水生植物輪藻特殊氣味的分析研究

張 猛,謝樹蓮,韓曉靜,何雨原,石 瑛

山西大學生命科學學院,太原 030006

水生植物輪藻特殊氣味的分析研究

張 猛,謝樹蓮＊,韓曉靜,何雨原,石 瑛

山西大學生命科學學院,太原 030006

本實驗采用熱脫附氣質(zhì)聯(lián)用技術(TCT-GC/MS)對山西省內(nèi)三種輪藻的揮發(fā)性氣味的化學成分 (VOCs)進行了分析,共鑒定出 43種物質(zhì),主要為烷烴類、酮類、醇類等物質(zhì),其中野生不連續(xù)輪藻、實驗室培養(yǎng)的不連續(xù)輪藻和普生輪藻的揮發(fā)性物質(zhì)組成基本相似,以烷烴類為主,而鈍節(jié)擬麗藻的氣味組成與它們存在較大差異,說明其存在屬間差異;在輪藻的VOCs組成中,發(fā)現(xiàn)了苯并噻唑、青葉醛、α-蒎烯和為薄荷烯等有記載的對昆蟲起趨避和殺滅作用的化合物,所以輪藻應具有殺蟲活性;另外還在其VOCs組成中發(fā)現(xiàn)了苯系物的存在,說明輪藻對其有吸附作用,但這種吸附作用同樣存在屬間差異。

輪藻;VOCs;TCT-GC/MS;殺蟲劑;苯系物

輪藻是一類大型沉水藻類植物,其分布遍及全球,我國是主要產(chǎn)地之一,在各種淡水及半咸水中都能見到,分布十分廣泛[1]。1919年 Caballero首次報道了在輪藻生活的水域中沒有蚊幼生長這一現(xiàn)象[2],而我國民間也有記載輪藻藻體的熏煙可以驅(qū)蚊,1920年 James記載了瑞士的人們用輪藻作為肥料滋養(yǎng)土地,而同時輪藻的特殊氣味可以趨避根部害蟲和嚙齒類動物從而保護農(nóng)作物[3],1940年 Zeneveld總結(jié)了前人關于輪藻與蚊蟲關系的研究成果,認為輪藻在殺蟲發(fā)面具有一定應用潛力[2]。但目前對其研究主要集中在生理、生物多樣性和細胞學等方面,對其應用方面的研究尤其是殺蟲方面的研究甚少。

動態(tài)頂空套袋-吸附采集法[4,5]與 TCT-GC/MS聯(lián)用分析技術,是一種采集-吸附-分析相結(jié)合的、活體植株揮發(fā)物成分分析的試驗技術,可以有效排除外界揮發(fā)物的干擾,較真實地反映植物香氣成分及其釋放量,適合于近自然狀態(tài)下植物揮發(fā)物的定性、定量分析[6],是一種新興的植物香氣成分分析方法。本試驗將利用此技術對活體輪藻的特殊氣味進行分析,探究其中是否含有對蚊蟲有影響的成分,為輪藻在此方面的開發(fā)利用提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 輪藻

本實驗以山西省常見的三種輪藻,鈍節(jié)擬麗藻(N itellopsis obtusa)、普生輪藻(Chara vulagris)、不連續(xù)輪藻(Chara inconnexa)以及實驗室馴養(yǎng)一年的不連續(xù)輪藻作為實驗材料,其中鈍節(jié)擬麗藻和普生輪藻樣品采自太原晉祠公園,不連續(xù)輪藻樣品采自陽泉娘子關泉域,實驗室馴養(yǎng)的不連續(xù)輪藻于前一年采自同一地點,所有標本保存于山西大學生命科學學院。

1.1.2 儀器

大氣采樣儀(QC_1型,轉(zhuǎn)子流量計使用前經(jīng)皂膜流量計校正);TCT-GC/MS聯(lián)用儀,其中熱脫附型號:CPG-4010 PTI/TCT(Chrompack公司);GC型號: TRACET M 2000 GC(CE Instrument公司)MS型號: VoyagerMS(Finnigan,Thermo-Quest)。

1.2 方法

1.2.1 輪藻氣味的采集

采集方式采用活體植株動態(tài)頂空套袋-吸附采集法,在實驗室中,將洗凈的藻體放入采集袋中,用大氣采樣器迅速抽走袋內(nèi)空氣,形成瞬間真空,隨即泵入經(jīng)過活性炭過濾的空氣,然后在出口處連接裝有吸附劑 (Tenax GR)的吸附管 (Chrompack公司),緩慢抽濾采集氣體。采樣流量:40 mL/min,采樣時間:30 min,將采好樣的吸附管兩端用錫紙密封,置于干燥器中保存,待上機[6]。氣體采集同樣條件下重復 2次。

