在为期80天的长时间接触废钻井液的环境下，海域浮游生物群落的结构及其营养网络发生了改变。这一现象通过微观生态学研究得到了验证

《Journal of Cleaner Production》：Prolonged (80-day) exposure to waste drilling fluids alters the structure and trophic networks of marine plankton communities in a microcosm study

　　

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  WDF（水基钻井液）在80天的微宇宙实验中提高了海水中重金属（例如Cr）的浓度。
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  叶绿素a、溶解氧和pH值下降，而浊度上升。
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  浮游植物的响应速度（约7天内）比浮游动物（约21天内）快。
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  Cr和Hg是解释浮游生物群落变化的关键因素。
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  跨营养级网络的退化是对WDF影响最敏感的指标。

引言

随着陆上浅层石油资源即将枯竭，海上石油勘探已成为支持全球能源供应的关键途径（Sui等人，2021年）。在钻探过程中，钻井液被称为“钻探的血液”，对于确保作业的安全性和效率至关重要，其功能包括输送岩屑、稳定井壁、冷却和润滑钻头及工具、以及传递流体动力（Noor等人，2025年）。钻井液本质上是多相稳定的胶体悬浮系统，具有复杂的成分，并根据其连续相矩阵分为油基钻井液（OBDFs）、水基钻井液（WBDFs）和合成基钻井液（SBDFs）。由于不含石油，WBDFs在海上作业中应用最为广泛，并且在包括OSPAR公约（PLONOR清单）、巴塞罗那公约、美国API指南、马来西亚的EQA和EEZA以及中国的GB 4914-2008在内的多种国家和国际法规框架下通常被允许直接排放，这些法规对生物毒性、石油含量和重金属含量设有限制。WBDFs主要由水、膨润土、加重材料和水溶性化学添加剂组成，其废液的生态风险主要来自重金属（如As、Cr、Cd、Pb）以及从钻孔地层中渗出的碳氢化合物（Terzaghi等人，1998年；Pereira等人，2019年）。根据《中国海洋生态环境状况公报》，从海上平台排放的WDFs年均量从2018年的约54,000立方米增加到2022年的122,000立方米，2011-2015年的年均量为49,063立方米。如此大量的排放可能对海洋生物健康和生物多样性构成威胁，进而影响生态系统结构和功能。因此，全面了解WDFs的生态影响具有重要的科学价值，并对有效的环境管理具有实际意义。

目前，对WDFs生态影响的评估主要依赖于生物毒性测试。选择生态受体是此类测试的基础，其中单个或多个代表性物种的反应被用作生态系统层面影响的替代指标。现有的WDFs评估协议通常采用单物种毒性测试方法，如（美国）和Neomysis awatschensis（中国）方法。此外，还应用了多种技术，包括Artemia方法、发光细菌测定法、Microtox生物测定法和发光藻类方法来评估WDFs的生物毒性（Bland等人，1987年；Zhou等人，2001年；Zhu和Liu，2015年）。尽管这些标准化测试快速、可重复且适合筛查，但存在明显的生态缺陷：单物种测试忽视了种间相互作用、营养级联和群落补偿；短期（48-96小时）暴露无法反映长期适应性反应；并且测试结果难以可靠地推断到群落或生态系统层面。此外，WDFs是含有重金属、石油碳氢化合物和有机添加剂的复杂混合物，它们的联合毒性、生物可利用性和长期低剂量效应尚未得到系统量化。因此，获取更全面的数据，特别是关于钻井液的长期和群落层面效应的数据，对于更客观地评估其环境风险至关重要。为了克服这些限制，已在多个尺度上进行了群落层面研究。先前的中宇宙和现场研究进一步探讨了水基钻屑（Trannum等人，2010年）、产出水（Gamble等人，1987年）以及海上钻探活动本身（Lanzén等人，2016年；Cordier等人，2019年）的生态影响，揭示了底栖群落结构、生物地球化学过程、潜在指示物种和共现模式的变化。然而，这些研究主要集中在钻屑、产出水或钻探活动上，而不是WDFs；它们主要关注底栖大型动物或观察空间模式。底栖大型动物的反应延迟，因此无法很好地捕捉WDFs的低剂量和早期效应，而空间观察也难以将污染物效应与自然变异性区分开来。此外，这些研究大多关注单一营养级，关于多营养级群落和互动网络中长期WDF暴露的研究仍然不足。

