陳 琳,滕爽爽,陸 振,肖國強(qiáng),蔡景波
( 1. 浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所,浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,溫州市海洋生物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 溫州 325005;2. 浙江海洋大學(xué),浙江 舟山 316022 )
濱海核電廠通常采用海水作為直流冷卻水,通常采用定時(shí)向循環(huán)冷卻水中通氯氣[1-2]來解決生物阻塞問題。冷卻水排入受納海域,使海洋生物受到2~12 ℃熱沖擊和余氯的雙重脅迫。升溫和余氯直接或間接地影響到近海和河口區(qū)的水產(chǎn)資源及養(yǎng)殖業(yè)[3-4]。三門灣是多種魚、蝦、貝、蟹的天然繁殖場(chǎng)和養(yǎng)殖基地,更有“中國青蟹之鄉(xiāng)”的美稱,2019年浙江年產(chǎn)青蟹27 595 t,三門灣年產(chǎn)青蟹約占浙江的50%[5]。三門灣核電站一期工程2臺(tái)核電機(jī)組分別于2013、2014年全部建成投入商業(yè)運(yùn)行[6],三門灣核電站運(yùn)營后,筆者對(duì)鄰近海域中余氯污染狀況進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果顯示,游離余氯質(zhì)量濃度為0.01~0.18 mg/L,化合余氯質(zhì)量濃度為0.01~0.02 mg/L,余氯在海水中形態(tài)主要為游離態(tài)。
自20世紀(jì)60年代以來,國外研究者就對(duì)余氯的生態(tài)效應(yīng)開展了大量研究[7-9]。我國自上世紀(jì)80年代以來也開展了相關(guān)研究[10-12]。Rodrigues Macêdo等[7]研究了次氯酸鈣活性氯對(duì)三角渦蟲(Dugesiajaponica)的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng),指出96 h半致死質(zhì)量濃度為3.16 mg/L,亞致死毒性表現(xiàn)為進(jìn)食和運(yùn)動(dòng)明顯減少,生殖和生育能力受損;李毅等[12]研究了模擬夏季溫排水對(duì)福寧灣常見海洋生物的熱耐受性的影響,指出三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)的 24 h高起始致死溫度為38.2 ℃;吳楊平等[13]研究了余氯對(duì)大竹蟶(Solengrandis)稚貝的毒性及半致死質(zhì)量濃度,指出三氯異氰尿酸(含50%有效氯)對(duì)大竹蟶稚貝24 h半致死質(zhì)量濃度為12.21 mg/L,安全質(zhì)量濃度為1.22 mg/L;朱英[14]研究了次氯酸鈉對(duì)稀有鯽(Gobiocyprisrarus)的毒性影響,指出次氯酸鈉消毒劑(有效氯含量1.5%)對(duì)稀有鯽急性毒性的96 h半致死質(zhì)量濃度為25.26 mg/L,對(duì)稀有鯽幼體生長的抑制效應(yīng)質(zhì)量濃度為15.72 mg/L;張璐等[15]研究了氯和氯胺對(duì)橈足類浮游動(dòng)物滅活效能及機(jī)理,指出氯主要通過蛋白質(zhì)外泄對(duì)浮游動(dòng)物致毒,游離氯對(duì)橈足類浮游動(dòng)物的滅活作用優(yōu)于化合氯;葉利蘭等[16]指出,含氯制劑大量使用不僅會(huì)對(duì)單一水生物種造成影響,對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)演替也會(huì)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán),最終破壞水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。
