唐朱睿 黃彩紅 檀文炳 何小松 張 慧 李 丹 席北斗*,4

1(桂林理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院， 桂林 541006) 2(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院地下水與環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)新基地， 北京 100012) 3(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012) 4(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 蘭州 730070)

1 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)居民生活水平的提高，肉制品需求日益增大，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖有機(jī)廢棄物的回收利用已成了當(dāng)前備受關(guān)注的問(wèn)題[1]。豬糞中含有的大量有機(jī)質(zhì)，含氮量較高，且易被微生物利用，是一種優(yōu)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)源，但若處置不當(dāng)可能會(huì)造成諸多的環(huán)境問(wèn)題，甚至?xí)廴舅w[2]。堆肥是一種將有機(jī)廢物再利用的有效方法，被廣泛用于處理畜禽糞便，在消除污染的同時(shí)生產(chǎn)出有價(jià)值的堆肥產(chǎn)品。

由于堆肥過(guò)程中大部分生化反應(yīng)發(fā)生在固-液交界面，因此水溶性有機(jī)物(Dissolved oganic mtter, DOM)是堆肥有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分，所以DOM變化可以反映堆肥有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程和堆肥穩(wěn)定性[3]。堆肥DOM的結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜，不僅含有低分子量的游離態(tài)氨基酸、糖類等物質(zhì)，還含有各種大分子量組分，如酶、多酚、腐殖酸和其它化合物，因此很難確定DOM具體的化學(xué)結(jié)構(gòu)[4,5]。DOM的組成元素主要有C、H、O、N和S，DOM的不同組分中各個(gè)元素含量差異顯著[4]。此外，DOM中也含有大量具有電子轉(zhuǎn)移能力的高活性位點(diǎn)官能團(tuán)，如酚基、羥基、羧基、硫醇和酰胺類等基團(tuán)，因此具有氧化還原能力[5～7]。

厭氧條件下，DOM的氧化還原能力使其可作為電子穿梭體，促進(jìn)電子在電子供體(微生物、硫化氫等)和電子受體(鐵礦物、污染物)之間傳遞。首先DOM可作為電子受體接受從微生物自身代謝傳遞出的電子，同時(shí)還原后的DOM又可作為電子供體，將電子傳遞給受體污染物，降低污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。有研究表明，DOM既可為電子穿梭體促進(jìn)Cr和Fe的還原，又可強(qiáng)化微生物降解硝基苯[8～11]。因此研究豬糞堆肥過(guò)程中DOM結(jié)構(gòu)和成分變化對(duì)電子轉(zhuǎn)移能力的影響，進(jìn)而了解堆肥過(guò)程自身的穩(wěn)定化、無(wú)害化過(guò)程，同時(shí)也為調(diào)控生產(chǎn)出具有良好環(huán)境效應(yīng)的堆肥產(chǎn)品提供科學(xué)支撐。然而，目前對(duì)豬糞堆肥過(guò)程中DOM電子轉(zhuǎn)移能力的演變規(guī)律報(bào)道較少。

本研究通過(guò)電化學(xué)分析方法，添加不同介導(dǎo)劑測(cè)定DOM的電子供給能力(Electron donating capacities, EDCs)和電子接受能力(Electron accepting capacities, EACs)， 再利用三維熒光光譜表征堆肥DOM的組分演變規(guī)律，在之前的研究基礎(chǔ)上[5]增加DOM元素分析和紅外光譜測(cè)定，分別探究DOM的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的變化，以期探討豬糞堆肥過(guò)程中DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)和組分變化對(duì)其電子轉(zhuǎn)移能力演變的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI-660e型電化學(xué)工作站(上海辰華公司)，所有實(shí)驗(yàn)電極均購(gòu)自上海辰華公司; TENSOR II傅里葉紅外光譜儀(德國(guó)布魯克公司); Hitachi F-7000 型熒光光譜儀(日本日立公司); VARIO EL cube型元素分析儀(德國(guó)Elementar 公司); Analytik Jena Multi N/C 2100 型TOC 分析儀(德國(guó)耶拿公司)。

