管红香1,2,3,4，冯东3,5，吴能友1,2,ROBERTS H.Harry5，陈多福1,3
管红香（1981－），女，博士，主要从事冷泉碳酸盐岩的地球化学研究，E-mail:guanhx@ms.giec.ac.cn。
注：本文曾发表于《科学通报》2010年第4～5期，本次出版有修改。
1.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广州 510640
2.中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室，中国科学院广州能源研究所，广州 510640
3.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院广州地球化学研究所，广州 510640
4.中国科学院研究生院，北京 100049
5.Coastal Studies Institute,Louisiana State University,Baton Rouge,LA 70803,USA
摘要：对墨西哥湾北部水深约540m的上陆坡GC185区（GC-F样品）和水深约2 200 m的下陆坡AC645区（AC-E样品）冷泉碳酸盐岩中的脂肪酸及其单体化合物的δ13C进行了分析。在AC-E和GC-F冷泉碳酸盐岩样品中检测到了30多种脂肪酸化合物，均以主峰碳为C16的低碳数（< C20）脂肪酸为主，具偶碳优势，主要包括正构脂肪酸、异构（i－）/反异构（ai－）脂肪酸以及带支链的奇碳数脂肪酸（iso/anteiso）。其中n-C12:0、n-C13:0、i-C14:0和n-C14:0具有明显偏低的δ13C值（－39.99‰～－32.36‰），可能来源于冷泉生物。n-C18:2和C18:1△9具有相同的碳同位素值，可能来源于冷泉渗漏区贝氏硫细菌属/辫硫菌属。支链奇碳数脂肪酸（iso/anteiso C13～C17）具有特别负的δ13C值（－63.95‰～－44.17‰），明显不同于其他类别脂肪酸的碳同位素值，推断这类化合物是海底渗漏区甲烷厌氧氧化过程中的硫酸盐还原细菌生命活动的产物。
关键词：脂肪酸；单体化合物稳定碳同位素；硫酸盐还原菌；甲烷厌氧氧化；冷泉碳酸盐岩；墨西哥湾
Fatty-acids and their 613C Characteristics of Seep Carbonates from the Northern Continental Slope of Gulf of Mexico
Guan Hongxiang1,2,3,4,Feng Dong3,5,Wu Nengyou1,2,Roberts Harry H.5,Chen Duofu1,3
1.Guangzhou Centerfor Gas Hydrate Research,CAS,Guangzhou 510640,China
2.Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate,Guangzhou Institute of Energy Conversion,CAS,Guangzhou 510640,China
3.Key Laboratory of Marginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochemistry,CAS,Guangzhou 510640,China
4.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
5.Coastal Studies Institute,Louisiana State University,Baton Rouge,LA 70803,USA
Abstract:Here we reported the fatty-acids and their δ13C values in seep carbonates collectedfrom Green Canyon 185(GC 185;Sample GC-F)at upper continental slope(water depth：～540 m),and Alaminos Canyon 645(GC 645;Sample AC-E)at lower continental slope(water depth：～2 200 m)of the Gulf of Mexico.More than thirty kinds of fatty acids were detected in both samples.Thesefatty acids are maximized at C16.There is a clear even-over-odd carbon number predominance in carbon number range.The fatty acids are mainly composed of n-fatty acids,iso-/anteiso-fatty acids and terminally branched odd-numberedfatty acids(iso/anteiso).The depleted δ13C values(－39.99‰～－32.36‰）of n-C12:0、n-C13:0、i-C14:0and n-C14:0suggest that they may relate to the chemosynthetic communities at seep sites.The unsaturated fatty acids n-C18:2and C18:1△9have the same δ13C values,they may originatefrom the Beggiatoa/Thioploca.Unlike otherfatty acids,the terminally branched fatty acids(iso/anteiso)show more depleted δ13C values(as low as-63.95‰）suggesting a possible relationship to sulfate reducing bacteria,which is common during anaerobic oxidation of methane at seep sites.
