紅樹林濕地沉積物中脂類生物標(biāo)志物的應(yīng)用研究進(jìn)展

白 羊, 嚴(yán)重玲, 薛 博, 盧豪良, 謝 峰

(廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院污染生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361005)

紅樹林濕地沉積物中脂類生物標(biāo)志物的應(yīng)用研究進(jìn)展

Progress in application of lipid biomarkers in mangrove wetland sediment

白 羊, 嚴(yán)重玲, 薛 博, 盧豪良, 謝 峰

(廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院污染生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361005)

紅樹林(mangrove)是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶潮間帶,受周期性潮水浸淹, 以紅樹植物為主體的常綠灌木或喬木組成的潮灘濕地木本生物群落。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)處于海洋與陸地的動(dòng)態(tài)交界面, 作為獨(dú)特的海陸邊緣生態(tài)系統(tǒng)在自然生態(tài)平衡中起著獨(dú)特的作用[1-2]。紅樹林有著高生產(chǎn)力且能有效地吸附水體中的懸浮顆粒, 其沉積速率顯著高于一般的潮灘濕地且有著非?；钴S的碳循環(huán), 因此盡管紅樹林濕地面積僅占總海域的一小部分, 但其在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[3-5]。近年來, 對(duì)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的研究和保護(hù)正成為生態(tài)學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。脂類生物標(biāo)志物(lipid biomarkers)是沉積物有機(jī)質(zhì)中能夠溶于醚、苯、氯仿等有機(jī)溶劑而不溶于水的一大類化合物, 包括正烷烴、脂肪酸、多環(huán)芳烴、烷醇、三萜系化合物、甾醇等, 它們有著很大的結(jié)構(gòu)多樣性和生物特異性, 可作為沉積物中的生物標(biāo)志物[6]。紅樹林濕地沉積物中含有其紅樹植物以及河流、潮汐等輸入的豐富脂類生物標(biāo)志物, 其直接來源于生物脂類, 保留了生物脂類的基本分子骨架, 能提供有機(jī)質(zhì)輸入、沉積環(huán)境與成巖變化等多方面的信息[7-8]。本文結(jié)合作者在紅樹林濕地的相關(guān)研究工作, 綜述了近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于紅樹林濕地沉積物中脂類生物標(biāo)志物在紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)物源, 古環(huán)境研究以及污染物溯源等方面應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 應(yīng)用脂類生物標(biāo)志物檢測(cè)紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)物源

1.1 紅樹林濕地中有機(jī)物質(zhì)來源

紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)(organic matter)的來源可分內(nèi)源輸入和外源輸入兩種： 內(nèi)源輸入主要指紅樹植物的凋落物、浮游植物、底棲生物的初級(jí)生產(chǎn)和次級(jí)生產(chǎn)的輸入; 外源輸入主要指通過外界水源補(bǔ)給,如地表徑流、地下水和海洋潮汐等攜帶進(jìn)來的顆粒態(tài)和溶解態(tài)的有機(jī)質(zhì)[4,7-9]。Volkman等[9]2007對(duì)澳大利亞奧德河口紅樹林濕地沉積物有機(jī)質(zhì)來源研究表明有機(jī)質(zhì)的主要來源為外源輸入, 包括陸源高等植物以及海洋微藻輸入等。Xue等[10]2009年對(duì)福建漳江口紅樹林濕地沉積物中有機(jī)質(zhì)來源進(jìn)行了研究,也認(rèn)為紅樹植物輸入并非沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來源,沉積物中的有機(jī)質(zhì)很大一部分可能為河流和海洋攜帶的外源有機(jī)質(zhì)輸入。不同來源的有機(jī)質(zhì)具有不同的脂類標(biāo)志化合物組成特征, 通常采用索氏提取法、微波提取法和超聲波提取法等對(duì)沉積物中的脂類物質(zhì)進(jìn)行提取, 提取出的中性組分和經(jīng)衍生化后的極性組分, 使用高效液相色譜儀(HPLC)、氣相色譜儀(GC)、氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)和氣相色譜與同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-IRMS)等儀器進(jìn)行分析,得到脂類生物標(biāo)志物的組成特征和各單體同位素比值, 再結(jié)合大量元素和穩(wěn)定同位素的測(cè)定結(jié)果來討論其有機(jī)質(zhì)物源[8-9,11-13]。

