长链烷基二醇在海洋环境重建中的研究进展
Progress of Long-Chain Alkyl Diols in Marine Environmental Reconstruction
收稿日期: 2018-09-28 修回日期: 2018-12-17 网络出版日期: 2019-03-22
基金资助: |
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Received: 2018-09-28 Revised: 2018-12-17 Online: 2019-03-22
作者简介 About authors
HouDi(1994-),male,YunchengCity,ShanxiProvince,Masterstudent.Researchareasincludemarineorganicgeochemistry.E-mail:15762274455@163.com
XingLei(1975-),male,YantaiCity,ShandongProvince,Professor.Researchareasincludemarineorganicgeochemistry.E-mail:xinglei@ouc.edu.cn
长链烷基二醇类化合物(Long-chain alkyl diols)是指在碳链的1号位置和链中位置连接有羟基基团的类脂化合物,普遍存在于海洋、河流和湖泊环境中。由于这类化合物分布广泛、性质稳定不易降解、且检测手段较为简单,因此具有作为生物标志物的潜力,在生物地球化学领域引起了广泛的研究和关注。关于其生物来源尚未有定论,但是研究发现1,13-diols和1,15-diols可能主要来自真眼点藻,而14-diols主要来自硅藻Proboscia。目前根据长链烷基二醇建立的指标包括:硅藻生产力、上升流强度、盐度、温度、河流输入和表层海水营养盐浓度等,对古环境气候的重建有着重要的意义。归纳总结了目前长链烷基二醇指标的研究和应用进展,这有助于未来我国边缘海长链烷基二醇来源以及二醇指标的深入研究。
关键词:
Long-chain alkyl diols contain an alkyl chain with alcohol groups at C1 and at the middle position of carbon chain, which exist widely in seas, rivers and lakes. It has been proven that these compounds are relatively resistant to degradation and have an extended occurrence in the geological record. In addition, they are relatively easy to identify. Therefore, long-chain alkyl diols can be used as potential biomarkers to trace the past change in paleoenvironment and paleoclimate. Although the sources of long-chain alkyl diols are still uncertain, the studies indicate that 1, 13 and 1, 15-diols are mainly produced by eustigmatophytes, while 14-diols are mainly from diatom Proboscia. So far, some proxies based on long-chain alkyl diols have been established to indicate the change in diatom productivity, upwelling intensity, salinity, sea surface temperature, riverine organic matter input and surface seawater nutrient concentration, which are significant for paleoenvironmental reconstruction. Current research and application of long-chain alkyl diols proxies were summarized, which would be helpful for further studying the source of long-chain alkyl diols and the application of relevant proxies in China’s marginal sea.
Keywords:
本文引用格式
侯笛, 张俊杰, 邢磊, 周阳.
Hou Di, Zhang Junjie, Xing Lei, Zhou Yang.
1 引 言
图1
图1
长链烷基二醇类化合物
Fig. 1
The structure of long-chain alkyl diols
7≤x≤15,8≤y≤17,24≤碳链长度≤36
7≤x≤15,8≤y≤17,24≤carbon chain length≤36
在海洋环境中,主要的长链烷基二醇有:C281,13-diol、C301,13-diol、C281,14-diol、C301,14-diol、C301,15-diol和C321,15-diol。长链烷基二醇于1981年在黑海沉积物中首次被检出[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12],种类包括C301,15-diol、C311,15-diol和C321,15-diol。随后,从低纬度到高纬度的沉积物中普遍检测到长链烷基二醇。近年来的研究发现长链烷基二醇的分布与盐度、上升流、温度、河流输入、表层海水营养盐浓度等参数密切相关,表明其在古环境气候重建中具有重要意义,可以作为相关参数的指标,目前建立的各项指标及其指示意义如表1所示。
