北部灣潿洲島原油污染物的海水環境質量基準研究

張繼偉,王偉莉,蔡 靳,鄭 欣,王曉南,武江越,閆振廣*,劉征濤 (.國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 36005；.中國環境科學研究院,環境基準風險評估國家重點實驗室,國家環境保護化學品生態效應與風險評估重點實驗室,北京 000)

北部灣潿洲島原油污染物的海水環境質量基準研究

張繼偉1,王偉莉2,蔡 靳2,鄭 欣2,王曉南2,武江越2,閆振廣2*,劉征濤2(1.國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005；2.中國環境科學研究院,環境基準風險評估國家重點實驗室,國家環境保護化學品生態效應與風險評估重點實驗室,北京 100012)

選擇 9種我國本土海洋生物對北部灣潿洲島原油污染物的急性生物毒性進行測試,并基于測試獲得的毒性數據,利用美國水生生物基準推算方法,對該原油污染物的海水環境基準閾值進行推導,結果表明:原油樣品對鹵蟲、褶皺臂尾輪蟲、太平洋紡錘水蚤、中國對蝦、三疣梭子蟹、彩虹明櫻蛤、牙鲆、半滑舌鰨、青島大扁藻的LC50(或EC50)分別為10.28, 2.37, 4.88, 0.31, 0.81, 65.88, 19.02, 9.10, 0.23mg/L;潿洲島原油污染物的急性和慢性海水質量基準閾值分別為0.06,0.012mg/L.研究結果可為我國海上溢油事故損害評估提供科學依據.

潿洲島；原油；生物毒性；海水環境基準

水質基準全稱為水環境質量基準,是制定水質標準的科學依據,同時也為環境風險評估與污染損害鑒定提供了尺度和準繩.水質基準主要是指環境中污染物對特定對象(人或其他生物)不產生有害影響的最大劑量(無作用劑量)或濃度[1-2].美國是世界上最早開展水質基準研究的國家之一,早在20世紀60年代就發布了一系列國家水質基準文件[3-4],如《綠皮書》、《藍皮書》等.美國環保局(USEPA)于 1985年頒布了“推導保護水生生物及其用途的數值型水質基準技術指南”(以下簡稱“指南”),總結提出水生生物基準技術方法[5-6].我國近幾年也展開了一些本土水質基準研究,研究了一批我國流域水環境特征污染物的基準閾值,如氨氮[7-8]、硝基苯[9]、四溴雙酚 A[10]、以及各種重金屬[11-13]等,但作為我國現行地表水環境質量標準中的石油類污染物基準閾值尚未見研究.

據估計,全世界海上采油平臺大規模溢油每年約(3～5)×104t,全世界因油輪事故溢入海洋的石油每年約 3.9×105t,全球非油輪事故溢油每年約 1.7×104t[14-16].嚴重的海洋水體石油污染對海洋生態環境安全造成嚴重威脅.研究制定適用于我國海洋環境的石油污染物水質基準,科學評價和預測石油污染物的生物毒性,對于溢油區域風險評估及污染損害鑒定具有重要意義.

北部灣潿洲島是南海北部灣中的最大島嶼,位于北海市沿岸南面濱外淺海,生物多樣性豐富,近年來由于潿洲島輸油管溢油的事故的頻繁發生,潿洲島海域的生態環境遭到了一定程度的破壞.為準確評估潿洲島石油平臺原油泄漏引發的生態損害,本文針對該種原油進行了本土海洋生物的毒性測試,基于數據分析推算了原油污染物的海水環境基準閾值推導,為海上溢油事故應急提供科學依據和支持.

1 材料與方法

1.1 海水環境基準閾值推導方法

1.1.1 受試物種及毒性終點選擇 本研究采用USEPA推薦的物種敏感度排序法(SSR)[1]推導海水質量基準閾值,對于受試生物的要求為至少包括“3門 8科”的水生動物及 1種藻類或水生植物.8科動物具體如下:1)脊索動物門的2個科;2)不屬于節肢動物門或脊索動物門的其他門的一個科;3)糠蝦科或對蝦科;4)除脊索動物門的 3個其他科(可能包括糠蝦或對蝦科,或上面沒有用到的任何一個);5)任何其他科.8科中溞類和搖蚊的急性毒性試驗終點指標為48h LC50或EC50,魚類及其他水生生物的測試終點為 96h LC50或EC50,水生植物的測試終點為72h EC50.