Key words:fatty acids,carbon isotope of individual lipid,sulfate reducing bacteria,anaerobic oxidation of methane,seep carbonate,Gulf of Mexico
0 引言
墨西哥湾是一个油气大量聚集的盆地，在晚三叠世－中侏罗世时期，盆地在断裂作用下发生张裂，沉积形成了巨厚的膏盐层，膏盐层的变形和活动断层为流体从盆地深部的油气系统向海底渗漏运移提供了有效通道，控制着海底冷泉的发育[1-3]。近年的研究表明墨西哥湾海底至少有几百个正在活动的天然气渗漏系统，发育于整个陆坡环境[4-5]。陆坡区的冷泉活动导致海底广泛发育天然气水合物、冷泉生物群和自生碳酸盐岩[4,6-12]。冷泉碳酸盐岩的形成是由于海底渗漏甲烷等碳氢化合物在海底沉积层缺氧带被微生物所消耗，由甲烷氧化古菌（anaerobic methane-oxidizing archaea,MOA）将渗漏CH4氧化为
墨西哥湾北部陆坡与冷泉活动相关的水合物、冷泉碳酸盐岩和冷泉生物群（包括甲烷古菌和硫酸盐还原菌及其生物标志物）已有大量的研究成果发表[4-5,10,14-15,18-23]，但有关下陆坡深水区的工作较少，尤其是缺乏冷泉碳酸盐岩中保存的微生物甲烷厌氧氧化作用的生物标志物的对比研究。本文通过研究墨西哥湾上陆坡GC 185区Bush Hill(GC-F样品）和下陆坡AC645区（AC-E样品）的冷泉碳酸盐岩中的脂肪酸及其单体化合物的δ13C组成，证实墨西哥湾上陆坡到下陆坡海底冷泉渗漏区均发生了渗漏烃（甲烷）的微生物厌氧氧化作用。
1 样品和分析方法
1.1 样品采集
图1 研究区域和采样点位置示意图（据[24]修改）
研究样品来源于墨西哥湾上陆坡和下陆坡区（图1）。深水区AC-E冷泉碳酸盐岩样品（图2）是1990年采集于墨西哥湾下陆坡Alaminos Canyon区内水深2 200 m的一个活动冷泉，采样点的地理经纬度坐标为26°21 ' N,94°31 ' W，采样区发育有大量的冷泉生物群落，主要有管状蠕虫、贻贝及呈分散状分布的蛤和微生物菌席等。AC-E冷泉碳酸盐岩结壳中孔洞发育，主要由生物壳碎屑和碳酸盐岩胶结物组成，矿物组成几乎全部为文石（达98％），仅有少量方解石，碳同位素δ13C为－31.3‰～－23.4‰[24]。浅水区GC-F样品（图2）是1998年在墨西哥湾上陆坡Green Canyon 184和185区块分界线附近的Bush Hill (27°46' N,91°30' W）采集的，水深约为540m，海底温度约为7℃在Bush Hill冷泉渗漏系统中，在海底能观察到正在活动气泡渗漏、冷泉生物群、自生碳酸盐岩及出露的天然气水合物[4,22,25-26]。GC-F冷泉碳酸盐岩可见管状serpulid蠕虫碎片，保存有Lucinid-vesycomyid双壳类冷泉生物的壳体，碳酸盐岩基质胶结物部分几乎全部由文石组成，仅有少量的方解石和白云石，碳同位素δ13C为
图2 墨西哥湾上、下陆坡区冷泉碳酸盐岩样品外貌
a.AC-E样品，采集于水深2 200 m的下陆区Alaminos Canyon区内的一个活动冷泉；b.GC-F样品，采集于水深约为540m的上陆坡Green Canyon 184区Bush Hill活动冷泉。标尺为1cm
－29.4‰～－15.1‰[27]。
1.2 实验分析
样品磨碎至200目干燥，用二氯甲烷/甲醇混合溶剂索氏抽提72 h。抽提后的残渣自然晾干，用10％的盐酸缓慢溶解，为避免脂交换反应，待样品溶解80％后停止加入盐酸，用二氯甲烷萃取有机质，并与抽提得到的有机质合并。用硅胶－氧化铝柱进行族组分分离，分别用正己烷、6:4正己烷/二氯甲烷和CH3OH溶剂洗脱获得饱和烃、芳烃和极性组分[19-20,28-31]。
