石油开采所涉及污染物的生态毒理学综述

曹秀明，郜加加，梁荣朝

(1.哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心 ，黑龙江哈尔滨 150076;2.抗肿瘤天然药物教育部工程研究中心 ，黑龙江哈尔滨 150076)

0 引言

在油田的开采过程中需要使用大量的聚合物来提高原油的采收率，尤以PAM及其衍生物的使用量最大，可达总用量的80%;近些年来，二次采油不断普及的同时，其在油田三元复合驱体系中的应用也得到了普及。聚丙烯酰胺的大量应用推动了石油产业的发展，但是，其对环境所带来的影响同样引起了各界的关注。PAM的降解性、吸附性、迁移转化性、富集性及其降解产物AM对环境造成的危害都需要引起人们的重视。此外，开采出的原油是由多种成分组成的，其中有些成分能够很快从水面上消失，如汽油、柴油、煤油等;有些则很难消失，如重质原油和重质精炼油，这些很难消失的成分会在水面形成一层油膜，使水系同大气相隔绝，进而导致水系出现缺氧的现象，若有油膜附着在水生物体表，会导致其呼吸困难，最后导致其窒息死亡。因此，石油开采过程中的相关污染物的生态毒理学研究已经成为相关领域的研究热点。

1 石油聚表剂的生态毒理效应研究进展

聚表剂作为一种驱油剂，结合了表面活性剂和聚合物的特点，可以提高石油的开采率。PAM是石油开采聚表剂的一个重要成分，长期以来，PAM都被认为是无毒无污染的物质，在石油开采中也被广泛地使用。对聚丙烯酰胺而言，由于其结构和物理性质的固有特点易于发生降解和交联反应。超高分子量聚丙烯酰胺更易发生机械降解、化学降解、热降解等反应，结果造成相对分子质量下降［1］。研究表明，PAM在物理、化学和生物等外界因素影响下易降解为AM，在HPLC和紫外光谱等数据的分析可知，PAM降解主要产物为AM和丙烯酸，这些单体可进一步降解为小分子无机物［2］。本课题组前期研究发现，PAM属于低毒物质，对斑马鱼的肝脏、肠道组织和胚胎等有损害，此外，PAM还会黏附在斑马鱼的鳃部，堵塞其呼吸;AM暴露下，斑马鱼在24、48、72和96 h急毒试验中的 LC50分别为175.26、171.54、112.44 和 91.97 mg/L，属于中毒物质，并会对肝脏、鳃和胚胎造成一定的损伤，而且受损程度与暴露时间和给药浓度成正比。关于AM的生态毒理学研究多集中在动物的遗传、神经、生殖发育等方面。

1.1 AM 的毒性

在哺乳动物spot试验、显性致死试验、生殖细胞试验、染色体畸变试验等多个致突变的试验中［3］，AM均表现为阳性，说明AM 对体细胞和生殖细胞有致突变性。AM能影响有丝分裂，能引起动物体细胞点突变，也能引起哺乳动物体细胞和生殖细胞的基因突变和染色体异常［4］。目前多数的研究表明［5］，AM主要通过其代谢物环氧丙烯酰胺(GA)致毒，GA与DNA的反应比AM与DNA的反应强且快，GA可以结合DNA碱基上N原子，从而改变遗传物质。在AM给毒小鼠体内受损的器官和组织中检测出有GA与DNA的结合物［6］。

