垃圾填埋場腐殖質形成機制與影響因素研究進展

潘 琦 劉洪寶 劉嬌嫻 孫曉杰 何小松*

1 桂林理工大學環境工程學院 桂林 541006

2 中國環境科學研究院國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室 北京 100012

伴隨著人口規模的增長和經濟水平的發展，城市生活垃圾產量日趨增加。統計顯示，2018 年我國城市生活垃圾清運量高達2.28 億噸。填埋是我國城市生活垃圾最主要的處置方式。住建部統計年鑒顯示，2018 年我國有垃圾填埋場663 座，總處理垃圾11706 萬噸，占生活垃圾總處理量的51.9%。除此之外，我國還有大量的封場填埋場和歷史堆存垃圾，總量超過40 億噸，如此數量龐大的填埋場和堆存垃圾，對周圍生態環境污染風險巨大。

垃圾填埋場對環境的污染風險主要源于含有大量易降解有機質，它們是填埋氣和滲濾液污染的直接物質來源。甲烷是重要的溫室氣體、也是填埋場爆炸風險源。垃圾填埋場滲濾液生物需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）濃度高[1]；富含Ca、Fe、Cu、Pb、Cr 等金屬離子，抑制微生物活動[1]；有機物種類多且復雜；氨氮高，磷含量低，營養比例失衡；色度深，有臭味。因此，降低填埋垃圾中有機質的含量，提高填埋場有機質的穩定度，進而降低填埋氣排放和滲濾液中污染物濃度，是消除垃圾填埋對周圍環境污染隱患的關鍵。垃圾填埋后，其中的有機質發生降解和腐殖化，最終形成甲烷和腐殖質達到穩定。因此，強化填埋垃圾中有機質形成腐殖質，提升有機質的腐殖化率，對加速垃圾填埋穩定化進程、降低填埋場污染排放、消除填埋場環境污染風險意義巨大。鑒于此，本文綜述了目前填埋場腐殖質形成機制、腐殖質氧化還原機理及其能力、腐殖質形成來源物質的降解機制、無機礦物與微生物耦合促進腐殖質形成機制。本文目的在于綜述研究填埋場生化腐殖質形成機制及其影響因素過程中前人的成果，分析目前在此研究中的不足，并提出未來研究方向。

1 填埋場腐殖質形成機制

生活垃圾填埋后，其中的有機質在微生物的作用下發生降解和腐殖化，初期主要發生好氧降解，降解速率較快，產物主要為二氧化碳和水；伴隨著降解的進行，氧氣被耗盡，填埋場進入厭氧降解階段，大量易降解物質被分解，產生有機酸、甲烷和二氧化碳等物質，主要剩下木質纖維素等難降解物質。到填埋中后期，這些難降解物質和其他一些代謝中間產物一起形成了腐殖質類物質，填埋場進入腐殖化階段[2]。按照經典的“氫氧化鈉/焦磷酸鈉提取-鹽酸或硫酸沉淀-過大孔吸附樹脂”有機質分組方法，填埋場腐殖質可分為胡敏素、胡敏酸及富里酸。國內外學者采集固體垃圾樣品，通過堿溶液提取方法獲得胡敏酸和富里酸，并對其組成和結構演化進行了研究[3，4]。然而，2011 年和2015 年Nature雜志上連續發文指出，堿溶液提取胡敏酸和富里酸過程中，小分子有機質可通過氫鍵、疏水作用和范德華力聚合形成大分子假腐殖質物質，這些假腐殖質在原狀固體樣品中是不存在的[5，6]。通過研究發現，腐殖質提取過程，小分子苯環化合物可吸附在無機礦物上形成大分子類腐殖質物質，這些類腐殖質在原狀樣品中也是不存在的。因此，采用堿溶液提取腐殖質的方法研究腐殖質形成機制，所得部分結論可能與真實情況存在差距，需要利用原狀固體樣品直接研究腐殖質的形成。

