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)意識的缺乏以及人為干擾等問題，產(chǎn)生了一些對紅樹林濕地的面積及生態(tài)環(huán)境的影響，如水體富營養(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)甲酯化法對海南紅樹林濕地保護(hù)公園（海南澄邁）內(nèi)8個采樣地點的水體樣品的有機(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。

關(guān)鍵詞：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

中圖分類號：S718.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This study was conducted to investigate the chemical compositions of the oil pollutants in mangrove wetland park （Chengmai， Hainan Province） in order to protect mangrove ecological environment. The lard was methyl-esterified by acid catalyst， alkali catalyst and BF3 catalyst. The optimal methyl esterification method was used to pretreat the oil pollutants on the water surface collected from eight sampling sites in wetland parks. Their compositions were studied by gas chromatography-mass （GC-MS）. The relative content was quantified by the peak area normalization method. Our results demonstrated that the main components of oil pollutants were hydrocarbons （over 70%）， in which n-alkanes were the dominant， and the carbon number distribution range was C10～C33. The normal paraffin distribution was a low-carbon chain mainly composed of nC17 and L/H range was 1.51～2.19， which indicatingthe pollution sources were mainly derived from plankton and algae input.

Keywords： mangrove; oil pollutants; esterification; GC-MS; plankton and algae

DOI： 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(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)、社會和生態(tài)價值[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)意識的缺乏以及人為干擾等問題，紅樹林的生長環(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催化法分別對豬油進(jìn)行甲酯化方法篩選，選取最優(yōu)甲酯化法對海南紅樹林濕地保護(hù)公園（海南澄邁）內(nèi)8個采樣點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颉?/p>

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，上海博迅實業(yè)有限公司;7890B- 7000B型氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS），美國安捷倫。

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0.1 g豬油樣品置于帶有螺旋帽的試管中，加入2.5 mol/L濃硫酸?甲醇溶液1.0 mL，于70 ℃水浴加熱30 min，加2 mL正己烷提取甲酯化產(chǎn)物，取出上清，下層再用1 mL正己烷洗滌，上清液合并后待測[6]。

堿催化法：稱取0.1 g豬油樣品置于帶有螺旋帽的試管中，加入10 mol/L的KOH溶液0.7 mL，5.3 mL甲醇，于55 ℃水浴加熱1.5 h，每20 min用手劇烈搖晃5 s。冷卻后，加12 mol/L的硫酸0.58 mL，55 ℃水浴加熱1.5 h，每20 min用手劇烈搖晃5 s。冷卻后，加入3 mL正己烷，在旋渦混合器上振搖5 min，然后再離心5 min，取上清液備用[7]。

BF3催化法：取0.1 g豬油樣品，置于帶有螺旋帽的試管中，加入4 mL 0.5 mol/L的KOH- MeOH溶液，于60 ℃水浴30 min，至黃色油珠完全消失為止，冷卻后，再加2.5 mL 14%的三氟化硼乙醚溶液，于60 ℃水浴5 min，取出冷卻后，加入3 mL正己烷和2 mLNaCl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。用氣相色譜? 質(zhì)譜聯(lián)用儀測定油狀污染物的組成及含量。色譜條件為：色譜柱Agilent HP-5MS 5% Phenyl Methyl Silox 0 ℃～325 ℃，30 m×250 μm×0.25 μm;升溫程序為：從60 ℃開始，以6 ℃/min升到300 ℃，保持17 min;進(jìn)樣口溫度為：250 ℃;載氣：He;柱流量：1 mL/min;分流比：不分流。質(zhì)譜條件：EI源;電離電壓：70 eV;離子源溫度：230 ℃;掃描范圍：20～450 amu;進(jìn)樣量：1.0 μL。對油狀污染物的總離子流色譜圖通過NIST標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫進(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，計算出各峰面積的相對百分含量。

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到長鏈正構(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)水體的富營養(yǎng)化程度，從而監(jiān)測、預(yù)報水體的質(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（長鏈碳），呈顯著的奇偶優(yōu)勢特征，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[12]。正構(gòu)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(xì)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(jī)質(zhì)的相對貢獻(xiàn)，較高的L/H往往指示浮游生物等有機(jī)質(zhì)的優(yōu)勢輸入[13]。

本研究通過BF3催化法對海南紅樹林濕地保護(hù)公園內(nèi)8個采樣地點的水體樣品的有機(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)對預(yù)處理樣品進(jìn)行成分測定和歸一法分析，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豐度要顯著高于長鏈部分，且奇偶優(yōu)勢強(qiáng)烈，說明園區(qū)水域存在一定程度的富營養(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;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豐度要顯著低于長鏈部分，以陸源高等植物輸入占主導(dǎo)優(yōu)勢。

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，是海洋動物尤其是海洋動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]。水體富營養(yǎng)化后水中氮、磷等植物營養(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，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]。靜止水體富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重高于流動水體，水體的交換在一定程度上可以減少營養(yǎng)物質(zhì)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(hù)公園內(nèi)屬于典型的水庫型水域，且水閘長期關(guān)閉，不利于紅樹林園區(qū)內(nèi)與外界的水體交換，同時水閘使得水體流速減緩，長期的封閉使得營養(yǎng)物的富集，造成一定的水體富營養(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)水體交換減少營養(yǎng)物的富集，避免富營養(yǎng)加劇發(fā)生水華。

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