表1 基于长链烷基二醇化合物建立的指标及其指示意义
Table 1
2 长链烷基二醇的生物来源
长链烷基二醇来源复杂,研究者对其来源开展了现场和实验室培养的研究。波罗的海水华调查发现,C28~C32diols可能来源于蓝细菌[3],但是蓝细菌培养实验表明其并不会产生长链烷基二醇类化合物[22],从而否定了蓝细菌这一生物来源。研究者发现海洋真眼点藻纲Nannochloropsis oculata和Nannochloropsis salina 2种藻类能够产生C301, 15-diol和C321,15-diol[23]。随后,淡水真眼点藻Eustigmatos vischeri,Vischeria helvetica和Vischeria punctata的培养实验中也检测到了C28~C32diols ,其中以C281,13-diol、C301,15-diol和C321,15-diol为主要成分[24]。研究发现美国威尔明顿河口的硅藻Proboscia indica和南大洋的硅藻Proboscia alata是其海区水体和沉积物中C281,14-diol和C301,14-diol的生物来源,这也是首次在海洋环境中确定了长链烷基二醇类化合物的生物来源[25]。此外,藻类培养实验结果也发现阿拉伯海硅藻Proboscia和海洋异鞭藻Apedinella radians均可以产生1,14-diols[26,27]。利用基因分析的方法对东非查拉湖中真眼点藻(Eustigmatophyceae)18S rRNA的丰度进行检测发现:在9 m水深处,真眼点藻的18S rRNA的丰度和长链烷基二醇类有机物的浓度均有最大值,且二者随深度的变化趋势一致,这表明真眼点藻是长链烷基二醇类化合物的重要生物来源[28]。对哥达瓦里河、多瑙河和莱茵河悬浮颗粒物样品中长链烷基二醇的研究表明:河流水体中的长链烷基二醇以C321,15-diol为主,C301,15-diol次之,而在河口三角洲水域C301,15-diol的含量则明显高于C321,15-diol,表明长链烷基二醇类物质在海洋和淡水环境中有着不同的生物来源[29]。在停滞水体环境(水库、池塘等环境)中长链烷基二醇的含量较高,故其生产者主要集中在水库、池塘和湖泊等滞留水体。河流悬浮颗粒物的18S rRNA分析结果显示,只有不到0.32
3 长链烷基二醇的指示意义
3.1 盐度指标
Versteegh等[1]首先提出长链烷基二醇类化合物可以用来重建盐度指标,以C301,15-diol的相对含量为依据建立了如下的二醇参数:
3个藻类培养实验样品和一个淡水湖泊沉积物样品的二醇参数均小于10;半咸水水域和大部分淡水水域中沉积物样品的二醇参数为25~67;受到上升流影响的高生产力海区的二醇参数为68~79;而在不受上升流影响的开放海洋环境,二醇参数超过79。从淡水环境到半咸水环境,再到上升流海区及开放大洋区域,随着盐度不断增大,此参数呈现逐渐增长的过程,故而可以用二醇参数来指示水体盐度的变化。
3.2 指示上升流强度/高营养盐环境和硅藻Proboscia的生产力
前人发现1,14-diols(C281,14-diol和C301,14-diol)主要存在于上升流区的沉积物样品中[31,32,33],而在海洋真眼点藻的培养实验中则难以检测到[23,34]。硅藻Proboscia作为上升流海区最主要的藻种,对沉积物中diols的分布有重要影响,有研究发现Proboscia产生的类脂物可以用来指示高营养盐环境和强上升流[35,36,37]。硅藻Proboscia indica和Proboscia alata的培养实验证明其能够产生C281,14-diol和C301,14-diol。这些类脂物在受上升流影响海区的沉积物中含量丰富,表明它们和上升流之间存在相关性[25]。此外,阿拉伯海沉积物捕集器收集的数据表明在上升流季节开始时,沉积物中有20
在南极半岛西北部沉积物样品中检测到了C281,14-diol、C301,14-diol、C281,13-diol和C301,13-diol[8]。不同于阿拉伯海区,此海区C301,15-diol含量很低而C281,13-diol和C301,13-diol含量则更高,因此建立了新的参数:
此参数表示硅藻Proboscia的相对含量,可以指示硅藻的初级生产力,由于硅藻的生长状况受到上升流的影响,因此也可以用来指示该海区的上升流强度变化。基于此指标重建了该海区全新世8 500年以来Proboscia的生产力变化情况,发现晚全新世比中全新世的生产力更高,这与晚全新世塞普尔冰穹加速融化导致上升流强度增强的研究结果一致[42]。
研究者分析了粤东上升流区(位于南中国海北部沿岸)3个沉积岩芯沉积物中的长链烷基二醇类化合物的分布,并分别用Diol index1和Diol index 2重建了该海区上升流强度的变化[14],结果表明Diol index 2与当地风力强度变化高度一致,而Diol index1表现出相反的变化趋势,故而Diol index 2更适合作为此地区的上升流强度指标,这可能是因为C301,15-diol更多的是对上升流时期温度变化的响应,导致指示上升流强度变化时出现偏差。
3.3 指示海表温度
硅藻Proboscia的培养实验发现,海表温度(Sea Surface Temperature,SST)增加时,1,14-diols的碳链长度增加而不饱和度降低[45]。对全球大洋共计209个表层沉积物样品中长链烷基二醇与SST的相关性分析表明,C281,13-diol、C301,13-diol和C301,15-diol的相对含量与SST具有明显的相关性(R2分别为0.882,0.803和0.951),而C321,15-diol的相对含量则与SST无明显关系(R2=0.008)[16]。其中,C301,15-diol与SST成线性正相关,而C281,13-diol和C301,13-diol与SST成线性负相关。基于此结果,建立了以下SST指标:
