賀美，陳文杰，田磊，陳廣宇，謝瑤，向廷生1,,#

1. 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，武漢 4301002. 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 4301003. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100

頁巖氣壓裂返排液的水生生態(tài)毒性效應(yīng)研究

賀美1,2,*，陳文杰2，田磊3，陳廣宇2，謝瑤2，向廷生1,2,#

1. 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，武漢 4301002. 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 4301003. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100

頁巖氣壓裂作業(yè)過程產(chǎn)生大量壓裂返排液，這類廢液富含有毒且致癌的芳香烴、有毒金屬和鈾、釷、鐳等放射性物質(zhì)、石油類添加劑等，具有可生化性差和難處理的特點(diǎn)。這類廢液若不經(jīng)任何處理就進(jìn)行排放，將給環(huán)境和人群健康帶來潛在的危害和風(fēng)險(xiǎn)。目前尚不清楚它們的生態(tài)毒性效應(yīng)。論文從涪陵頁巖氣開采基地采集了4口開采井(2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2和9號(hào)井)的壓裂返排液，采用國家廢水測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析4種壓裂返排液的水質(zhì)理化指標(biāo)，采用斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)、大型溞(Daphnia magna)等標(biāo)準(zhǔn)毒性試驗(yàn)生物探究壓裂返排液污染物體系的水生生態(tài)毒性效應(yīng)，并研究水質(zhì)理化指標(biāo)與壓裂返排液綜合毒性的關(guān)系。結(jié)果表明，采集的所有壓裂返排液樣品均具備較大的水生生態(tài)毒性效應(yīng)。以斜生柵藻的96 h的半數(shù)效應(yīng)濃度(96 h-EC50)或大型溞的96 h的半數(shù)致死濃度(96 h-LC50)和毒性單位(TUa)為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)毒性分級(jí)，4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的生態(tài)毒性均為中毒及以上。壓裂返排液的重金屬、陰陽離子及有機(jī)物含量與其綜合毒性的相關(guān)性結(jié)果表明，這些污染物成分與其藻類綜合毒性無顯著相關(guān)性。但Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等6種重金屬及Na+、Cl-等2種陰陽離子對(duì)壓裂返排液的溞類綜合毒性有顯著影響，影響程度依次為Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu。因此，在對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理時(shí)，這些與毒性相關(guān)的污染物是需要重點(diǎn)考慮的化學(xué)成分。

壓裂返排液；斜生柵藻；大型溞；生態(tài)毒性效應(yīng)

頁巖氣作為重要的非常規(guī)天然氣資源，已成為全球油氣資源勘探與開發(fā)的新亮點(diǎn)，但其特殊的鉆采開發(fā)技術(shù)可能帶來新的環(huán)境污染問題[1]，主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：(1)頁巖氣壓裂作業(yè)過程中水資源量消耗巨大，將產(chǎn)生大量壓裂返排廢水。據(jù)估計(jì)，壓裂液中98%～99.5%為水和砂，一次水力壓裂作業(yè)可能需要約1萬m3的水耗[2-3]。(2)頁巖氣壓裂返排液中富含多種化學(xué)成分，一部分來自于壓裂液，因?yàn)閴毫岩褐械幕瘜W(xué)添加劑由表面活性劑、抗菌劑、破乳劑、緩蝕劑、減阻劑、酸等750多種化學(xué)物質(zhì)組成；另一部分來自隨著返排廢水帶出的地層地下水、廢壓裂液和鉆屑等。壓裂返排液中的化學(xué)成分主要為有毒且致癌的芳香烴、高鹽的固體、有毒金屬和鈾、釷、鐳等放射性物質(zhì)等，具有毒性大、可生化性差和難處理的特點(diǎn)[4-5]。這類物質(zhì)若不經(jīng)任何處理措施就直接排放或者回注，對(duì)水環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和人群健康均具有潛在的危害和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。

