喬延龍 殷小亞 肖廣俠 王立平

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；2.天津市海洋咨詢?cè)u(píng)估中心 天津 300457； 3.天津渤海水產(chǎn)研究所 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院渤海水產(chǎn)研究中心 天津 300457； 4.山東省臨沂市羅莊區(qū)水務(wù)局 臨沂 276017；5.天津市水產(chǎn)局 天津 300202)

在經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展進(jìn)程中，海洋資源逐漸呈現(xiàn)出過(guò)度開(kāi)發(fā)與利用的狀態(tài)。隨著圍海造地為主的海洋開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大，海洋工程引起周邊海域懸浮物濃度升高，致使近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)功能減退。圍繞懸浮物對(duì)海洋生態(tài)產(chǎn)生的問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)(包瑛瑛,2015; 李曉靜等,2017; 崔磊等,2017)。研究表明，懸浮物對(duì)水體中生物的生理、行為、攝食、生長(zhǎng)、繁殖等產(chǎn)生影響，高濃度的懸浮物可使水體生物死亡，從而影響生物種群組成和群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定(李鐵軍等,2017; 蔡麗萍等,2011)。近岸海域是水生生物繁殖的重要場(chǎng)所，研究發(fā)現(xiàn)，水體環(huán)境質(zhì)量和生物個(gè)體生長(zhǎng)和發(fā)育存在一定聯(lián)系(劉廣遠(yuǎn)等,1998; 王廣軍等,2007)。目前，懸浮物對(duì)水生生物毒性效應(yīng)研究，主要集中于疏浚淤泥和灘涂懸浮物對(duì)游泳能力強(qiáng)的魚類及生物成體的毒性效應(yīng)(周勇等,2010; 王云龍等,1999; 陳永平等,2015; 王娟娟等,2016; 蔡萌等,2007; 李廣樓等,2010; 李純厚等,1997)，而有關(guān)大規(guī)模圍填海區(qū)域?yàn)┩繎腋∥飳?duì)游泳能力較弱的生物幼體毒害作用關(guān)注較少。圍填海區(qū)域?yàn)┩渴巧镉左w育肥棲息的場(chǎng)所，海洋工程產(chǎn)生的懸浮物對(duì)生物幼體毒性將直接影響海洋生物群體補(bǔ)充數(shù)量，因此，開(kāi)展此項(xiàng)研究對(duì)于漁業(yè)資源和海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義。

渤海灣是渤海西部的半封閉淺水海灣，近岸灘涂廣闊，水下地勢(shì)平緩，在季風(fēng)、海流、波浪、潮汐等對(duì)懸浮物輸移和分布的影響下，較細(xì)的沉積物顆粒易于再懸浮，同時(shí)，在黃河沉積物擴(kuò)散的雙重影響下，渤海灣西北部成為高懸浮物濃度區(qū)，水體表層和底層的懸浮物濃度有較大差異(周舟等,2017; 曹祖德等,1993; Jianget al,1997; 江文勝等,2002; 崔廷偉等,2009)。隨著沿海海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，濱海地區(qū)海洋開(kāi)發(fā)較為活躍，海上吹填、疏浚等海洋工程日趨頻繁，海洋海岸工程擾動(dòng)沉積物再懸浮，致使近岸海域懸浮物濃度急劇增加。中國(guó)對(duì)蝦(Fenneropenaeus chinensis)是黃、渤海地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)蝦類，幼體階段營(yíng)浮游生活，以濾食浮游生物為主，變態(tài)發(fā)育為仔蝦后營(yíng)底棲生活，以底棲生物為主要餌料。環(huán)渤海圍填海區(qū)域開(kāi)發(fā)壓縮了生物的棲息空間，海洋工程攪動(dòng)產(chǎn)生懸浮物破壞了生物的生存環(huán)境，致使中國(guó)對(duì)蝦資源急劇衰退，為了探究海洋生物幼體與灘涂懸浮物之間的關(guān)系，以渤海灣主要漁業(yè)經(jīng)濟(jì)物種和資源修復(fù)關(guān)鍵種——中國(guó)對(duì)蝦仔蝦期幼體為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法，研究了懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的毒性作用，可為探討中國(guó)對(duì)蝦幼體生態(tài)適應(yīng)性提供參考，并對(duì)進(jìn)一步研究近岸水體環(huán)境基準(zhǔn)和生態(tài)環(huán)境容量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用中國(guó)對(duì)蝦幼體采自天津市濱海新區(qū)天津神育育苗有限公司養(yǎng)殖場(chǎng)，幼體體長(zhǎng)為0.8～1 cm。實(shí)驗(yàn)前，將中國(guó)對(duì)蝦幼體放入8 L海水的整理箱中暫養(yǎng)2 d，暫養(yǎng)海水經(jīng)48 h曝氣處理，挑選體長(zhǎng)為1 cm、大小均勻、活力較好的個(gè)體進(jìn)行懸浮物毒性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后減少餌料投喂。實(shí)驗(yàn)水體為天津大神堂海域經(jīng)沉淀、砂濾的自然海水。經(jīng)測(cè)定，鹽度為31±1.0，pH 為 8.1±0.1，水溫為(22±1)℃，24 h連續(xù)充氣，每天換水1次，換水量為三分之一，每天早晚各投喂配合飼料1次。