KBr(光譜純)、NaH2PO4(分析純)、Na2HPO4(分析純))和KCl(優(yōu)級(jí)純)均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)集團(tuán)有限公司; ABTS(2,2'-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺胺)二銨鹽)(純度>98%，東京化成工業(yè)株式會(huì)社); DQ(敵草快農(nóng)藥)(純度>99.9%，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院); 實(shí)驗(yàn)用水通過(guò)美國(guó)Millipore公司Milli-Q型超純水機(jī)處理。直徑25 mm 孔徑0.45 μm濾膜(天津津騰公司); 0.05 μm氧化鋁拋光粉(上海楚兮實(shí)業(yè)有限公司)。

2.2 樣品采集與DOM提取

豬糞堆肥樣品采集自西北農(nóng)林科技大學(xué)，堆肥原始物料是豬糞和秸稈按照2∶1的比例混合，采用反應(yīng)器強(qiáng)制通風(fēng)堆肥，反應(yīng)器中堆體總質(zhì)量約100 kg。在堆肥的第1、4、8、15、22、29、36、43天共采集8個(gè)階段的堆肥樣品。采得樣品經(jīng)冷凍運(yùn)輸至北京，于-20℃封存。

DOM的提取按照參考文獻(xiàn)[12]的方法，首先用冷凍干燥機(jī)，在-54℃冷凍干燥48 h，以去除堆肥樣品中水分。將干燥后的樣品經(jīng)研缽研磨后過(guò)100目篩，得到樣品粉末。將超純水與樣品粉末按照10 mL∶1 g比例混勻后，在振蕩器中按照250 r/min的速率振蕩24 h，得到的混合液經(jīng)11000 r/min冷凍離心10 min，上清液過(guò)0.45 μm濾膜，得到豬糞堆肥樣品DOM母液。DOM母液用超純水稀釋100倍，用TOC分析儀測(cè)定DOM中溶解性有機(jī)碳濃度(Dissolved organic carbon, DOC)，并計(jì)算出DOM母液的DOC濃度。

2.3 DOM電子轉(zhuǎn)移能力測(cè)定

堆肥樣品DOM的電子轉(zhuǎn)移能力采用電化學(xué)工作站測(cè)定(圖1)，參考文獻(xiàn)[8,13]的方法，采用三電極體系作為電化學(xué)反應(yīng)體系，其中Ag/AgCl電極作為參比電極，鉑絲電極作為對(duì)電極，工作電極采用直徑3 mm玻璃碳電極，測(cè)定堆肥DOM的EDC和EAC，所設(shè)定的氧化還原電位分別為0.61 V和-0.49 V，添加的介導(dǎo)劑分別為ABTS和DQ。測(cè)定時(shí)先加入2.5 mL磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.0)和2.5 mL 0.2 mol/L KCl，再通氮?dú)? min以排空氧氣，同時(shí)在拋光絨布上加入氧化鋁粉末并用超純水潤(rùn)濕，將工作電極豎直放于拋光絨布上，研磨底部5 min，去除其氧化薄膜。電極經(jīng)研磨后先放入超純水超聲振動(dòng)30 s，再浸入甲醇中超聲振動(dòng)30 s，之后將各個(gè)電極與電化學(xué)工作站的電線連結(jié)，選擇“Amperometrici-tcurve parameters”模式，工作電壓設(shè)置為0.61/-0.49 V，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為4000 s，開始電化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在反應(yīng)穩(wěn)定后加入介導(dǎo)劑(ABTS濃度為4 g/L; DQ濃度為2 g/L)，反應(yīng)穩(wěn)定后再加入堆肥DOM樣品，使反應(yīng)液DOC濃度保持為50 mg/L。DOM電子轉(zhuǎn)移能力的計(jì)算采用下列公式：

(1)

其中EAC和EDC單位是μmol e-/(g C)，Ap是DOM氧化曲線積分庫(kù)侖或DOM還原曲線積分庫(kù)侖，單位是庫(kù)侖(C)。NA是阿伏加德羅常數(shù)6.02×1023mol-1， e是單位電子的電荷量1.6×10-19C，MC是反應(yīng)體系中碳的含量3.5×10-4g。堆肥樣品DOM的電子轉(zhuǎn)移能力(Electron transfer capability, ETC)為EDC與EAC之和。

