南海北部表層沉積物中甘油二烷基甘油四醚隨水深的分布特征

葛黃敏，吳偉艷，幸繼聯

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海深淵科學工程技術研究中心，上海 201306；2．同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092)

邊緣海沉積物中保存著豐富的氣候和海平面變化、洋流活動、沉積演化及生物地球化學過程等信息，是研究海-陸交互作用的很好材料[1].生物標志化合物具有特定的結構，可用來示蹤其生物來源，對于了解邊緣海的沉積物來源、重建古海洋環境變化和了解過去生物地球化學過程(如碳循環過程)非常重要.甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs)是古菌和細菌細胞膜的特征生物標志化合物，廣泛存在于陸地(如土壤、泥炭、熱泉、湖泊及河流)和海洋環境[2].GDGTs的碳鏈與甘油分子通過醚鍵連接,其中古菌GDGTs(isoGDGTs)的碳鏈是類異戊二烯結構，甘油立體構型為2，3-雙-o-烷基-sn-甘油；細菌GDGTs(brGDGTs)的碳鏈為非類異戊二烯結構，甘油立體構型為1，2-雙-o-烷基-sn-甘油[2].isoGDGTs包含多種化合物，其中泉古菌醇(Cren.)通常被認為是海洋奇古菌(thaumarchaeota)的標志物，有一個同分異構體(Cren.′)[2].brGDGTs根據碳鏈上的甲基數和環數也可分為多類，普遍認為其來源于土壤細菌[2-4].邊緣海作為銜接陸地與海洋的紐帶，其中檢測到的GDGTs通常是土壤、河流和海洋多種來源的疊加，它記錄著豐富的環境信號，同時也增加了信號解析的難度.因此，探究邊緣海沉積物中GDGTs的來源，是準確利用該標志化合物進行環境重建的基礎.

南海是西太平洋熱帶海區最大的邊緣海，海底地貌特殊，受不同海流的影響，其沉積物和有機質的來源與分布具有高度的空間差異性.邊緣海的陸源信號主要通過河流輸入實現，南海北部受珠江流域和紅河流域陸源輸入的顯著影響[5].針對南海水體和沉積物中GDGTs的研究在過去幾年正快速開展[6-16]，但其中大部分以GDGTs已有環境指標的應用為重點，對GDGTs分布特征的研究相對較少.除了用基于GDGTs的指標重建環境外，深入探究GDGTs的組成隨環境因素(如水深)的變化也十分重要.此外，越南北部灣作為南海的一部分，是典型的受河流輸入影響顯著的區域，目前還沒有關于GDGTs的研究報道.本研究結合已發表的部分南海站點數據[7,13,16](水深52～4 182 m)，以及北部灣淺水區(水深5～24 m)的表層沉積物樣品，詳見圖1，分析isoGDGTs和brGDGTs組成隨水深的變化規律，并分別探討其來源.

圖1 本研究涉及的南海北部表層沉積物站點分布

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

正己烷、二氯甲烷、甲醇和異丙醇(色譜純，上海安譜實驗科技股份有限公司).配備大氣壓化學電離(APCI)源的高效液相色譜-串聯三重四級桿質譜(Agilent 6460 Triple Quad HPLC-MS)，Prevail Cyano色譜柱(2.1 mm×150 mm，3 μm；Alltech，Deerfield，Illinois，USA).

1.2 樣品采集與處理

2010年5月在越南海防海洋環境研究所(IMER)與同濟大學的合作航次上，利用箱式采樣器在越南北部灣7個站點采集了表層沉積物(圖1).將沉積物樣品采集到干凈自封袋后，于-18 ℃下冷凍保存，在實驗室將樣品冷凍干燥48 h以上，然后在瑪瑙研缽中磨成均勻粉末，保存在干凈密封袋中，留作分析.