1.2.2 TCT-GC/MS分析[4,7]

TCT工作條件:系統(tǒng)壓力為 20 kPa;進樣口溫度為 250℃;冷阱溫度為-120℃(3 min);脫附溫度為260℃(10 min);冷阱進樣時溫度為 260℃。

色譜條件:色譜柱為DB-5 Low Bleed/MS柱(60 m×0.32 mm×0.5μm),載氣為 He,程序升溫過程為起始溫度 40℃,保持 3 min,然后以 6℃/min的速率升至 270℃,保持 3 min;最后升溫至 290℃,保持 5 min。

質(zhì)譜條件:電離方式為 EI;電子能量為 70 eV;質(zhì)譜掃描范圍為 20～420 amu;接口溫度為 250℃;離子源溫度為 200℃;燈絲發(fā)射電流為 150μA。

1.2.3 輪藻氣味成分定性和定量方法

使用 Xcalibur1.2版本軟件并檢索 N IST98標準譜圖庫,對基峰、相對豐度和保留時間 3個參數(shù)進行直觀比較,結(jié)合擬和指數(shù),并參考有關文獻,對各香氣成分進行定性;用總離子流峰面積歸一化法計算各成分在總揮發(fā)物中的相對百分含量[8,9]。

2 實驗與分析

圖 1 三種輪藻揮發(fā)物的總離子流圖Fig.1 TI C of volatiles extracted from three charophytes

圖 1是對三種輪藻氣味收集物的 GC-MS分析所獲得的 GC/MS原始數(shù)據(jù)-總離子流圖。各峰代表的化學信息經(jīng)計算機檢索圖庫,并根據(jù)不同化合物

的出峰順序和其他化學經(jīng)驗,共鑒定出 43種化合物。它們的氣-質(zhì)保留時間、名稱、相對含量等數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 三種輪藻氣味的化合物組成Table 1 Chemical components of volatile of three charophytes

由表 1可知,實驗室培育一年的不連續(xù)輪藻的氣味成分有 24種,相對含量 88.63%;野外采集的不連續(xù)輪藻氣味成分有 30種,相對含量為91.36%;普生輪藻氣味成分有 33種,相對含量為92.99%;鈍節(jié)擬麗藻氣味成分有 24種,相對含量為91.17%。氣味的組成基本一致,都含有烷烴類、酮類、醇類、醛類、酯類和萜烯類,其中野外采集的不連續(xù)輪藻、實驗室培養(yǎng)的不連續(xù)輪藻和普生輪藻氣味的各組成成分在含量上也差異不大,均是烷烴的含量最多,其次是酮類和醇類,醛類和萜烯類的含量最少(表 2);而鈍節(jié)擬麗藻雖然氣味組成上與其余三種輪藻基本相似,但在含量上卻有較大差異,各類化合物如烷烴類、醇類、酮類的組成和含量則基本相似,但在它的氣味組成中,缺少含 N類化合物苯并噻唑,卻存在大量的烯類化合物二己烯。

注:不連續(xù)輪藻 1表示實驗室培育一年的不連續(xù)輪藻;不連續(xù)輪藻 2表示野外采集的不連續(xù)輪藻。Note:C.inconnexa1 was collected and was cultivated in laboratory for one year;C.inconnexa2 was collected directly.

表 2 三種輪藻氣味化合物分類Table 2 Category of Chemical components of volatile of three charophytes

3 討論與分析

植物釋放揮發(fā)性氣體 (VOCs)是植物抗性機制的重要方式,雖然部分 VOCs是代謝廢物,但 VOCs組成中的大部分可調(diào)節(jié)植物的授粉現(xiàn)象并抵御動物傷害[10],而 VOCs組成中的萜烯類化合物在其中起著重要的作用。在對三種輪藻的 VOCs的分析中,他們都含有萜烯化合物,其中野生不連續(xù)輪藻和普生輪藻的 VOCs組成最相似,共有 3種,其中α-蒎烯、為薄荷烯都為單萜類化合物,他們除是香氣的主要成分外,在一定濃度下具有一定的昆蟲趨避和殺滅作用,如草果中α-蒎烯有鎮(zhèn)咳祛痰作用[11],Abdallah測試的純品α-蒎烯對淡色庫蚊幼蟲有較強的致死效果,其半致死濃度為 36 mg/L[12]。

