崔東宇,何小松*,席北斗,李 丹,陳鳳先,潘紅衛(wèi),袁 英(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,地下水與環(huán)境系統(tǒng)創(chuàng)新基地,北京 100012；.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心,北京 100012)

牛糞堆肥過程中水溶性有機(jī)物演化的光譜學(xué)研究

崔東宇1,2,何小松1,2*,席北斗1,2,李 丹1,2,陳鳳先3,潘紅衛(wèi)1,2,袁 英1,2(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,地下水與環(huán)境系統(tǒng)創(chuàng)新基地,北京 100012；3.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心,北京 100012)

采用紫外-可見吸收光譜、1H-核磁共振(NMR)和同步熒光光譜,研究了牛糞堆肥水溶性有機(jī)物(DOM)的結(jié)構(gòu)特征及其演化規(guī)律.紫外-可見吸收光譜分析顯示,SUVA254由堆肥起始的1.161上升至堆肥結(jié)束的2.543;E465/E665在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)上升趨勢,變化范圍在2.333～3.500;260～280,460～480,600～700nm范圍內(nèi)的面積積分A1、A2和A3均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,峰值分別出現(xiàn)在26,14, 14d.1H-NMR分析顯示,堆肥0d到堆肥41d,0.5～3.1δ面積積分所占比例從43.06%下降至8.63%,3.1～5.5δ從56.07%上升至89.68%,5.5～10δ不足總體的6%且變化趨勢不明顯.同步熒光光譜結(jié)果顯示,經(jīng)過41d 的堆肥,蛋白質(zhì)類物質(zhì)區(qū)積分面積比例(APLR)由0.331下降到0.252,而富里酸類物質(zhì)區(qū)積分面積比例(AFLR)由0.325增加到0.336,同時(shí)胡敏酸類物質(zhì)區(qū)積分面積比例(AHLR)由0.344增加到0.412;AFLR/APLR比與同步熒光光譜3個(gè)熒光峰峰高存在顯著相關(guān)性,AHLR/AFLR與兩個(gè)熒光峰光強(qiáng)的比值I351/I284和I382/I351存在顯著相關(guān)性.上述結(jié)果表明,隨著堆肥進(jìn)行, DOM中的非腐殖質(zhì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為類腐殖質(zhì),同時(shí)其芳香性結(jié)構(gòu)增多,碳鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化反應(yīng),分子量從小變大,堆肥腐殖化程度加大,穩(wěn)定度增加.

牛糞堆肥；水溶性有機(jī)物；紫外-可見吸收光譜；1H-核磁共振；同步熒光光譜

隨著中國農(nóng)村發(fā)展進(jìn)步,農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物大量堆積,堆肥作為一種有效的有機(jī)廢物資源化手段逐漸成為回收再利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物的方式[1].為提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量,需要對堆肥過程中有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行監(jiān)測,進(jìn)一步對堆肥產(chǎn)品穩(wěn)定性進(jìn)行評估[2-4].根據(jù)相關(guān)報(bào)道,目前主要通過以下幾種參數(shù)表征堆肥的穩(wěn)定性,包括C/N比、水溶性有機(jī)物(DOM)含量、電導(dǎo)率、陽離子交換容量等[5-7].由于堆肥過程是一種發(fā)生在水溶相中的在微生物作用下有機(jī)物的轉(zhuǎn)化的過程,因此,DOM對表征有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和堆肥的穩(wěn)定性具有重要意義.此外,由于DOM結(jié)構(gòu)中含氧基團(tuán)和芳香官能團(tuán)的存在,使其可以與無機(jī)和有機(jī)污染物相互作用,從而顯著改變后者在土壤系統(tǒng)的生物化學(xué)和地球化學(xué)行為[8-9].因此,從堆肥材料中提取出DOM結(jié)構(gòu)特性的表征對堆肥有效利用至關(guān)重要.