应用此指标重建的南大西洋刚果河口区43 ka以来的温度记录结果显示LDI记录与海因里希冷事件相吻合,与利用
3.4 指示河流输入
C321,15-diol被发现可以指示沿海地区河流有机质的输入[18]。在受上升流和河流输入双重影响的大西洋伊比利亚半岛边缘海地区,通过对海洋表层沉积物、海水悬浮颗粒物、河流悬浮颗粒物、河岸沉积物以及河岸土壤样品中diols的分析,得到了以下结果:在所有diols中,只有C321,15-diol的相对含量在河口区域较高,离河口越远其相对含量越低。而且,C321,15-diol的相对含量与BIT(Branched and Isoprenoid Tetraether index)指标(指示土壤有机质输入)有强烈的正相关关系,说明C321,15-diol很可能是由陆源输入的。河流悬浮颗粒物中C321,15-diol的相对含量比海洋悬浮颗粒物更高,也证明了这一观点。此外,河岸沉积物样品和土壤样品中缺乏长链烷基二醇类物质,排除了其来源于土壤和河岸沉积物的可能性,这表明C321,15-diol很可能产生于河流内部。稳定碳同位素分析的结果也显示与其他二醇相比,C321,15-diol更加富集13C,表明其来源的差异性。
研究者在4个受河流影响的陆架海(狮子湾、喀拉海、亚马逊陆架海和贝劳三角洲)采集了海洋表层沉积物和河流悬浮颗粒物和土壤样品,测定了其中diols的含量及分布[19]。分析结果表明,海洋沉积物中,C301,15-diol为最主要成分,而河流悬浮颗粒物中则以C321,15-diol为主。对海洋表层沉积物diols的主成分分析显示C321,15-diol与C301,15-diol有着不同的来源或环境控制因素,河流悬浮颗粒物的主成分分析结果显示C321,15-diol与其他diols存在明显差异,进一步证明了C321,15-diol来源与环境控制因素不同于其他diols。将C321,15-diol的相对含量与年平均SST、总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)、δ13COM、河流输入的土壤有机质指标BIT和距河口的距离等参数作比较,分析结果表明C321,15-diol的相对含量与BIT指标有明显的正相关关系,与δ13COM有明显的负相关关系。在以高BIT值、低δ13COM值为特征的河口地区,C321,15-diol的相对含量高,而在以低BIT值、高δ13COM值为特征的开放大洋区域,C321,15-diol的相对含量低。这些都表明C321,15-diol为陆源输入。在所有土壤沉积物样品中均未检出1,13-diols、1,14-diols和1,15-diols,表明河流悬浮颗粒物中的C321,15-diol不是经土壤侵蚀进入河流的,可以判断C321,15-diol产生于河流内部。研究者以C321,15-diol的相对含量为指标[20][公式(7)],重建了莫桑比克海峡赞比西河口和东地中海尼罗河河口2个沉积物柱状样晚第四纪以来河流输入的记录。
莫桑比克海峡的重建记录显示,全新世以前C321,15-diol的相对含量较高,全新世期间相对含量降低,与BIT指标有明显正相关关系;东地中海尼罗河口的重建记录也显示,BIT指标与C321,15-diol的相对含量有明显的相关关系[20]。
3.5 指示表层海水营养盐浓度
对朝鲜东海和白令海悬浮颗粒物样品中1,14-diols和夏季SST、表层营养盐浓度的主成分分析结果表明,C28∶11,14-diol和C30∶11,14-diol与营养盐浓度呈现正相关关系,对全球表层沉积物中1,14-diols及其对应站位年平均SST和表层营养盐浓度的主成分分析结果显示C281,14-diol和C28∶11,14-diol与营养盐呈现正相关关系[21]。在此基础上建立表层沉积物中1,14-diols和年平均表层海水营养盐浓度之间的关系,定义了以下指标:
将此参数和表层海水年平均营养盐浓度作线性回归分析,发现NDI和磷酸盐(R2=0.85)、硝酸盐(R2=0.80)之间具有明显的正相关关系,而与硅酸盐的线性关系不明显。因此,NDI可以作为营养盐指标估算表层海水中硝酸盐和磷酸盐的浓度。
4 结 语
目前用于古环境重建的长链烷基二醇主要包括:1,13-diols、1,14-diols和1,15-diols。海洋沉积物、湖泊沉积物、海洋藻类及淡水藻类的培养实验中均有报道检测出该类化合物。在生物来源方面,目前认为硅藻Proboscia和异鞭藻Apedinella radians能够产生1,14-diols,而真眼点藻(包括海洋真眼点藻与淡水真眼点藻)能够产生1,13-diols和1,15-diols,至于是否有其他生物能产生长链烷基二醇类物质目前尚不明确,需要未来进一步的研究。
基于长链烷基二醇建立的古环境气候指标有盐度、上升流、温度、河流有机质输入、营养盐指标。盐度指标基于二醇参数,能够判断不同的海洋环境类型,反映沉积物记录中淡水输入的影响。上升流指标基于硅藻Proboscia适宜生长在上升流带来的高营养盐环境中,1,14-diols作为其生物标志物可以指示高营养盐环境和较强的上升流,但是这一指标应用仍有限制,已有研究表明其可能指示海水层化而并非上升流,且此指标并不能普遍适用于所有上升流海区。温度指标基于温度会影响有机体产生diols的组合分布,根据不同diols与SST的相关性而建立,但有研究表明,在受河流影响的河口区域,河流有机质的输入会影响温度指标的应用。河流输入指标基于C321,15-diol的河流自生,可以作为河口地区河流有机质输入的指标。表层海水营养盐指数是新近建立的指标,其与磷酸盐和硝酸盐浓度均具有较好的线性关系,然而与硅酸盐的线性关系较弱,仍需要进一步的验证以明确其指示意义。
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