1.3 脂類提取

參照文獻[7]，采用超聲法提取沉積物脂類：稱取約10 g凍干研磨均勻后的樣品，加入30 μL內標(C46-GDGT)[17]，先用甲醇-二氯甲烷(體積比1∶3)超聲萃取4次，再用甲醇超聲萃取1次.用氮吹儀將萃取液吹干(水浴加熱溫度低于40 ℃)，然后溶于3 mL正己烷-異丙醇(體積比99∶1)，取1 mL用0.45 μm PFTE濾膜過濾后,再用氮吹儀吹干，并再次溶于300 μL的正己烷-異丙醇(體積比99∶1)，超聲溶解后待測.

1.4 儀器分析和指標計算

參考文獻[3]，采用HPLC-MS測定樣品中GDGTs的含量：進樣量為20 μL，色譜柱溫保持40 ℃，流動相流速保持0.2 mL/min.色譜洗脫程序為：0～5 min內以正己烷-異丙醇(體積比99∶1)洗脫，5.01～45 min內梯度增加異丙醇的體積分數至1.8%，隨后用正己烷-異丙醇(體積比99∶1)沖洗色譜柱10 min，再平衡10 min，使儀器回到初始狀態，進行下一個樣品的測試.采用APCI源進行化合物離子化，MS檢測模式為選擇性離子掃描(SIM)，控制條件如下：霧化壓力4.14×105Pa，霧化溫度400 ℃；氮氣流速6 L/min，溫度200 ℃；毛細管電壓3.5 kV；電流5 μA(約3.2 kV).目標GDGTs化合物m/z=1 302，1 300，1 298，1 296，1 292，1 050，1 048，1 046，1 036，1 034，1 032，1 022，1 020，1 018(由于大部分樣品中m/z=1 048和1 046的信號峰都低于檢測標準，所以最后統一放棄采集這兩類化合物)，標樣C46-GDGT的m/z=744.通過各化合物離子峰[M+H]與加入內標的面積比值對GDGTs各組分進行定量，分別得到isoGDGTs和brGDGTs的含量.

進一步計算陸源輸入指標(branched vs.isoprenoidal tetraether，BIT)[3]、環化指標(degree of cyclization，DC)[18]和甲烷指標(methane index，MI)[19]，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中：w為含量，ng/g；Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分別為含有1，2和3個甲基的brGDGTs，Ⅰ a為含有1個甲基和1個碳環的brGDGTs，Ⅰ b為含有1個甲基和2個碳環的brGDGTs，以此類推；GDGT-i(i=1，2，3)表示含有i個碳環的isoGDGTs[7].

2 結果與討論

2.1 isoGDGTs隨水深的分布特征及來源

北部灣表層沉積物中總isoGDGTs的含量分布在20.5～162.3 ng/g之間，隨水深增加而增加，isoGDGTs不同組分的相對豐度隨水深(0～4 500 m)的分布如圖2所示：其主要成分為GDGT-0(不含碳環的isoGDGTs)和Cren.，兩者總和占isoGDGTs的77.5%～90.5%，GDGT-0的相對豐度變化范圍為10.3%～23.1%(平均值為(18.4±3.0)%，n=50)；Cren.的相對豐度整體上比GDGT-0高，變化范圍為56.7%～80.2%(平均值為(63.3±5.4)%，n=50)；GDGT-1，2，3和Cren.′是次要成分，總和占isoGDGTs的9.5%～22.5%，其中GDGT-3的相對豐度最低.

isoGDGTs各組分相對豐度隨水深的變化趨勢可分成3個階段(圖3)：第1段 (<30 m)，GDGT-0 的相對豐度隨水深增加而降低，Cren.則隨水深增加而增加；次要成分中，GDGT-2和GDGT-3均表現出隨水深增加而降低的趨勢；GDGT-1和Cren.′無明顯的變化趨勢，前者分布離散，后者相對穩定.這部分樣品表征了北部灣近岸表層沉積物樣品中isoGDGTs的分布特征.第2段(30～200 m)，GDGT-0和Cren.的相對豐度均隨水深增加而緩慢降低；而GDGT-2、GDGT-3和Cren.′則均隨水深增加而增加，其中GDGT-2和Cren.′的增幅(61%)比GDGT-3的增幅(38%)大；GDGT-1仍然分布離散.第3段(>200 m)，隨水深增加GDGT-0和Cren.均未顯示出明顯的變化趨勢，但前者的離散程度比后者大；次要成分中GDGT-1和Cren.′也未隨水深出現明顯的變化趨勢，前者分布離散，后者相對穩定；GDGT-2和GDGT-3則隨水深呈微弱下降的趨勢.isoGDGTs不同組分含量之間呈現出顯著的兩兩相關，相關系數R2為0.872～0.996(圖4).

