王 威，李 成，魏自民*，何小松，李鳴曉，耿春茂，胡春明

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875）

堆肥法是可降解固體廢物處理的主要方法之一，在堆肥期間，微生物只在氣體與固體的交界面具有活性，因此研究水溶性有機(jī)物（Dissolved organic matter，DOM）的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)了解堆肥過(guò)程中碳氮循環(huán)具有十分重要的意義。堆肥過(guò)程中水溶性有機(jī)物的變化較之固相組分更能靈敏反映堆肥腐熟狀況[1]。堆肥產(chǎn)品在培肥土壤的同時(shí)[2]，其DOM對(duì)土壤中的碳、氮、磷循環(huán)及金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化也產(chǎn)生十分重要的影響[3]，因此，研究者對(duì)堆肥過(guò)程中DOM組分結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律開展了大量的研究[4-6]。由于DOM含有氨基、羧基、羥基和硫醇基等化學(xué)官能團(tuán)[7]，及大量帶有各種低能量π→π*躍遷的芳香結(jié)構(gòu)、共扼生色團(tuán)和不飽和脂肪鏈[8]，致使熒光光譜分析技術(shù)在DOM研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-10]。大量研究表明，隨著堆肥的進(jìn)行，DOM分子質(zhì)量增大，DOM中共軛作用增強(qiáng)，有機(jī)物不飽和結(jié)構(gòu)的多聚化或聯(lián)合程度增大，芳香結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量增加[4-6，11-12]。綜合以往研究，有關(guān)DOM光譜學(xué)特性的研究，主要集中在單一（或混合）物料及其不同工藝參數(shù)的堆肥方面，而對(duì)不同來(lái)源的堆肥物料進(jìn)行對(duì)比分析的研究較少。

本文選擇雞糞、廚余、植物及污泥腐熟堆肥樣品，利用紫外和熒光光譜法對(duì)樣品中的DOM進(jìn)行光譜特性分析，闡明不同來(lái)源堆肥產(chǎn)品DOM腐殖化程度，為不同來(lái)源堆肥產(chǎn)品的肥效評(píng)價(jià)提供了一定的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

雞糞，廚余垃圾，植物，污泥堆肥腐熟樣品，其中雞糞取自北京市華豐雞場(chǎng)，廚余垃圾取自中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院食堂，植物取自北京市綠色垃圾處理廠，污泥取自高碑店市污水處理廠，原料進(jìn)行堆肥前的理化性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 堆肥材料基本理化參數(shù)Table 1 Some basic characteristics of composting materials

1.2 DOM的提取

將堆肥樣品按干物質(zhì)重與雙蒸水體積為1∶10(W(g)/V(mL))加入雙蒸水，室溫條件下200 r·min-1水平振蕩提取24 h，然后4℃，12 000 r·min-1離心20 min，上清液過(guò)0.45 μm的微孔濾膜，濾液中的有機(jī)物即為DOM。

1.3 紫外光譜分析

使用Shimadzu TOC-5000 TOC分析儀測(cè)定各堆肥樣品水溶性有機(jī)物的碳含量，DOM樣品用重蒸餾水將其濃度調(diào)為3 mg·L-1，美國(guó)Varian公司生產(chǎn)的UV-Vis spectrophotometer Cary50測(cè)定，掃描波長(zhǎng)分別為254和285 nm,記錄吸光度A254和A285，并計(jì)算 SUVA254(=A254×100/TOC)值和 ABS285(=A285×1 000/TOC)值。

1.4 熒光光譜測(cè)定

熒光光譜測(cè)定儀器為Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B。該儀器激發(fā)光源為150 W氙弧燈，PMT電壓 700 V；其信噪比＞110，帶通（Bandpass）分別為激發(fā)波長(zhǎng)（Ex）=10 nm和發(fā)射波長(zhǎng)（Em）=10 nm；響應(yīng)時(shí)間為自動(dòng)，掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正。樣品熒光激發(fā)光譜掃描時(shí)固定Em=520 nm，激發(fā)波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300～500 nm，熒光發(fā)射光譜掃描時(shí)固定激發(fā)波長(zhǎng)Ex=360 nm，發(fā)射波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為370～550 nm，熒光同步光譜固定波長(zhǎng)差Δλ=Em－Ex=18 nm，激發(fā)波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為260～600 nm，上述光譜掃描時(shí)速度均設(shè)為200 nm·min－1，三維熒光光譜掃描時(shí) Ex=200～490 nm，Em=250～550 nm，掃描速度設(shè)為 1 500 nm·min－1，四個(gè)樣品 DOM 濃度均調(diào)至 3 mg·L－1，pH 8.0±0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 特定波長(zhǎng)的紫外吸光度值分析