隨著頁巖氣勘探的逐步推進(jìn)，頁巖氣開發(fā)的諸多環(huán)境問題凸顯，引發(fā)了國際眾多領(lǐng)域?qū)W者的質(zhì)疑和討論，有的國家甚至因環(huán)保壓力減緩了頁巖氣的開發(fā)進(jìn)程[9-10]。我國的頁巖氣勘探開發(fā)正處于起步階段，更應(yīng)謹(jǐn)慎面對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)中的環(huán)保問題[11-12]。目前我國還沒有專門針對(duì)頁巖氣開發(fā)廢物治理的相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如頁巖氣壓裂返排廢水的達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)、回注標(biāo)準(zhǔn)、廢棄頁巖氣固體廢物的處理處置規(guī)范等。為此壓裂返排液的排放勢(shì)必會(huì)對(duì)水體和水系造成嚴(yán)重污染，會(huì)對(duì)水體中的水生生物、城市生活用水和工農(nóng)業(yè)用水造成影響，其中某些污染物質(zhì)還可能通過食物鏈對(duì)人類造成危害[7-8,13]。但頁巖氣壓裂返排液究竟會(huì)產(chǎn)生多大的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，目前國內(nèi)還未見相關(guān)研究，國外也少見報(bào)道。

污(廢)水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)方法較多，如理化方法、生物學(xué)方法等。傳統(tǒng)的理化分析方法如水質(zhì)污染綜合指標(biāo)等，雖然能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能闡明各種污染物的毒性及它們之間的聯(lián)合毒性作用，因此不能全面、直觀、科學(xué)地反映有毒污(廢)水對(duì)水生生物、人類群體及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響與危害。污(廢)水往往是含有多種污染物的混合體系，會(huì)由于化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用而出現(xiàn)不同于單一化學(xué)物質(zhì)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。生態(tài)毒性測(cè)試將整個(gè)污染物體系看成一個(gè)整體，通過選擇敏感代表者作為毒性診斷指標(biāo)，提供不同食物鏈生物對(duì)環(huán)境樣品的整體毒性效應(yīng)，已逐步成為評(píng)價(jià)環(huán)境污染的重要手段之一，可對(duì)污水的綜合毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-17]。本文從涪陵頁巖氣開采基地采集了四口開采井的壓裂返排液樣品，采用藻類生長抑制試驗(yàn)、大型溞急性毒性試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)方法，利用藻類、溞類等國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)毒性試驗(yàn)生物探究了壓裂返排液的污染物混合體系對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的水生生態(tài)毒性效應(yīng)，并綜合考慮壓裂返排液的水質(zhì)理化指標(biāo)，研究了重金屬、有機(jī)物、陰陽離子等理化指標(biāo)對(duì)壓裂返排液水生生態(tài)毒性效應(yīng)的影響。本研究可為頁巖氣開發(fā)過程中壓裂返排液的處理及廢水排放標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于我國頁巖氣的合理勘探開發(fā)及水資源保護(hù)具有重要意義。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

儀器和設(shè)備：哈希DR2800型便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國)；Thermo Orion 805A型溶氧儀(美國)；Agilent 7900電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)(美國)；戴安ICS-2100型離子色譜儀(日本)；BSG-800光照培養(yǎng)箱(上海)；UV5500PC紫外可見分光光度計(jì)(上海)；Leica DME型顯微鏡(德國)；SPX-150 BIII型生化培養(yǎng)箱(天津)。

試劑：共配制4個(gè)藻類培養(yǎng)基的儲(chǔ)備液，所有試劑均為分析純，配制方法如下。儲(chǔ)備液1：1.5 g·L-1NH4Cl、1.2 g·L-1MgCl2·6H2O、1.8 g·L-1CaCl2·2H2O、1.5 g·L-1MgSO4·7H2O、0.16 g·L-1KH2PO4。儲(chǔ)備液2：80 mg·L-1FeCl3·6H2O、100 mg·L-1Na2EDTA·2H2O。儲(chǔ)備液3：185 mg·L-1H3BO3、415 mg·L-1MnCl2·4H2O、3 mg·L-1ZnCl2、1.5 mg·L-1CoCl2·6H2O、0.01 mg·L-1CuCl2·2H2O、7 mg·L-1Na2MoO4·2H2O。儲(chǔ)備液4：50 g·L-1NaHCO3。COD試劑，購自美國哈希公司。

1.2 試驗(yàn)生物

藻類生態(tài)毒性效應(yīng)的試驗(yàn)生物采用斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)，由廣東省微生物研究所提供。斜生柵藻采用藻類生長抑制試驗(yàn)(OECD 201)中提供的培養(yǎng)基培養(yǎng)，將斜生柵藻反復(fù)活化后，備用。

