游洋 李婧婧 張恩樓

游洋，李婧婧，張恩樓.甲藻甾醇在海洋和湖泊古環(huán)境重建中的應(yīng)用.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2024，54（3）：752772. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230163.

You Yang，Li Jingjing，Zhang Enlou. Application of Dinosterol in Marine and Lacustrine Environments： Implication for Paleoenvironment Reconstruction. Journal of Jilin University（Earth Science Edition）， 2024，54（3）：752772. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230163.

摘要：

甲藻甾醇（dinosterol）是甲藻（dinoflagellate）細(xì)胞膜脂的重要組分，作為甲藻的生物標(biāo)志物，它具有來源特異性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗降解能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛分布于海洋、湖泊等各類沉積載體中，有效記錄不同地質(zhì)歷史時(shí)期古環(huán)境的信息。目前，利用甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其單體氫同位素組成開展重建早期生態(tài)環(huán)境變化的研究，為理解早期氣候和環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)提供新視角，因此甲藻甾醇是近年來海洋和湖泊古環(huán)境重建研究的熱點(diǎn)生物標(biāo)志物之一?；诖?，本文首先介紹甲藻甾醇的結(jié)構(gòu)、生物來源及其在海洋、湖泊等環(huán)境的分布特征，簡要概述且對比甲藻甾醇的幾種純化方法，并在闡述其重建古環(huán)境、古氣候原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)甲藻甾醇的古環(huán)境指示意義，特別是其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在古生產(chǎn)力重建以及甲藻甾醇單體氫同位素組成在鹽度、降水重建上的研究進(jìn)展。據(jù)此，我們提出甲藻甾醇在古環(huán)境重建研究中應(yīng)注意的問題，如甲藻甾醇的具體生物來源、環(huán)境因子對甲藻甾醇的影響等。

關(guān)鍵詞：

甲藻甾醇；古環(huán)境；單體氫同位素；生物標(biāo)志物；海洋；湖泊

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230163

中圖分類號(hào)：P531；Q 946.48

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：20230705

作者簡介：游洋（1999—），女，碩士研究生，主要從事湖泊沉積與環(huán)境演化方面的研究，E-mail：youyang21@mails.ucas.ac.cn

通信作者：李婧婧（1984—），女，助理研究員，博士，主要從事湖泊沉積與環(huán)境演化方面的研究，E-mail：jjli@niglas.ac.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42025707，41977384）；中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所青年人才托舉項(xiàng)目（NIGLAS2022TJ04）；流域關(guān)鍵帶演化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（CEZ2022F01）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42025707，41977384），the Science and Technology Planning Project of Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences （NIGLAS2022TJ04）? and the Open Foundation of Hubei Key Laboratory of Critical Zone Evolution， China University of Geosciences （CZE2022F01）

Application of Dinosterol in Marine and Lacustrine Environments： Implication for Paleoenvironment Reconstruction

You Yang1，2，Li Jingjing1，Zhang Enlou1

1.

Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences/State Key Laboratory of Lake Science and ??Environment，Nanjing 210008，China

2. College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract：

Dinosterol， also known as dinoflagellate sterol， is an important component of cell membrane lipids of dinoflagellate. As a biomarker of dinoflagellate， dinosterol is featured by high source specificity， structural stability， and resistance to degradation. It widely distributed in various sedimentary environments， such as oceans and lakes as well as peat， and this compound effectively records paleoenvironmental information from different geological periods. Currently， dinosterol and its hydrogen isotope composition have been used to reconstruct past ecological and environmental changes. The application of dinosterol provides a new perspective for understanding past climate and environmental changes and ecosystem responses. Therefore， dinosterol has become one of the key biomarkers in marine and lake paleoenvironmental reconstruction studies in recent years. Based on this， this paper first introduced the structure， biological sources， and distribution characteristics of dinosterol in marine and lake environments. It briefly outlined and compared several purification methods of dinosterol， and then explained the principles underlying its use in reconstructing paleoenvironments and paleoclimates. Furthermore， the paper summarized the paleoenvironmental implications of dinosterol， particularly its content in reconstructing paleoproductivity and its hydrogen isotope ratios in reconstructing salinity and precipitation. Accordingly， the paper also presented future considerations for dinosterol in paleoenvironmental reconstruction studies， such as the specific biological sources of dinosterol and the impact of environmental factors on dinosterol.

Key words：

dinosterol; paleoenvironment; compound-specific hydrogen isotope composition; lipids biomarkers; ocean; lake

0? 引言

甲藻甾醇（dinosterol）是一類主要來源于甲藻（dinoflagellate）細(xì)胞膜脂的甾類化合物，廣泛分布在海洋、湖泊等自然環(huán)境中［1］。由于甲藻甾醇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易降解，在不同類型沉積載體中能夠長期穩(wěn)定地保存，并對多種環(huán)境因子（溫度、營養(yǎng)鹽）響應(yīng)敏感［2］，在古環(huán)境重建研究中具有良好的應(yīng)用價(jià)值［34］。目前，甲藻甾醇在古環(huán)境重建中的應(yīng)用主要基于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及單體氫同位素組成這兩類指標(biāo)。一方面，保存在沉積物中的甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與甲藻生物量具有良好的相關(guān)性［5］，因此能有效示蹤甲藻生物量在不同地質(zhì)歷史時(shí)期的時(shí)空變化［69］，并且與傳統(tǒng)生物化石指標(biāo)甲藻孢囊相比，甲藻甾醇在短時(shí)間尺度的現(xiàn)代沉積物研究中降解率更低，能更準(zhǔn)確地反演甲藻的生物量［10］。另一方面，隨著單體同位素分析測試技術(shù)的進(jìn)步，甲藻甾醇的單體氫同位素組成（δD）可以溯源環(huán)境水源的δD信息，為定量重建古水文變化，特別是鹽度與降水的研究提供新方法［1119］。例如，來自美國東部切薩皮克海灣（Chesapeake bay）的研究表明，海水的δD與鹽度之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系，而海水懸浮顆粒物和表層沉積物中甲藻甾醇的δD均能有效記錄海水鹽度的變化，與鹽度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，是指示表層海水鹽度變化的有效代用指標(biāo)［20］。此外，在降水重建研究中，來自南太平洋熱帶輻合帶（SPCZ）區(qū)域湖泊的沉積記錄顯示，湖泊表層沉積物中甲藻甾醇δD與降水量之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，據(jù)此成功定量重建該區(qū)域的年均降水量信息［17］。因此，甲藻甾醇是近年來海洋和湖泊古環(huán)境重建研究的熱點(diǎn)生物標(biāo)志物之一，受到了廣泛關(guān)注。基于此，本文首先介紹甲藻甾醇的結(jié)構(gòu)特征、生物來源及其在不同類型沉積載體中的分布特征，簡要概述且對比甲藻甾醇的幾種純化方法，最后重點(diǎn)闡述甲藻甾醇在古生產(chǎn)力、降水以及鹽度重建方面的研究進(jìn)展。

