堆放垃圾渗滤液水溶性有机物的荧光特性

何小松,席北斗,魏自民,李鸣晓,3,苏 婧,耿春茂,王 威,胡春明 (.东北农业大学生命科学学院,黑龙江 哈尔滨 50030；.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室,北京 000；3.东北农业大学农学院,黑龙江 哈尔滨 50030)

堆放垃圾渗滤液水溶性有机物的荧光特性

何小松1,2,席北斗2,魏自民1*,李鸣晓2,3,苏 婧2,耿春茂1,2,王 威1,胡春明1,2(1.东北农业大学生命科学学院,黑龙江 哈尔滨 150030；2.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室,北京 100012；3.东北农业大学农学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

为揭示堆放垃圾渗滤液物质组成特性及其变化规律,采用三维荧光光谱,对 4个不同垃圾堆场渗滤液水溶性有机物(DOM)进行了研究.结果显示,堆放垃圾渗滤液样品S1中含有2类蛋白荧光峰:类酪氨酸荧光峰和类色氨酸荧光峰,其他3个样品(S2、S3及S4)只含有类色氨酸荧光峰,此外还出现了类腐殖质荧光峰,且不同样品中该峰的数目、类型及位置均存在差异,显示渗滤液样品 S1只含有类蛋白类物质,而其他3个样品除此之外还含有类腐殖质物质,且腐殖化程度各异.类蛋白类物质-Hg(II)配位研究显示,与类色氨酸荧光峰相比,类酪氨酸荧光峰更易受介质微环境改变影响;室温培养模拟研究显示,与类腐殖质物质相比,类蛋白类物质更易发生降解.三维荧光光谱可以有效表征堆场渗滤液DOM物质组成及其变化规律.

堆放垃圾；渗滤液；水溶性有机物；三维荧光光谱

由于经济、技术等原因,我国有相当一部分城镇生活垃圾露天堆放处理.据朱青山等[1]的调查显示,在三峡工程淹没区,堆放垃圾总量已达330万t,分布在140多个堆放点.李霖滨等[2]的统计表明,截止2005年底,我国非卫生填埋及堆放处理垃圾量已达60亿t.垃圾堆放不仅占据大量土地,而且产生大量的渗滤液.垃圾渗滤液中含有多种污染成分,水溶性有机物(DOM)是其中很重要的一类污染物,其含量占渗滤液总有机碳的80%以上[3].因此,对渗滤液DOM物质组成的研究,可以有效表征不同垃圾堆场的物质组成及污染特性,为堆放垃圾的管理及渗滤液处理提供借鉴.

渗滤液DOM组成复杂,含有挥发性有机酸、多聚糖、腐殖质等多种有机成分,目前对渗滤液DOM 物质组成特性的分析,应用较多的有GC-MS联用、红外光谱和核磁共振等技术[4-7]. GC-MS联用可确定渗滤液DOM物质种类,红外光谱法可以辨别化合物的特征官能团,核磁共振法可提供有机分子骨架的信息,敏感地反映碳核所处化学环境的细微差别.不足的是,采用上述技术研究渗滤液 DOM时,样品前处理复杂,不利于连续快速分析.荧光光谱是基于分析物质中含有大量带有各种低能量 π-π*跃迁的芳香结构或共轭生色团以及未饱和脂肪链分析有机物的,它具有样品前处理简单、分析快捷(约1min)、灵敏度高(10-9数量级)、用量少(1～2mL)和不破坏样品结构等优点[8],自从1949年Kalle开创性地将其应用于有机质结构特征研究后,荧光光谱便广泛应用于不同来源DOM物质组成特性的分析[9-12].三维荧光光谱能够获得激发波长和发射波长同时改变的光谱信息,反映出化合物完整的荧光信息,可以将DOM中各种类型的荧光物质一一地表征出来,如类蛋白类物质、类腐殖质物质.本研究以 4个不同堆放垃圾渗滤液DOM为研究对象,分析了其三维荧光光谱特性及其变化规律,以期为堆放垃圾的管理及环境风险评价提供依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

供试渗滤液于2007年6月取自4个不同的垃圾堆放地,分别编号为S1、S2、S3及S4. S1取自某小区临时垃圾堆存点,基本上为新鲜生活垃圾所产生;S2、S3分别取自2个不同的街道角落堆存垃圾,由混合在一起的新旧垃圾共同产生;S4取自一废弃的垃圾堆场,为陈腐垃圾所产生.样品采集后,于12000r/min离心20min,并将上清液过 0.45μm的滤膜,滤液中有机物即为渗滤液DOM.

