韋思業(yè)，范行程，毛 翰，操 濤，程 澳，范行軍*，謝 越

1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510530 2.廣東省水與大氣污染防治重點實驗室，廣東 廣州 510530 3.安徽科技學院資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100 4.中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640 5.中國科學院大學，北京 100049

引 言

生物炭(BC)是由生物質(zhì)在缺氧或者無氧的環(huán)境下經(jīng)過裂解得到的高含碳量的固體物質(zhì)[1]。作為一種新穎的環(huán)境多功能材料，BC已被廣泛應用于土壤改良和土壤修復等領域[2]。生物炭施加至土壤中會釋放出大量的水溶性有機物(DOM)[3]，能夠引起土壤中DOM的含量和性質(zhì)發(fā)生改變[4]，同時對土壤有機和無機污染物的遷移轉化亦產(chǎn)生重要的作用[5]。例如，BC DOM能吸附和催化降解有機污染物，促進土壤中疏水性有機污染物的溶解度和流動性[6]；BC DOM能與重金屬發(fā)生強烈的絡合作用，顯著增加土壤中重金屬的移動性[5, 7]。

本研究以我國產(chǎn)量較大的兩類農(nóng)業(yè)廢棄物-稻稈(R)和豬糞(P)為生物質(zhì)原料，分別在300，400和500 ℃裂解溫度下制備得到生物炭。運用純水萃取-過濾得到BC DOM，聯(lián)合超濾技術分離出>5，1～5和<1 kDa三種分子量級組分。采用總有機碳分析儀、紫外-可見光光譜儀、三維熒光光譜-平行因子分析技術等對BC DOM及其分子量級組分的含量和光譜性質(zhì)進行系統(tǒng)觀測。本研究將有助于進一步了解BC DOM的分子量組成和結構特征，為準確評估BC DOM的環(huán)境行為提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

以稻稈和豬糞兩種生物質(zhì)作為制備生物炭的原料。稻稈采自廣東省正果鎮(zhèn)，豬糞采自四川省眉山市青神縣養(yǎng)殖場。將稻稈經(jīng)自來水洗凈、豬糞去除石塊等雜物后自然風干2 d，在75 ℃下烘干，用粉碎機粉碎，過50目篩后裝密封袋備用。采用限氧升溫炭化法制備生物炭樣品。具體步驟[1]為：稱取20 g備用生物質(zhì)于陶瓷坩堝，壓實蓋上蓋，并用錫箔紙包裹后在馬弗爐中熱解炭化。最高制備溫度分別為300，400和500 ℃，升溫速率為5 ℃·min-1，保留時間為4 h。自然冷卻至室溫后，將生物炭樣品取出，研磨，過100目篩后分別密封保存。稻稈和豬糞生物炭樣品分別標記為RX和PX(其中X代表炭化溫度300，400和500 ℃)。

1.2 DOM提取及超濾分級

根據(jù)預實驗選擇合適的固液比(W/V)對生物炭與超純水進行混合，放置于恒溫振蕩器中，在30 ℃，150 r·min-1條件下振蕩24 h。然后在4 000 r·min-1下離心15 min，上清液過0.22 μm水系濾膜，所得濾液即生物炭DOM[1, 3]。利用總有機碳分析儀對DOM中的溶解性有機碳(DOC)進行測定。

采用Millipore-8050型超濾杯對生物炭DOM進行分子量組分分級。超濾分級前，將DOM的DOC稀釋至20 mg·L-1左右以獲得較優(yōu)的分級效率。參考文獻[11]，具體分級步驟：量取40 mL DOM置于超濾杯中，首先通過5 kDa超濾膜，超濾濃縮因子設為8，分別收集膜上濃縮液和膜下濾液，并分別定容至40 mL。按照相同方法將上述濾液通過1 kDa，收集濃縮液和濾液。最終得到DOM的3種分子量級份，包括>5，1～5和<1 kDa組分。每種類型生物炭DOM重復3次分子量分級實驗。