1? 甲藻甾醇的結(jié)構(gòu)、生物來源與分布

1.1? 甲藻甾醇的結(jié)構(gòu)

甲藻甾醇主要來源于甲藻細(xì)胞膜，是甲藻特征脂類4α甲基甾醇中的一類常見甾醇，其扁平狀的構(gòu)型以及穩(wěn)定的甾醇骨架，能夠有效增強(qiáng)甲藻細(xì)胞膜的韌性［3，21］。甲藻甾醇最早從膝溝藻Gonyaulax tamarinsis（Alexandrium tamarensis）的單藻培養(yǎng)細(xì)胞中分離并鑒定［22］，其分子式為C30H52O，攜帶3個(gè)六元環(huán)和1個(gè)五元環(huán)，屬于四環(huán)三萜類化合物（圖1）。質(zhì)譜結(jié)果顯示其在六元環(huán)C4上有1個(gè)甲基，并在側(cè)鏈C22上攜帶雙鍵，但尚無法確定該雙鍵的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)以及C24處的構(gòu)型［22］。隨后來自X射線的分析結(jié)果確定甲藻甾醇的具體結(jié)構(gòu)為（22E，24R）4α，23，24Rtrimethyl5αcholest22Een3βol［23］（圖1）。此外，甲藻甾醇的五元環(huán)和六元環(huán)結(jié)構(gòu)中均不攜帶雙鍵，具有4α單甲基飽和環(huán)系統(tǒng)［24］，同時(shí)其側(cè)鏈上存在特殊的C23，24雙甲基烷基化結(jié)構(gòu)，這種側(cè)鏈結(jié)構(gòu)僅發(fā)現(xiàn)于硅藻以及定鞭金藻合成的4去甲基甾醇中［3］。以上這些特征結(jié)構(gòu)均表明甲藻甾醇明顯有別于甲藻合成的其他4α甲基甾醇。

1.2? 甲藻甾醇的生物來源

與其他具有廣泛生物來源的生物標(biāo)志物，如正構(gòu)烷烴、脂肪酸等相比，甲藻甾醇的生物來源更為明確。來自全球范圍的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)及野外調(diào)查結(jié)果顯示，海洋環(huán)境甲藻甾醇主要來源于多種海洋甲藻，絕大多數(shù)高等植物無法合成，因此具有明確的生物指示意義（表1）。雖然有前人報(bào)道海洋無脊椎動(dòng)物體內(nèi)檢測出甲藻甾醇，但后續(xù)研究顯示這有可能來源于無脊椎動(dòng)物攝食或共生的甲藻［59］。1976年，有學(xué)者通過研究北大西洋海岸膝溝藻Gonyaulax tamarensis的甾醇組分，首次從該生物體的單藻培養(yǎng)細(xì)胞中獲取并分離甲藻甾醇［22］。隨后越來越多的海洋甲藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，除膝溝藻Gonyaulax spp.外，隱甲藻Crypthecodinium spp.、薄甲藻Glenodinium spp.、異帽藻Heterocapsa spp.等也能合成甲藻甾醇［24，28，30，35，4748］。眾多野外研究工作也陸續(xù)報(bào)道海洋沉積物中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與甲藻殘?bào)w或孢囊之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)甲藻是甲藻甾醇的生物來源［6061］。例如，Boon等［62］發(fā)現(xiàn)黑海沉積物中甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)占優(yōu)勢的甲藻甾醇，與沉積物中豐富的甲藻孢囊證據(jù)相吻合，并據(jù)此將甲藻甾醇作為指示海洋甲藻赤潮暴發(fā)的生物標(biāo)志物。然而需要注意的是，海洋硅藻舟形藻Navicula sp.也能合成少量甲藻甾醇，因此在缺乏甲藻殘?bào)w或孢囊等證據(jù)的環(huán)境中，無法確定甲藻是甲藻甾醇的唯一生物來源，硅藻也有可能貢獻(xiàn)甲藻甾醇［6365］。

相較之下，關(guān)于湖泊環(huán)境甲藻甾醇生物來源的研究較少。研究者在英國Priest Pot湖通過對比分別來自于表層沉積物和多甲藻Peridinium lomnickii的脂質(zhì)組分，發(fā)現(xiàn)兩類載體中的甾類組分，主要包括4α甲基甾醇和4α甲基甾酮，且其在相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比例上一致，而甲藻甾醇是4α甲基甾醇中的一種特殊甾醇，首次揭示湖泊環(huán)境中的甲藻甾醇來源于多甲藻P. lomnickii的貢獻(xiàn)［53］。這與后續(xù)在淡水湖埃爾洪科湖（EI Junco）中對沉積物甾醇分布特征的研究結(jié)果一致，多甲藻屬中的某種甲藻是甲藻甾醇的主要來源［66］。隨后，室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也陸續(xù)揭示淡水甲藻種，如冠狀網(wǎng)甲藻Woloszynskia coronata、腰帶多甲藻Peridinium cinctum等也能合成甲藻甾醇（表1）。然而，有學(xué)者在湖泊沉水植物——貍藻Utricularia neglecta的脂質(zhì)組成中也檢測出甲藻甾醇的分布，據(jù)此推測貍藻很有可能是湖泊沉積物中甲藻甾醇的重要來源［58］。

大量研究表明，絕大多數(shù)甲藻都能在其生命周期的任何階段合成甲藻甾醇，是甲藻的甾醇組成中常見的優(yōu)勢組分之一，如膝溝藻Gonyaulacales spp.、裸甲藻Gymnodiniales spp.、多甲藻Peridiniales spp.、和原甲藻Prorocentrales spp.（表1）。早期有研究統(tǒng)計(jì)，甲藻甾醇是曾檢測過甾醇組成的18種甲藻中11種甲藻的主要甾醇成分［21］。隨后有學(xué)者通過數(shù)據(jù)挖掘方法分析甲藻的甾醇成分與其進(jìn)化歷史的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在102種甲藻中約有2/3的甲藻種可以合成甲藻甾醇［67］。然而合成甲藻甾醇的不同甲藻屬、同一甲藻屬的不同甲藻種之間，往往會(huì)出現(xiàn)甲藻甾醇差異性分布的現(xiàn)象。例如，一項(xiàng)對我國沿海地區(qū)甲藻赤潮的甾醇分布特征研究顯示，甲藻甾醇在亞歷山大藻Alexandrium屬和原甲藻Prorocentrum屬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而斯氏藻Scrippsiella屬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高得多［25］。有研究者對原甲藻Prorocentrum屬4種甲藻的甾醇組成分析發(fā)現(xiàn)，在波羅的海原甲藻Prorocentrum balticum培養(yǎng)的同一菌株間隔數(shù)月的兩次分析檢測中甾醇組成極為相似且甲藻甾醇相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)均占優(yōu)勢（46.2%和42.2%），在微型原甲藻P. minimum中甲藻甾醇是次優(yōu)勢組分（28.4%），而在海洋原甲藻P. micans、墨西哥原甲藻P. mexicanum中甲藻甾醇在甾醇組分中的優(yōu)勢并不明顯［55］。