為了更好地展現isoGDGTs組成隨水深的分布特征，計算了w(GDGT-2)/w(GDGT-3)和w(Cren.′)/w(GDGT-3)的值(圖5(a)).結果顯示，這2個比值將表層沉積物以水深200 m為界線分成了2組.水深≤200 m的表層沉積物中isoGDGTs的分布特征為：w(GDGT-2)/w(GDGT-3)<4，w(Cren.′)/w(GDGT-3)<2.水深>200 m的表層沉積物中isoGDGTs的分布特征為：w(GDGT-2)/w(GDGT-3)>4，w(Cren.′)/w(GDGT-3)>2.為了和Jia等[14]的結果進行對比，以w(GDGT-2)/w(GDGT-3) 為橫坐標，以Cren.′的相對豐度為縱坐標作圖(圖5(b))，結果顯示不同深度的樣品也以200 m水深為界線分成了2組，其中Cren.′的相對豐度以4%為分界.而圖3中0～30 m的樣品并未表現出與30～200 m明顯不同的比值分布區間(圖5).這表明isoGDGTs組成在0～30 m的變化主要是北部灣近岸的區域性分布特征，但基于isoGDGTs的比值在整個0～200 m均反映了類似的微生物類群活動，可用于指示相關環境變化.

圖2 isoGDGTs不同組分的相對豐度隨水深的變化趨勢

圖3 isoGDGTs的相對豐度隨水深的變化趨勢

基于isoGDGTs的指標在古氣候和古海洋方面的應用受到isoGDGTs組成變化的影響，詳細研究表層沉積物中isoGDGTs的組成和來源對準確有效地運用現有環境指標十分重要.本研究綜合分析了南海北部表層沉積物中isoGDGTs的組成分布特征，發現isoGDGTs的組成整體上是相似的，Cren.相對豐度最高，其次是GDGT-0，這和海洋奇古菌的純培養結果一致[20-22].GDGT-0的來源比較豐富，包括廣古菌(Euryarchaeota)中的產甲烷古菌(methanogens)和嗜甲烷古菌(methanotrophic archaea)，以及海陸環境中廣泛存在的奇古菌，而Cren.則主要來自奇古菌[23].Blaga等[24]提出用w(GDGT-0)/w(Cren.)判斷湖泊環境中廣古菌對isoGDGTs輸入的影響，當樣品中的w(GDGT-0)/w(Cren.)>2時，產甲烷古菌的輸入影響較大.本研究中南海北部表層沉積物樣品中w(GDGT-0)/w(Cren.)的平均值為0.30±0.07(n=50，圖6)，遠低于2.Zhang等[19]提出了評價嗜甲烷古菌對isoGDGTs影響的MI，當MI小于0.3時，isoGDGTs受嗜甲烷古菌的影響不大.本研究結果顯示MI的平均值為0.17±0.02(n=50，圖6)，明顯小于0.3.此外，Sinninghe Damsté等[25]也提出當w(GDGT-0)/ (w(GDGT-0)+w(Cren.))>67%和w(GDGT-2)/(w(GDGT-1)+w(GDGT-2)+w(GDGT-3)+w(Cren.′))> 45%時，表明isoGDGTs的來源除奇古菌外還有其他古菌類群的貢獻.本研究中，這兩個比值分別為(24±4)% (n=50)和(37±2)% (n=50).上述指標結果均表明，南海北部表層沉積物中isoGDGTs主要來自于海洋奇古菌，廣古菌中產甲烷古菌或嗜甲烷古菌的貢獻均不明顯.