關(guān)于DOM的研究主要集中在傳統(tǒng)參數(shù)如水溶性有機(jī)碳(DOC)的濃度和水溶性有機(jī)碳和氮之比,對牛糞堆肥過程中DOM的結(jié)構(gòu)特性和組成進(jìn)行的研究報(bào)道較少.在研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)特性時(shí),紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、核磁共振分析(1H-NMR)和熒光光譜等方法被證明是有效的.紫外光譜分析作為一種經(jīng)濟(jì)快速的方法,其特定波長能提供DOM分子結(jié)構(gòu)信息的相關(guān)數(shù)據(jù)[10].相比之下,核磁共振能夠提供有機(jī)物的C、H骨架結(jié)構(gòu)信息[11].熒光光譜分析可以在不破壞有機(jī)物本身結(jié)構(gòu)的前提下,用于量化表征有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度[12].目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用其中一種方法研究DOM,不能全面而充分的表征有機(jī)物結(jié)構(gòu)特征及組成特性.本研究將聯(lián)用紫外-可見光譜、熒光光譜及核磁共振,并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法綜合全面分析堆肥過程中DOM的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化特性,以其為堆肥條件優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與堆肥過程

試驗(yàn)樣品取自河北某堆肥廠,該堆肥廠年產(chǎn)堆肥約1×105t.堆肥原料主要為牛糞,發(fā)酵方式為槽式發(fā)酵,發(fā)酵槽1.5m,寬10m,長度超過20m,發(fā)酵過程中每2d翻堆一次,整個(gè)堆肥過程持續(xù)41d,由于在冬季進(jìn)行堆肥且牛糞有機(jī)質(zhì)難以降解,堆肥過程升溫較慢,第10d達(dá)到最高溫度55℃,隨后溫度逐漸下降并于26d后降至室溫,加水翻堆進(jìn)行二次發(fā)酵,41d后結(jié)束.分別在第0,7,14,26,41d從堆體頂端到底端平均分為上中下3個(gè)點(diǎn)位采集樣品,每點(diǎn)取3份后混合均勻.

1.2 DOM的提取與分析

堆肥樣品在-54℃下凍干,磨碎并過篩.過篩選出粒徑<2mm的樣品待實(shí)驗(yàn)分析用.每份樣品(20g)置于200mL去離子水中(固液比=1:10)振蕩24h.提取物于12000r/min離心15min,并過0.45μm濾膜.濾出液中DOM濃度使用Analytik Jena Multi N/C 2100型 TOC分析儀測量.部分浸出液在-54℃下凍干,其余置于酸洗過的干燥棕色玻璃瓶中避光保存于4℃,用于其他分析.

1.3 紫外-可見光譜

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將所有DOM樣品加入一定量超純水,將DOC調(diào)至7mg/L.紫外-可見吸收光譜的測量使用日本島津UV-1700PC 型分光光度計(jì),掃描波長范圍為200～700nm,以Milli-Q純凈水作為參比[10].

1.41H-NMR分析

將一定量的DOM固體粉末置于0.5mL DMSO-d6中,超聲溶解后,在干燥環(huán)境下將溶解液小心吸入5mL樣品管中蓋嚴(yán).在Bruker DRX500儀器上進(jìn)行核磁共振測定,測定條件為:共振頻率79.452MHz,取樣時(shí)間2s,90°脈沖,脈沖間隔4s[11].

1.5 熒光光譜

同步熒光光譜測定儀器為Perkin-Elmer LS-50B 型熒光分光光度計(jì).測定時(shí)激發(fā)和發(fā)射單色器的狹縫寬度分別設(shè)置為5nm,掃描速度為240nm/min,波長間隔5nm,波長差為30nm[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外-可見光譜分析

充分分析紫外-可見光譜圖能夠提供大量關(guān)于DOM組成和轉(zhuǎn)化的重要信息[13].本研究選用特征吸收值、特定波長峰強(qiáng)度比、面積積分及面積積分比值等參數(shù)研究DOM的特性.

