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2021 , Vol. 42 >Issue 1: 290 - 296

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.039

Agricultural Ecology & Environmental Protection

Analysis of Components and Sources of Oil Pollutants in Mangrove Wetland Park by GC-MS

  • MA Jiankun ,
  • FENG Zhao ,
  • ZOU Renjian ,
  • PENG Haonan ,
  • XU Jing , *
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  • School of Chemical Engineering and Technology, Hainan Provincial Fine Chemical Engineering Research Center,Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
*XU Jing,E-mail: 。

Received date: 2020-02-28

  Request revised date: 2020-03-27

  Online published: 2021-01-25

Copyright

Copyright reserved © 2021.
Fold

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.

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

Cite this article

MA Jiankun , FENG Zhao , ZOU Renjian , PENG Haonan , XU Jing . Analysis of Components and Sources of Oil Pollutants in Mangrove Wetland Park by GC-MS[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2021 , 42(1) : 290 -296 . DOI: 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19°54°34,东经109°0°1）、M2（北纬19°54°42,东经109°0°1）、M3（北纬19°55°52,东经109°0°2）采自园区不同区域的油状污染物样品;M4（北纬19°55°2,东经109°0°1）园区内餐厅污水、M5（北纬19°54°56,东经109°0°3）园区火烈鸟饲养池污水、M6（北纬19°54°3,东经109°0°40）园区正常水域、M7（北纬19°55°6,东经109°1°40）园区闸门内正常水域、M8（北纬19°55°8,东经109°1°41）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0.1 g猪油样品置于带有螺旋帽的试管中,加入2.5 mol/L浓硫酸-甲醇溶液1.0 mL,于70 ℃水浴加热30 min,加2 mL正己烷提取甲酯化产物,取出上清,下层再用1 mL正己烷洗涤,上清液合并后待测[6]。
碱催化法：称取0.1 g猪油样品置于带有螺旋帽的试管中,加入10 mol/L的KOH溶液0.7 mL,5.3 mL甲醇,于55 ℃水浴加热1.5 h,每20 min用手剧烈摇晃5 s。冷却后,加12 mol/L的硫酸0.58 mL,55 ℃水浴加热1.5 h,每20 min用手剧烈摇晃5 s。冷却后,加入3 mL正己烷,在旋涡混合器上振摇5 min,然后再离心5 min,取上清液备用[7]。
BF3催化法：取0.1 g猪油样品,置于带有螺旋帽的试管中,加入4 mL 0.5 mol/L的KOH- MeOH溶液,于60 ℃水浴30 min,至黄色油珠完全消失为止,冷却后,再加2.5 mL 14%的三氟化硼乙醚溶液,于60 ℃水浴5 min,取出冷却后,加入3 mL正己烷和2 mLNaCl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Agilent HP-5MS 5% Phenyl Methyl Silox 0 ℃~325 ℃,30 m×250 μm×0.25 μm;升温程序为：从60 ℃开始,以6 ℃/min升到300 ℃,保持17 min;进样口温度为：250 ℃;载气：He;柱流量：1 mL/min;分流比：不分流。质谱条件：EI源;电离电压：70 eV;离子源温度：230 ℃;扫描范围：20~450 amu;进样量：1.0 μL。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种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。
表1 猪油中脂肪酸的鉴定结果

Tab. 1 Identification results of fatty acids in lard

序号
No.		 分子式
Molecular formula		 化合物
Compound		 相对含量Relative content/%
方法1 Method 1 方法2 Method 2 方法3 Method 3
1 C9H18O2 辛酸甲酯 ND ND 0.66
2 C11H22O2 癸酸甲酯 ND 0.72 0.69
3 C13H26O2 十二酸甲酯 ND 1.14 0.83
4 C15H30O2 十四酸甲酯 1.61 14.43 9.20
5 C16H30O2 甲基丙烯酸月桂酯 ND ND 7.22
6 C17H32O2 9-十六碳烯酸甲酯 ND 18.89 10.24
7 C17H32O2 11-十六碳烯酸甲酯 2.53 ND ND
8 C17H34O2 十六酸甲酯 19.70 11.15 ND
9 C18H36O2 10-十七烯酸甲酯 ND 3.38 2.35
10 C18H36O2 15-甲基十六酸甲酯 ND 1.74 1.97
11 C19H34O2 9,11-十八碳二烯酸甲酯 13.13 ND ND
12 C19H34O2 9,12-十八碳二烯酸甲酯 0.35 ND 0.84
13 C19H36O3 3-辛基环氧乙烷辛酸甲酯 ND 6.99 ND
14 C19H38O2 硬脂酸甲酯 15.54 ND ND
15 C19H38O2 9-十八碳烯酸甲酯 35.03 19.91 14.29
16 C19H38O2 11-十八碳烯酸甲酯 ND ND 33.31
17 C20H40O2 10-十九碳烯酸甲酯 ND ND 1.01
18 C21H34O2 5,8,11,14-二十碳四烯酸甲酯 ND 3.12 1.29
19 C21H40O2 11,14-二十碳二烯酸甲酯 1.22 2.17 6.09
20 C21H42O2 11-二十碳烯酸甲酯 2.47 8.65 4.16
21 C21H42O2 二十酸甲酯 0.39 1.59 3.35
22 C23H38O2 7,10,13,16-二十二碳四烯酸甲酯 ND 1.86 1.02

注：ND表示未检出。

Note: ND means not detected.

图1 酸催化法下猪油总离子图

Fig. 1 Total ion diagram of lard by acid

图2 碱催化法下猪油总离子图

Fig. 2 Total ion diagram of lard by alkali catalysis

图3 BF3催化法下猪油总离子图

Fig. 3 Total ion diagram of lard by BF3 catalysis

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。
表2 样品中各组分含量

Tab. 2 Summary of samples components %

编号
No.		 烃类化合物
Hydrocarbon compounds		 脂肪酸
Fatty acid		 其他
Other
M1 73.41 14.77 11.82
M2 71.51 18.35 10.14
M3 80.93 0.26 18.81
M4 12.09 87.27 0.64
M5 13.45 84.93 1.62
M6 74.36 7.35 18.29
M7 80.39 9.80 9.81
M8 77.76 5.97 16.27

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。
表3 红树林油状污染物中正构烷烃组成参数

Tab. 3 Composition parameters of n-alkanes in mangrove oil pollutants

编号
No.		 碳数范围
Carbon number range		 主碳峰
Main carbon peak		 L/H (∑C21-/∑C22+)
M1 nC10-C33 C17 1.51
M2 nC11-C34 C17 2.16
M3 nC10-C33 C17 2.19
M6 nC10-C36 C27 0.40
M7 nC10-C36 C27 0.52
M8 nC10-C36 C27 0.54
图4 M1~M3中正构烷烃分布特征

Fig. 4 Distribution characteristics of n-alkanes in M1~M3

图5 M6~M8中正构烷烃分布特征

Fig. 5 Distribution characteristics of n-alkanes in M6~M8

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]。水体富营养化后水中氮、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。

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