海洋油气的不断发现和持续开发,为国家提供了有力的能源储备,但也给海洋环境带来一定的影响。海洋油气开发主要污染物之一水基钻井液和钻屑的排放,使钻井平台周围海水中悬浮物增多,有研究表明,悬浮物对水体中生物的生理、行为、摄食、生长、繁殖等均会产生影响^[1]。悬浮物急剧增加会阻塞鱼类的鳃组织,造成其呼吸困难,严重的可能会引起死亡。高浓度悬浮物中的有毒物质可在生物体内富集积累,从而对生物本身及食物链上一级生物产生毒害作用^[2],甚至影响海洋生物生态系统^[3]。目前,学者们的研究主要集中在疏浚悬浮物浓度升高而产生的海洋生态问题^[4⇓-6],对钻井液和钻屑排放产生的悬浮物影响游泳能力较弱的海洋生物幼体的关注较少,而海洋生物幼体的多样性和丰富度可影响整个海洋生物的群落结构稳定性。因此,开展此项研究对海洋油气的有序开发、维护海洋生态系统的平衡具有十分重要的意义。

许氏平鲉(Sebastes schlegeli)广泛分布于中国黄渤海海域,卵胎生,幼鱼具有漂浮性,是中国重要的海洋渔业经济鱼类。为研究海洋油气开发钻井液和钻屑排放对海洋生物幼体生长和存活的影响,了解不同悬浮物浓度对海洋生物幼体生存的影响程度,进而优化海上钻井污染物的排放方式,本研究选取黄渤海重要渔业经济物种许氏平鲉幼鱼为研究对象,选取不同浓度的水基钻井液和钻屑对许氏平鲉幼鱼进行急性毒性实验,以期为钻井液和钻屑排放对海洋生物的影响程度提供参考资料。

于青岛某养殖场购进规格相近、活力旺盛的许氏平鲉幼鱼,将其置于聚乙烯塑料水箱中暂养一周后进行实验。暂养期间连续充氧,每天投喂配合饵料1次(于9:00投喂1次,投喂量为幼鱼总重量的1%)。在投喂1 h后完全换水1次,所用海水盐度为28.32~30.70,水温为22~25℃,pH为7.70~8.10,溶解氧(DO)大于6.5 mg/L。水基钻井液实验鱼平均体长为(4.25±0.16)cm、体质量为(2.43±0.16)g;钻屑实验鱼平均体长为(4.75±0.42)cm、体质量为(3.45±0.88)g。实验容器为350 mm×250 mm聚乙烯塑料水箱,实验期间不换水。

实验采用中海油渤海蓬勃作业公司提供的海上生产平台的水基钻井液和钻屑。水基钻井液不含油,主要成分由水和黏土等组成,其中水占比90%,黏土占比7%,其他添加剂占比3%。钻屑主要由钻井液从井底带至地面的岩石碎屑组成,其中钻屑中含水60%。

实验采用96 h急性毒性实验,即参照GB 18420.2—2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性 第2部分:检验方法》^[7],选取不同浓度的水基钻井液和钻屑对许氏平鲉幼鱼进行急性毒性实验,通过观察测定许氏平鲉幼鱼在96 h内的行为异常或死亡效应,分析计算水基钻井液和钻屑对许氏平鲉幼鱼具有显著影响的浓度。

参照GB 18420.2—2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性 第2部分:检验方法》中的钻井液配置方法,将1份钻井原液与9份海水混合后,用磁力搅拌器搅拌20 min再沉降60 min后,取上清液为母液,经测定母液悬浮物浓度为1 670 mg/L。

每组实验体积为3 L,母液与海水的体积比为0(未添加母液,作为对照组)、1∶7、1∶3、1∶1、母液(未添加海水),根据母液悬浮物浓度可换算5个实验组,质量浓度分别为0、208.75、417.50、835.00、1 670.00 mg/L。每个实验组中放置10条实验用鱼,保持充氧状态。