擬穴青蟹(Scyllaparamamosain)屬于軟甲綱十足目梭子蟹科青蟹屬,是三門灣海區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)物種之一。擬穴青蟹在幼蟹期遷移能力較弱,很容易受到污染物的影響[12],筆者以三門灣主要經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖動(dòng)物擬穴青蟹的早期幼蟹為試驗(yàn)對(duì)象,根據(jù)三門灣核電站溫排水前期余氯污染狀況調(diào)查結(jié)果及查閱相關(guān)資料,設(shè)置溫度和余氯質(zhì)量濃度,通過室內(nèi)模擬培養(yǎng),分析溫度、余氯及兩種因子交互作用對(duì)幼蟹存活率的影響,以期為三門灣核電站海水中余氯污染對(duì)該海域生物和生態(tài)環(huán)境的影響提供基礎(chǔ)資料,同時(shí)為制訂沿海電廠溫排水排放標(biāo)準(zhǔn)提供一定的理論指導(dǎo)。
試驗(yàn)用擬穴青蟹幼蟹體質(zhì)量(138±20) mg,收集于浙江省臺(tái)州市三門縣三門灣海區(qū),采苗海區(qū)水溫25 ℃,未受到溫升和余氯脅迫。挑選四肢健全、活力良好的健康幼蟹,用海水仔細(xì)沖洗其表面附著物后,放入水箱中暫養(yǎng)5 d,暫養(yǎng)水溫(25 ± 0.5) ℃,鹽度22.5 ± 0.1。暫養(yǎng)期間充氣并投喂適量的鹵蟲(Artemia),每日定時(shí)換水,使其處于自然生活狀態(tài)。
游離有效氯的制備:取市售次氯酸鈉溶液(分析純),用蒸餾水稀釋100倍,游離余氯質(zhì)量濃度約1.5 mg/mL,儲(chǔ)存于小口棕色瓶中備用。
化合有效氯的制備:取市售氨水溶液(含氨量25%~28%,化學(xué)純)和市售次氯酸鈉溶液(分析純),氨含量約240 mg/mL,氯含量約150 mg/mL。按氨氯質(zhì)量比3∶1進(jìn)行反應(yīng),取1 mL次氯酸鈉溶液緩慢滴入208 μL氨水溶液中,均勻晃動(dòng)10 min充分混勻,后定容至10 mL,所得化合有效氯制備液含量約15 mg/mL,儲(chǔ)存于小口棕色瓶中備用。
以上備用液皆臨用時(shí)配制。
試驗(yàn)于浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所清江基地進(jìn)行。試驗(yàn)用海水為經(jīng)24 h沉淀和砂濾后的樂清灣海域天然海水。經(jīng)游離性余氯比色測(cè)定法檢測(cè),海水本底不含游離氯和化合氯。
25 ℃是三門灣海域擬穴青蟹幼蟹大量出現(xiàn)季節(jié)的水溫,也是幼蟹生長的最適水溫,核電站溫排水普遍溫升情況為2~12 ℃[12,17-19],三門灣核電站排水溫較排水口自然溫度高7 ℃[20],為使試驗(yàn)設(shè)計(jì)更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),采取在25 ℃基礎(chǔ)上,溫度提升5 ℃和10 ℃,來設(shè)計(jì)本試驗(yàn)溫度梯度。試驗(yàn)以25 ℃為對(duì)照組,以30 ℃和35 ℃為溫升組,共設(shè)置3個(gè)溫度梯度。根據(jù)三門灣海區(qū)余氯調(diào)查報(bào)告和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置6個(gè)初始游離余氯質(zhì)量濃度梯度(0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 mg/L),6個(gè)初始化合余氯質(zhì)量濃度梯度(加氨對(duì)照組1.575×10-3mg/L NH4OH[1]、30.0、36.0、42.0、48.0、54.0 mg/L)。通過3×12的正交試驗(yàn)研究溫度和游離余氯、溫度和化合余氯共同脅迫于幼蟹的急性毒性效應(yīng)。