蘑菇渣和稻秸堆肥中DOM与Cu2+的络合机制

2024-03-02范行程葛俊杰任兰天纪文超范行军

生态与农村环境学报 2024年2期

范行程,葛俊杰,谢越,2,任兰天,纪文超,2,范行军,2①,王翔,2

(1.安徽科技学院资源与环境学院,安徽凤阳 233100;2.生物炭与农田土壤污染防治安徽省重点实验室,安徽蚌埠 233400;3.安徽科技学院农学院,安徽凤阳 233100)

污水农灌和农药等不合理使用引发土壤重金属污染不断加重[1]。铜(Cu)作为我国土壤中最主要的环境污染元素,其点位超标率高达2.1%,因此对Cu污染土壤的修复迫在眉睫[2-3]。堆肥是实现农牧业有机固体废弃物无害化和资源化最主要的技术手段之一,而且堆肥作为有效的吸附材料还可用以修复和改良重金属污染土壤[4]。

溶解性有机质(DOM)是堆肥过程中最活跃的有机成分[5]。DOM中含有大量的活性基团,如酚羟基、羧基、氨基等,能与重金属产生显著的络合作用[6],影响其在土壤中的迁移、转化及毒性[7-9]。大量研究表明,DOM是一类具有复杂荧光特征的有机混合物。随着三维荧光光谱平行因子解析(EEM-PARAFAC)的广泛应用,研究人员发现堆肥DOM主要由类腐殖质和类蛋白质组成。杨超等[10]利用EEM-PARAFAC解析出鸡粪好氧堆肥中DOM的荧光物质组成,包括3类类腐殖质组分和1类类蛋白质组分。DOM在与重金属发生络合作用时,其荧光强度会发生一定的猝灭现象[11]。荧光猝灭技术已成为研究DOM与重金属作用的重要方法。ZHU等[12]研究了Cu2+、Pb2+和Cd2+与畜禽粪便秸秆堆肥DOM的分子作用,结果显示金属离子均能引起DOM的荧光猝灭,证实DOM与金属离子发生有机配合作用。二维相关光谱(2DCOS)可以识别金属浓度变化等扰动因素引起的细微光谱变化,进而能从DOM中金属络合活性位点、络合强度和反应顺序等方面揭示DOM的络合机制。目前,2DCOS结合荧光光谱技术已广泛应用于堆肥DOM与重金属络合反应的研究中[13-14]。GUO等[15]发现,城市固体废物堆肥DOM中类蛋白质组分优先于类腐殖质组分与Cu2+发生结合反应。不同类型堆肥中DOM往往具有不同的化学组成和分子结构,从而会直接影响其与重金属的络合特征(如位点、官能团、能力等)[12]。当前,关于堆肥DOM与重金属的络合机制研究主要集中在畜禽粪便和市政污泥等堆肥基质上[12,15]。为拓展对堆肥-重金属相互作用特征的认识,开展不同类型堆肥DOM与重金属的络合机制研究非常有必要。

我国作为食用菌生产以及农业大国,菌渣和秸秆产生量巨大[16-18]。堆肥是实现菌渣和秸秆废弃物资源化利用重要的途径之一。研究以蘑菇渣堆肥(MRC)和水稻秸秆堆肥(RSC)为对象,基于Cu2+滴定实验,采用同步荧光光谱(SFS)和三维荧光光谱(EEM)2类光谱技术,结合平行因子分析(PARAFAC)和2DCOS等光谱解析方法[5,19],研究堆肥DOM与Cu2+的络合反应机制。采用Stern-Volmer数据模型推算Cu2+的荧光复合体比例(f)和络合条件稳定性常数(lgK),以探究堆肥DOM中不同活性位点的络合强度。研究结果可为菌渣和秸秆堆肥用于重金属污染土壤改良和修复提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 堆肥样品采集与DOM提取

试验蘑菇渣(MR)采集自安徽某菌业科技有限公司,水稻秸秆(RS)采集自安徽科技学院农场,牛粪采集自凤阳某养牛场[20]。堆肥原始物料分别按照干基比MR和牛粪质量比(1∶2)、RS和牛粪质量比(1∶1)进行户外好氧堆肥,原料的主要理化性质见表1。

