畜糞蚯蚓處理后DOM變化及其與Cu(Ⅱ)的配合特性

張 志,朱維琴,單監利,胡 安,魏佳晉 (杭州師范大學生命與環境科學學院,浙江 杭州 310036)

畜糞蚯蚓處理后DOM變化及其與Cu(Ⅱ)的配合特性

張 志,朱維琴*,單監利,胡 安,魏佳晉 (杭州師范大學生命與環境科學學院,浙江 杭州 310036)

研究了畜糞、木屑混合物經蚯蚓處理后水溶性有機物(DOM)分子量及熒光光譜變化.結果表明,經蚯蚓處理后畜糞、木屑混合物中DOM分子量呈整體降低趨勢,分子量分布范圍變寬,但其DOM分子量仍高于無蚯蚓處理;蚯蚓處理后混合物DOM中的富里酸含量及分子結構芳香化程度增加明顯.進一步就蚯蚓處理前后DOM與Cu(Ⅱ)配合后的熒光光譜分析表明,蚯蚓處理后DOM更易與Cu(Ⅱ)產生配合反應并導致其直鏈變短或芳香基團的裂解;DOM中與Cu(Ⅱ)配合的基團主要包括—OH和—NH2等;且蚯蚓處理后DOM 中的富里酸類物質更易與Cu(Ⅱ)發生配合反應.

畜糞；蚯蚓處理；水溶性有機物(DOM)；Cu(Ⅱ)；熒光特性

近年來,由于飼料添加劑的廣泛應用,畜禽糞便中常出現重金屬超標的現象[1],其中,Cu是最常見的超標重金屬之一[2].蚯蚓堆肥是畜禽糞便減量化、無害化、資源化的新興途徑之一.目前,蚯蚓處理畜禽糞便的影響因素及其優化組合等相關報道較多[3-4],但是有關蚯蚓處理畜禽糞便過程中有機組分變化及其與重金屬的相互作用關系等鮮有報道.水溶性有機物(DOM)是可供異養微生物直接利用的有機碳源[5],主要由大分子腐殖質和小分子非腐殖質物質構成.在廢棄物堆肥過程中,DOM的變化可以靈敏地反映堆肥的腐熟狀況,其主要由有機廢棄物分解產生,并與腐殖質處于動態平衡中[6].研究表明,DOM 一般含—OH, —NH2,—C＝O和—COOH等活性功能團,易與重金屬發生配位反應,成為重金屬遷移活化的“載體”[7],進而影響重金屬的生物毒性和遷移能力.因此,有關DOM與重金屬相互作用的研究日益引起關注.DOM往往含有芳香羧酸和酚結構,在一定波長的光照射下,具有熒光特性,故可以利用熒光光譜學分析技術研究 DOM的組分特征及其變化特性[8].本研究擬通過研究豬糞、木屑經蚯蚓處理后DOM變化及其與Cu(Ⅱ)配合后的熒光光譜學特性,以探明畜糞蚯蚓處理過程中DOM結構特性變化規律及其與重金屬Cu(Ⅱ)的配合特性,從而為畜糞蚯蚓處理過程調控重金屬的遷移風險提供依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試廢棄物為豬糞和杉木木屑,豬糞取自杭州某養殖有限公司,木屑取自杭州某木材加工廠.將豬糞和杉木木屑放在陰涼處風干、碾碎或粉碎、過篩(2mm)后用于試驗.供試豬糞的基本理化性質如下:pH值7.89,全C 40%,全N 1.52%,全Cu 270mg/kg,全Zn 810mg/kg;供試木屑的基本理化性質如下:pH值5.30,全C 51%, 全N 0.12%, 全Cu 8.01mg/kg,全Zn 9.05mg/kg.供試蚯蚓為赤子愛勝蚓(Esisenia foetida),購自杭州市某養殖場,試驗前先對其清腸和預培養,選擇體重相近、環帶明顯的蚯蚓用于試驗.

