垃圾填埋场腐殖质形成机制与影响因素研究进展

潘 琦 刘洪宝 刘娇娴 孙晓杰 何小松*

1 桂林理工大学环境工程学院 桂林 541006

2 中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室 北京 100012

伴随着人口规模的增长和经济水平的发展，城市生活垃圾产量日趋增加。统计显示，2018 年我国城市生活垃圾清运量高达2.28 亿吨。填埋是我国城市生活垃圾最主要的处置方式。住建部统计年鉴显示，2018 年我国有垃圾填埋场663 座，总处理垃圾11706 万吨，占生活垃圾总处理量的51.9%。除此之外，我国还有大量的封场填埋场和历史堆存垃圾，总量超过40 亿吨，如此数量庞大的填埋场和堆存垃圾，对周围生态环境污染风险巨大。

垃圾填埋场对环境的污染风险主要源于含有大量易降解有机质，它们是填埋气和渗滤液污染的直接物质来源。甲烷是重要的温室气体、也是填埋场爆炸风险源。垃圾填埋场渗滤液生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）浓度高[1]；富含Ca、Fe、Cu、Pb、Cr 等金属离子，抑制微生物活动[1]；有机物种类多且复杂；氨氮高，磷含量低，营养比例失衡；色度深，有臭味。因此，降低填埋垃圾中有机质的含量，提高填埋场有机质的稳定度，进而降低填埋气排放和渗滤液中污染物浓度，是消除垃圾填埋对周围环境污染隐患的关键。垃圾填埋后，其中的有机质发生降解和腐殖化，最终形成甲烷和腐殖质达到稳定。因此，强化填埋垃圾中有机质形成腐殖质，提升有机质的腐殖化率，对加速垃圾填埋稳定化进程、降低填埋场污染排放、消除填埋场环境污染风险意义巨大。鉴于此，本文综述了目前填埋场腐殖质形成机制、腐殖质氧化还原机理及其能力、腐殖质形成来源物质的降解机制、无机矿物与微生物耦合促进腐殖质形成机制。本文目的在于综述研究填埋场生化腐殖质形成机制及其影响因素过程中前人的成果，分析目前在此研究中的不足，并提出未来研究方向。

1 填埋场腐殖质形成机制

生活垃圾填埋后，其中的有机质在微生物的作用下发生降解和腐殖化，初期主要发生好氧降解，降解速率较快，产物主要为二氧化碳和水；伴随着降解的进行，氧气被耗尽，填埋场进入厌氧降解阶段，大量易降解物质被分解，产生有机酸、甲烷和二氧化碳等物质，主要剩下木质纤维素等难降解物质。到填埋中后期，这些难降解物质和其他一些代谢中间产物一起形成了腐殖质类物质，填埋场进入腐殖化阶段[2]。按照经典的“氢氧化钠/焦磷酸钠提取-盐酸或硫酸沉淀-过大孔吸附树脂”有机质分组方法，填埋场腐殖质可分为胡敏素、胡敏酸及富里酸。国内外学者采集固体垃圾样品，通过碱溶液提取方法获得胡敏酸和富里酸，并对其组成和结构演化进行了研究[3，4]。然而，2011 年和2015 年Nature杂志上连续发文指出，碱溶液提取胡敏酸和富里酸过程中，小分子有机质可通过氢键、疏水作用和范德华力聚合形成大分子假腐殖质物质，这些假腐殖质在原状固体样品中是不存在的[5，6]。通过研究发现，腐殖质提取过程，小分子苯环化合物可吸附在无机矿物上形成大分子类腐殖质物质，这些类腐殖质在原状样品中也是不存在的。因此，采用碱溶液提取腐殖质的方法研究腐殖质形成机制，所得部分结论可能与真实情况存在差距，需要利用原状固体样品直接研究腐殖质的形成。

木质纤维素由木质素、纤维素和半纤维素3 种基本单元构成。木质素的基本单体为4-羟基苯丙烷，纤维素和半纤维素则是由糖单元通过糖苷键连接而成。关于腐殖质的形成有多个假说，包括木质素-蛋白质缩合的木质素假说、木质素多酚氧化为醌后与含氮物质缩合的多酚假说、微生物合成假说和糖-胺缩合假说等[7，8]。目前，大家比较公认是腐殖质是多酚和醌的复合体，即木质纤维素降解成多酚，多酚进一步氧化为醌，醌自行缩合或与氨基酸/多肽聚合形成富里酸和胡敏酸，胡敏酸进一步缩合形成胡敏素，但亦有研究认为胡敏素是木质纤维素降解残渣，其深度降解可转化为胡敏酸和富里酸[4，7]。