1.2 类蛋白物质-Hg(II)配位反应实验

为了分析类蛋白物质与 Hg(II)的配位作用,取7个50mL的锥形瓶,每个瓶中均加入样品S1溶液 20mL,然后分别滴加浓度为 0.01mol/L或0.001mol/L的Hg(NO3)2溶液,使7个锥形瓶中的Hg(II)浓度依次为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6μmol/L,使用2种浓度(0.1mol/L和0.01mol/L)的HClO4和NaOH溶液调各样品pH8.0±05,加入的酸碱试剂总量不超过 100μmol,忽略浓度稀释效应,在恒温震荡器中30℃、180r/min避光震荡24h,相同温度下再避光静止4h,待反应平衡后,进行光谱测定[13].

1.3 水溶性有机物恒温培养实验

将所采集的渗滤液样品S3置于30℃恒温培养箱培养30d,然后进行荧光测试.

1.4 荧光光谱测定

荧光光谱测定采用仪器为Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B.该仪器的主要性能参数如下,激发光源:150W 氙弧灯;PMT电压 :700V;信噪比＞110;带通(Bandpass):Ex= 10nm;Em=10nm;响应时间:自动;扫描光谱进行仪器自动校正.三维荧光光谱测定时激发波长Eex=200～450nm,发射波长 Eem=300～550nm,扫描速度:1200nm/min.

2 结果与讨论

2.1 不同垃圾堆场渗滤液DOM荧光特性

由图1可见,样品S1的三维荧光光谱图出现了4个荧光峰:Peak 1、Peak 2、Peak 3和Peak 4,其最大荧光峰位置所对应激发/发射波长依次为275/315nm、220/315nm、275/350nm及220/348nm.根据Clobe等[8-9,12]的报道可知,上述4个荧光峰均为类蛋白荧光峰,其中Peak1、Peak 2为类酪氨酸荧光峰,与酪氨酸及其代谢产物有关;Peak 3、Peak 4为类色氨酸峰,peak 4与色氨酸及其代谢物有关,Peak 3除了与色氨酸有关外,一些可溶性微生物代谢副产物和苯酚类物质也在该处出现荧光峰[14].Hudson等[15]认为,当色氨酸在 Peak 3和Peak 4位置处出现荧光峰时,与其存在形态无关,即色氨酸无论是游离态,还是以结合态形式存在多肽、蛋白质或腐殖质类物质中,均会在Peak 3和Peak 4的位置处出现荧光峰,由于在样品S1的三维荧光光谱图中未出现与腐殖质有关的荧光峰——类腐殖质峰,因此,Peak 3、Peak 4中的色氨酸只能为游离态或结合在非腐殖质物质上.此外,已有研究表明[14],三维荧光光谱中类蛋白荧光峰的出现与微生物活动有关,可以通过环境中微生物的活动形成,因此,样品S1中Peak 1、 Peak 2、Peak 3和Peak 4 4个荧光峰的出现,表明在堆放垃圾渗滤液中微生物活跃,其水溶性有机物中含有大量的垃圾降解产物.

与样品S1相比,样品S2三维荧光光谱图中类酪氨酸荧光峰Peak1、Peak 2消失了,同时在激发/发射波长为310/435nm处新出现了Peak 5(图1),Antīzar-Ladislao等[16]指出,该峰的出现预示着堆肥过程中胡敏酸的形成.因此,这表明在样品S2中,除了类蛋白类物质外,还含有胡敏酸物质,样品S2所在堆场垃圾进行了腐殖化过程.

图1 不同堆放垃圾渗滤液DOM三维荧光谱Fig.1 Three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy of DOM of leachate from different dumped waste

Baker等[9]研究表明,药剂、杀虫剂、致癌物等异质性有机物(XOM),如萘、菲等的荧光峰常常出现在类色氨酸峰附近,并伴随着微环境的改变最大激发/发射波长发生移动.图 1显示,样品S3中类色氨酸荧光峰Peak 3、Peak 4的最大峰位置均发生了红移,由样品S1中的275/350nm和220/348nm红移至样品 S3中的 280/373nm和 220/375nm,说明该样品中可能含有大量的异质性有机物质.此外,图1还显示,样品S3中新出现了 Peak 6,该峰的最大峰位置难以确定,据 Chen等[15]的报道可知,Peak 6为类富里酸峰,与腐殖质中的富里酸物质有关.Jouraiphy等[17]认为,随着垃圾堆放时间的延长,富里酸会被降解,通过生物氧化作用合成更为复杂的腐殖质,致使该峰随着垃圾堆放时间的延长逐渐减弱直至消失.

