石油烃对孔石莼生长及光合作用的影响

摘要：研究了3种石油烃(船舶燃油(L.D.O.)、沙特阿拉伯轻质原油(沙轻原油)和船用润滑油(润滑油))溶液对孔石莼Ulva pertusa的生长和光合作用的影响。L.D.O.和沙轻原油石油烃的浓度分别设置为0、5、10、15、25、50 mg/L,润滑油石油烃浓度分别设置为0、5、10、20、25、50、100 mg/L。结果表明:孔石莼在3种石油烃较低的浓度下均可存活,但当石油烃浓度升高到一定量时(L.D.O.=50 mg/L;沙轻原油=50 mg/L;润滑油=100 mg/L),96 h内全部死亡;在3种石油烃不同浓度的溶液中,孔石莼的叶绿素含量、光合速率及呼吸速率总体趋势是随着石油烃浓度的升高而降低,叶绿素含量及光合速率的变化基本呈波浪式,但在润滑油石油烃各浓度溶液中,孔石莼的光合速率则随着油浓度的升高呈现逐渐下降的趋势。

由于船舶和其它海上漏油事故频繁发生,石油污染对海洋环境的影响也越来越受到人们的广泛关注。一方面,溢出油在海面上形成了一层油膜,阻断了海水与大气间的气体交换,产生遮光作用,可使水体缺氧,造成生物缺氧死亡;另一方面,海上溢油后,其中的多环芳烃类化合物可被海洋生物吸收蓄积,产生毒害作用[1]。由于多环芳烃类化合物难于被降解,对海洋生物的危害将是长期的[2-3],而蓄积于生物体内的毒物将沿着食物链进一步放大。人类若食用了被石油污染的海洋生物,将对其健康造成较大的危害。

孔石莼Ulva pertusa是绿藻门Chlorophyta、轮藻纲Ulvophyceae、石莼目Ulvales、石莼科Ulvaceae、石莼属Ulva的一种大型海洋经济藻类,广泛分布于西太平洋沿海[4]。溢油事故发生后如果未及时清理,油就会随着海水漂流到海岸上,对海岸带造成污染。目前,石油烃类污染物已成为中国近海仅次于营养盐富营养化的第二大污染物[5]。关于石油烃污染物对海洋生态系统中浮游生物、鱼、虾、贝的影响已有较多报道[6-15],但关于石油烃对大型藻类生长及光合作用影响的研究报道相对较少[16]。本试验中,作者研究了船舶燃油(L.D.O.)、船用润滑油(简称润滑油)和沙特阿拉伯轻质原油(简称沙轻原油)等3种船舶常用油对孔石莼生长和光合作用的影响,以期为评估溢油污染对大型藻类的生理、生态影响提供参考资料。

1 材料与方法

试验用孔石莼和海水于2010年4—5月取自大连市黑石礁海域。海水经过砂滤净化、脱脂棉过滤和煮沸处理,放置至室温后使用。

试验用3种油品:L.D.O.采自连山2号船;沙轻原油和润滑油采自大连海事大学教学实习船“育鲲”轮。

试验仪器主要有:光照培养箱(上海博泰实验设备有限公司生产,SPX-GB-300);超声波清洗器(宁波新芝生物技术股份有限公司生产, SB5200D7);紫外分光光度计(上海天美科学仪器有限公司生产,UV1102)。

用处理过的海水反复冲洗藻体表面以去除杂质,在光照培养箱中暂养一周。暂养期间,每天更换海水1次,不充气,每日摇瓶3～4次。培养温度为(20±1)℃,盐度为30,pH为8.2,光照强度为5 000 lx,光照周期为L∶D=12∶12。试验前在藻体近边缘部位用打孔器取直径为1 cm的圆片(0.010 0 g±0.008 g),置于光照培养箱中预培养2 d,备用。

1.2.2 石油烃水溶解组分母液的配置将3种油品和海水按照1∶5的比例混合于烧杯中,在超声波清洗器中连续震荡3 h,静置分层后分离水相,于低温(4±1℃)下保存[17-18],即形成了3种石油烃水溶解组分——L.D.O.石油烃水溶解组分、沙轻原油石油烃水溶解组分和润滑油石油烃水溶解组分。

1.2.3 试验设计采用紫外分光光度法测定母液中石油烃的浓度[19]。

根据预试验结果,将3种石油烃水溶解组分母液按照如下浓度稀释作为石油烃受试液:L.D.O.和沙轻原油石油烃的浓度分别为0、5、10、15、25、50 mg/L,润滑油石油烃浓度分别为0、5、10、20、25、50、100 mg/L。每个浓度设置3个重复。试验容器为250 mL的锥形瓶,每瓶中加入试液200 mL,并随机放入2片孔石莼。放入前,将孔石莼在滤纸上吸干水分后称湿重。试验条件与预培养条件相同。试验过程中用两层保鲜膜将锥形瓶口密封,每日摇瓶3～4次,试验时间为96 h。试验结束后称湿重,之后转移至黑白瓶中,24 h后测定孔石莼的光合速率和呼吸速率(瓶中培养液为清洁海水),之后随机取3片孔石莼用于测定干重,其余3片孔石莼采用分光光度法测定叶绿素a的含量[19]。采用碘量法测定溶解氧。

