页岩气压裂返排液的水生生态毒性效应研究

贺美，陈文杰，田磊，陈广宇，谢瑶，向廷生1,,#

1. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，武汉 4301002. 长江大学资源与环境学院，武汉 4301003. 长江大学石油工程学院，武汉 430100

页岩气压裂返排液的水生生态毒性效应研究

贺美1,2,*，陈文杰2，田磊3，陈广宇2，谢瑶2，向廷生1,2,#

1. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，武汉 4301002. 长江大学资源与环境学院，武汉 4301003. 长江大学石油工程学院，武汉 430100

页岩气压裂作业过程产生大量压裂返排液，这类废液富含有毒且致癌的芳香烃、有毒金属和铀、钍、镭等放射性物质、石油类添加剂等，具有可生化性差和难处理的特点。这类废液若不经任何处理就进行排放，将给环境和人群健康带来潜在的危害和风险。目前尚不清楚它们的生态毒性效应。论文从涪陵页岩气开采基地采集了4口开采井(2号井、6号井-1、6号井-2和9号井)的压裂返排液，采用国家废水测试标准分析4种压裂返排液的水质理化指标，采用斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)、大型溞(Daphnia magna)等标准毒性试验生物探究压裂返排液污染物体系的水生生态毒性效应，并研究水质理化指标与压裂返排液综合毒性的关系。结果表明，采集的所有压裂返排液样品均具备较大的水生生态毒性效应。以斜生栅藻的96 h的半数效应浓度(96 h-EC50)或大型溞的96 h的半数致死浓度(96 h-LC50)和毒性单位(TUa)为评价指标进行生态毒性分级，4个位点压裂返排液的生态毒性均为中毒及以上。压裂返排液的重金属、阴阳离子及有机物含量与其综合毒性的相关性结果表明，这些污染物成分与其藻类综合毒性无显著相关性。但Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等6种重金属及Na+、Cl-等2种阴阳离子对压裂返排液的溞类综合毒性有显著影响，影响程度依次为Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu。因此，在对压裂返排液进行处理时，这些与毒性相关的污染物是需要重点考虑的化学成分。

压裂返排液；斜生栅藻；大型溞；生态毒性效应

页岩气作为重要的非常规天然气资源，已成为全球油气资源勘探与开发的新亮点，但其特殊的钻采开发技术可能带来新的环境污染问题[1]，主要表现为2个方面：(1)页岩气压裂作业过程中水资源量消耗巨大，将产生大量压裂返排废水。据估计，压裂液中98%～99.5%为水和砂，一次水力压裂作业可能需要约1万m3的水耗[2-3]。(2)页岩气压裂返排液中富含多种化学成分，一部分来自于压裂液，因为压裂液中的化学添加剂由表面活性剂、抗菌剂、破乳剂、缓蚀剂、减阻剂、酸等750多种化学物质组成；另一部分来自随着返排废水带出的地层地下水、废压裂液和钻屑等。压裂返排液中的化学成分主要为有毒且致癌的芳香烃、高盐的固体、有毒金属和铀、钍、镭等放射性物质等，具有毒性大、可生化性差和难处理的特点[4-5]。这类物质若不经任何处理措施就直接排放或者回注，对水环境、土壤环境、生态系统和人群健康均具有潜在的危害和环境污染的风险[6-8]。

随着页岩气勘探的逐步推进，页岩气开发的诸多环境问题凸显，引发了国际众多领域学者的质疑和讨论，有的国家甚至因环保压力减缓了页岩气的开发进程[9-10]。我国的页岩气勘探开发正处于起步阶段，更应谨慎面对页岩气勘探开发中的环保问题[11-12]。目前我国还没有专门针对页岩气开发废物治理的相关法律法规和行业标准，如页岩气压裂返排废水的达标排放标准、回注标准、废弃页岩气固体废物的处理处置规范等。为此压裂返排液的排放势必会对水体和水系造成严重污染，会对水体中的水生生物、城市生活用水和工农业用水造成影响，其中某些污染物质还可能通过食物链对人类造成危害[7-8,13]。但页岩气压裂返排液究竟会产生多大的生态环境效应，目前国内还未见相关研究，国外也少见报道。

