Токсичность нефтяного загрязнения для морских рыб наблюдалась в результате разливов нефти , таких как катастрофа танкера Exxon Valdez , а также из неточечных источников, таких как поверхностный сток , который является крупнейшим источником нефтяного загрязнения морских вод.
Сырая нефть, попадающая в водные пути из разливов или стоков, содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее токсичные компоненты нефти. Путь поглощения ПАУ рыбой зависит от многих факторов окружающей среды и свойств ПАУ. Обычными путями являются проглатывание , вентиляция жабр и дермальное поглощение. Рыба, подвергшаяся воздействию этих ПАУ, проявляет ряд токсических эффектов, включая генетические повреждения , морфологические деформации, изменение роста и развития, уменьшение размера тела, угнетение способностей к плаванию и смертность . [1] [2] [3] Морфологические деформации, вызванные воздействием ПАУ, такие как деформация плавников и челюстей, приводят к значительному снижению выживаемости рыб из-за снижения способностей к плаванию и питанию. [1] Хотя точный механизм токсичности ПАУ неизвестен, существует четыре предполагаемых механизма. [4] Трудность в поиске конкретного токсического механизма во многом обусловлена большим разнообразием соединений ПАУ с различными свойствами. [4]
Исследования воздействия нефтяной промышленности на окружающую среду начались всерьез в середине-конце 20-го века, по мере развития и расширения нефтяной промышленности. [5] Крупномасштабная транспортировка сырой нефти увеличилась в результате растущего мирового спроса на нефть, что впоследствии привело к увеличению числа разливов нефти. [5] Разливы нефти предоставили ученым прекрасную возможность изучить in situ воздействие сырой нефти на морские экосистемы, а совместные усилия Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Береговой охраны США привели к улучшению мер реагирования и детальному исследованию последствий загрязнения нефтью. [5] Разлив нефти Exxon Valdez в 1989 году и разлив нефти Deepwater Horizon в 2010 году привели к расширению научных знаний о конкретных эффектах токсичности загрязнения нефтью для морских рыб.
Целенаправленные исследования токсичности нефтяного загрязнения для рыб начались всерьез в 1989 году после того, как танкер Exxon Valdez врезался в риф в заливе Принс-Уильям , Аляска, и вылил около 11 миллионов галлонов сырой нефти в окружающую воду. [6] В то время разлив нефти Exxon Valdez был крупнейшим в истории Соединенных Штатов. [6] Было много неблагоприятных экологических последствий разлива, включая потерю миллиардов икринок тихоокеанской сельди и горбуши . [5] Тихоокеанская сельдь только начала нереститься в конце марта, когда произошел разлив, в результате чего почти половина икры популяции подверглась воздействию сырой нефти. Тихоокеанская сельдь нерестится в приливно-отливных и сублиторальных зонах, что делает уязвимую икру легко подверженной загрязнению. [1]
После 20 апреля 2010 года, когда взрыв на нефтяной буровой платформе Deepwater Horizon Macondo спровоцировал крупнейший разлив нефти в истории США, появилась еще одна возможность для исследования токсичности нефти. [7] Около 171 миллиона галлонов сырой нефти вытекло со дна моря в Мексиканский залив , обнажив большую часть окружающей биоты . [7] Разлив нефти Deepwater Horizon также напрямую совпал с нерестовым окном различных экологически и коммерчески важных видов рыб, включая желтоперого и атлантического голубого тунца. [8] Разлив нефти напрямую повлиял на атлантического голубого тунца, поскольку около 12% личинок тунца находились в загрязненных нефтью водах, [9] а Мексиканский залив является единственным известным местом нереста западной популяции голубого тунца. [7]
Нефтяные разливы, а также ежедневные стоки нефти с городских территорий могут привести к попаданию полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в морские экосистемы. После того, как ПАУ попадают в морскую среду, рыбы могут подвергаться их воздействию через проглатывание, вентиляцию жабр и дермальное поглощение. [10] Основной путь поглощения будет зависеть от поведения вида рыб и физико-химических свойств рассматриваемого ПАУ. Среда обитания может быть основным решающим фактором для пути воздействия. Например, демерсальная рыба или рыба, которая потребляет демерсальную рыбу, с большой вероятностью проглотит ПАУ, которые сорбировались на осадке, тогда как рыба, которая плавает на поверхности, подвергается более высокому риску дермального воздействия. При контакте с ПАУ биодоступность будет влиять на то, насколько легко ПАУ поглощаются. EPA выделяет 16 основных рассматриваемых ПАУ, и каждый из этих ПАУ имеет разную степень биодоступности. Например, ПАУ с более низкой молекулярной массой более биодоступны, поскольку они легче растворяются в воде и, следовательно, более биодоступны для рыб в толще воды. Аналогично, гидрофильные ПАУ более биодоступны для усвоения рыбой. По этой причине использование диспергаторов нефти , таких как Corexit , для обработки нефтяных разливов может увеличить усвоение ПАУ за счет повышения их растворимости в воде и повышения их доступности для усвоения через жабры. [10] После того, как ПАУ поглощен, метаболизм рыбы может повлиять на продолжительность и интенсивность воздействия на целевые ткани. Рыбы способны легко метаболизировать 99% ПАУ в более гидрофильный метаболит через свою гепатобилиарную систему. [10] 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 цепи. Поскольку нефть может сохраняться в окружающей среде в течение длительного времени после разливов нефти посредством осаждения, демерсальные рыбы, вероятно, будут постоянно подвергаться воздействию ПАУ в течение многих лет после разливов нефти. Это было доказано путем изучения метаболитов ПАУ в желчи донных рыб. Например, донные рыбы все еще показывали повышенные уровни метаболитов ПАУ с низкой молекулярной массой через 10 лет после разлива нефти Exxon Valdez . [10]