另在兩種測試輪藻樣品VOCs組成中發(fā)現(xiàn)有含N化合物苯并噻唑的存在,它是一種具有較強殺蟲活性的化合物,在實驗室接觸到的一些植物 VOCs樣品中也曾發(fā)現(xiàn)其存在,但一直不能確定其是否是植物釋放揮發(fā)性氣體。本實驗中,其在實驗室培養(yǎng)的不連續(xù)輪藻的 VOCs中相對含量最高,而采自同一地點的普生輪藻和鈍節(jié)擬麗藻卻有明顯區(qū)別,普生輪藻的VOCs中含有此化合物,而鈍節(jié)擬麗藻的VOCs中卻沒有,這從側(cè)面說明其應該是輪藻的揮發(fā)性氣體的組成部分,而且是構(gòu)成對蚊蟲負面影響氣味的主要組成部分。綜上所述,輪藻 VOCs中含有的萜烯類化合物和苯并噻唑構(gòu)成了其對昆蟲起負面影響的主要成分,其相對含量均在 10%左右。

在其揮發(fā)性氣體組成中還發(fā)現(xiàn)一些苯系物的存在,如甲苯、乙苯、鄰二甲苯。苯系物是環(huán)境中常見的有機物,毒性很大,有“三致“危害,水中揮發(fā)性苯系物因為對人體的危害以及其作為水體有機污染的先兆指標日益受到關注[13]。在輪藻的 VOCs組成中發(fā)現(xiàn)其存在,說明輪藻對此類物質(zhì)具有一定的吸附作用,而且不連續(xù)輪藻在實驗室培養(yǎng)一年后,其所吸收的苯系物與野生的不連續(xù)輪藻相比,在種類和含量上差別都不大,說明輪藻對此類物質(zhì)的吸附較為牢固;另外同一采集環(huán)境中的普生輪藻和鈍節(jié)擬麗藻對苯系物的吸附卻存在較大差異,鈍節(jié)擬麗藻對其無吸附,這應該與其表面結(jié)構(gòu)的差異有關,鈍節(jié)擬麗藻屬于擬麗藻屬,其表面缺乏皮層,而普生輪藻和不連續(xù)輪藻是輪藻屬,表面被有大量的鈣質(zhì)且有皮層[1],可能是這種表面結(jié)構(gòu)的差異影響其對苯系物的吸附效果。

總之,本試驗首次對輪藻的揮發(fā)性氣味進行了研究,在對其揮發(fā)性物質(zhì)的分析中,發(fā)現(xiàn)其含有起趨避昆蟲作用的化合物,如單萜類化合物的α-蒎烯和苯并噻唑,證明輪藻對昆蟲是有一定的趨避影響的。而且還發(fā)現(xiàn)輪藻對苯系物具有較為牢固的吸附作用,可以應用于環(huán)境處理方面尤其是苯系物的處理上,但同時需要注意,由于不同屬輪藻植物表面結(jié)構(gòu)的差異,這種吸附作用是存在屬間差異的,輪藻屬植物如不連續(xù)輪藻和普生輪藻對苯系物有牢固的吸附作用。

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TCT-GC/M S Analysis for Volatile Constituents of Three Charophytes

ZHANGMeng,XIE Shu-lian＊,HAN Xiao-jing,HE Yu-yuan,SH I Ying
School of Life Science and Technology,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China

The volatile organic compounds(VOCs)from three charophytes were separated and identified by TCT-GC/ MS.As a result,43 species componentswere identified,and they belong to alkanes,ketones and alcohols,etc.There are some differences among the contents of volatile constituents inChara inconnexa,Chara vulagrisandN itellopsis obtusa. The mean component inC.inconnexaandC.vulagrisare alkanes,while the contentof the componentof volatile constituents inN.obtusais similitude,which implied therewas diversity between difference genera.In all identified components, (E)-2-Hexenal,α-Pinene,3-Menthene and Benzothiazole were reported as larvicidal,so charophytes have application potential aspesticides.Benzene hydrocarbonswere found in theVOCs,which implied that those components could be absorbed by charophytes,but this effect has distinct diversity also.

charophytes;VOCs;TCT-GC/MS;larvicidal;benzene hydrocarbons

Q176;R285

A

1001-6880(2010)03-0455-05

2008-11-13 接受日期:2009-02-10

山西省農(nóng)業(yè)科技攻關項目 (2007031042);山西省高?？萍佳芯块_發(fā)項目(2007147);國家和山西省大學生創(chuàng)新性實驗項目 (080001)

＊通訊作者 Tel:86-351-7018121;E-mail:xiesl@sxu.edu.cn