值得注意的是，不是所有甲藻都能合成甲藻甾醇。例如，海洋環(huán)境的前溝藻Amphidinium carterae和A. corpulentum，湖泊環(huán)境的角藻Ceratium furcoides均無法合成此類化合物［55］。一項(xiàng)對海洋甲藻特征甾醇的調(diào)查表明，主要來自裸甲藻Gymnodinium、卡爾藻Karlodinium、凱倫藻Karenia、原甲藻Prorocentrum等屬的43種甲藻，超過一半可以檢測到甲藻甾醇［37］。因此，有研究指出甲藻甾醇無法全面代表甲藻綱的信息，僅可作為指示部分甲藻科/屬的生物標(biāo)志物［29］。例如，甲藻甾醇是膝溝藻Gonyaulax的優(yōu)勢甾醇，可以作為膝溝藻的生物標(biāo)志物［24］。因此，盡管在部分甲藻種中甲藻甾醇是一種次要成分，甚至完全不存在，但甲藻甾醇仍是當(dāng)前古環(huán)境重建研究中最具代表性的甲藻生物標(biāo)志物。

1.3? 甲藻甾醇的分布

海洋和湖泊沉積物中富含有機(jī)質(zhì)，其生物標(biāo)志物的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較為豐富，為發(fā)展和應(yīng)用甲藻甾醇指標(biāo)提供了良好的環(huán)境條件。目前，在全球范圍內(nèi)基于甲藻甾醇指標(biāo)已開展眾多研究（圖2）。如圖2所示，甲藻甾醇在海洋環(huán)境中的研究分布廣泛，主要集中在加利福尼亞大陸西緣、地中海、黑海以及中國的邊緣海區(qū)域［6，8，25，62，6873］。相較之下，湖泊環(huán)境甲藻甾醇的研究大多局限在熱帶太平洋島嶼、非洲大陸以及北美洲大陸的湖泊［15，66，7374］，但缺乏其他地區(qū)不同類型湖泊的系統(tǒng)研究。此外，在北美的池塘、華盛頓島的泥炭中也檢出過甲藻甾醇［18，75］。

2? 甲藻甾醇的純化方法

甲藻甾醇?xì)渫凰亟M成具有指示過去水文環(huán)境變化的潛力，隨著單體氫測試技術(shù)的逐步發(fā)展與完善［76］，利用甲藻甾醇δD重建古環(huán)境的研究受到越來越多的關(guān)注［77］。海洋和湖泊沉積物中蘊(yùn)含多種包括甲藻甾醇在內(nèi)的甾醇類化合物，這些化合物往往與甲藻甾醇具有相似的分子量、極性和揮發(fā)性，在氣相色譜分離過程中保留時(shí)間相近，容易形成難以分離的甾醇峰［78］。然而通過氣相色譜同位素比值穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry，GC-IRMS）對單體化合物進(jìn)行準(zhǔn)確且精確的單體氫同位素測定，需滿足一定的儀器分析要求。首先，為最大限度地降低記憶效應(yīng)（又稱殘留效應(yīng)，即前一個(gè)色譜峰會(huì)影響后續(xù)色譜峰同位素組成的測定）的影響，目標(biāo)化合物應(yīng)與鄰近化合物有較高的基線分離度［7980］。此外，由于在

GC-IRMS氫同位素測定過程中單體化合物所需進(jìn)樣量較高（200～400 ng），使單個(gè)色譜峰出現(xiàn)變寬、拖尾的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致分辨率降低，分離效果變差［81］。然而傳統(tǒng)的脂類生標(biāo)純化方法，如柱色譜、尿素絡(luò)合、AgNO3絡(luò)合硅膠薄層色譜等［82］，均無法實(shí)現(xiàn)甾醇類化合物之間的有效分離，進(jìn)而影響后續(xù)甲藻甾醇δD的測定。近年來，為了從復(fù)雜的甾醇/醇組分中分離并富集高純度的甲藻甾醇，利用制備型高效液相色譜（preparative high performance liquid chromatography，Prep-HPLC）的分離方法已被相繼開發(fā)和應(yīng)用于甲藻甾醇的純化研究（表2）。

制備液相色譜通過制備色譜柱將目標(biāo)單體化合物從混合物中分離提取并富集，主要由梯度泵、進(jìn)樣系統(tǒng)、液相色譜柱和餾分收集器組成（圖3）。早在2007年，Smittenberg等［80］首次研發(fā)一種正相液相色譜（normal phase-HPLC，NP-HPLC）制備方法（表2中方法①），成功將甲藻甾醇從高等植物來源的五環(huán)三萜醇中有效分離。在NP-HPLC純化過程中，甾醇類化合物極性頭基的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定其保留時(shí)間的主控因素，從而影響它們在極性固定相與非極性流動(dòng)相之間的分配，因此該方法能有效分離4α甲基甾醇和4去甲基甾醇，卻無法將甲藻甾醇從其他4α甲基甾醇中純化。然而海洋和湖泊沉積物中通常分布高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多類型4α甲基甾醇，因此在后續(xù)利用GC-IRMS分析甲藻甾醇δD的過程中，會(huì)出現(xiàn)與甲藻甾醇共溢出的現(xiàn)象，影響其準(zhǔn)確測定。在此基礎(chǔ)上，為去除其他4α甲基甾醇的干擾，Atwood等［78］開發(fā)了兩種純化方法（方法②和③），首先利用反相液相色譜（reversed phase-HPLC，RP-HPLC）制備方法（方法②），實(shí)現(xiàn)4α甲基甾醇類化合物之間有效分離。在RP-HPLC純化過程中采用非極性固定相與極性流動(dòng)相結(jié)合，分析物的非極性部分控制保留時(shí)間，而4α甲基甾醇類化合物結(jié)構(gòu)的多樣性主要存在于側(cè)鏈非極性部分，因此可以通過RP-HPLC實(shí)現(xiàn)較好分離。然而，經(jīng)此方法純化后的甲藻甾醇組分中往往含有部分4去甲基甾醇，通過開發(fā)NP-HPLC和RP-HPLC相結(jié)合的兩步純化方法（方法③），即先將甲藻甾醇與4去甲基甾醇分離，再實(shí)現(xiàn)甲藻甾醇與其他4α甲基甾醇的分離。與方法①和②相比，兩步純化法③實(shí)現(xiàn)了甲藻甾醇的最佳分離效果。然而需要指出的是，這些純化方法都是將甲藻甾醇提純?yōu)橛坞x甾醇，而甲藻甾醇分子中的活性/可交換氫會(huì)影響δD的測定，因此在利用GC-IRMS開展單體氫同位素分析之前，需要將其衍生化，用已知?dú)渫凰亟M成的氫替代活性/可交換氫并改善色譜分離效果，這些過程往往復(fù)雜繁瑣且對技術(shù)要求高。因此，Nelson等［81］提出一種改進(jìn)的純化方法（方法④），即在HPLC分析之前將樣品進(jìn)行衍生化（乙?；┨幚?，同時(shí)使用半制備構(gòu)型的餾分收集器以實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣和組分收集自動(dòng)化。此方法通過對衍生化步驟和組分收集設(shè)置的改進(jìn)，避免了每個(gè)組分在分離之后的二次取樣衍生化步驟，有效減少了樣品損失和時(shí)間成本，并減少了導(dǎo)致氫同位素分餾的潛在過程。

