晁 敏,王云龍,沈新強(qiáng)

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 東海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋和河口漁業(yè)重點開放實驗室,上海 200090)

近年建在河口或沿海地區(qū)的濱海電廠不斷增加,電廠運(yùn)營在保障海岸帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,其冷卻水系統(tǒng)的取排水對海區(qū)生態(tài)環(huán)境和資源生物也帶來了較大的負(fù)面影響[1],比較直觀的影響為急性熱沖擊和卷載效應(yīng)[2-4],而經(jīng)冷卻系統(tǒng)加溫的海水排入海域后同樣具有環(huán)境效應(yīng)[5-6],據(jù)研究,電機(jī)容量為1800～2000MW 機(jī)組的溫排水可使出水口水溫升高8～12℃,而為防止污損生物對冷卻系統(tǒng)的阻塞,氯制劑廣泛應(yīng)用于電廠冷卻水系統(tǒng),導(dǎo)致排水口氯的殘留濃度可達(dá) 0.1～0.2 mg/L[7],有時可達(dá) 0.42～1.0 mg/L[8],因此電廠溫排水同時具有溫度升高和余氯殘留兩個特點。

從20世紀(jì)50年代以來,國外研究者就對海水中殘留余氯的生態(tài)效應(yīng)開展了大量研究[9-12],中國自80年代以來也開展了相關(guān)影響研究[13-15]。國際上已有余氯標(biāo)準(zhǔn)頒布,如美國 EPA水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水中總余氯的標(biāo)準(zhǔn)限值為 0.01 mg/L,而歐洲標(biāo)準(zhǔn)更低,為0.005 mg/L,國內(nèi)尹伊偉[14]早在1992年就曾撰文推薦0.01 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值,然而至今中國還未制訂溫排水中余氯排放限值標(biāo)準(zhǔn)。

魚類在胚胎發(fā)育及仔魚期容易受到水溫[16-17]及污染物[18-20]的影響,而中國目前關(guān)于水溫和余氯雙因素對海水魚類胚胎發(fā)育和仔魚期影響的研究還較少[21],本研究以黑棘鯛(Acanthopagrus schlegelii)(舊稱黑鯛(Sparus macrocephalus))的前期仔魚為對象,分析溫度、余氯及兩種因子交互作用對仔魚存活率的影響,黑棘鯛具有適溫適鹽性廣、食譜雜、抗病能力較強(qiáng)、生長迅速等生理和生態(tài)特點,在中國東南沿海屬經(jīng)濟(jì)魚種,因此是一種比較理想的試驗動物[22],本研究可望為中國將來制訂沿海電廠溫排水溫度和殘留余氯濃度限值提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗在江蘇省海洋水產(chǎn)研究所啟東海水增養(yǎng)殖基地進(jìn)行。試驗用海水取自基地,經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾,煮沸、曝氣24 h后備用。取安替福民即次氯酸鈉(分析純)配制余氯母液,由于該母液中氯屬游離態(tài)氯,在光作用下易于降解,需避光保存。

試驗設(shè)4個水溫條件：18、22,26、30℃,其中18℃為室溫條件下水溫,后 3個水溫條件由水浴控溫; 每個水溫條件下設(shè) 0.025、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80 mg/L總計6個余氯濃度水平,并以過濾海水為試驗對照,每個濃度設(shè)3個平行試驗組。試驗開始前各組預(yù)先調(diào)節(jié)好水溫,加入余氯母液。

以剛孵化出1 d的黑棘鯛前期仔魚為試驗生物,用吸管挑取前期仔魚20～30只置于已調(diào)節(jié)好水溫、余氯濃度的400 mL燒杯內(nèi),并計仔魚放入的時刻為0,于24、48、72、96 h用解剖鏡觀察仔魚存活狀態(tài),當(dāng)仔魚心臟停止跳動時判定為死亡,試驗期間投喂輪蟲為仔魚的開口餌料。

