Токсичность нефтяного загрязнения для морской рыбы - Oil pollution toxicity to marine fish
Токсичность нефтяного загрязнения для морской рыбы наблюдалась в результате разливов нефти, таких как катастрофа Exxon Valdez , и из неточечных источников, таких как поверхностный сток , который является крупнейшим источником нефтяного загрязнения в морских водах.
Сырая нефть, попадающая в водные пути в результате разливов или стоков, содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее токсичные компоненты нефти. Путь поступления ПАУ в рыбу зависит от многих факторов окружающей среды и свойств ПАУ. Обычные пути - проглатывание , вентиляция жабрами и попадание через кожу. Рыбы, подвергшиеся воздействию этих ПАУ, проявляют целый ряд токсических эффектов, включая генетические повреждения , морфологические деформации, нарушение роста и развития, уменьшение размеров тела, подавление плавательных способностей и смертность . Морфологические деформации от воздействия ПАУ, такие как пороки развития плавников и челюстей, приводят к значительному снижению выживаемости рыб из-за снижения способности плавать и кормиться. Хотя точный механизм токсичности ПАУ неизвестен, существует четыре предложенных механизма. Трудность обнаружения конкретного механизма токсичности в значительной степени связана с большим разнообразием соединений ПАУ с различными свойствами.
История
Серьезные исследования воздействия нефтяной промышленности на окружающую среду начались в середине-конце 20 века, когда нефтяная промышленность развивалась и расширялась. Крупномасштабные перевозки сырой нефти увеличились в результате увеличения мирового спроса на нефть, что впоследствии привело к увеличению количества разливов нефти. Разливы нефти при условии , отличные возможности для ученых для изучения в точке последствий воздействия сырой нефти на морские экосистемы, а также совместные усилия между Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) и береговой охраны Соединенных Штатов привело к улучшению мер реагирования и подробных исследований по нефти последствия загрязнения. Разлива нефти Exxon Valdez в 1989 году, и разлив нефти на платформе Deepwater Horizon в 2010 году, и привело к росту научных знаний о конкретных последствиях токсичности загрязнения нефтью в морской рыбе.
Разлив нефти Exxon Valdez
Целенаправленные исследования токсичности нефтяного загрязнения для рыб начались всерьез в 1989 году, после того как танкер Exxon Valdez столкнулся с рифом в проливе Принца Уильяма , Аляска, и вылил около 11 миллионов галлонов сырой нефти в окружающую воду. В то время разлив нефти Exxon Valdez был крупнейшим в истории Соединенных Штатов. Разлив вызвал множество неблагоприятных экологических последствий, включая потерю миллиардов тихоокеанской сельди и икры горбуши . Тихоокеанская сельдь только начинала нереститься в конце марта, когда произошел разлив, в результате чего почти половина икры популяции подверглась воздействию сырой нефти. Тихоокеанская сельдь нерестится в приливной и сублиторальной зонах, поэтому уязвимые яйца легко подвергаются загрязнению.
Разлив нефти Deepwater Horizon
После 20 апреля 2010 года, когда взрыв на буровой платформе Deepwater Horizon Macondo привел к крупнейшему разливу нефти в истории США, появилась еще одна возможность для исследования токсичности нефти. Приблизительно 171 миллион галлонов сырой нефти утекло с морского дна в Мексиканский залив , обнажив большую часть окружающей биоты . Разлив нефти Deepwater Horizon также непосредственно совпадали с нерестом окна различных экологически и экономически важных видов рыб, в том числе желтоперой и атлантического тунца. Разлив нефти непосредственно затронул атлантического синего тунца, поскольку примерно 12% личинок тунца были обнаружены в водах, загрязненных нефтью, а Мексиканский залив является единственным известным местом нереста западной популяции синего тунца.