每一個(gè)水溫條件下的余氯質(zhì)量濃度梯度均設(shè)置3個(gè)平行,每個(gè)平行投放20只幼蟹,即每個(gè)質(zhì)量濃度組共有60只幼蟹。所用容器為108個(gè)500 mL燒杯,試驗(yàn)處理96 h,其間充氣活水,每日換水1次,投喂鹵蟲1次,并于換水后重新添加相應(yīng)的游離余氯、化合余氯試劑。在試驗(yàn)中每6 h觀察記錄幼蟹的活動(dòng)情況、中毒癥狀和死亡情況,及時(shí)撈出死亡個(gè)體。按照文獻(xiàn)[21]的方法,用玻璃棒觸及頭部和附肢無任何反應(yīng)作為死亡的判別標(biāo)準(zhǔn)。
采用法國PONSEL便攜式水質(zhì)分析儀(Mul-ty8302)及其配套試劑測(cè)定海水中余氯的含量(國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 586—2010,游離性余氯比色測(cè)定法,量程0.1~6.0 mg/L)。
用概率單元法[22]計(jì)算不同溫度條件下游離余氯和化合余氯96 h的半致死質(zhì)量濃度(LC50)及95%置信區(qū)間,參照文獻(xiàn)[10]的方法計(jì)算對(duì)應(yīng)安全質(zhì)量濃度,安全質(zhì)量濃度(SC)計(jì)算公式為:SC=96 h LC50× f,f值取0.1。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,當(dāng)方差齊性時(shí)采用Tukey進(jìn)行多重比較,當(dāng)方差不齊時(shí)采用Dunnett′s T3進(jìn)行多重比較,分析各組死亡率是否具有顯著性差異,當(dāng)P<0.05時(shí)統(tǒng)計(jì)具有顯著性差異;以單因素方差分析檢驗(yàn)相同溫度下余氯質(zhì)量濃度對(duì)幼蟹死亡率的顯著性差異,以雙因素方差分析(SPSS 22.0)檢驗(yàn)溫度和余氯質(zhì)量濃度對(duì)幼蟹死亡率的顯著性差異,P<0.05為差異顯著。
余氯質(zhì)量濃度日變化見圖1。初始質(zhì)量濃度為5.0 mg/L的游離余氯質(zhì)量濃度日變化為0.76~5.00 mg/L,初始質(zhì)量濃度為6.0 mg/L的游離余氯質(zhì)量濃度日變化為0.91~6.00 mg/L,初始質(zhì)量濃度為7.0 mg/L的游離余氯質(zhì)量濃度日變化為1.88~7.00 mg/L,初始質(zhì)量濃度為8.0 mg/L的游離余氯質(zhì)量濃度日變化為2.68~8.00 mg/L,初始質(zhì)量濃度為9.0 mg/L的游離余氯質(zhì)量濃度日變化為3.32~9.00 mg/L。初始質(zhì)量濃度為30.0 mg/L的化合余氯質(zhì)量濃度日變化為21.5~30.0 mg/L,初始質(zhì)量濃度為36.0 mg/L的化合余氯質(zhì)量濃度日變化為27.1~36.0 mg/L,初始質(zhì)量濃度為42.0 mg/L的化合余氯質(zhì)量濃度日變化為33.6~42.0 mg/L,初始質(zhì)量濃度為48.0 mg/L的化合余氯質(zhì)量濃度日變化為41.5~48.0 mg/L,初始質(zhì)量濃度為54.0 mg/L的化合余氯質(zhì)量濃度日變化為45.0~54.0 mg/L。
圖1 余氯日變化曲線Fig. 1 Diurnal variation curve of residual chlorine
在單一的溫度脅迫96 h急性毒性試驗(yàn)中,對(duì)照組海水(25 ℃)和溫升組海水(30 ℃和35 ℃)條件下,幼蟹的96 h累積平均死亡率分別為(5.0±5.0)%、(3.3±2.9)%和(5.0±0)%,單因子方差分析結(jié)果表明,96 h內(nèi)不同溫度試驗(yàn)條件對(duì)幼蟹的死亡率無顯著性影響(P>0.05)(表1)。
表1 不同溫度條件對(duì)擬穴青蟹幼蟹死亡率的影響