木質纖維素由木質素、纖維素和半纖維素3 種基本單元構成。木質素的基本單體為4-羥基苯丙烷，纖維素和半纖維素則是由糖單元通過糖苷鍵連接而成。關于腐殖質的形成有多個假說，包括木質素-蛋白質縮合的木質素假說、木質素多酚氧化為醌后與含氮物質縮合的多酚假說、微生物合成假說和糖-胺縮合假說等[7，8]。目前，大家比較公認是腐殖質是多酚和醌的復合體，即木質纖維素降解成多酚，多酚進一步氧化為醌，醌自行縮合或與氨基酸/多肽聚合形成富里酸和胡敏酸，胡敏酸進一步縮合形成胡敏素，但亦有研究認為胡敏素是木質纖維素降解殘渣，其深度降解可轉化為胡敏酸和富里酸[4，7]。

黃友福等[9]在研究中發現，填埋場中富里酸的濃度以及在滲濾液中比例均高于胡敏酸，而且兩者濃度隨填埋場年齡均呈現出先上升后下降的趨勢，究其原因發現，在填埋早期，垃圾中的有機質轉化為結構較為簡單的富里酸，而富里酸不斷縮合生成胡敏酸，因此胡敏酸較富里酸有更多的芳環結構，更大的分子量和更高腐殖化程度，而且胡敏酸的最大濃度以及占滲濾液最大比例出現的時間均比富里酸的要晚一些。隨著腐殖化過程的進行，填埋場體積增大，微生物增加，所需有機質增加，富里酸缺乏補充，含量開始減少，進而胡敏酸含量也降低，且中晚期胡敏酸與礦物黏結合形成難提取的有機物，從而進一步削減了滲濾液中胡敏酸含量。

2 腐殖質氧化還原機理及其能力

天然腐殖質廣泛存在于土壤、河流底泥、海洋沉積物和填埋場中[10]。腐殖質具有吸附、絡合屬性，同時還具有氧化還原能力，腐殖質的氧化還原能力主要來源于醌、酚等官能團，其中還原態醌基團是腐殖質還原能力的主要來源。醌類物質在微生物胞外呼吸菌的作用下接受電子還原成氫醌，這些氫醌被微生物胞外電子受體如鐵氧化物、氯代有機物等氧化成相應的半醌，最后氧化為醌。相比于需要通過微生物功能蛋白與微生物胞外電子受體接觸才能發生的直接電子傳遞，間接電子傳遞可通過電子穿梭體加速電子傳遞，有效提高了微生物胞外電子傳遞效率。因此，電子穿梭體對特定環境下終端電子受體的循環有著極其顯著的作用。而腐殖質是天然的電子中介體，能有效地加速電子在微生物和電子受體之間的傳遞，使反應速率增大一到幾個數量級[11]。腐殖質還原作用的本質是腐殖質發揮電子受體的作用，從外部接收電子，從氧化態轉化為還原態，再將接收的電子傳遞給污染物，污染物被還原的同時腐殖質從還原態轉化為氧化態。在這個反應過程中不應該把氧化態腐殖質接收電子當作一個單獨的反應，而應該與下一步還原態腐殖質傳遞電子給污染物將其還原的反應看作一個完整的過程[12]（圖1）。

圖1 腐殖質氧化還原污染物示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of humic substance redox pollutants

近年來國家對滲濾液處理的要求不局限于BOD、COD、固體懸浮物（SS）等傳統方面，更著重于對揮發性有機物以及半揮發性有機物的治理。其中多環芳烴化合物以及多氯聯苯化合物均具有濃度低但環境污染風險大且不易被微生物降解的特性。胡妍玢等[12]發現腐殖質能夠促進氯代物的還原脫氯，對苯環類物質也能發揮降解的作用。因此，目前腐殖質對氯代物脫氯是研究熱點之一。腐殖質不僅能夠對長鏈烴類的物質具有脫氯的作用，對難降解的苯環類物質也有還原降解作用[11，12]。研究發現，腐殖質在厭氧條件下還原能力更強，部分學者對厭氧條件提高腐殖質還原能力的機理進行研究，發現在厭氧條件下主要作用微生物是腐殖質還原菌[11]。腐殖質還原菌通過還原腐殖質，進一步提高腐殖質的還原能力，并且在厭氧條件下腐殖質還原菌還原腐殖質的效果更好。