基于以上原則,本研究選擇在我國海域有分布的鹵蟲(Artemia saline)、褶皺臂尾輪蟲(Brachionus plicatilis)、太平洋紡錘水蚤(Acartia pacifica)、中國對蝦(Fenneropenaeus chinensis)、三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)、彩虹明櫻蛤(Moerella iridescens)、牙鲆(Paralichthys olivaceus)、半滑舌鰨(Cynoglossus semilaevis Gunther)進行原油污染物的動物毒性測試,選擇青島大扁藻(Platymonas subcordiformis)進行海洋植物毒性測試.

1.1.2 海水質量基準閾值推導 SSR法的一般步驟如下[1]:

①根據試驗結果,求得受試生物的 48h LC50(或 EC50)或 96h LC50(或 EC50);

②求種平均急性值 SMAV,SMAV等于同一物種的LC50(或EC50)的幾何平均值;

③求屬平均急性值GMAV,GMAV等于同一屬的SMAV的幾何平均值;

④從高到低對GMAV排序;

⑤對GMAV設定級別R,最低的為1,最高的為N;

⑥計算每一個GMAV的權數P = R/(N + 1);⑦選擇P最接近0.05的4個GMAV;

⑧用選用的GMAV和P,利用式(1)～式(4)進行計算,即可得到FAV.

由于本研究針對潿洲島原油樣品進行了單一物種測試,因此每個 GMAV對應于一個 LC50或EC50值.

急性水質基準CMC = FAV/2;

慢性水質基準CCC = MIN (FCV, FPV, FRV),其中FCV為最終慢性值,推導過程同最終急性值(FAV),FPV為最小的植物毒性值;FRV為最終殘余值;慢性數據不足時,采用公式 FCV =FAV/ACR,式中ACR為急性/慢性毒性比[17-18].

1.2 海洋生物毒性試驗

毒性試驗方法主要參照《GB 17378.7-2007海洋監測規范 第7部分:近海生態污染調查和生物監測》[19]、《GB/T 18420.2-2001 海洋石油勘探開發污染物生物毒性檢驗方法》[20]和化學品毒性測試的相關方法[21].

1.2.1 原油及油污樣品采集、鑒定及母液配制現場采集廣西潿洲島輸油管終端的原油及油污樣品共約 3000mL,運回實驗室分份冷藏保存.根據《海面溢油鑒別系統規范》[22]GB/T 21247-2007和《海洋溢油鑒別系統規范》[23]HY 043-1997對樣品進行處理,采用逐級鑒別的方法分析鑒別溢油樣品.配制人工海水,樣品母液按原油與人工海水1:20(V/V)的比例混合,240r/min攪拌2h,水浴超聲 4h,置燒杯中避光靜置過夜;用膠皮管吸取下層水溶性組分(WSF)作為母液,避光保存,使用前測定其濃度,各試驗所需原油溶液濃度經母液稀釋而獲得.

1.2.2 試驗溶液濃度分析及一般試驗條件 試驗過程中WSF濃度采用紫外分光光度法測定,具體步驟參照《GB/T12763.4-2007海洋調查規范第4部分:海水化學要素調查》[24].毒性試驗采用半靜態法,每24h更換溶液1次,溶液更新前后分別監測最低和最高濃度組溶液中原油濃度,確保其濃度變化不超過20%.試驗設3個平行組,并設空白對照組,試驗過程中定期測量試驗溶液的pH值、DO和水溫,觀察記錄受試生物的生存狀況.

1.2.3 鹵蟲的急性毒性試驗 受試鹵蟲來自本實驗室培養,日齡小于 24h.試驗條件:水溫 25℃,鹽度 25‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2mg/L,暴露時間 48h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用48h-LC50表示.

1.2.4 褶皺臂尾輪蟲的急性毒性試驗 受試的褶皺臂尾輪蟲來自北京市海洋館培養室.試驗條件:水溫 25℃,鹽度 25‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 0.5, 0.9, 1.62, 2.92,5.25, 9.45, 17.0mg/L,暴露時間48h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用48h-LC50表示.

1.2.5 太平洋紡錘水蚤的急性毒性試驗 受試的太平洋紡錘水蚤采自青島近海,經實驗室馴養、繁育穩定后用于試驗測試.試驗條件:水溫25℃,鹽度 25‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 1.00, 1.90, 3.61, 6.86, 13.0,24.8mg/L,暴露時間 48h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用48h-LC50表示.

1.2.6 中國對蝦的急性毒性試驗 受試的中國對蝦(仔蝦 10期)購自天津大神堂水產育苗養殖公司,經實驗室馴養 7d后用于試驗測試.試驗條件:水溫 25℃,鹽度 30‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 0.11, 0.21, 0.43,0.86, 1.72, 3.43mg/L,暴露時間96h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用96h-LC50表示.