溞類生態(tài)毒性效應(yīng)的試驗(yàn)生物采用大型溞(Daphnia magna)，由廣東省微生物研究所提供，為62 D. M.純品系生物株。每天喂以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的斜生柵藻，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)后使其保持在孤雌生殖狀態(tài)，且在3代以上，選擇出生6～24 h，活潑、健康、大小基本一致的幼溞進(jìn)行試驗(yàn)，其敏感度符合溞類24 h-EC50急性活動(dòng)抑制試驗(yàn)(OECD 202)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 頁巖氣壓裂返排液的采集

本研究共采集了4個(gè)頁巖氣壓裂返排液樣品，分別采自國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)涪陵頁巖氣開采區(qū)的2號(hào)井、6號(hào)-1井、6號(hào)-2井、9號(hào)井。

1.3.2 COD含量的測(cè)定

取1 mL壓裂返排液樣品與COD試劑充分反應(yīng)后，于消解儀120 ℃消解2 h，待冷卻后，采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀分析測(cè)定壓裂返排液中的CODCr含量。每個(gè)樣品測(cè)定3個(gè)平行樣。

1.3.3 BOD5含量的測(cè)定

取壓裂返排液樣品裝滿BOD瓶，充分?jǐn)嚢枋箻悠分械娜芙庋醣M量達(dá)到飽和，采用溶氧儀測(cè)定壓裂返排液的初始溶解氧含量。將液封后的BOD瓶置于20 ℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)5 d，并用溶氧儀測(cè)定壓裂返排液5 d時(shí)的溶解氧含量，溶解氧的含量變化即為壓裂返排液的BOD5含量。每個(gè)樣品測(cè)定3個(gè)平行樣。

1.3.4 陰陽離子含量的測(cè)定

1.3.5 重金屬含量的測(cè)定

取10 mL壓裂返排液于玻璃消解管中，80 ℃烘箱烘干后，加入2 mL濃硝酸，于消解儀80 ℃條件下消解直至液體澄清，并稀釋至合適的濃度，采用ICP-MS測(cè)定壓裂返排液中As、Cu、Zn、Se、Cd、Pb等23種重金屬的含量。每個(gè)樣品測(cè)定3個(gè)平行樣。

1.3.6 藻類生態(tài)毒性效應(yīng)的測(cè)定

(1)斜生柵藻的藻細(xì)胞數(shù)量與光密度的關(guān)系

反復(fù)活化后的斜生柵藻，利用藻類培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)后，鏡檢其生長狀況，用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行藻細(xì)胞計(jì)數(shù)，用分光光度計(jì)測(cè)定650 nm波長下的藻類光密度(OD值)，確定藻細(xì)胞數(shù)量與光密度的線性關(guān)系。

(2)藻試驗(yàn)液的配制

藻試驗(yàn)液即用于藻類生態(tài)毒性測(cè)試的藻培養(yǎng)物。參照《化學(xué)品測(cè)試方法》及歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 (OECD)推薦的藻類生長抑制試驗(yàn)[19-20]，將儲(chǔ)備液1、儲(chǔ)備液2、儲(chǔ)備液3、儲(chǔ)備液4配制成藻類培養(yǎng)基，用0.22 μm濾膜過濾除菌后，接種反復(fù)活化后的斜生柵藻，置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為溫度(20 ± 2) ℃、光照強(qiáng)度8 000 lux、光暗比12 h∶12 h，每天振蕩若干次。對(duì)藻類進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)后，鏡檢其生長情況，取對(duì)數(shù)生長期內(nèi)的藻試驗(yàn)液，用分光光度計(jì)測(cè)定650 nm波長下藻類的光密度，利用藻細(xì)胞數(shù)量與光密度的線性關(guān)系，推算預(yù)培養(yǎng)的藻細(xì)胞數(shù)量。

