Toksyczność zanieczyszczeń olejowych dla ryb morskich
Toksyczność zanieczyszczenia olejami dla ryb morskich zaobserwowano w przypadku wycieków ropy , takich jak katastrofa Exxon Valdez , oraz ze źródeł niepunktowych, takich jak spływ powierzchniowy , który jest największym źródłem zanieczyszczenia olejami w wodach morskich.
Ropa naftowa przedostająca się do dróg wodnych z wycieków lub spływów zawiera wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), najbardziej toksyczne składniki ropy. Droga wchłaniania WWA przez ryby zależy od wielu czynników środowiskowych oraz właściwości WWA. Typowe drogi to połknięcie , wentylacja skrzeli i wchłanianie przez skórę. Ryby narażone na te WWA wykazują szereg efektów toksycznych, w tym uszkodzenia genetyczne , deformacje morfologiczne, zmieniony wzrost i rozwój, zmniejszenie rozmiarów ciała, zahamowanie zdolności pływania i śmiertelność . Deformacje morfologiczne związane z ekspozycją na WWA, takie jak wady rozwojowe płetw i szczęk, skutkują znacznie zmniejszoną przeżywalnością ryb ze względu na ograniczenie zdolności pływania i żerowania. Chociaż dokładny mechanizm toksyczności PAH nie jest znany, proponowane są cztery mechanizmy. Trudność w znalezieniu konkretnego mechanizmu toksycznego wynika w dużej mierze z dużej różnorodności związków WWA o różnych właściwościach.
Historia
Badania nad wpływem przemysłu naftowego na środowisko rozpoczęły się na dobre w połowie do końca XX wieku, wraz z rozwojem i ekspansją przemysłu naftowego. Transport ropy naftowej na dużą skalę zwiększył się w wyniku rosnącego światowego zapotrzebowania na ropę, aw konsekwencji wzrostu liczby wycieków ropy. Wycieki ropy zapewniły naukowcom doskonałą okazję do zbadania in situ skutków narażenia ropy naftowej na ekosystemy morskie oraz wspólnych wysiłków między National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) i United States Coast Guard zaowocowało ulepszonymi działaniami reagowania i szczegółowymi badaniami skutków zanieczyszczenia ropą. Wyciek ropy Exxon Valdez w 1989 r. i wyciek ropy Deepwater Horizon w 2010 r. spowodowały wzrost wiedzy naukowej na temat konkretnych skutków toksyczności zanieczyszczenia ropą na ryby morskie.
Wyciek ropy Exxon Valdez
Skoncentrowane badania nad toksycznością zanieczyszczeń olejowych dla ryb rozpoczęły się na dobre w 1989 roku, po tym jak tankowiec Exxon Valdez uderzył w rafę w Prince William Sound na Alasce i rozlał około 11 milionów galonów ropy naftowej do otaczających wód. W tym czasie wyciek ropy Exxon Valdez był największym w historii Stanów Zjednoczonych. Wyciek miał wiele niekorzystnych skutków ekologicznych, w tym utratę miliardów śledzi pacyficznych i łososia różowego jajka. Śledzie pacyficzne dopiero zaczynały się rozmnażać pod koniec marca, kiedy doszło do wycieku, w wyniku czego prawie połowa jaj populacji była narażona na ropę naftową. Śledź pacyficzny rozmnaża się w międzypływowych i subpływowych , przez co wrażliwe jaja są łatwo narażone na zanieczyszczenia.
Wyciek ropy z platformy Deepwater Horizon
Po 20 kwietnia 2010 r., kiedy wybuch na platformie wiertniczej Deepwater Horizon Macondo spowodował największy wyciek ropy w historii Stanów Zjednoczonych, pojawiła się kolejna okazja do badań toksyczności ropy. Około 171 milionów galonów ropy naftowej spłynęło z dna morskiego do Zatoki Meksykańskiej , odsłaniając większość otaczającej fauny i flory . Wyciek ropy z Deepwater Horizon zbiegło się również bezpośrednio z okresem tarła różnych gatunków ryb ważnych pod względem ekologicznym i handlowym, w tym tuńczyka żółtopłetwego i atlantyckiego tuńczyka błękitnopłetwego. Wyciek ropy dotknął bezpośrednio atlantyckiego tuńczyka błękitnopłetwego, ponieważ około 12% larw tuńczyka znajdowało się w wodach zanieczyszczonych ropą, a Zatoka Meksykańska jest jedynym znanym tarliskiem zachodniej populacji tuńczyka błękitnopłetwego.
