紅樹林濕地沉積物中脂類生物標志物的應用研究進展

白 羊, 嚴重玲, 薛 博, 盧豪良, 謝 峰

(廈門大學 生命科學學院污染生態學實驗室, 福建 廈門 361005)

紅樹林濕地沉積物中脂類生物標志物的應用研究進展

Progress in application of lipid biomarkers in mangrove wetland sediment

白 羊, 嚴重玲, 薛 博, 盧豪良, 謝 峰

(廈門大學 生命科學學院污染生態學實驗室, 福建 廈門 361005)

紅樹林(mangrove)是生長在熱帶、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。紅樹林生態系統處于海洋與陸地的動態交界面, 作為獨特的海陸邊緣生態系統在自然生態平衡中起著獨特的作用[1-2]。紅樹林有著高生產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, 因此盡管紅樹林濕地面積僅占總海域的一小部分, 但其在全球碳循環中發揮著重要的作用[3-5]。近年來, 對紅樹林生態系統的研究和保護正成為生態學研究中的一個熱點。脂類生物標志物(lipid biomarkers)是沉積物有機質中能夠溶于醚、苯、氯仿等有機溶劑而不溶于水的一大類化合物, 包括正烷烴、脂肪酸、多環芳烴、烷醇、三萜系化合物、甾醇等, 它們有著很大的結構多樣性和生物特異性, 可作為沉積物中的生物標志物[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, 能提供有機質輸入、沉積環境與成巖變化等多方面的信息[7-8]。本文結合作者在紅樹林濕地的相關研究工作, 綜述了近年來國內外關于紅樹林濕地沉積物中脂類生物標志物在紅樹林濕地有機質物源, 古環境研究以及污染物溯源等方面應用研究進展。

1 應用脂類生物標志物檢測紅樹林濕地有機質物源

1.1 紅樹林濕地中有機物質來源

紅樹林濕地有機質(organic matter)的來源可分內源輸入和外源輸入兩種： 內源輸入主要指紅樹植物的凋落物、浮游植物、底棲生物的初級生產和次級生產的輸入; 外源輸入主要指通過外界水源補給,如地表徑流、地下水和海洋潮汐等攜帶進來的顆粒態和溶解態的有機質[4,7-9]。Volkman等[9]2007對澳大利亞奧德河口紅樹林濕地沉積物有機質來源研究表明有機質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年對福建漳江口紅樹林濕地沉積物中有機質來源進行了研究,也認為紅樹植物輸入并非沉積物中有機質主要來源,沉積物中的有機質很大一部分可能為河流和海洋攜帶的外源有機質輸入。不同來源的有機質具有不同的脂類標志化合物組成特征, 通常采用索氏提取法、微波提取法和超聲波提取法等對沉積物中的脂類物質進行提取, 提取出的中性組分和經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)、氣相色譜與質譜聯用儀(GC-MS)和氣相色譜與同位素比值質譜聯用儀(GC-IRMS)等儀器進行分析,得到脂類生物標志物的組成特征和各單體同位素比值, 再結合大量元素和穩定同位素的測定結果來討論其有機質物源[8-9,11-13]。

紅樹植物目前尚未發現有特定的脂類生物標志化合物, 但紅樹植物體內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)已經被廣泛應用。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記物研究紅樹林濕地食物鏈。Versteegh等[15], Scoursea等[16]研究發現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關系。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質輸入的特定生物標志化合物。

1.2 紅樹林濕地有機質流動

紅樹林具有極高的生產力, 其總的生產力(包括葉凋落物、軀干生產力和根生產力)可以達到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入紅樹林濕地和臨近的沉積物, 據 Jennerjahn和 Ittekkot[18]估計, 紅樹林貢獻陸源輸入到海洋中有機質的 11%和現代海洋沉積物中 15%。此外紅樹植物凋落物被認為是整個潮間帶底棲動物、藻類和細菌等最重要的營養來源,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質的轉移與轉化方面發揮了重要的作用[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所必需的營養。

在最近的研究中, 脂肪酸作為研究復雜食物網的有效手段被廣泛應用。無脊椎動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生產者合成, 因此研究無脊椎動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]利用脂肪酸作為標志物對澳大利亞黃金海岸紅樹林區食物鏈進行研究, 分別測定了紅樹植物葉片、腐食性蟹類和肉食性蟹類體內組織、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志物來追蹤其向高營養級蟹類的轉移, 其中 18：3n3還可以追蹤到第三營養級的營養轉移, 在第三營養級的肉食性蟹類的組織中發現, 從而第一次實現了利用脂肪酸作為生物標記化合物實現跨越 3個營養級的有機質追蹤。Alfaro等[22]利用紅樹林濕地內各物種脂肪酸和穩定同位素組成的不同, 追蹤了新西蘭北部紅樹林濕地營養物質的流動, 其研究表明第二營養級的動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 應用脂類生物標志物研究紅樹林濕地古環境

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

由于紅樹林濕地的理化性質和水文條件相當復雜,其古環境研究主要采取跨學科結合的方法, 如水文條件、海水溫度、沉積物孢粉和脂類生物標志物等相結合[27]。Boot等[28]對巴西亞馬孫灣35 000年內脂類生物標志化合物研究表明, 高等植物的脂類標志化合物在12～35 ka沉積物中含量持續上升, 細菌源、藻類源特定脂類生物標志物的含量與前者有著相同的趨勢, 經過蒲公英賽醇和紅樹植物孢粉相關分析表明在此期間中紅樹林生產力大大提高, 而陸源營養輸入的增加和海岸的侵襲則使海灣內藻類及細菌含量也持續升高。Xu等[29]對美國佛羅里達灣柱狀沉積物脂類化合物研究表明, 在160年間, 蒲公英賽醇/總有機碳比值從1936年的 20 μg /g增長到 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,可能是水文變化和地理環境條件的變化的結果; 對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; 細菌含量則持續上升。這些研究結果表明從20世紀以來, 人類活動嚴重影響著佛羅里達灣生態系統。