3 腐殖質形成來源物質的降解機制

填埋垃圾中的腐殖質主要來源于垃圾中木質纖維素的降解，研究垃圾中的腐殖質應該從木質纖維素入手。自然環境下木質纖維素降解主要通過微生物進行，但木質纖維素中木質素、纖維素和半纖維素相互交聯，單一微生物難以降解，需要多種微生物菌群分泌胞外酶協同進行[13，14]。能夠降解木質纖維素的微生物主要為真菌和細菌，真菌對木質纖維素的降解能力較強，尤其是對木質素的降解比細菌更強，它們可分泌多種酶族群實現木質纖維素的降解，如孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、變色栓菌（Trametes versicolor）、彩絨革蓋菌（Coliolus versicolor）、曲霉（Aspergillus）、木霉（Trichoderma）等真菌均能降解木質纖維素；細菌主要降解纖維素和半纖維素，它們主要通過分泌纖維素酶和半纖維素酶實現木質纖維素降解，如假單胞菌（Pseudomonas）、纖維單胞菌（Cellulomonas）、熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）、黃桿菌（Flavobacterium）、黃單胞菌（Xanthomonas）等細菌均能降解纖維素和半纖維素[15～17]。

木質纖維素的生物降解由木質素酶、纖維素酶和半纖維素酶三者協同完成，其中木質素需要木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等酶族群協同實現降解，纖維素需要內切葡聚糖酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶等酶族群協同實現降解，半纖維素需要β-1，4-內切木聚糖酶、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實現降解。2010 年Vaaje-Kolstad 等[18]首次在Science 雜志上發表了降解木質纖維素新酶類型，稱之為裂解多糖單加氧酶，它可以通過氧化方式高效斷裂木質纖維素中的糖苷鍵，實現纖維素和半纖維素的降解，進而加速木質纖維素轉化過程。裂解多糖單加氧酶的發現改變了人們對傳統水解酶作用方式的認識，為木質纖維素的生物轉化提供了新的酶解方案[19，20]。目前，關于填埋場中木質纖維素降解關鍵微生物和功能酶尚不清楚，限制了垃圾填埋場快速穩定技術的開發。

高通量測序、宏基因組學、宏轉錄組學和宏蛋白質組學的發展，為人們認識特殊生境中微生物群落組成、演替及功能提供了新的技術和手段，這些技術可以在非培養條件下研究特定生境中的微生物及其功能，為特殊生境中降解有機物轉化的相關微生物和酶的發掘提供了新的可用途徑。Liu等[21]采用高通量測序，發現細菌中的Firmicutes和Actinobacteria對于苯環化合物降解具有重要作用；Martins 等[22]采用宏基因組學技術，結合直系同源簇（COG）功能基因預測方法，在堆肥生境中發現了112 個纖維素酶相關蛋白質；Colombo 等[23]采用宏基因組學，發現了堆肥木質纖維素降解新酶類型。相對于堆肥生境，垃圾填埋先為好氧、后為厭氧、最后又為好氧環境，經歷了酸化、產甲烷、形成腐殖質多個階段，微環境變化跨度大，推測降解木質纖維素的相關微生物和功能酶也不斷演替，目前垃圾填埋相關微生物和功能酶的研究集中在模擬填埋柱上[21]，采用高通量測序、宏基因組學、宏轉錄組學和宏蛋白組學技術深入探究實際填埋場復雜微環境變化下木質纖維素降解關鍵微生物和功能酶較少，限制了填埋場優化調控快速合成腐殖質達到穩定化。