1.2 試驗方法

試驗以豬糞為主料,木屑為輔料,將豬糞與木屑按質量比7:3混勻[3],添加MilliQ超純水調節含水量至70%,平衡穩定7d后備用,并以此時堆制物所提取的DOM作為處理前DOM(S1).然后,各稱取 200g(干物重)堆制物于置有保鮮袋的塑料桶中(桶底直徑 12cm,桶口直徑 15cm)用于添加蚯蚓的處理(S2)和無蚯蚓添加的常規處理(S3).其中,S2處理每桶按要求放入大小均勻、生長活躍、環帶明顯的赤子愛勝蚓4.5g (約15尾),并用扎孔保鮮膜封口以防蚯蚓逃逸和利于氣體交換.然后,將S2和S3處理各桶均置于溫度20℃,濕度70%的黑暗人工氣候室,分別培養60d后采樣.各處理均設三個重復,每隔2d澆一次水以保持基質濕度基本不變.

1.3 DOM提取方法

準確稱取 50.0g左右固體鮮樣,按干物質重與 MilliQ超純水體積 1:10[(W(g)/V(mL))加入MilliQ超純水,在室溫條件下,于200r/min下16h后,在4℃、12000r離心20min,取上清液過0.45μm的濾膜,濾液中的有機物即為 DOM[9].采用島津TOC-ControlV總有機碳分析儀測定DOM含量并以DOC含量(mg/L)表示.剩余樣品真空冷凍干燥后備用.

1.4 凝膠色譜分析

各處理 DOM分子量分布測定采用島津Lc-10ADVP 凝膠過濾色譜(Gel filtration chromatography, GFC)分析儀,測試用Lc-10ADvp泵、RID-10A示差顯示器、SCL-10Avp控制器、CTO-10ASvp柱溫箱、TSK4000凝膠色譜柱,分子量測試范圍為106以下.分子量標樣采用Merck公司聚乙二醇的混合標樣. DOM 樣品濃度為50mg/L.

1.5 DOM與Cu(Ⅱ)配位反應平衡液制備

取6個50mL聚丙烯離心管,各管中均加入300mg/L的DOM溶液20mL,然后滴加0.01mol/L或0.1mol/L的CuSO4溶液,使6個離心管中的Cu(Ⅱ)濃度依次為 0,10,50,200,1000μmol/L,使用兩種濃度(0.1mol/L和0.01mol/L)的HCl和NaOH溶液調各樣品pH值至8.0±0.1,加入的酸堿試劑總量不超過100μL,忽略濃度稀釋效應,在恒溫振蕩器中30℃、180r/min避光振蕩24h,在相同溫度下再避光靜置 4h,待反應平衡后,進行熒光光譜測定.

1.6 熒光光譜測定

采用島津RF-5301PC熒光分光光度計測定DOM 及其與 Cu(Ⅱ)配合后的熒光光譜.儀器參數為:儀器信噪比＞150,激發單色器狹縫寬度為5nm,發射單色器狹縫寬度為 5nm,發射和激發單色器的掃描速度均為 120nm/min.其中,為獲得發射光譜,固定激發波長為350nm,發射波長范圍為360～600nm;為獲得激發光譜,固定發射波長為560nm,激發波長范圍為 300～550nm;同步掃描激發波長為 300～600nm,其中Δλ=λ發射－λ激發=18nm.待測DOM樣品濃度均為300mg/L.

2 結果分析

2.1 畜糞、木屑蚯蚓處理后DOM分子量變化

如圖1所示,S1、S2、S3處理的凝膠過濾色譜圖譜均顯示出兩個峰,說明各處理 DOM中均含有兩個較為明顯組分.其中, S1處理DOM中2個組分的分子量分布范圍為 25～125ku、132～450ku,S2處理為18～118ku、125～508 ku,S3處理為16～98ku、141～398ku.評價分子量分布的指標中,最常用的是重均分子量(Mw)和數均分子量(Mn)的比值(Mw/Mn).Mw/Mn越大,表明分子量分布范圍越寬[10].如表1所示, S1、S2、S3處理的Mw/Mn分別為1.48、1.73和1.90,說明S2處理DOM的分子量分布范圍明顯大于S1處理卻小于S3處理.由圖1可見,與S1處理相比,S2和S3處理DOM的分子量均呈整體降低趨勢,但是,S2處理DOM分子量相對高于S3處理,可見,蚯蚓處理(S2)和常規處理(S3)均使畜糞、木屑堆制物 DOM分子量降低,但蚯蚓處理卻促進了較大分子量水溶性物質的存在,其原因可能是由于蚯蚓的引入使得 DOM分解進程“受阻”,或使部分小分子物質重新合成了部分大分子物質所致.