在25 ℃時(shí),游離余氯和化合余氯對(duì)幼蟹的急性毒性死亡結(jié)果見圖2、圖3。當(dāng)幼蟹暴露于游離余氯或化合余氯不同時(shí)間(24、48、72、96 h)后,幼蟹的死亡率與余氯質(zhì)量濃度表現(xiàn)出顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系,即在相同的暴露時(shí)間下幼蟹的死亡率隨游離余氯質(zhì)量濃度、化合余氯質(zhì)量濃度的升高而顯著上升。而且游離余氯和化合余氯對(duì)幼蟹的毒性作用也與暴露時(shí)長呈顯著正相關(guān),在相同質(zhì)量濃度下,游離余氯和化合余氯的毒性作用隨暴露時(shí)間的增加而增強(qiáng)。
圖2 25 ℃下游離余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹死亡率的影響Fig. 2 The influence of free residual chlorine on the mortality rate of juvenile mud crab S. paramamosain at 25℃
圖3 25 ℃下化合余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹死亡率的影響Fig. 3 The influence of combined residual chlorine on the mortality rate of juvenile mud crab S. paramamosain at 25 ℃
在不同溫度條件下游離余氯、化合余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹的96 h死亡率和96 h半致死質(zhì)量濃度影響見圖4、圖5、表2。與對(duì)照組(25 ℃)相比,各溫升試驗(yàn)組游離余氯或化合余氯對(duì)幼蟹的急性毒性顯著增強(qiáng),且隨著溫度的升高呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。游離余氯和化合余氯在35 ℃時(shí)表現(xiàn)對(duì)幼蟹的最強(qiáng)毒性,96 h半致死質(zhì)量濃度分別為4.455 mg/L和27.290 mg/L,明顯高于其在25 ℃和30 ℃時(shí)對(duì)幼蟹的毒性(游離余氯在溫度為25 ℃和30 ℃時(shí)的96 h半致死質(zhì)量濃度分別為5.437 mg/L和4.854 mg/L,化合余氯在溫度為25 ℃和30 ℃時(shí)的96 h半致死質(zhì)量濃度分別為32.943 mg/L、29.415 mg/L)。隨著溫度的升高,游離余氯、化合余氯對(duì)幼蟹的急性毒性分別增加了近1.22、1.20倍,幼蟹在溫度高時(shí)表現(xiàn)出對(duì)更低劑量的余氯敏感?;嫌嗦葘?duì)幼蟹的96 h半致死質(zhì)量濃度約為游離余氯的6倍。
圖4 溫度和游離余氯脅迫下擬穴青蟹幼蟹96 h死亡率Fig. 4 Influence of temperature and free residual chlorine on 96 h mortality rate of juvenile mud crab S. paramamosain
圖5 溫度和化合余氯脅迫下擬穴青蟹幼蟹96 h死亡率Fig. 5 Influence of temperature and combined residual chlorine on 96 h mortality rate of juvenile mud crab S. paramamosain
表2 各溫度條件下余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹的半致死質(zhì)量濃度及安全質(zhì)量濃度
對(duì)不同溫度條件下不同初始游離余氯質(zhì)量濃度和初始化合余氯質(zhì)量濃度擬穴青蟹幼蟹死亡率進(jìn)行雙因素方差分析見表3。結(jié)果顯示,溫度與游離余氯對(duì)幼蟹死亡率存在交互作用(P<0.05)、溫度與化合余氯對(duì)幼蟹死亡率不存在交互作用(P>0.05)。