紅樹植物目前尚未發(fā)現(xiàn)有特定的脂類生物標(biāo)志化合物, 但紅樹植物體內(nèi)含量較高的一些脂類, 如C18多元不飽和脂肪酸和蒲公英賽醇(taraxerol)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。Hall等[14]利用 C18多元不飽和脂肪酸18：2n6和18：3n3脂肪酸作為紅樹植物的生物標(biāo)記物研究紅樹林濕地食物鏈。Versteegh等[15], Scoursea等[16]研究發(fā)現(xiàn)剛果河口沉積物中蒲公英賽醇與陸源烷烴、烷醇含量之比及其與沉積物中紅樹植物孢粉含量之比存在著正相關(guān)關(guān)系。從而指出蒲公英賽醇雖然不是紅樹植物特有的脂類, 但其在紅樹植物中含量高于其他高等植物中的含量, 可以作為沉積物中紅樹植物歷史分布和有機(jī)質(zhì)輸入的特定生物標(biāo)志化合物。

1.2 紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)流動(dòng)

紅樹林具有極高的生產(chǎn)力, 其總的生產(chǎn)力(包括葉凋落物、軀干生產(chǎn)力和根生產(chǎn)力)可以達(dá)到149 mol/(m2·a), 其中葉凋落物量占到1/3左右[17-18]。一部分的紅樹植物凋落物直接進(jìn)入紅樹林濕地和臨近的沉積物, 據(jù) Jennerjahn和 Ittekkot[18]估計(jì), 紅樹林貢獻(xiàn)陸源輸入到海洋中有機(jī)質(zhì)的 11%和現(xiàn)代海洋沉積物中 15%。此外紅樹植物凋落物被認(rèn)為是整個(gè)潮間帶底棲動(dòng)物、藻類和細(xì)菌等最重要的營(yíng)養(yǎng)來源,底棲蟹類大多以紅樹植物凋落物為食, 且在紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮了重要的作用[19]。Thongtham和Kristensen[20]研究表明紅樹林濕地底棲蟹類主要以紅樹植物凋落物為食, 且通常要攝食超過其同化量的 2倍以上, 其排泄物為微生物和藻類提供了生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)。

在最近的研究中, 脂肪酸作為研究復(fù)雜食物網(wǎng)的有效手段被廣泛應(yīng)用。無脊椎動(dòng)物不能合成自身所需要的必需脂肪酸, 而這些脂肪酸通常只能由不同的初級(jí)生產(chǎn)者合成, 因此研究無脊椎動(dòng)物各組織中的脂肪酸含量和分布能夠反映出其食物來源[21]。Hall等[14]利用脂肪酸作為標(biāo)志物對(duì)澳大利亞黃金海岸紅樹林區(qū)食物鏈進(jìn)行研究, 分別測(cè)定了紅樹植物葉片、腐食性蟹類和肉食性蟹類體內(nèi)組織、糞便中的脂肪酸組成和含量, 指出多不飽和脂肪酸 18：2n6和18：3n3可以作為紅樹植物的標(biāo)志物來追蹤其向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)蟹類的轉(zhuǎn)移, 其中 18：3n3還可以追蹤到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移, 在第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的肉食性蟹類的組織中發(fā)現(xiàn), 從而第一次實(shí)現(xiàn)了利用脂肪酸作為生物標(biāo)記化合物實(shí)現(xiàn)跨越 3個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的有機(jī)質(zhì)追蹤。Alfaro等[22]利用紅樹林濕地內(nèi)各物種脂肪酸和穩(wěn)定同位素組成的不同, 追蹤了新西蘭北部紅樹林濕地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng), 其研究表明第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的動(dòng)物可能存在著多種食物來源, 包括硅藻和紅樹植物凋落物等。

2 應(yīng)用脂類生物標(biāo)志物研究紅樹林濕地古環(huán)境

沉積物樣品中的脂類生物標(biāo)志物在缺氧沉積環(huán)境下可以長(zhǎng)期保存, 其提供的信息可以重建古沉積環(huán)境條件, 探討不同類型環(huán)境因子的變化。與其他的研究方法相比, 脂類生物標(biāo)志物具有輸入源易于確定, 在環(huán)境中可以長(zhǎng)期保存, 且不易受環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)[23-25]。使用脂類生物標(biāo)志物用于研究古環(huán)境已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史, 其在古環(huán)境研究上最具代表性的應(yīng)用是Prymnesiophyte屬藻類分泌的長(zhǎng)鏈C37, C39烯酮的不飽和度指數(shù)與海洋表層溫度的相關(guān)性的建立[26]。