参照《水生生物毒性试验方法》^[8],分预实验和正式实验。根据预实验结果确定钻屑正式实验所需的浓度范围,设置5个正式实验钻屑组,浓度分别为0(对照组)、62.5、125.0、250.0、500.0 g/L(湿重)。每组实验体积为3 L,每个实验组放置10条实验用鱼,保持充氧状态。

温度、盐度、DO和pH采用多参数水质监测仪进行测定,悬浮物参考GB 17378.4—2007《海洋监测规范 第4部分:海水分析》^[9]测定。

对实验结果进行直线回归处理,建立幼体死亡率(P%)和钻井液、钻屑浓度的对数(lnC)的线性关系,求解幼体半致死浓度96 h-LC₅₀值。采用SPSS软件计算许氏平鲉幼鱼半致死浓度LC₅₀值,并进行钻井液、钻屑对幼鱼生长影响的显著性分析。

安全浓度(SC)采用特伦堡(Turubell)^[10]的安全浓度计算公式:

水基钻井液对许氏平鲉幼鱼的急性毒性结果如表1所示,结果表明,不同浓度的水基钻井液对幼鱼具有显著的影响(P<0.05);水基钻井液浓度与幼鱼死亡率呈线性关系(48 h:y=78.065x-162.580,R²=0.819 7;96 h:y=63.150 x-104.170,R²=0.998 2),其半致死浓度96 h-LC₅₀为275.42 mg/L。

根据Turubell的安全浓度计算公式,计算出水基钻井液对幼鱼的安全浓度SC为78.91 mg/L。

在最高浓度1 670.00 mg/L悬浮物组中加入幼鱼后,幼鱼缺氧严重,开始时跳跃、浮头现象明显,1~2 h后出现死亡,24 h内全部死亡。另外,实验过程中添加水基钻井液对幼鱼正常摄食有一定的影响,实验组幼鱼摄食量明显减少,且随着浓度的增加,幼鱼摄食量减少较为明显。

钻屑对许氏平鲉幼鱼的急性毒性结果如表2所示。结果表明,不同浓度的钻屑对幼鱼死亡率具有显著性影响(P<0.05);钻屑浓度与幼鱼死亡率呈线性关系(48 h:y=129.63x-237.71,R²=0.861 8;96 h:y=102.30x-164.49,R²=0.896 0),其半致死浓度96 h-LC₅₀为125.89 g/L。

根据Turubell的安全浓度计算公式,计算出钻屑对幼鱼的安全浓度SC为41.41 g/L。

实验观察到250.0 g/L和500.0 g/L钻屑溶液组中加入幼鱼后,幼鱼缺氧严重,开始时幼鱼跳跃、浮头现象明显,1 h后开始出现死亡,24 h内全部死亡。另外,实验组幼鱼摄食量明显减少,且随着浓度的增加,幼鱼摄食量减少较为明显。

实验中添加水基钻井液和钻屑后,海水pH值发生变化,其中添加水基钻井液后,实验组溶液pH增加量为0.28~1.43,纯母液实验组的pH超过8.5,其他实验组的pH满足GB 3097—1997《海水水质标准》^[11]第二类要求(7.8~8.5)。添加钻屑后,实验组pH变化为(-0.08~+0.06),可忽略不计,结果如表3和表4所示。

Perricord R K研究表明,悬浮物黏附在游泳生物的体表,会使生物感觉功能下降,游泳能力减弱;悬浮物还可阻塞鱼类等的鳃组织,损伤鳃丝,影响其呼吸系统^[12]。已有研究结果表明,堵塞呼吸器官导致生物缺氧窒息,是悬浮物造成海洋生物死亡的主要原因^[2]。本次实验加入水基钻井液后,通过持续充氧,基本可以使一定量的钻井液处于悬浮状态。结果显示,不同浓度组中幼鱼的生存状态不同,低浓度组幼鱼对水基钻井液的响应不明显,较高浓度组幼鱼摄食量明显减少,而高浓度组中幼鱼出现跳跃、浮头等现象,甚至短时间内死亡。其原因是由于悬浮小颗粒黏附在幼鱼的鳃上,从而导致鱼缺氧死亡。这与陈永平等研究悬浮物对鲈鱼和梭鱼幼鱼的毒性研究结果一致,试验鱼的死亡率与悬浮物浓度之间呈现明显的剂量效应关系,随着悬浮物浓度升高,试验用鱼的死亡率也随之升高;试验鱼死前均出现鳃盖扩张,鳃部有悬浮物颗粒^[13]。这一结果也充分说明高浓度的悬浮物对许氏平鲉幼鱼具有较强的致死作用。