圖1 (A)電化學(xué)工作模型; (B)ABTS和DQ介導(dǎo)DOM氧化還原; (C)電化學(xué)工作站測(cè)試圖Fig.1 (A) Eletrochemical workstation model; (B) Redox reaction of 2, 2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS)/ Diquat dibro-mide monohydrate (DQ) with dissolved oganic mtter (DOM); (C) Interface of eletrochemical workstation

2.4 DOM三維熒光測(cè)定

三維熒光激發(fā)-發(fā)射(Excitation-emission matrix, EEM)光譜采用熒光光度計(jì)測(cè)定。激發(fā)光源150-W 氙弧燈; PMT電壓：700 V; 信噪比>110; 激發(fā)波長(zhǎng)(λex)掃描范圍：200～450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(λem)掃描范圍：280～550 nm; 狹縫寬帶： 5 nm; 掃描速度2400 nm/min; 響應(yīng)時(shí)間：自動(dòng)。掃描DOM樣品時(shí)用超純水稀釋樣品，使DOC濃度調(diào)節(jié)至5 mg/L，同時(shí)以純水作為空白對(duì)照。

將豬糞堆肥DOM的EEM譜圖轉(zhuǎn)為三維數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行平行因子分析[14](8個(gè)樣品×50 Ex×55 Em)。平行因子分析采用MATLAB7.11(Mathworks, Natick, MA)中DOMFluor工具包(www.models.life.ku.dk)將三維數(shù)據(jù)矩陣分解為組分值、Ex負(fù)荷與Em負(fù)荷，并計(jì)算各個(gè)組分的百分比。

2.5 DOM傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrum, FTIR)測(cè)定

DOM母液經(jīng)-54℃冷凍干燥后得到DOM固體粉末，將DOM固體粉末與KBr 固體按照質(zhì)量比1∶100～5∶100的比例混勻。在紅外燈下用瑪瑙研缽研磨樣品并混勻，在100 MPa的壓強(qiáng)下壓制成均勻、透明玻片放入傅里葉紅外光譜儀測(cè)定。掃描范圍為4000～450 cm-1，掃描次數(shù)14次。

2.6 DOM元素分析

DOM母液經(jīng)-54℃冷凍干燥后得到DOM固體粉末，再用元素分析儀測(cè)定DOM的C、N、H和S的含量。O含量則按照以下公式計(jì)算[15]：

[O](%)=[1-[S]+[H]+[C]+[N]]×100

(2)

3 結(jié)果與討論

3.1 DOM電子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移能力的演變

豬糞堆肥樣品DOM電子轉(zhuǎn)移能力包括電子供給能力和電子接受能力， DOM的電子轉(zhuǎn)移能力如圖2所示，從堆肥初期至堆肥末期，堆肥樣品EDC增大，EAC略微減小，其中EDC從堆肥初期的16.850 μmol e-/(g C)增至末期的22.077 μmol e-/(g C)，增幅為131.0%。EAC從堆肥初期的1.866 μmol e-/(g C)降至末期的1.779 μmol e-/(g C)，降幅為4.6%。雖然整體上堆肥DOM的EDC增大， EAC減小，但在堆肥的前期(1～8 d)、中期(15～22 d)和后期(29～43 d)3個(gè)階段兩者變化趨勢(shì)一致。在堆肥前期(第1～8 d)，EDC與EAC均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，堆肥DOM電子轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)。在堆肥中期(第8～22 d)，EDC和EAC均先增大后減小，EAC波動(dòng)幅度要大于EDC波動(dòng)幅度。在堆肥后期(第22～43 d)，兩者均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但EDC增幅大于EAC增幅，說(shuō)明在堆肥后期DOM的EDC迅速增長(zhǎng)，而EAC增長(zhǎng)較慢。堆肥DOM的ETC與EDC變化一致，這是因?yàn)樵诙逊蔬^(guò)程中EDC的數(shù)值比EAC高約10倍，ETC的數(shù)值主要受EDC數(shù)值影響。

圖2 堆肥DOM各階段的電子轉(zhuǎn)移能力圖：(A)電子供給能力和電子接受能力;(B)電子轉(zhuǎn)移能力詳圖Fig.2 Electron transfer capacitiy (ETCs) of different stages compost-derived DOM: (A) Electron donating capacity (EDCs) and electron accepting capacity (EACs); (B) Electron transfer capacity (ETCs) clear figure