由于中國電廠冷卻系統(tǒng)加氯方法通常采取周期性連續(xù)加氯或每天加氯1 h的方式[23],電廠溫排水中余氯濃度并不是恒定不變的,而且余氯受光照、溫度等因素影響在短短幾小時內(nèi)可衰減至極低水平,因此為模擬電廠溫排水中余氯分布特征,試驗期間各組試驗液每12 h全部更換,每次海水經(jīng)水溫預(yù)調(diào)、加氯,再將仔魚轉(zhuǎn)移至新的燒杯中。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

分別計算24、48、72、96 h仔魚存活率,對仔魚存活率數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,處理方法如下：

其中Ps為黑棘鯛仔魚標(biāo)準(zhǔn)化死亡率(以100計),P為各組黑棘鯛仔魚存活率(以100計)。

余氯對黑棘鯛仔魚半致死余氯濃度(LC50)計算方法參見文獻(xiàn)[24],采用下式在 Statistica6.0軟件中對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合：

其中x為余氯濃度,T、W兩個參數(shù)由迭代得到,其中T為LC50或EC50,W代表曲線的曲率因為：

當(dāng)Ps為50時,x=T。

采用 SPSS統(tǒng)計軟件比較各組死亡率是否具有顯著性差異分析,當(dāng)方差齊時,采用多重比較方差分析方法(LSD),當(dāng)P＜ 0.05時統(tǒng)計具有顯著性差異意義,當(dāng)方差不齊時,對數(shù)據(jù)進(jìn)行排秩處理,采用SPSS中廣義線性模型(Generalized linear model,GLM)的多元方差分析中的 SNK (Student-newman-kuels)方法[25],當(dāng)P＜ 0.05時統(tǒng)計具有顯著性差異意義。

采用廣義相加模型[26](Generalized additive model,GAM)研究仔魚死亡率與溫度、余氯、曝露時間的關(guān)系,模型表達(dá)形式如下：

其中：g為仔魚死亡率的連接函數(shù),S為光滑函數(shù),一般采用 3次樣條函數(shù)[27-28],其中S1為水溫的光滑函數(shù),S2為余氯的光滑函數(shù),S3為曝露時間的光滑函數(shù),error為隨機(jī)誤差。

仔魚死亡數(shù)據(jù)為二元屬性數(shù)據(jù),因此死亡率可采用邏輯連接函數(shù)表示,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

因此廣義相加模型可寫為：

其中,error為隨機(jī)誤差。

然而,為更有效地分析各因素間的交互作用,在SPSS中采用雙因素方差分析方法進(jìn)行研究,當(dāng)P＜ 0.05時表明對死亡率具有顯著性影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫對對照組初孵黑棘鯛仔魚的影響

用于試驗的仔魚剛孵化出1 d,仍處于前期仔魚階段,卵黃囊尚未消失,仔魚為內(nèi)源營養(yǎng)期。6 h時,各組沒有仔魚死亡,其中,18℃組、22℃組仔魚可靈活游動,26℃組的仔魚則沉于燒杯底部,但對接觸反應(yīng)靈敏,而 30℃組仔魚的背鰭基部出現(xiàn)隆起,發(fā)育速度明顯高于其他組,但已有部分仔魚出現(xiàn)尾部彎曲,且對接觸沒有反應(yīng),表明運(yùn)動受到抑制。24 h時,18℃組、22℃組、26℃組沒有仔魚出現(xiàn)死亡,其中,18℃組、22℃組的尾鰭、消化道已形成,26℃組除尾鰭、消化道形成外,部分仔魚已開口,而30℃組全部仔魚運(yùn)動受到抑制,有 23.4%的仔魚死亡。48 h時,只有18℃組未出現(xiàn)仔魚死亡,22℃組、26℃組、30℃組出現(xiàn)了不同程度的死亡情況,死亡率分別為2.9%、1.3%、98%,30℃組仔魚死亡率增加明顯。72 h時,各組仔魚均有死亡,死亡率分別為0.8%、2.9%、7.7%、98%。96 h時,各組死亡率分別為1.6%、7.0%、7.7%、98%,22℃組、26℃組仔魚死亡率沒有變化,表明該實驗組仔魚的生長和發(fā)育已非常適應(yīng)試驗水溫條件(表 1)。

