應用XAD大孔樹脂與陰陽離子交換樹脂串聯技術探究不同腐解時期魚糞溶解性有機質組分差異

楊淇茹 吳勝春 李雨桐

摘要：隨著我國漁業的快速發展，高密度網箱、網圍精養等集約型養殖模式在我國海洋養殖中被廣泛采用。生產過程中，養殖生物所產生的大量排泄物會使周邊水體中溶解性有機質（DOM）及氮、磷等營養鹽含量增加，造成水體富營養化和藻華的發生等環境問題。利用傅里葉紅外光譜儀對浙江省舟山市岱山縣桐盤灣某石斑魚養殖場的魚糞便中的DOM進行結構分析，得出羥基、甲基、羧基為主要官能團，并對DOM結構構象有重要影響。同時，通過XAD樹脂與陰、陽離子交換樹脂建立了魚糞便中DOM亞組分的純化分離方法，將其按極性分成6種組分，并探究在不同腐解時期魚糞便DOM各組分變化規律。研究發現，疏水性有機組分在整個腐解階段所占比例逐漸減少。其中疏水性酸、疏水性堿性有機物是魚類糞便DOM的主要組成成分，約占組分的55.8%～72.7%;親水性有機組分隨著腐解時間的增加，占比由8.0%提高至28.1%。

關鍵詞：魚糞;溶解性有機質;紅外光譜;組分分離

中圖分類號： X171.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0303-04

近海環境中的天然有機質（NOM）是全球碳循環中的重要組成部分，對水生生態系統結構與功能及全球生物地球化學循環起著至關重要的作用。其中溶解性有機質（DOM）占天然有機質的97.1%，是各種環境介質中的重要化學組分，是生態系統中物質與能量循環的重要物質[1]。DOM在操作層面被定義為能通過0.1～0.7 μm濾膜、且具有不同結構和分子量的有機物，如游離氨基酸、酶、多酚、碳水化合物、有機酸和腐殖質等[2-3]。在水生生態系統中，DOM還含有 —CH2、—CH3、—OH、—COOH、—CO、—NH2等多種官能團，可作為天然的載體或配體與水體中許多生物活性金屬元素如銅、汞、鎘、鋅、鉛、鈷、鐵等產生強烈的相互作用，從而影響它們的氧化還原行為、化學形態、生物有效性和毒性[4]。

在自然條件下，由于DOM濃度較低及大量無機鹽離子的存在，其元素分析、官能團分析等大大受阻[5]。盡管有些表征手段可以對DOM的特征進行一定程度的表征，但得到的結果往往不夠精確。因此，為了更好地認識DOM與金屬離子之間的相互作用機制，對DOM亞組分的分離、提純和結構表征顯得格外重要。近年來，隨著DOM組分純化分離技術的日漸成熟，根據DOM各組分的極性分類，XAD大孔樹脂與陰陽離子交換樹脂串聯分離方法被廣泛應用。本試驗根據需要對XAD分離技術進行改良和調整，并利用該技術對新鮮魚糞在水體中腐解時，水體中DOM各亞組分的濃度、所占百分比和主要官能團的變化規律進行討論，以期為進一步深入研究魚糞的環境效應及其與重金屬離子的絡合機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

供試魚糞便采自浙江省舟山市岱山縣桐盤灣某石斑魚養殖場（30°19′34.9″N，122°11′11.6″E）。在夏季對1年齡魚苗進行新鮮糞便收集，為提高收集量，于喂食后在魚排底部張細紗網收集。將采好的新鮮糞便立刻保存在4 ℃恒溫箱內帶回實驗室進行冷凍干燥，并充分混合均勻，備用。

試驗時間與地點：本試驗于2018年6—8月在浙江省土壤污染生物修復重點實驗室完成。

1.2 試驗方法

1.2.1 前期準備 稱取已處理好的魚糞10.0 g，置于5 L燒杯中，加入3 L 0.3% NaCl溶液（模擬海水）模擬腐解試驗。在試驗開始后0、5、10、20、30、60、90、120 d將魚糞便分別撈出，進行再次冷凍干燥，待其性狀穩定后研磨過100目篩。DOM的提取采用水浸提的方法，將過篩后的魚糞與超純水按照質量比為1 ∶ 10的比例進行混合，在黑暗條件下恒溫（25 ℃）振蕩24 h后高速離心，取上清液過0.45 μm玻璃纖維濾膜，獲得的產物即為DOM樣品，置于4 ℃冰箱內保存備用。