3.2 DOM元素含量的演變

堆肥樣品DOM的C、N、H、S和O含量如表1所示，在堆肥過(guò)程中C、N和H含量均下降，而S和O含量增加。其中C降幅最大，從堆肥初期的31.57%降至末期的18.56%;其次是N含量，從堆肥第1 d的6.72%降至第43 d的4.28%; H含量的降幅最小，從堆肥初期的4.61%降至末期的3.24%，而S則從0.39%增加至末期的1.57%，O含量增幅明顯從堆肥初期的56.71%增至末期的72.35%。除各元素含量變化外，N、H、S與C的原子比也能反映出DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)變化[16]。由表1可見，N/C、H/C和S/C從堆肥初期至末期均增大，其中N/C和H/C原子比增加較緩，分別增加了8%和19%; S/C原子比增幅較大，增加了約6.9倍。

堆肥的前期、中期和后期3個(gè)階段，每個(gè)階段元素變化趨勢(shì)不同，在堆肥前8天DOM的N和H含量迅速下降，H含量在堆肥第8 d時(shí)降至3.17%，C含量降低速率相對(duì)較為緩慢，而S和O含量上升速率相對(duì)較快，N/C、H/C、S/C原子比變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)的元素含量變化一致，說(shuō)明在堆肥前期，蛋白類物質(zhì)和其它含氮有機(jī)質(zhì)被迅速降解，而一些含硫有機(jī)質(zhì)的降解速率較慢。在堆肥中期，N和C含量持續(xù)降低，但N含量降幅減緩，同時(shí)N/C原子比略微上升，S含量變化有波動(dòng)，S/C原子比首次降低后升高，而H含量增加，H/C原子比增幅明顯。由此可知，在堆肥中期堆體內(nèi)反應(yīng)劇烈，含N、S有機(jī)質(zhì)均活躍參與堆體內(nèi)的生化反應(yīng)，而含氮有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化速率慢于含硫有機(jī)物。堆肥末期C含量迅速降低，H含量略降低，S含量則呈增加趨勢(shì)，S/C原子比迅速增加。N含量在末期反而變化劇烈，N/C原子比的波動(dòng)幅度較大。O含量緩慢升高， 同時(shí)在堆肥第43d 達(dá)到最高值，這表明在堆肥后期含硫有機(jī)質(zhì)降解速率較慢。

表1 堆肥樣品元素組成分析

Table 1 Elemental analysis of compost-derived DOM

Name元素組成Element(%)NCHSO原子比AtomicratioN/CH/CS/C1d6．7231．574．610．3956．710．18251．75380．00464d6．1830．654．470．7257．980．17281．74970．00888d5．3527．983．171．0462．470．16391．35740．013915d5．2326．623．840．7663．550．16841．73150．010722d4．8425．623．900．9764．670．16191．82760．014229d3．8924．243．300．9867．590．13761．63510．015236d5．5920．383．201．2369．600．23511．88540．022643d4．2818．563．241．5772．350．19772．09220．0317

3.3 基于熒光光譜的DOM化學(xué)組分演變

圖3 三維熒光平行因子解析出各個(gè)組分： (A)組分1峰位圖; (B)組分1的峰值圖; (C)組分2峰位圖; (D)組分2的峰值圖; (E)組分3峰位圖; (F)組分3峰位圖Fig.3 Three dimensional fluorescence components identified by parallel factor analysis and their loadings: (A) peak position of component 1; (B) peak value of component 1; (C) peak position of component 2; (D) peak value of component 2; (E) peak position of component 3; (F) peak value of component 3

圖4 不同堆肥階段HA的組分百分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Percentage of component change of HA in different composting stages