此外脂類標志化合物中的穩定同位素值, 特別是隨氣相色譜與同位素比值質譜聯用技術發展起來的單體穩定同位素的測定技術, 已經能夠更深入研究古環境參數(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境[30]), 為古氣候的研究開辟了一條新的途徑。

3 應用脂類生物標志物對紅樹林濕地污染物進行溯源

隨著社會經濟迅猛發展, 大量工農業廢棄物、生活污水排放以及近海地區海洋漁業、船舶運輸等的排污和溢油事故, 位于河口海岸開發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, 如高生產力、富含有機質碎屑、沉積物顆粒細和缺氧環境等使之成為污染物的吸收和蓄積的場所, 從而將污染物毒性放大, 極大地影響環境[1,31]。脂類生物標志物能夠在紅樹林濕地沉積物中長期存在并且易于測定, 可以作為穩定、可靠的污染標志物。

3.1 紅樹林濕地化石燃料污染

工農業生產中化石燃料(fossil fuel)及其衍生物的使用, 汽車尾氣以及近海地區海洋漁業、船舶運輸等的排污和溢油事故造成了嚴重的污染, 受其污染的沉積物中含有大量的多環芳烴和正構烷烴。Tam等[32]對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, 紅樹林根際區總石油烴含量可高達 1 000 μg /g, 明顯高于其他對比紅樹林區沉積物的含量, 指出上白泥紅樹林主要受 1998～2002年間的燃油使用污染。通過多環芳烴研究也得出類似的結論, Ke等[33]對香港紅樹林濕地表層沉積物中多環芳烴研究表明, 上白泥紅樹林表層沉積物中多環芳烴的組成以萘(兩環)、芴和菲(三環)為主, 低分子量的多環芳烴占較大比例, 由此推測污染源主要為船舶排污、工業廢水和溢油事件。Tian等[12]對福建九龍江口紅樹林濕地沉積物多環芳烴含量進行研究表明, 目標污染物以四-六環的多環芳烴為主, 指出該紅樹林沉積物中的多環芳烴主要來源于化石燃料的不完全燃燒。此外, Bryselbout等[34]的研究指出可以應用植物葉片蠟質層中含有的化石燃料有機化合物組分調查區域內化石燃料污染情況。

3.2 紅樹林濕地人類活動影響及水體富營養化

人類活動排放含營養物質的工業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, 可以在短時間內引發水體富營養化, 利用脂類生物標志物可以對人類活動影響及海水富營養化進行研究[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%, 遠高于其他動物[38]。Mater等[39]對巴西圣卡塔琳娜島紅樹林沉積物中的 C、N、P元素和脂類生物標志物進行了研究表明, 5β-糞醇含量與糞醇異構體比率5β/ (5α+5β)較高, C、N、P元素含量與紅樹林輸入無顯著相關而主要與生活污水排放有關。指出該地河口紅樹林濕地受到嚴重的人類活動影響, 污水排放干擾了當地的磷、氮和有機碳的循環, 從而造成了該地區水體富營養化。Nicholls等[40]指出富營養特別是富 N會影響紅樹林的生長, 使紅樹植物體內和沉積物中的有機質組成發生變化, 因而可以利用紅樹林沉積物中的脂類生物標志物和N含量變化來監測水體富營養化情況。

4 研究前景

目前世界各地紅樹林生態系統正在以驚人的速度轉化或退化, 紅樹林生態系統的保護和恢復尤為重要。探索紅樹林與環境關系, 例如紅樹林生態系統內的有機質流動、紅樹林生態系統的生態能力和長期生態效應等方面將有助于揭示其能量流動和物質循環, 進而為紅樹林的保護提供更多的基礎數據和技術支持。脂類生物標志物可以提供準確且穩定的信息, 是研究紅樹林生態系統的一個有效工具, 近年來, 脂類生物標志物在紅樹林濕地有機質物源源、古環境研究、污染物溯源等方面取得了廣泛的研究成果。隨著技術方法的不斷進步, 越來越多的脂類生物標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境間的相互關系、紅樹林濕地的變遷和生物地球化學循環等。在污染物檢測方面, 篩選更多的污染物標志物, 對污染物進行溯源, 也是未來發展的一個重要方向。

由于紅樹林濕地具有獨特的生境和復雜的理化性質, 世界范圍內紅樹林分布具有極大的差異性以及涉及到多個學科的交叉綜合, 因此紅樹林研究日益需要強大的多學科背景和國際范圍內技術合作,這也是其近期發展速度受到限制的因素之一。隨著對紅樹林保護的重要性和迫切性的認識不斷加深,更大規模的學術交叉和國際合作將出現, 同時隨著分析手段的進一步提高, 理論知識的不斷豐富和研究方法的持續創新, 脂類生物標志物在紅樹林濕地研究中的應用前景將更加廣闊。

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P59; P736

A

1000-3096(2011)09-0107-05

2010-08-12;

2010-12-10

國家自然科學基金項目(30530150、40673064、30710103908);國家基礎科學人才培養基金項目(J0630649); 福建省高校創新團隊培育計劃資助項目

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

張培新)