黄友福等[9]在研究中发现，填埋场中富里酸的浓度以及在渗滤液中比例均高于胡敏酸，而且两者浓度随填埋场年龄均呈现出先上升后下降的趋势，究其原因发现，在填埋早期，垃圾中的有机质转化为结构较为简单的富里酸，而富里酸不断缩合生成胡敏酸，因此胡敏酸较富里酸有更多的芳环结构，更大的分子量和更高腐殖化程度，而且胡敏酸的最大浓度以及占渗滤液最大比例出现的时间均比富里酸的要晚一些。随着腐殖化过程的进行，填埋场体积增大，微生物增加，所需有机质增加，富里酸缺乏补充，含量开始减少，进而胡敏酸含量也降低，且中晚期胡敏酸与矿物黏结合形成难提取的有机物，从而进一步削减了渗滤液中胡敏酸含量。

2 腐殖质氧化还原机理及其能力

天然腐殖质广泛存在于土壤、河流底泥、海洋沉积物和填埋场中[10]。腐殖质具有吸附、络合属性，同时还具有氧化还原能力，腐殖质的氧化还原能力主要来源于醌、酚等官能团，其中还原态醌基团是腐殖质还原能力的主要来源。醌类物质在微生物胞外呼吸菌的作用下接受电子还原成氢醌，这些氢醌被微生物胞外电子受体如铁氧化物、氯代有机物等氧化成相应的半醌，最后氧化为醌。相比于需要通过微生物功能蛋白与微生物胞外电子受体接触才能发生的直接电子传递，间接电子传递可通过电子穿梭体加速电子传递，有效提高了微生物胞外电子传递效率。因此，电子穿梭体对特定环境下终端电子受体的循环有着极其显著的作用。而腐殖质是天然的电子中介体，能有效地加速电子在微生物和电子受体之间的传递，使反应速率增大一到几个数量级[11]。腐殖质还原作用的本质是腐殖质发挥电子受体的作用，从外部接收电子，从氧化态转化为还原态，再将接收的电子传递给污染物，污染物被还原的同时腐殖质从还原态转化为氧化态。在这个反应过程中不应该把氧化态腐殖质接收电子当作一个单独的反应，而应该与下一步还原态腐殖质传递电子给污染物将其还原的反应看作一个完整的过程[12]（图1）。

图1 腐殖质氧化还原污染物示意图[12]Fig.1 Schematic diagram of humic substance redox pollutants

近年来国家对渗滤液处理的要求不局限于BOD、COD、固体悬浮物（SS）等传统方面，更着重于对挥发性有机物以及半挥发性有机物的治理。其中多环芳烃化合物以及多氯联苯化合物均具有浓度低但环境污染风险大且不易被微生物降解的特性。胡妍玢等[12]发现腐殖质能够促进氯代物的还原脱氯，对苯环类物质也能发挥降解的作用。因此，目前腐殖质对氯代物脱氯是研究热点之一。腐殖质不仅能够对长链烃类的物质具有脱氯的作用，对难降解的苯环类物质也有还原降解作用[11，12]。研究发现，腐殖质在厌氧条件下还原能力更强，部分学者对厌氧条件提高腐殖质还原能力的机理进行研究，发现在厌氧条件下主要作用微生物是腐殖质还原菌[11]。腐殖质还原菌通过还原腐殖质，进一步提高腐殖质的还原能力，并且在厌氧条件下腐殖质还原菌还原腐殖质的效果更好。