污(废)水的生态环境效应评价方法较多，如理化方法、生物学方法等。传统的理化分析方法如水质污染综合指标等，虽然能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能阐明各种污染物的毒性及它们之间的联合毒性作用，因此不能全面、直观、科学地反映有毒污(废)水对水生生物、人类群体及整个生态系统的影响与危害。污(废)水往往是含有多种污染物的混合体系，会由于化学物质之间的相互作用而出现不同于单一化学物质的生态环境效应。生态毒性测试将整个污染物体系看成一个整体，通过选择敏感代表者作为毒性诊断指标，提供不同食物链生物对环境样品的整体毒性效应，已逐步成为评价环境污染的重要手段之一，可对污水的综合毒性进行评价[14-17]。本文从涪陵页岩气开采基地采集了四口开采井的压裂返排液样品，采用藻类生长抑制试验、大型溞急性毒性试验等实验方法，利用藻类、溞类等国际公认的标准毒性试验生物探究了压裂返排液的污染物混合体系对环境产生的水生生态毒性效应，并综合考虑压裂返排液的水质理化指标，研究了重金属、有机物、阴阳离子等理化指标对压裂返排液水生生态毒性效应的影响。本研究可为页岩气开发过程中压裂返排液的处理及废水排放标准提供科学依据，对于我国页岩气的合理勘探开发及水资源保护具有重要意义。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 仪器与试剂

仪器和设备：哈希DR2800型便携式多参数水质分析仪(美国)；Thermo Orion 805A型溶氧仪(美国)；Agilent 7900电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)(美国)；戴安ICS-2100型离子色谱仪(日本)；BSG-800光照培养箱(上海)；UV5500PC紫外可见分光光度计(上海)；Leica DME型显微镜(德国)；SPX-150 BIII型生化培养箱(天津)。

试剂：共配制4个藻类培养基的储备液，所有试剂均为分析纯，配制方法如下。储备液1：1.5 g·L-1NH4Cl、1.2 g·L-1MgCl2·6H2O、1.8 g·L-1CaCl2·2H2O、1.5 g·L-1MgSO4·7H2O、0.16 g·L-1KH2PO4。储备液2：80 mg·L-1FeCl3·6H2O、100 mg·L-1Na2EDTA·2H2O。储备液3：185 mg·L-1H3BO3、415 mg·L-1MnCl2·4H2O、3 mg·L-1ZnCl2、1.5 mg·L-1CoCl2·6H2O、0.01 mg·L-1CuCl2·2H2O、7 mg·L-1Na2MoO4·2H2O。储备液4：50 g·L-1NaHCO3。COD试剂，购自美国哈希公司。

1.2 试验生物

藻类生态毒性效应的试验生物采用斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)，由广东省微生物研究所提供。斜生栅藻采用藻类生长抑制试验(OECD 201)中提供的培养基培养，将斜生栅藻反复活化后，备用。

溞类生态毒性效应的试验生物采用大型溞(Daphnia magna)，由广东省微生物研究所提供，为62 D. M.纯品系生物株。每天喂以实验室培养的斜生栅藻，经实验室驯化培养后使其保持在孤雌生殖状态，且在3代以上，选择出生6～24 h，活泼、健康、大小基本一致的幼溞进行试验，其敏感度符合溞类24 h-EC50急性活动抑制试验(OECD 202)标准。

1.3 实验方法

1.3.1 页岩气压裂返排液的采集

本研究共采集了4个页岩气压裂返排液样品，分别采自国家级页岩气示范区涪陵页岩气开采区的2号井、6号-1井、6号-2井、9号井。

1.3.2 COD含量的测定

取1 mL压裂返排液样品与COD试剂充分反应后，于消解仪120 ℃消解2 h，待冷却后，采用多参数水质分析仪分析测定压裂返排液中的CODCr含量。每个样品测定3个平行样。

1.3.3 BOD5含量的测定

取压裂返排液样品装满BOD瓶，充分搅拌使样品中的溶解氧尽量达到饱和，采用溶氧仪测定压裂返排液的初始溶解氧含量。将液封后的BOD瓶置于20 ℃生化培养箱培养5 d，并用溶氧仪测定压裂返排液5 d时的溶解氧含量，溶解氧的含量变化即为压裂返排液的BOD5含量。每个样品测定3个平行样。

