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1、吉林大学地球科学学院生物标志化合物及其地球化学意义摘要：生物标志化合物（biomarker）是指沉积有机质、原油、油页岩、煤中那些来源于活的生物体，在有机质演化过程中具有一定稳定性，没有或较少发生变化，基本保存了原始生化组分的碳骨架，记载了原始生物母质的特殊分子结构信息的有机化合物。因此，它们具有特殊的“标志作用”，对地球化学有着重要的意义。本文通过详细讨论生物标志化合物在不同领域的应用及特点，分别研究生物标志化合物及其地球化学意义。主要讨论的方面有：生物标志化合物与相关的全球变化、生物标志化合物在石油地质中的应用、
2、生物标志化合物在油气地球化学中的应用。关键字：生物标志化合物地球化学石油地质前言：生物标志化合物在有机质的演化过程中基本保持了原始生化组分的碳骨架，记录了原始生物母质的特殊分子结构信息的有机化合物，因此具有特殊的“标志作用”。生物标志化合物的研究和应用标志着油气地球化学研究进入了分子级水平[1]。在石油地质研究中，多用于判断有机质的类型、来源及其热演化等方面。1.生物标志化合物与相关的全球变化生物标志化合物(也叫分子化石,化学化石)是指地质体中那些来自生物有机体的分子,它们在有机质演化过程中具有一定的稳定性,虽受成岩
3、、成土等地质作用的影响,但基本保存了原始生物生化组分的碳骨架,记载了原始生物母质的相关信息,具有一定的生物学意义。目前,生物标志化合物的研究已涵盖了主要的4种生物化学组分:蛋白质(包括核酸)、碳水化合物(包括几丁质)、类脂物和木质素。在这4类生物标志化合物中,研究得最为广泛的是类脂物、蛋白质(核酸)。相比较而言,类脂物在地质体中要稳定得多,可以在许多环境中长期存在下来,但它所携带的生物学信息相对较少。相反,蛋白质(核酸)的生物学信息相当丰富,但它们相对要不稳定得多。在全球变化中,研究最多的生物标志化合物是类脂物分子,
4、包括烷烃、芳烃、酸、醇、酮和酯等。研究主要涉及这些生物标志化合物的种类、含量、分布特征以及单体碳、氢、氧和氮等稳定同位素组成特征。近年人们开始尝试研究这些生物标志化合物的单体14C成分。比较常用的分析仪器有:用于测定官能团的红外光谱仪、紫外光谱仪;用于结构分析的核磁共振波谱仪、电子顺磁共振波谱仪、X光衍射仪、透射电镜。其他如氨基酸分析仪、蛋白质的电泳技术、古DNA的PCR技术等。目前最为引人瞩目的是用于定量分析类脂物生物标志化合物的仪器,主要有两个系列。色谱系列:包括气相色谱仪(GC)、高温气相色谱仪(HT-GC)、
5、裂解气相色谱仪(PY-GC)、液相色谱仪(LC)和高效液相色谱仪(HPLC)等;色谱-质谱联用系列:包括气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)、气相色谱-质谱-质谱联用仪(GC-MS-MS)和裂解气相色谱-质谱联用仪(PY-GC-MS-13-吉林大学地球科学学院)等。20世纪90年代以来,国际上分子有机地球化学的发展已深入到了研究复杂混合物中每个化合物的稳定同位素即化合物的单体稳定同位素。1978年首先由著名质谱学家J.M.Hayes把气相色谱-同位素比质谱仪引进到了分子有机地球化学领
6、域,才使复杂混合物中单体稳定同位素的研究成为可能。但直到1988年和1994年才分别出现了复杂混合物中单体稳定碳同位素和氮同位素的商业应用,而研究复杂混合物中单体稳定氢、氧同位素的仪器则仅在1999年才开始得以应用。单体稳定同位素分析所利用的仪器主要是色谱-同位素比质谱联用系列:包括气相色谱-燃烧-同位素比质谱联用仪(GC-C-IRMS,适合于生物标志化合物单体碳、氮同位素分析)、气相色谱-热转换-同位素比质谱联用仪(GC-TC-IRMS,适合于生物标志化合物单体氢、氧同位素分析)、气相色谱-燃烧/热转换-同位素比质
7、谱联用仪(GC-C/TC-IRMS,适合于生物标志化合物单体碳、氮、氢、氧同位素分析)。生物标志化合物由于结构精细、包含着丰富而形式多样的与古植被、古沉积环境、古气候和古人类活动等相关信息,因而在全球变化研究中有着广泛的应用前景。世界各国纷纷结合自己的国情发挥地区优势,选择适当的突破口,开展这方面的研究。研究载体已涉及到海相沉积物、湖相沉积物、泥炭、大气气溶胶等。但在全球变化的其他重要载体如冰芯、黄土等中的生物标志化合物则少有人涉及。在我国,有关生物标志化合物与全球变化的研究相当薄弱,而陆相生物标志化合物的古气候意义
8、工作更是弱中之弱。我国要在这一领域取得重大突破跻身于世界,除了要进一步在研究手段上深入外,更重要的是要从我国的实际情况出发选择合适的且容易突破的研究载体。特别重要的是,国际上有关生物标志化合物研究比较薄弱的一些研究载体,恰好是我国在国际全球变化研究上占有一席之地的载体,这些载体已有的国际性资料为进一步开展具我国特色的生物标志化合物工作奠定了扎实