Narażenie na olej
Wycieki ropy, jak również codzienne odpływy ropy z obszarów zurbanizowanych, mogą prowadzić do przedostawania się wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) do ekosystemów morskich. Gdy WWA dostaną się do środowiska morskiego, ryby mogą być na nie narażone poprzez połknięcie, wentylację skrzeli i wchłanianie przez skórę. Główna droga absorpcji będzie zależała od zachowania gatunków ryb i właściwości fizykochemicznych danego WWA. Siedlisko może być głównym czynnikiem decydującym o drodze narażenia. Na przykład ryby denne lub ryby jedzące ryby denne z dużym prawdopodobieństwem połkną WWA, które wchłonęły się do osadu, podczas gdy ryby pływające na powierzchni są bardziej narażone na narażenie przez skórę. Po zetknięciu się z WWA, biodostępność wpłynie na szybkość wchłaniania WWA. EPA identyfikuje 16 głównych WWA budzących obawy, a każdy z tych WWA ma inny stopień biodostępności. Na przykład WWA o niższej masie cząsteczkowej są bardziej biodostępne, ponieważ łatwiej rozpuszczają się w wodzie, a zatem są bardziej biodostępne dla ryb w słupie wody. Podobnie, hydrofilowe WWA są bardziej biodostępne dla ryb. Z tego powodu stosowanie środków dyspergujących olej , takich jak Corexit , w celu usunięcia wycieków ropy naftowej, może zwiększyć wchłanianie WWA poprzez zwiększenie ich rozpuszczalności w wodzie i uczynienie ich bardziej dostępnymi do wchłaniania przez skrzela. Po wchłonięciu WWA metabolizm ryb może wpływać na czas trwania i intensywność narażenia tkanek docelowych. Ryby są w stanie z łatwością metabolizować 99% WWA do bardziej hydrofilowego metabolitu poprzez swój układ wątrobowo-żółciowy. Pozwala to na wydalanie WWA. Szybkość metabolizmu WWA będzie zależała od płci i wielkości gatunku. Zdolność do metabolizowania WWA do postaci bardziej hydrofilowej może zapobiegać bioakumulacji i powstrzymać przenoszenie WWA na organizmy znajdujące się dalej w łańcuchu pokarmowym. Ponieważ olej może utrzymywać się w środowisku długo po wycieku ropy poprzez sedymentację, ryby denne będą prawdopodobnie stale narażone na WWA przez wiele lat po wycieku ropy. Udowodniono to, przyglądając się żółciowym metabolitom WWA u ryb dennych. Na przykład ryby żyjące na dnie nadal wykazywały podwyższone poziomy metabolitów WWA o niskiej masie cząsteczkowej 10 lat po Exxon Valdez .
Składniki ropy naftowej
Ropa naftowa składa się z ponad 17 000 związków. Wśród tych 17 000 związków są WWA, które są uważane za najbardziej toksyczne składniki oleju. WWA powstają w pirogenicznych i petrogennych. Petrogenne WWA powstają w wyniku podwyższonego ciśnienia materiału organicznego. Natomiast pirogenne WWA powstają w wyniku niepełnego spalania materiału organicznego. Ropa naftowa naturalnie zawiera petrogenne WWA, a poziomy tych WWA znacznie wzrastają w wyniku spalania oleju, który tworzy pirogeniczne WWA. Poziom WWA występujących w ropie naftowej różni się w zależności od rodzaju ropy naftowej. Na przykład ropa naftowa z Exxon Valdez wyciek ropy miał stężenie WWA na poziomie 1,47%, podczas gdy stężenia WWA z Morza Północnego mają znacznie niższe stężenia WWA, wynoszące 0,83%.
Źródła zanieczyszczeń ropą naftową
Zanieczyszczenie ropą naftową w ekosystemach morskich może prowadzić do przedostania się do nich zarówno pirogennych, jak i petrogennych WWA. Petrogenne WWA mogą przedostawać się do dróg wodnych przez wycieki ropy, duże wycieki ropy, kreozot i wycieki oleju opałowego z obszarów miejskich. Źródła pirogenne PAH składają się z sadzy, gumy z opon diesla i pyłu węglowego. Chociaż istnieją naturalne źródła WWA, takie jak aktywność wulkaniczna i przesiąkanie złóż węgla, źródła antropogeniczne stanowią najbardziej znaczący wkład WWA do środowiska. Te źródła antropogeniczne obejmują ogrzewanie mieszkań, produkcję asfaltu, zgazowanie węgla i zużycie ropy naftowej. Zanieczyszczenie petrogennymi WWA jest bardziej powszechne w przypadku wycieków ropy naftowej, takich jak Exxon Valdez , czyli wycieki oleju; jednak przy odpływie mogą również występować pirogenne WWA. Chociaż duże wycieki ropy, takie jak Exxon Valdez, mogą wprowadzić duże ilości ropy naftowej na lokalny obszar w krótkim czasie, codzienne spływy stanowią większość zanieczyszczeń olejowych ekosystemów morskich. Depozycja atmosferyczna może być również źródłem WWA w ekosystemach morskich. Na osadzanie się PAH z atmosfery w zbiorniku wodnym duży wpływ ma podział WWA na cząstki gazowe.
