不同来源水溶性有机物光谱学特性研究

王 威，李 成，魏自民*，何小松，李鸣晓，耿春茂，胡春明

（1.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；2.北京师范大学环境学院，北京 100875）

堆肥法是可降解固体废物处理的主要方法之一，在堆肥期间，微生物只在气体与固体的交界面具有活性，因此研究水溶性有机物（Dissolved organic matter，DOM）的结构性质对了解堆肥过程中碳氮循环具有十分重要的意义。堆肥过程中水溶性有机物的变化较之固相组分更能灵敏反映堆肥腐熟状况[1]。堆肥产品在培肥土壤的同时[2]，其DOM对土壤中的碳、氮、磷循环及金属元素的迁移转化也产生十分重要的影响[3]，因此，研究者对堆肥过程中DOM组分结构的演化规律开展了大量的研究[4-6]。由于DOM含有氨基、羧基、羟基和硫醇基等化学官能团[7]，及大量带有各种低能量π→π*跃迁的芳香结构、共扼生色团和不饱和脂肪链[8]，致使荧光光谱分析技术在DOM研究领域应用广泛[6-10]。大量研究表明，随着堆肥的进行，DOM分子质量增大，DOM中共轭作用增强，有机物不饱和结构的多聚化或联合程度增大，芳香结构物质含量增加[4-6，11-12]。综合以往研究，有关DOM光谱学特性的研究，主要集中在单一（或混合）物料及其不同工艺参数的堆肥方面，而对不同来源的堆肥物料进行对比分析的研究较少。

本文选择鸡粪、厨余、植物及污泥腐熟堆肥样品，利用紫外和荧光光谱法对样品中的DOM进行光谱特性分析，阐明不同来源堆肥产品DOM腐殖化程度，为不同来源堆肥产品的肥效评价提供了一定的技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

鸡粪，厨余垃圾，植物，污泥堆肥腐熟样品，其中鸡粪取自北京市华丰鸡场，厨余垃圾取自中国环境科学研究院食堂，植物取自北京市绿色垃圾处理厂，污泥取自高碑店市污水处理厂，原料进行堆肥前的理化性质检测结果见表1。

表1 堆肥材料基本理化参数Table 1 Some basic characteristics of composting materials

1.2 DOM的提取

将堆肥样品按干物质重与双蒸水体积为1∶10(W(g)/V(mL))加入双蒸水，室温条件下200 r·min-1水平振荡提取24 h，然后4℃，12 000 r·min-1离心20 min，上清液过0.45 μm的微孔滤膜，滤液中的有机物即为DOM。

1.3 紫外光谱分析

使用Shimadzu TOC-5000 TOC分析仪测定各堆肥样品水溶性有机物的碳含量，DOM样品用重蒸馏水将其浓度调为3 mg·L-1，美国Varian公司生产的UV-Vis spectrophotometer Cary50测定，扫描波长分别为254和285 nm,记录吸光度A254和A285，并计算 SUVA254(=A254×100/TOC)值和 ABS285(=A285×1 000/TOC)值。

1.4 荧光光谱测定

荧光光谱测定仪器为Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B。该仪器激发光源为150 W氙弧灯，PMT电压 700 V；其信噪比＞110，带通（Bandpass）分别为激发波长（Ex）=10 nm和发射波长（Em）=10 nm；响应时间为自动，扫描光谱进行仪器自动校正。样品荧光激发光谱扫描时固定Em=520 nm，激发波长扫描范围设为300～500 nm，荧光发射光谱扫描时固定激发波长Ex=360 nm，发射波长扫描范围设为370～550 nm，荧光同步光谱固定波长差Δλ=Em－Ex=18 nm，激发波长扫描范围设为260～600 nm，上述光谱扫描时速度均设为200 nm·min－1，三维荧光光谱扫描时 Ex=200～490 nm，Em=250～550 nm，扫描速度设为 1 500 nm·min－1，四个样品 DOM 浓度均调至 3 mg·L－1，pH 8.0±0.05。