1.3 儀器分析

采用島津UV2600紫外-可見光(UV-Vis)光譜儀對生物炭DOM的UV-vis光譜進行測定，掃描范圍為200～700 nm。選取α254表示DOM中發(fā)色團的相對含量[2, 9]，選取E2/E3表征DOM的相對分子質(zhì)量[2]，選取SUVA254(L·mg-1·m-1)表征DOM的芳香度[1, 4]，計算公式如式(1)—式(3)

α254=2.303A254/l

(1)

(2)

(3)

式(1)—式(3)中，α254是波長為254 nm處的吸收系數(shù)，Ai是波長為i時的吸收值，c為DOC濃度，l為光皿長度。

采用日立F4600型熒光光譜儀測定DOM的三維熒光光譜(EEM)。激發(fā)(Ex)和發(fā)射(Em)波長掃描范圍分別設為200～400和290～520 nm，掃描間隔均設置為5 nm，掃描速度為12 000 nm·min-1，PMT電壓為700 V。利用超純水作為空白對照，去除拉曼和瑞利散射對EEM譜圖解析的干擾。引入?yún)^(qū)域體積積分(FRI)對生物炭DOM的熒光特征進行定量分析。根據(jù)He等[13]研究成果，將DOM-EEM譜圖劃分成6個區(qū)域，即富里酸類(A，Ex 200～275 nm，Em 380～520 nm)、腐殖酸類(C，Ex 275～400 nm，Em 380～520 nm)、低激發(fā)色氨酸類(S，Ex 200～250 nm，Em 330～380 nm)、高激發(fā)色氨酸類(T，Ex 250～300 nm，Em 330～380 nm)、低激發(fā)酪氨酸類(D，Ex 200～250 nm，Em 280～330 nm)、高激發(fā)酪氨酸類(B，Ex 250～300 nm，Em 280～330 nm)。

觀測了3種熒光特征指數(shù)，包括熒光指數(shù)(FI)、腐殖化指數(shù)(HIX)和生物源指數(shù)(BIX)。計算公式[4, 8, 14]如式(4)—式(6)

(4)

(5)

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，使用Origin2019b和CorelDRAW2018進行圖形繪制。

2 結果與討論

2.1 生物炭DOM分子量分布特征

不同裂解溫度下稻稈和豬糞生物炭DOM中的分子量組分DOC的含量分布如圖1所示。由圖1可看出，裂解溫度在300～500 ℃之間時，稻稈和豬糞生物炭DOM中<1，1～5和>5 kDa組分的DOC含量分別為1.0～4.8和0.1～3.1，0.3～2.1和0.1～1.4，0.4～2.1和0.04～1.8 mg·g-1。隨著裂解溫度的升高，BC DOM的總DOC含量均呈現(xiàn)降低的趨勢，與前期研究結果[1]及其他生物炭研究文獻報道結果一致[2-3]。同時各級分子量DOM組分也表現(xiàn)為降低的趨勢，即隨著炭化程度的增加DOM分子量組分含量降低，表明高溫對BC DOM中各級分子量組分均有強烈的裂解作用[2]。由于不同原料性質(zhì)不同，隨著裂解溫度的增加，BC DOM分子量組分的含量降低程度也存在差異。由圖1可明顯看出，500 ℃下豬糞BC釋放出的DOM非常少，說明該溫度下豬糞BC炭化明顯，釋放的不穩(wěn)定有機組分非常低[1, 3]。