投入使用前的Amberlite XAD大孔樹脂需用2～4 BV的95%甲醇以1～2 BV/hr的速度過柱（須趕走氣泡），接著用蒸餾水以1～2 BV/hr的速度淋洗至流出液的溶解性有機碳濃度近乎為0;而陰、陽離子交換樹脂則需以60 ℃熱水反復清洗至浸洗水不帶褐色，且幾乎無泡沫為止。水洗后陽離子交換樹脂用3 BV濃度為3%～5%的HCl、NaOH溶液以2 BV/hr的流速按照酸-堿-酸的進液次序進行2次處理，陰離子交換樹脂的酸堿用量及流速與陽離子交換樹脂相對應，用3 BV濃度為3%～5%的NaOH、HCl溶液以2 BV/hr的流速清洗樹脂，進液次序為堿-酸-堿。處理完成的樹脂置于密封罐中，備用。

采用總有機碳分析儀測定不同腐解時間DOM中溶解性有機碳濃度（TOCDOM），并根據Leenheer的方法[6-7]提取DOM，經冷凍干燥獲得各組分固體樣本，計算DOM回收率，具體計算公式為

式中：MHOA為疏水酸性物質量;MHOB為疏水堿性物質量;MHON為疏水中性物質量;MHIA為親水酸性物質量;MHIB為親水堿性物質量;MHIN為親水中性物質量;TOCDOM為測得的溶解性有機碳濃度;VDOM為離心液體積。

1.2.2 樹脂柱搭建 圖1為根據DOM極性分類搭建的分離裝置，原液在蠕動泵的作用下以2 BV/hr的流速通過填滿樹脂的樹脂柱，同時用玻璃砂芯片將樹脂夾牢固定，以避免樹脂層中出現氣泡。檢測流出液中目的產物的泄漏量，待泄漏量達到進口濃度的10%時，停止進樣。根據洗出有機物的性質，采用不同類型的淋洗液進行淋洗。同樣以2 BV/hr的流速從反洗液輸入口輸入淋洗液，檢測反洗液中流出口流出液溶解性有機碳濃度，當該值近乎為0時，反洗結束。

1.2.3 DOM的富集分離 Amberlite XAD系列樹脂經常被用作根據極性分類分離DOM。不同類型的XAD樹脂其性質各不相同，它們通常有較大的比表面積，但由于它們對溶液中有機質的吸附作用是可逆的，導致這類樹脂只能選擇性地吸附天然水體中的部分有機質。根據Leenheer等介紹的方法[6-7]并加以改進，本研究采用Amberlite XAD-8、XAD-4大孔樹脂，BIO-RAD AG-MP-50飽和陽離子交換樹脂，DUOLITE A-7陰離子交換樹脂以及HCl、NaOH、CH3OH、NH4OH溶液，根據DOM在不同樹脂上吸附能力的差異，將其分為疏水堿性物（HOB）、疏水酸性物（HOA）、疏水中性物（HON）、親水堿性物（HIB）、親水酸性物（HIA）、親水中性物（HIN）6種有機組分。

疏水性有機組分（HO）過XAD-4樹脂后吸附在XAD-8樹脂上，疏水堿性物分別用0.10 mol/L和0.01 mol/L HCL反洗XAD-8樹脂獲得;疏水酸性物用0.1 mol/L NaOH反洗XAD-8樹脂獲得;疏水中性物并用空氣干燥XAD-8樹脂和甲醇進行索示提取獲得。

親水性組分（HI）分別吸附在BIO-RAD AG-MP-50、DUOLITE A-7離子交換樹脂上，親水堿性物用0.1 mol/L NH4OH反洗BIO-RAD AG-MP-50離子交換樹脂獲得;親水酸性物用3 mol/L NH4OH反洗DUOLITE A-7離子交換樹脂獲得;親水中性物用純水淋洗DUOLITE A-7離子交換樹脂獲得。