根据实验结果(表5)可知,水基钻井液和钻屑对许氏平鲉幼鱼的毒性不同,比较两种污染物对幼鱼的毒性可以得出:水基钻井液>钻屑,即钻井液对幼鱼的毒性高于钻屑。其原因主要与这两种污染物的性质有关,钻井液主要成分为水和黏土,钻屑为岩石碎屑,钻井液颗粒粒径小于钻屑,且钻井液与钻屑相比含有少量添加剂;钻井液高浓度实验组中pH明显升高,这可能也是导致许氏平鲉幼鱼死亡的原因之一。

研究比较悬浮物对不同鱼类急性毒性,结果表明不同鱼类对悬浮物的敏感性存在差异。如悬浮物对梭鱼幼鱼的安全浓度为105.28 mg/L^[13],悬浮物对鲈鱼幼鱼的安全浓度为16.81 mg/L^[13],悬浮物对半滑舌鳎伏底阶段稚鱼的安全浓度为211.72 mg/L^[2],悬浮物对褐牙鲆幼鱼的安全浓度为1 263.70 mg/L^[14]。这可能与不同鱼类对悬浮物耐受性存在差异相关,也可能与悬浮物的来源即不同水中重金属、有机物等有害物质差异相关。

《海水水质标准》规定,人为增加悬浮物浓度≤10 mg/L符合一(二)类标准要求,10~100 mg/L为三类水质标准要求,100~150 mg/L为四类海水水质要求。本文研究结果:水基钻井液对许氏平鲉幼鱼的安全浓度为78.91 mg/L,由此得出,若水基钻井液排放导致海水处于三类水质标准要求,则可能会对许氏平鲉幼鱼安全造成一定的影响。钻屑对许氏平鲉幼鱼的安全浓度为41.41 g/L,钻屑对许氏平鲉幼鱼安全浓度高,对幼鱼的安全性影响小于钻井液,这主要与其形态和成分有关,钻屑颗粒粒径较大,易较快沉降在底部,对游泳生物的损伤较小。

本研究表明,钻井液和钻屑中的悬浮物对许氏平鲉幼鱼具有一定的影响,且不同浓度的钻井液和钻屑对幼鱼影响不同。因此,需严格控制海洋油气开发中钻井液和钻屑的排放浓度和排放速率,不能高浓度、长时间的排放,也不能无序的排放。

1)高浓度的钻井液和钻屑会对许氏平鲉幼鱼产生毒害作用。当水基钻井液浓度超过78.91 mg/L、钻屑浓度超过41.41 g/L时,均会对许氏平鲉幼鱼产生一定的危害;当水基钻井液浓度达到275.42 mg/L时、钻屑浓度达到125.89 g/L时,均会导致半数的许氏平鲉幼鱼死亡。

2)水基钻井液对许氏平鲉幼鱼的安全浓度为78.91 mg/L,若水基钻井液排放导致海水处于三类及超三类水质标准要求,则可能会对许氏平鲉幼鱼的安全造成一定的影响。

为保护海洋生物资源,海洋油气开发工程利用海洋生态修复和补偿资金在油气开发海域开展了多项生物增殖放流^[15],以期恢复生物资源。同时进行规范管理,并在修复期间定期进行渔业资源与捕捞产量的跟踪监测,保证上述海域海洋生态环境得到良好修复。考虑大多数鱼类的卵为浮性卵,通过深水排放措施,降低海域悬浮物浓度,严格控制对工程海域海洋生物资源扰动的强度,减少对海洋生物幼体的伤害。本研究结果可为海洋生物资源恢复和保护提供参考依据。