值得注意的是，在液相色譜制備過程中常常發(fā)生明顯的氫同位素分餾效應(yīng)，所以目標(biāo)化合物的不完整收集會(huì)使δD的最終結(jié)果相對準(zhǔn)確值出現(xiàn)較大偏差［84］。因此，為獲取可靠而精準(zhǔn)的δD值，需對含有目標(biāo)化合物的組分進(jìn)行收集確認(rèn)之后重新組合，以確保目標(biāo)化合物餾分的完整。當(dāng)所有包含目標(biāo)化合物的餾分被組合完整之后，δD值的偏差在可接受誤差范圍之內(nèi)［78］。此外，甲藻甾醇單體同位素測定所需樣品量較高，因此高回收率的純化方法顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前液相制備方法中，NP-HPLC的平均回收率最高可達(dá)90%，RP-HPLC的平均回收率次之，約為80%，兩步純化法的平均回收率只有60%，而改善的RP-HPLC的平均回收率高達(dá)90%［78］。因此，在實(shí)際操作過程中應(yīng)根據(jù)沉積物中甾醇組成、回收率、同位素分餾效應(yīng)等因素綜合權(quán)衡，以選擇合適的甲藻甾醇純化方法。經(jīng)總結(jié)，當(dāng)前甲藻甾醇液相色譜制備方法的對比如表2所示。其中，柱前衍生反相液相色譜制備方法（方法④）具有回收率高、快速易操作、分離效果穩(wěn)定和低同位素分餾效應(yīng)等優(yōu)勢，是當(dāng)前甲藻甾醇純化的主流方法，并已成功應(yīng)用于甲藻甾醇δD的古環(huán)境重建研究［15，1718，73］。目前，我國已有實(shí)驗(yàn)室通過該方法成功提純甲藻甾醇，并應(yīng)用于我國邊緣海（黃海）［83］。

3? 甲藻甾醇在海洋和湖泊環(huán)境中的應(yīng)用

3.1? 甲藻甾醇在生產(chǎn)力重建和富營養(yǎng)化研究中的應(yīng)用

3.1.1? 甲藻甾醇指示甲藻生產(chǎn)力及群落結(jié)構(gòu)

甲藻甾醇作為指示甲藻的生物標(biāo)志物，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易降解，在地質(zhì)環(huán)境中可長期保存，因此，沉積物中的甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有指示甲藻生產(chǎn)力的潛力。大量的實(shí)地研究表明，海洋和湖泊沉積物中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以指示甲藻生產(chǎn)力（表3）。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)雖然表層沉積物中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)存在差異，但兩者的空間變化趨勢一致，并與其他古生產(chǎn)力替代指標(biāo)對比，驗(yàn)證了甲藻甾醇指示甲藻生產(chǎn)力的準(zhǔn)確性與適用性［108］。例如，在我國東海［108］、南海［109］、黃海［110］、南極普里茲灣［111］等諸多海域均開展了相關(guān)研究，這些研究進(jìn)一步為通過甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)重建歷史時(shí)期甲藻生物量或生產(chǎn)力變化提供了理論依據(jù)。目前，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)已被廣泛用于重建不同地區(qū)甲藻生產(chǎn)力的變化研究，且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他藻類生物標(biāo)志物的比值對浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化具有重要指示意義［4，112113］。

當(dāng)前古環(huán)境重建研究中，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同地質(zhì)歷史尺度上的變化為研究氣候與環(huán)境的變化提供了有效信息。研究表明，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化在冰期、間冰期轉(zhuǎn)化過程中存在地域性差異，說明甲藻生產(chǎn)力在不同地區(qū)對冰期間冰期交替的氣候環(huán)境響應(yīng)不同。例如，在南大洋和大西洋冰期時(shí)，甲藻生產(chǎn)力高于間冰期，而在日本海、加利福利亞大陸邊緣則是冰消期和間冰期更高［68，95，114］。再者，甲藻甾醇對一些氣候突變事件也能敏感響應(yīng)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生顯著變化。例如，在新仙女木（Younger Dryas，YD）時(shí)期，甲藻生產(chǎn)力在不同緯度地區(qū)響應(yīng)明顯不同，其中來自日本海30 ka的巖心記錄顯示，YD期間甲藻甾醇的質(zhì)量累積速率明顯增加［115］，而低緯地區(qū)卡里亞科盆地的研究表明，甲藻甾醇的質(zhì)量累積速率在全新世期間持續(xù)低于200 μg/cm2/a，卻在YD事件中達(dá)到峰值（900 μg/cm2/a），作者認(rèn)為這是氣候變冷引起富含營養(yǎng)物質(zhì)的上升流強(qiáng)度增加，進(jìn)而改變甲藻初級(jí)生產(chǎn)力的結(jié)果［87］。但是，在高緯地區(qū)，如挪威北部大陸架沉積巖心中，甲藻甾醇記錄顯示YD時(shí)期質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)偏低，而在Allerd時(shí)期出現(xiàn)顯著峰值，表明甲藻能更好地適應(yīng)大西洋海水的入侵、海表溫度的高度變化和水柱分層［88］。此外，有研究將甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為指示厄爾尼諾或似厄爾尼諾現(xiàn)象的指標(biāo)，來自秘魯邊緣16 ka的沉積巖心記錄顯示，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加與厄爾尼諾南方濤動(dòng)增強(qiáng)一致［116］。同樣，在湖泊環(huán)境甲藻甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也能有效記錄氣候變遷的信號(hào)/信息。例如，來自土耳其東部凡湖的沉積記錄顯示，在過去130～250 ka（MIS 6和MIS 7）期間，甲藻甾醇在相對溫暖濕潤的MIS 7時(shí)期質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而在寒冷干燥的MIS 6時(shí)期質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯偏低，說明甲藻更適合在溫暖濕潤的氣候條件下生長繁殖［107］。