将酸解获得的HCl不溶物冷冻干燥，得到的酸解残渣和非烃分别用6% KOH－甲醇溶液皂化，平衡12 h后，用正己烷萃取其中的有机质，萃取出的有机质进行硅胶/氧化铝柱层析，分别用正己烷/二氯甲烷（3:1）混合溶剂和二氯甲烷/丙酮（9:1）混合溶剂填充柱，依次得酮和脂肪醇，余下的溶液进行反萃取获得脂肪酸组分，酸性组分加入HCL-CH3OH饱和溶液，在80℃加热2 h进行甲酯化，并用二氯甲烷萃取脂肪酸甲酯。然后将脂肪酸甲酯组分进行GC-MS、GC/IRM分析。
1.3 仪器分析
GC-MS分析在有机地球化学国家重点实验室HP 6890Ⅱ型气相色谱仪和Platform Ⅱ型质谱仪上完成，离子源为电子轰击源（70 e V），色谱柱为DB-5MS硅熔融毛细柱（30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm涂层）。无分流进样1μL，进样口温度为290℃，升温程序初始温度80℃（5 min），以3℃/min升温至290℃，保留20 min，载气为高纯氦气，流速1.0 m L/min。
GC/IRMS分析在英国GV公司Isoprime色谱－同位素质谱仪上完成，色谱柱为JW-DB-5型60 m×0.25 mm×0.25μm毛细柱，样品直接进入温度为290℃无分流注入器，氦气为载气，升温程序初温80℃（5 min），以3℃/min升温至290℃（40 min）。同位素测定误差小于0.5‰。碳同位素以6表示，V-PDB标准，并依段毅等[31,32]报道的方法对脂肪酸甲酯化增加的碳进行了校正。
2 结果
在墨西哥湾下陆坡深水区的AC-E和上陆坡浅水区的GC-F冷泉碳酸盐岩样品中均检测到30多种脂肪酸化合物，主要由正构脂肪酸、异构（i－）和反异构（ai－）脂肪酸组成，以低碳数（
AC-E样品中正构脂肪酸碳数分布范围为C12- C28,GC-F样品碳数分布范围C12- C24，且均检测到C14:1△7、C16:1△7、C18:1△9和C18:2正构不饱和脂肪酸。A C-E样品中丰度最高的脂肪酸为n-C16:0，其次为C18:1△9、n-C14:0和n-C18:0,G C-F样品中丰度最高的脂肪酸为n-C16:0，其次为n-C14:0、ai-C15:0和n-C18:0。样品AC-E中正构饱和脂肪酸δ13C值为－32.36‰～－27.64‰，正构不饱和脂肪酸C16:1△7和18:1△9的δ13C值分别为－19.97‰和－25.48‰。样品GC-F中正构饱和脂肪酸δ13C值－39.99‰～－26.52‰，正构不饱和脂肪酸Cl8:1△9的δ13C为－31.04‰。
图3 墨西哥湾冷泉碳酸盐岩AC-E样品中脂肪酸化合物
图中数字编号与表1中编号和脂肪酸相对应，N代表未知化合物
图4 墨西哥湾冷泉碳酸盐岩GC-F样品中脂肪酸化合物
图中数字编号与表1中编号和脂肪酸相对应
表1 墨西哥湾冷泉碳酸盐岩样品中脂肪酸化合物及其碳同位素组成
除正构脂肪酸外，下陆坡深水区AC-E冷泉碳酸盐岩样品中还检测到支链的奇碳数脂肪酸（iso/anteiso-C15:0），其δ13C值分别为－63.95‰和－50.48‰。上陆坡浅水区冷泉碳酸盐岩样品GC-F中支链的奇碳数脂肪酸主要有iso/anteiso-C13:0,－C15:0和－C17:0，其δ13C范围为－48.62‰～－44.17‰。
3 讨论与结论
墨西哥湾是一个油气大量聚集的盆地，盆地中沉积形成了巨厚的膏盐层，GC185和AC645区断裂发育，盐层变形和活动断层为流体从盆地深部的油气系统向海底渗漏运移提供了有效通道。以烃类化合物为主的流体通过断裂等通道渗漏到海底附近的沉积层中发生微生物的氧化，在海底发育有大量的微生物细菌席、管状蠕虫，双壳类等冷泉生物[1-3]，并通过这些冷泉生命活动形成了冷泉碳酸盐岩[24-27]，同时形成了一些特殊的脂肪酸。
本文所研究的冷泉碳酸盐岩样品中饱和脂肪酸以低碳数（
