水生植物轮藻特殊气味的分析研究

张 猛,谢树莲,韩晓静,何雨原,石 瑛

山西大学生命科学学院,太原 030006

水生植物轮藻特殊气味的分析研究

张 猛,谢树莲＊,韩晓静,何雨原,石 瑛

山西大学生命科学学院,太原 030006

本实验采用热脱附气质联用技术(TCT-GC/MS)对山西省内三种轮藻的挥发性气味的化学成分 (VOCs)进行了分析,共鉴定出 43种物质,主要为烷烃类、酮类、醇类等物质,其中野生不连续轮藻、实验室培养的不连续轮藻和普生轮藻的挥发性物质组成基本相似,以烷烃类为主,而钝节拟丽藻的气味组成与它们存在较大差异,说明其存在属间差异;在轮藻的VOCs组成中,发现了苯并噻唑、青叶醛、α-蒎烯和为薄荷烯等有记载的对昆虫起趋避和杀灭作用的化合物,所以轮藻应具有杀虫活性;另外还在其VOCs组成中发现了苯系物的存在,说明轮藻对其有吸附作用,但这种吸附作用同样存在属间差异。

轮藻;VOCs;TCT-GC/MS;杀虫剂;苯系物

轮藻是一类大型沉水藻类植物,其分布遍及全球,我国是主要产地之一,在各种淡水及半咸水中都能见到,分布十分广泛[1]。1919年 Caballero首次报道了在轮藻生活的水域中没有蚊幼生长这一现象[2],而我国民间也有记载轮藻藻体的熏烟可以驱蚊,1920年 James记载了瑞士的人们用轮藻作为肥料滋养土地,而同时轮藻的特殊气味可以趋避根部害虫和啮齿类动物从而保护农作物[3],1940年 Zeneveld总结了前人关于轮藻与蚊虫关系的研究成果,认为轮藻在杀虫发面具有一定应用潜力[2]。但目前对其研究主要集中在生理、生物多样性和细胞学等方面,对其应用方面的研究尤其是杀虫方面的研究甚少。

动态顶空套袋-吸附采集法[4,5]与 TCT-GC/MS联用分析技术,是一种采集-吸附-分析相结合的、活体植株挥发物成分分析的试验技术,可以有效排除外界挥发物的干扰,较真实地反映植物香气成分及其释放量,适合于近自然状态下植物挥发物的定性、定量分析[6],是一种新兴的植物香气成分分析方法。本试验将利用此技术对活体轮藻的特殊气味进行分析,探究其中是否含有对蚊虫有影响的成分,为轮藻在此方面的开发利用提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 轮藻

本实验以山西省常见的三种轮藻,钝节拟丽藻(N itellopsis obtusa)、普生轮藻(Chara vulagris)、不连续轮藻(Chara inconnexa)以及实验室驯养一年的不连续轮藻作为实验材料,其中钝节拟丽藻和普生轮藻样品采自太原晋祠公园,不连续轮藻样品采自阳泉娘子关泉域,实验室驯养的不连续轮藻于前一年采自同一地点,所有标本保存于山西大学生命科学学院。

1.1.2 仪器

大气采样仪(QC_1型,转子流量计使用前经皂膜流量计校正);TCT-GC/MS联用仪,其中热脱附型号:CPG-4010 PTI/TCT(Chrompack公司);GC型号: TRACET M 2000 GC(CE Instrument公司)MS型号: VoyagerMS(Finnigan,Thermo-Quest)。

1.2 方法

1.2.1 轮藻气味的采集

采集方式采用活体植株动态顶空套袋-吸附采集法,在实验室中,将洗净的藻体放入采集袋中,用大气采样器迅速抽走袋内空气,形成瞬间真空,随即泵入经过活性炭过滤的空气,然后在出口处连接装有吸附剂 (Tenax GR)的吸附管 (Chrompack公司),缓慢抽滤采集气体。采样流量:40 mL/min,采样时间:30 min,将采好样的吸附管两端用锡纸密封,置于干燥器中保存,待上机[6]。气体采集同样条件下重复 2次。

1.2.2 TCT-GC/MS分析[4,7]

TCT工作条件:系统压力为 20 kPa;进样口温度为 250℃;冷阱温度为-120℃(3 min);脱附温度为260℃(10 min);冷阱进样时温度为 260℃。

色谱条件:色谱柱为DB-5 Low Bleed/MS柱(60 m×0.32 mm×0.5μm),载气为 He,程序升温过程为起始温度 40℃,保持 3 min,然后以 6℃/min的速率升至 270℃,保持 3 min;最后升温至 290℃,保持 5 min。

质谱条件:电离方式为 EI;电子能量为 70 eV;质谱扫描范围为 20～420 amu;接口温度为 250℃;离子源温度为 200℃;灯丝发射电流为 150μA。

1.2.3 轮藻气味成分定性和定量方法

使用 Xcalibur1.2版本软件并检索 N IST98标准谱图库,对基峰、相对丰度和保留时间 3个参数进行直观比较,结合拟和指数,并参考有关文献,对各香气成分进行定性;用总离子流峰面积归一化法计算各成分在总挥发物中的相对百分含量[8,9]。