將堆肥DOM在254nm處的吸光度乘上100與該溶液的DOC值之比定義為SUVA254(= A254×100/TOC).Nishijima等[14]研究認(rèn)為, 具有不飽和碳-碳鍵的化合物會(huì)引起有機(jī)物在254nm下的紫外吸收,這類化合物包括芳香族化合物等較難分解的物質(zhì),而在相同的DOC濃度條件下,有機(jī)質(zhì)在該波長下的吸光值越高,表明腐殖質(zhì)含量越高,即腐殖化程度越高.還有研究表明,單位濃度樣品在254nm的紫外吸收強(qiáng)度越高意味著DOM分子質(zhì)量越大,其所含有的芳香族和不飽和共軛雙鍵結(jié)構(gòu)越多[15].如圖1(a)所示,隨著堆肥的進(jìn)行,DOM在254nm下的紫外吸收強(qiáng)度不斷增強(qiáng),由堆肥起始的1.161上升至堆肥結(jié)束的2.543.在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)主要發(fā)生降解和腐殖化兩個(gè)過程,有機(jī)質(zhì)降解會(huì)使堆肥物質(zhì)礦化,腐殖化會(huì)使堆肥過程中的非腐殖質(zhì)向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化[16].堆肥腐殖質(zhì)主要是由木質(zhì)素的不完全降解產(chǎn)物和氨基酸等合成,因此,隨著堆肥的進(jìn)行,DOM在254nm下的吸光度增大主要是由于氨基酸與木質(zhì)素類降解物的不斷縮合,致使堆肥腐殖質(zhì)不斷增加,堆肥期間發(fā)生了由非腐殖質(zhì)向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程,腐殖化程度隨著堆肥進(jìn)行而升高[17].

圖1 堆肥不同階段DOM紫外-可見光譜圖特征參數(shù)變化Fig.1 Evolution of the parameters from the UV-vis spectra of DOM during composting

E465/E665定義為水溶性有機(jī)物在465nm與665nm吸光度的比值,它是一個(gè)常用來表征苯環(huán)C骨架的聚合程度的參數(shù),在堆肥過程中常用于表征有機(jī)物的穩(wěn)定度,該值越小,有機(jī)質(zhì)聚合程度越大[18].如圖1(a)所示,牛糞堆肥樣品的E465/E665值隨著堆肥的進(jìn)行呈現(xiàn)出先上升、后下降再上升的趨勢,由堆肥開始時(shí)的2.333最終變?yōu)槎逊式Y(jié)束時(shí)的3.500.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道可知,E465/E665值除了與苯環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān),還與pH值、有機(jī)物中-COOH含量和總酸度有關(guān)[19].在許多情況下E465/E665并不能反映有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及分子量等方面的信息[20].

紫外-可見光譜主要有3個(gè)吸收帶[21].第1個(gè)吸收帶(A1) 位于260～280nm波長處,根據(jù)已有文獻(xiàn)可知[10],該吸收帶積分面積值反映出堆體有機(jī)質(zhì)中的木質(zhì)素開始轉(zhuǎn)化劇烈程度.如圖1(b)所示,在堆肥的前26d,A1呈現(xiàn)出上升趨勢,由堆肥開始時(shí)的2.037上升至第26d的最高值3.163,在堆肥后期A1呈現(xiàn)出下降趨勢,在第41d降低為2.502.說明在堆肥前期開始轉(zhuǎn)化的木質(zhì)素等有機(jī)質(zhì)的量呈現(xiàn)出上升趨勢,隨著堆肥進(jìn)行可發(fā)生轉(zhuǎn)化的有機(jī)質(zhì)的量減少,第26d為堆肥中生物化學(xué)反應(yīng)最活躍的階段中的一天.第2個(gè)吸收帶(A2) 對應(yīng)460～480nm波長處,該吸收帶積分面積越大表示堆體腐殖化程度越高,A2變化趨勢與A1相似,在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,由堆肥開始的0.137變化為堆肥結(jié)束時(shí)的0.196,在堆肥的第26d達(dá)到最高值0.260.表明隨著堆肥進(jìn)行有機(jī)質(zhì)開始腐殖化的量越來越多,在第26d時(shí)達(dá)到了頂峰,堆肥后期由于堆體中可轉(zhuǎn)化的非腐殖質(zhì)含量降低,所以可進(jìn)行腐殖化的有機(jī)質(zhì)減少,堆肥開始進(jìn)行腐殖化過程的程度降低.第3個(gè)吸收帶(A3) 對應(yīng)的600～700nm波長處,該處積分面積表示隨著堆肥進(jìn)行,產(chǎn)生了腐殖化程度較高的芳香性和縮合基團(tuán).A3在整個(gè)堆肥過程中仍然呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,在堆肥第14d出現(xiàn)峰值,高達(dá)0.513.數(shù)據(jù)表明整個(gè)堆肥過程中芳香性和縮合基團(tuán)產(chǎn)生的量先增大后減少,在堆肥14d時(shí)高腐殖化程度產(chǎn)物產(chǎn)量最大.