實(shí)驗(yàn)用懸浮物泥樣采自天津大神堂(117°55′18?E; 39°09′01?N)外海的表層底泥，經(jīng)室內(nèi)通風(fēng)晾干，然后放在烘箱中(60℃)烘干至恒重，冷卻，研磨后用 200目篩絹過(guò)篩，置于干燥器中低溫保存。泥樣的主要指標(biāo)(測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，硫化物、重金屬(Hg、Cu、Zn、Pb和Cd)和油類物質(zhì)的檢測(cè)值達(dá)到我國(guó)海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB18668-2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用《水質(zhì)物質(zhì)對(duì)淡水魚(斑馬魚)急性毒性測(cè)定方法(GB/T13267-1991)》。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，進(jìn)行急性毒性預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定懸浮物濃度范圍。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置 20、40、80、160、320、640 mg/L 共6個(gè)懸浮物梯度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)3組平行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)設(shè)1個(gè)對(duì)照組，每組投放中國(guó)對(duì)蝦幼體 50尾。實(shí)驗(yàn)水溫與暫養(yǎng)時(shí)保持一致，各組充氣量相同，以氣泡均勻、懸浮物不沉底為準(zhǔn)。每天08:00換水，每隔2 h用玻璃棒進(jìn)行攪拌，保持持續(xù)充氣，使泥樣始終處于懸浮狀態(tài)。暴露后，每2 h觀察1次中國(guó)對(duì)蝦幼體的狀態(tài)，連續(xù)8 h，之后每12 h觀察1次，暴露48 h后，每24 h觀察1次，統(tǒng)計(jì)各組中國(guó)對(duì)蝦幼體的死亡情況，死亡標(biāo)準(zhǔn)為用細(xì)玻璃棒觸動(dòng)其腹部，5 s內(nèi)沒(méi)有任何反應(yīng)，則視其為死亡，在顯微鏡下鏡檢觀察、拍照。記錄中國(guó)對(duì)蝦幼體的死亡個(gè)數(shù)、死亡時(shí)間，統(tǒng)計(jì)死亡率，并將3個(gè)平行組的平均值作為每個(gè)濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，中國(guó)對(duì)蝦幼體在懸浮物處理12 h后陸續(xù)出現(xiàn)中毒癥狀，實(shí)驗(yàn)周期設(shè)為 12、24、48、72 和 96 h。

表1 懸浮物主要成分含量(mg/kg)Tab.1 Main components of the suspended solids (mg/kg)

1.3 鏡檢觀察

將取出的中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡個(gè)體進(jìn)行去脫水處理后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，經(jīng)連接相機(jī)(Olympus SZX7)進(jìn)行拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均采用改良寇式法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(黃瑞等,2017; 孫瑞元,1963)，計(jì)算各實(shí)驗(yàn)懸浮物濃度組對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的半致死濃度LC50和LC50時(shí)的95%置信區(qū)間，計(jì)算公式如下：

式中，i為組距，即相鄰2組對(duì)數(shù)劑量之差；Xm為最大劑量對(duì)數(shù)；p為各劑量組死亡率(死亡率均用小數(shù)表示)；q為各劑量組存活率(存活率均用小數(shù)表示)；∑p為各劑量組死亡率之和；n為各組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)；Sx50為logLC50的標(biāo)準(zhǔn)誤。

安全濃度公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)對(duì)蝦幼體的中毒癥狀

在放入懸浮液中的前幾小時(shí)，中國(guó)對(duì)蝦幼體比較活躍，上下游動(dòng)，游動(dòng)速度較快。但隨著受試時(shí)間的增加，游動(dòng)速度逐漸變緩，最后潛伏于實(shí)驗(yàn)容器下部，靜止不動(dòng)。隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，受試中國(guó)對(duì)蝦幼體逐漸昏迷，直至死去。在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)中國(guó)對(duì)蝦幼體體色也發(fā)生了變化，由最初健康的青色，逐漸蛻變?yōu)榉凵?，繼而變?yōu)榛野咨?/p>