對各實驗組數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較分析,18℃組、22℃組、26℃組 3組仔魚死亡率沒有顯著差別(P＞0.05),且死亡率均低于10%,可認(rèn)為這3個水溫條件對仔魚死亡不存在顯著性影響,而 30℃水溫則對仔魚死亡具有顯著性影響(P＜ 0.05)。

每種生物對水溫均有一定的耐受范圍,仔魚的耐熱性往往低于幼魚或成魚,曾江寧[29]的研究表明,初孵 1周的黑棘鯛仔魚 24 h的半數(shù)致死水溫為30.3℃,與本實驗結(jié)果相近,24 h時30℃水溫造成的初孵仔魚死亡率為23.4%。

表1 對照組黑棘鯛仔魚不同水溫條件下的死亡率Tab.1 The lethal rate of Acanthopagrus schlegelii larvae in control group at different water temperature

2.2 余氯對初孵黑棘鯛仔魚的影響

高濃度余氯可在短時間內(nèi)造成仔魚死亡,仔魚體形一般為 S形扭曲,或尾部斷裂、甚至蜷縮成球狀。由表2可知,0.8 mg/L的余氯在24 h時對仔魚的死亡率與對照組具有顯著性差異(P＜0.05),隨著曝露時間的延長,低濃度余氯對仔魚的死亡率開始與對照組顯現(xiàn)出差異,水溫越高,余氯致毒濃度愈低,如26℃組在48 h時0.05 mg/L的余氯對仔魚的死亡率與對照組具有顯著性差異。

采用公式 1對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到余氯對仔魚的半致死效應(yīng)濃度LC50值,列于表3。大多數(shù)生物在溫度升高時表現(xiàn)出對更低劑量的余氯敏感,如大型溞(Daphnia magna)、白鰱(Hypophthalmichthys molitrix)[14],虹鱒(Oncorhynchus mykiss)、美洲原銀漢魚(Menidia beryllina)[30],銀鮭(Oncorhynchus kisutch)、胡瓜魚(Osmerus mordax)、斑尾美洲(Notropis hudsonius)[31]等,黑棘鯛仔魚也不例外,從表 3總數(shù)據(jù)可明顯看出,余氯對黑棘鯛仔魚的 LC50值顯著受到了水溫的協(xié)同影響,當(dāng)水溫達(dá)到 30℃時,水溫則成為仔魚主要死亡因素。

表2 各余氯濃度組仔魚死亡率與對照組仔魚死亡率差異性檢驗Tab.2 Significance test of mortality rate of Acanthopagrus schlegelii larvae between rc (residual chlorine) and control group

表3 各水溫條件下余氯對仔魚的LC50值(mg/L)Tab.3 Lethal concentration of residual chlorine to the larvae of Acanthopagrus schlegelii at different temperature

2.3 黑棘鯛初孵仔魚死亡率與水溫、余氯、暴露時間關(guān)系

采用 GAM 模型研究仔魚死亡率與水溫、余氯、暴露時間的關(guān)系,建立 GAM 模型連接函數(shù)所需數(shù)據(jù)見表4,對response數(shù)據(jù),以二元數(shù)據(jù)賦值,對仔魚未死亡賦值 0,其對應(yīng)余氯的值選擇余氯對仔魚無觀測影響濃度(None observed effect concentration,簡稱NOEC),即與對照無顯著性差異的余氯濃度,見表 2;對50%死亡的仔魚賦值0.5,其對應(yīng)余氯的值為LC50。

表4 GAM模型連接函數(shù)所需數(shù)據(jù)Tab.4 Data for link function of GAM

圖1 仔魚死亡率與水溫、余氯、曝露時間的光滑函數(shù)擬合結(jié)果Fig.1 GAM plots for temperature,residual chlorine and exposure time