3個(gè)重要吸收帶的面積積分比值同樣能夠提供大量關(guān)于DOM組成和轉(zhuǎn)化的重要信息[22]:第一,A2和A1面積的比值(A2/1=A2/A1)反映了堆體中原有的有機(jī)質(zhì)包括木質(zhì)素等物質(zhì)在腐殖化開始的比例;第二,A3和A1面積的比值(A3/1=A3/A1)可表示腐殖化物質(zhì)和非腐殖化物質(zhì)之間的關(guān)系;第三,A3和A2面積的比值(A3/2=A3/A2)可指出芳香性成分的壓縮和聚合程度;第四,A2+A3的面積與A1面積的比值A(chǔ)(2+3)/1=((A2+A3)/A1)可解釋腐殖化與非腐殖化物質(zhì)的相關(guān)性,此比值增大速率越快,腐殖化水平越大.如圖1(c)所示,在堆肥初期0到14d,A2/1、A3/1和A(2+3)/1的值呈增大的趨勢,說明木質(zhì)素與其他物質(zhì)在腐殖化開始的比例逐漸增大,腐殖化與非腐殖化物質(zhì)比率越來越大.堆肥后期15～41d,A2/1、A3/1和A(2+3)/1的值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,主要是由于隨著堆肥進(jìn)行,堆體腐殖化程度達(dá)到一定水平后,經(jīng)過堆肥前期有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化,可轉(zhuǎn)化的木質(zhì)素含量越來越小.而通過改變堆肥條件包括供氧量、pH值和含水率等因素后,堆肥有機(jī)質(zhì)繼進(jìn)行非腐殖質(zhì)向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程.因此可以得出,隨著堆肥進(jìn)行,堆體腐殖化水平升高,達(dá)到一定程度后會(huì)發(fā)生一定波動(dòng)后繼續(xù)上升.

2.2 H骨架組成及變化

根據(jù)前人報(bào)道可知[23],1H-NMR化學(xué)位移主要分為3個(gè)區(qū):(1)0.5～3.1δ區(qū),該區(qū)信號主要源于多支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)和聚亞甲基鏈的末端甲基中H的吸收;(2)3.1～5.5δ區(qū),該區(qū)為連氧(或氮)碳上的H(主要為碳水化合物、有機(jī)胺、含甲氧基類物質(zhì))與脂環(huán)族H的吸收;(3)6.0～10.0δ區(qū),該區(qū)信號主要?dú)w屬于芳香結(jié)構(gòu)中H的貢獻(xiàn),本研究中各組分在3個(gè)化學(xué)位移區(qū)均存在不同程度的吸收.觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)堆肥過程的1H-NMR圖譜中有幾個(gè)共同特征.在3.1～4.6δ區(qū)均出現(xiàn)了連續(xù)3個(gè)峰,表明存在3種不同類別的甲氧基上的質(zhì)子.在4.0～5.5δ區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)最強(qiáng)的峰,意味著堆肥中存在大量碳水化合物中及內(nèi)酯上與碳相連的質(zhì)子.