表1 蚯蚓處理后DOM的Mw, Mn, Mw/Mn變化情況Table 1 Changes of Mw, Mn, Mw/Mn of DOM derived from S1, S2 and S3 treatment

2.2 畜糞、木屑蚯蚓處理后DOM熒光特性

2.2.1 DOM發射光譜 發射、激發和同步掃描熒光光譜可以有效反映胡敏酸和富里酸的結構信息[11].由圖 2發射光譜可見,S1、S2、S3處理DOM的熒光發射光譜均表現為寬而單一的熒光峰,且S2處理DOM熒光發射峰強度明顯低于S1處理而高于S3處理.熒光發射光譜是具有相似來源的一類基團的總體熒光性質反應.Senesi等[12]認為熒光發射光譜強度減弱可揭示分子量降低及有機質的礦化.據此可見,畜糞、木屑經常規堆制及蚯蚓處理后,其 DOM分子量總體上均呈降低趨勢,但蚯蚓處理后DOM分子量相對較大,這與凝膠過濾色譜所得結果具有一致性.此外,與 S1處理相比,S3處理DOM熒光發射光譜峰的位置由 436nm移至 437nm,峰位置變化不明顯;與S3處理相比, S2處理后DOM熒光發射光譜峰的位置由 437nm 紅移至 442nm.有報道表明,450～460nm 為富里酸的特征峰[13].可見,蚯蚓處理促進了畜糞、木屑堆制物DOM的熒光發射光譜峰向富里酸的特征峰方向移動,即蚯蚓處理能增加DOM中富里酸的含量.

2.2.2 DOM 激發光譜 如圖 2激發光譜所示,S1、S2、S3處理DOM激發光譜均在392nm附近出現一個較強的熒光特征峰,在 450nm、468nm處各有一個相對較弱的熒光特征峰.與S1處理相比,S3處理DOM激發光譜熒光強度呈總體降低趨勢.但是,與S3處理不同,S2處理DOM激發光譜圖中 392nm處熒光強度降低,而其450nm、468nm 處的熒光強度卻增強.根據Rezacova等[14]和Senesi等[15]的報道,391nm處為胡敏酸的激發熒光峰,468nm處為富里酸的特征峰.據此推斷,畜糞、木屑的常規處理使DOM中的胡敏酸及富里酸含量均降低,而蚯蚓處理則使DOM 中胡敏酸的含量降低,富里酸含量增加,這與發射光譜的研究結論一致.

2.2.3 DOM 同步掃描光譜 與發射光譜和激發光譜相比,同步掃描光譜能夠給出更多的信息,它表示 DOM分子中幾種不同類型的熒光基團.在同步熒光光譜中,波長差 Δλ的選擇直接影響到同步熒光光譜的形狀、帶寬與信號的強度.基于相關報道[16],本研究選擇 Δλ=λ發射－λ激發=18nm研究DOM熒光光譜變化及其與Cu(Ⅱ)配合后同步熒光特性.