GAM分析結(jié)果(表5)顯示,仔魚死亡率與水溫、余氯含量、曝露時間并不存在 3次或更復(fù)雜分段樣曲線關(guān)系(Pr ＞ 0.05),而是近似的分段線性關(guān)系,見圖1-1,各因子的光滑函數(shù)隨對應(yīng)因子的變化曲線也具有此特點,從圖1-2可看出,水溫在18～26℃間與S(水溫,4)間具有線性關(guān)系,從圖1-3可看出,余氯在0.025～0.4 mg/L 與S(余氯,4)間具有近似線性關(guān)系,從圖1-4可看出,96 h曝露時間內(nèi)時間與仔魚死亡率具有近似線性關(guān)系。各因子的光滑函數(shù)隨對應(yīng)因子的變化曲線可進(jìn)一步解釋仔魚死亡率隨因子變化的關(guān)系,當(dāng)光滑函數(shù)值高于0時,所對應(yīng)的因子值即對仔魚產(chǎn)生明顯致死效應(yīng)的數(shù)值,從圖1-2看出,水溫為 26℃時,S(水溫,4)開始大于 0,水溫由 26℃升至30℃時,S(水溫,4)急劇上升,表明水溫高于 26℃對黑棘鯛初孵仔魚的致死效應(yīng)明顯,從圖 1-3可看出,余氯濃度高于 0.2 mg/L時,開始對仔魚具有明顯的致死效應(yīng),從圖 1-4可看出,在有余氯存在情況下,曝露時間超過 48 h,會對黑棘鯛初孵仔魚產(chǎn)生明顯致死效應(yīng)。

經(jīng)多元方差分析結(jié)果可知(表 6),水溫、余氯、曝露時間對仔魚死亡率具有顯著性影響(P＜ 0.05),水溫-余氯、水溫-曝露時間之間具有顯著性交互作用(P＜0.05),從圖 2-1和圖 2-2存在線段相交的情況也可說明交互作用的存在,其中,水溫和余氯的交互作用主要發(fā)生在低濃度余氯組,余氯和曝露時間的交互作用主要發(fā)生在24 h和48 h; 而水溫與曝露時間之間沒有顯著的交互作用(P=0.989＞0.05),從圖2-3可看出沒有線段相交的情況。

與多種化學(xué)因子如重金屬Cu[32]、Cd[33]、農(nóng)藥[34]與水溫具有交互作用一樣,余氯與水溫之間也具有交互作用,且一般為協(xié)同作用[32],而從本實驗結(jié)果看,當(dāng)水溫高于 30℃或余氯濃度高于 0.8 mg/L時,水溫和余氯間均可成為仔魚死亡主導(dǎo)因素,二者間的交互作用很難被觀測到。

曝露時間與污染物的毒性間通常具有顯著的時間-劑量效應(yīng)關(guān)系,本實驗中,仔魚死亡率與曝露時間之間呈線性關(guān)系,隨著曝露時間的延長,余氯的LC50值逐漸減少,與Hall等[35]研究結(jié)論相似。

表5 廣義相加模型擬合結(jié)果Tab.5 Fitted results of GAM

表6 雙因素方差分析受試者間效應(yīng)結(jié)果Tab.6 Results of tests between subjects effects of univariate analysis

圖2 各因子間交互作用Fig.2 The plot of interaction between factors

3 結(jié)論

18、22、26℃ 3種水溫對黑棘鯛初孵仔魚致死率均低于 10%,與對照組相比不存在顯著性差異,30℃水溫對仔魚死亡率與對照相比具有顯著差異(P＜ 0.05),24 h時初孵仔魚死亡率 23.4%,48 h時為98%。

24 h時18、22、26、30℃ 4種水溫條件下余氯對黑棘鯛仔魚的的 LC50值分別為 0.816、0.460、0.433、0.319 mg/L,可見水溫升高會增強(qiáng)余氯對仔魚的致死效應(yīng),而隨著時間延長,余氯對仔魚的 LC50效應(yīng)濃度值進(jìn)一步降低,至96 h,其值分別為0.242、0.211、0.140、＜0.025 mg/L。