特定生长率(%/d)、光合速率(mg/(g·h))和呼吸速率(mg/(g·h))的计算公式如下[20]:

式中:Wt为时间t(d)时藻片的湿重(g);W0为试验初始时藻片的湿重(g);t为试验时间(d); OA1、OA2分别为盛有藻片的白瓶和黑瓶24 h后的溶解氧;Ow、OB分别为白瓶、黑瓶的空白对照,即未盛藻片的白瓶、黑瓶24 h后的溶解氧;A为藻体的最终湿重(g)。

2 结果

图1 为孔石莼暴露于3种石油烃不同浓度条件下的特定生长率。孔石莼在较低的石油烃浓度下均可存活,但当石油烃浓度升高到一定量时(L.D.O.=50 mg/L,沙轻原油=50 mg/L,润滑油=100 mg/L),藻片颜色开始从边缘变浅、发白, 96 h后内全部死亡。从图1可见:在L.D.O.和沙轻原油石油烃不同浓度溶液中,孔石莼的特定生长率表现出随浓度的增加先下降、后上升、再下降的趋势,特别是在L.D.O.石油烃的不同浓度中,下降趋势比较明显;而在润滑油石油烃各浓度溶液中,孔石莼的特定生长率则未表现出明显的下降趋势。暴露于3种石油烃不同浓度溶液中孔石莼的特定生长率与石油烃暴露浓度之间无显著相关性。

图1 3种石油烃不同浓度条件下孔石莼的特定生长率
Fig.1 Specific growth rates(SGR)of Ulva pertusa exposed to different oil concentrations

由图2可见,孔石莼的叶绿素a、b含量的变化趋势较为复杂,基本呈波浪式变化。在润滑油石油烃溶液中,随着暴露浓度的升高,孔石莼叶绿素

a、b含量都呈先下降、后上升、再下降的趋势;而在L.D.O.和沙轻原油石油烃各浓度溶液中,叶绿素a、叶绿素b的值则呈先上升、后下降、再上升的趋势。在沙轻原油石油烃各浓度溶液中,叶绿素a/叶绿素b的值呈现出随浓度的升高而依次降低的趋势,与暴露浓度呈显著负相关(R= -0.942;P=0.017);在润滑油石油烃溶液中,叶绿素a含量与暴露浓度呈显著负相关(R= -0.815;P=0.048)。

图2 3种石油烃不同浓度条件下孔石莼的叶绿素含量
Fig.2 Chlorophyll a and b contents of Ulva pertusa exposed to different oil concentrations

注:*表示叶绿素含量和石油烃浓度之间呈显著相关(P＜0.05)
Note:*in the figure indicates significant relationship between Chlorophyll contents and oil concentrations(P＜0.05)

由图3可见:在不同浓度润滑油石油烃溶液中,孔石莼的光合速率表现出随暴露浓度增加而下降的趋势;而在不同浓度沙轻原油石油烃溶液中则表现出明显的上升、下降、再上升、再下降的趋势;在不同浓度L.D.O.石油烃溶液中,孔石莼的光合速率表现出先增加后下降的趋势。相关分析结果表明,孔石莼的光合速率随沙轻原油石油烃暴露浓度的增加呈显著正相关(R=0.881;P= 0.048),而孔石莼光合速率与润滑油石油烃暴露浓度呈显著负相关(R=-0.881;P=0.02)。

图3 3种石油烃不同浓度条件下孔石莼的光合速率
Fig.3 Photosynthetic rates of Ulva pertusa exposed to different oil concentrations

注:*表示光合速率和石油烃浓度之间呈显著相关(P＜0.05)
Note:*in the figure indicates significant relationship between photosynthetic rates and oil concentrations(P＜0.05)

从图4可见,孔石莼的呼吸速率在3种石油烃不同浓度溶液中均表现出随暴露浓度的增加而下降的趋势。在沙轻原油石油烃溶液中,孔石莼的呼吸速率与石油烃暴露浓度呈显著负相关(R= -0.924;P=0.025);在另外两种石油烃溶液中,孔石莼的呼吸速率则呈现出随暴露浓度的增加先急剧下降,之后维持在一定水平的趋势。

图4 3种石油烃不同浓度条件下孔石莼的呼吸速率
Fig.4 Respiratory rates of Ulva pertusa exposed to different oil concentrations

*表示呼吸速率和石油烃浓度之间呈显著相关(P＜0.05)
Note:in the figure indicate significant relationship between photosynthetic rates and oil concentrations(P＜0.05)