(3)壓裂返排液測(cè)試液的配制

測(cè)試液是用于測(cè)試壓裂返排液生態(tài)毒性效應(yīng)的液體。參照藻細(xì)胞數(shù)量與光密度的線性關(guān)系，以蒸餾水作為對(duì)照，先在每個(gè)錐形瓶中加入合適體積的處于對(duì)數(shù)生長期的藻試驗(yàn)液，使測(cè)試液、對(duì)照中藻細(xì)胞數(shù)量的終濃度均約為104個(gè)·mL-1(±25%)，且測(cè)試液與對(duì)照中的藻細(xì)胞濃度保持一致。再往每個(gè)三角瓶中分別加入1 mL儲(chǔ)備液1、100 μL儲(chǔ)備液2、100 μL儲(chǔ)備液3、100 μL儲(chǔ)備液4，并在每個(gè)三角瓶中分別加入適量的待測(cè)試的壓裂返排液樣品，使測(cè)試液的終體積均為100 mL。每個(gè)測(cè)試液樣品準(zhǔn)備3個(gè)平行樣。在制備稀釋后的壓裂返排液測(cè)試液時(shí)，先將壓裂返排液稀釋到特定的濃度，再參照上述方法制備測(cè)試液。

(4)藻類生態(tài)毒性效應(yīng)的測(cè)定

將測(cè)試液與對(duì)照均置于光照培養(yǎng)箱，培養(yǎng)條件為溫度(20±2) ℃、光照強(qiáng)度8 000 lux、光暗比12 h∶12 h，試驗(yàn)開始計(jì)時(shí)，每天振蕩若干次。分別于試驗(yàn)開始后的0 h、24 h、48 h、72 h及96 h，從每個(gè)三角瓶中取樣，測(cè)定藻細(xì)胞的光密度，從而對(duì)各組測(cè)試液與對(duì)照組中的藻細(xì)胞數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.3.7 大型溞類生態(tài)毒性效應(yīng)的測(cè)定

參照《化學(xué)品測(cè)試方法》及OECD推薦的溞類24 h-EC50急性活動(dòng)抑制試驗(yàn)[21-22]，將24 h內(nèi)出生的大型溞暴露于頁巖氣壓裂返排液進(jìn)行試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)[23]，配制人工稀釋水，壓裂返排液采用人工稀釋水稀釋配成不同濃度的試驗(yàn)液。正式試驗(yàn)之前，先進(jìn)行不同稀釋度(10%、17.8%、31.6%、56.2%、100%)的壓裂返排液的預(yù)備試驗(yàn)，預(yù)試驗(yàn)中每個(gè)濃度放5只幼溞，持續(xù)觀察48 h。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，正式試驗(yàn)中，在使大型溞全部產(chǎn)生活動(dòng)抑制或致死效應(yīng)的最低濃度和未產(chǎn)生活動(dòng)抑制或致死效應(yīng)的最高濃度之間以幾何級(jí)數(shù)設(shè)置5個(gè)稀釋濃度梯度，以人工配制稀釋水作為空白對(duì)照組，測(cè)試不同濃度壓裂返排液的溞類生態(tài)毒性效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均設(shè)置3個(gè)平行。每個(gè)濃度組和對(duì)照組中放置30只24 h內(nèi)出生的幼溞，試驗(yàn)期間不喂食，置于(20±2) ℃光照培養(yǎng)箱，每天定時(shí)觀察并記錄溞的死亡數(shù)和運(yùn)動(dòng)受抑制數(shù)，持續(xù)觀察96 h。大型溞在體視鏡下觀察其心臟停止跳動(dòng)為其死亡標(biāo)志；反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)燒杯，15 s之內(nèi)失去活動(dòng)能力則被認(rèn)為運(yùn)動(dòng)受到抑制。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

本研究中的數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表示方式為3次平行樣的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。分析后的數(shù)據(jù)采用Sigmaplot10.0作圖。水質(zhì)理化指標(biāo)與毒性數(shù)據(jù)采用Sigmaplot10.0進(jìn)行相關(guān)性分析，并作圖。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

頁巖氣特殊的鉆采開發(fā)技術(shù)產(chǎn)生的大量壓裂返排廢水中含有隨著返排廢水帶出的地層地下水、廢壓裂液和鉆屑等。這類廢水中主要含有有毒且致癌的芳香烴、高鹽的固體、有毒金屬和鈾、釷、鐳等放射性物質(zhì)、石油類及其他各種添加劑，具有高COD值、高穩(wěn)定性、高黏度、可生化性差等特點(diǎn)。因此，本研究選擇了壓裂返排液中可能存在的重點(diǎn)污染物如重金屬、高濃度的陰陽離子、有機(jī)物等進(jìn)行了含量的測(cè)定與分析。

