基于FTIR分析豬場廢水有機(jī)物分解過程中組成結(jié)構(gòu)變化

李 磊, 李忠佩*, 劉 明, 吳 萌, 馬曉焉, 唐曉雪

1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

基于FTIR分析豬場廢水有機(jī)物分解過程中組成結(jié)構(gòu)變化

李 磊1, 2, 李忠佩1, 2*, 劉 明1, 吳 萌1, 馬曉焉1, 2, 唐曉雪1, 2

1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

規(guī)?；i場; 廢水；可溶性有機(jī)物; 組成結(jié)構(gòu)；傅里葉紅外光譜

引 言

自20世紀(jì)90年代以來，我國生豬養(yǎng)殖模式逐漸從零散式的家庭養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)?；募s生產(chǎn)，并逐漸成為世界第一大豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年末，我國生豬總存欄數(shù)為4.75億頭，出欄量為6.96億頭，約占世界生豬總出欄量的一半。規(guī)?；i場的飛速發(fā)展，在極大滿足人們對肉制品消費(fèi)需求的同時(shí)，大量高有機(jī)物和養(yǎng)分濃度廢水的集中囤積和無序排放給周邊水體和土壤環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞[1]。作為微生物的能量來源，可溶性有機(jī)物(dissolved organic matter, DOM)主要參與了水體中的物質(zhì)循環(huán)；有機(jī)物來源、溫度和pH值等因素，以及有機(jī)物光解和微生物降解等作用均顯著影響著水體中DOM的組成與結(jié)構(gòu)[2]。研究發(fā)現(xiàn)，豬場廢水中養(yǎng)分以DOM為主，其中包括碳水化合物、腐殖酸、脂肪烴、芳香烴、蛋白質(zhì)以及多糖類等[3]。然而，地域性的氣候和地形差異，以及養(yǎng)殖規(guī)模、飼料配比和管理方式等因素，導(dǎo)致豬場廢水中DOM組成呈現(xiàn)較大的變異性[3-4]。此外，水體中DOM主要是由芳香族和脂肪族的碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜混合體，且在其碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)上還吸附有氨基、羰基、羥基以及酮等一系列的次要官能團(tuán)[2]。不同類型的官能團(tuán)，在受到微生物的降解作用時(shí)，其吸收峰強(qiáng)度變化存在一定差異。

目前，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)已被廣泛地應(yīng)用于研究有機(jī)物的組成結(jié)構(gòu)。本研究通過設(shè)置室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，基于FTIR分析豬場廢水有機(jī)物在降解過程中的紅外光譜特性，研究廢水中DOM的組成結(jié)構(gòu)變化；此外，結(jié)合主成分和紅外二維相關(guān)等分析方法，試圖揭示豬場廢水中DOM組成結(jié)構(gòu)變化的過程機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)布置

經(jīng)過調(diào)查，隨機(jī)選擇了江西省余江縣五個(gè)代表性的規(guī)?；i場作為試驗(yàn)對象。于2014年6月，在各豬場廢水排放口采集7 L新鮮的豬場廢水作為供試樣品，冷藏后并于24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)前，將預(yù)先冷藏的樣品充分混勻，取250 mL廢水若干份，分裝進(jìn)500 mL的聚乙烯瓶內(nèi)，放入恒溫培養(yǎng)室(28±2)℃，避光靜置好氣培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)第0，10，20，30，40，50，60天采樣，每個(gè)處理3次重復(fù)，并將培養(yǎng)0天的樣品視為初始樣品。

1.2 樣品制備與光譜測定

采用手提式吸引器對廢水樣品進(jìn)行抽濾，過0.7 μm GF/F濾膜(Whatman)；量取等體積濾液于50 mL清潔的聚乙烯瓶，并置于-20 ℃低溫冷凍后，采用干燥器(LABCONCO)于-75 ℃下對濾液進(jìn)行冷凍干燥，得到DOM固體顆粒樣品。將約2 mg干燥的DOM固體樣品與200 mg干燥的溴化鉀(KBr，光譜純)混勻磨細(xì)，采用壓片機(jī)制薄片，并以純KBr為空白。運(yùn)用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet iS10)進(jìn)行紅外光譜測定，波數(shù)采集范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)32，分辨率為4 cm-1，采集樣品光譜透射率數(shù)據(jù)。由于重復(fù)樣品間誤差較小，光譜數(shù)據(jù)分析中采用各處理平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將樣品透射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為吸光度后，進(jìn)行基線自動(dòng)校正。為提高樣品間紅外光譜的可比性，采用極差標(biāo)準(zhǔn)歸一化方法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。根據(jù)峰面積計(jì)算方法[6]，利用OMNIC 9軟件對樣品譜圖進(jìn)行峰面積計(jì)算，利用Excel 2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并采用SPSS 20對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(p<0.05)?；赨nscramblerR 9.4對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，利用2D shige軟件進(jìn)行紅外二維相關(guān)分析。所有圖的繪制均采用Origin 9.1完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 豬場廢水中DOM的組成結(jié)構(gòu)特征