表1 堆肥原料的基本理化性质

RS堆置之前需切成8～10 cm的碎料。每1 t堆肥物料添加2 kg的腐熟剂〔安徽莱姆佳生物科技股份有限公司,有效活菌数(cfu) ≥ 108g-1,纤维素酶活 ≥ 30 U·g-1,淀粉酶活 ≥ 10 U·g-1〕。在堆肥第35天,各堆体温度稳定在环境温度,发芽指数均在80%以上,堆肥基本腐熟,并继续翻堆进行2次发酵。在堆肥50 d后从堆体顶部、中间和底部收集3份样品,充分混匀后得到2种堆肥样品。

对堆肥样品依次进行冷冻干燥、机器粉碎,过0.15 mm孔径筛后,保存于干燥阴凉处备用。将冻干研磨后的蘑菇渣堆肥(MRC)和秸秆堆肥(RSC)样品与超纯水以固液比(m∶V=1∶10)混合。以200 r·min-1往复振荡24 h,然后在5 000 r·min-1转速下离心20 min(半径125 mm),上清液过聚四氟乙烯(PTFE)滤膜(Φ=0.45 μm)后得到DOM母液,于4 ℃条件下保存备用[21-22]。采用岛津TOC分析仪(TOC-VCPN,日本)测定水溶性有机碳(DOC)浓度。

1.2 Cu2+滴定实验

为避免内滤效应的影响,在Cu2+滴定实验前需将DOM溶液稀释至10 mg·L-1(以DOC计)。滴定前后利用0.1 mol·L-1的NaOH和HNO3溶液对滴定体系的pH值进行控制(pH=6.0)。为降低溶液浓度稀释效应对实验的影响,添加的酸碱试剂不得超过50 μL。准备多个浓度梯度的Cu2+水溶液(0～100 mmol·L-1),依次滴加至20 μL～20 mL的DOM溶液中,使对应体系中的Cu2+浓度为0、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 μmol· L-1。滴定实验重复3次,滴定后的样品避光振荡24 h后分别进行紫外-可见光、同步荧光和三维荧光光谱分析。

1.3 光谱分析

采用荧光光谱分析仪(F-4600,Hitachi,日本)测定同步荧光(SFS)和三维荧光(EEM)光谱,其中SFS光谱的发射波长(Em)扫描范围为250～500 nm,激发波长差(Δλ)为5 nm,扫描速度为1 200 nm·min-1。EEM的激发波长(Ex)和发射波长(Em)范围分别设置为200～400和290～520 nm,Ex和Em的狭缝宽度均为5 nm,扫描速度为12 000 nm·min-1。荧光光谱均以Milli-Q超纯水作为空白对照进行背景扣除。

1.4 数据解析

1.4.1EEM-PARAFAC

采用Matlab 2014a中的DOM Fluor工具包(www.models.life.ku.dk)对系列DOM-Cu2+滴定样品(72个)的EEM进行平行因子(PARAFAC)分析,具体方法参照文献[23]。经过2～7个组分的模型拟合,通过分半法、残差分析法和核心一致性比较,确定最优组分为3个,并得到各组分的最大荧光强度(Fmax)用以半定量分析。

1.4.2Stern-Volmer络合模型

络合模型采用改进后的Stern-Volmer络合模型[24-25],公式为

(1)

式(1)中,F0和F分别为未添加和添加Cu2+时的PARAFAC组分荧光强度;C为滴定后体系中的Cu2+浓度,μmol·L-1;K为有效猝灭常数;f为能与Cu2+结合的荧光基团的百分数。研究采用lgK估算DOM中不同荧光组分与Cu2+的络合能力,采用f评估荧光组分中与Cu2+络合的荧光团比例。

1.4.32DCOS分析

采用Kwansei-Gakuin大学开发的2D-Shige软件对DOM-Cu2+的系列SFS进行2DCOS分析,具体分析和解谱方法参照文献[26-28]。研究以Cu2+浓度为扰动因子,探究堆肥DOM中分子组成与Cu2+的相互作用机制。