圖2 堆肥不同階段DOM的1H-NMR圖譜Fig.21H-NMR spectra of DOM fractions during composting

為了詳細(xì)分析堆肥有機(jī)物中H的存在形式,本研究將樣品的總積分面積扣除溶劑峰的積分面積后的總H量假定為100%,各段化學(xué)位移的積分面積H占總H量的百分比如表1所示.由表1可知,化學(xué)位移5.5～10δ范圍內(nèi)的芳香族結(jié)構(gòu)結(jié)合的H整體含量較低,不足總體的6%且含量變化趨勢不明顯.相比之下,化學(xué)位移在3.1～5.5δ范圍內(nèi)的表征與碳水化合物、有機(jī)胺、含甲氧基類物質(zhì)結(jié)合的H相對含量最多,在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)出上升趨勢,從堆肥開始的56.071%上升至堆肥結(jié)束的89.681%.其次相對含量較高的是化學(xué)位移在0.5～3.1δ范圍內(nèi)的烷基鏈烴-H,最高時(shí)在堆肥開始階段,達(dá)43.060%,在堆肥結(jié)束時(shí)降至8.634%,在整個(gè)堆肥階段總體呈現(xiàn)出下降趨勢.通過分析數(shù)據(jù)可知,隨著堆肥的進(jìn)行,大量支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)和聚亞甲基鏈結(jié)構(gòu)在微生物作用下通過復(fù)雜的生物、化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為碳水化合物、有機(jī)胺和含甲氧基類物質(zhì).即在微生物的作用下,有機(jī)質(zhì)的某些分解產(chǎn)物,或微生物的某些合成產(chǎn)物,進(jìn)一步縮聚為復(fù)雜的腐殖質(zhì),進(jìn)一步驗(yàn)證了堆肥腐殖化過程.

表1 堆肥不同階段DOM各類質(zhì)子的相對含量(%)Table 1 Relative contents of protons in DOM with different composting time (%)

觀察圖2還發(fā)現(xiàn),各組分在化學(xué)位移0.5～3.1δ處均顯出很多強(qiáng)弱不等的尖銳信號峰,研究價(jià)值較高,故本文將此區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析.已有報(bào)道表明,在0.5～1.0δ歸屬于多支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)和聚亞甲基鏈的末端甲基中H的吸收,即為γ-H[24];1.0～1.9δ段出現(xiàn)的信號峰歸屬于脂肪族結(jié)構(gòu)中亞甲基H的吸收,即為β-H[23].在這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的峰變化趨勢相似,在堆肥開始階段較明顯,隨著堆肥進(jìn)行逐漸減弱甚至消失,說明脂肪C鏈被氧化發(fā)生了降解.1.9～3.1δ則主要?dú)w屬于與各官能團(tuán)連接的脂肪族α-H[25],這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)峰變化不大,說明堆肥并沒有明顯改變有機(jī)物這部分官能團(tuán)數(shù)量.

將各個(gè)階段的γ-H、β-H及α-H按面積積分算出相對含量,并通過公式n=(γ/3+β/2)/ (α/2)+ 1計(jì)算得到n值,n可表征烷基鏈烴的含量.由表1可見,γ-H在堆肥開始階段高達(dá)4.872%,后期發(fā)生了下降但均超過1%.β-H隨著堆肥進(jìn)行,總體呈現(xiàn)出下降趨勢,由開始階段的26.714%下降至堆肥結(jié)束的3.042%.α-H變化趨勢并不明顯,波動(dòng)較大,在堆肥前期較穩(wěn)定保持在10%左右,堆肥后期最高時(shí)達(dá)19.152%,堆肥結(jié)束時(shí)低至4.931%.n值總體保持下降趨勢,n值減少說明DOM中烷基鏈烴物質(zhì)含量降低,且支鏈變短.綜合分析可知,在整個(gè)堆肥過程中,多支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)、聚亞甲基鏈以及脂肪族結(jié)構(gòu)中亞甲基逐漸減少,同時(shí)烷基鏈烴的結(jié)構(gòu)也隨著堆肥進(jìn)行含量降低.