254 nm下的紫外吸收主要由具有不飽和碳－碳鍵的化合物引起[13]。DOM分子質(zhì)量越大，所含有的芳香族和不飽和共扼雙鍵結(jié)構(gòu)越多，單位物質(zhì)的量紫外吸收強(qiáng)度越高[7，14－15]。SUVA254可用于表征有機(jī)質(zhì)的芳構(gòu)化程度，其值越大，芳構(gòu)化程度越高[12,16－19]。SUVA254值由大到小的順序?yàn)椋弘u糞、廚余、植物、污泥。雞糞的SUVA254最大，表明其分子質(zhì)量最大，含有的芳香族和不飽和共軛雙鍵結(jié)構(gòu)最多，其芳構(gòu)化程度最高；污泥的SUVA254最低，表明其分子質(zhì)量最小，其芳構(gòu)化程度最低(見(jiàn)表2)。

表2 DOM的SUVA254值和ABS285值Table 2 SUVA254and ABS285value of DOM

除SUVA254能夠表征芳構(gòu)化程度外，物質(zhì)在285 nm處的紫外吸收特性ABS285也可用來(lái)表征芳香度，ABS285值越大，物質(zhì)的芳香度越高，芳香族基團(tuán)含量越高[20－21]。由表2可知，四個(gè)樣品的ABS285值由大到小的順序?yàn)椋弘u糞、廚余、植物、污泥，這表明四個(gè)樣品中雞糞的芳香度最高，污泥最低，這一結(jié)論與SUVA254得出的結(jié)論相一致。

SUVA254和ABS285兩紫外吸收參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.997**（P＜0.01），二者呈極顯著正相關(guān)，這可能是由于堆肥DOM中存在的在254及280 nm附近都有很強(qiáng)吸收峰的化合物（如苯胺）所引起。二者的顯著正相關(guān)性也說(shuō)明使用二者之一評(píng)價(jià)產(chǎn)品的腐殖化程度具有可行性。

2.2 DOM發(fā)射光譜分析

熒光發(fā)射光譜圖通常表現(xiàn)為寬而無(wú)特征的熒光峰，它是DOM中具有相似來(lái)源的一類基團(tuán)總體熒光性質(zhì)的反應(yīng)。由圖1可知，雞糞、廚余、植物、污泥四個(gè)樣品最大熒光峰所在的波長(zhǎng)分別為434、430、435、429 nm。四個(gè)樣品的DOM均在430 nm左右出現(xiàn)最大吸收峰，其位置比較靠近富里酸特征波峰（450～460 nm）[22]，這說(shuō)明不同來(lái)源的四個(gè)樣品DOM中的腐殖質(zhì)類物質(zhì)均以類富里酸為主。

圖1 雞糞、廚余、植物、污泥堆肥產(chǎn)品的DOM熒光發(fā)射光譜圖(Ex=360 nm)Fig.1 DOM fluorescence emission spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.3 DOM激發(fā)光譜分析

與熒光發(fā)射光譜比較，熒光激發(fā)光譜更能發(fā)現(xiàn)DOM的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)信息。由圖2可知，四個(gè)堆肥產(chǎn)品均在390 nm附近有一個(gè)較強(qiáng)的熒光特征峰，且均在460 nm左右出現(xiàn)小肩峰。有研究報(bào)道，392 nm處的熒光峰與木質(zhì)素降解產(chǎn)物酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的羥基有關(guān)，458 nm處的熒光峰與苯環(huán)上的供電子基團(tuán)（-NH2等）有關(guān)[23]。雞糞和廚余樣品中390 nm附近的熒光峰為主峰，所以在這二者中羥基為主要官能團(tuán)，除羥基官能團(tuán)外，還含有供電子基團(tuán)（-NH2等）。

圖2 雞糞、廚余、植物、污泥堆肥產(chǎn)品的DOM熒光激發(fā)光譜(Em=520 nm)Fig.2 DOM fluorescence excitation spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.4 DOM同步光譜分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的熒光發(fā)射光譜和激發(fā)光譜，同步熒光光譜能給出更多結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的信息，它表示的是DOM分子中幾種不同類型熒光基團(tuán)的集合體。由圖3可知，雞糞主峰位于389 nm處，廚余主峰位于382 nm處，植物主峰位于355 nm處，與前三者不同，污泥樣品中沒(méi)有明顯的主峰，但其短波長(zhǎng)278 nm處熒光基團(tuán)占發(fā)光基團(tuán)的比例較高。已有的研究表明，熒光同步掃描光譜圖中280 nm處的熒光峰代表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的類蛋白物質(zhì)，而340、380、450 nm附近出現(xiàn)的特征熒光峰則是由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖質(zhì)類物質(zhì)產(chǎn)生[24-26]。在較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)的特征峰主要由較簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)、較低分子縮合度的有機(jī)物質(zhì)形成，而較長(zhǎng)波長(zhǎng)下的熒光峰則由分子質(zhì)量較大、復(fù)雜化程度較高的有機(jī)物質(zhì)形成[23]。波長(zhǎng)越長(zhǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，雞糞主峰所處的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，所以其腐殖化程度最高，其次是廚余和植物，與前三者相比，污泥樣品中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的類蛋白物質(zhì)所占的比例最高，所以污泥的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，腐殖化程度最低。