2 结果与讨论

2.1 同步荧光光谱

Cu2+滴定过程中MR-DOM和RS-DOM同步荧光光谱变化如图1所示。SFS主要由3类荧光区域构成,包括类蛋白质(250～300 nm)、类富里酸(300～380 nm)和类腐殖酸(380～500 nm)[27-28]。可以看出,MRC-DOM和RSC-DOM均在275和345 nm处呈现明显的特征峰,表明2种堆肥均以类蛋白和类富里酸组成为主。该结果与ISLAM等[29]研究得到的城市污水DOM的光谱演化特征一致。随着Cu2+浓度增加,类蛋白和类富里酸荧光强度均明显减弱。与未添加Cu2+体系相对照,在100 μmol·L-1的Cu2+体系中,MRC-DOM和RSC-DOM在275 nm处的荧光强度分别降低了69%和70%,而在345 nm处的荧光强度则分别降低了66%和62%。结果表明,2种堆肥DOM均可与Cu2+发生显著的络合作用,且DOM中类蛋白质荧光组分与Cu2+作用更为强烈。该结果与GUO等[15]研究市政污泥堆肥DOM与Cu2+和Pb2+的作用结果一致。此外,MRC-DOM在345 nm处的猝灭强度(66%)要高于RSC-DOM(62%),表明前者类富里酸组分与Cu2+的络合作用更强。

图1 Cu2+滴定过程中MRC-DOM和RSC-DOM的同步荧光光谱变化

2.2 堆肥DOM中荧光物质与Cu2+的络合特征

为探讨Cu2+滴定过程中堆肥DOM的结构和组成变化特性,利用EEM-PARAFAC对DOM-Cu2+络合体系的荧光成分进行解析。图2显示的是EEM-PARAFAC解析出的3类荧光成分的EEM谱。根据文献[30-32],组分C1〔Ex/Em=265(365)/470 nm〕归属为类腐殖酸,组分C2〔Ex/Em=230(340)/410 nm〕归属为类富里酸,C3〔Ex/Em=225(275)/335 nm〕归属为类蛋白质,表明MRC-和RSC- DOM主要由类腐殖酸、类富里酸和类蛋白质组成。该结果与前期报道的猪粪、鸡粪、牛粪等堆肥DOM的荧光物质组成类似[12,33-34]。

图2 堆肥DOM的3个荧光组分

如图3所示,MRC-DOM和RSC-DOM中最主要成分为类腐殖酸(C1),相对含量分别为43%和39%。ZHU等[12]研究同样指出,牛粪和猪粪堆肥DOM也以类腐殖酸组成为主(33.7%～41.6%)。结果表明堆肥DOM腐殖化程度较高,含有丰富的高分子腐殖质[12, 33-34]。类富里酸(C2)和类蛋白质(C3)荧光成分在MRC-DOM和RSC-DOM中的占比存在明显差异,其中C2的相对含量分别为32%和29%,C3的相对含量分别为25%和32%。尽管MRC-DOM和RSC-DOM具有不同的荧光组成,在Cu2+滴定过程中却呈现类似的荧光猝灭特征。如图3所示,相较于未添加Cu2+的处理,100 μmol·L-1的Cu2+滴定体系中,MRC-DOM中C1、C2和C3的最大荧光强度(Fmax)分别降低了75%、63%和74%,RSC-DOM中分别降低了73%、62%和69%。结果表明,2种堆肥DOM中类腐殖质(C1和C2)和类蛋白(C3)荧光组分均与Cu2+发生显著的络合作用,但是C1、C3与Cu2+的结合能力均较C2结合能力强,这与前期报道的畜禽粪便、市政污泥等堆肥DOM中类腐殖酸或类蛋白质能与Cu2+发生显著络合作用的结果一致[15,33]。另一方面,MRC-DOM和RSC-DOM与Cu2+发生作用后不同荧光组分的猝灭比例几乎一致,表明2种堆肥DOM与Cu2+的络合机制类似。

图3 Cu2+滴定MRC-DOM和RSC-DOM的荧光猝灭曲线

根据修正的Stern-Volmer数学模型对DOM与Cu2+络合作用进行拟合,拟合曲线如图4所示,拟合得到的lgK和f如表2所示。MRC-DOM和RSC-DOM中不同荧光组分(C1～C3)与Cu2+的有效猝灭常数(lgK)在4.54～4.76之间,结合荧光团比例(f)分布在0.81～0.98之间。由此可知,2种堆肥DOM与Cu2+具有强烈的络合作用,这与HUANG等[8]研究的秸秆鸡粪混合堆肥DOM与Cu2+结合的猝灭常数相近。相对而言,不同荧光组分的lgK和f也存在差异。