甲藻甾醇作為指示甲藻生產(chǎn)力的指標(biāo)，常與其他多種藻類生物標(biāo)志物聯(lián)合使用，共同指示藻類生物群落結(jié)構(gòu)的變化（表3），從而進(jìn)一步揭示海洋、湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)制。例如，菜子甾醇常被用來指示硅藻，長鏈烯酮反映顆石藻，這些藻類生物標(biāo)志物與甲藻甾醇具有類似的化學(xué)性質(zhì)，因而具有相似的降解速率，它們在水體中的比例可以被記錄在沉積物中，能較好地反映浮游植物生產(chǎn)力輸出的比例，從

而成為指示浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的替代指標(biāo)［112］。在此基礎(chǔ)上，多種生物標(biāo)志物相結(jié)合的方法已應(yīng)用于全球不同海域和湖泊（表3）。目前的研究顯示，浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化主要有兩種模式：一種是保持穩(wěn)定，基本不變；另一種則是發(fā)生顯著變化。例如，阿拉伯海近200 ka的沉積鉆孔記錄揭示，盡管其海洋初級(jí)生產(chǎn)力變化很大，但是甲藻甾醇、菜子甾醇和長鏈烯酮之間的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)在千年尺度上保持基本穩(wěn)定，表明浮游植物群落結(jié)構(gòu)并無明顯變化［6］。類似的結(jié)果也顯現(xiàn)在我國南海東部和北部，研究利用菜子甾醇、甲藻甾醇、長鏈烯酮和C30 diols重建該地區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)，雖然冰期浮游植物生產(chǎn)力較高，但群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，作者推測生產(chǎn)力增加可能與東亞冬季風(fēng)的加劇有關(guān)［9798］。然而眾多研究顯示，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，海洋和湖泊環(huán)境中浮游植物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，主要初級(jí)生產(chǎn)者會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。例如，在臺(tái)灣以東黑潮主流區(qū)海域，Wang等［117］通過沉積鉆孔中各種生物標(biāo)志物重建該區(qū)域近千年的古生產(chǎn)力和浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化，其中菜子甾醇與甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值的變化表明，自公元1 500年以來，浮游植物群落由甲藻主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙逯鲗?dǎo)，這主要受控于氣候變化條件下臺(tái)灣東部河流輸入的變化。同樣，湖泊環(huán)境浮游植物群落結(jié)構(gòu)也會(huì)在氣候變化的影響下發(fā)生改變。例如，來自意大利中部阿爾巴諾湖的藻類生物標(biāo)志物記錄表明，甲藻是全新世早、晚期的主要初級(jí)生產(chǎn)者，而硅藻則是全新世中期的主要貢獻(xiàn)者，全新世期間浮游植物群落結(jié)構(gòu)改變可能與氣候變化引起的水柱分層、顆粒分布以及營養(yǎng)鹽變化等水生系統(tǒng)的改變有關(guān)［106］。然而在百年尺度上，浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化往往更容易遭受人類活動(dòng)的影響。有研究通過利用甲藻甾醇與硅藻生物標(biāo)志物（24methylcholesta5，24（28）dien3βol）的比值評(píng)估我國撫仙湖150 a以來甲藻對硅藻的相對優(yōu)勢，結(jié)果表明，自1986年以來該值明顯增長，這與當(dāng)?shù)厝藶檩斎霠I養(yǎng)物質(zhì)（如污水、化肥等）有關(guān)［103］。

3.1.2? 甲藻甾醇指示富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化是全球多數(shù)水體正面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，富營養(yǎng)化可有效改變原始水體生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力提高、藻類生物量增加以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)的改變［118］。其中，甲藻作為海洋和淡水浮游植物的重要組成部分，其生物量對水體富營養(yǎng)化敏感，是造成海洋赤潮和湖泊水華的主要藻類之一。研究顯示，利用沉積物中甲藻甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量積累速率能有效反演上層水體中甲藻生物量的歷史演變［7，70，90，119］。因此，甲藻甾醇在指示甲藻生產(chǎn)力及群落結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，還常被用來指示海洋和湖泊環(huán)境中的一些周期性甲藻暴發(fā)事件，從而進(jìn)一步揭示富營養(yǎng)化歷史［25，62，120］。例如，在美國東、南部和阿拉伯及大西洋中部等海灣地區(qū)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲藻甾醇（峰值）往往與甲藻赤潮的發(fā)生時(shí)間相對應(yīng)，指示甲藻的大量繁盛［121123］。來自中國沿海地區(qū)的證據(jù)，更是從定量角度揭示了甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有害赤潮種錐狀斯式藻Scrippsiella trochoidea的生物量存在高度線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性高達(dá)0.99，表明甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)能表征甲藻生物量，是指示海洋甲藻赤潮的重要指標(biāo)之一［25］。

近幾十年來，人類活動(dòng)所引起的水體富營養(yǎng)化往往是導(dǎo)致海洋甲藻赤潮和淡水甲藻水華的重要因素。例如，美國東部海灣近代沉積物中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加與當(dāng)?shù)丶自宄喑卑l(fā)生的時(shí)間一致，而這與人類活動(dòng)增加所導(dǎo)致的流域大量營養(yǎng)鹽的輸入有關(guān)［122］。來自巴西東南部海灣的鉆孔記錄顯示，自1990年代以來，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升，這與自1980年代末以來的里約熱內(nèi)盧城市人口增加以及海灣富營養(yǎng)化水平加劇有關(guān)，而且甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升趨勢較好地對應(yīng)著處于較低水平的碳/氮比值（C/N），指示此時(shí)沉積物中有機(jī)質(zhì)來源以海洋自生輸入為主［124］。對中國南海北部甲藻甾醇等藻類生物標(biāo)志物沉積記錄的研究揭示1925—2000期間，人類活動(dòng)加劇引起沿岸水域富營養(yǎng)化是導(dǎo)致硅藻和甲藻生產(chǎn)力增加的主要原因［125］。在湖泊環(huán)境中，沉積記錄中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升通常也與淡水甲藻水華事件相對應(yīng)，如日本中部的中營養(yǎng)湖（Kizaki湖）甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1988年達(dá)到峰值，對應(yīng)于1988—1994年間暴發(fā)的甲藻水華［126］。此外，甲藻甾醇與指示硅藻的菜子甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值能指示湖泊的營養(yǎng)狀況，在富營養(yǎng)化水體中比值較低［122，127］。例如，在受人類活動(dòng)顯著影響的我國長江中下游湖泊，表層沉積物中甲藻甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甲藻甾醇/菜子甾醇的比值分別隨著水體總磷和總氮濃度的增加而下降，其中過量磷輸入導(dǎo)致甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，這與對太湖沉積物的分析結(jié)果一致，貧營養(yǎng)的東灣甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于富營養(yǎng)的梅梁灣與竺山灣［128］。此外，氣候變化影響藻類演替，湖泊沉積鉆孔中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢能反映甲藻對氣候變化的響應(yīng)。例如，南美喀喀湖（Titicaca Lake）的研究結(jié)果表明，全新世中期，區(qū)域干旱導(dǎo)致湖泊水位下降，進(jìn)而改變湖泊的物理化學(xué)條件（如溫度和鹽度），并導(dǎo)致甲藻甾醇急劇增加，湖泊生態(tài)系統(tǒng)由此發(fā)生變化，從以綠藻或藍(lán)綠藻占優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橐远嗉自鍖贋橹黧w，可能暴發(fā)甲藻水華［120］。因此，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甲藻甾醇與菜子甾醇的比值可以用作評(píng)估湖泊富營養(yǎng)化程度以及營養(yǎng)鹽輸入的指標(biāo)。