1.3.4 阴阳离子含量的测定

1.3.5 重金属含量的测定

取10 mL压裂返排液于玻璃消解管中，80 ℃烘箱烘干后，加入2 mL浓硝酸，于消解仪80 ℃条件下消解直至液体澄清，并稀释至合适的浓度，采用ICP-MS测定压裂返排液中As、Cu、Zn、Se、Cd、Pb等23种重金属的含量。每个样品测定3个平行样。

1.3.6 藻类生态毒性效应的测定

(1)斜生栅藻的藻细胞数量与光密度的关系

反复活化后的斜生栅藻，利用藻类培养基进行培养后，镜检其生长状况，用血球计数板进行藻细胞计数，用分光光度计测定650 nm波长下的藻类光密度(OD值)，确定藻细胞数量与光密度的线性关系。

(2)藻试验液的配制

藻试验液即用于藻类生态毒性测试的藻培养物。参照《化学品测试方法》及欧洲经济合作与发展组织 (OECD)推荐的藻类生长抑制试验[19-20]，将储备液1、储备液2、储备液3、储备液4配制成藻类培养基，用0.22 μm滤膜过滤除菌后，接种反复活化后的斜生栅藻，置于光照培养箱中进行预培养，培养条件为温度(20 ± 2) ℃、光照强度8 000 lux、光暗比12 h∶12 h，每天振荡若干次。对藻类进行预培养后，镜检其生长情况，取对数生长期内的藻试验液，用分光光度计测定650 nm波长下藻类的光密度，利用藻细胞数量与光密度的线性关系，推算预培养的藻细胞数量。

(3)压裂返排液测试液的配制

测试液是用于测试压裂返排液生态毒性效应的液体。参照藻细胞数量与光密度的线性关系，以蒸馏水作为对照，先在每个锥形瓶中加入合适体积的处于对数生长期的藻试验液，使测试液、对照中藻细胞数量的终浓度均约为104个·mL-1(±25%)，且测试液与对照中的藻细胞浓度保持一致。再往每个三角瓶中分别加入1 mL储备液1、100 μL储备液2、100 μL储备液3、100 μL储备液4，并在每个三角瓶中分别加入适量的待测试的压裂返排液样品，使测试液的终体积均为100 mL。每个测试液样品准备3个平行样。在制备稀释后的压裂返排液测试液时，先将压裂返排液稀释到特定的浓度，再参照上述方法制备测试液。

(4)藻类生态毒性效应的测定

将测试液与对照均置于光照培养箱，培养条件为温度(20±2) ℃、光照强度8 000 lux、光暗比12 h∶12 h，试验开始计时，每天振荡若干次。分别于试验开始后的0 h、24 h、48 h、72 h及96 h，从每个三角瓶中取样，测定藻细胞的光密度，从而对各组测试液与对照组中的藻细胞数量进行计数。

1.3.7 大型溞类生态毒性效应的测定

参照《化学品测试方法》及OECD推荐的溞类24 h-EC50急性活动抑制试验[21-22]，将24 h内出生的大型溞暴露于页岩气压裂返排液进行试验。参照文献[23]，配制人工稀释水，压裂返排液采用人工稀释水稀释配成不同浓度的试验液。正式试验之前，先进行不同稀释度(10%、17.8%、31.6%、56.2%、100%)的压裂返排液的预备试验，预试验中每个浓度放5只幼溞，持续观察48 h。根据预试验的结果，正式试验中，在使大型溞全部产生活动抑制或致死效应的最低浓度和未产生活动抑制或致死效应的最高浓度之间以几何级数设置5个稀释浓度梯度，以人工配制稀释水作为空白对照组，测试不同浓度压裂返排液的溞类生态毒性效应。实验组与对照组均设置3个平行。每个浓度组和对照组中放置30只24 h内出生的幼溞，试验期间不喂食，置于(20±2) ℃光照培养箱，每天定时观察并记录溞的死亡数和运动受抑制数，持续观察96 h。大型溞在体视镜下观察其心脏停止跳动为其死亡标志；反复转动烧杯，15 s之内失去活动能力则被认为运动受到抑制。