在樣品紅外譜圖中，特征吸收峰集中在4 000～900 cm-1范圍內(nèi)，因此選定該范圍內(nèi)的紅外譜圖分析廢水中DOM的組成結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，在相同的培養(yǎng)天數(shù)，樣品紅外譜圖吸收峰大體一致，表明不同豬場來源的廢水中DOM有著類似的組成結(jié)構(gòu)。圖1為各培養(yǎng)時(shí)期五個(gè)豬場廢水DOM紅外譜圖的平均值。根據(jù)文獻(xiàn)資料，對供試樣品紅外譜圖中的主要特征吸收峰及其所代表的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行歸屬(表1)。

表1 豬場廢水樣品紅外吸收峰的歸屬

與培養(yǎng)0～10天相比，培養(yǎng)20天的樣品譜圖中峰1由培養(yǎng)初期的雙峰逐漸變成單峰。由于糖類化合物中存在多個(gè)羥基，因此在3 570～3 050 cm-1內(nèi)常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)OH伸縮振動(dòng)吸收峰[6]。在果膠多糖的紅外譜圖中，3 600～2 400 cm-1出現(xiàn)的寬峰與分子內(nèi)或分子間OH伸縮振動(dòng)有關(guān)。通常，3 460 cm-1左右的紅外吸收峰歸屬于纖維素中的O(2)H…O(6)分子內(nèi)氫鍵締合的羥基，3 310～3 230 cm-1的紅外吸收峰為纖維素中的O(6)H…O(3)分子間氫鍵締合的羥基[7]。源于飼料的組成成分，豬糞中存在大量的纖維素和半纖維素等物質(zhì)。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，3 000～900 cm-1波數(shù)范圍各吸收峰的相對強(qiáng)度也呈現(xiàn)明顯的變化。與初始樣品相比，培養(yǎng)60天的廢水中峰6和7吸收峰強(qiáng)度有所增加，而峰4和5的吸收峰強(qiáng)度有所降低?？梢?，不同的DOM組分結(jié)構(gòu)在有機(jī)降解過程中的變化存在一定差異。

圖1 不同培養(yǎng)時(shí)間豬場廢水中DOM的紅外譜圖 (4 000～900 cm-1)

Fig.1 The infrared spectrum of DOM in piggery wastewater after various incubation days (4 000～900 cm-1)

2.2 豬場廢水中DOM各組分相對含量變化

表2 廢水中DOM各官能團(tuán)平均相對含量/%

注： 同一列中標(biāo)以不同小寫字母的值表示在0.05水平上差異顯著，ns為不顯著；誤差計(jì)算采用五個(gè)豬場平均值

Note： Different lowercases within the same column indicate the significant at the level ofp<0.05, ns-no significant; the error was determined by the mean value of five pig farms

2.3 豬場廢水紅外譜圖的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明，PC1和PC2軸分別解釋了廢水中DOM組成結(jié)構(gòu)總變異的57%和21%[圖2(a)]。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，豬場廢水樣品沿著PC2軸形成了兩個(gè)差異明顯的聚類類群(組1和組2)。其中，培養(yǎng)0～10天的樣品主要分布在PC2軸負(fù)端，而培養(yǎng)20～60天后的樣品主要分布在PC2軸正端，表明DOM組成結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)20天后發(fā)生較為明顯的變化。

2.4 豬場廢水二維紅外相關(guān)光譜分析

利用二維相關(guān)分析軟件，分段研究了4 000～3 000和3 000～900 cm-1范圍內(nèi)豬場廢水中DOM紅外光譜的二維相關(guān)性。其中，二維同步譜圖關(guān)于對角線對稱，位于對角線的峰為自相關(guān)峰，位于對角線兩側(cè)的為交叉峰。