3 讨论

石油的成分很复杂,但其主要成分为液态烃(包括烷烃、环烷烃、芳香烃等)[21]。油类中各种石油烃类的含量不同,所以对不同生物产生的影响也大不相同,甚至对同种生物不同发育阶段和各方面产生的影响也有差异。也就是说,石油对生物产生的影响大小取决于油的种类、浓度及生物种类[9]。Bate等[6]的研究结果表明,不同种群对各种油的反应以及浮游植物代谢碳水化合物的能力均有差异。刘娜等[11]的研究结果表明,轻质油对小球藻的毒性大于重质油。吴彰宽等[13]研究了23种毒物对中国对虾的急性毒性,发现石油烃和其产物的毒性大小顺序为:汽油＞煤油＞轻柴油＞原油＞润滑油。

本试验结果表明,3种石油烃对孔石莼的生长、叶绿素a和叶绿素b的含量、光合速率及呼吸速率产生的影响都有一定的差异。从3种石油烃对孔石莼特定生长率的影响结果可以看出,在较低暴露浓度下,孔石莼能够存活,直至油的浓度升高到一定程度才开始死亡(图1)。但试验中导致孔石莼死亡时的石油烃浓度各不相同,推测L.D.O.和沙轻原油对孔石莼的毒性大于润滑油。这一结果与吴彰宽等[13]的研究结果基本一致。

在3种石油烃不同浓度的溶液中,孔石莼的叶绿素a和叶绿素b的含量、光合速率及呼吸速率基本上随着暴露浓度的升高而呈现波浪式的变化趋势。其原因可能是,在石油烃类化合物作用下,导致藻类的细胞质和叶绿体被瓦解,膜和色素化合物发生变化,一些光合作用酶的活性受到干扰等,从而影响藻类的叶绿素含量和光合速率[21]。

在L.D.O.和沙轻原油暴露试验中,孔石莼的叶绿素含量随着暴露浓度的升高呈现上升、下降、再上升的趋势(图2),而在沙轻原油暴露试验中,孔石莼光合速率也呈现出相同的趋势(图3)。这一现象与国内外许多学者的研究结果相近。如Wolfe[9]曾指出,石油烃对海洋浮游植物生长的影响可以表现为促进作用,也可表现为抑制作用,这取决于石油烃的浓度和浮游植物的种类。王悠等[10]认为,金藻8701和骨条藻在低浓度(1.56× 10-6g/L)蒽(多环芳烃的一种)的作用下,其生长呈现出较明显的“毒性兴奋效应”,具体表现为细胞密度增加,蛋白质、叶绿素a及类胡萝卜素含量有所增加。究其原因,一是低浓度的石油烃可能对藻类产生刺激作用;二是藻类对石油烃的作用产生了应激反应;三是石油烃可能作为藻类生长的碳源和营养物质[22]。一些研究结果表明,一定浓度的石油可以促进植物及浮游植物的生长[11,21,23]。一些学者通过对溢油事故后的海洋大型藻类进行调查,结果发现,海藻对石油污染有较强的耐受能力[24-26]。因此,石油烃污染也可能是诱发海区赤潮或大型藻密度激增的原因之一。

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Effects of petroleum hydrocarbon on growth and photosynthesis in sea weed macroalga Ulva pertusa

WANG Shan,LIU Yu,ZHANG Song
(Environmental Information Institute,Dalian Maritime University,Dalian 116023,China)

Abstract：Effects of three petroleum hydrocarbon solutions(marine fuel L.D.O.,Saudi Arabian light crude oil and marine lubricating oil)at growth and photosynthesis in sea weed Ulva pertusa were studied to provide basic data for oil spill monitoring and risk assessment.The concentration of L.D.O.and Saudi Arabian light crude oil petroleum hydrocarbon was 0,5,10,15,25,and 50 mg/L and of marine lubricating petroleum hydrocarbon was 0,5, 10,20,25,50,and 100 mg/L.The result showed that the sea weed was found to survive in three oil solutions under low concentration,but high oil concentration(L.D.O.=50 mg/L;Saudi Arabian light crude oil=50 mg/L; marine lubricating oil=100 mg/L)to be dead totally within 96 h.The Chlorophyll contents,photosynthetic rate and respiratory rate were decreased in the sea weed exposed to the elevated concentrations of three petroleum hydrocarbon solutions,and the Chlorophyll contents and photosynthetic rate of the sea weed was shown the tendency of undulate.However,the photosynthetic rate was decreased in the sea weed in marine lubricating oil petroleum hydrocarbon solutions with increasing oil concentration.

作者简介：王珊(1982-),女,博士研究生。E-mail:lilywangshan@yahoo.com.cn

通信作者：刘瑀(1965-),男,教授,博士生导师。E-mail:ylsibo@gmail.com