氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)解析紅樹林油狀污染物成分及來源

氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)解析紅樹林油狀污染物成分及來源

馬建坤馮昭鄒仁健彭浩南徐靜摘

要：隨著現(xiàn)代化工業(yè)以及城市發(fā)展步伐的不斷加快，海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的缺乏以及人為干擾等問題，產(chǎn)生了一些對(duì)紅樹林濕地的面積及生態(tài)環(huán)境的影響，如水體富營(yíng)養(yǎng)化的破壞。本文采用酸催化法、堿催化法和BF3催化法進(jìn)行甲酯化方法篩選，選取最優(yōu)甲酯化法對(duì)海南紅樹林濕地保護(hù)公園（海南澄邁）內(nèi)8個(gè)采樣地點(diǎn)的水體樣品的有機(jī)溶劑提取物進(jìn)行甲酯化衍生預(yù)處理，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)選擇離子的檢測(cè)方法進(jìn)行分離鑒定和歸一法分析，并用碳數(shù)組成參數(shù)和分布特征探索園區(qū)內(nèi)水體油狀污染物來源，提出改善園區(qū)內(nèi)水體改善的合理建議，為紅樹林濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：海南紅樹林濕地保護(hù)公園內(nèi)水體油狀污染物主要成分為烷烴（占比超過70%），其中正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)出以低碳數(shù)為主的分布特征，碳數(shù)分布范圍在C10～C33，其主峰為nC17且L/H分布范圍為1.51～2.19，發(fā)現(xiàn)水體污染源主要來自浮游生物和藻類輸入。Key：紅樹林;油狀污染物;甲酯化;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用;浮游生物和藻類：S718.5

：AAbstract：Thisstudywasconductedtoinvestigatethechemicalcompositionsoftheoilpollutantsinmangrovewetlandpark（Chengmai，HainanProvince）inordertoprotectmangroveecologicalenvironment.Thelardwasmethyl-esterifiedbyacidcatalyst，alkalicatalystandBF3catalyst.Theoptimalmethylesterificationmethodwasusedtopretreattheoilpollutantsonthewatersurfacecollectedfromeightsamplingsitesinwetlandparks.Theircompositionswerestudiedbygaschromatography-mass（GC-MS）.Therelativecontentwasquantifiedbythepeakareanormalizationmethod.Ourresultsdemonstratedthatthemaincomponentsofoilpollutantswerehydrocarbons（over70%），inwhichn-alkaneswerethedominant，andthecarbonnumberdistributionrangewasC10～C33.Thenormalparaffindistributionwasalow-carbonchainmainlycomposedofnC17andL/Hrangewas1.51～2.19，whichindicatingthepollutionsourcesweremainlyderivedfromplanktonandalgaeinput.Keywords：mangrove;oilpollutants;esterification;GC-MS;planktonandalgaeDOI：10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.039紅樹林（mangrove）是生長(zhǎng)于熱帶、亞熱帶海岸和河口潮間帶的木本植物群落[1]，對(duì)維持沿海城市生態(tài)安全、防風(fēng)御浪、調(diào)節(jié)氣候和維護(hù)生物多樣性等具有顯著作用，常被稱為“海岸衛(wèi)士”[2]，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)價(jià)值[3]。但隨著現(xiàn)代化工業(yè)以及城市發(fā)展步伐的不斷加快，海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的缺乏以及人為干擾等問題，紅樹林的生長(zhǎng)環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞[4]，而海岸帶過度開發(fā)、水產(chǎn)過量養(yǎng)殖以及農(nóng)藥的不合理使用，更是導(dǎo)致紅樹林的面積急劇減少，生態(tài)環(huán)境面臨一些相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如水體富營(yíng)養(yǎng)化的破壞，因此保護(hù)紅樹林的生態(tài)環(huán)境愈加重要[5]。本文采用酸催化法、堿催化法和BF3催化法分別對(duì)豬油進(jìn)行甲酯化方法篩選，選取最優(yōu)甲酯化法對(duì)海南紅樹林濕地保護(hù)公園（海南澄邁）內(nèi)8個(gè)采樣點(diǎn)的油狀污染物樣品進(jìn)行甲酯化衍生預(yù)處理，通過GC-MS聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行成分鑒定和歸一化分析，依據(jù)分析結(jié)果探索污染物來源，提出改善園區(qū)內(nèi)水體改善的合理建議，為紅樹林生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。1