表3 雙因素方差分析結(jié)果
25 ℃時(shí),每提升單位初始質(zhì)量濃度游離余氯造成死亡率增加8.57%,每提升單位初始質(zhì)量濃度化合余氯造成死亡率增加1.43%;30 ℃時(shí),每提升單位初始質(zhì)量濃度游離余氯造成死亡率增加11.67%,每提升單位初始質(zhì)量濃度化合余氯造成死亡率增加1.54%;35 ℃時(shí),每提升單位初始質(zhì)量濃度游離余氯造成死亡率增加11.73%,每提升單位初始質(zhì)量濃度化合余氯造成死亡率增加1.70%(圖6、圖7)。以每提升單位初始質(zhì)量濃度游離余氯或單位初始質(zhì)量濃度化合余氯造成的96 h死亡率增加值與溫度做線性回歸分析,每1 ℃溫升和1.0 mg/L游離余氯增加導(dǎo)致死亡率增加0.316%,每1 ℃溫升和1.0 mg/L化合余氯增加導(dǎo)致死亡率增加0.027%。游離余氯和溫升耦合導(dǎo)致的幼蟹死亡率提高量為化合余氯的11.7倍。
圖6 不同溫度下96 h死亡率與初始游離余氯質(zhì)量濃度線性回歸分析Fig. 6 The linear regression analysis of 96 h mortality and initial free residual chlorine concentration at different temperatures
適溫范圍內(nèi),溫度升高能促進(jìn)蟹類的生長發(fā)育、繁殖代謝以及生理生化功能,但溫度過高會(huì)對(duì)蟹類存活產(chǎn)生影響。將擬穴青蟹從25 ℃開始逐級(jí)升溫(梯度為5 ℃),在30、35、40 ℃時(shí)擬穴青蟹未死亡,最后移入43 ℃水體中,忍受49 min后死亡;未經(jīng)過馴化的擬穴青蟹在38 ℃忍受10 min后死亡[23]。黃海濤[4]研究了溫度、鹽度、溶解氧、氨氮、亞硝態(tài)氮對(duì)擬穴青蟹蛻殼的影響,結(jié)果表明,擬穴青蟹存活溫度為15~35 ℃,蛻殼溫度為20~35 ℃,蛻殼的適宜溫度為25~35 ℃;黃良民等[23]研究了急溫升對(duì)10種甲殼動(dòng)物存活率的影響,結(jié)果表明,擬穴青蟹適溫范圍較廣,在15~33℃水體中均能正?;顒?dòng),當(dāng)移入35 ℃水體中,2 min后出現(xiàn)不適癥狀,10 min后活動(dòng)逐漸正常。本試驗(yàn)為模擬溫排水急溫升試驗(yàn),試驗(yàn)對(duì)象未經(jīng)過馴化,所設(shè)置的溫度梯度對(duì)擬穴青蟹幼蟹的存活率無顯著性差異(P>0.05),應(yīng)是試驗(yàn)所設(shè)置的溫度梯度尚在擬穴青蟹幼蟹的適溫范圍內(nèi),這說明三門灣核電站海區(qū)中僅溫升條件不足以造成擬穴青蟹幼蟹死亡率明顯提升。
余氯對(duì)水生動(dòng)物的鰓有損傷作用,使得鰓組織發(fā)生病變,如組織增生、上皮組織脫離、鰓中積累大量黏液、生成動(dòng)脈瘤,從而影響并阻礙鰓與水中溶解氧的交換[11,24]。余氯也可通過蟹鰓組織滲入血淋巴中,由于余氯氧化性較強(qiáng),它會(huì)把血淋巴中能攜帶氧的還原性血藍(lán)蛋白氧化成不能攜帶氧的二價(jià)銅血藍(lán)蛋白,還可能抑制二價(jià)銅血藍(lán)蛋白還原性酶的活性,從而導(dǎo)致血淋巴運(yùn)載氧的能力下降[25-26]。Valarmathi等[27]發(fā)現(xiàn),余氯會(huì)抑制相手蟹(Sesarmaquadratum)的耗氧率,這也證實(shí)了上述說法。
