浓度组设置3个平行组在玻璃鱼缸中进行暴毒实验,加入相应体积柴油母液使各个实验组浓度分别为0.05、0.1、0.3、1.0 mg/L。每个鱼缸放入45只经过驯养的扇贝进行富集实验,每12 h更换全量海水并加入相应体积的柴油母液,使实验组的水体中柴油浓度保持相对稳定,每次换水前两小时喂养定量干净的绿藻粉。富集实验进行8 d,从第9 d开始进行净化实验,将暴毒后的扇贝转移到干净的海水中,每天更换全量海水,不添加柴油母液,净化实验进行7 d。

      在富集阶段每天同一时间取样,释放阶段隔天取样,每个平行组各取出一只扇贝,解剖出整个软体组织后用焙烧过的锡纸包好,装于封口袋中,用于测定扇贝整体的柴油浓度,将包好的样品经冷冻干燥研磨后用超声波提取-荧光分光光度法分析[16],分别测定3个平行组柴油浓度,并取平均值。

    • 本实验采用96 h-LC50评价石油烃污染物对栉孔扇贝的毒性效应。本文采用文献[17]所述方法,使用SPSS13.0的Probit Analyze功能对数据进行概率单位回归分析得到0#柴油分散液和乳化液对栉孔扇贝的半致死浓度LC50

      在富集与释放实验中,建立稳态模型和生物富集双箱动力学模型[18-20],分别计算扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的吸收释放过程中的相关参数。稳态生物富集系数(BCF1)=稳态时生物体内毒物浓度(mg/kg)/水体中毒物浓度(mg/L), 动力学生物富集系数(BCF2)=动力学吸收速率常数(mL/g/h)/动力学释放速率常数(/h),ku为动力学吸收速率常数(mL/g/h),物理意义为单位时间内单位质量的生物吸收污染物的体积,ke为动力学释放速率常数(/h),物理意义为单位时间内生物体对污染物的排出。

    • 在不同浓度的柴油分散液和乳化液中,实验进行96 h后,各组扇贝的死亡情况如表 1所示。对照组在整个急性毒性实验中没有扇贝死亡。柴油分散液和柴油乳化液的最高浓度组分别在大约28 h和19 h后,出现第一例死亡;柴油乳化液的最低浓度组在大约48 h时出现第一例死亡;柴油分散液和柴油乳化液的最高浓度组在实验结束时扇贝全部死亡。随后各浓度组出现不同程度的死亡。

      表 1  不同浓度柴油分散液和乳化液中栉孔扇贝96 h的死亡统计

      Table 1.  The statistics of Chlamys farreri under different concentration of diesel dispersion and diesel emulsion in 96 hours

      本文使用SPSS 13.0的Probit Analyze功能得出栉孔扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的半致死浓度96 h-LC50分别为2.68 mg/L和1.74 mg/L,如表 2所示。扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的96 h-LC50均大于1.00 mg/L小于100.00 mg/L,具有高毒性(根据生物监测技术规范[21]可知,当96 h-LC50为1~100 mg/L时,即可定为高毒性)。结果表明:消油剂的使用增加了柴油对扇贝的毒性。96 h-LC50由柴油分散液中的2.68 mg/L下降到柴油乳化液中的1.74 mg/L,毒性增加程度较大。柴油经消油剂处理后,水体中溶解态或分散态的柴油浓度大大增加,同时消油剂中的表面活性剂增加了柴油对生物有毒性的多环芳烃(PAHs)在水中的溶解度。