材料與方法1.1

材料1.1.1

樣品來源

樣品采自海南省澄邁縣紅樹林濕地保護(hù)公園，采集的8個(gè)樣品分別為：M1（北緯195434，東經(jīng)10901）、M2（北緯195442，東經(jīng)10901）、M3（北緯195552，東經(jīng)10902）采自園區(qū)不同區(qū)域的油狀污染物樣品;M4（北緯19552，東經(jīng)10901）園區(qū)內(nèi)餐廳污水、M5（北緯195456，東經(jīng)10903）園區(qū)火烈鳥飼養(yǎng)池污水、M6（北緯19543，東經(jīng)109040）園區(qū)正常水域、M7（北緯19556，東經(jīng)109140）園區(qū)閘門內(nèi)正常水域、M8（北緯19558，東經(jīng)109141）閘門外入?？谡Ｋ?。1.1.2

儀器與試劑

R501型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海申勝科技有限公司;SHB-ⅢS型循環(huán)水真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;AR224CN型電子天平，奧豪斯儀器（常州）有限公司;HHS-21-8型電熱恒溫水浴鍋，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;7890B-7000B型氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS），美國(guó)安捷倫。氯仿，廣州化學(xué)試劑廠;石油醚、乙酸乙酯、NaCl、KOH、三氟化硼乙醚、阿拉丁、濃硫酸，西隴科學(xué)股份有限公司，均為分析純;甲醇、正己烷，西隴科學(xué)股份有限公司，均為色譜純。1.2

方法1.2.1

甲酯化方法的篩選

以豬油為對(duì)照探究最優(yōu)甲酯化方法用于污染物油狀提取物甲酯化，3種甲酯化方法如下：酸催化法：稱取0.1g豬油樣品置于帶有螺旋帽的試管中，加入2.5mol/L濃硫酸?甲醇溶液1.0mL，于70℃水浴加熱30min，加2mL正己烷提取甲酯化產(chǎn)物，取出上清，下層再用1mL正己烷洗滌，上清液合并后待測(cè)[6]。堿催化法：稱取0.1g豬油樣品置于帶有螺旋帽的試管中，加入10mol/L的KOH溶液0.7mL，5.3mL甲醇，于55℃水浴加熱1.5h，每20min用手劇烈搖晃5s。冷卻后，加12mol/L的硫酸0.58mL，55℃水浴加熱1.5h，每20min用手劇烈搖晃5s。冷卻后，加入3mL正己烷，在旋渦混合器上振搖5min，然后再離心5min，取上清液備用[7]。BF3催化法：取0.1g豬油樣品，置于帶有螺旋帽的試管中，加入4mL0.5mol/L的KOH-MeOH溶液，于60℃水浴30min，至黃色油珠完全消失為止，冷卻后，再加2.5mL14%的三氟化硼乙醚溶液，于60℃水浴5min，取出冷卻后，加入3mL正己烷和2mLNaCl飽和溶液，振搖，取上層溶液備用[8]。1.2.2

油狀污染物的有機(jī)溶劑提取

將含有油狀污染物的水體樣品用濾紙過濾，將濾液按石油醚、氯仿、乙酸乙酯的順序，料液比為1∶4依次進(jìn)行萃取，同樣方法重復(fù)提取3次，合并有機(jī)層，減壓濃縮，獲得樣品浸膏，待浸膏完全干燥之后，用正己烷對(duì)浸膏進(jìn)行溶解用于GC-MS分析。1.2.3

污染物的GC-MS分析

將上述所獲得的樣品浸膏按照BF3催化法進(jìn)行甲酯化處理，隨后置于氣相色譜樣品管中，封口待測(cè)。用氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用儀測(cè)定油狀污染物的組成及含量。色譜條件為：色譜柱AgilentHP-5MS5%PhenylMethylSilox0℃～325℃，30m×250μm×0.25μm;升溫程序?yàn)椋簭?0℃開始，以6℃/min升到300℃，保持17min;進(jìn)樣口溫度為：250℃;載氣：He;柱流量：1mL/min;分流比：不分流。質(zhì)譜條件：EI源;電離電壓：70eV;離子源溫度：230℃;掃描范圍：20～450amu;進(jìn)樣量：1.0μL。對(duì)油狀污染物的總離子流色譜圖通過NIST標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)進(jìn)行檢索，確認(rèn)其成分類型，按面積歸一化法進(jìn)行定量分析，計(jì)算出各峰面積的相對(duì)百分含量。2