2 实验与分析

图 1 三种轮藻挥发物的总离子流图Fig.1 TI C of volatiles extracted from three charophytes

图 1是对三种轮藻气味收集物的 GC-MS分析所获得的 GC/MS原始数据-总离子流图。各峰代表的化学信息经计算机检索图库,并根据不同化合物

的出峰顺序和其他化学经验,共鉴定出 43种化合物。它们的气-质保留时间、名称、相对含量等数据见表 1。

表 1 三种轮藻气味的化合物组成Table 1 Chemical components of volatile of three charophytes

由表 1可知,实验室培育一年的不连续轮藻的气味成分有 24种,相对含量 88.63%;野外采集的不连续轮藻气味成分有 30种,相对含量为91.36%;普生轮藻气味成分有 33种,相对含量为92.99%;钝节拟丽藻气味成分有 24种,相对含量为91.17%。气味的组成基本一致,都含有烷烃类、酮类、醇类、醛类、酯类和萜烯类,其中野外采集的不连续轮藻、实验室培养的不连续轮藻和普生轮藻气味的各组成成分在含量上也差异不大,均是烷烃的含量最多,其次是酮类和醇类,醛类和萜烯类的含量最少(表 2);而钝节拟丽藻虽然气味组成上与其余三种轮藻基本相似,但在含量上却有较大差异,各类化合物如烷烃类、醇类、酮类的组成和含量则基本相似,但在它的气味组成中,缺少含 N类化合物苯并噻唑,却存在大量的烯类化合物二己烯。

注:不连续轮藻 1表示实验室培育一年的不连续轮藻;不连续轮藻 2表示野外采集的不连续轮藻。Note:C.inconnexa1 was collected and was cultivated in laboratory for one year;C.inconnexa2 was collected directly.

表 2 三种轮藻气味化合物分类Table 2 Category of Chemical components of volatile of three charophytes

3 讨论与分析

植物释放挥发性气体 (VOCs)是植物抗性机制的重要方式,虽然部分 VOCs是代谢废物,但 VOCs组成中的大部分可调节植物的授粉现象并抵御动物伤害[10],而 VOCs组成中的萜烯类化合物在其中起着重要的作用。在对三种轮藻的 VOCs的分析中,他们都含有萜烯化合物,其中野生不连续轮藻和普生轮藻的 VOCs组成最相似,共有 3种,其中α-蒎烯、为薄荷烯都为单萜类化合物,他们除是香气的主要成分外,在一定浓度下具有一定的昆虫趋避和杀灭作用,如草果中α-蒎烯有镇咳祛痰作用[11],Abdallah测试的纯品α-蒎烯对淡色库蚊幼虫有较强的致死效果,其半致死浓度为 36 mg/L[12]。

另在两种测试轮藻样品VOCs组成中发现有含N化合物苯并噻唑的存在,它是一种具有较强杀虫活性的化合物,在实验室接触到的一些植物 VOCs样品中也曾发现其存在,但一直不能确定其是否是植物释放挥发性气体。本实验中,其在实验室培养的不连续轮藻的 VOCs中相对含量最高,而采自同一地点的普生轮藻和钝节拟丽藻却有明显区别,普生轮藻的VOCs中含有此化合物,而钝节拟丽藻的VOCs中却没有,这从侧面说明其应该是轮藻的挥发性气体的组成部分,而且是构成对蚊虫负面影响气味的主要组成部分。综上所述,轮藻 VOCs中含有的萜烯类化合物和苯并噻唑构成了其对昆虫起负面影响的主要成分,其相对含量均在 10%左右。

在其挥发性气体组成中还发现一些苯系物的存在,如甲苯、乙苯、邻二甲苯。苯系物是环境中常见的有机物,毒性很大,有“三致“危害,水中挥发性苯系物因为对人体的危害以及其作为水体有机污染的先兆指标日益受到关注[13]。在轮藻的 VOCs组成中发现其存在,说明轮藻对此类物质具有一定的吸附作用,而且不连续轮藻在实验室培养一年后,其所吸收的苯系物与野生的不连续轮藻相比,在种类和含量上差别都不大,说明轮藻对此类物质的吸附较为牢固;另外同一采集环境中的普生轮藻和钝节拟丽藻对苯系物的吸附却存在较大差异,钝节拟丽藻对其无吸附,这应该与其表面结构的差异有关,钝节拟丽藻属于拟丽藻属,其表面缺乏皮层,而普生轮藻和不连续轮藻是轮藻属,表面被有大量的钙质且有皮层[1],可能是这种表面结构的差异影响其对苯系物的吸附效果。

总之,本试验首次对轮藻的挥发性气味进行了研究,在对其挥发性物质的分析中,发现其含有起趋避昆虫作用的化合物,如单萜类化合物的α-蒎烯和苯并噻唑,证明轮藻对昆虫是有一定的趋避影响的。而且还发现轮藻对苯系物具有较为牢固的吸附作用,可以应用于环境处理方面尤其是苯系物的处理上,但同时需要注意,由于不同属轮藻植物表面结构的差异,这种吸附作用是存在属间差异的,轮藻属植物如不连续轮藻和普生轮藻对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

山西省农业科技攻关项目 (2007031042);山西省高校科技研究开发项目(2007147);国家和山西省大学生创新性实验项目 (080001)

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