气相色谱–质谱联用（GC-MS）技术解析红树林油状污染物成分及来源

气相色谱–质谱联用（GC-MS）技术解析红树林油状污染物成分及来源

马建坤冯昭邹仁健彭浩南徐静摘

要：随着现代化工业以及城市发展步伐的不断加快，海洋生态环境保护意识的缺乏以及人为干扰等问题，产生了一些对红树林湿地的面积及生态环境的影响，如水体富营养化的破坏。本文采用酸催化法、碱催化法和BF3催化法进行甲酯化方法筛选，选取最优甲酯化法对海南红树林湿地保护公园（海南澄迈）内8个采样地点的水体样品的有机溶剂提取物进行甲酯化衍生预处理，采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术选择离子的检测方法进行分离鉴定和归一法分析，并用碳数组成参数和分布特征探索园区内水体油状污染物来源，提出改善园区内水体改善的合理建议，为红树林湿地生态环境保护提供科学依据。结果表明：海南红树林湿地保护公园内水体油状污染物主要成分为烷烃（占比超过70%），其中正构烷烃呈现出以低碳数为主的分布特征，碳数分布范围在C10～C33，其主峰为nC17且L/H分布范围为1.51～2.19，发现水体污染源主要来自浮游生物和藻类输入。Key：红树林;油状污染物;甲酯化;气相色谱-质谱联用;浮游生物和藻类：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红树林（mangrove）是生长于热带、亚热带海岸和河口潮间带的木本植物群落[1]，对维持沿海城市生态安全、防风御浪、调节气候和维护生物多样性等具有显著作用，常被称为“海岸卫士”[2]，具有重要的经济、社会和生态价值[3]。但随着现代化工业以及城市发展步伐的不断加快，海洋生态环境保护意识的缺乏以及人为干扰等问题，红树林的生长环境遭到严重的破坏[4]，而海岸带过度开发、水产过量养殖以及农药的不合理使用，更是导致红树林的面积急剧减少，生态环境面临一些相当严峻的挑战，如水体富营养化的破坏，因此保护红树林的生态环境愈加重要[5]。本文采用酸催化法、碱催化法和BF3催化法分别对猪油进行甲酯化方法筛选，选取最优甲酯化法对海南红树林湿地保护公园（海南澄迈）内8个采样点的油状污染物样品进行甲酯化衍生预处理，通过GC-MS联用技术进行成分鉴定和归一化分析，依据分析结果探索污染物来源，提出改善园区内水体改善的合理建议，为红树林生态保护提供科学依据。1

材料与方法1.1

材料1.1.1

样品来源

样品采自海南省澄迈县红树林湿地保护公园，采集的8个样品分别为：M1（北纬195434，东经10901）、M2（北纬195442，东经10901）、M3（北纬195552，东经10902）采自园区不同区域的油状污染物样品;M4（北纬19552，东经10901）园区内餐厅污水、M5（北纬195456，东经10903）园区火烈鸟饲养池污水、M6（北纬19543，东经109040）园区正常水域、M7（北纬19556，东经109140）园区闸门内正常水域、M8（北纬19558，東经109141）闸门外入海口正常水域。1.1.2

仪器与试剂

R501型旋转蒸发仪，上海申胜科技有限公司;SHB-ⅢS型循环水真空泵，郑州长城科工贸有限公司;AR224CN型电子天平，奥豪斯仪器（常州）有限公司;HHS-21-8型电热恒温水浴锅，上海博迅实业有限公司;7890B-7000B型气相色谱?质谱联用仪（GC-MS），美国安捷伦。氯仿，广州化学试剂厂;石油醚、乙酸乙酯、NaCl、KOH、三氟化硼乙醚、阿拉丁、浓硫酸，西陇科学股份有限公司，均为分析纯;甲醇、正己烷，西陇科学股份有限公司，均为色谱纯。1.2

