氣相色譜–質譜聯用（GC-MS）技術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：隨著現代化工業以及城市發展步伐的不斷加快，海洋生態環境保護意識的缺乏以及人為干擾等問題，產生了一些對紅樹林濕地的面積及生態環境的影響，如水體富營養化的破壞。本文采用酸催化法、堿催化法和BF3催化法進行甲酯化方法篩選，選取最優甲酯化法對海南紅樹林濕地保護公園（海南澄邁）內8個采樣地點的水體樣品的有機溶劑提取物進行甲酯化衍生預處理，采用氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）技術選擇離子的檢測方法進行分離鑒定和歸一法分析，并用碳數組成參數和分布特征探索園區內水體油狀污染物來源，提出改善園區內水體改善的合理建議，為紅樹林濕地生態環境保護提供科學依據。結果表明：海南紅樹林濕地保護公園內水體油狀污染物主要成分為烷烴（占比超過70%），其中正構烷烴呈現出以低碳數為主的分布特征，碳數分布范圍在C10～C33，其主峰為nC17且L/H分布范圍為1.51～2.19，發現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-質譜聯用;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）是生長于熱帶、亞熱帶海岸和河口潮間帶的木本植物群落[1]，對維持沿海城市生態安全、防風御浪、調節氣候和維護生物多樣性等具有顯著作用，常被稱為“海岸衛士”[2]，具有重要的經濟、社會和生態價值[3]。但隨著現代化工業以及城市發展步伐的不斷加快，海洋生態環境保護意識的缺乏以及人為干擾等問題，紅樹林的生長環境遭到嚴重的破壞[4]，而海岸帶過度開發、水產過量養殖以及農藥的不合理使用，更是導致紅樹林的面積急劇減少，生態環境面臨一些相當嚴峻的挑戰，如水體富營養化的破壞，因此保護紅樹林的生態環境愈加重要[5]。本文采用酸催化法、堿催化法和BF3催化法分別對豬油進行甲酯化方法篩選，選取最優甲酯化法對海南紅樹林濕地保護公園（海南澄邁）內8個采樣點的油狀污染物樣品進行甲酯化衍生預處理，通過GC-MS聯用技術進行成分鑒定和歸一化分析，依據分析結果探索污染物來源，提出改善園區內水體改善的合理建議，為紅樹林生態保護提供科學依據。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公園，采集的8個樣品分別為：M1（北緯195434，東經10901）、M2（北緯195442，東經10901）、M3（北緯195552，東經10902）采自園區不同區域的油狀污染物樣品;M4（北緯19552，東經10901）園區內餐廳污水、M5（北緯195456，東經10903）園區火烈鳥飼養池污水、M6（北緯19543，東經109040）園區正常水域、M7（北緯19556，東經109140）園區閘門內正常水域、M8（北緯19558，東經109141）閘門外入海口正常水域。1.1.2

儀器與試劑

R501型旋轉蒸發儀，上海申勝科技有限公司;SHB-ⅢS型循環水真空泵，鄭州長城科工貿有限公司;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，上海博迅實業有限公司;7890B-7000B型氣相色譜?質譜聯用儀（GC-MS），美國安捷倫。氯仿，廣州化學試劑廠;石油醚、乙酸乙酯、NaCl、KOH、三氟化硼乙醚、阿拉丁、濃硫酸，西隴科學股份有限公司，均為分析純;甲醇、正己烷，西隴科學股份有限公司，均為色譜純。1.2

方法1.2.1

甲酯化方法的篩選

以豬油為對照探究最優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物，取出上清，下層再用1mL正己烷洗滌，上清液合并后待測[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依次進行萃取，同樣方法重復提取3次，合并有機層，減壓濃縮，獲得樣品浸膏，待浸膏完全干燥之后，用正己烷對浸膏進行溶解用于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催化法進行甲酯化處理，隨后置于氣相色譜樣品管中，封口待測。用氣相色譜?質譜聯用儀測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;升溫程序為：從60℃開始，以6℃/min升到300℃，保持17min;進樣口溫度為：250℃;載氣：He;柱流量：1mL/min;分流比：不分流。質譜條件：EI源;電離電壓：70eV;離子源溫度：230℃;掃描范圍：20～450amu;進樣量：1.0μL。對油狀污染物的總離子流色譜圖通過NIST標準質譜庫進行檢索，確認其成分類型，按面積歸一化法進行定量分析，計算出各峰面積的相對百分含量。2

結果與分析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%。結果表明：BF3催化法的甲酯化效果優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。因此，本文采用BF3催化法進行紅樹林油狀污染物樣品的甲酯化預處理。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%，表明園區污染并不是由園區餐廳及火烈鳥養殖園輸入引起的。2.3