1.3.8 数据处理

本研究中的数据采用SPSS16.0软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)。试验数据的表示方式为3次平行样的平均值±标准差。分析后的数据采用Sigmaplot10.0作图。水质理化指标与毒性数据采用Sigmaplot10.0进行相关性分析，并作图。

2 结果与讨论(Results and discussion)

页岩气特殊的钻采开发技术产生的大量压裂返排废水中含有随着返排废水带出的地层地下水、废压裂液和钻屑等。这类废水中主要含有有毒且致癌的芳香烃、高盐的固体、有毒金属和铀、钍、镭等放射性物质、石油类及其他各种添加剂，具有高COD值、高稳定性、高黏度、可生化性差等特点。因此，本研究选择了压裂返排液中可能存在的重点污染物如重金属、高浓度的阴阳离子、有机物等进行了含量的测定与分析。

2.1 重金属含量

所有压裂返排液均未检测到Cd、U、Bi、In、Tl，其他的重金属含量见表1。4个位点页岩气压裂返排液的重金属浓度在0～477.332 mg·L-1之间，大部分有毒重金属污染程度不高。4个位点的页岩气压裂返排液的各重金属含量仍表现出明显差异，其中6号井-1的大部分重金属浓度稍低，而9号井的大部分重金属浓度稍高。

2.2 阴阳离子含量

2.3 CODCr与BOD5含量

如表3所示，4个位点的页岩气压裂返排液的CODCr与BOD5含量仍表现出明显差异。6号井-1的CODCr含量为621 mg·L-1，为4个位点中最低；9号井的CODCr含量为1 721 mg·L-1，为4个位点中最高。而BOD5含量为1.81～4.73 mg·L-1，6号井-2最低，6号井-1最高。但BOD5/CODCr结果表明，压裂返排液中仅有0.15%～0.76%的有机物可被微生物降解利用，说明这些压裂返排液中的有机物可生化降解性较低，存在大量难降解的大分子有机物。

表1 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的重金属含量(mg·L-1)Table 1 Concentration of heavy metals in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base (mg·L-1)

表2 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的阴阳离子含量(mg·L-1)Table 2 Concentration of cations and anions in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base (mg·L-1)

表3 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的COD与BOD含量Table 3 Concentration of COD and BOD in four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

2.4 藻类生态毒性效应

2.4.1 斜生栅藻的藻细胞数量与光密度的相关性

采用Sigmaplot10.0对藻细胞数量与650 nm波长下的藻细胞OD值进行相关性分析，结果表明藻细胞数量与光密度呈线性正关系，相关性系数为0.99，线性关系式如下所示：

y=1.9915×10-7x-0.005

式中，y表示OD值，x表示藻细胞浓度。

2.4.2 不同压裂返排液的藻类生态毒性效应

预试验结果表明，当斜生栅藻暴露于这些压裂返排液时，在24 h内全部产生致死效应。根据预试验的结果，将不同位点的压裂返排液稀释成不同的浓度后，研究了不同浓度压裂返排液的藻类生态毒性效应。2号井压裂返排液原液被稀释成14.72%、17.11%、19.87%、23.09%、26.68% 5个浓度梯度，6号井-1压裂返排液原液被稀释成0.48%、1.21%、3.03%、7.63%、19.2% 5个浓度梯度，6号井-2压裂返排液原液被稀释成0.48%、0.95%、2.00%、4.18%、8.55% 5个浓度梯度，9号井压裂返排液原液被稀释成14.1%、19.74%、28.2%、39.48%、56.4% 5个浓度梯度。如图1～图3所示，2号井、6号井-1、6号井-2压裂返排液的藻类生态毒性效应比较相似。随着暴露浓度的增加，压裂返排液对斜生栅藻的抑制率成明显的线性上升趋势。24 h时，各浓度的压裂返排液就均对藻类的生长繁殖产生抑制，表现出一定的藻类生态毒性效应，且随着暴露时间的延长，藻类生态毒性效应呈增强的趋势。而9号井压裂返排液产生的藻类生态毒性效应与2号井、6号井-1、6号井-2呈现差异，如图4所示，稀释后的压裂返排液在48 h时未表现出藻类生态毒性效应，反而促进了斜生栅藻的生长繁殖，72 h时对斜生栅藻产生了一定的抑制作用，随着暴露浓度的增强，96 h的抑制作用呈明显增强趋势。有研究表明，藻类作为测试生物并不能很好地反应废水的生态毒性，如石化乙烯工业废水组分复杂，反而对藻类的生长繁殖有促进作用[23]。但本文研究结果表明，斜生栅藻可作为页岩气压裂返排液的水生生态毒性效应的监测指标。