2 结果与分析

2.1 特定波长的紫外吸光度值分析

254 nm下的紫外吸收主要由具有不饱和碳－碳键的化合物引起[13]。DOM分子质量越大，所含有的芳香族和不饱和共扼双键结构越多，单位物质的量紫外吸收强度越高[7，14－15]。SUVA254可用于表征有机质的芳构化程度，其值越大，芳构化程度越高[12,16－19]。SUVA254值由大到小的顺序为：鸡粪、厨余、植物、污泥。鸡粪的SUVA254最大，表明其分子质量最大，含有的芳香族和不饱和共轭双键结构最多，其芳构化程度最高；污泥的SUVA254最低，表明其分子质量最小，其芳构化程度最低(见表2)。

表2 DOM的SUVA254值和ABS285值Table 2 SUVA254and ABS285value of DOM

除SUVA254能够表征芳构化程度外，物质在285 nm处的紫外吸收特性ABS285也可用来表征芳香度，ABS285值越大，物质的芳香度越高，芳香族基团含量越高[20－21]。由表2可知，四个样品的ABS285值由大到小的顺序为：鸡粪、厨余、植物、污泥，这表明四个样品中鸡粪的芳香度最高，污泥最低，这一结论与SUVA254得出的结论相一致。

SUVA254和ABS285两紫外吸收参数的相关性系数为0.997**（P＜0.01），二者呈极显著正相关，这可能是由于堆肥DOM中存在的在254及280 nm附近都有很强吸收峰的化合物（如苯胺）所引起。二者的显著正相关性也说明使用二者之一评价产品的腐殖化程度具有可行性。

2.2 DOM发射光谱分析

荧光发射光谱图通常表现为宽而无特征的荧光峰，它是DOM中具有相似来源的一类基团总体荧光性质的反应。由图1可知，鸡粪、厨余、植物、污泥四个样品最大荧光峰所在的波长分别为434、430、435、429 nm。四个样品的DOM均在430 nm左右出现最大吸收峰，其位置比较靠近富里酸特征波峰（450～460 nm）[22]，这说明不同来源的四个样品DOM中的腐殖质类物质均以类富里酸为主。

图1 鸡粪、厨余、植物、污泥堆肥产品的DOM荧光发射光谱图(Ex=360 nm)Fig.1 DOM fluorescence emission spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.3 DOM激发光谱分析

与荧光发射光谱比较，荧光激发光谱更能发现DOM的官能团结构信息。由图2可知，四个堆肥产品均在390 nm附近有一个较强的荧光特征峰，且均在460 nm左右出现小肩峰。有研究报道，392 nm处的荧光峰与木质素降解产物酚类物质结构上的羟基有关，458 nm处的荧光峰与苯环上的供电子基团（-NH2等）有关[23]。鸡粪和厨余样品中390 nm附近的荧光峰为主峰，所以在这二者中羟基为主要官能团，除羟基官能团外，还含有供电子基团（-NH2等）。

图2 鸡粪、厨余、植物、污泥堆肥产品的DOM荧光激发光谱(Em=520 nm)Fig.2 DOM fluorescence excitation spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.4 DOM同步光谱分析

相对于传统的荧光发射光谱和激发光谱，同步荧光光谱能给出更多结构和官能团的信息，它表示的是DOM分子中几种不同类型荧光基团的集合体。由图3可知，鸡粪主峰位于389 nm处，厨余主峰位于382 nm处，植物主峰位于355 nm处，与前三者不同，污泥样品中没有明显的主峰，但其短波长278 nm处荧光基团占发光基团的比例较高。已有的研究表明，荧光同步扫描光谱图中280 nm处的荧光峰代表结构简单的类蛋白物质，而340、380、450 nm附近出现的特征荧光峰则是由结构复杂的腐殖质类物质产生[24-26]。在较短波长范围内出现的特征峰主要由较简单的分子结构、较低分子缩合度的有机物质形成，而较长波长下的荧光峰则由分子质量较大、复杂化程度较高的有机物质形成[23]。波长越长结构越复杂，鸡粪主峰所处的波长最长，所以其腐殖化程度最高，其次是厨余和植物，与前三者相比，污泥样品中结构简单的类蛋白物质所占的比例最高，所以污泥的结构最简单，腐殖化程度最低。