正構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中正構烷烴組成參數;圖4為水體油狀污染物樣品M1～M3中正構烷烴的分布特征;圖5為正常水域樣品M6～M8中正構烷烴的分布特征。結果顯示，所有水體樣品中檢測到長鏈正構烷烴，M1～M3中正構烷烴呈現出以低碳數為主的分布特征，碳數分布范圍在C10～C33，呈顯著的奇偶優勢特征，其主碳峰（MH）為nC17，L/H（∑C21?/∑C22+）分布范圍為1.51～2.19;M6～M8中正構烷烴呈現出以高碳數為主的分布特征，碳數分布范圍在C10～C36，呈顯著的奇偶優勢特征，其主峰為nC27，L/H分布范圍為0.40～0.54。3

討論正構烷烴廣泛分布于浮游生物（細菌、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，通過水體中正構烷烴的碳數組成參數和分布特征，可以大概了解紅樹林園區內水體的富營養化程度，從而監測、預報水體的質量[9]。一般來說，高碳數分子正構烷烴主峰碳分布范圍在nC25～nC35（長鏈碳），呈顯著的奇偶優勢特征，源自于高等植物碎屑經生物化學作用的產物，即源于陸源高等植物輸入[10];而主峰為nC15、nC17、nC21（短鏈碳）的低碳數分子正構烷烴常被認為來自于低等水生生物碎屑經生物化學作用的產物，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物[11]。其中，來源于藻類等低等生物的正構烷烴以具有奇碳優勢為特征，而來源于原油、汽車尾氣或化石燃料的不完全燃燒產物的正構烷烴則不具有明顯的奇偶優勢[12]。正構烷烴的短碳鏈和長碳鏈組分間的相對含量L/H，可反映以細菌、藻類為代表的浮游生物輸入與高等植物輸入對水體有機質的相對貢獻，較高的L/H往往指示浮游生物等有機質的優勢輸入[13]。本研究通過BF3催化法對海南紅樹林濕地保護公園內8個采樣地點的水體樣品的有機溶劑提取物進行甲酯化衍生預處理，GC-MS聯用技術對預處理樣品進行成分測定和歸一法分析，并用碳數組成參數和分布特征。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，M1～M3中正構烷烴呈現出以低碳數為主的分布特征，碳數分布范圍在C10～C33，其主峰為nC17，L/H分布范圍為1.51～2.19，表明正構烷烴的分布中短鏈部分的相對豐度要顯著高于長鏈部分，且奇偶優勢強烈，說明園區水域存在一定程度的富營養化，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物引起的，以浮游生物和藻類輸入占主導優勢;M4、M5的主要成分是脂肪酸為主導，脂肪酸占比分別為87.27%和84.93%，表明園區內餐廳及火烈鳥養殖基地未將污染物輸入到園區水體，沒有對園區水體造成污染;M6～M8中正構烷烴呈現出以高碳數為主的分布特征，碳數分布范圍在C10～C36，其主峰為nC27，L/H分布范圍為0.40～0.54，表明正構烷烴的分布中短鏈部分的相對豐度要顯著低于長鏈部分，以陸源高等植物輸入占主導優勢。紅樹林區的浮游生物是紅樹林生態系中除紅樹植物、底棲藻類外的又一重要生產者，是海洋動物尤其是海洋動物幼蟲和幼體的直接餌料和紅樹林生態系重要的食物鏈組成部分[14]。水體富營養化后水中氮、磷等植物營養物質含量增高[15]，給予浮游生物和藻類更適應的生存環境，使得水體浮游生物及藻類的增長，由于浮游生物大量繁殖，往往呈現藍色、紅色、棕色、乳白色等造成水體的嚴重污染[16]。靜止水體富營養化程度嚴重高于流動水體，水體的交換在一定程度上可以減少營養物質的富集[17]，流動水體中的水生植物的增長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公園內屬于典型的水庫型水域，且水閘長期關閉，不利于紅樹林園區內與外界的水體交換，同時水閘使得水體流速減緩，長期的封閉使得營養物的富集，造成一定的水體富營養化，藻類得到更適宜的生存條件，建議園區定期開閘促進水體交換減少營養物的富集，避免富營養加劇發生水華。Reference郭雨昕.廣西北部灣紅樹林生態經濟價值評價[J].黑龍江科學，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計方法調查與研究[J].濕地科學，2018，16（4）：457-465.何玉花，張東水，邱炳文，等.中國紅樹林與典型區紅樹林群落重心遷移特征及共性關系[J].生態學雜志，2019，38（8）：2326-2336.周振超，李

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