2.1 重金屬含量

所有壓裂返排液均未檢測(cè)到Cd、U、Bi、In、Tl，其他的重金屬含量見表1。4個(gè)位點(diǎn)頁巖氣壓裂返排液的重金屬濃度在0～477.332 mg·L-1之間，大部分有毒重金屬污染程度不高。4個(gè)位點(diǎn)的頁巖氣壓裂返排液的各重金屬含量仍表現(xiàn)出明顯差異，其中6號(hào)井-1的大部分重金屬濃度稍低，而9號(hào)井的大部分重金屬濃度稍高。

2.2 陰陽離子含量

2.3 CODCr與BOD5含量

如表3所示，4個(gè)位點(diǎn)的頁巖氣壓裂返排液的CODCr與BOD5含量仍表現(xiàn)出明顯差異。6號(hào)井-1的CODCr含量為621 mg·L-1，為4個(gè)位點(diǎn)中最低；9號(hào)井的CODCr含量為1 721 mg·L-1，為4個(gè)位點(diǎn)中最高。而BOD5含量為1.81～4.73 mg·L-1，6號(hào)井-2最低，6號(hào)井-1最高。但BOD5/CODCr結(jié)果表明，壓裂返排液中僅有0.15%～0.76%的有機(jī)物可被微生物降解利用，說明這些壓裂返排液中的有機(jī)物可生化降解性較低，存在大量難降解的大分子有機(jī)物。

表1 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的重金屬含量(mg·L-1)Table 1 Concentration of heavy metals in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base (mg·L-1)

表2 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的陰陽離子含量(mg·L-1)Table 2 Concentration of cations and anions in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base (mg·L-1)

表3 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的COD與BOD含量Table 3 Concentration of COD and BOD in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

2.4 藻類生態(tài)毒性效應(yīng)

2.4.1 斜生柵藻的藻細(xì)胞數(shù)量與光密度的相關(guān)性

采用Sigmaplot10.0對(duì)藻細(xì)胞數(shù)量與650 nm波長下的藻細(xì)胞OD值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明藻細(xì)胞數(shù)量與光密度呈線性正關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)為0.99，線性關(guān)系式如下所示：

y=1.9915×10-7x-0.005

式中，y表示OD值，x表示藻細(xì)胞濃度。

2.4.2 不同壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)

預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)斜生柵藻暴露于這些壓裂返排液時(shí)，在24 h內(nèi)全部產(chǎn)生致死效應(yīng)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，將不同位點(diǎn)的壓裂返排液稀釋成不同的濃度后，研究了不同濃度壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)。2號(hào)井壓裂返排液原液被稀釋成14.72%、17.11%、19.87%、23.09%、26.68% 5個(gè)濃度梯度，6號(hào)井-1壓裂返排液原液被稀釋成0.48%、1.21%、3.03%、7.63%、19.2% 5個(gè)濃度梯度，6號(hào)井-2壓裂返排液原液被稀釋成0.48%、0.95%、2.00%、4.18%、8.55% 5個(gè)濃度梯度，9號(hào)井壓裂返排液原液被稀釋成14.1%、19.74%、28.2%、39.48%、56.4% 5個(gè)濃度梯度。如圖1～圖3所示，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)比較相似。隨著暴露濃度的增加，壓裂返排液對(duì)斜生柵藻的抑制率成明顯的線性上升趨勢(shì)。24 h時(shí)，各濃度的壓裂返排液就均對(duì)藻類的生長繁殖產(chǎn)生抑制，表現(xiàn)出一定的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)，且隨著暴露時(shí)間的延長，藻類生態(tài)毒性效應(yīng)呈增強(qiáng)的趨勢(shì)。而9號(hào)井壓裂返排液產(chǎn)生的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)與2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2呈現(xiàn)差異，如圖4所示，稀釋后的壓裂返排液在48 h時(shí)未表現(xiàn)出藻類生態(tài)毒性效應(yīng)，反而促進(jìn)了斜生柵藻的生長繁殖，72 h時(shí)對(duì)斜生柵藻產(chǎn)生了一定的抑制作用，隨著暴露濃度的增強(qiáng)，96 h的抑制作用呈明顯增強(qiáng)趨勢(shì)。有研究表明，藻類作為測(cè)試生物并不能很好地反應(yīng)廢水的生態(tài)毒性，如石化乙烯工業(yè)廢水組分復(fù)雜，反而對(duì)藻類的生長繁殖有促進(jìn)作用[23]。但本文研究結(jié)果表明，斜生柵藻可作為頁巖氣壓裂返排液的水生生態(tài)毒性效應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