2.3 同步熒光光譜分析

與常規(guī)熒光光譜相比,熒光同步掃描光譜雖然容易受到拉曼散射影響,但是它能獲得較清晰、獨(dú)特波譜,從而給出更多的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)信息.圖3為波長差為30nm時(shí)不同堆肥時(shí)期DOM的同步熒光光譜.堆肥DOM同步熒光光譜中出現(xiàn)了3個(gè)明顯的熒光峰,其峰位置分別位于284nm,351nm,382nm.根據(jù)已有報(bào)道可知,在270～290nm范圍內(nèi)的熒光峰為類蛋白峰,與堆肥DOM中類蛋白物質(zhì)有關(guān).Kalbitz等[26]通過分析腐殖質(zhì)的同步掃描光譜,發(fā)現(xiàn)在360nm和400nm附近出現(xiàn)了熒光峰.隨著類腐殖質(zhì)的芳化度的上升熒光峰將不斷地向長波長方向移動(dòng),因此熒光峰光強(qiáng)的比值(I382/I351)可以用來表征類腐殖質(zhì)芳香碳的結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化情況.由于芳香碳能夠表征堆肥DOM的腐殖化程度,所以I382/I351可用來評價(jià)堆肥腐殖化程度的指數(shù),并且堆肥有機(jī)物腐殖化程度隨著I382/I351增大而升高.

由表2可知,在284nm處的類蛋白熒光峰強(qiáng)度從堆肥開始的132.442降至堆肥結(jié)束時(shí)的95.972,表明其所代表的類蛋白物質(zhì)在堆肥過程主要進(jìn)行降解過程;I382/I351變化幅度小,但仍然呈現(xiàn)出上升趨勢,由最初的0.855上升至最后的0.899,表明腐殖質(zhì)類物質(zhì)的相對含量不斷增多,腐熟度提高.圖3還顯示,堆肥過程DOM同步熒光光譜中1個(gè)類蛋白峰和2個(gè)類腐殖質(zhì)峰的最大峰位置都發(fā)生了紅移,分別從堆肥起始的284,351,382nm紅移至堆肥結(jié)束的292,359,389nm. Kalbitz等[26]認(rèn)為,最大熒光峰位置的紅移與有機(jī)質(zhì)中稠環(huán)芳烴的存在有關(guān),因此,堆肥過程中最大峰位置的紅移表明有機(jī)質(zhì)的苯環(huán)結(jié)構(gòu)增多,共軛度增大,提高了堆肥的穩(wěn)定度.

圖3 堆肥不同階段DOM同步掃描熒光光譜Fig.3 Synchronous-scan fluorescence spectra of DOM during composting

堆肥DOM的同步掃描熒光光譜如圖3所示,該光譜主要存在3個(gè)區(qū):A區(qū) (250～308nm)為類蛋白質(zhì)類物質(zhì)區(qū)(PLR),與蛋白質(zhì)類物質(zhì)和芳香性化合物的存在有關(guān)[27];B區(qū) (308～363nm)為富里酸類物質(zhì)區(qū)(FLR),與富里酸類物質(zhì)中帶3～4個(gè)苯環(huán)的多環(huán)芳香烴和帶2～3個(gè)共軛體系的不飽和脂肪結(jié)構(gòu)的存在有關(guān)[27-28];C區(qū) (363～595nm)為胡敏酸類物質(zhì)區(qū)(HLR),與胡敏酸類物質(zhì)中帶5～7個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳香烴的存在有關(guān)[28].本研究中,3個(gè)標(biāo)記為PLR、FLR和HLR的熒光區(qū)分別對應(yīng)于250～310nm、310～370nm和370～550nm范圍內(nèi)熒光積分面積占總面積的比例.經(jīng)過41d的堆肥(表2),PLF的值由0.331下降到0.252,而FLR的值由0.325增加到0.336,同時(shí)HLR的值由0.344增加到0.412.上述結(jié)果表明,堆肥過程是一個(gè)DOM組分中類蛋白質(zhì)類物質(zhì)降解和類富里酸類物質(zhì)及類胡敏酸類物質(zhì)增加的過程,這與Marhuenda-Egea等[29]的報(bào)道類似.