方法1.2.1

甲酯化方法的筛选

以猪油为对照探究最优甲酯化方法用于污染物油状提取物甲酯化，3种甲酯化方法如下：酸催化法：称取0.1g猪油样品置于带有螺旋帽的试管中，加入2.5mol/L浓硫酸?甲醇溶液1.0mL，于70℃水浴加热30min，加2mL正己烷提取甲酯化产物，取出上清，下层再用1mL正己烷洗涤，上清液合并后待测[6]。碱催化法：称取0.1g猪油样品置于带有螺旋帽的试管中，加入10mol/L的KOH溶液0.7mL，5.3mL甲醇，于55℃水浴加热1.5h，每20min用手剧烈摇晃5s。冷却后，加12mol/L的硫酸0.58mL，55℃水浴加热1.5h，每20min用手剧烈摇晃5s。冷却后，加入3mL正己烷，在旋涡混合器上振摇5min，然后再离心5min，取上清液备用[7]。BF3催化法：取0.1g猪油样品，置于带有螺旋帽的试管中，加入4mL0.5mol/L的KOH-MeOH溶液，于60℃水浴30min，至黄色油珠完全消失为止，冷却后，再加2.5mL14%的三氟化硼乙醚溶液，于60℃水浴5min，取出冷却后，加入3mL正己烷和2mLNaCl饱和溶液，振摇，取上层溶液备用[8]。1.2.2

油状污染物的有机溶剂提取

将含有油状污染物的水体样品用滤纸过滤，将滤液按石油醚、氯仿、乙酸乙酯的顺序，料液比为1∶4依次进行萃取，同样方法重复提取3次，合并有机层，减压浓缩，获得样品浸膏，待浸膏完全干燥之后，用正己烷对浸膏进行溶解用于GC-MS分析。1.2.3

污染物的GC-MS分析

将上述所获得的样品浸膏按照BF3催化法进行甲酯化处理，随后置于气相色谱样品管中，封口待测。用气相色谱?质谱联用仪测定油状污染物的组成及含量。色谱条件为：色谱柱AgilentHP-5MS5%PhenylMethylSilox0℃～325℃，30m×250μm×0.25μm;升温程序为：从60℃开始，以6℃/min升到300℃，保持17min;进样口温度为：250℃;载气：He;柱流量：1mL/min;分流比：不分流。质谱条件：EI源;电离电压：70eV;离子源温度：230℃;扫描范围：20～450amu;进样量：1.0μL。对油状污染物的总离子流色谱图通过NIST标准质谱库进行检索，确认其成分类型，按面积归一化法进行定量分析，计算出各峰面积的相对百分含量。2

结果与分析2.1

3种不同甲酯化方法的比较分析从表1猪油中的脂肪酸成分及其在油中的相对百分比含量分布表可以看出，3種甲酯化方法鉴定出的脂肪酸数量及脂肪酸占比含量不同，酸催化法下鉴定出10种脂肪酸，占猪油总量91.97%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例为35.03%，十六酸所占比例为19.70%，硬脂酸所占比例为15.54%;碱催化法下鉴定出14种脂肪酸，占猪油总量的95.74%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例为19.91%，十六碳烯酸所占比例为18.89%，十四酸所占比例为14.43%;BF3催化法鉴定出了17种脂肪酸，占猪油总量的98.52%，其中含量最多的是十八碳烯酸，所占比例为47.60%，十六碳烯酸所占比例为10.24%，十四酸所占比例为9.20%。结果表明：BF3催化法的甲酯化效果优于碱催化法和酸催化法。3种催化方法下的猪油的GC-MS分析总离子图见图1～图3，总离子图表明BF3催化法下甲酯化效果最优。因此，本文采用BF3催化法进行红树林油状污染物样品的甲酯化预处理。2.2

油状污染物的成分鉴定和归一化分析从表2可以看出，水体油状污染物样品M1～M3及正常水域样品M6～M8均以烃类化合物为主，烃类占比分别为73.41%、71.51%、80.93%、74.36%、80.39%、77.76%;餐厅油污样品M4和火烈鸟饲料油污样品M5中主要成分为脂肪酸，脂肪酸占比分别为87.27%和84.93%，表明园区污染并不是由园区餐厅及火烈鸟养殖园输入引起的。2.3

正构烷烃的组成与分布特征分析表3为水体油状污染物样品M1～M3及正常水域样品M6～M8中正构烷烃组成参数;图4为水体油状污染物样品M1～M3中正构烷烃的分布特征;图5为正常水域样品M6～M8中正构烷烃的分布特征。结果显示，所有水体样品中检测到长链正构烷烃，M1～M3中正构烷烃呈现出以低碳数为主的分布特征，碳数分布范围在C10～C33，呈显著的奇偶优势特征，其主碳峰（MH）为nC17，L/H（∑C21?/∑C22+）分布范围为1.51～2.19;M6～M8中正构烷烃呈现出以高碳数为主的分布特征，碳数分布范围在C10～C36，呈显著的奇偶优势特征，其主峰为nC27，L/H分布范围为0.40～0.54。3