从样品S2和S3的三维荧光光谱图中可以发现,垃圾堆放过程中首先出现的是类胡敏酸荧光峰,而后才是类富里酸荧光峰,即在堆放垃圾的腐殖化过程中,首先形成的是胡敏酸物质,随后才是富里酸物质,表明堆放垃圾中的物质转化不仅可以由富里酸生物合成胡敏酸,也可能由胡敏酸生物降解成富里酸.

样品 S4取自一陈腐垃圾堆场,其渗滤液DOM 的三维荧光光谱中除了观察到样品 S1、S2、S3所出现的6个荧光峰外,还出现了Peak 7,其最大荧光强度对应的激发/发射波长为290/423nm,据Shao等[12]的报道可知,该峰也为类腐殖质荧光峰,可能为Peak 5和Peak 6之间过渡类型的荧光峰,来源于富里酸降解生成更为复杂的腐殖质的过程.样品S4中Peak 5最大荧光峰对应的激发/发射波长为335/420nm,而样品S2、S3该峰分别为310/435nm和330/406nm,Shao等[12]认为,有机质腐殖化程度越大,苯环结构含量越多,芳烃类化合物缩合度越高,其对应腐殖质荧光峰的激发波长越长,因此,上述3个样品Peak 5荧光峰位置的不同表明它们的腐殖化程度存在较大差别,其大小依次为:S4＞S3＞S2.从图1还可发现,样品S4中类色氨酸峰相对较弱,而3个与腐殖质有关的荧光峰均较强,致使临近的类色氨酸荧光峰侧翼被掩盖,表明在陈腐垃圾样品 S4中,类蛋白类物质较少,主要成分为垃圾腐殖化过程形成的腐殖质类物质.

图2 Hg(Ⅱ)对样品S1三维荧光光谱的影响Fig.2 Effect of Hg(Ⅱ) on 3DEEM spectra of sample S1

2.2 类蛋白物质-Hg(Ⅱ)配位特性

Hudson等[15]认为,类蛋白荧光峰与微生物活性有关,可以通过微生物活动形成.另一方面,相对于腐殖质而言,类蛋白荧光峰所代表的类蛋白物质由于结构简单,更易被微生物作为能源或合成其他物质的材料而利用.重金属是环境中的一类危害性较大的毒性物质,常常与蛋白质结合而影响微生物活性,导致堆体垃圾降解缓慢.此外,Hg、 Cu、Fe等顺磁性金属离子还能产生荧光猝灭效应,当把它们加入含有类蛋白物质的 DOM溶液后,会使类蛋白荧光强度急剧下降,除此之外是否会产生其他效应,目前研究较少[13].基于此,本研究选择对环境危害较大的重金属Hg和类蛋白荧光峰含有数目最多的渗滤液样品S1,研究不同Hg(Ⅱ)浓度下样品S1中4个类蛋白荧光峰的变化,以探讨不同类蛋白物质与Hg(Ⅱ)的配位特性.

图2显示,当样品S1中未加入Hg(Ⅱ)时,类酪氨酸峰和类色氨酸峰均存在,当样品 S1中的Hg(Ⅱ)浓度为 1μmol/L时,类酪氨酸荧光峰消失了,而类色氨酸荧光峰的荧光强度却发生了增强,这可能是在该Hg(Ⅱ)浓度下,酪氨酸残基的荧光发射谱与色氨酸残基荧光激发谱重叠,通过偶极-偶极的共振偶合作用使能量从酪氨酸残基转移到色氨酸残基上造成的,然而,当溶液中的Hg(Ⅱ)浓度上升为 2μmol/L时,类色氨酸荧光峰由于Hg(Ⅱ)的荧光猝灭效应,荧光强度降低了,而类酪氨酸荧光峰又出现了,并且此时的荧光强度强于没加Hg(Ⅱ)的原液,这可能是当溶液中的Hg(Ⅱ)浓度为2μmol/L时,类酪氨酸物质与Hg(Ⅱ)形成的复合物致使前者刚性结构增强,随后随着溶液中Hg(Ⅱ)浓度的进一步增加,Peak 2和Peak 4缓慢下降,Peak 1和Peak3趋于稳定,但峰形均变化不大(图2,图3)

由于类酪氨酸荧光峰位置易受介质微环境的影响,再加上酪氨酸代谢物的荧光效率一般很低,并且结合在腐殖质上的类酪氨酸常发生能量转移现象,因此,它对渗滤液DOM荧光强度的贡献并不大,在许多堆场渗滤液DOM中,常常观察不到该峰(图1).