图4 修正的Stern-Volmer模型对MRC-DOM和RSC-DOM与Cu2+络合拟合曲线

表2 堆肥DOM中荧光物质与Cu2+络合参数

由表2可知,MRC-DOM和RSC-DOM中类蛋白质组分(C3)的lgK值均高于类腐殖质组分(C1和C2),表明2种堆肥DOM中类蛋白质组分与Cu2+结合亲和力较强,这与ZHAO等[35]研究城市雨水径流DOM中类蛋白质组分表现出较强结合能力的结果一致。虽然堆肥DOM荧光组分与Cu2+产生的配合物具有相似的稳定性,但是相应的配体比例是不同的。MRC-DOM和RSC-DOM荧光基团比例的差异性与不同原料配比的堆肥DOM中荧光组分所含的官能团种类和荧光强度有关[15,33]。对于2种堆肥DOM,C1和C3的f值均略高于C2,表明类腐殖酸和类蛋白质较类富里酸具有更多的有机配体[32,35]。其次,RSC-DOM中C1和C2的f值均略高于MRC-DOM,说明RSC中类腐殖酸荧光组分含有较多的金属结合基团;MRC-DOM中C3的f值明显高于RSC-DOM,表明MRC中类蛋白组分含有较多的金属结合基团。

2.3 堆肥DOM与Cu2+络合的2DCOS分析

不同Cu2+浓度滴定下,MRC-DOM和RSC-DOM与Cu2+络合的同步荧光光谱的二维相关同步和异步谱图见图5。可以看出,MRC-DOM和RSC-DOM的二维同步谱图中均显示出2个明显的自相关峰,分别位于275和350 nm左右处〔图5(a)(b)〕,表明堆肥DOM中类蛋白和类富里酸荧光组分与Cu2+发生了明显的络合作用。相对而言,275 nm左右处自相关峰峰强显著高于350 nm左右处的峰强,表明堆肥DOM中类蛋白组分对体系中Cu2+浓度的变化更为敏感。GUO等[15]通过2DCOS研究市政污泥堆肥DOM与Cu2+作用时同样发现,位于273 nm处的类蛋白荧光基团较342～370 nm处的类富里酸荧光基团敏感。此外,同步谱中交叉峰(275/350 nm处)显示为正峰,表明类蛋白和类腐殖酸与Cu2+作用方向相同,且随Cu2+浓度的增加而降低,表现为类似的荧光猝灭特征。

图 5 MRC-和RSC-DOM与Cu2+络合的二维相关同步和异步谱图

二维异步谱可有效揭示堆肥DOM与Cu2+络合过程中参与反应的主要位点及其反应顺序。MRC-DOM和RSC-DOM呈现出相似的二维异步谱,具有相同的交叉峰(图5),说明2种DOM与Cu2+的络合机制相似。研究针对异步谱对角线右下方交叉峰展开说明。图5(c)(d)对角线右下方主要显示出3类交叉峰,分别为275/350、300/275和350/300 nm,符号分别为-、+和-,表明堆肥DOM中含有多种活性位点参与Cu2+的络合反应。前期已有研究发现,市政污泥堆肥[15]、鸡粪厌氧发酵[36]DOM中也存在类似的重金属(Cu2+、Pb2+、Zn2+)络合活性位点。此外,根据NODA规则[8,15],MRC-DOM和RSC-DOM中不同荧光活性位点与Cu2+的结合顺序为300 nm→350 nm→275 nm,表明Cu2+与DOM各组分结合的顺序为短波类富里酸→长波类富里酸→类蛋白质。由此可见,MRC-DOM和RSC-DOM中类富里酸优先与Cu2+发生络合作用,该结果与鸡粪厌氧发酵DOM中类富里酸与Cu2+优先反应结果一致,但是与市政污泥堆肥DOM中类蛋白组分与Cu2+优先作用的结果相反[15]。这些结果间接表明不同类型堆肥DOM可能存在相同的重金属结合位点,但是作用机制可能存在差异。