圖1 不同裂解溫度下生物炭DOM不同分子量組分DOC含量

為進一步觀測不同裂解溫度下BC DOM的分子量分布，本研究分別利用DOC和α254來表征DOM的有機碳和發(fā)色團含量，具體結果見圖2。以DOC計[圖2(a)]，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM的DOC在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為42%～60%，16%～23%和23%～29%。由此可見不同裂解溫度下BC DOM的DOC主要分布在小分子量組分(<1 kDa)中，說明裂解過程中主要生成了結構簡單的小分子DOM[1-2]。重要的是低分子量的DOM容易被微生物利用[2]，因此BC DOM施加至土壤中會成為重要的碳源。以α254計[圖2(b)]，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM的發(fā)色團在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為4%～27%，8%～9%和26%～81%。除P500以外，其余BC DOM中發(fā)色團主要分布在高分子量組分(>5 kDa)中，表明高分子量DOM主要以芳香族有機物組成為主[2, 9]。總的來說，裂解溫度對于稻稈BC DOM的分子量分布影響并不顯著；但是對于豬糞BC DOM的分子量分布影響較為明顯。由圖2(a，b)可看出500 ℃下豬糞BC DOM中1～5 kDa組分的DOC和α254百分比均有顯著增加，而>5 kDa組分均顯著減少，表明高度炭化的豬糞BC DOM以1～5 kDa組分組成為主。另一方面，綜合圖1和圖2可發(fā)現(xiàn)，BC用于土壤修復中會釋放出大量的低分子量DOC和高分子量發(fā)色團，但是隨著裂解溫度升高，釋放量減小。

圖2 生物炭DOM不同分子量組分的相對豐度比較

2.2 BC DOM分子量組分的UV-Vis光譜特征

不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM中分子量級組分基于DOC校正的的UV-Vis光譜如圖3(a—f)所示。BC DOM及其分子量組分的UV-Vis呈現(xiàn)出類似的光譜特征，其吸收值均隨波長的增加而逐漸降低，主要因為BC DOM中含有大量的不飽和共軛雙鍵和芳香族化學物[1]。這些特征與已報道的BC DOM的UV-Vis光譜特征相似[1, 8]。除P500以外，BC DOM中>5kDa比1～5和<1 kDa組分具有更強的光吸收特征，與α254結果一致，說明高分子量有機組分是BC DOM的主要吸光性物質(zhì)。P500分子量DOM的UV-Vis特征則表明高溫炭化后豬糞BC中DOM的發(fā)色團以中等分子量組成為主。

圖3 BC DOM分子量組分的特征UV-Vis光譜

不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM中分子量級組分的E2/E3和SUVA254分布特征如圖4(a,b)所示。E2/E3是表征DOM分子量大小的特征參數(shù)，E2/E3值越大表明DOM分子量越小[1]。由圖4(a)可看出，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC釋放出DOM的分子量組分的E2/E3大小均表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即高分子量(>5 kDa)<中分子量(1～5 kDa)<低分子量(<1 kDa)。結果表明E2/E3可有效指示BC DOM的分子量分布。值得注意的是300和400 ℃下稻稈和豬糞BC DOM的E2/E3值差異不明顯，但是均低于500 ℃下的BC DOM，與我們前期報道結果一致[1]。

圖4 BC DOM分子量組分的E2/E3(a)和SUVA254(b)分布

SUVA254指示DOM的芳香性和分子量大小，SUVA254值越大，表明芳香族結構越多，分子量越大[1, 9, 15]。稻稈和豬糞BC DOM的SUVA254值分布在1.94～3.13 L·mg-1·m-1之間，由圖4(b)可看出高溫(400和500 ℃)裂解BC釋放出的DOM比低溫具有更高的芳香度和分子量，與文獻報道結果一致[1]。在200～500 ℃制備得到的稻殼、木屑BC DOM也表現(xiàn)出類似的結果[14]。結果表明裂解溫度對于BC DOM的分子量大小和芳香化程度具有重要的影響[1]。就分子量組分而言，不同裂解溫度下BC釋放出分子量DOM的SUVA254值均表現(xiàn)出一致的趨勢，即高分子量(>5 kDa)>中分子量(1～5 kDa)>低分子量(<1 kDa)。該結果與E2/E3結果一致，間接表明SUVA254值可有效指示BC DOM中分子量組分的分布特征。值得注意的是，400和500 ℃裂解溫度下，稻稈和豬糞BC中高分子量DOM的SUVA254值均未表現(xiàn)出顯著的差異，但是均明顯高于300 ℃下BC DOM中高分子量組分(>5 kDa)。此外，中分子量(1～5 kDa)BC DOM也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這些結果表明高溫裂解BC釋放出的高分子量和中分子量DOM組分比低溫含有更多的芳香族結構。由圖4也可看出稻稈和豬糞BC DOM的分子量組分結構存在顯著的差異。不同裂解溫度下，稻稈BC DOM的高分子量(>5 kDa)組分SUVA254值均高于豬糞，表明稻稈BC釋放出的高分子量DOM具有更多的芳香族結構。然而，豬糞BC DOM的低分子量(<1 kDa)組分SUVA254值卻高于稻稈，表明豬糞BC釋放出的低分子量DOM比稻稈具有更高的芳香度?？傊?，不同裂解溫度和生物質(zhì)原料制備的BC釋放出分子量DOM的組成和結構具有顯著差異。