圖1 不同稀釋度的2號(hào)井壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)Fig. 1 Algae toxicity of NO.2 fracturing fluids with different concentrations

圖2 不同稀釋度的6號(hào)井-1壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)Fig. 2 Algae toxicity of NO.6-1 fracturing fluids with different concentrations

圖3 不同稀釋度的6號(hào)井-2壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)Fig. 3 Algae toxicity of NO.6-2 fracturing fluids with different concentrations

圖4 不同稀釋度的9號(hào)井壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)Fig. 4 Algae toxicity of NO.9 fracturing fluids with different concentrations

經(jīng)分析與計(jì)算，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)達(dá)到96 h-EC50時(shí)的壓裂返排液濃度分別為16.5%、5.75%、0.44%、21.25%。參照表4《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中藻類生長抑制試驗(yàn)對(duì)毒物的毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，以藻類生態(tài)毒性效應(yīng)96 h-EC50值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文從涪陵頁巖氣開采基地采集的4個(gè)位點(diǎn)的壓裂返排液的毒性級(jí)別均為極強(qiáng)。由96 h-EC50值計(jì)算毒性單位TUa值，如表5所示，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液的TUa分別為6.06、17.4、227.3、4.71。參照表6美國環(huán)境保護(hù)署的工業(yè)廢水TUa生物毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，以藻類生態(tài)毒性試驗(yàn)的毒性單位(TUa)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各樣點(diǎn)壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果為：2號(hào)井、9號(hào)井壓裂返排液為中毒，6號(hào)井-1壓裂返排液為高毒，6號(hào)井-2壓裂返排液為劇毒。4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性大小順序依次為6號(hào)井-2>6號(hào)井-1>2號(hào)井>9號(hào)井。

2.5 大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)

預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，以大型溞為毒性試驗(yàn)生物，將大型溞暴露于這些壓裂返排液時(shí)，在24 h內(nèi)全部產(chǎn)生致死效應(yīng)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，將不同位點(diǎn)的壓裂返排液稀釋成不同的濃度后，通過考察大型溞的存活與活動(dòng)抑制情況，研究了不同濃度壓裂返排液的大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)，并比較了不同位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)。結(jié)果表明，大型溞在暴露于不同濃度的壓裂返排液后，全部產(chǎn)生致死效應(yīng)，致死效果用LC50表示。如表7所示，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液24～96 h LC50濃度分別為26.2%～30.0%、33.2%～39.9%、21.0%～22.3%、16.2%～24.7%。隨著暴露濃度的增加，4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液對(duì)大型溞的致死率呈明顯的上升趨勢(shì)。隨著暴露時(shí)間的增加，4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)呈增強(qiáng)的趨勢(shì)。根據(jù)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的24～96 h LC50濃度，4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞急性毒性效應(yīng)大小依次為6號(hào)井-1>2號(hào)井>6號(hào)井-2>9號(hào)井。

表4 藻類生長抑制試驗(yàn)對(duì)毒物的毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of toxicity in Algae Growth Inhibition Test

表5 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性96 h-EC50與毒性級(jí)別Table 5 Algae toxicity 96 h-EC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

表6 工業(yè)廢水TUa生物毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Biological toxicity classification standard for industrial wastewater by TUa

由大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)96 h-LC50值計(jì)算毒性單位TUa值，如表8所示，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液的TUa分別為3.82、3.01、4.76、6.17。參照表6美國環(huán)境保護(hù)署的工業(yè)廢水TUa生物毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，以大型溞急性毒性試驗(yàn)的毒性單位(TUa)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文從涪陵頁巖氣開采基地采集的4個(gè)位點(diǎn)的壓裂返排液的毒性級(jí)別均為中毒。由大型溞生態(tài)毒性效應(yīng)48 h-LC50值計(jì)算毒性單位TUa值，如表9所示，2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液的TUa分別為3.58、2.69、4.57、5.68。根據(jù)國內(nèi)外已取得的關(guān)于生態(tài)毒性分級(jí)的相關(guān)研究成果[16,28-29]，參照表10石油生產(chǎn)廢水的生態(tài)毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15,30-33]，本文從涪陵頁巖氣開采基地采集的4個(gè)位點(diǎn)的壓裂返排液的毒性級(jí)別均為低毒。