      表 2  石油烃污染物对水生生物的LC50

      Table 2.  The LC50 of aquatic organisms in different kinds of oil

      国内外已有很多学者利用不同生物进行石油污染物毒性的相关研究。肖雅元等[8]测定的0#柴油水溶性组分对翡翠贻贝的96 h-LC50为1.653 mg/L。许贻斌等[9]测定华贵栉孔扇贝在石油烃乳化液中的96 h-LC50为75.16 mg/L。吕福荣等[22]以马粪胆为实验材料,测定其在0#柴油分散液96 h-LC50为9.6 mg/L,而在加入消油剂后,马粪胆的96 h-LC50降低到了5.1 mg/L,表明柴油乳化液对马粪胆的毒性要大于柴油分散液的毒性。Delshad等[23]等研究了南美白对虾在原油水溶性组分和原油添加分散剂的半致死浓度,结果表明南美白对虾在原油水溶液中的48 h-LC50为1741 mg/L,而在一种消油剂处理后的原油乳化液中的48 h-LC50分别为631.456 mg/L,远远小于前者,这表明添加消油剂后,原油的毒性明显增大。Rico-Martínez等[19]的研究也表明添加Corexit 9500A消油剂后对海洋轮虫的毒性增加了51倍。黄逸君等[20]研究了海洋桡足类生物在原油水溶性成分和添加消油剂后的水溶性成分中的半致死浓度,结果得到海洋桡足类生物在WAF和DWAF中的72 h-LC50分别为(1.31~29.82 mg/L)和(82.33~856.64 mg/L),表明油类经分散乳化后其生物毒性增大。将以上研究与本文的数据进行比较(表 2)。结果表明,本实验研究结果与上述实验结论均一致,添加消油剂后的石油对生物的毒性要大于石油本身对生物的毒性。因此在使用溢油消油剂时不应只考虑消油剂本身对海洋生态系统的影响,更应该考虑消油剂与溢油作用后的综合影响,特别是对海洋生物的毒性,有必要在充分考虑溢油消油剂优点和毒性的基础上建立溢油事故中消油剂的使用规范。

    • 采用超声波提取-荧光分光光度法测定实验所用扇贝体内的柴油浓度,结果见图 1,图中分别为暴露于不同浓度的柴油分散液和乳化液中栉孔扇贝体内柴油浓度随时间的变化曲线。从图中可以看出,当所处水体中柴油浓度不同时,扇贝对柴油的富集特征表现出明显的不同。

      图  1  在柴油分散液和乳化液中扇贝体内石油烃平均浓度的变化

      Figure 1.  The change of diesel in Chlamys farreri in dispersion and diesel emulsion in different concentrations

      对照组扇贝在整个实验期间其体内柴油平均浓度呈现出小幅度波动变化,基本保持稳定。除对照组外,在不同浓度的柴油分散液和乳化液水体中,扇贝体内的柴油浓度在暴毒实验的前几天均迅速增加,且增加速度在整体上随水体中柴油浓度的增大而增大,随后增加速率放缓,在富集阶段结束时各实验组扇贝对柴油都有不同程度的累积。同样,随着水体中柴油浓度的增大,生物体内的柴油富集量也逐渐增大。在净化阶段,各实验组扇贝体内柴油浓度均随净化时间的延长而降低,即当环境中柴油浓度很低时,扇贝对体内柴油有一定程度的释放,在净化实验结束时,扇贝体内柴油的残余量在整体上随着暴毒实验水体中柴油浓度的增大而增大,表明扇贝体内柴油的残余量与释放时间和扇贝体内原始石油烃浓度有关。

      柴油分散液及柴油乳化液各实验组扇贝在平台时期体内的石油烃浓度如图 2所示,扇贝在柴油分散液与柴油乳化液两种体系中对柴油的累积量均随着所处水体中柴油浓度的增加不断增加,在柴油分散液中扇贝体内石油烃含量为14.61~49.6 mg/kg,分别低于相同浓度下在柴油乳化液中的石油烃含量(20.23~91.75 mg/kg)。结果表明,在相同的柴油浓度下,添加消油剂后,扇贝对柴油的累积量明显增加,并且水体中柴油浓度越大,消油剂引起的效果越明显。

      图  2  各实验组平台期时扇贝体内的石油烃浓度

      Figure 2.  The concentration of diesel in Chlamys farreri at the stage of platform

    • 运用建立的稳态模型和生物富集双箱动力学模型,分别计算扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的吸收释放过程中的相关参数,如表 3所示。