Efekty
U ryb morskich zaobserwowano wiele skutków narażenia na WWA. W szczególności przeprowadzono badania na embrionach i larwach ryb, rozwoju ryb narażonych na WWA oraz pobieraniu WWA przez ryby różnymi drogami narażenia. Jedno z badań wykazało, że śledzia pacyficznego wystawione na warunki naśladujące wyciek ropy „Exxon Valdez” spowodowały przedwczesne wylęganie się jaj, zmniejszenie rozmiaru w miarę dojrzewania ryb i znaczące skutki teratogenne , w tym wady rozwojowe szkieletu, układu sercowo-naczyniowego, płetw i woreczka żółtkowego. Obrzęk woreczka żółtkowego był odpowiedzialny za większość śmiertelności larw śledzia. Zaobserwowano, że teratogenne wady rozwojowe płetwy grzbietowej i kręgosłupa oraz szczęki skutecznie zmniejszają przeżywalność rozwijających się ryb, poprzez upośledzenie odpowiednio zdolności pływania i żerowania. Karmienie i unikanie ofiar poprzez pływanie ma kluczowe znaczenie dla przetrwania larw i młodych ryb. Wszystkie efekty obserwowane w ikrze śledzia w badaniu były zgodne ze skutkami obserwowanymi w odsłoniętej ikrze ryb po Exxon Valdez . Zaobserwowano, że zarodki danio pręgowanego wystawione na działanie oleju miały poważne wady teratogenne, podobne do obserwowanych u zarodków śledzia, w tym obrzęki, dysfunkcja serca i krwotoki śródczaszkowe . W badaniu skupionym na absorpcji WWA przez ryby, zarodki łososia były narażone na ropę naftową w trzech różnych sytuacjach, w tym poprzez ścieki ze żwiru pokrytego olejem. Stężenia WWA w zarodkach bezpośrednio narażonych na olej i w zarodkach narażonych na ścieki WWA nie różniły się istotnie. Zaobserwowano, że narażenie na WWA prowadziło do śmierci, nawet jeśli WWA były narażone na kontakt z rybami w ściekach. Na podstawie wyników ustalono, że zarodki ryb w pobliżu Exxon Valdez wycieki w Prince William Sound, które nie miały bezpośredniego kontaktu z ropą, nadal mogły gromadzić śmiertelne poziomy WWA. Podczas gdy w wielu badaniach laboratoryjnych i przyrodniczych zaobserwowano znaczące niekorzystne skutki narażenia ryb na WWA, zaobserwowano również brak skutków dla niektórych związków WWA, co może wynikać z braku wychwytu podczas narażenia na ten związek.
Proponowany mechanizm działania toksycznego
Chociaż udowodniono, że różne klasy WWA działają poprzez różne mechanizmy toksyczne ze względu na różnice w ich masie cząsteczkowej, układzie pierścieni i właściwościach rozpuszczalności w wodzie, specyficzne mechanizmy toksyczności WWA dla ryb i rozwoju ryb są nadal nieznane. Toksyczność zależy od stopnia, w jakim substancja chemiczna w oleju zmiesza się z wodą: jest to określane jako oleju związana z wodą . Proponowane mechanizmy toksyczności WWA to toksyczność poprzez narkozę , interakcję ze szlakiem AhR, alkilofenantren toksyczność i toksyczność addytywna przez wiele mechanizmów.
- Według badań model narkozy nie był w stanie dokładnie przewidzieć wyniku narażenia śledzia i łososia różowego na mieszaninę WWA.
- Zaobserwowano, że pierwotna toksyczność tych WWA w zarodkach ryb jest niezależna od AhR, a ich działanie na serce nie jest związane z aktywacją AhR lub indukcją cytochromu P450 , rodzina 1, członek A we wsierdziu .
- alkilofenantrenu badano poprzez wystawianie śledzia i łososia różowego na działanie mieszanin WWA w celu lepszego zrozumienia mechanizmów toksyczności WWA . Stwierdzono, że model ogólnie przewiduje skutki narażenia subletalnego i śmiertelnego. Stres oksydacyjny i wpływ na morfogenezę układu sercowo-naczyniowego to proponowane mechanizmy toksyczności alkilofenantrenu. Konkretna ścieżka nie jest znana.
- Ponieważ WWA zawierają wiele różnych odmian WWA, toksyczność można wyjaśnić za pomocą wielu mechanizmów działania.