3 腐殖质形成来源物质的降解机制

填埋垃圾中的腐殖质主要来源于垃圾中木质纤维素的降解，研究垃圾中的腐殖质应该从木质纤维素入手。自然环境下木质纤维素降解主要通过微生物进行，但木质纤维素中木质素、纤维素和半纤维素相互交联，单一微生物难以降解，需要多种微生物菌群分泌胞外酶协同进行[13，14]。能够降解木质纤维素的微生物主要为真菌和细菌，真菌对木质纤维素的降解能力较强，尤其是对木质素的降解比细菌更强，它们可分泌多种酶族群实现木质纤维素的降解，如孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、变色栓菌（Trametes versicolor）、彩绒革盖菌（Coliolus versicolor）、曲霉（Aspergillus）、木霉（Trichoderma）等真菌均能降解木质纤维素；细菌主要降解纤维素和半纤维素，它们主要通过分泌纤维素酶和半纤维素酶实现木质纤维素降解，如假单胞菌（Pseudomonas）、纤维单胞菌（Cellulomonas）、热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、黄杆菌（Flavobacterium）、黄单胞菌（Xanthomonas）等细菌均能降解纤维素和半纤维素[15～17]。

木质纤维素的生物降解由木质素酶、纤维素酶和半纤维素酶三者协同完成，其中木质素需要木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等酶族群协同实现降解，纤维素需要内切葡聚糖酶、外切纤维素酶和β-葡萄糖苷酶等酶族群协同实现降解，半纤维素需要β-1，4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶和β-甘露糖苷酶等酶族群共同作用实现降解。2010 年Vaaje-Kolstad 等[18]首次在Science 杂志上发表了降解木质纤维素新酶类型，称之为裂解多糖单加氧酶，它可以通过氧化方式高效断裂木质纤维素中的糖苷键，实现纤维素和半纤维素的降解，进而加速木质纤维素转化过程。裂解多糖单加氧酶的发现改变了人们对传统水解酶作用方式的认识，为木质纤维素的生物转化提供了新的酶解方案[19，20]。目前，关于填埋场中木质纤维素降解关键微生物和功能酶尚不清楚，限制了垃圾填埋场快速稳定技术的开发。

高通量测序、宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的发展，为人们认识特殊生境中微生物群落组成、演替及功能提供了新的技术和手段，这些技术可以在非培养条件下研究特定生境中的微生物及其功能，为特殊生境中降解有机物转化的相关微生物和酶的发掘提供了新的可用途径。Liu等[21]采用高通量测序，发现细菌中的Firmicutes和Actinobacteria对于苯环化合物降解具有重要作用；Martins 等[22]采用宏基因组学技术，结合直系同源簇（COG）功能基因预测方法，在堆肥生境中发现了112 个纤维素酶相关蛋白质；Colombo 等[23]采用宏基因组学，发现了堆肥木质纤维素降解新酶类型。相对于堆肥生境，垃圾填埋先为好氧、后为厌氧、最后又为好氧环境，经历了酸化、产甲烷、形成腐殖质多个阶段，微环境变化跨度大，推测降解木质纤维素的相关微生物和功能酶也不断演替，目前垃圾填埋相关微生物和功能酶的研究集中在模拟填埋柱上[21]，采用高通量测序、宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白组学技术深入探究实际填埋场复杂微环境变化下木质纤维素降解关键微生物和功能酶较少，限制了填埋场优化调控快速合成腐殖质达到稳定化。

4 无机矿物与微生物耦合促进腐殖质形成机制

除了微生物外，一些无机矿物在腐殖质的形成过程中也发挥着重要的作用。研究认为，多酚催化聚合是有机质聚合和腐殖化的重要反应历程[24]。在木质纤维素经多酚合成腐殖质的过程中，多酚氧化为醌是腐殖质合成限速步骤，该反应可以通过微生物完成，也可以通过环境中的水钠锰矿、二氧化锰等无机矿物催化完成，这些无机矿物在酚类聚合、酚类-氨基酸聚合及其随后的腐殖化过程起着重要的催化作用[25]。铁锰等矿物在氧化有机质过程中，往往同时发生聚合反应，导致两个或多个苯环化合物聚合形成更大分子量的有机质[26，27]，这是腐殖质形成的重要机制。在填埋垃圾中，不可避免混有土壤，特别是垃圾填埋作业需要每日覆土，其中不可避免含有各种无机矿物，但无机矿物不能直接氧化木质纤维素形成腐殖质，推测其促进腐殖质形成需要与微生物耦合共同完成。目前关于填埋场中无机矿物耦合微生物促进腐殖质合成机制尚不清楚，有待探索和破解。