25 ℃是擬穴青蟹繁殖季節(jié)時(shí)三門灣核電站溫排水附近海區(qū)的平均水溫。在25 ℃情況下,游離余氯和化合余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹的24 h半致死質(zhì)量濃度分別為9.62、53.57 mg/L,化合余氯對(duì)幼蟹的24 h半致死質(zhì)量濃度是游離余氯的5.6倍;48 h半致死質(zhì)量濃度分別為7.93、45.76 mg/L,化合余氯對(duì)幼蟹的48 h半致死質(zhì)量濃度是游離余氯的5.8倍;96 h半致死質(zhì)量濃度分別為5.44、32.94 mg/L,化合余氯對(duì)幼蟹的96 h半致死質(zhì)量濃度是游離余氯的6.1倍。余氯對(duì)不同物種的急性毒性作用具有很大的差異性,例如:游離余氯對(duì)平鯛(Rhabdosargussarba)、黑鯛(Acanthopagrusschlegelii)的48 h半致死質(zhì)量濃度分別為0.19 mg/L和0.18 mg/L,化合余氯對(duì)平鯛、黑鯛的48 h 半致死質(zhì)量濃度分別為0.56 mg/L和0.60 mg/L[1],游離余氯對(duì)大竹蟶稚貝24 h半致死質(zhì)量濃度為12.21 mg/L,對(duì)中華水蚤(Calanussinicus)30 min半致死質(zhì)量濃度為4.89 mg/L,對(duì)蒙古裸腹溞(Moinamongolica)30 min半致死質(zhì)量濃度為3.92 mg/L[13,28]。擬穴青蟹幼蟹對(duì)余氯的耐受性不同于魚類和貝類,這可能源于生物生存環(huán)境的溫度、溶解氧、水層、大氣壓、光照等因子不同所致或者可能與不同物種自身解毒能力、耐受程度和保護(hù)功能有關(guān)[29]。
游離余氯和化合余氯對(duì)水生動(dòng)物毒性作用的相對(duì)強(qiáng)弱根據(jù)物種而各有不同。何琴燕等[30]研究認(rèn)為,對(duì)于浮游動(dòng)物和浮游植物,化合余氯的毒性要比游離余氯強(qiáng)。Brungs[31]認(rèn)為,魚類中游離余氯和化合余氯的毒性并無明顯差異。但也有很多研究表明,游離余氯的毒性明顯強(qiáng)于化合余氯,如Brooks等[2]對(duì)幾種魚分別進(jìn)行短時(shí)間浸毒(15、30 min)和間歇性氯沖擊(4×30 min,每隔6 h 1次),結(jié)果發(fā)現(xiàn),游離余氯的毒性比化合余氯大3~4倍。Heath[8]模擬電廠氯處理方式,對(duì)幾種淡水魚進(jìn)行3×45 min(每隔8 h 1次)的間歇性氯沖擊,結(jié)果顯示,游離余氯的毒性是化合余氯的3~14倍。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,游離余氯毒性約為化合余氯毒性的6倍。不同海域,余氯的存在形態(tài)不同,大亞灣海域余氯在海水中形態(tài)主要為化合態(tài)[32],而三門灣海域余氯在海水中的形態(tài)主要是游離態(tài),因此,評(píng)價(jià)溫排水中的余氯對(duì)水生環(huán)境及水生生物的影響時(shí),應(yīng)考慮不同海域余氯的主要形態(tài)和不同形態(tài)余氯的毒性差異。
在三門灣海區(qū)溫度梯度內(nèi)(25~35 ℃),96 h溫度脅迫對(duì)擬穴青蟹幼蟹的存活率無顯著影響(P>0.05)。溫度和余氯耦合下,溫度升高同時(shí)增強(qiáng)了游離余氯和化合余氯對(duì)擬穴青蟹幼蟹的急性毒性,幼蟹在溫度升高時(shí)表現(xiàn)出對(duì)更低質(zhì)量濃度余氯敏感。游離余氯和化合余氯25 ℃時(shí)96 h半致死質(zhì)量濃度分別為5.437、32.943 mg/L,30 ℃時(shí)分別為4.854、29.415 mg/L,35 ℃時(shí)分別為4.455、27.290 mg/L,表明游離余氯對(duì)幼蟹的急性毒性約為化合余氯的6倍。96 h內(nèi),每1 ℃溫升和1 mg/L游離余氯增加導(dǎo)致死亡率增加0.316%,而每1 ℃溫升和1 mg/L化合余氯增加導(dǎo)致死亡率增加0.027%,溫升耦合游離余氯下擬穴青蟹幼蟹死亡率提高值明顯高于化合余氯。基于96 h半致死質(zhì)量濃度,25~35 ℃,游離余氯安全質(zhì)量濃度為0.446~0.544 mg/L,化合余氯安全質(zhì)量濃度為2.729~3.294 mg/L。