由圖2同步掃描光譜可見,S1處理在405、450nm處出現較強的熒光峰,在398、468、486nm處出現較弱的峰;S2處理在414、455nm處均出現較強的峰,在401、468、486nm處出現較弱的峰;S3處理在400、450nm處亦出現明顯熒光峰,但其熒光強度較S1處理明顯下降.但是, S2處理中455nm處熒光峰強度明顯高于S1、S3處理,且呈明顯紅移現象,即由S1、S3處理中的450nm移至S2處理中的455nm.有研究認為,直鏈聚合芳香環數和共軛雙鍵的增加,能導致峰位置的紅移[13].可見,畜糞、木屑經蚯蚓處理后其DOM中分子共軛作用加強,分子結構縮合度增加,芳香化程度明顯,這與徐軼群等[17]對蚯蚓處理生活污泥中DOM的熒光特性研究具有一致性.Bertoncini等[18]認為,熒光光譜峰位置產生紅移,說明 DOM中胡敏酸的含量降低,富里酸的含量升高.Senesi等[12]報道,污泥中富里酸的熒光特征峰位置為457nm,這與本研究中S2處理DOM的熒光同步掃描光譜中的特征峰455nm具有相似性.S2處理在455nm處的熒光強度遠高于S1處理和S3處理,說明畜糞、木屑的蚯蚓處理促進了其DOM中富里酸類物質含量增加.由于富里酸易與重金屬形成溶解態配合物[7],其對于蚯蚓處理過程中畜糞重金屬的遷移意義重大.

2.3 畜糞、木屑蚯蚓處理后DOM與Cu(Ⅱ)配合的熒光光譜特性

2.3.1 DOM 與 Cu(Ⅱ)配合的熒光發射光譜特性 如圖3所示,隨著溶液中Cu(Ⅱ)濃度的升高, S1、S2、S3處理DOM的發射光譜強度均依次下降,且最大熒光峰位置均發生藍移現象,其中, S1處理最大熒光峰由436nm移至430nm,S3處理最大熒光峰由437nm移至428nm,而S2處理最大熒光峰的藍移現象更為明顯,由442nm移至428nm.有研究認為[13],熒光強度產生藍移則說明直鏈變短或芳香基團的分解. 可見,各處理DOM均會與Cu(II)產生配合,且蚯蚓處理后DOM更易與Cu(Ⅱ)發生配合反應.

2.3.2 DOM 與 Cu(Ⅱ)配合的熒光激發光譜特性 如圖4所示,S1、S2、S3處理DOM與Cu(Ⅱ)配合后在392、450、468nm處的激發熒光強度均隨Cu(Ⅱ)濃度增加而降低,這與其熒光發射光譜峰強的變化規律具有一致性.何小松等[7]認為這可能與較高濃度的順磁性金屬離子(如 Cu2+等)能夠使DOM 產生熒光猝滅有關.Senesi等[19]認為,392nm處的熒光峰與木質素降解產物酚結構上的羥基有關,458nm處的熒光峰源于苯環上的供電子基團如—OH,—NH2等.可見,各處理DOM中—OH和—NH2等基團與Cu(Ⅱ)發生了配合作用.此外,蔣疆等[20]通過紅外光譜研究也發現,在溶解性有機質與金屬離子的配合過程中,—OH和—NH2均參與了與重金屬離子的配合,這與本研究結果一致.

圖3 S1、S2、S3處理 DOM與不同濃度Cu(Ⅱ)配合后發射光譜Fig.3 Effect of Cu (Ⅱ) on emission spectra of DOM derived from S1, S2 and S3 treatment

圖4 S1、S2、S3處理DOM與不同濃度Cu(Ⅱ)配合后熒光激發光譜Fig.4 Effect of Cu (Ⅱ ) on excitation spectra of DOM derived from S1 ,S2and S3treatment

圖5 S1、S2、S3處理DOM與不同濃度Cu(Ⅱ)配合熒光同步掃描光譜Fig.5 Effect of Cu (Ⅱ) on synchronous spectra of DOM derived from S1, S2and S3 treatment