AM是一种蓄积性的神经毒物，急性中毒的症状为四肢麻木、浑身无力等;慢性中毒的症状为食欲不振、头痛乏力、失眠等。AM的神经毒性和参与轴突转运的动力蛋白和驱动蛋白的受损有关，AM能与神经系统中的蛋白质的巯基相结合，从而抑制轴索与轴浆运输有关的酶，使轴索变得肿胀进而变性，最终导致髓鞘的变性和脱失，使大脑皮质、小脑、视丘等部位产生不同程度的损害［7-10］。有实验在分别连续5 d给予雄性大鼠剂量为60 mg/kg的AM，发现大鼠的睾丸和附睾的质量均显著下降;且附睾尾部精子的数量也显著减少，生精小管发生组织损伤。还有研究发现在AM暴露后的小鼠，睾丸细胞中DNA的损伤比外周血淋巴细胞中DNA的损伤更为严重，且暴露结束后，细胞中DNA的损伤会随着时间的推延而缓慢的恢复［11-12］。此外，AM对胚胎的发育也具有一定的毒性影响［13］。此外，AM还具有致癌性，大量的动物实验研究证明，AM与肺癌、甲状腺癌、乳腺癌、肠癌、口腔癌、子宫癌等发病危险存在剂量反应关系［14］。

1.2 AM对大气、水体和土壤的污染

AM易溶于水，在大气中多呈颗粒形态，以气态形式存在的较少，且少量存在的气态AM会被大气中的雨水消除。AM的渗透性较强，可通过呼吸、皮肤接触等途径进入人体，然后随着血液循环迅速得分散到各个器官和组织，故AM在大气中其可通过呼吸和皮肤接触对人造成危害［15］。石油开采时，会有大量的PAM残留在土壤和水体中，PAM本身不仅不会对土壤造成污染，反而会改良土壤，但是其在经过一些列的降解之后，会产生AM［16］。雨水中夹带的AM也会进入到土壤和水体中，通过其神经毒性、遗传毒性和生殖毒性破坏土壤和水体等生态环境。残留在土壤中的AM虽然降解周期很短，但其仍会对土壤环境造成污染。在土壤中残留的AM会通过渗透进入地下水域，使地下水域遭到污染。另外，残留在水体中的AM的降解周期较土壤中的AM长，会污染水生态环境，而且当人和动物在饮用了含有AM的水后，生命健康也会受到威胁。

2 油类污染物生态毒理学研究进展

通常来说，油类污染物在水体环境中的行为包括溶解、挥发、分解、氧化、乳化、吸附、吸收、分配、富集、降解、水动力弥散等。在水系统中，油类污染物一方面可通过对流、解吸等作用下转移至地下水系统中，导致地下水系统污染程度及其范围的不断扩大;另一方面，因含水介质对油类污染物的吸附作用及其所含微生物对污染物所进行的生化反应，又会不断减少其在水系统中的浓度。油类污染物成分十分复杂，包括饱和烃、芳香烃、沥青质、树脂类等化合物，均为复杂的毒性有机化合物。其中，轻的可蒸发，重的可附着于岩石上形成“巧克力”球，芳香烃虽少，但毒性相当大，不仅具有致癌性，其经水生生物富集之后会给动物和人类的身体带来严重的危害，毒性最大的是多环芳烃类(PAH)，甚至能使水生生物引发病症［17］。

2.1 油类污染物对生态环境的影响

2.1.1 对水环境的影响

漂浮于水体表面的油类污染物会直接影响空气同水体系统中氧气的交换，与此同时，分散在水中的乳化状污染物在微生物的氧化分解过程中也消耗了水中的大量溶解氧，进而导致水质不断恶化。通常来说，油类污染物中，环状结构较直链结构而言毒性更高，可通过下渗作用对地下水系统造成不良影响。文献表明［18］:水中石油烃质量浓度达1 mg/L即可使得大量水生生物致死，浓度超过0.62 mg/L即可导致鱼的大量死亡。多种油类有机毒性化合物共存时可使水质产生质的改变［19］，水中石油烃质量浓度达0.2 mg/L即可导致水体出现异味，同时诱发细菌和藻类的大量繁殖，导致水体形成厌氧环境，进而打破水系统的平衡，导致高等水生生物的大量死亡。