图1 不同稀释度的2号井压裂返排液的藻类生态毒性效应Fig. 1 Algae toxicity of NO.2 fracturing fluids with different concentrations

图2 不同稀释度的6号井-1压裂返排液的藻类生态毒性效应Fig. 2 Algae toxicity of NO.6-1 fracturing fluids with different concentrations

图3 不同稀释度的6号井-2压裂返排液的藻类生态毒性效应Fig. 3 Algae toxicity of NO.6-2 fracturing fluids with different concentrations

图4 不同稀释度的9号井压裂返排液的藻类生态毒性效应Fig. 4 Algae toxicity of NO.9 fracturing fluids with different concentrations

经分析与计算，2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液的藻类生态毒性效应达到96 h-EC50时的压裂返排液浓度分别为16.5%、5.75%、0.44%、21.25%。参照表4《水和废水监测分析方法》中藻类生长抑制试验对毒物的毒性分级标准[27]，以藻类生态毒性效应96 h-EC50值为评价指标，本文从涪陵页岩气开采基地采集的4个位点的压裂返排液的毒性级别均为极强。由96 h-EC50值计算毒性单位TUa值，如表5所示，2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液的TUa分别为6.06、17.4、227.3、4.71。参照表6美国环境保护署的工业废水TUa生物毒性分级标准[27]，以藻类生态毒性试验的毒性单位(TUa)为评价指标，各样点压裂返排液的藻类生态毒性效应评价结果为：2号井、9号井压裂返排液为中毒，6号井-1压裂返排液为高毒，6号井-2压裂返排液为剧毒。4个位点压裂返排液的藻类生态毒性大小顺序依次为6号井-2>6号井-1>2号井>9号井。

2.5 大型溞生态毒性效应

预试验结果表明，以大型溞为毒性试验生物，将大型溞暴露于这些压裂返排液时，在24 h内全部产生致死效应。根据预试验的结果，将不同位点的压裂返排液稀释成不同的浓度后，通过考察大型溞的存活与活动抑制情况，研究了不同浓度压裂返排液的大型溞生态毒性效应，并比较了不同位点压裂返排液的大型溞生态毒性效应。结果表明，大型溞在暴露于不同浓度的压裂返排液后，全部产生致死效应，致死效果用LC50表示。如表7所示，2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液24～96 h LC50浓度分别为26.2%～30.0%、33.2%～39.9%、21.0%～22.3%、16.2%～24.7%。随着暴露浓度的增加，4个位点压裂返排液对大型溞的致死率呈明显的上升趋势。随着暴露时间的增加，4个位点压裂返排液的大型溞生态毒性效应呈增强的趋势。根据4个位点压裂返排液的24～96 h LC50浓度，4个位点压裂返排液的大型溞急性毒性效应大小依次为6号井-1>2号井>6号井-2>9号井。

表4 藻类生长抑制试验对毒物的毒性分级标准Table 4 Classification standard of toxicity in Algae Growth Inhibition Test

表5 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的藻类生态毒性96 h-EC50与毒性级别Table 5 Algae toxicity 96 h-EC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

表6 工业废水TUa生物毒性分级标准Table 6 Biological toxicity classification standard for industrial wastewater by TUa