由于紅樹林濕地的理化性質(zhì)和水文條件相當(dāng)復(fù)雜,其古環(huán)境研究主要采取跨學(xué)科結(jié)合的方法, 如水文條件、海水溫度、沉積物孢粉和脂類生物標(biāo)志物等相結(jié)合[27]。Boot等[28]對(duì)巴西亞馬孫灣35 000年內(nèi)脂類生物標(biāo)志化合物研究表明, 高等植物的脂類標(biāo)志化合物在12～35 ka沉積物中含量持續(xù)上升, 細(xì)菌源、藻類源特定脂類生物標(biāo)志物的含量與前者有著相同的趨勢(shì), 經(jīng)過蒲公英賽醇和紅樹植物孢粉相關(guān)分析表明在此期間中紅樹林生產(chǎn)力大大提高, 而陸源營(yíng)養(yǎng)輸入的增加和海岸的侵襲則使海灣內(nèi)藻類及細(xì)菌含量也持續(xù)升高。Xu等[29]對(duì)美國(guó)佛羅里達(dá)灣柱狀沉積物脂類化合物研究表明, 在160年間, 蒲公英賽醇/總有機(jī)碳比值從1936年的 20 μg /g增長(zhǎng)到 1966年的 190 μg /g, 1980年為279 μg /g, 指出紅樹林輸入在160年間有著顯著的增長(zhǎng),可能是水文變化和地理環(huán)境條件的變化的結(jié)果; 對(duì)海草和微生物的研究表明, 在 1988～1995年間大量的海草消失, 隨后又慢慢恢復(fù); 細(xì)菌含量則持續(xù)上升。這些研究結(jié)果表明從20世紀(jì)以來, 人類活動(dòng)嚴(yán)重影響著佛羅里達(dá)灣生態(tài)系統(tǒng)。

此外脂類標(biāo)志化合物中的穩(wěn)定同位素值, 特別是隨氣相色譜與同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)展起來的單體穩(wěn)定同位素的測(cè)定技術(shù), 已經(jīng)能夠更深入研究古環(huán)境參數(shù)(如C單體同位素研究C3、C4植物分布[25], H單體同位素研究沉積環(huán)境[30]), 為古氣候的研究開辟了一條新的途徑。

3 應(yīng)用脂類生物標(biāo)志物對(duì)紅樹林濕地污染物進(jìn)行溯源

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展, 大量工農(nóng)業(yè)廢棄物、生活污水排放以及近海地區(qū)海洋漁業(yè)、船舶運(yùn)輸?shù)鹊呐盼酆鸵缬褪鹿? 位于河口海岸開發(fā)前沿地帶的紅樹林濕地受到普遍的污染。紅樹林濕地沉積物具有的一些特性, 如高生產(chǎn)力、富含有機(jī)質(zhì)碎屑、沉積物顆粒細(xì)和缺氧環(huán)境等使之成為污染物的吸收和蓄積的場(chǎng)所, 從而將污染物毒性放大, 極大地影響環(huán)境[1,31]。脂類生物標(biāo)志物能夠在紅樹林濕地沉積物中長(zhǎng)期存在并且易于測(cè)定, 可以作為穩(wěn)定、可靠的污染標(biāo)志物。

3.1 紅樹林濕地化石燃料污染

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化石燃料(fossil fuel)及其衍生物的使用, 汽車尾氣以及近海地區(qū)海洋漁業(yè)、船舶運(yùn)輸?shù)鹊呐盼酆鸵缬褪鹿试斐闪藝?yán)重的污染, 受其污染的沉積物中含有大量的多環(huán)芳烴和正構(gòu)烷烴。Tam等[32]對(duì)香港上白泥紅樹林表層沉積物受污染情況研究表明, 姥鮫烷、植烷、輕碳組烷烴(n-C14到n-C20)含量均很高, 總石油烴含量為 60～80 μg /g, 紅樹林根際區(qū)總石油烴含量可高達(dá) 1 000 μg /g, 明顯高于其他對(duì)比紅樹林區(qū)沉積物的含量, 指出上白泥紅樹林主要受 1998～2002年間的燃油使用污染。通過多環(huán)芳烴研究也得出類似的結(jié)論, Ke等[33]對(duì)香港紅樹林濕地表層沉積物中多環(huán)芳烴研究表明, 上白泥紅樹林表層沉積物中多環(huán)芳烴的組成以萘(兩環(huán))、芴和菲(三環(huán))為主, 低分子量的多環(huán)芳烴占較大比例, 由此推測(cè)污染源主要為船舶排污、工業(yè)廢水和溢油事件。Tian等[12]對(duì)福建九龍江口紅樹林濕地沉積物多環(huán)芳烴含量進(jìn)行研究表明, 目標(biāo)污染物以四-六環(huán)的多環(huán)芳烴為主, 指出該紅樹林沉積物中的多環(huán)芳烴主要來源于化石燃料的不完全燃燒。此外, Bryselbout等[34]的研究指出可以應(yīng)用植物葉片蠟質(zhì)層中含有的化石燃料有機(jī)化合物組分調(diào)查區(qū)域內(nèi)化石燃料污染情況。