表2 堆肥不同階段DOM同步掃描熒光光譜的參數(shù)變化Table 2 The changes of the parameters from the synchronous-scan fluorescence spectra of DOM with different composting time

表3 堆肥DOM同步掃描熒光光譜的面積積分比值與其他參數(shù)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between the area integral ratio and the other parameters from the synchronous-scan fluorescence spectra of DOM from composed sample

由于DOM中不同組分在堆肥過程發(fā)生了不同變化,使得熒光峰發(fā)生紅移現(xiàn)象,可以用FLR面積與PLR面積、HLR面積與FLR面積的比值(AFLR/APLR和AHLR/AFLR)來表征堆肥過程中DOM的轉(zhuǎn)化過程,.通過SPSS 16.0進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3.AFLR/APLR與同步熒光光譜3個(gè)熒光峰強(qiáng)度存在顯著相關(guān)性,其中與284nm熒光峰強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(r =-0.905,P=0.035),與351和382nm熒光峰峰高呈顯著正相關(guān)(r=0.91,P=0.030;r=0.914,P=0.019).同時(shí)AFLR/ APLR與同步熒光光譜三個(gè)熒光峰峰面積存在顯著相關(guān)性,其中與APLR呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.980,P=0.003),與AFLR和AHLR呈顯著正相關(guān)(r=0.960,P=0.010; r=0.946,P=0.015).說明AFLRAPLR與DOM的組成變化有重要聯(lián)系,并且類蛋白物質(zhì)含量隨AFLR/APLR的增大而降低,類腐殖質(zhì)含量隨AFLR/APLR增大而上升.表2可知,本文中AFLR/APLR值總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢在堆肥的前26天從0.984上升至1.689,到堆肥的第41d又下降為1.333.顯示在堆肥前期類腐殖質(zhì)物質(zhì)逐漸形成使堆肥達(dá)到一定腐熟程度,堆肥后期由于堆肥環(huán)境使堆肥的穩(wěn)定度略有下降.AHLR/AFLR與兩個(gè)熒光峰光強(qiáng)的比值I351/I284和I382/I351存在顯著相關(guān)性,其中與I351/I284呈顯著負(fù)相關(guān)(r = -0.890,P=0.043),與I382/I351呈顯著正相關(guān)(r = 0.926,P=0.024).說明AHLR/AFLR與DOM的結(jié)構(gòu)變化有重要聯(lián)系,并且與腐殖質(zhì)芳香碳的數(shù)量變化成正比,進(jìn)一步表征堆肥腐熟度.表2可知,本文中AHLR/AFLR呈現(xiàn)出上升趨勢,從堆肥開始時(shí)的1.057上升至堆肥結(jié)束時(shí)的1.224.說明隨著堆肥的進(jìn)行腐殖質(zhì)芳香性結(jié)構(gòu)增多,堆肥趨于穩(wěn)定.

3 結(jié)論

3.1 堆肥中期14～21d,腐殖化反應(yīng)發(fā)生條件最適宜,發(fā)生轉(zhuǎn)化的木質(zhì)素等有機(jī)質(zhì)量最大,產(chǎn)生的類腐殖質(zhì)物質(zhì)最多,同時(shí)結(jié)構(gòu)上發(fā)生芳化和聚合等產(chǎn)生高級腐殖化的反應(yīng)最劇烈.

3.2 堆肥腐殖化過程中多支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)、聚亞甲基鏈以及脂肪族結(jié)構(gòu)中亞甲基逐漸減少,同時(shí)烷基鏈烴的結(jié)構(gòu)也隨著堆肥進(jìn)行含量降低.有機(jī)質(zhì)的某些分解產(chǎn)物,或微生物的某些合成產(chǎn)物,進(jìn)一步縮聚為復(fù)雜的腐殖質(zhì),由聚合度較低的小分子量有機(jī)物結(jié)合成為穩(wěn)定度較高的大分子量有機(jī)質(zhì).