由大型溞生态毒性效应96 h-LC50值计算毒性单位TUa值，如表8所示，2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液的TUa分别为3.82、3.01、4.76、6.17。参照表6美国环境保护署的工业废水TUa生物毒性分级标准[27]，以大型溞急性毒性试验的毒性单位(TUa)为评价指标，本文从涪陵页岩气开采基地采集的4个位点的压裂返排液的毒性级别均为中毒。由大型溞生态毒性效应48 h-LC50值计算毒性单位TUa值，如表9所示，2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液的TUa分别为3.58、2.69、4.57、5.68。根据国内外已取得的关于生态毒性分级的相关研究成果[16,28-29]，参照表10石油生产废水的生态毒性分级标准[15,30-33]，本文从涪陵页岩气开采基地采集的4个位点的压裂返排液的毒性级别均为低毒。

表7 不同采样井压裂返排液的溞类生态毒性效应Table 7 Daphnia toxicity of the fracturing fluids from different sampling well

表8 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的大型溞致死效应96 h-LC50与毒性级别Table 8 Daphnia toxicity 96 h-LC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

表9 涪陵页岩气开采区4个位点压裂返排液的大型溞致死效应48 h-LC50与毒性级别Table 9 Daphnia toxicity 48 h-LC50 and toxicity classification of four fracturing fluids from Fuling Shale Gas Mining Base

2号井、6号井-1、6号井-2、9号井压裂返排液96 h对斜生栅藻的生长繁殖产生抑制作用的压裂返排液浓度分别为16.5%、5.75%、0.44%、21.25%，而96 h对大型溞产生致死效应的压裂返排液浓度分别为26.2%、33.2%、21.0%、16.2%。比较这4个位点压裂返排液的藻类生态毒性效应与大型溞急性毒性效应，对页岩气压裂返排液的生态毒性而言，斜生栅藻比大型溞更为敏感。这可能主要是因为页岩气压裂返排液的成分多样，致毒机理也相应复杂所致[14-16]。

2.6 不同污染物成分对压裂返排液综合毒性的影响

将压裂返排液的重金属含量、阴阳离子含量、有机物含量(CODCr与BOD5)分别与藻类毒性浓度96 h-EC50及大型溞毒性浓度96 h-LC50进行了统计学相关性分析。

如表11所示，压裂返排液的重金属含量、阴阳离子含量、有机物含量(CODCr与BOD5)与压裂返排液的藻类毒性浓度96 h-EC50均无显著相关性。通过比较各污染物成分与藻类毒性浓度96 h-EC50的相关性系数r2，重金属Zn、Cu、Mn、As、Se，阴阳离子K+、Mg2+，及有机物CODCr含量可能对压裂返排液的藻类综合毒性影响较其他污染物大。

如表12及图5所示，共分析了23种压裂返排液的重金属含量与其溞类生态毒性效应的相关性。结果表明，压裂返排液中的Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等6种重金属含量与压裂返排液的溞类毒性浓度96 h-LC50呈显著性负相关，其他17种重金属均无相关性。随着这6种重金属浓度的增大，压裂返排液的溞类毒性浓度96 h-LC50显著降低，说明压裂返排液的溞类综合毒性随着重金属浓度的增大而增大。根据相关性系数r2，这几种重金属对压裂返排液溞类综合毒性贡献最大的是Li(P<0.01)，其次依次为Ga、Ba、V、Rb、Cu(P<0.05)。由此可见，从压裂返排液的水生生态毒性效应方面考虑，这6种与溞类综合毒性极为相关的重金属，在对压裂返排液进行处理时也是需要重点考虑的化学成分。

表10 石油生产水的生态毒性等级分类Table 10 Ecological toxicity classification for oil production water

表11 压裂返排液中重金属、阴阳离子、CODCr、BOD5含量与其藻类毒性浓度96 h-EC50的相关性Table 11 Correlation of the 96 h-EC50 to algae with the concentration of heavy metals, cations, anions, CODCr and BOD5 in the fracturing fluids

图5 压裂返排液中重金属及阴阳离子与溞类毒性浓度96 h-LC50的相关性Fig. 5 Correlation between 96 h-LC50 to daphnia and concentration of metal or ion in fracturing fluids

表12 压裂返排液中重金属、阴阳离子、CODCr、BOD5含量与其溞类毒性浓度96 h-LC50的相关性Table 12 Correlation of the 96 h-LC50 to daphnia with the concentration of heavy metals, cations, anions, CODCr and BOD5 in the fracturing fluids

注：*, P <0.05，**, P<0.01；↓, 负相关。

Note: *,P <0.05, **, P<0.01; ↓, negative correlation.