GAM分析結(jié)果顯示,水溫在18～26℃間與仔魚死亡率間具有線性關(guān)系,水溫由 26℃升至 30℃時,仔魚死亡率有急劇上升,表明水溫高于 26℃對黑棘鯛初孵仔魚致死效應(yīng)明顯; 余氯在 0.025～0.4 mg/L與仔魚死亡率間具有近似線性關(guān)系,當(dāng)余氯濃度高于0.2 mg/L時,對仔魚致死效應(yīng)明顯; 96 h內(nèi)曝露時間與仔魚死亡率具有近似線性關(guān)系,在有余氯存在情況下,曝露時間超過 48 h,會對黑棘鯛初孵仔魚產(chǎn)生明顯致死效應(yīng)。

經(jīng)多元方差分析結(jié)果可知,水溫、余氯、曝露時間對仔魚死亡率具有顯著性影響(P＜0.05),水溫-余氯、水溫-曝露時間之間具有顯著性交互作用(P＜0.05)。

致謝：本次實驗得到了江蘇省海洋水產(chǎn)研究所啟東海水增養(yǎng)殖基地的大力支持,同時也得到了東海水產(chǎn)研究所蔣玫副研究員、黃世林、馬繼臻同學(xué)的大力幫助,謹(jǐn)此表示感謝。

[1]曾江寧,陳全震,鄭平,等.余氯對水生生物的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25(10)：2717-2724.

[2]Bamber R N.The influence of rising background temperature on the effects of marine thermal effluents[J].Journal of Thermal Biology,1995,20(1-2)：105-110.

[3]苗綠田.核電站冷卻水系卷載效應(yīng)的初步研究[J].海洋湖沼通報,1989,1：13-19.

[4]盛連喜,侯文禮.電廠冷卻系統(tǒng)對梭幼魚和對蝦仔蝦卷載效應(yīng)的初步探討[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1994,14(1)：47-55.

[5]黃洪輝,王肇鼎,張穗.電廠溫排水中的余氯對鄰近水域生態(tài)環(huán)境的影響[J].南海研究與開發(fā),1998,2：46-58.

[6]張穗,黃洪輝,陳浩如,等.大亞灣核電站余氯排放對鄰近海域環(huán)境的影響[J].海洋環(huán)境科學(xué),2000,19(2)：14-18.

[7]Bamber R N,Seaby R M H.The effects of power station entrainment passage on three species of marine planktonic crustacean,Acartia tonsa(Copepoda),Crangon crangon(Decapoda) andHomarus gammarus(Decapoda)[J].Marine Environmental Research,2004,57(4)：281-294.

[8]張燕,孫英蘭.電廠溫排水中余氯濃度預(yù)測[J].海洋科學(xué),2007,31(2)：5-8.

[9]Buckley J A.Acute toxicity of residual chlorine in wastewater to coho salmon (Oncorhynchus kisutch) and some resultant hematologic changes[J].Journal of the Fisheries Research Board of Canada,1976,33(12)：2854-2856.

[10]Zeitoun I H.Assessment of intermittently chlorinated heated effluents on survival of adult rainbow trout(Salmo gairdneri) at power generating facilities[J].Environmental Science & Technology,1978,12(10)：1173-1179.

[11]Giattlna J D,Cherry D S,Cairnsjr J,et a1.Comparison of laboratory and field avoidance behavior of fish in heated chlorinated water[J].Transactions of the American Fisheries Society,1981,110(4)：526-535.

[12]Hall L W,Burton D T,Margrey S L,et a1.The effect of acclimation temperature on the interactions of chlorine,△T and exposure duration to eggs,prolarvae and larvae of striped bass,Morone saxatilis[J].Water Research,1983,17(3)：309-317.

[13]林可椒,高宏偉.余氯對鱖魚苗的急性毒性試驗[J].淡水漁業(yè),1991,3：24-25.

[14]尹伊偉,溫曉燕,呂頌輝,等.不同溫度下氯對水生生物的毒性及制訂漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].生態(tài)科學(xué),1992,2：41-49.

[15]江志兵,曾江寧,陳全震,等.濱海電廠冷卻水余熱和余氯對中華哲水蚤的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,19(6)：1401-1406.