Сырая нефть состоит из более чем 17 000 соединений. [11] Среди этих 17 000 соединений есть ПАУ, которые считаются наиболее токсичными компонентами нефти. [10] ПАУ образуются в результате пирогенных и петрогенных процессов. Петрогенные ПАУ образуются при повышенном давлении органического материала. Напротив, пирогенные ПАУ образуются при неполном сгорании органического материала. Сырая нефть естественным образом содержит петрогенные ПАУ, и эти уровни ПАУ значительно увеличиваются при сжигании нефти, что создает пирогенные ПАУ. Уровень ПАУ, обнаруженный в сырой нефти, различается в зависимости от типа сырой нефти. Например, сырая нефть из разлива нефти Exxon Valdez имела концентрацию ПАУ 1,47%, в то время как концентрации ПАУ из Северного моря имеют гораздо более низкую концентрацию ПАУ 0,83%. [10]
Загрязнение морских экосистем сырой нефтью может привести к попаданию в эти экосистемы как пирогенных, так и петрогенных ПАУ. Петрогенные ПАУ могут попадать в водные пути через просачивания нефти, крупные разливы нефти, стоки креозота и мазута с городских территорий. [12] Источники пирогенных ПАУ состоят из дизельной сажи, резины шин и угольной пыли. [13] Хотя существуют природные источники ПАУ, такие как вулканическая активность и просачивание угольных месторождений, антропогенные источники представляют собой наиболее значительный вклад ПАУ в окружающую среду. [12] К этим антропогенным источникам относятся отопление жилых помещений, производство асфальта, газификация угля и использование нефти. [12] Загрязнение петрогенными ПАУ чаще встречается из-за разливов сырой нефти, таких как Exxon Valdez , или просачиваний нефти; однако со стоком пирогенные ПАУ также могут быть распространены. Хотя крупные разливы нефти, такие как Exxon Valdez, могут вносить большое количество сырой нефти в локализованную область за короткий промежуток времени, ежедневный сток составляет большую часть нефтяного загрязнения морских экосистем. Атмосферное осаждение также может быть источником ПАУ в морских экосистемах. На осаждение ПАУ из атмосферы в водоем в значительной степени влияет распределение ПАУ между газом и частицами. [12]
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 рыбой через различные пути воздействия. Одно исследование показало, что икра тихоокеанской сельди, подвергшаяся воздействию условий, имитирующих разлив нефти «Exxon Valdez», привела к преждевременному вылуплению икры, уменьшению размера по мере созревания рыбы и значительным тератогенным эффектам, включая пороки развития скелета, сердечно-сосудистой системы, плавников и желточного мешка. [ 1] Отек желточного мешка был причиной большинства случаев смертности личинок сельди. [1] Было замечено, что тератогенные пороки развития спинного плавника и позвоночника, а также челюсти эффективно снижают выживаемость развивающихся рыб за счет ухудшения способности плавать и питаться соответственно. Кормление и избегание добычи посредством плавания имеют решающее значение для выживания личинок и молоди рыб. [1] Все эффекты, наблюдаемые в икре сельди в исследовании, соответствовали эффектам, наблюдаемым в икре рыб, подвергшихся воздействию нефти после разлива нефти Exxon Valdez . [1] У эмбрионов данио-рерио, подвергшихся воздействию нефти, наблюдались серьезные тератогенные дефекты, аналогичные тем, которые наблюдались у эмбрионов сельди, включая отек, сердечную дисфункцию и внутричерепные кровоизлияния . [3] В исследовании, посвященном поглощению ПАУ рыбой, эмбрионы лосося подвергались воздействию сырой нефти в трех различных ситуациях, в том числе через стоки из покрытого нефтью гравия. [2] Концентрации ПАУ в эмбрионах, непосредственно подвергшихся воздействию нефти, и у эмбрионов, подвергшихся воздействию стоков ПАУ, существенно не различались. Было отмечено, что воздействие ПАУ приводило к смерти, даже когда ПАУ подвергались воздействию рыб через стоки. По результатам было установлено, что эмбрионы рыб вблизи разлива нефти Exxon Valdez в заливе Принс-Уильям, которые не контактировали напрямую с нефтью, все равно могли накопить смертельные уровни ПАУ. [2] Хотя многие лабораторные и естественные исследования выявили значительные неблагоприятные последствия воздействия ПАУ на рыбу, для некоторых соединений ПАУ также наблюдалось отсутствие эффектов, что может быть связано с отсутствием поглощения во время воздействия соединения. [3]
Хотя было доказано, что различные классы ПАУ действуют через различные токсические механизмы из-за различий в их молекулярной массе, кольцевых расположениях и свойствах растворимости в воде, конкретные механизмы токсичности ПАУ для рыб и развития рыб до сих пор неизвестны. [3] Токсичность зависит от степени, в которой химическое вещество в масле будет смешиваться с водой: это называется фракцией масла, связанной с водой . Предложенными механизмами токсичности ПАУ являются токсичность через наркоз , взаимодействие с путем AhR, токсичность алкилфенантрена и аддитивная токсичность посредством множественных механизмов. [4]