isoGDGTs的組成隨水深變化的特征沒有體現在主要成分Cren.和GDGT-0上，而是體現在次要成分的變化上.以200 m為界線，isoGDGTs明顯隨水深分成了2組(圖5)，無論是isoGDGTs單組分的相對豐度，還是isoGDGTs的各項指標，都隨水深表現出截然不同的變化特征.已有的基于海洋懸浮顆粒物(SPM)和表層沉積物的isoGDGTs的研究觀察到w(GDGT-2)/w(GDGT-3)隨水深的增加而增加[25-29]，認為深水古菌相對于浮游古菌而言具有更高的w(GDGT-2)/w(GDGT-3)和w(Cren.).在中國南海區域，Wang等[11]報道了珠江口及鄰近陸架淺水區表層沉積物中GDGT-2和GDGT-3相對豐度的變化，發現研究海域w(GDGT-2)/w(GDGT-3)偏低，為1～4，而在南海深海區該比值偏高，為4～10.Jia等[14]和郭威等[30]在珠江口和南海不同季節的SPM及表層沉積物中也發現了類似規律，對比水深<154 m和水深>200 m的表層沉積物，后者w(GDGT-2)/w(GDGT-3)明顯更高.楊義[15]基于南海63個表層沉積物樣品的GDGTs研究，發現水深<200 m時，GDGT-2和Cren.′含量與水深之間呈現很好的線性關系，水深>1 000 m時，則未與水深表現出明顯的相關性，但GDGT-3含量隨水深表現出逐漸減小的趨勢.

GDGT-5和5′分別表示Cren.和Cren.′.

圖5 w(GDGT-2)/w(GDGT-3)與w(Cren.′)/w(GDGT-3)(a)以及與Cren.′的相對豐度(b)之間的交叉分析圖

圖6 w(GDGT-0)/w(Cren.)(橙色)和MI(藍色)隨水深的變化趨勢

上述研究結果表明，不同水深對應的古菌類群不同，不同類群之間的最主要差別可能表現在產生GDGT-2和GDGT-3的能力上.不同水深的沉積物中，微生物群落的分布較復雜，很大程度上受到地理位置的影響[31-32]，而不同水深微生物群落分布的差別可能引起GDGTs組成的變化.楊義[15]發現在水深1 000 m 上下，會有較多的GDGT-2和相對較少的GDGT-3的貢獻，而在碳酸鹽補償深度(3 500 m)以下，古菌群落可能受碳酸鹽補償的影響而發生變化.Kim等[28-29]也提出深海奇古菌會產生相對較多的GDGT-2和相對較少的GDGT-3.盡管上述研究都認為深水區沉積物中w(GDGT-2)/w(GDGT-3)高值是由深水奇古菌貢獻的，但目前沒有深水奇古菌的純菌株培養，無法確切了解深水奇古菌與淺水奇古菌isoGDGTs的組成差異.海洋中的浮游古菌主要包括兩種類型：奇古菌(marine groupⅠ)和廣古菌(marine groupⅡ)，其中廣古菌是海洋表層水體中最主要的古菌類型[33-34]，而奇古菌除了存在于表層水體外，也是深水古菌的主要類型[33].Lincoln 等[34]基于海水中古菌和isoGDGTs的分布特征，推測廣古菌也有可能產生Cren..Wang等[12]在珠江口水體中發現廣古菌可能產生GDGT-1，2，3，也會對isoGDGTs的組成產生影響.因此，南海不同水深的表層沉積物中，isoGDGTs的組成存在明顯差異，極有可能是不同水深的海洋奇古菌貢獻所致，但不能排除廣古菌的影響.其中，水深200 m(以淺是陸架區，以深是遠海深海區)是導致GDGTs相關參數變化的一個關鍵深度，所以GDGTs環境指標的應用首先要區分所研究區域處于何種海洋環境背景下，在此基礎上再探討相關參數背后的環境意義.如能根據淺水區和深水區isoGDGTs的組成差異建立指標，用于指示水深或海平面的變化，將會是開展古海洋古環境研究的又一有利手段.