洗脫后的液體可在40 ℃下旋轉蒸發，再經脫鹽、冷凍干燥獲得固體樣品[8]。具體流程見圖2。

2 結果與分析

2.1 DOM的極性-酸堿性分組

根據圖2的分離方法，將新鮮魚糞便的DOM各組分分為6組，其中TOC占DOM的93%，與Leenheer報道的95%～115%[9]相近。從圖3可以看出，HOB和HOA是DOM的主要成分，占其總量的72.7%，這與Leenheer得出的疏水性物質占總DOM的40%～60%[9]相近，但Marhaba等報道，HOA的含量不會超過12%[10]。HON含量為19%;HIM總含量為8.3%， 與Swietlik報道的該值不會超過15%[11]相吻合。 與已有文獻中的試驗結果[7，10，12]相比，不同有機質組分占比不同（表1）。

2.2 DOM官能團組成及其光譜學特征

DOM是含有低分子質量化合物（游離氨基酸和糖）和酶、氨基糖復合物、多酚和HS的混合物，細微的條件改變均可導致其結構發生變化，采用傳統的化學分析方法容易在測定過程中改變其原有性質，因此DOM成分的確定是極其困難的。

根據Sierra等對DOM紅外光譜的解析發現[13-15]，從圖4可以看出，本研究中魚糞DOM含氧官能團含量相對較高，峰值出現在波長3 400 cm-1處，O—H伸縮振動，存在鍵合和非鍵合羥基;峰值出現在3 000～2 850 cm-1處，C—H伸縮振動，可存在脂肪族亞甲基;峰值出現在1 600～1 550 cm-1處的COO—反對稱伸縮及1 410 cm-1處的COO—對稱伸縮說明羧酸占比較高;峰值出現在1 000、680～610 cm-1處，表明存在C—O的伸縮振動及S—O伸縮振動，說明可能有無機化合物合物的碳酸鹽礦物和硫酸鹽。說明未經腐解的DOM各官能團顯性明顯，隨腐解時間的增長各基團含量減少并于 30 d 后趨于穩定。

綜上，DOM上的羥基、甲基、羧基等官能團的相互作用可對DOM構象產生影響。當這些官能團均帶有負電荷時，因其相互排斥，使得DOM結構相對疏松[16-17]。因此，某些環境因素的改變（如pH值、溫度等），若對官能團的電荷產生較大影響，將改變官能團之間的相互作用，進而改變DOM的微觀構象。

2.3 不同腐解時期DOM各組分變化

由式（1）可計算出不同腐解時期DOM溶解性有機碳濃度，由表2可知，由于腐解初期魚糞便有機物質向水體擴散，TOCDOM隨著腐解時間的增加而逐漸減少并于60 d后趨于平穩。同時，TOCDOM的降低，在一定程度上增大了DOM的回收誤差。

由圖5可知，疏水性有機物在整個腐解階段始終占有較大比例，為69.8%～91.7%。其中，HOA在腐解前5 d約占溶解性有機質總質量（MDOM）30%左右，隨著腐解深入，在第10天、第20天發生突躍，MHOA/MDOM最高可達46%，隨后趨于平穩。HOB在腐解前5 d所占份額最多，約為44%。其余時期基本穩定，數值在30%左右。HON受腐解時間影響并不明顯，占各個時期MDOM的20%左右。由圖6可知，親水性有機物各組分在整個腐解期間濃度變化相差不大，并沒有因魚糞中有機物質向水中釋放，使親水性有機物濃度降低，也正因為此原因，親水性有機物質量占MDOM的比例會隨著腐解的進行逐漸升高，最高可達28.1%。在整個腐解過程中親水性有機物各組分占比表現為MHIN>MHIB>MHIA。

3 結論

近海網箱養殖魚類糞便DOM主要由羧基、羥基、甲基等官能團組成，環境因素的改變可影響這些官能團的相互作用，以致DOM的微觀構象發生變化。

利用XAD樹脂和陰、陽離子交換樹脂串聯技術，對近海網箱養殖魚類糞便DOM加以富集分離，分為HOB、HOA、HON、HIA、HIB和HIN 6種有機組分，其中疏水性堿、疏水性酸是主要的組成成分，約占組分的72.7%。

隨著腐解的進行，疏水性有機物在DOM中的占比有所下降但始終占有較大份額，但HOA在腐解的10～20 d產出增大，隨后趨于平穩;親水性有機物在DOM中的占比則從8.0%升至28.1%，并且整個過程始終是MHIN>MHIB>MHIA。

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