图3 鸡粪、厨余、植物、污泥堆肥产品的DOM荧光同步光谱图（Δλ=18 nm）Fig.3 DOM Fluorescence synchronous-scan spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge

2.5 DOM三维荧光光谱分析

与二维荧光光谱图相比，三维荧光光谱图（Threedimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy，3DEEM）能更好地检测到不同类型的荧光基团。四个样品在图4中出现的荧光峰位置及荧光强度见表3。

表3 样品三维光谱图中荧光峰的位置及强度Table 3 Wavelength and intensity of fluorescence peak in 3DEEM fluorescence spectroscopy

图4 鸡粪、厨余、植物、污泥堆肥产品的DOM三维荧光光谱(Ex/Em=200～490 nm/250～550 nm)Fig.4 DOM 3DEEM spectra of chicken manure，kitchen wastes，plant and sludge(Ex/Em=200～490 nm/250～550 nm)

有研究报道Ex/Em=240～270 nm/370～440 nm处为紫外区类富里酸荧光，Ex/Em=310～360 nm/370～450 nm处为可见区类富里酸荧光，二者与腐殖质结构中的羰基和羧基有关[9],Ex/Em=270～290 nm/320～350 nm处为类色氨酸蛋白荧光，Ex/Em=220～240 nm/300～350 nm 及 Ex/Em=220～240 nm/280～300 nm处为微生物降解产生的类蛋白荧光。

由表3可知，四个样品均含有紫外区类富里酸荧光峰（Peak A）和可见区类富里酸荧光峰（Peak C），其中Peak A主要是由一些低分子质量，高荧光效率的有机物质所引起，主要来源于木质素和其他植物材料的降解，在随后的处理过程中它们将合成更为复杂的腐殖质类物质[23]；而Peak C则是由相对稳定，高分子质量的芳香性富里酸物质所产生[10]，其形成预示着堆肥胡敏酸类物质的形成，可以用来跟踪有机质的腐熟度。由表3可知，四个样品在相同的有机碳浓度下，鸡粪的Peak C荧光强度最大，说明鸡粪所含的高分子质量芳香性富里酸最多，最少的为污泥堆肥样品。图4表明，厨余样品除含Peak A和Peak C外，还含有Peak B，其被认为是紫外区富里酸在形成更复杂的可见区富里酸的过程中形成的过渡峰，前人在对天然有机质三维荧光光谱荧光基团吸收峰的命名中将Ex/Em=290～320 nm/370～420 nm的荧光基团定为海洋腐殖质，由此推测厨余样品中在此波长处出现的荧光物质可能与海洋腐殖质有类似的结构。

由图4可知，鸡粪和厨余样品除含类富里酸荧光峰外，还含有类色氨酸蛋白峰（Peak E）。类蛋白物质结构较类腐殖质结构简单，其含量越低物质的腐殖化程度越高。表3表明，鸡粪Peak E荧光强度较厨余低，则鸡粪中类蛋白物质的含量较厨余低，所以鸡粪样品的腐殖化程度较厨余样品高。植物和污泥样品除含Peak E外，还含有结构更简单的微生物降解类蛋白峰（Peak D），这表明植物和污泥样品的腐殖化程度低于鸡粪和厨余样品。污泥样品的Peak E和Peak D荧光强度均高于植物样品，则污泥样品类蛋白物质的含量高于植物样品，所以污泥样品的腐殖化程度低于植物样品。综上所述，四个样品中鸡粪的腐殖化程度最高，污泥的腐殖化程度最低。

3 结论

SUVA254值、ABS285值、荧光同步光谱图及三维荧光光谱图均反映出鸡粪、厨余堆肥产品水溶性有机物的腐殖化程度高于植物、污泥堆肥产品，这与不同来源水溶性有机物的物质组成有关。其中鸡粪、厨余的DOM中含有较多的易被微生物利用的氮源、碳源，而植物样品中虽然也含有较高的总碳，却以微生物难以利用的纤维素为主，所以鸡粪、厨余堆肥产品的腐殖化程度较高。

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