3.3 牛糞堆肥不同階段DOM的波長差為30nm的同步熒光光譜中的AFLR/APLR與284、351、382nm處的峰強(qiáng)及峰面積APLR、AFLR和AHLR具有顯著的相關(guān)性,同時(shí)AHLR/AFLR與峰強(qiáng)比值I351/I284和I382/I351也具有顯著相關(guān)性.表明在堆肥過程中腐熟度評價(jià)可以參考AFLR/APLR和AHLR/ AFLR值.

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Spectrum analysis on the evolution of dissolved organic matter during cattle manure composting.

CUI Dong-yu1,2,HE Xiao-song1,2*, XI Bei-dou1,2, LI Dan1,2, CHEN Feng-xian3, PAN Hong-wei1,2, YUAN Ying1,2(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Innovation base of Ground Water and Environmental System Engineering, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China；3.Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2897～2904

UV-visible spectra,1H-nuclear magnetic resonance (NMR) and synchronous-scan fluorescence spectra were applied to investigate the structural characteristics and evolution of dissolved organic matter (DOM) from cattle manure during the process of composting. The result from UV-visible spectra showed that, SUVA254increased from 1.1614 at the initial stage to 2.543 at the curing stage, E465/E665exhibited an upward trend with a variation range of 2.333～3.500, and the integration area within the range of 260～280 (A1), 460～480 (A2) and 600～700 nm (A3) all increased first then decreased with the maximum values at 26,14 in 14d, respectively. The result from the1H-NMR analysis showed that, percentage of the integration area within the range of 0.5 ～ 3.1δ decreased from 43.06% to 8.63%, 3.1 ～ 5.5δ increased from 56.07% to 89.68%, and 5.5～10δ was below 6% with a insignificant variation tendency during composting. The analysis from synchronous-scan fluorescence spectra showed that, the integrated area ratio of protein-like substances (APLR) decreased from 0.331 to 0.252, that of fulvic-like acid matter (AFLR) increased from 0.325 to 0.336, while that of humic-like acid matter (AHLR) increased from 0.344 to 0.412 at the same time. The AFLR/APLRratio and the fluorescence intensities of three peaks from synchronous-scan spectra exhibited an obvious correlation. In addition, significant correlation also observed between AHLR/AFLRratio and I351/I284and I382/I351ratios. of DOM increased, the carbon structure In conclusion non-humic substances were transformed into humic matter during cattle manure composting, the aromaticitychains were oxidized, and the molecular weight of DOM increased, which increased the humification degree and stability of composts.

cow dung composting；dissolved organic matter；UV-visible absorption spectroscopy；1H-nuclear magnetic resonance；synchronous-scan fluorescence spectra

X703.5

A

1000-6923(2014)11-2897-08

崔東宇(1990-),男,黑龍江省齊齊哈爾人,中國環(huán)境科學(xué)研究院碩士研究生,主要從事固體廢物處理處置研究.發(fā)表論文1篇.

《中國環(huán)境科學(xué)》2012年度引證指標(biāo)

《中國環(huán)境科學(xué)》編輯部

2013-12-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51325804),中國博士后科學(xué)基金(2012M520349);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012GQ-14)

* 責(zé)任作者, 助理研究員, hexs82@126.com

根據(jù)《2013年版中國科技期刊引證報(bào)告(核心版)》,《中國環(huán)境科學(xué)》2012年度引證指標(biāo)繼續(xù)位居環(huán)境科學(xué)技術(shù)及資源科學(xué)技術(shù)類科技期刊前列,核心影響因子1.657,學(xué)科排名第1位,在被統(tǒng)計(jì)的1994種核心期刊中列第21位;綜合評價(jià)總分72.0,學(xué)科排名第3位.《中國科技期刊引證報(bào)告》每年由中國科學(xué)技術(shù)信息研究所編制,統(tǒng)計(jì)結(jié)果被科技管理部門和學(xué)術(shù)界廣泛采用.