2.1.2 对土壤的影响

油类污染物通过吸附作用可附着于土壤空隙之中，造成土壤的污染，此时若发生降雨，可大大加快油类物质的入渗速度，在径流过程中因水流产生的剪切作用导致土壤团粒结构遭到破坏，分布其中的油类污染物被释放出来，进而结合成为更大的石油团块。经土壤颗粒吸附的油类污染物不易浸润，所以透水性能大大降低，进而导致土壤在同其它相关环境要素进行物质和能量交换时会对地下水体和大气系统的质量带来不良影响［20］。

有文献显示［21］，油类污染物在土壤中的残留性很强，当其在土壤中的渗入量超过土壤的自净容量后，这些污染物将会长期残留在其中，对土壤的结构造成了直接破坏，大大降低了其通透性，阻碍了植物根系的呼吸及其吸收作用，对土壤、植物及其其中的微生物系统都造成了严重的危害，大大降低了土壤的生产力及农作物的产量。

2.2 油类污染物对生物的影响

2.2.1 对水生生物的影响

油类污染物可填塞鱼鳃，导致其呼吸发生困难，最终使其窒息死亡。石油中的一些油臭成分可以侵入鱼和贝的体内，并通过其体液、血液等体内循环扩散至其他部位，从而使其丧失食用价值［22］。此外，油膜能粘住鱼卵和幼鱼，导致鱼卵的大量死亡，即使孵化出来多数也是畸形，油类污染物甚至会危及到水鸟的生存，若水鸟的羽毛被污染会发生缠结，这时会导致其飞不起来也游不动，最后衰竭而死［23］。油类污染物还会通过水鸟的消化道进入其体内，导致其肠、胃、肾、肝等器官发生病变，大大降低其繁殖率［24］。

2.2.2 对植物、动物及人类的影响

通过文献［25］可知，油类污染物可以穿透植物的内部，并在其细胞间隙及其维管束系统中运行。油类污染物被根部吸收后可在果实内大量积累，若土壤中所含的油类污染物浓度过高会对植物产生极强的毒性作用，直接对植物的细胞造成损害，阻碍其呼吸及其蒸腾作用，破坏其叶绿素的合成，最终造成植物的黄化和死亡。

油类污染物进入动物和人体的途径有很多，可在水生生物的富集作用下通过食物链危害动物和人体的健康。油类污染物中芳香烃类物质的毒性相对较大，特别是双环和三环芳香烃的毒性更大。多环芳烃类物质已被确认具有相当强度的致癌作用，可通过呼吸、接触、口食等方式进入动物或人体内，对肝、肾等器官造成危害，甚至引发癌变［26］。若长时间较大浓度地接触酚类、苯、甲苯、二甲苯等油类污染物会有恶心、头疼、眩晕等症状产生［27］。

3 结语

石油开采过程中所引起的污染情况日趋严重，已经对生态环境造成了极大的危害，此类污染不仅打破了生态环境的平衡，也直接或间接地给人类的生存发展带来了威胁。为了降低石油开采过程中对生态环境系统的影响，必须对PAM及其降解产物AM进行生态毒理学研究和评估，明确其对生态环境的毒理危害。此外，应当防止油田开采、运输等过程中出现泄漏等事故的发生，开采前应完善保护措施，定期对开采设备进行检查，不断提高开采人员的素质技能，从污染源头入手进行控制，同时做好污染后处理，以实现生态资源的可持续发展和利用。

我国开采石油已有多年历史，但是开采的过程中仍然会产生很多的污染物，并且这些污染物，像PAM虽然过去被认为无毒，但是研究发现其为低毒物质，而且其分解产物AM属于中毒物质，这就存在潜在的、未知的污染。目前，我国对于污染物的治理方法和防范措施也不太完善，希望有关部门能颁布出能够有效的防止和治理石油开采产生污染的条例和法律，减少石油开采造成的污染。这样，不仅保护了生态环境的平衡和人类的健康，也使石油的开采变得环保，更加效率，实现石油的绿色开采。

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