3.2? 甲藻甾醇單體氫在古降水和古鹽度重建中的應(yīng)用

水生藻類脂質(zhì)中氫的初始來源為其生活水體，因此從理論上講，環(huán)境水的氫同位素組成（δDwater）能夠直接控制藻類脂質(zhì)的氫同位素組成（δDlipid）。事實(shí)上，眾多藻類培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和野外調(diào)查結(jié)果均表明藻類δDlipid與其環(huán)境水體δDwater密切相關(guān)，相關(guān)性通常為判定系數(shù)R2＞0.9［77，129131］。前期在海洋和淡水環(huán)境中開展的研究表明，表層沉積物中藻類甾醇δD與其環(huán)境水體δD高度相關(guān)，利用藻類甾醇δD重建環(huán)境水的δD誤差僅為10‰［75］。其中，甲藻甾醇是藻類甾醇中的一種常見生物標(biāo)志物，與脂肪酸、烯酮等其他藻類生物標(biāo)志物相比，其生物來源相對單一，幾乎只來源于甲藻，因此甲藻甾醇能有效避免因藻類生物標(biāo)志物母源不同，而造成同一生物標(biāo)志物氫同位素組成δD和氫同位素分餾系數(shù)α存在明顯差異的情況［130］，所以開展甲藻甾醇的氫同位素組成（δDdino）研究具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨后研究發(fā)現(xiàn)，無論是在鹽度變化較大的海灣河口地區(qū)，還是在熱帶富營養(yǎng)化的淡水湖泊，甲藻甾醇δD均與環(huán)境水δD存在穩(wěn)定良好的線性關(guān)系，因此利用甲藻甾醇δD重建古水文具有巨大的應(yīng)用潛力［20，132］。

3.2.1? 甲藻甾醇單體氫重建古降水

海洋和湖泊表層水的氫同位素組成受水循環(huán)蒸發(fā)和降水過程中發(fā)生的氫同位素分餾的制約，而甲藻甾醇?xì)渫凰亟M成與環(huán)境水體δD之間具有較好的線性關(guān)系，能真實(shí)記錄其生長水體的δD。因此，理論上通過測量海洋或湖泊沉積物中的甲藻甾醇δD，可以重建對應(yīng)時(shí)期水體氫同位素的變化。當(dāng)前，越來越多的研究成功利用δDdino重建過去降水和水文條件的變化［133］。

甲藻甾醇δD對熱帶氣候顯示出高度敏感性，已被廣泛用于重建全新世期間與熱帶輻合帶（ITCZ）位置緯度變化有關(guān)的降水變化［1112，1516］。Sachs等［11］首先在太平洋西部帕勞的咸水幽靈湖（Spooky Lake）（7°N，134°E），利用湖泊鉆孔中的甲藻甾醇δD重建過去千年來降水量的變化，記錄顯示δDdino在小冰期（1 400～1 850 A.D.）偏正，表明當(dāng)時(shí)處于相對干旱時(shí)期，并結(jié)合來自基里巴斯北線群島（5°N，160°W）的藍(lán)藻脂質(zhì)δD的偏正記錄和Galápagos群島（1°S，89°W）淡水湖中由葡萄藻合成的生物標(biāo)志物葡萄藻烯（botryococcene）δD的偏負(fù)記錄，推斷ITCZ受太陽輻射強(qiáng)度變化的影響，相對現(xiàn)代位置南移500 km。隨后，在帕勞地區(qū)基于甲藻甾醇δD記錄的研究顯示，小冰期時(shí)δDdino偏正，指示氣候相對干燥，進(jìn)一步證實(shí)ITCZ位置的南移［12，15］。同樣，在Galápagos群島的半咸水湖和淡水湖研究基于甲藻甾醇δD的變化，記錄顯示小冰期時(shí)甲藻甾醇δD偏負(fù)，Galápagos地區(qū)降水增多，這一現(xiàn)象與ITCZ的南移一致［1314］。更有研究利用帕勞地區(qū)湖泊沉積物中的甲藻甾醇?xì)渫凰?，重建熱帶太平洋全新世期間的水文氣候變化，結(jié)果表明在7.7～4.5 ka BP期間，δDdino上升50‰，指示該區(qū)域降水減少，這

一現(xiàn)象與北半球季風(fēng)減弱、南半球季風(fēng)加強(qiáng)呈現(xiàn)一致性，這可能與受太陽輻射影響而引起的熱帶雨帶南移有關(guān)［16］。

隨后在赤道中部北太平洋地區(qū)，通過測定湖泊和泥炭沉積物中多種三萜脂類的δD，重建了熱帶北太平洋中部華盛頓島過去千年的水文氣候變化，其中甲藻甾醇δD記錄顯示，在950～1 250 A.D.期間，其值呈上升趨勢，表明華盛頓島在中世紀(jì)暖期具有干燥趨勢［18］。不難看出，以上應(yīng)用主要是利用甲藻甾醇δD定性或半定量地重建過去的水文氣候變化趨勢，無法反映降水變化的具體程度。目前，定量化的古降水重建研究還處于興起階段，研究成果較少。Maloney等［17］首次基于現(xiàn)代湖泊沉積物中甲藻甾醇的δD，開發(fā)并驗(yàn)證了一種定量重建南太平洋輻合帶區(qū)域降水量的方法。該研究發(fā)現(xiàn)δDdino與降水量的空間變異性高度相關(guān)，已成功利用δDdino重建該區(qū)域的年平均降水量，其不確定性僅比該地區(qū)目前可用的最佳氣候降雨估計(jì)值大兩倍。