Воздействие масла
Разливы нефти, а также ежедневный сток нефти из урбанизированных районов могут привести к попаданию полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в морские экосистемы. Как только ПАУ попадают в морскую среду, рыба может подвергаться воздействию их через глотание, вентиляцию жабр и попадание в кожу. Основной путь поглощения будет зависеть от поведения видов рыб и физико-химических свойств рассматриваемых ПАУ. Среда обитания может быть основным решающим фактором при выборе пути заражения. Например, демерсальная рыба или рыба, потребляющая демерсальную рыбу, с высокой вероятностью поглощают ПАУ, сорбировавшиеся в отложениях, тогда как рыба, которая плавает на поверхности, подвержена более высокому риску воздействия на кожу. При контакте с ПАУ биодоступность влияет на то, насколько легко ПАУ поглощается. EPA определяет 16 основных ПАУ, вызывающих озабоченность, и каждый из этих ПАУ имеет разную степень биодоступности. Например, ПАУ с более низкой молекулярной массой более биодоступны, потому что они легче растворяются в воде и, следовательно, более биодоступны для рыб в толще воды. Точно так же гидрофильные ПАУ более биодоступны для поглощения рыбами. По этой причине использование диспергаторов нефти , таких как Corexit , для обработки разливов нефти может увеличить поглощение ПАУ, увеличивая их растворимость в воде и делая их более доступными для поглощения через жабры. После поглощения ПАУ метаболизм рыб может повлиять на продолжительность и интенсивность воздействия на ткани-мишени. Рыбы способны легко метаболизировать 99% ПАУ до более гидрофильных метаболитов через свою гепато-билиарную систему. Это позволяет выводить ПАУ. Скорость метаболизма ПАУ будет зависеть от пола и размера вида. Способность метаболизировать ПАУ в более гидрофильную форму может предотвратить биоаккумуляцию и остановить передачу ПАУ организмам, находящимся дальше по пищевой сети. Поскольку нефть может сохраняться в окружающей среде еще долгое время после разливов нефти из-за седиментации, демерсальные рыбы, вероятно, будут постоянно подвергаться воздействию ПАУ через много лет после разливов нефти. Это было доказано изучением желчных метаболитов ПАУ донных рыб. Например, донная рыба по-прежнему показывала повышенные уровни низкомолекулярных метаболитов ПАУ через 10 лет после разлива нефти Exxon Valdez .
Компоненты сырой нефти
Сырая нефть состоит из более чем 17 000 компонентов. Среди этих 17000 соединений - ПАУ, которые считаются наиболее токсичными компонентами нефти. ПАУ образуются в результате пирогенных и петрогенных процессов. Петрогенные ПАУ образуются под действием повышенного давления органического материала. Напротив, пирогенные ПАУ образуются в результате неполного сгорания органического материала. Сырая нефть, естественно, содержит петрогенные ПАУ, и уровни этих ПАУ значительно увеличиваются из-за сжигания нефти, которое создает пирогенные ПАУ. Уровень ПАУ, обнаруженных в сырой нефти, зависит от типа сырой нефти. Например, сырая нефть из разлива нефти Exxon Valdez имеет концентрации ПАУ 1,47%, в то время как концентрации ПАУ из Северного моря имеют гораздо более низкие концентрации 0,83%.
Источники загрязнения сырой нефтью
Загрязнение сырой нефтью морских экосистем может привести к попаданию в эти экосистемы как пирогенных, так и петрогенных ПАУ. Петрогенные ПАУ могут попадать в водные пути через просачивание нефти, крупные разливы нефти, креозот и сток мазута из городских районов. Источниками пирогенных ПАУ являются дизельная сажа, резина от шин и угольная пыль. Хотя существуют естественные источники ПАУ, такие как вулканическая деятельность и просачивание угольных месторождений, антропогенные источники представляют собой наиболее значительный вклад ПАУ в окружающую среду. Эти антропогенные источники включают отопление жилых домов, производство асфальта, газификацию угля и использование нефти. Загрязнение петрогенными ПАУ чаще всего происходит в результате разливов сырой нефти, таких как Exxon Valdez , или утечек нефти; однако в стоках могут преобладать пирогенные ПАУ. Хотя крупные разливы нефти, такие как Exxon Valdez, могут доставить большое количество сырой нефти в локализованный район за короткий промежуток времени, дневной сток составляет большую часть загрязнения нефтью морских экосистем. Атмосферные выпадения также могут быть источником ПАУ в морских экосистемах. На осаждение ПАУ из атмосферы в водоем в значительной степени влияет разделение ПАУ на газ и частицы.