讨论正构烷烃广泛分布于浮游生物（细菌、藻类）以及高等植物等生物体中，或者源自于原油等化石燃料，通过水体中正构烷烃的碳数组成参数和分布特征，可以大概了解红树林园区内水体的富营养化程度，从而监测、预报水体的质量[9]。一般来说，高碳数分子正构烷烃主峰碳分布范围在nC25～nC35（长链碳），呈显著的奇偶优势特征，源自于高等植物碎屑经生物化学作用的产物，即源于陆源高等植物输入[10];而主峰为nC15、nC17、nC21（短链碳）的低碳数分子正构烷烃常被认为来自于低等水生生物碎屑经生物化学作用的产物，即浮游和底栖藻类衍生脂类输入，或者来源于原油、汽车尾气或化石燃料的不完全燃烧产物[11]。其中，来源于藻类等低等生物的正构烷烃以具有奇碳优势为特征，而来源于原油、汽车尾气或化石燃料的不完全燃烧产物的正构烷烃则不具有明显的奇偶优势[12]。正构烷烃的短碳链和长碳链组分间的相对含量L/H，可反映以细菌、藻类为代表的浮游生物输入与高等植物输入对水体有机质的相对贡献，较高的L/H往往指示浮游生物等有机质的优势输入[13]。本研究通过BF3催化法对海南红树林湿地保护公园内8个采样地点的水体样品的有机溶剂提取物进行甲酯化衍生预处理，GC-MS联用技术对预处理样品进行成分测定和归一法分析，并用碳数组成参数和分布特征。水体油状污染物样品M1～M3及正常水域样品M6～M8均为烃类化合物为主导，M1～M3中正构烷烃呈现出以低碳数为主的分布特征，碳数分布范围在C10～C33，其主峰为nC17，L/H分布范围为1.51～2.19，表明正构烷烃的分布中短链部分的相对丰度要显著高于长链部分，且奇偶优势强烈，说明园区水域存在一定程度的富营养化，污染物不是由于原油、汽车尾气或化石燃料的不完全燃烧产物引起的，以浮游生物和藻类输入占主导优势;M4、M5的主要成分是脂肪酸为主导，脂肪酸占比分别为87.27%和84.93%，表明园区内餐厅及火烈鸟养殖基地未将污染物输入到园区水体，没有对园区水体造成污染;M6～M8中正构烷烃呈现出以高碳数为主的分布特征，碳数分布范围在C10～C36，其主峰为nC27，L/H分布范围为0.40～0.54，表明正构烷烃的分布中短链部分的相对丰度要显著低于长链部分，以陆源高等植物输入占主导优势。红树林区的浮游生物是红树林生态系中除红树植物、底栖藻类外的又一重要生产者，是海洋动物尤其是海洋动物幼虫和幼体的直接饵料和红树林生态系重要的食物链组成部分[14]。水体富營养化后水中氮、磷等植物营养物质含量增高[15]，给予浮游生物和藻类更适应的生存环境，使得水体浮游生物及藻类的增长，由于浮游生物大量繁殖，往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等造成水体的严重污染[16]。静止水体富营养化程度严重高于流动水体，水体的交换在一定程度上可以减少营养物质的富集[17]，流动水体中的水生植物的增长在一定程度上也有利于水体的自净能力[18]，海南红树林湿地保护公园内属于典型的水库型水域，且水闸长期关闭，不利于红树林园区内与外界的水体交换，同时水闸使得水体流速减缓，长期的封闭使得营养物的富集，造成一定的水体富营养化，藻类得到更适宜的生存条件，建议园区定期开闸促进水体交换减少营养物的富集，避免富营养加剧发生水华。Reference郭雨昕.广西北部湾红树林生态经济价值评价[J].黑龙江科学，2018，9（24）：42-45，49.张世杰，许乃升，崔佳瑞，等.海南省红树林景观设计方法调查与研究[J].湿地科学，2018，16（4）：457-465.何玉花，张东水，邱炳文，等.中国红树林与典型区红树林群落重心迁移特征及共性关系[J].生态学杂志，2019，38（8）：2326-2336.周振超，李

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