2.3 分子量BC DOM的EEM光譜特征

2.3.1 EEM光譜

EEM譜圖可有效反映BC DOM的熒光物質(zhì)組成特征[2, 8, 14]。以300 ℃稻稈和豬糞BC釋放DOM及其分子量組分的EEM光譜為例(圖5)。由圖5可看出，稻稈和豬糞BC DOM分子量組分的EEM光譜均類似于整體DOM。其他溫度條件下BC DOM及其分子量組分EEM均呈現(xiàn)出類似的特征。該結果表明BC DOM是一種分子量分散程度較高的連續(xù)體系，主要由不同“亞單位”結構通過弱結合力(如疏水作用、氫鍵、范德華力等)“自組裝”而成[15]，并非離散物質(zhì)體系。超濾分級并不能有效分離出DOM的“亞單位”結構，但是能揭示不同分子量的物質(zhì)組成和化學性質(zhì)。

圖5 典型BC DOM分子量組分的EEM光譜

通過FRI(熒光區(qū)域體積積分)進一步定量解析了不同類型DOM的組成特征[13]。通過計算發(fā)現(xiàn)，稻稈和豬糞BC DOM及其分子量組分中的A，C，S，T，D和B區(qū)域積分體積分別占總和的43%～54%，22%～35%，10%～17%，5%～10%，1%～4%和1%～2%。結果說明類腐殖質(zhì)(A和C)是BC DOM主要的物質(zhì)組成，而類蛋白質(zhì)中僅低激發(fā)色氨酸類(S)含量相對較高。該結果同前期報道的污泥、稻殼、木屑、濕地植物BC DOM的熒光物質(zhì)以類腐殖質(zhì)為主的組成特征一致[3, 14]。此外，該結果也顯示不同類別BC DOM及其分子量組分的同一類型的熒光組分相對含量差異不大，表明DOM與其分子量組分具有相似的物質(zhì)組成，再次證實BC DOM是一類連續(xù)的物質(zhì)體系[15]。另一方面，不同類型稻稈BC DOM的熒光物質(zhì)中>5 kDa組分的相對含量明顯高于豬糞BC DOM，表明稻稈BC DOM具有更為復雜的大分子結構，與SUVA254反映結果一致。

結合圖5和FRI定量解析結果可看出，富里酸類(A)、腐殖酸類(C)和低激發(fā)色氨酸類(S)是BC DOM的主要熒光物質(zhì)。利用FRI進一步定量觀測了BC DOM單一熒光組分中不同分子量組分所占百分比(圖6)。由圖6可看出，稻稈和豬糞BC DOM的熒光物質(zhì)(A，C和S)中>5，1～5和<1 kDa組分所占百分比分別為59%～70%和22%～28%，14%～30%和24%～40%，7%～31%和37%～48%。由此可知，稻稈BC DOM的各分子量級組分均以類富里酸組成為主，而豬糞BC DOM的各分子量級組分主要以低激發(fā)色氨酸熒光物質(zhì)組成為主。另一方面，裂解溫度對于BC DOM分子量組分中熒光物質(zhì)組成有重要影響。隨著裂解溫度的升高，稻稈BC DOM中>5和1～5 kDa的富里酸類和腐殖酸類組分均呈現(xiàn)一定的增長趨勢，而<1 kDa的低激發(fā)色氨酸類組分卻顯著降低。相比而言，豬糞BC DOM中>5和<1 kDa的富里酸類和低激發(fā)色氨酸類物質(zhì)含量隨裂解溫度的升高均呈現(xiàn)降低的趨勢，而1～5 kDa的腐殖質(zhì)類物質(zhì)含量卻不斷增加。結果表明，BC DOM中1～5 kDa的熒光物質(zhì)組分的穩(wěn)定性相對較強，而<1 kDa的熒光物質(zhì)組分穩(wěn)定性最弱。