1.2.7 三疣梭子蟹的急性毒性試驗 受試的三疣梭子蟹(三期仔蟹)購自天津大神堂水產育苗養殖公司,經實驗室馴養 7d后用于試驗測試.試

驗條件:水溫 22℃,鹽度 25‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 0.1, 0.18, 0.32,0.58, 1.05, 1.89, 3.40mg/L,暴露時間96h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用96h-LC50表示.

1.2.8 彩虹明櫻蛤的急性毒性試驗 受試的彩虹明櫻蛤(體長:1.1～1.3cm)購自北京京港海產品市場,體型均一,健康有活力,經實驗室馴養 7d后用于試驗測試.試驗條件:水溫 20℃,鹽度 25‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 7.62,13.71, 24.68, 44.43, 79.97mg/L,暴露時間 96h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用96h-LC50表示.

1.2.9 牙鲆的急性毒性試驗 受試的牙鲆苗(體長:0.9～1.0cm)購自海陽市黃海水產有限公司,體型均一,健康有活力,經實驗室馴養 7d后用于試驗測試.試驗條件:水溫 25℃,鹽度 30‰,pH 8.0,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 5.00,7.50, 11.25, 16.88, 25.31, 37.97, 56.95mg/L,暴露時間 96h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用 96h-LC50表示.

1.2.10 半滑舌鰨的急性毒性試驗 受試的半滑舌鰨苗(體長:1.1～1.2cm)購自海陽市黃海水產有限公司,體型均一,健康有活力,經實驗室馴養7d后用于試驗測試.試驗條件:水溫 25℃,鹽度30‰,自然光照.在規定條件下,使受試生物暴露于含不同濃度受試物的水溶液,試驗濃度分別設為:0, 4.00, 5.60, 7.84, 10.98, 15.37, 21.51mg/L.暴露時間 96h,試驗過程中及時記錄受試生物的死亡率,采用數理統計方法確定半致死濃度,用96h-LC50表示.

1.2.11 青島大扁藻的生長抑制毒性試驗 受試的青島大扁藻來自中國海洋大學海洋生態學實驗室,按照操作規程接種后在實驗室傳代供毒性測試使用.采用血球板計數法計算藻密度,所有試驗組的藻細胞初始濃度為 5×104cell/mL.原油樣品的試驗濃度分別設為:0, 0.12, 0.25, 0.54,1.16, 2.50mg/L.試驗周期為72h,培養72h后測定藻類生長抑制情況.

2 結果與分析

2.1 原油樣品與油污樣品鑒定

圖1 原油樣品與油污樣品部分譜圖疊加Fig.1 Partial spectrum superposition of crude o il samples and oil pollutants samples

在油種鑒別中,鮱鮫烷和 C17,以及植烷和C18的比值比較不容易受風化影響,因此鮱鮫烷/C17、植烷/C18和鮱鮫烷/植烷的峰比值常作為油種鑒別的依據.從圖1可看出,油污樣品的譜圖特征與原油樣品基本一致,表明本研究采集的原油樣品對溢油樣品具有較好的代表性.油污樣品低碳烷烴部分譜圖缺失,是由于低碳部分烷烴容易風化損失造成的.

2.2 潿洲島原油樣品對海洋生物的毒性效應

以上各試驗結果總結示于表1.

表1 潿洲島原油樣品對海洋生物的毒性數據Table 1 Toxicity data of crude oil sample from Weizhou Island to marine organisms

2.3 潿洲島原油污染物海水質量基準閾值

利用SSR方法對表2中數據進行分析,計算獲得 FAV=0.12mg/L, CMC=0.12/2=0.06mg/L.由于缺乏慢性毒性數據,采用ACR法計算FCV[25],ACR值經由文獻資料分析獲得,采用的數值為9.93[26].由于石油對植物毒性相對較小,且沒有強的生物富集性,因此本文不再計算FPV和FRV.

綜上得到:潿洲島原油污染物的急性和慢性海水質量基準閾值分別為0.06,0.012mg/L.

3 討論

本研究采用USEPA推薦的SSR基準計算方法,對潿洲島石油污染物的海水基準閾值進行了研究.SSR法將水質基準分為急性基準(CMC)和慢性基準(CCC),其中,CCC是為了防止在低濃度污染物長期作用下對水生生物造成的慢性毒性效應而設定的,CMC是為了防止在高濃度污染物短期作用下對水生生物造成的急性毒性效應而設定的.制定海水環境基準要充分考慮受試生物的代表性,USEPA技術導則規定推導CMC急性毒性數據至少需要3門8科的生物,避免過多的采用同一屬(或科)的試驗生物而影響數據的代表性[27].針對這些考慮,本實驗選擇了在我國海域有分布的8科本土水生動物及1種藻類進行原油污染物的急性毒性測試.