[16]張海發(fā),劉曉春,王云新,等.溫度、鹽度及pH對斜帶石斑魚受精卵孵化和仔魚活力的影響[J].熱帶海洋學(xué)報,2006,25(2)：31-36.

[17]關(guān)健,柳學(xué)周,蘭春燕,等.溫度、鹽度對褐牙鲆(♀)×犬齒牙鲆(♂) 雜交子一代胚胎發(fā)育和仔魚存活的影響[J].海洋水產(chǎn)研究,2007,28(3)：31-37.

[18]陳民山,范貴旗.勝利原油對海洋魚類胚胎及仔魚的毒性效應(yīng)[J].海洋環(huán)境科學(xué),1991,10(2)：1-5.

[19]蔣玫,沈新強(qiáng),晁敏,等.AOX 漂白廢水對黑鯛魚卵及仔魚的毒性效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2007,19(2)：27-30.

[20]蔣玫,林欽,沈新強(qiáng).航道疏浚泥懸浮液對黑鯛胚胎的發(fā)育及仔魚攝食生長的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2009,18(5)：1674-1678.

[21]江志兵,廖一波,高愛根.余氯對魚類毒性影響的研究進(jìn)展[J].海洋學(xué)研究,2009,27(4)：86-94.

[22]穆景利,王新紅,王淑紅,等.苯并(a)芘影響黑鯛肝臟EROD活性變化的動力學(xué)研究[J].海洋科學(xué),2009,33(1)：68-71.

[23]劉蘭芬,郝紅,呂光四.電廠溫排水中余氯衰減規(guī)律及其影響因素的影響研究[J].水利學(xué)報,2004,5：94-98.

[24]Hampel M,Moreno-Garrido I,Sobrino C,et al.Acute toxicity of LAS homologues in marine microalgae：esterase activity and inhibition growth as endpoints of toxicity[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2001,48：287-292.

[25]劉萬里,薛茜,曹明芹,等.用 SPSS實現(xiàn)完全隨機(jī)多組比較秩和檢驗的多重比較[J].地方病通報,2007,22(2)：27-29.

[26]Taylor J M G,Zhang F,Withers H R.Non-linear effects in dose-time analyses：application of modern statistical techniques[J].Radiotherapy and Oncology,1997,45：133-140.

[27]Cawsey E M,Austin M P,Baker B L.Regional vegetation mapping in Australia：a case study in the practical use of statistical modeling[J].Biodiversity and Conservation,2002,11：2239-2274.

[28]赫曉慧,溫仲明,王金鑫.基于 GAM 模型的延河流域主要草地物種空間分布及其與環(huán)境的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,27(10)：1718-1724.

[29]曾江寧.濱海電廠溫排水對亞熱帶海域生態(tài)影響的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2008.1-157.

[30]Fisher D J,Burton D T,Yonkos L T.The relative acute toxicity of continuous and intermittent exposure of chlorine and bromine to aquatic organisms in the presence and absence of ammonia[J].Water Research,1999,33(3)：760-768.

[31]Seegert G L,Brooks A S.The effects of intermittent chlorination on coho salmon,alewife,spottail shiner,and rainbow smelt[J].Transactions of the American Fisheries Society,1978,107(2)：346-353.

[32]Gama-Flores J L,Sarma S S S,Nandini S.Interaction among copper toxicity,temperature and salinity on the population dynamicsof Brachionus rotundiformis(Rotifera)[J].Hydrobiologia,2005,181：559-568.

[33]Abdel-lateif H M,Donker M H,Van Straalen N M.Interaction between temperature and cadmium toxicity in the isopodPorcellio scaber[J].Functional Ecology,1998,12(4)：521-527.

[34]Fisher S W.Changes in the toxicity of three pesticides as a function of environmental pH and temperature[J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology,1991,46(2)：197-202.

[35]Hall L W,Burton D T,Margrey S.The influence of acclimation temperature on the interactions of chlorine,elevated temperature,and exposure duration for grass shrimp,Palaemonetes pugio[J].Transactions of the American Fisheries Society,1979,108：626-631.