圖6 不同BC DOM中熒光物質(zhì)的分子量分布特征

2.3.2 FI, BIX和HIX

表1顯示不同類型BC DOM的分子量級組分的熒光特征參數(shù)(FI，BIX和HIX)。FI，BIX和HIX可有效指示DOM的芳香度及腐殖化程度[8, 14]。一般，F(xiàn)I<1.4或BIX<0.6或HIX>10時，表明DOM芳香度和腐殖化程度高；當FI>1.7或BIX>1或HIX<4時，表明DOM芳香度和腐殖化程度較低[2, 12]。由表1可知，不同類型BC DOM及其分子量組分的FI，BIX和HIX值分別在1.71～3.67，0.63～1.57和2.52～12.50，表明BC DOM主要以較低芳香度和較低腐殖化程度的有機質(zhì)組成。除P500以外，稻稈BC DOM及其分子量組分比豬糞BC具有更低的FI和BIX值和更高的HIX值，表明低裂解溫度下制備稻稈BC釋放出的DOM比豬糞BC具有較高的芳香度和腐殖化程度。另一方面，不同類型BC DOM中分子量組分的熒光特征參數(shù)呈現(xiàn)出一定的分布趨勢。其中，F(xiàn)I和BIX基本呈現(xiàn)為低分子量(<1 kDa)>中分子量(1～5 kDa)>高分子量(>5 kDa)分布趨勢，而HIX值呈現(xiàn)出明顯的低分子量(<1 kDa)<中分子量(1～5 kDa)<高分子量(>5 kDa)分布趨勢。這些結果再次證實高分子量組分富集了較多的具有高芳香性和高腐殖化程度的有機組分，其化學結構較為復雜。

表1 BC DOM分子量級組分的FI，BIX和HIX

3 結 論

(1)利用超濾將BC DOM分離為<1，1～5和>5 kDa組分。以DOC計，300～500 ℃裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為42%～60%，16%～23%和23%～29%；以α254計，分布范圍分別為4%～27%，8%～49%和26%～81%。結果表明BC DOM的DOC主要分布在<1 kDa組分，而發(fā)色物質(zhì)主要分布在>5 kDa組分。

(2)E2/E3和SUVA254能有效指示BC DOM的分子量組分的分布規(guī)律。400和500 ℃下BC DOM中>5和1～5 kDa組分的分子量和芳香度要明顯高于300 ℃。稻稈BC DOM中>5 kDa組分比豬糞BC DOM中>5 kDa組分具有更多的芳香族結構，而豬糞BC DOM中<1 kDa組分的芳香度卻高于稻稈。

(3)EEM結果顯示BC DOM中各級分子量組分具有相似的光譜特征，表明BC DOM是一種連續(xù)體系。就熒光物質(zhì)組成而言，稻稈BC DOM的分子量級組分均以類富里酸組成為主，而豬糞BC DOM的分子量級組分則以低激發(fā)色氨酸熒光物質(zhì)組成為主。熒光參數(shù)對比結果顯示BC DOM中<1，1～5和>5 kDa組分的FI和BIX基本呈現(xiàn)依次降低趨勢，而HIX值則呈現(xiàn)出依次升高的趨勢，結果表明BC DOM中高分子量組分富集了較多的具有高芳香性和高腐殖化程度的有機組分。