試驗結果表明,不同生物對原油污染物的敏感性不同,在 8科受試海洋動物中,最敏感的是中國對蝦(96h LC50為0.31mg/L),最不敏感的是彩虹明櫻蛤(96h LC50為65.88mg/L),兩者相差200多倍.綜合來看,中國對蝦和三疣梭子蟹兩種底棲甲殼類生物的LC50值最小,對原油樣品最為敏感;褶皺臂尾輪蟲及太平洋紡錘水蚤(餌料生物)屬于海洋浮游生物,對原油樣品也相對敏感;半滑舌鰨及牙鲆兩種海洋魚類對原油樣品的敏感性較低;對原油樣品最不敏感的是軟體動物彩虹明櫻蛤.一旦發生溢油事故,從現有數據來看,最先受到威脅海洋動物是底棲甲殼類,蝦、蟹養殖業可能會受到明顯影響.海洋中的浮游生物,作為經濟動物的餌料生物,其生存也受到很大威脅;在原油污染物濃度不高的情況下,海洋魚類和貝類受到的直接影響相對較小,但由于相關的食物鏈上的生物生存受到威脅,魚類和貝類也將受到間接影響.

本研究最終得出潿洲島原油污染物的急、慢性海水質量基準閾值分別為0.06、0.012mg/L.前人研究[21]表明我國海域原油污染物的綜合急、慢性海水質量基準閾值分別為 0.022、0.0044mg/L,比較可知,潿洲島原油污染物的海水質量基準閾值明顯高于我國海域原油污染物的綜合基準閾值,表明潿洲島原油污染物的生物毒性較低.

通過對潿洲島原油海水環境質量基準的研究,推算得出原油污染物的急、慢性海水基準閾值,前者適用于海上溢油事故中的短期暴露評估,后者適用于海水質量的長期監管.原油的組成成分十分復雜,且不同成分的生物毒性也有所差異,因此嚴格意義上講對于每一種原油都應該進行水質基準閾值的研究,但在實際的海洋水環境管理中并不容易實現,目前世界各國包括我國現行的石油污染物基準閾值也是基于各類原油污染物對水生生物的毒性數據綜合制定的.

4 結語

基于原油污染物對北部灣潿洲島海洋生物的毒性數據分析,得出原油樣品對鹵蟲、褶皺臂尾輪蟲、太平洋紡錘水蚤、中國對蝦、三疣梭子蟹、彩虹明櫻蛤、牙鲆、半滑舌鰨、青島大扁藻的 LC50(或 EC50)分別為 10.28, 2.37, 4.88, 0.31,0.81, 65.88, 19.02, 9.10, 0.23mg/L,基于對以上毒性數據的分析,得出潿洲島原油污染物的急性和慢性海水質量基準閾值分別為0.06,0.012mg/L.

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Development of marine quality criteria for crude oil pollutants from Weizhou Island in the Northern Bay.

ZHANG Ji-wei1, WANG Wei-li2, CAI Jin2, ZHENG Xin2, WANG Xiao-nan2, WU Jiang-yue2, YAN Zhen-guang2*, LIU Zheng-tao2
(1.Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory of Ecological Effects and Risk Assessment of Chemicals, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1310～1315

Acute toxicity of crude oil from Weizhou Island in the Northern Bay to nine kinds of native marine organisms was tested. According to the guidelines of development of aquatic life criteria recommended by USEPA, the marine environmental quality criteria for the crude oil pollutants were derived based on the nine toxicity data. The results showed that the LC50(or EC50) values of Artemia saline, Brachionus plicatilis, Acartia pacifica, Fenneropenaeus chinensis,Portunus trituberculatus, Moerella iridescens, Paralichthys olivaceus, Cynoglossus semilaevis, Platymonas subcordiformis were 10.28, 2.37, 4.88, 0.31, 0.81, 65.88, 19.02, 9.10and 0.23mg/L, respectively. The acute and chronic marine quality criteria of the crude oil from Weizhou Island were 0.06and 0.012mg/L, respectively. The study provided valuable information for the oil spill damage assessment.

Weizhou Island；crude oil；biological toxicity；marine environment criteria

X55

A

1000-6923(2014)05-1310-06

2013-09-16

海洋公益性行業科研專項子課題:海洋生態補償/賠償貨幣化核算技術研究(201105006-3);國家水體污染控制與治理重大科技專項(2012ZX07501-003)

* 責任作者, 副研究員, zgyan@craes.org.cn

張繼偉(1976-),女,四川樂山人,教授級高工,博士,從事環境損害鑒定和環境經濟學研究.發表論文10余篇.