2.2 中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡率

在急性毒性實(shí)驗(yàn)中，隨著暴露時(shí)間延長(zhǎng)，中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡個(gè)體數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(表1)。暴露12 h時(shí)，20～80 mg/L組中國(guó)對(duì)蝦幼體沒(méi)有出現(xiàn)死亡，160～640 mg/L組開(kāi)始出現(xiàn)死亡情況；暴露24 h時(shí)，20～ 40 mg/L 組沒(méi)有死亡個(gè)體，80 mg/L 組開(kāi)始出現(xiàn)死亡；暴露36 h時(shí)，20～40 mg/L組開(kāi)始出現(xiàn)死亡個(gè)體；48～96 h 時(shí)，隨著懸浮物濃度增加，中國(guó)對(duì)蝦幼體的死亡率逐漸增加，并呈現(xiàn)出明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系。

在不同濃度懸浮物實(shí)驗(yàn)組，隨著時(shí)間推移，中國(guó)對(duì)蝦幼體出現(xiàn)死亡個(gè)體時(shí)間節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)延后現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)對(duì)照組在12～36 h內(nèi)未發(fā)現(xiàn)死亡個(gè)體，在72 h時(shí)出現(xiàn) 死亡個(gè)體。實(shí)驗(yàn)濃度為20、40 mg/L時(shí)，在12～24 h內(nèi)未發(fā)現(xiàn)死亡個(gè)體，在 48 h出現(xiàn)死亡個(gè)體；實(shí)驗(yàn)濃度為80mg/L時(shí)，在 12 h內(nèi)未發(fā)現(xiàn)死亡個(gè)體，在 24 h出現(xiàn)死亡個(gè)體；實(shí)驗(yàn)濃度為320 mg/L和640 mg/L，12 h 就出現(xiàn)死亡個(gè)體；640 mg/L 在60h時(shí)的死亡率達(dá)到64%。

表2 中國(guó)對(duì)蝦幼體懸浮物急毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of acute toxicity experiment of Fenneropenaeus chinensis larve

2.3 急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在懸浮物條件下脅迫12 h后，中國(guó)對(duì)蝦幼體的死亡率開(kāi)始增加，隨著暴露時(shí)間延長(zhǎng)，累積死亡率快速增加，懸浮濃度達(dá)到640 mg/L以上，中國(guó)對(duì)蝦幼體累積死亡率超過(guò) 50%，同時(shí)，20、40、80、160、320 mg/L 的累積死亡率分別為 13%、19%、20%、21%，22%，而對(duì)照組的積累死亡率僅有4% (圖1)。

圖1 懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的累積死亡率Fig 1 Cumulative mortality rate of Fenneropenaeus chinensis larve under the suspended solids

經(jīng)計(jì)算得到懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體12、24、36、48、72、96 h 的 LC50和 LC50的 95%置信區(qū)間，96 h-LC50安全濃度為 1.83 mg/L (表3)。

表3 懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦的急性毒理實(shí)驗(yàn)Tab.3 Acute toxicity of suspended solids to Fenneropenaeus chinensis larve

圖2 懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的中毒癥狀Fig.2 Symptoms of Fenneropenaeus chinensis larve under the suspended solids

2.4 急性毒性實(shí)驗(yàn)鏡檢

采用解剖鏡對(duì)中國(guó)對(duì)蝦死亡幼體鰓和體表進(jìn)行觀察。從鏡檢情況來(lái)看，死亡個(gè)體體表附著一層薄薄底泥，死亡對(duì)蝦個(gè)體的鰓內(nèi)存在顆粒物質(zhì)，解剖鏡觀察下為底泥顆粒。

3 討論

水生生物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的變化有一定耐受性，但對(duì)攝食、運(yùn)動(dòng)、生理生化等功能將產(chǎn)生影響(沈建忠,2004; 鐘碩良等,2017; 馮政夫等,2016)。本研究結(jié)果表明，中國(guó)對(duì)蝦幼體在懸浮物脅迫下出現(xiàn)急性毒性效應(yīng)，隨著懸浮物暴露時(shí)間的延長(zhǎng)和懸浮物濃度的升高，實(shí)驗(yàn)組中國(guó)對(duì)蝦幼體的死亡率不斷上升，當(dāng)懸浮物溶度低于320 mg/L時(shí)，中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡率較穩(wěn)定，劑量效應(yīng)不明顯，懸浮物濃度高于640 mg/L時(shí)，中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡個(gè)體增加，呈現(xiàn)明顯的劑量效應(yīng)，出現(xiàn)懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體致死效應(yīng)。由于懸浮物的主要有害物質(zhì)低于《海洋沉積物質(zhì)量》一類要求，實(shí)驗(yàn)海水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的含量均符合《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》二類要求，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物產(chǎn)生毒害作用，造成中國(guó)幼體死亡。通過(guò)鏡檢，中國(guó)對(duì)蝦幼體鰓部有大量懸浮物顆粒，可能由于中國(guó)對(duì)蝦幼體呼吸作用下，懸浮物中的微小顆粒隨水流到達(dá)鰓的表面，吸附在鰓絲表面，造成生物體呼吸障礙，致使生物體出現(xiàn)死亡。同時(shí)，隨著中國(guó)對(duì)蝦幼體中毒程度加深，懸浮物顆粒粘附在個(gè)體的體表和附肢上，減弱了游泳能力(McLeayet al,1987)，致使攝食行為受到影響，加劇中國(guó)對(duì)蝦幼體死亡。