3.2 紅樹林濕地人類活動(dòng)影響及水體富營(yíng)養(yǎng)化

人類活動(dòng)排放含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水排放到紅樹林濕地所處的河口和海灣等緩流水體, 可以在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化, 利用脂類生物標(biāo)志物可以對(duì)人類活動(dòng)影響及海水富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行研究[35-37]。糞甾醇(coprostanol)被多位研究者指出可以作為人類活動(dòng)污染的一種重要的指示物。在成人的排泄物中, 糞甾醇可以占到所有多醇總量的 40%～60%, 遠(yuǎn)高于其他動(dòng)物[38]。Mater等[39]對(duì)巴西圣卡塔琳娜島紅樹林沉積物中的 C、N、P元素和脂類生物標(biāo)志物進(jìn)行了研究表明, 5β-糞醇含量與糞醇異構(gòu)體比率5β/ (5α+5β)較高, C、N、P元素含量與紅樹林輸入無顯著相關(guān)而主要與生活污水排放有關(guān)。指出該地河口紅樹林濕地受到嚴(yán)重的人類活動(dòng)影響, 污水排放干擾了當(dāng)?shù)氐牧?、氮和有機(jī)碳的循環(huán), 從而造成了該地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化。Nicholls等[40]指出富營(yíng)養(yǎng)特別是富 N會(huì)影響紅樹林的生長(zhǎng), 使紅樹植物體內(nèi)和沉積物中的有機(jī)質(zhì)組成發(fā)生變化, 因而可以利用紅樹林沉積物中的脂類生物標(biāo)志物和N含量變化來監(jiān)測(cè)水體富營(yíng)養(yǎng)化情況。

4 研究前景

目前世界各地紅樹林生態(tài)系統(tǒng)正在以驚人的速度轉(zhuǎn)化或退化, 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)尤為重要。探索紅樹林與環(huán)境關(guān)系, 例如紅樹林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)質(zhì)流動(dòng)、紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)能力和長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)等方面將有助于揭示其能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán), 進(jìn)而為紅樹林的保護(hù)提供更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。脂類生物標(biāo)志物可以提供準(zhǔn)確且穩(wěn)定的信息, 是研究紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)有效工具, 近年來, 脂類生物標(biāo)志物在紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)物源源、古環(huán)境研究、污染物溯源等方面取得了廣泛的研究成果。隨著技術(shù)方法的不斷進(jìn)步, 越來越多的脂類生物標(biāo)志化合物的意義被揭示, 使我們能更加深入地研究紅樹林與環(huán)境間的相互關(guān)系、紅樹林濕地的變遷和生物地球化學(xué)循環(huán)等。在污染物檢測(cè)方面, 篩選更多的污染物標(biāo)志物, 對(duì)污染物進(jìn)行溯源, 也是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

由于紅樹林濕地具有獨(dú)特的生境和復(fù)雜的理化性質(zhì), 世界范圍內(nèi)紅樹林分布具有極大的差異性以及涉及到多個(gè)學(xué)科的交叉綜合, 因此紅樹林研究日益需要強(qiáng)大的多學(xué)科背景和國(guó)際范圍內(nèi)技術(shù)合作,這也是其近期發(fā)展速度受到限制的因素之一。隨著對(duì)紅樹林保護(hù)的重要性和迫切性的認(rèn)識(shí)不斷加深,更大規(guī)模的學(xué)術(shù)交叉和國(guó)際合作將出現(xiàn), 同時(shí)隨著分析手段的進(jìn)一步提高, 理論知識(shí)的不斷豐富和研究方法的持續(xù)創(chuàng)新, 脂類生物標(biāo)志物在紅樹林濕地研究中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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P59; P736

A

1000-3096(2011)09-0107-05

2010-08-12;

2010-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30530150、40673064、30710103908);國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(J0630649); 福建省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃資助項(xiàng)目

白羊(1985-), 男, 湖北荊州人, 碩士研究生, 主要從事生物地球化學(xué)研究, E-mail： stef_yang@hotmail.com; 嚴(yán)重玲, 通信作者, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 電話： 0592-2188211, E-mail： ycl@xmu.edu.cn

張培新)