堆肥是有機(jī)質(zhì)降解和腐殖化的過(guò)程，DOM作為堆肥有機(jī)質(zhì)中最活躍部分，其有機(jī)組分在堆肥過(guò)程中變化劇烈，而三維熒光光譜能揭示堆肥過(guò)程中DOM有機(jī)組分的變化。本研究采用平行因子分析的方法解析DOM三維熒光光譜，以清晰展示堆肥過(guò)程中DOM有機(jī)組分的演變。如圖3所示，平行因子分析將DOM有機(jī)組分劃分為3個(gè)組分，分別是組分1、組分2和組分3。組分1出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰(λex=225, 275 nm,λem=335 nm)，這兩個(gè)峰的出現(xiàn)是由于堆體中出現(xiàn)類蛋白物質(zhì)，這些類蛋白物質(zhì)與堆肥中微生物殘?bào)w及其代謝產(chǎn)物有關(guān)聯(lián)[1]。組分2也呈現(xiàn)一強(qiáng)一弱的雙峰(λex=240, 320 nm,λem=420 nm)，這兩個(gè)峰是由于堆肥有機(jī)質(zhì)中類腐殖質(zhì)組分的貢獻(xiàn)[17]。類腐殖質(zhì)物質(zhì)是堆肥有機(jī)質(zhì)中相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)組分，其含量與堆肥穩(wěn)定程度有密切聯(lián)系。組分3所在的區(qū)域(λex=200 nm,λem=300 nm)是堆肥源生類蛋白物質(zhì)[17]，在堆肥物料中，豬糞是一種含有大量粗蛋白的原料，其中的粗蛋白也是堆肥過(guò)程可轉(zhuǎn)化利用的重要有機(jī)組分。

堆肥過(guò)程中DOM的3個(gè)有機(jī)組分含量變化如圖4所示，在堆肥過(guò)程中組分1的含量一直高于組分2和組分3。在堆肥的前中期，組分1的含量一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在第22天出現(xiàn)最大值68.02%，隨后組分1含量開始略微下降。組分1含量的變化與微生物活動(dòng)密切相關(guān)，在堆肥前中期堆體中富含易被微生物降解利用的小分子有機(jī)質(zhì)，因此微生物活性較強(qiáng)。而組分1和微生物代謝產(chǎn)物及其殘?bào)w有關(guān)，在堆肥前中期微生物為實(shí)現(xiàn)自身的增殖生長(zhǎng)，其代謝產(chǎn)物也逐漸增加。在堆肥后期組分1含量的降低，表明堆肥中微生物活性不及前中期活躍。組分2含量在堆肥過(guò)程中一直增加，表明在DOM中類腐殖質(zhì)物質(zhì)含量隨著堆肥進(jìn)行而逐漸增加。而組分3的變化趨勢(shì)與組分2相反，其含量隨著堆肥進(jìn)行而逐漸降低，這意味著DOM中堆肥源生類蛋白物質(zhì)隨著堆肥的進(jìn)行在逐漸減少。而相關(guān)性分析(圖5)結(jié)果表明類蛋白物質(zhì)和類腐殖質(zhì)物質(zhì)變化對(duì)DOM的ETC有顯著影響。

圖5 相關(guān)性分析：(A)電子轉(zhuǎn)移能力與N/C原子比相關(guān)性;(B)電子轉(zhuǎn)移能力與S/C原子比相關(guān)性;(C)電子轉(zhuǎn)移能力與H/C原子比相關(guān)性;(D)電子轉(zhuǎn)移能力與組分1相關(guān)性;(E)電子轉(zhuǎn)移能力與組分2相關(guān)性;(F)電子轉(zhuǎn)移能力與組分3相關(guān)性Fig.5 Index correlation analysis:(A)correlation between electron transfer capacitiy and N/C ratio;(B) correlation between electron transfer capacitiy and S/C ratio;(C) correlation between electron transfer capacitiy and H/C ratio;(D) correlation between electron transfer capacitiy and componet 1;(E) correlation between electron transfer capacitiy and componet 2; (F) correlation between electron transfer capacitiy and componet 3

3.4 基于紅外光譜的DOM官能團(tuán)演變

圖6 堆肥不同階段DOM的紅外光譜和典型峰值Fig.6 Fourier transform infrared (FTIR) spectra of composting DOM