在4 000～3 000 cm-1的同步譜圖中，3 190和3 437 cm-1波數(shù)處分別產(chǎn)生較明顯的自相關(guān)峰，且3 190 cm-1波數(shù)處的峰強(qiáng)度更大[圖3(a)]。根據(jù)二維相關(guān)譜圖的解讀規(guī)則[11]，與纖維素中的O(2)H…O(6)分子內(nèi)氫鍵締合的羥基相比，纖維素中的O(6)H…O(3)分子間氫鍵締合的羥基降解速率較快，這可能與分子間氫鍵締合羥基的能量較低有關(guān)。此外，在4 000～3 000 cm-1的同步譜圖中還存在一個(gè)負(fù)交叉峰(3 437, 3 190 cm-1)，即二者間光譜強(qiáng)度存在相反的變化趨勢。在4 000～3 000 cm-1的異步譜圖中，存在一個(gè)明顯的負(fù)交叉峰(3 437, 3 190 cm-1)[圖3(b)]，表明微生物傾向于優(yōu)先降解纖維素分子內(nèi)氫鍵締合的羥基。

圖3 廢水樣品二維相關(guān)紅外光譜

(a)～(b) represent the synchronous and asynchronous spectra within the range of 4 000～3 000 cm-1, and (c)～(d) represent the synchronous and asynchronous spectra within the range of 3 000～900 cm-1; correlative peaks increased with the color darkened

3 結(jié) 論

豬場廢水中有機(jī)物的組成結(jié)構(gòu)隨其降解過程而發(fā)生顯著變化。豬場廢水中DOM主要由蛋白質(zhì)、脂質(zhì)類、腐殖酸、酚類和多糖類等有機(jī)物組成。由于微生物的降解，廢水中與脂質(zhì)類和蛋白質(zhì)組分相關(guān)的官能團(tuán)含量逐漸降低并趨于穩(wěn)定，而與多糖類和芳香族組分相關(guān)的官能團(tuán)顯著增加直至平穩(wěn)。與纖維素分子間氫鍵締合的羥基相比，微生物傾向于優(yōu)先降解纖維素分子內(nèi)氫鍵締合的羥基，但以前者的降解速率更快；此外，廢水中DOM以多糖類組分對降解過程的響應(yīng)最為敏感，而以酚類有機(jī)物的降解速率最快?？梢?，豬場廢水中DOM組成結(jié)構(gòu)的變化不僅受到物質(zhì)自身特性等因素的影響，而且還可能與微生物的選擇性降解有關(guān)。

[1] ZHOU Zhi-gao, LI Zhong-pei, HE Yuan-qiu, et al(周志高, 李忠佩, 何園球, 等). Acte Pedologica Sinica(土壤學(xué)報(bào)), 2013, 50(4): 703.

[2] Leenheer J A, Croué J P. Environmental Science & Technology, 2003, 37(1): 18A.

[3] Fridrich B, Krcmar D, Dalmacija B, et al. Agricultural Water Management, 2014, 135: 40.

[4] Boursier H, Béline F, Paul E. Bioresource Technology, 2005, 96: 351.

[5] LU Wan-zhen, YUAN Hong-fu, CHU Xiao-li(陸婉珍, 袁洪福, 褚小立). Near-Infrared Spectroscopy Instruments(近紅外光譜儀器). Beijing: Chemical Industry Press(北京： 化學(xué)工業(yè)出版社), 2010.

[6] WENG Shi-fu(翁詩甫). Fourier Transform Infrared Spectroscopy(傅里葉變換紅外光譜分析). Beijing: Chemical Industry Press(北京: 化學(xué)工業(yè)出版社), 2010.

[7] Hinterstoisser B, Salmen L. Vibrational Spectroscopy, 2000, 22: 111.

[8] Guo X J, He X S, Zhang H, et al. Microchemical Journal, 2012, 102: 115.

[9] Li X W, Dai X H, Takahashi J, et al. Bioresource Technologe, 2014, 159: 412.

[10] Hsu J H, Lo S L. Water Science and Technology, 1999, 40(1): 121.

[11] Kokot S, Czarnik-Matusewicz B, Ozaki Y. Biopolymers, 2002, 67(6): 456.

[12] Cuetos M J, Gómez X, Otero M, et al. Biodegradation, 2010, 21(4): 543.

(Received Jul. 2, 2015; accepted Nov. 22, 2015)

*Corresponding author

Structural Analysis of Organic Matter Composition in Piggery Wastewater during the Process of Organic Degradation Based on FTIR Spectroscopy

LI Lei1, 2, LI Zhong-pei1, 2*, LIU Ming1, WU Meng1, MA Xiao-yan1, 2, TANG Xiao-xue1, 2

1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Scale pig farm; Wastewater; Dissolved organic matter; Structural composition; Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

2015-07-02，

2015-11-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171233)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201203050)資助

李 磊，1989年生，中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生 e-mail： lilei@issas.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail： zhpli@issas.ac.cn

X502

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3517-06