3.2.2? 甲藻甾醇單體氫重建古鹽度

水體鹽度是重要的環(huán)境指標(biāo)，對有機(jī)質(zhì)保存具有顯著影響，因而對研究區(qū)域氣候環(huán)境演變記錄和水文循環(huán)過程具有重要的指示意義。然而，古鹽度重建一直是當(dāng)前古環(huán)境研究中的難點(diǎn)，缺乏可靠、定量的指標(biāo)，研究進(jìn)展相對緩慢［134］。近年來，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)地研究均表明藻類脂質(zhì)與環(huán)境水體氫同位素組成呈顯著線性相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)生物合成過程中的分餾作用，造成藻類脂質(zhì)分子δD比環(huán)境水體δD明顯偏輕［76，130］。其中，鹽度（S）對生物合成脂質(zhì)分子中的氫同位素具有控制作用，從而影響藻類脂質(zhì)與環(huán)境水體之間的氫同位素分餾系數(shù)，因此藻類生物標(biāo)志物氫同位素組成作為鹽度替代指標(biāo)的研究受到越來越多的關(guān)注。事實(shí)上，大量研究結(jié)果表明，藻類生物標(biāo)志物δD和分餾系數(shù)α與鹽度均顯示出良好的線性關(guān)系，驗(yàn)證了藻類生物標(biāo)志物δD具有成為古鹽度計(jì)的潛力，而甲藻甾醇作為藻類生物標(biāo)志物的一種，其δD已逐漸成為古鹽度重建的熱點(diǎn)指標(biāo)之一。

眾多研究表明，海洋環(huán)境中水體鹽度上升導(dǎo)致藻類脂質(zhì)與環(huán)境水之間D/H分餾降低，即氫同位素分餾比αlipid-water（α=［D/Hlipid］/［D/Hwater］=［1000＋δDlipid］/［1000＋δDwater］）上升［131，135］。來自美國東部切薩皮克海灣河口的研究結(jié)果表明，甲藻甾醇?xì)渫凰胤逐s比（αdino-water）與鹽度之間也呈現(xiàn)類似關(guān)系，即在鹽度變化范圍為10‰～29‰的河口地區(qū)，鹽度每上升一個(gè)單位，懸浮顆粒物和表層沉積物中的甲藻甾醇與環(huán)境水之間的氫同位素分餾比αdino-water會(huì)分別上升（0.99±0.23）‰、（1.70±0.32）‰（表4）。需要指出的是，這與太平洋圣誕島鹽湖中藍(lán)藻脂類氫同位素分餾比和鹽度的線性關(guān)系具有相似的斜率，但兩者的截距不同［135］。這一研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)在鹽度變化梯度較大的地區(qū)，甲藻甾醇δD是指示海水鹽度變化的有效指標(biāo)。同開闊而相對穩(wěn)定的海洋環(huán)境相比，湖泊由于水容量較小，其物理化學(xué)性質(zhì)往往變化較大，因而對區(qū)域的水文變化更加敏感。Nelson等［73］通過調(diào)查全球范圍內(nèi)鹽湖和高鹽湖中甲藻甾醇的δD和環(huán)境水的δD來揭示αdino-water與鹽度的關(guān)系，結(jié)果表明鹽度是影響鹽湖和高鹽湖環(huán)境中甲藻甾醇生物合成中D/H分餾的主要因素，并綜合美國高鹽池塘的數(shù)據(jù)擬合出兩者之間的回歸方程αdino-water=0.0010S+0.665；此外匯集熱帶海岸帶的湖泊懸浮顆粒物獲取類似回歸方程αdino-water=0.0008S+0.694（表4）。因此，從全球范圍來看，在高、低緯度地區(qū)，海洋以及陸地湖泊或者池塘環(huán)境，甲藻甾醇分餾系數(shù)α和δD值與鹽度具有普遍相似的相關(guān)關(guān)系和分餾變化。盡管目前對不同鹽度環(huán)境下控制氫同位素分餾的確切機(jī)制尚不明確，但由于甲藻甾醇D/H分餾對鹽度變化具有一致的響應(yīng)以及類似的變化幅度。因此，可以利用甲藻甾醇δD或分餾系數(shù)α對水體鹽度進(jìn)行定性或半定量的重建。

4? 甲藻甾醇在古環(huán)境重建應(yīng)用中存在的問題與展望

4.1? 存在的問題

近年來，甲藻甾醇作為研究區(qū)域歷史環(huán)境的良好指標(biāo)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)及氫同位素組成為研究生態(tài)系統(tǒng)及氣候環(huán)境演化提供了重要的解決思路，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但現(xiàn)階段仍存在一定的問題亟待解決。具體來說，主要來自以下幾個(gè)方面：

1）甲藻甾醇的生物來源問題

首先，盡管當(dāng)前研究認(rèn)為甲藻甾醇是最具代表性的甲藻生物標(biāo)志物，然而，值得注意的是，并非所有甲藻種均能合成甲藻甾醇，此外部分硅藻和水生植物也能合成甲藻甾醇，關(guān)于是否存在其他生物產(chǎn)生甲藻甾醇尚不明確。其次，合成甲藻甾醇的甲藻中存在明顯屬種差異。一方面，合成甲藻甾醇的甲藻中存在甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異性分布，并非所有甲藻均含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲藻甾醇。例如，研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)甲藻種甲藻甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是自養(yǎng)甲藻種的4～12倍，異養(yǎng)甲藻可能是沉積物中甲藻甾醇的重要來源，沉積物中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能完全代表甲藻的初級(jí)生產(chǎn)力［41］。另一方面，有研究指出因母源生物屬種差異，造成同一生物標(biāo)志物的氫同位

素組成存在顯著變化。例如，淡水綠藻的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)結(jié)果表明，相同脂類的氫同位素組成在不同屬間的差異可達(dá)100‰，同屬不同種類間也有10‰ ～15‰的差異［130］。因此，從理論上講，甲藻甾醇δD可能也存在類似的物種效應(yīng)。此外，異養(yǎng)甲藻和自養(yǎng)甲藻均能合成甲藻甾醇，有研究指出異養(yǎng)生物比自養(yǎng)生物合成脂質(zhì)富含重氫同位素［136］。目前，缺乏相關(guān)的甲藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以確定甲藻物種特有的同位素效應(yīng)。