圖3 雞糞、廚余、植物、污泥堆肥產(chǎn)品的DOM熒光同步光譜圖（Δλ=18 nm）Fig.3 DOM Fluorescence synchronous-scan spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.5 DOM三維熒光光譜分析

與二維熒光光譜圖相比，三維熒光光譜圖（Threedimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy，3DEEM）能更好地檢測(cè)到不同類型的熒光基團(tuán)。四個(gè)樣品在圖4中出現(xiàn)的熒光峰位置及熒光強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 樣品三維光譜圖中熒光峰的位置及強(qiáng)度Table 3 Wavelength and intensity of fluorescence peak in 3DEEM fluorescence spectroscopy

圖4 雞糞、廚余、植物、污泥堆肥產(chǎn)品的DOM三維熒光光譜(Ex/Em=200～490 nm/250～550 nm)Fig.4 DOM 3DEEM spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge(Ex/Em=200～490 nm/250～550 nm)

有研究報(bào)道Ex/Em=240～270 nm/370～440 nm處為紫外區(qū)類富里酸熒光，Ex/Em=310～360 nm/370～450 nm處為可見(jiàn)區(qū)類富里酸熒光，二者與腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羰基和羧基有關(guān)[9],Ex/Em=270～290 nm/320～350 nm處為類色氨酸蛋白熒光，Ex/Em=220～240 nm/300～350 nm 及 Ex/Em=220～240 nm/280～300 nm處為微生物降解產(chǎn)生的類蛋白熒光。

由表3可知，四個(gè)樣品均含有紫外區(qū)類富里酸熒光峰（Peak A）和可見(jiàn)區(qū)類富里酸熒光峰（Peak C），其中Peak A主要是由一些低分子質(zhì)量，高熒光效率的有機(jī)物質(zhì)所引起，主要來(lái)源于木質(zhì)素和其他植物材料的降解，在隨后的處理過(guò)程中它們將合成更為復(fù)雜的腐殖質(zhì)類物質(zhì)[23]；而Peak C則是由相對(duì)穩(wěn)定，高分子質(zhì)量的芳香性富里酸物質(zhì)所產(chǎn)生[10]，其形成預(yù)示著堆肥胡敏酸類物質(zhì)的形成，可以用來(lái)跟蹤有機(jī)質(zhì)的腐熟度。由表3可知，四個(gè)樣品在相同的有機(jī)碳濃度下，雞糞的Peak C熒光強(qiáng)度最大，說(shuō)明雞糞所含的高分子質(zhì)量芳香性富里酸最多，最少的為污泥堆肥樣品。圖4表明，廚余樣品除含Peak A和Peak C外，還含有Peak B，其被認(rèn)為是紫外區(qū)富里酸在形成更復(fù)雜的可見(jiàn)區(qū)富里酸的過(guò)程中形成的過(guò)渡峰，前人在對(duì)天然有機(jī)質(zhì)三維熒光光譜熒光基團(tuán)吸收峰的命名中將Ex/Em=290～320 nm/370～420 nm的熒光基團(tuán)定為海洋腐殖質(zhì)，由此推測(cè)廚余樣品中在此波長(zhǎng)處出現(xiàn)的熒光物質(zhì)可能與海洋腐殖質(zhì)有類似的結(jié)構(gòu)。

由圖4可知，雞糞和廚余樣品除含類富里酸熒光峰外，還含有類色氨酸蛋白峰（Peak E）。類蛋白物質(zhì)結(jié)構(gòu)較類腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其含量越低物質(zhì)的腐殖化程度越高。表3表明，雞糞Peak E熒光強(qiáng)度較廚余低，則雞糞中類蛋白物質(zhì)的含量較廚余低，所以雞糞樣品的腐殖化程度較廚余樣品高。植物和污泥樣品除含Peak E外，還含有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的微生物降解類蛋白峰（Peak D），這表明植物和污泥樣品的腐殖化程度低于雞糞和廚余樣品。污泥樣品的Peak E和Peak D熒光強(qiáng)度均高于植物樣品，則污泥樣品類蛋白物質(zhì)的含量高于植物樣品，所以污泥樣品的腐殖化程度低于植物樣品。綜上所述，四個(gè)樣品中雞糞的腐殖化程度最高，污泥的腐殖化程度最低。

3 結(jié)論

SUVA254值、ABS285值、熒光同步光譜圖及三維熒光光譜圖均反映出雞糞、廚余堆肥產(chǎn)品水溶性有機(jī)物的腐殖化程度高于植物、污泥堆肥產(chǎn)品，這與不同來(lái)源水溶性有機(jī)物的物質(zhì)組成有關(guān)。其中雞糞、廚余的DOM中含有較多的易被微生物利用的氮源、碳源，而植物樣品中雖然也含有較高的總碳，卻以微生物難以利用的纖維素為主，所以雞糞、廚余堆肥產(chǎn)品的腐殖化程度較高。

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