在海洋生态系统中，浮游植物和浮游动物之间的耦合是维持生态系统结构和功能的关键多营养级相互作用（Bisinicu和Lazar，2025年），并可作为生态风险的关键生物指标（Raja等人，2024年）。作为初级生产者，浮游植物支撑着海洋物质循环和能量流动，污染物通过食物链传播（Saidon等人，2024年）。受控微宇宙实验表明，污染物混合物可以在几天到几周内改变浮游植物的组成，改变竞争关系，并触发对浮游动物的营养级联反应（Yang等人，2024年）。作为初级消费者，浮游动物通过摄食调节浮游植物，并通过自下而上的效应影响更高营养级（Liu等人，2002年；Yang等人，2020年）。WDFs的主要有毒成分是石油和重金属，有大量证据表明这些污染物的输入显著改变了浮游植物和浮游动物之间的组成、结构和相互作用（Alberta Energy Regulator，2024年）。例如，长期暴露于特定浓度的Cd和Pb可以增加浮游植物生物量，并改变优势物种的数量，同时增加耐受性浮游动物（如纤毛虫）的生物量，减少敏感物种（如某些桡足类）的生物量（Zheng，2007年）。石油污染会刺激有害藻类（如 spp.）的繁殖，导致浮游动物多样性下降，最终使群落结构简化（Quigg等人，2021年；Isukul等人，2023年）。这些发现表明，与WDF相关的污染物可能会破坏浮游植物和浮游动物之间的耦合，可能影响生态系统结构和功能。鉴于这种耦合的生态重要性以及缺乏关于多营养级群落和互动网络中长期WDF暴露的研究，目前尚不清楚这些群落及其相互作用如何响应WDF的输入，以及哪些环境变量与这些反应相关。因此，需要进一步的实验研究。

据此，我们建立了一个80天的微宇宙实验系统，使用WDFs的不同浓度梯度以及自然海洋浮游植物-浮游动物群落，来研究WDFs在不同营养级上的潜在群落效应。我们研究了这些群落的组成和结构随时间的变化，并使用共现网络分析来探讨仅凭群落组成或多样性指数无法捕捉到的WDF暴露下的内部和跨营养级关联。我们还使用代表性浮游生物进行了验证实验，将群落层面的反应与物种层面的毒性联系起来。这些发现可能有助于WDFs的群落层面生态风险评估，并为更环保的处理和可持续处置WDFs提供依据。

章节片段

WDF储备液的制备

研究程序如图S1所示。实验用WDF是渤海石油和天然气钻探作业产生的废弃WBDF。有关WBDF的类型及其收集和储存条件的详细信息，请参见文本S1。储备液的制备符合中华人民共和国国家标准GB 18420.2-2009（《海洋石油勘探和开发污染物的生物毒性-第部分：测试方法》）。具体来说，1份WDF与9份水混合

物理化学性质、重金属和石油污染物的变化

如图1所示，第21天和第30天之间的大多数物理化学参数存在显著差异。微宇宙系统pH值的变化如图1A所示。第21天和第30天，对照组（CK组）的pH值范围约为8.14至8.22，显著高于WDF处理组（WDF组）的8.01至8.02（p

WDFs导致重金属和石油污染，并改变海水的物理化学特性

主要的WDF污染物包括重金属和石油化合物。第80天时，处理组的Cr和As浓度显著高于对照组（图2），这可能是由于钻探作业过程中使用的加重材料和地层泄漏（Ibuchukwu和Nwakaudu，2012年）。MEDIUM组和HIGH组的Pb浓度（C_MEDIUM：2.432 μg/L；C_HIGH：1.327 μg/L）以及HIGH组的Hg浓度（C：0.055 μg/L）超过了I类海水标准（Pb

结论

据我们所知，这项研究是首次长期、多营养级和网络层面的WDFs生态效应评估之一。与以往主要关注底栖大型动物、产出水或短期单物种终点的研究不同，本研究跟踪了自然浮游植物-浮游动物群落80天的暴露情况，并评估了群落结构和跨营养级交互网络。WDF的输入显著增加了海水中Cr的浓度

CRediT作者贡献声明

Wentao Zeng：撰写——原始草案、可视化、软件、方法论、研究、正式分析。Xiaoyang Jian：验证、监督、资源、正式分析。Qingyun Yu：验证、监督、资源、正式分析。Xuexi Tang：监督、资源、数据管理。Ying Wang：监督、资源、数据管理。Xinxin Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了海洋科学技术国家实验室（LSKJ202203900）的财政支持。

Wentao Zeng|Xiaoyang Jian|Qingyun Yu|Xuexi Tang|Ying Wang|Xinxin Zhang