Последствия
Многие эффекты воздействия ПАУ наблюдались у морских рыб. В частности, были проведены исследования эмбрионов и личинок рыб, развития рыб, подвергшихся воздействию ПАУ, и поглощения ПАУ рыбами различными путями воздействия. Одно исследование показало, что икра тихоокеанской сельди, подвергшаяся воздействию условий, имитирующих разлив нефти Exxon Valdez, приводит к преждевременному вылуплению яиц, уменьшению размера по мере созревания рыбы и значительным тератогенным эффектам, включая пороки развития скелета, сердечно-сосудистой системы, плавников и желточного мешка. Желтка отек был ответственен за большинство сельди смертности личинок. Было замечено, что тератогенные пороки развития спинного плавника и позвоночника, а также челюсти эффективно снижают выживаемость развивающихся рыб за счет ухудшения плавания и кормления соответственно. Кормление и избегание добычи посредством плавания имеют решающее значение для выживания личинок и молоди рыб. Все эффекты, наблюдаемые для икры сельди в исследовании, соответствовали эффектам, наблюдаемым в подвергшихся воздействию икры рыб после разлива нефти Exxon Valdez . У эмбрионов рыбок данио, подвергшихся воздействию масла, наблюдались серьезные тератогенные дефекты, подобные тем, которые наблюдаются у эмбрионов сельди, включая отек, сердечную дисфункцию и внутричерепные кровоизлияния . В исследовании, посвященном поглощению ПАУ рыбами, эмбрионы лосося подвергались воздействию сырой нефти в трех различных ситуациях, в том числе через сточные воды из гравия, покрытого нефтью. Концентрации ПАУ у эмбрионов, подвергшихся прямому воздействию нефти, и эмбрионов, подвергшихся воздействию эффлюентов ПАУ, не отличались существенно. Было замечено, что воздействие ПАУ приводит к смерти, даже когда ПАУ попадают в организм рыб через сточные воды. По результатам было определено, что эмбрионы рыб возле разлива Exxon Valdez в проливе Принца Уильяма, которые не контактировали напрямую с нефтью, все же могли накопить летальные уровни ПАУ. Хотя во многих лабораторных и естественных исследованиях наблюдались значительные неблагоприятные эффекты воздействия ПАУ на рыбу, отсутствие эффектов также наблюдалось для некоторых соединений ПАУ, что могло быть связано с недостаточным поглощением во время воздействия соединения.
Предлагаемый механизм токсического действия
Хотя было доказано, что различные классы ПАУ действуют посредством различных токсических механизмов из-за различий в их молекулярной массе, расположении колец и свойствах растворимости в воде, конкретные механизмы токсичности ПАУ для рыб и развития рыб до сих пор неизвестны. Токсичность зависит от того, в какой степени химическое вещество в масле будет смешиваться с водой: это называется фракцией масла, связанной с водой . Предлагаемые механизмы токсичности ПАУ токсичности через наркоз , взаимодействие с путем AhR, алкил , фенантрена токсичность и аддитивная токсичность несколько механизмами.
- Согласно исследованию, модель наркоза не смогла точно предсказать исход воздействия смеси ПАУ на сельдь и горбушу.
- Было обнаружено, что первичная токсичность этих ПАУ для эмбрионов рыб не зависит от AhR, и их сердечные эффекты не связаны с активацией AhR или индукцией цитохрома P450 , семейства 1, члена A в эндокарде .
- Алкильная фенантрена модель была изучена обнажая сельдь и горбуша для смесей ПАУ в попытке лучше понять механизмы токсичности ПАУ. Было обнаружено, что модель в целом предсказывает исходы сублетального и летального облучения. Окислительный стресс и влияние на морфогенез сердечно-сосудистой системы являются предполагаемыми механизмами токсичности алкилфенантрена. Конкретный путь неизвестен.
- Поскольку ПАУ содержат много различных вариантов ПАУ, токсичность можно объяснить использованием нескольких механизмов действия.