圖7 brGDGTs不同組分相對豐度隨水深的變化趨勢

2.2 brGDGTs隨水深的分布特征及來源

北部灣表層沉積物中總brGDGTs的含量分布范圍在23.1～83.1 ng/g之間，隨水深沒有明顯變化規律，其中不含環的Ⅲ+Ⅱ+Ⅰ占總brGDGTs的相對豐度為68.8%～76.1%，隨水深增加略微減少.結合已發表的數據，南海北部表層沉積物中brGDGTs 整體上以Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ為主，其相對豐度分別為3.3%～52.3% (平均值為(20.4±11.8)%，n=50)，10.8%～27.5%(平均值為(20.4±3.5)%，n=50)和22.0%～55.1%(平均值為(36.1±8.9)%，n=50)，其中Ⅲ的波動范圍最大.次要成分中Ⅱb、Ⅱc、Ⅰb和Ⅰc的相對豐度分別為0～12.2%(平均值為(7.0±2.8)%，n=50)，0～5.3%(平均值為(1.9±1.6)%，n=50)，0～15.2%(平均值為(8.9±3.9)%，n=50)，0～12.5%(平均值為(5.3±3.6)%，n=50).brGDGTs 隨水深的分布特征可分成2段(圖7)：第1段，水深≤200 m，表層沉積物的Ⅲ、Ⅱb、Ⅱc 和Ⅰc的相對豐度隨水深增加而增加，而Ⅰ的相對豐度隨水深增加而減少，Ⅱ和Ⅰb 的相對豐度保持穩定.第2段，水深>200 m，隨水深增加，Ⅲ的相對豐度先增加后降低，Ⅰc的相對豐度減小;此范圍內的brGDGTs組成隨水深波動開始較大，在2 200 m之后趨于平穩，體現在Ⅲ、Ⅱb、Ⅱc 和Ⅰc的相對豐度變化上，而Ⅱ和Ⅰb 的相對豐度依然保持相對穩定.brGDGTs不同組分含量之間的相關性(圖8)顯示：Ⅱ 與Ⅰ和Ⅰb，以及Ⅰ與Ⅰb的正相關性均很好，相關系數R2分別達到0.808，0.879和0.875；此外，Ⅲ與Ⅱb和Ⅱc的相關性也很好，R2分別為0.709和0.806.