综上所述：1)参照美国环境保护署的工业废水TUa生物毒性分级标准，4个位点压裂返排液的大型溞生态毒性级别均为中毒。2号井、9号井压裂返排液的藻类生态毒性为中毒，6号井-1压裂返排液的藻类生态毒性为高毒，6号井-1压裂返排液的藻类生态毒性为剧毒。

2)压裂返排液中的重金属、阴阳离子及有机物含量与其藻类综合毒性无显著相关性。但Li、V、Cu、Ga、Rb、Ba等重金属及Na+、Cl-等阴阳离子对压裂返排液的溞类综合毒性有显著影响，影响程度依次为Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu。在对压裂返排液进行处理时，这些与毒性相关的污染物是需要重点考虑的化学成分。

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Study on the Aquatic Ecological Toxicity of Shale Gas Fracturing Fluids

He Mei1,2,*, Chen Wenjie2, Tian Lei3, Chen Guangyu2, Xie Yao2, Xiang Tingsheng1,2,#

1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan 430100, China2. College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China3. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China

28 September 2016 accepted 20 December 2016

A lot of fracturing fluids are generated in the process of shale gas fracturing. The fracturing fluids contain toxic and carcinogenic substances such as aromatic hydrocarbon, heavy metals, radioactive substances (U, Th, Ra), petroleum additives, et al, which are poorly biodegradable and difficult to be dealt with. These waste fluids may cause potential hazards and risks to the environment and human health if they are discharged without any treatment. However, there have been few researches about the ecological toxicity of the shale gas fracturing fluids up to now. In this paper, four types of fracturing fluids were collected from No.2 well, No.6-1 well, No.6-2 well and No.9 well in the Fuling Shale Gas Mining Base. The water quality physicochemical indices of these fracturing fluids were analyzed according to the national testing standards of wastewater; meanwhile their aquatic ecological toxicity was investigated by employing the standard toxicity test organisms Scenedesmus obliquus and Daphnia magna. Then the relationship between water quality physicochemical indices and the comprehensive toxicities was studied. The results showed that all the four fracturing fluids presented considerable aquatic ecological toxicity. The ecological toxicity of four fracturing fluids was medium-toxic and even more toxic, using 96 h-EC50of Scenedesmus obliquus, 96 h-LC50of Daphnia magna and toxicity units (TUa) as evaluation indexes. There was no significant correlation between the contents of heavy metals, anions, cations, and organic matters and the comprehensive algal toxicities of the fracturing fluids. However, six metals (Li, V, Cu, Ga, Rb, Ba) and Cl-anion and Na+cation in the fracturing fluids had a significant effect on the comprehensive daphnia toxicities, which followed the pattern Li > Ga > Ba > Cl-> V > Na+> Rb > Cu. It can be concluded that these chemicals related to the comprehensive toxicities should be considered when treating fracturing fluids.

fracturing fluids; Scenedesmus obliquus; Daphnia magna; ecological toxicity

国家自然科学基金资助项目(41472124)；中国石油科技创新基金研究项目(2015D-5006-0210)；湖北省自然科学基金(2016CFB178)；湖北省省教育厅科学研究计划指导性项目(B2015451)；长江大学长江青年人才基金项目(2016cqr14)

贺美(1984-)，女，博士，副教授，研究方向为污染物生态毒理学，E-mail: hemei-521@163.com；

# 共同通讯作者(Co-corresponding author)， E-mail: xiangtingsheng@sina.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160928002

2016-09-28 录用日期：2016-12-20

1673-5897(2017)2-108-12

X171.5

A

向廷生(1963—2016)，男，地球探测与信息技术专业博士，教授，主要研究方向为石油地质微生物及环境污染生态修复，发表学术论文10余篇。

贺美, 陈文杰, 田磊, 等. 页岩气压裂返排液的水生生态毒性效应研究[J]. 生态毒理学报，2017, 12(2): 108-119

He M, Chen W J, Tian L, et al. Study on the aquatic ecological toxicity of shale gas fracturing fluids [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 108-119 (in Chinese)