在所分析的AC-E样品中还存在有异构饱和脂肪酸i-C14:0和正构饱和脂肪酸n-C14:0，它们的δ13C为－36.6‰～－32.36‰。同时GC-F样品存在异构饱和脂肪酸i-C14:0和正构饱和脂肪酸n-C12:0、n-C13:0和n-C14:0， 它们的δ13C为－39.99‰～－33.7 1‰。这些脂肪酸的δ13C值明显比前述脂肪酸的低。墨西哥湾北部冷泉渗漏区双壳类软体组织δ13C为（－43.2±4.1）‰[34]，管状蠕虫的软体组织δ13C为（－45.6±5.2）‰[35]，墨西哥湾GC185区海底渗漏区的Bathymodiolus childressi的软体组织613C为（－38.9±1.2）‰[36]，这些生物体的δ13C值都比正常海洋生物体的低，表明冷泉区的这些生物主要是以化能自养生物（如嗜甲烷细菌等）为食物的[34]。最近的研究表明双壳类和管状蠕虫等大生物体常与细菌微生物共生，贻贝类依赖甲烷氧化菌和/或硫酸盐还原菌，管状蠕虫依赖于硫酸盐还原菌[37]。因此在冷泉碳酸盐岩样品中存在的n-C12:0、n-C13:0、n-C14:0和i-C14:0可能来源于冷泉区的大生物体。
在正构脂肪酸中均检测到C14:1△7、C16:1△7、C18:1△9和C18:2正构不饱和脂肪酸，其中GC-F样品的n-C18:2和C18:1△9的δ13C均为－28.04‰，AC-E样品的n-C18:2和C18:1△9的δ13C均为－25.48‰。在同一个样品中n-C18:2和C18:1△92个脂肪酸均具有相同的δ13C值，说明n-C18:2和C18:1△9的生物来源和合成途径相近[32]。最近研究表明在冷泉渗漏区的贝氏硫细菌属/辫硫菌属发育有n-C18:2和C18:1△9脂肪酸[38]。此外，海洋浮游生物尤其是硅藻也存在n-C18:2和C18:1△9[39]。考虑到所分析的样品是天然气渗漏区形成的冷泉碳酸盐岩，且这些样品中浮游生物化石非常少，这2个n-C18:2和C18:1△9脂肪酸很可能来源于冷泉渗漏区贝氏硫细菌属/辫硫菌属。
此外，AC-E样品还存在δ13C为－19.97‰的正构不饱和脂肪酸C16:1△7，它具有与其他脂肪酸明显不同的δ13C，而与中低纬度典型海洋现代沉积有机质的δ13C值－23.10‰～－19.10‰一致[32,40]，表明很有可能来源于海洋现代沉积有机质，如在海洋微藻中检测到很高含量的C16:1△7脂肪酸[41]。
除上述的脂肪酸外，所分析的样品均存在δ13C值极负的支链奇碳数脂肪酸iso/anteiso-C13:0,－C15:0和－C17:0。其中下陆坡深水区AC-E冷泉碳酸盐岩样品中检测到的i-C15:0和ai-C15:0的δ13C值为－63.95‰～－50.48‰。上陆坡浅水区冷泉碳酸盐岩样品GC-F中iso/anteiso-C13:0,－C15:0 和－C17:0的δ13C 为 －48.62‰ ～ －44.17‰。这些奇碳数异构（is－）/反异构（ai－）脂肪酸δ13C比所分析样品中的其他脂肪酸的碳同位素显著的低，也低于冷泉碳酸盐岩的碳同位素值（－31.3‰～－15.1‰）、冷泉渗漏烃（－28‰～－26‰）和GC区渗漏甲烷的δ13C值（－44.1～－46.7‰）[22,24,27]，说明奇碳数异构（is－）/反异构（ai－）脂肪酸在形成过程中产生了同位素的分馏。目前对海底天然气渗漏区沉积物和细菌席的脂肪酸的研究表明，这种具有极低碳同位素的奇碳数异构（i）/反异构（ai）脂肪酸主要来源于甲烷厌氧氧化作用中的硫酸盐还原菌的生命活动[15,18,20-21,42-44]。因此，本文所研究的冷泉碳酸盐岩样品中具有极负δ13C值的支链奇碳数脂肪酸（iso/anteiso-C13:0,－C15:0和－C17:0）来源于硫酸盐还原菌。
致谢：冷泉碳酸盐岩样品由美国路易斯安那州立大学H H Roberts教授提供，实验分析是在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成，并得到徐世平副研究员、贾蓉芬研究员和胡建芳副研究员的帮助。
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