將本研究懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的 LC50與已報(bào)道懸浮物對(duì)其他水生生物的LC50進(jìn)行比較(表4)，可以得出，近岸海域懸浮物毒性大小排序?yàn)?，鱸魚(Lateolabrax japonicus)幼體＞梭魚(Sphyraenus)幼體＞半滑舌鰨(Cynoglossus semilaevis)幼體＞中國(guó)對(duì)蝦幼體?；谏锷鷳B(tài)位分析，中國(guó)對(duì)蝦是一種廣溫廣鹽底層甲殼類，半滑舌鰨是一種廣溫廣鹽底層魚類，鱸魚和梭魚是一種廣溫廣鹽中上層魚類。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生態(tài)位較高的水生生物游泳能力強(qiáng)，對(duì)懸浮物的耐受性強(qiáng)，能及時(shí)產(chǎn)生回避反應(yīng)，遷移至安全水域。Henley等(2000)研究發(fā)現(xiàn)，懸浮物較多的渾濁水體，迫使浮游生物和魚類同時(shí)發(fā)生遷移活動(dòng)。由此可見(jiàn)，懸浮物對(duì)遷移能力弱的水生生物幼體、胚胎等具有較強(qiáng)的急性毒性。通過(guò)與王娟娟等(2016)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，灘涂底泥懸浮物對(duì)中國(guó)對(duì)蝦幼體的 LC50小于疏浚懸浮物，原因可能是受雙向的沿岸環(huán)流影響，本研究所取渤海灣西部天津海域?yàn)┩康啄啾韺右陨啊⒎凵百|(zhì)砂、砂紙粉砂和粘土質(zhì)粉砂4種沉積物為主，而在天津港航道取樣的疏浚懸浮物顆粒直徑小于灘涂底泥，更容易堵塞生物幼體鰓腔，同時(shí)，疏浚物懸浮物可溶出硝基苯類、DMS、鹵代酚類等有機(jī)物和重金屬物質(zhì)(季曉等,2013)，在疏浚淤泥的懸浮物和溶出化學(xué)污染物聯(lián)合作用下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，可能致使疏浚懸浮物產(chǎn)生較強(qiáng)的毒性，且致毒機(jī)理也可能不同。

表4 懸浮物對(duì)幾種水生生物的急性毒性Tab.4 Acute toxicity of suspended solids to several aquatic species

隨著渤海灣沿海海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在過(guò)度捕撈、海洋環(huán)境污染、海洋海岸工程等影響下，天津海洋生物資源呈現(xiàn)急劇衰退趨勢(shì)，漁業(yè)生物群體小型化、低齡化，漁獲種類組成低質(zhì)化、低值化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。為了養(yǎng)護(hù)近岸海洋生物資源，利用海洋海岸工程生態(tài)補(bǔ)償資金，近幾年，在海岸生態(tài)環(huán)境受損區(qū)域開(kāi)展了生物增殖放流，以期恢復(fù)近岸生物資源。但是，在水生生物苗種增殖放流選址方面，主要依據(jù)溫度、鹽度等常規(guī)水環(huán)境指標(biāo)，為了提高放流苗種成活率，需綜合考慮放流區(qū)域懸浮物濃度變化情況，優(yōu)化水生生物苗種增殖放流地點(diǎn)。同時(shí)，渤海灣作為海洋生物資源的三場(chǎng)一通道，對(duì)黃海、渤海漁業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境意義重大，在每年5～6月海洋漁業(yè)生物產(chǎn)卵期，建議海洋和漁業(yè)行政主管部門限制近岸海域清淤和圍填海工程審批，嚴(yán)格控制海洋海岸工程擾動(dòng)強(qiáng)度，降低近岸海域懸浮物濃度，減少對(duì)海洋漁業(yè)生物幼體傷害。該研究結(jié)果可為渤海及其他海區(qū)近岸灘涂海洋生物資源恢復(fù)和養(yǎng)護(hù)管理提供參考依據(jù)。