結(jié)果與分析2.1

3種不同甲酯化方法的比較分析從表1豬油中的脂肪酸成分及其在油中的相對(duì)百分比含量分布表可以看出，3種甲酯化方法鑒定出的脂肪酸數(shù)量及脂肪酸占比含量不同，酸催化法下鑒定出10種脂肪酸，占豬油總量91.97%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例為35.03%，十六酸所占比例為19.70%，硬脂酸所占比例為15.54%;堿催化法下鑒定出14種脂肪酸，占豬油總量的95.74%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例為19.91%，十六碳烯酸所占比例為18.89%，十四酸所占比例為14.43%;BF3催化法鑒定出了17種脂肪酸，占豬油總量的98.52%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例為47.60%，十六碳烯酸所占比例為10.24%，十四酸所占比例為9.20%。結(jié)果表明：BF3催化法的甲酯化效果優(yōu)于堿催化法和酸催化法。3種催化方法下的豬油的GC-MS分析總離子圖見圖1～圖3，總離子圖表明BF3催化法下甲酯化效果最優(yōu)。因此，本文采用BF3催化法進(jìn)行紅樹林油狀污染物樣品的甲酯化預(yù)處理。2.2

油狀污染物的成分鑒定和歸一化分析從表2可以看出，水體油狀污染物樣品M1～M3及正常水域樣品M6～M8均以烴類化合物為主，烴類占比分別為73.41%、71.51%、80.93%、74.36%、80.39%、77.76%;餐廳油污樣品M4和火烈鳥飼料油污樣品M5中主要成分為脂肪酸，脂肪酸占比分別為87.27%和84.93%，表明園區(qū)污染并不是由園區(qū)餐廳及火烈鳥養(yǎng)殖園輸入引起的。2.3

正構(gòu)烷烴的組成與分布特征分析表3為水體油狀污染物樣品M1～M3及正常水域樣品M6～M8中正構(gòu)烷烴組成參數(shù);圖4為水體油狀污染物樣品M1～M3中正構(gòu)烷烴的分布特征;圖5為正常水域樣品M6～M8中正構(gòu)烷烴的分布特征。結(jié)果顯示，所有水體樣品中檢測(cè)到長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴，M1～M3中正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)出以低碳數(shù)為主的分布特征，碳數(shù)分布范圍在C10～C33，呈顯著的奇偶優(yōu)勢(shì)特征，其主碳峰（MH）為nC17，L/H（∑C21?/∑C22+）分布范圍為1.51～2.19;M6～M8中正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)出以高碳數(shù)為主的分布特征，碳數(shù)分布范圍在C10～C36，呈顯著的奇偶優(yōu)勢(shì)特征，其主峰為nC27，L/H分布范圍為0.40～0.54。3