2）多個(gè)環(huán)境因子對甲藻甾醇的影響與校正問題

在甲藻合成甲藻甾醇的過程中，多種環(huán)境因子及甲藻生理因素往往會(huì)影響甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其氫同位素組成，因此在具體古環(huán)境重建研究應(yīng)用中，應(yīng)注意多個(gè)環(huán)境因子的校正問題。一方面，現(xiàn)代培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，甲藻中甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到溫度、光照、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因素的影響，且在不同生長階段存在明顯的差異［2］。另一方面，在甲藻甾醇?xì)渫凰亟M成上，除鹽度外，輻照度、溫度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子以及藻類生理因素，如生長速率和生長階段均會(huì)對細(xì)胞合成脂類的D/H分餾過程產(chǎn)生不同程度的影響［130131，137］，這增加了利用δDdino重建古降水和古鹽度的難度。例如，在熱帶分層湖泊的沉積物中的甲藻甾醇δD，除對湖泊水δD敏感外，還對沉積環(huán)境敏感，甲藻甾醇δD偏正可能反映湖泊的富營養(yǎng)化加劇［132］。

3）沉積物中甲藻甾醇的降解與保存問題

甲藻甾醇在沉積過程中易受到環(huán)境因素的影響，發(fā)生不同程度的生物化學(xué)降解作用，這些作用往往會(huì)導(dǎo)致甲藻甾醇的脫水、雙鍵的飽和，形成一系列成巖轉(zhuǎn)換產(chǎn)物，如甲藻甾酮、甲藻甾烷酮和甲藻甾烷等。因此，在古環(huán)境重建研究中，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能直接指示甲藻生物量的絕對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，只能半定量或定性地重建甲藻生產(chǎn)力在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化趨勢［105］。更有研究認(rèn)為甲藻甾醇及其成巖轉(zhuǎn)換產(chǎn)物的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)（∑“dinosterols”）比單一的甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)能更為準(zhǔn)確地指示甲藻生產(chǎn)力［5］。此外，這些降解、成巖過程常伴隨著甲藻甾醇中氫元素的交換，致使其氫同位素組成發(fā)生改變。因此，隨著沉積物樣品的熱成熟度升高，δDdino蘊(yùn)含的信息會(huì)逐漸丟失。

綜上，諸多因子都會(huì)影響沉積物中甲藻甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫同位素組成。因而在古環(huán)境重建研究中，需結(jié)合實(shí)際沉積環(huán)境，確定甲藻甾醇的具體生物來源，謹(jǐn)慎考慮其他環(huán)境因子、沉積物樣品的熱成熟度等以更好地揭示甲藻甾醇的環(huán)境指示意義。

4.2? 展望

甲藻甾醇作為一類來源相對單一的甾醇類生物標(biāo)志物，在海洋沉積物、湖泊沉積物、海洋甲藻及淡水甲藻的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中均有報(bào)道檢出該類化合物。在生物來源方面，目前認(rèn)為甲藻甾醇是甲藻的專屬生物標(biāo)志物，此外在部分硅藻及水生植物中也檢出少量甲藻甾醇。在古環(huán)境重建研究中，甲藻甾醇在海洋和湖泊沉積物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以指示甲藻生物量，進(jìn)而重建甲藻生產(chǎn)力。在此基礎(chǔ)上，甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以反映水體的營養(yǎng)狀況，進(jìn)而揭示富營養(yǎng)化歷史。同時(shí)，甲藻甾醇還能聯(lián)合其他藻類生物標(biāo)志物，重建浮游植物群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，進(jìn)一步揭示藻類生態(tài)系統(tǒng)對自然和人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制。隨著單體氫測試技術(shù)的發(fā)展，其單體氫同位素組成在古環(huán)境重建研究中越來越受到關(guān)注。目前，可通過制備型高效液相色譜獲取高純度、高回收率的甲藻甾醇，這為其單體氫的研究與應(yīng)用帶來機(jī)會(huì)和發(fā)展前景。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)甲藻甾醇單體氫在降雨量和鹽度的定性或定量重建研究中已取得一定成果，建立了部分經(jīng)驗(yàn)方程。

然而，如前文所述，甲藻甾醇在古環(huán)境重建研究中的應(yīng)用仍存在一定問題與挑戰(zhàn)，未來需進(jìn)行深入探索。基于此，我們認(rèn)為甲藻甾醇未來研究方向需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

1）加強(qiáng)驗(yàn)證甲藻甾醇作為甲藻生物標(biāo)志物的可靠性。未來需進(jìn)一步明確沉積環(huán)境中甲藻甾醇的具體生物來源、其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布的控制因素及各種代用指標(biāo)的適用性。

2）開展更多關(guān)于甲藻甾醇影響因素的現(xiàn)代控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。探究多種環(huán)境因子及藻類生理因素影響甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其氫同位素組成的具體生物學(xué)過程與機(jī)制，這將有助于深入了解甲藻在海洋和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)作用和生態(tài)功能。

3）促進(jìn)基于甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)對甲藻生產(chǎn)力變化的定量研究。由于母源細(xì)胞對甲藻甾醇產(chǎn)生量的關(guān)系和甲藻甾醇在沉積物中的降解速率還未有定量分析，因而利用甲藻甾醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)未能實(shí)現(xiàn)對甲藻生產(chǎn)力的準(zhǔn)確定量估算。今后需對甲藻合成甲藻甾醇的細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)、保存效率建立經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)結(jié)合高精度的檢測技術(shù)，以達(dá)到準(zhǔn)確定量重建甲藻古生產(chǎn)力的目的。

4）優(yōu)化甲藻甾醇?xì)渫凰亟M成與古降水和古鹽度的經(jīng)驗(yàn)方程，建立適合具體環(huán)境的特定公式。在今后的工作中，建立更為精確的、適用于特定區(qū)域的轉(zhuǎn)換函數(shù)，進(jìn)一步提高定量重建的準(zhǔn)確性。

5）推進(jìn)陸相沉積中甲藻甾醇指標(biāo)的應(yīng)用。當(dāng)前，甲藻甾醇在海洋環(huán)境中的應(yīng)用較為廣泛，缺乏來自陸地環(huán)境的沉積記錄。我國湖泊眾多，氣候類型多樣，許多湖泊由于其特殊的地理位置成為記錄區(qū)域氣候和人類活動(dòng)演化的良好載體。例如，位于西部干旱區(qū)與東亞季風(fēng)濕潤區(qū)過渡地帶的湖泊，在全球變化的研究中具有重要地位，應(yīng)拓展甲藻甾醇指標(biāo)在該區(qū)域的應(yīng)用，驗(yàn)證其在不同類型湖泊環(huán)境、不同時(shí)間尺度的適用性。

甲藻甾醇的應(yīng)用雖有一定的局限性，但作為重建古水文信息且已在國際研究中取得重要進(jìn)展的直接指標(biāo)，仍對當(dāng)前古環(huán)境的研究工作具有重要的參考價(jià)值。當(dāng)前，甲藻甾醇的古環(huán)境意義愈加豐富，也將繼續(xù)在未來的古環(huán)境重建研究中發(fā)揮巨大作用，其在我國湖泊領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。

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