图3 Hg(Ⅱ)对样品S1三维荧光光谱中各峰强度的影响Fig.3 Effect of Hg(Ⅱ) on the intensity of each peak in 3DEEM spectra of sample S1

2.3 渗滤液水溶性有机物降解的荧光特性

图4 样品S3培养30d后三维荧光光谱的改变Fig.4 3DEEM of sample S3 before and after 30days

堆场渗滤液组成复杂,其中除了含有大量有机物外还含有种类繁多的微生物,致使 DOM在堆体垃圾中极易发生改变.以样品 S3为例,研究了渗滤液DOM在30℃恒温培养箱培养时三维荧光光谱中各峰的改变,以模拟垃圾堆放过程中渗滤液中不同荧光物质的变化.图4显示,当样品S3在30℃恒温培养30d时,DOM中的荧光峰发生了较大变化,Peak 3、Peak 4均发生了蓝移:280/373nm处的荧光峰移至 280/348nm处220/375nm处的荧光峰也移至220/348nm处.蓝移现象的发生,可能是渗滤液芳香环减少、长链结构中对位键减少、线性环状结构向非线性环状结构转化或微生物活动所致[8],即渗滤液中有机质的降解所引起.图4还显示,Peak 5和Peak 6在培养过程中未发生明显改变,这可能是类腐殖质物质结构复杂,难以降解或氧化造成的.

3 结论

3.1 三维荧光光谱能有效表征堆场渗滤液DOM 的物质组成,通过不同类型荧光峰的分析可知渗滤液中微生物活跃,其水溶性有机物中含有大量的微生物降解产物及不同腐殖化程度的腐殖质类物质.

3.2 在介质金属离子Hg(II)浓度改变的过程中,类蛋白荧光峰的荧光强度发生明显改变,与类色氨酸相比,类酪氨酸荧光峰位置更易受 Hg(II)浓度改变影响.

3.3 渗滤液水溶性有机物中类蛋白物质容易发生开环降解,而腐殖质类物质相对稳定,短期室温环境下变化不大.

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Fluorescence characteristics of dissolved organic matter from dumped waste leachate.

HE Xiao-song1,2, XI Bei-dou2, WEI Zi-min1*, LI Ming-xiao1,3, Su Jing2, GENG Chun-mao1,2, WANG Wei1, HU Chun-ming1,2(1.College of Life Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2.Laboratory of Water Environmental System Engineering, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China；3.College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：752～757

In order to reveal the characteristics of composition of leachates from dumped waste and their variations, three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy (3DEEM) were applied for dissolved organic matter (DOM) of leachates extracted from four different dumped waste. Leachate sample S1 contained two different kinds of protein-like fluorescence peak, i.e., tyrosine-like and tryptophan-like fluorescence peaks. The other three samples (S2, S3 and S4), however, in addition to tryptophan-like fluorescence, contained humus-like fluorescence peaks as well, and the number, type and location of the peaks were different in according to samples. Leachate samples S1 contained only protein-like matter, while the other three samples contained both humus-like matter and protein-like matter, and the degree of humification of humus-like matter varied in different samples. The complexation between the protein-like matter in sample S1 and Hg (II) indicated that, compared with tryptophan-like fluorescence peak, tyrosine-like fluorescence peak could be more easily impacted by the micro-environmental change; the results of culture experiments at room temperature demonstrated that, protein-like substance could be easily broken, while humus-like substance shown strong resistance to microbe. 3DEEM could be effectively characterized the composition of DOM of leachates from dumped waste and their variations.

dumped waste；leachate；dissolved organic matter；three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy

2009-10-14

国家“973”项目(2005CB724203);国家自然科学基金资助项目(50878201);黑龙江省自然科学基金资助项目(C200901)

* 责任作者, 教授, weizimin691120@126.com

X705

A

1000-6923(2010)06-0752-06

何小松(1982-),男,湖南道县人,东北农业大学生命科学学院硕士研究生,主要从事固体废物处理处置研究.发表论文5篇.