表7 不同采樣井壓裂返排液的溞類生態(tài)毒性效應(yīng)Table 7 Daphnia toxicity of the fracturing fluids from different sampling well

表8 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞致死效應(yīng)96 h-LC50與毒性級(jí)別Table 8 Daphnia toxicity 96 h-LC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

表9 涪陵頁巖氣開采區(qū)4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞致死效應(yīng)48 h-LC50與毒性級(jí)別Table 9 Daphnia toxicity 48 h-LC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

2號(hào)井、6號(hào)井-1、6號(hào)井-2、9號(hào)井壓裂返排液96 h對(duì)斜生柵藻的生長繁殖產(chǎn)生抑制作用的壓裂返排液濃度分別為16.5%、5.75%、0.44%、21.25%，而96 h對(duì)大型溞產(chǎn)生致死效應(yīng)的壓裂返排液濃度分別為26.2%、33.2%、21.0%、16.2%。比較這4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性效應(yīng)與大型溞急性毒性效應(yīng)，對(duì)頁巖氣壓裂返排液的生態(tài)毒性而言，斜生柵藻比大型溞更為敏感。這可能主要是因?yàn)轫搸r氣壓裂返排液的成分多樣，致毒機(jī)理也相應(yīng)復(fù)雜所致[14-16]。

2.6 不同污染物成分對(duì)壓裂返排液綜合毒性的影響

將壓裂返排液的重金屬含量、陰陽離子含量、有機(jī)物含量(CODCr與BOD5)分別與藻類毒性濃度96 h-EC50及大型溞毒性濃度96 h-LC50進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性分析。

如表11所示，壓裂返排液的重金屬含量、陰陽離子含量、有機(jī)物含量(CODCr與BOD5)與壓裂返排液的藻類毒性濃度96 h-EC50均無顯著相關(guān)性。通過比較各污染物成分與藻類毒性濃度96 h-EC50的相關(guān)性系數(shù)r2，重金屬Zn、Cu、Mn、As、Se，陰陽離子K+、Mg2+，及有機(jī)物CODCr含量可能對(duì)壓裂返排液的藻類綜合毒性影響較其他污染物大。

如表12及圖5所示，共分析了23種壓裂返排液的重金屬含量與其溞類生態(tài)毒性效應(yīng)的相關(guān)性。結(jié)果表明，壓裂返排液中的Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等6種重金屬含量與壓裂返排液的溞類毒性濃度96 h-LC50呈顯著性負(fù)相關(guān)，其他17種重金屬均無相關(guān)性。隨著這6種重金屬濃度的增大，壓裂返排液的溞類毒性濃度96 h-LC50顯著降低，說明壓裂返排液的溞類綜合毒性隨著重金屬濃度的增大而增大。根據(jù)相關(guān)性系數(shù)r2，這幾種重金屬對(duì)壓裂返排液溞類綜合毒性貢獻(xiàn)最大的是Li(P<0.01)，其次依次為Ga、Ba、V、Rb、Cu(P<0.05)。由此可見，從壓裂返排液的水生生態(tài)毒性效應(yīng)方面考慮，這6種與溞類綜合毒性極為相關(guān)的重金屬，在對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理時(shí)也是需要重點(diǎn)考慮的化學(xué)成分。

表10 石油生產(chǎn)水的生態(tài)毒性等級(jí)分類Table 10 Ecological toxicity classification for oil production water

表11 壓裂返排液中重金屬、陰陽離子、CODCr、BOD5含量與其藻類毒性濃度96 h-EC50的相關(guān)性Table 11 Correlation of the 96 h-EC50 to algae with the concentration of heavy metals, cations, anions, CODCr and BOD5 in the fracturing fluids

圖5 壓裂返排液中重金屬及陰陽離子與溞類毒性濃度96 h-LC50的相關(guān)性Fig. 5 Correlation between 96 h-LC50 to daphnia and concentration of metal or ion in fracturing fluids

表12 壓裂返排液中重金屬、陰陽離子、CODCr、BOD5含量與其溞類毒性濃度96 h-LC50的相關(guān)性Table 12 Correlation of the 96 h-LC50 to daphnia with the concentration of heavy metals, cations, anions, CODCr and BOD5 in the fracturing fluids

注：*, P <0.05，**, P<0.01；↓, 負(fù)相關(guān)。

Note: *,P <0.05, **, P<0.01; ↓, negative correlation.