3.5 DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)演變機(jī)制

平行因子分析結(jié)果(圖4)表明，堆肥過(guò)程中源生類蛋白物質(zhì)隨著堆肥進(jìn)行而逐漸減少。在堆肥前期，源生類蛋白物質(zhì)含量迅速下降，微生物代謝產(chǎn)物及其殘?bào)w類物質(zhì)逐漸增多，類腐殖質(zhì)物質(zhì)含量增長(zhǎng)不明顯。同時(shí)， 元素分析結(jié)果表明， 在前期含氮有機(jī)物逐漸減少。這是因?yàn)樨i糞作為堆肥原料，其中含有豐富的粗蛋白物質(zhì)，所以堆肥初期源生類蛋白物質(zhì)含量高。微生物利用這些類蛋白物質(zhì)促進(jìn)自身繁殖，因此DOM中微生物代謝及其殘?bào)w類物質(zhì)增多，而源生類蛋白物質(zhì)減少。在堆肥初期主要是小分子有機(jī)物如糖類、蛋白類、脂類等快速降解，并不產(chǎn)生腐殖質(zhì)，因此類腐殖質(zhì)物質(zhì)的含量變化不明顯。在堆肥中期，源生類蛋白物質(zhì)含量降低了約1倍，而微生物代謝產(chǎn)物及其殘?bào)w物質(zhì)在第22 d之前一直增加，至22 d后開始減少。這可能是在堆肥中期堆體中類蛋白物質(zhì)減少，這些容易被微生物利用的類蛋白物質(zhì)減少使得微生物的增殖速率減慢。同時(shí)微生物殘?bào)w也會(huì)被微生物利用，導(dǎo)致在22 d后微生物代謝產(chǎn)物及其殘?bào)w物質(zhì)含量減少。類腐殖質(zhì)物質(zhì)含量在堆肥中期變化幅度較小，總體呈增加趨勢(shì)，比堆肥前期增加了約1倍。相對(duì)前期而言，DOM的腐殖質(zhì)化反應(yīng)已經(jīng)逐漸增強(qiáng)。元素分析結(jié)果表明堆肥含氮有機(jī)物減少，這也佐證了類蛋白物質(zhì)減少的現(xiàn)象。與堆肥前期不同，堆肥中期類蛋白物質(zhì)含量少，降幅較小，同時(shí)微生物代謝產(chǎn)物及殘?bào)w類物質(zhì)在增加至最大值后開始下降。在堆肥后期，類蛋白物質(zhì)含量進(jìn)一步降低，而類腐殖質(zhì)物質(zhì)含量明顯升高，微生物代謝產(chǎn)物及殘?bào)w物質(zhì)則持續(xù)略微降低。這一階段堆肥中能被微生物利用的有機(jī)質(zhì)減少，堆體溫度降低，堆體進(jìn)入腐熟階段。

3.6 DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)ETC的影響

堆肥DOM之所以具有電子轉(zhuǎn)移能力主要?dú)w因于其化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含大量具有氧化還原能力的官能團(tuán)。Scott等[23]通過(guò)電子自旋共振波譜分析直接證明了醌基團(tuán)是接受電子的主要官能團(tuán)。核磁共振和熱解氣相色譜-質(zhì)譜法也指出醌基團(tuán)是重要的氧化還原功能基團(tuán)[24,25]。酚類物質(zhì)含量與電子供給量之間呈現(xiàn)強(qiáng)線性相關(guān)[26,27]， 說(shuō)明酚基團(tuán)可能是電子供給能力的主要貢獻(xiàn)者。而醌基團(tuán)和酚基團(tuán)都屬于芳香族化合物，因此芳香碳含量與DOM的ETC可能存在關(guān)聯(lián)。此外，一些含S、N有機(jī)物也是電子轉(zhuǎn)移能力的貢獻(xiàn)者。

4 結(jié) 論

堆肥DOM的EDC總體比EAC高約10倍，在堆肥過(guò)程中ETC呈增大趨勢(shì)。紅外光譜顯示堆肥過(guò)程中DOM的羥基和羧基等官能團(tuán)對(duì)ETC沒(méi)有明顯的貢獻(xiàn)。元素分析結(jié)果說(shuō)明DOM中的含硫基團(tuán)對(duì)ETC增加有貢獻(xiàn)，而含氮物質(zhì)中蛋白類物質(zhì)含量較高，因此不能體現(xiàn)含氮基團(tuán)對(duì)電子轉(zhuǎn)移能力的貢獻(xiàn)。三維熒光分析結(jié)果表明，在堆肥過(guò)程中類蛋白組分減少，類腐殖質(zhì)組分增多。類腐殖質(zhì)組分芳香性高，其中含有大量具有電子轉(zhuǎn)移能力的酚基團(tuán)和醌基團(tuán)，因此類腐殖質(zhì)組分增多會(huì)促進(jìn)ETC增強(qiáng)。

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