圖8 brGDGTs不同組分間的相關性

圖9 DC(a)，w(Ⅲ)/w(Ⅱ)(b)和BIT(c)隨水深的變化趨勢

總的來說，在淺水區(≤200 m)，Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ的相對豐度隨水深增加而有所減少(從76.1%降至60.6%)，可能是因為海洋自生的brGDGTs跟陸源brGDGTs相比，會產生更多含五元環的brGDGTs.Sinninghe Damsté等[18]提出用DC表征brGDGTs中五元環的變化趨勢.Weijers等[23]計算了不同類型樣品的DC值，其中全球范圍內土壤的DC值平均為0.16±0.15，而海洋沉積物的DC值平均為0.40±0.16.Xing等[35]計算了渤海和黃海沉積物的DC值(0.32～0.57，平均值0.43)并由此推證渤海和黃海中檢測到的brGDGTs有海洋自生來源的貢獻.本研究中，DC值分布范圍為0.12～0.33，隨水深呈先升高(<200 m，0.18～0.31)后降低(200～3 000 m，0.33～0.16)再升高(>3 000 m，0.16～0.29)的趨勢(圖9(a)).因為Weijers等[23]的研究結果誤差范圍較大，其中當DC值為0.24～0.31時，既包含陸地信號，也包含海洋信號，所以僅憑DC值難以判斷brGDGTs的來源.Xiao等[36]通過調查全球范圍內的土壤和海洋沉積物樣品，發現90%以上土壤樣品中w(Ⅲ)/w(Ⅱ)<0.59，而90%以上的海洋沉積物樣品中w(Ⅲ)/w(Ⅱ)>0.92，由此提出w(Ⅲ)/w(Ⅱ) 可用以指示brGDGTs的來源.本研究中w(Ⅲ)/w(Ⅱ) 分布范圍為0.16～4.14，平均值為1.09±0.80(圖9(b))，指示明顯的海洋自生brGDGTs信號，尤其是水深>200 m的樣品中，w(Ⅲ)/w(Ⅱ) 值顯著分布在海洋自生區間.此外，用于指示來源于陸地土壤的有機物對水體環境貢獻量的BIT[3]，在南海北部62個表層沉積物樣品中也呈現出隨水深變化的分布特征(圖9(c)).BIT最高值(0.64)出現在水深最淺的沉積物中，在水深≤200 m時BIT值隨水深增加而降低(0.64～0.05)，其中在<40 m 范圍內快速下降到0.1左右，40～200 m隨水深緩慢降低.在水深>200 m的沉積物中，BIT值(0.03～0.25，平均值為0.10±0.06)雖然分布離散，但整體呈現隨水深增加而升高的趨勢.該水深范圍內，Cren.含量保持平緩，而brGDGTs略有上升，應該是造成BIT值呈上升趨勢的原因.因此，水深>200 m時BIT值的緩慢上升趨勢也暗示了海洋自生brGDGTs的存在.結合之前探究brGDGTs來源的相關研究結果[14，23，37-38]，可以認為在淺水環境(≤200 m)，海洋沉積物中brGDGTs反映的主要是陸源信號，而在深水環境(>200 m)，brGDGTs則顯示出陸源輸入和海洋自生的雙重貢獻.關于BIT對陸源輸入的指示作用，在淺水區尚能適用；在深水區，尤其是具有明顯證據顯示海洋自生brGDGTs貢獻時，BIT值的升高并不能用于指示陸源輸入增加，而關于其在深水區有何指示作用尚待進一步研究.

3 結 論

本研究利用北部灣7個表層沉積物及南海北部已發表的55個表層沉積物的GDGTs數據，通過單個GDGT化合物相對豐度隨水深的分布特征、不同GDGTs之間的相關性分析以及基于GDGTs的多個比值和指標的分析，探究了南海北部表層沉積物中GDGTs隨水深的分布特征及來源問題.結果顯示，以200 m為界，GDGTs不同化合物及相關指標均呈現顯著的分段式分布趨勢：

1) isoGDGTs各組分的相對豐度隨水深的變化趨勢可分成3個階段：<30 m，30～200 m，>200 m.水深≤200 m時w(GDGT-2)/w(GDGT-3)<4，w(Cren.′)/w(GDGT-3)<2，而當水深>200 m時，w(GDGT-2)/w(GDGT-3)>4，w(Cren.′)/w(GDGT-3)>2.這種變化趨勢顯示不同水深對應的古菌類群可能不同，而類群之間最主要的差別可能表現在產生GDGT-2和GDGT-3的能力上.

2) 在淺水環境(≤200 m)，海洋沉積物中brGDGTs反映的主要是陸源信號，而在深水環境(>200 m)， 海洋沉積物中brGDGTs則顯示出陸源輸入和海洋自生的雙重貢獻.隨著水深增加，brGDGTs的環化增強而甲基化減弱，說明海洋自生的brGDGTs相對陸源輸入的brGDGTs來說，更易產生環化結構而較少產生甲基化結構，這種差異性可能是微生物群落適應環境的結果.

3) 越來越多的證據表明GDGTs在不同環境中來源不同，因此在應用全球性的GDGTs指標時，應嘗試校正區域性因素導致的偏差.

致謝：感謝張洪瑞在圖1繪制時提供的幫助，感謝賈國東教授和Harunur Rashid教授對文章校正提出的寶貴意見.