      表 3  扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的富集动力学参数

      Table 3.  Bioaccumulation kinetic parameters of Chlamys farreri in diesel dispersion and diesel emulsion

      各实验组扇贝在柴油乳化液中的稳态生物富集系数BCF1为404.6~91.75 mL/g,动力学生物富集系数BCF2为1973.80~327.06 mL/g,动力学吸收速率常数ku为8.89 ~0.71 mL/(g·h),均大于同浓度的柴油分散液中的BCF(292.2~49.6 mL/g、1412.41~106.52 mL/g)和ku(6.92~0.48 mL/(g·h)),实验所测得的释放速率常数ke随水体中柴油浓度的变化均不大。

      在富集阶段,将0.05、0.1、0.3、1.0 mg/L各组的栉孔扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中BCF值进行方差分析,结果显示:在95%的置信水平下,栉孔扇贝在柴油分散液和柴油乳化液的各不同浓度组的BCF值之间存在显著性差异(P<0.01),表明栉孔扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中的富集能力不同。由图 3可见,在柴油乳化液中,扇贝对柴油有更高的富集能力,添加分散剂后增大了扇贝对柴油组分的吸收,扇贝在柴油分散液与柴油乳化液两种体系中吸收速率常数和生物富集系数均随着水体中石油烃浓度的增大而减小,但释放速率常数ke的差别不大。

      图  3  扇贝在柴油分散液和柴油乳化液中富集参数的比较

      Figure 3.  Bioaccumulation parameters of Chlamys farreri in diesel dispersion and diesel emulsion

      孙珊等[24]通过曲线拟合得到的口虾蛄对石油烃的吸收速率常数ku范围为1.06~2.07,其结果表明吸收速率常数和生物富集系数均随着水体中石油烃浓度的增大而减小,与本文研究结果相一致。高萍等[25]以菲律宾蛤仔为受试生物, 暴毒15 d后菲律宾蛤仔的BCF为231.20~30.61 mL/g,ku范围为1.54 ~6.53 mg/(kg·d),随水体中石油烃浓度的增大而减小,吸收速率随水体中石油浓度的增加而增大,释放实验结束后蛤仔体内石油烃的残余量随水体中石油浓度的增大逐渐升高。李磊等[26]研究了缢蛏对0#柴油、原油乳化液的生物富集实验,得到生物富集系数BCF平均值为122.56和89.38,吸收速率常数k1平均值分别为10.67 mL/(g·h)、7.79 mL/(g·h),缢蛏对0#柴油、原油乳化液的BCFk1均随外部水体中石油烃浓度的增大而减少,与本研究实验组结果接近。Darcy A等[27]研究了招潮蟹在原油乳化液和原油WAF中的富集特征,得到ku分别为2.51 mL/(g·h)和0.76 mL/(g·h),BCF分别为447.9 mL/g和225.0 mL/g,实验结果表明,石油乳化液中的BCFku均大于分散液中的BCF,与本文研究结果相一致。

    • (1) 通过毒性实验表明,柴油分散液和柴油乳化液对栉孔扇贝都具有高毒性,在柴油水溶性组分中的96 h-LC50为2.68 mg/L,在柴油乳化液(加消油剂)中的96 h-LC50为1.74 mg/L,消油剂的使用增加了柴油对扇贝的毒性。

      (2) 栉孔扇贝对柴油分散液和柴油乳化液均有明显的富集能力,富集量均随水体中柴油浓度的增大而增大,生物富集系数BCF、动力学吸收速率常数ku均随水体中柴油浓度的增大而减小,说明水体中柴油浓度越大,扇贝对其富集程度越小。扇贝在柴油乳化液中的BCFku均大于同浓度下柴油分散液中的BCFku,表明扇贝对柴油乳化液有更强的富集能力与富集速率,这可能是因为消油剂将柴油分散成极为细小的油滴,增大了与扇贝的接触面积。

参考文献 (27)

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