討論正構(gòu)烷烴廣泛分布于浮游生物（細(xì)菌、藻類）以及高等植物等生物體中，或者源自于原油等化石燃料，通過水體中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)組成參數(shù)和分布特征，可以大概了解紅樹林園區(qū)內(nèi)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，從而監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)水體的質(zhì)量[9]。一般來說，高碳數(shù)分子正構(gòu)烷烴主峰碳分布范圍在nC25～nC35（長(zhǎng)鏈碳），呈顯著的奇偶優(yōu)勢(shì)特征，源自于高等植物碎屑經(jīng)生物化學(xué)作用的產(chǎn)物，即源于陸源高等植物輸入[10];而主峰為nC15、nC17、nC21（短鏈碳）的低碳數(shù)分子正構(gòu)烷烴常被認(rèn)為來自于低等水生生物碎屑經(jīng)生物化學(xué)作用的產(chǎn)物，即浮游和底棲藻類衍生脂類輸入，或者來源于原油、汽車尾氣或化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)物[11]。其中，來源于藻類等低等生物的正構(gòu)烷烴以具有奇碳優(yōu)勢(shì)為特征，而來源于原油、汽車尾氣或化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)物的正構(gòu)烷烴則不具有明顯的奇偶優(yōu)勢(shì)[12]。正構(gòu)烷烴的短碳鏈和長(zhǎng)碳鏈組分間的相對(duì)含量L/H，可反映以細(xì)菌、藻類為代表的浮游生物輸入與高等植物輸入對(duì)水體有機(jī)質(zhì)的相對(duì)貢獻(xiàn)，較高的L/H往往指示浮游生物等有機(jī)質(zhì)的優(yōu)勢(shì)輸入[13]。本研究通過BF3催化法對(duì)海南紅樹林濕地保護(hù)公園內(nèi)8個(gè)采樣地點(diǎn)的水體樣品的有機(jī)溶劑提取物進(jìn)行甲酯化衍生預(yù)處理，GC-MS聯(lián)用技術(shù)對(duì)預(yù)處理樣品進(jìn)行成分測(cè)定和歸一法分析，并用碳數(shù)組成參數(shù)和分布特征。水體油狀污染物樣品M1～M3及正常水域樣品M6～M8均為烴類化合物為主導(dǎo)，M1～M3中正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)出以低碳數(shù)為主的分布特征，碳數(shù)分布范圍在C10～C33，其主峰為nC17，L/H分布范圍為1.51～2.19，表明正構(gòu)烷烴的分布中短鏈部分的相對(duì)豐度要顯著高于長(zhǎng)鏈部分，且奇偶優(yōu)勢(shì)強(qiáng)烈，說明園區(qū)水域存在一定程度的富營(yíng)養(yǎng)化，污染物不是由于原油、汽車尾氣或化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)物引起的，以浮游生物和藻類輸入占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì);M4、M5的主要成分是脂肪酸為主導(dǎo)，脂肪酸占比分別為87.27%和84.93%，表明園區(qū)內(nèi)餐廳及火烈鳥養(yǎng)殖基地未將污染物輸入到園區(qū)水體，沒有對(duì)園區(qū)水體造成污染;M6～M8中正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)出以高碳數(shù)為主的分布特征，碳數(shù)分布范圍在C10～C36，其主峰為nC27，L/H分布范圍為0.40～0.54，表明正構(gòu)烷烴的分布中短鏈部分的相對(duì)豐度要顯著低于長(zhǎng)鏈部分，以陸源高等植物輸入占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。紅樹林區(qū)的浮游生物是紅樹林生態(tài)系中除紅樹植物、底棲藻類外的又一重要生產(chǎn)者，是海洋動(dòng)物尤其是海洋動(dòng)物幼蟲和幼體的直接餌料和紅樹林生態(tài)系重要的食物鏈組成部分[14]。水體富營(yíng)養(yǎng)化后水中氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量增高[15]，給予浮游生物和藻類更適應(yīng)的生存環(huán)境，使得水體浮游生物及藻類的增長(zhǎng)，由于浮游生物大量繁殖，往往呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等造成水體的嚴(yán)重污染[16]。靜止水體富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重高于流動(dòng)水體，水體的交換在一定程度上可以減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集[17]，流動(dòng)水體中的水生植物的增長(zhǎng)在一定程度上也有利于水體的自凈能力[18]，海南紅樹林濕地保護(hù)公園內(nèi)屬于典型的水庫(kù)型水域，且水閘長(zhǎng)期關(guān)閉，不利于紅樹林園區(qū)內(nèi)與外界的水體交換，同時(shí)水閘使得水體流速減緩，長(zhǎng)期的封閉使得營(yíng)養(yǎng)物的富集，造成一定的水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類得到更適宜的生存條件，建議園區(qū)定期開閘促進(jìn)水體交換減少營(yíng)養(yǎng)物的富集，避免富營(yíng)養(yǎng)加劇發(fā)生水華。Reference郭雨昕.廣西北部灣紅樹林生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)[J].黑龍江科學(xué)，2018，9（24）：42-45，49.張世杰，許乃升，崔佳瑞，等.海南省紅樹林景觀設(shè)計(jì)方法調(diào)查與研究[J].濕地科學(xué)，2018，16（4）：457-465.何玉花，張東水，邱炳文，等.中國(guó)紅樹林與典型區(qū)紅樹林群落重心遷移特征及共性關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志，2019，38（8）：2326-2336.周振超，李

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