綜上所述：1)參照美國環(huán)境保護(hù)署的工業(yè)廢水TUa生物毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)位點(diǎn)壓裂返排液的大型溞生態(tài)毒性級(jí)別均為中毒。2號(hào)井、9號(hào)井壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性為中毒，6號(hào)井-1壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性為高毒，6號(hào)井-1壓裂返排液的藻類生態(tài)毒性為劇毒。

2)壓裂返排液中的重金屬、陰陽離子及有機(jī)物含量與其藻類綜合毒性無顯著相關(guān)性。但Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等重金屬及Na+、Cl-等陰陽離子對(duì)壓裂返排液的溞類綜合毒性有顯著影響，影響程度依次為Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu。在對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理時(shí)，這些與毒性相關(guān)的污染物是需要重點(diǎn)考慮的化學(xué)成分。

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Study on the Aquatic Ecological Toxicity of Shale Gas Fracturing Fluids

He Mei1,2,*, Chen Wenjie2, Tian Lei3, Chen Guangyu2, Xie Yao2, Xiang Tingsheng1,2,#

1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan 430100, China2. College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China3. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China

28 September 2016 accepted 20 December 2016

A lot of fracturing fluids are generated in the process of shale gas fracturing. The fracturing fluids contain toxic and carcinogenic substances such as aromatic hydrocarbon, heavy metals, radioactive substances (U, Th, Ra), petroleum additives, et al, which are poorly biodegradable and difficult to be dealt with. These waste fluids may cause potential hazards and risks to the environment and human health if they are discharged without any treatment. However, there have been few researches about the ecological toxicity of the shale gas fracturing fluids up to now. In this paper, four types of fracturing fluids were collected from No.2 well, No.6-1 well, No.6-2 well and No.9 well in the Fuling Shale Gas Mining Base. The water quality physicochemical indices of these fracturing fluids were analyzed according to the national testing standards of wastewater; meanwhile their aquatic ecological toxicity was investigated by employing the standard toxicity test organisms Scenedesmus obliquus and Daphnia magna. Then the relationship between water quality physicochemical indices and the comprehensive toxicities was studied. The results showed that all the four fracturing fluids presented considerable aquatic ecological toxicity. The ecological toxicity of four fracturing fluids was medium-toxic and even more toxic, using 96 h-EC50of Scenedesmus obliquus, 96 h-LC50of Daphnia magna and toxicity units (TUa) as evaluation indexes. There was no significant correlation between the contents of heavy metals, anions, cations, and organic matters and the comprehensive algal toxicities of the fracturing fluids. However, six metals (Li, V, Cu, Ga, Rb, Ba) and Cl-anion and Na+cation in the fracturing fluids had a significant effect on the comprehensive daphnia toxicities, which followed the pattern Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu. It can be concluded that these chemicals related to the comprehensive toxicities should be considered when treating fracturing fluids.

fracturing fluids; Scenedesmus obliquus; Daphnia magna; ecological toxicity

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472124)；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2015D-5006-0210)；湖北省自然科學(xué)基金(2016CFB178)；湖北省省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目(B2015451)；長江大學(xué)長江青年人才基金項(xiàng)目(2016cqr14)

賀美(1984-)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)槲廴疚锷鷳B(tài)毒理學(xué)，E-mail: hemei-521@163.com；

# 共同通訊作者(Co-corresponding author)， E-mail: xiangtingsheng@sina.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160928002

2016-09-28 錄用日期：2016-12-20

1673-5897(2017)2-108-12

X171.5

A

向廷生(1963—2016)，男，地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)博士，教授，主要研究方向?yàn)槭偷刭|(zhì)微生物及環(huán)境污染生態(tài)修復(fù)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

賀美, 陳文杰, 田磊, 等. 頁巖氣壓裂返排液的水生生態(tài)毒性效應(yīng)研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2017, 12(2): 108-119

He M, Chen W J, Tian L, et al. Study on the aquatic ecological toxicity of shale gas fracturing fluids [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 108-119 (in Chinese)