2.3.3 DOM 與 Cu(Ⅱ)配合的熒光掃描光譜特性 由圖 5可見,S1處理 DOM 溶液中加入0.01mmol/L的Cu(Ⅱ)時,其在439nm和450nm附近的熒光強度增強,而在392nm和405nm附近的熒光強度降低;當加入 Cu(Ⅱ)濃度達到0.05mmol/L時,所有熒光峰的熒光強度均有所下降,這表明 S1處理 DOM中部分熒光基團與Cu(Ⅱ)的配合能力較差,在 Cu(Ⅱ)濃度低時不能與之配合,反而使其剛性增強,熒光強度增大,而其另一部分熒光基團與 Cu(Ⅱ)的配合能力較強,配合后熒光基團剛性降低,熒光強度下降.何小松等[7]研究金屬與有機物相互作用時也發現了類似的現象.與S1處理不同,加入不同濃度的Cu(Ⅱ)后,S2、S3處理中DOM各熒光峰強度均呈下降趨勢.與S3處理相比,S2處理隨Cu(Ⅱ)濃度的升高,代表富里酸類物質的455nm處熒光強度降低尤為明顯.另有研究發現,富里酸及一些有機酸對重金屬的配合能力較強[21],De Zarruk等[22]研究發現,DOM中小分子量的物質更易與 Cu(Ⅱ)形成穩定的DOM–Cu配合物.由于蚯蚓處理DOM中分子量較小的富里酸含量增加,因此可以認為,畜糞蚯蚓處理堆制物 DOM中富里酸類物質更易與 Cu(Ⅱ)形成穩定配合物,進而潛在影響畜糞中Cu的遷移行為.

3 結論

3.1 畜糞、木屑混合物經蚯蚓處理后,DOM 分子量整體上呈降低趨勢,且其分子量分布范圍變寬,較之常規處理,蚯蚓處理促進了DOM中較大分子量物質的存在.熒光光譜研究表明蚯蚓處理使其 DOM中富里酸含量增加,從而可能潛在影響畜糞中重金屬的遷移行為.

3.2 畜糞、木屑經蚯蚓處理后所獲DOM更易與 Cu(Ⅱ)產生配合反應并導致其直鏈變短或芳香基團的裂解,DOM 中與 Cu(Ⅱ)配合的基團主要包括—OH和—NH2等;且蚯蚓處理DOM 中的富里酸類物質更易與 Cu(Ⅱ)發生配合反應.因此, 畜糞蚯蚓處理過程中可能通過增加DOM中的富里酸含量進而促進畜糞中的 Cu(Ⅱ)向環境中的遷移.

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Variation of fluorescence spectrum of DOM and the behavior change of DOM complexed with Cu (Ⅱ) before and after vermicomposting of livestock excrement.

ZHANG Zhi, ZHU Wei-qin*, SHAN Jian-li, HU An, WEI Jia-jin (College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China). China Environmental Science, 2012,32(7)：1319～1325

Livestock excrement amended with sawdusts was vermicomposted and investigated for alterations of molecular weight and fluorescence spectrum of dissolved organic matter (DOM) before and after vermicomposting. The results demonstrated after earthworm treatment, the molecular weight of DOM decreased in general, and its distribution range became larger while its molecular weight was still higher than the treatment without earthworm. The content as well as the scale of molecular structure aromatization of fulvic acid in DOM after vermicomposting was significantly increased. The analysis of fluorescence spectrum in terms of DOM complexed with Cu(Ⅱ)further revealed the effect that fluorescence quenching of Cu (Ⅱ) on DOM was remarkable, and DOM from vermicompost was more likely to complex with Cu (Ⅱ) and could lead to a shortening of its straight chain or the pyrolysis of aromatic group. Groups such as —OH and —NH2in DOM engaged in the complexation with Cu (Ⅱ). Moreover, fulvic acid in DOM after vermicomposting was more conducive to the complexation with Cu (Ⅱ).

livestock excrement；vermicomposting；dissolved organic matter (DOM)；Cu (Ⅱ)；fluorescence

2011-10-31

浙江省自然科學基金資助項目(Y306160);杭州師范大學中青年培育基金(2010QN17);杭州師范大學國家級一般項目培育基金(2010PYjj18);浙江省大學生新苗人才項目(2010R421044)

* 責任作者, 副教授, zhwq-2000@tom.com

X705

A

1000-6923(2012)07-1319-07

張 志(1986-)男,山東青島人,杭州師范大學生命與環境科學學院碩士研究生,主要從事固體廢物資源化利用研究.