同步辐射显微红外成像技术（SR-FTIR）、微束X 射线荧光分析技术（μ-XRF）、微电子探针技术（EPMA）、纳米二次离子质谱技术（NanoSIMS）的开发和发展，为原位研究有机质和无机矿物及其相互作用过程提供了可用方法。Sun 等[28]采用SR-FTIR，原位研究了堆肥施用土壤中芳香碳、脂族碳、镉及无机矿物的分布模式，确定了镉的分布与无机矿物相似，即镉结合在无机矿物上（图2）；Wang 等[29]采用NanoSIMS，对硫、银的分布进行了原位成像，可直观显示在固体表面的分布状态。NanoSIMS 还可以原位研究微生物的分布特征[30]。采用上述技术，可以在不提取腐殖质下，原位研究固体废物中腐殖质、无机矿物和微生物分布模式，据此推测无机矿物和微生物对腐殖质形成的影响，而这方面的研究几乎为空白。

图2 原位研究有机质和无机硅、铝矿物[28]Fig.2 In-situ study of organic matter and inorganic silicon and aluminum minerals

5 总结与展望

5.1 总结

在填埋中后期，填埋垃圾的有机质在微生物腐殖化作用下产生腐殖质。腐殖质是电子穿梭体[12]，在促进氯代物的还原脱氯和苯环类物质降解方面起到重要作用。腐殖质还原菌通过还原腐殖质增强腐殖质的还原能力，尤其在厌氧状态下对腐殖质还原效果更好。多氯联苯类化合物是渗滤液中的主要污染物之一，该类物质具有难降解、浓度低但危害大的特点，因此研究腐殖质对氯代物的还原脱氯作用有重要意义。腐殖质主要来源于木质纤维素，木质纤维素成分复杂且难降解（单一微生物难以降解）。根据前人的研究发现[5，6，31]：（1）碱液处理后的腐殖质不能完全代表原状腐殖质；（2）微生物可以将木质纤维素降解形成多酚，但填埋场微生物很难将多酚聚合成腐殖质；（3）腐殖质是植物中的哪些组分、腐殖质合成途径及促成腐殖质合成反应因素存在争议；（4）目前未知的或引起争论的问题，主要是所谓腐殖质“大分子”或“超分子”概念、立体构型方式、与相关物质结构的关系，以及不同来源、不同环境条件下腐殖质分子构型的变化等；（5）缺乏重大理论突破和突出的知识成果创新，存在科研人员低水平重复劳动的现象，生产中许多亟待探索和解决的问题却无人问津；（6）缺乏对填埋场腐殖质的深入研究。

5.2 未来研究展望

国内外关于有机物氧化的文献报道显示[25～28]，与其他氧化剂只能将有机物氧化成比母体更简单的化合物不同，二氧化锰等在氧化多酚的同时可以促使氧化产物与多酚聚合形成二聚体，在填埋场微生物降解木质纤维素形成腐殖质过程中，可能需微生物和无机矿物共同发挥作用才能快速实现木质纤维素的降解，即微生物将木质纤维素降解形成多酚，无机矿物将多酚氧化聚合成二聚体或多聚体形成腐殖质。未来应当强化研究垃圾填埋木质纤维素降解形成腐殖质过程，阐明生活垃圾填埋木质纤维素降解特征与腐殖质形成规律，确定影响木质纤维素降解形成腐殖质的关键微生物和无机矿物，揭示关键微生物与无机矿物耦合促进腐殖质形成机制，进而提出调控措施加快填埋有机质向结构稳定的腐殖质转化。

明确垃圾填埋腐殖质形成和转化的关键微生物和无机矿物，可以在垃圾填埋作业和覆土过程，利用填埋场开挖得到的富含相关微生物和矿物的腐殖土或其他来源的微生物和矿物，针对性地补充到新垃圾填埋场，辅助调控填埋场的供氧和湿度等环境条件，加速填埋垃圾腐殖化和腐殖质的形成，提高填埋垃圾的稳定度，降低垃圾填埋甲烷产生和渗滤液污染物浓度，进而降低或消除填埋场环境污染。除此之外，研究明确腐殖质分子立体结构以及填埋场腐殖质分子结构变化有重大意义。

目前，我国垃圾收运量仍在快速增加，而可用于填埋的空间却越来越少，急需将填埋的陈腐垃圾好氧稳定化后开挖腾出新的填埋空间。此外，对于我国大量堆积的非正规垃圾填埋场，也需对填埋场中有机质进行强化降解和稳定化处理，降低它的环境污染潜力，为填埋垃圾深度稳定化提供指导和技术方案。