4 無機礦物與微生物耦合促進腐殖質形成機制

除了微生物外，一些無機礦物在腐殖質的形成過程中也發揮著重要的作用。研究認為，多酚催化聚合是有機質聚合和腐殖化的重要反應歷程[24]。在木質纖維素經多酚合成腐殖質的過程中，多酚氧化為醌是腐殖質合成限速步驟，該反應可以通過微生物完成，也可以通過環境中的水鈉錳礦、二氧化錳等無機礦物催化完成，這些無機礦物在酚類聚合、酚類-氨基酸聚合及其隨后的腐殖化過程起著重要的催化作用[25]。鐵錳等礦物在氧化有機質過程中，往往同時發生聚合反應，導致兩個或多個苯環化合物聚合形成更大分子量的有機質[26，27]，這是腐殖質形成的重要機制。在填埋垃圾中，不可避免混有土壤，特別是垃圾填埋作業需要每日覆土，其中不可避免含有各種無機礦物，但無機礦物不能直接氧化木質纖維素形成腐殖質，推測其促進腐殖質形成需要與微生物耦合共同完成。目前關于填埋場中無機礦物耦合微生物促進腐殖質合成機制尚不清楚，有待探索和破解。

同步輻射顯微紅外成像技術（SR-FTIR）、微束X 射線熒光分析技術（μ-XRF）、微電子探針技術（EPMA）、納米二次離子質譜技術（NanoSIMS）的開發和發展，為原位研究有機質和無機礦物及其相互作用過程提供了可用方法。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、鎘及無機礦物的分布模式，確定了鎘的分布與無機礦物相似，即鎘結合在無機礦物上（圖2）；Wang 等[29]采用NanoSIMS，對硫、銀的分布進行了原位成像，可直觀顯示在固體表面的分布狀態。NanoSIMS 還可以原位研究微生物的分布特征[30]。采用上述技術，可以在不提取腐殖質下，原位研究固體廢物中腐殖質、無機礦物和微生物分布模式，據此推測無機礦物和微生物對腐殖質形成的影響，而這方面的研究幾乎為空白。

圖2 原位研究有機質和無機硅、鋁礦物[28]Fig.2 In-situ study of organic matter and inorganic silicon and aluminum minerals

5 總結與展望

5.1 總結

在填埋中后期，填埋垃圾的有機質在微生物腐殖化作用下產生腐殖質。腐殖質是電子穿梭體[12]，在促進氯代物的還原脫氯和苯環類物質降解方面起到重要作用。腐殖質還原菌通過還原腐殖質增強腐殖質的還原能力，尤其在厭氧狀態下對腐殖質還原效果更好。多氯聯苯類化合物是滲濾液中的主要污染物之一，該類物質具有難降解、濃度低但危害大的特點，因此研究腐殖質對氯代物的還原脫氯作用有重要意義。腐殖質主要來源于木質纖維素，木質纖維素成分復雜且難降解（單一微生物難以降解）。根據前人的研究發現[5，6，31]：（1）堿液處理后的腐殖質不能完全代表原狀腐殖質；（2）微生物可以將木質纖維素降解形成多酚，但填埋場微生物很難將多酚聚合成腐殖質；（3）腐殖質是植物中的哪些組分、腐殖質合成途徑及促成腐殖質合成反應因素存在爭議；（4）目前未知的或引起爭論的問題，主要是所謂腐殖質“大分子”或“超分子”概念、立體構型方式、與相關物質結構的關系，以及不同來源、不同環境條件下腐殖質分子構型的變化等；（5）缺乏重大理論突破和突出的知識成果創新，存在科研人員低水平重復勞動的現象，生產中許多亟待探索和解決的問題卻無人問津；（6）缺乏對填埋場腐殖質的深入研究。

5.2 未來研究展望

國內外關于有機物氧化的文獻報道顯示[25～28]，與其他氧化劑只能將有機物氧化成比母體更簡單的化合物不同，二氧化錳等在氧化多酚的同時可以促使氧化產物與多酚聚合形成二聚體，在填埋場微生物降解木質纖維素形成腐殖質過程中，可能需微生物和無機礦物共同發揮作用才能快速實現木質纖維素的降解，即微生物將木質纖維素降解形成多酚，無機礦物將多酚氧化聚合成二聚體或多聚體形成腐殖質。未來應當強化研究垃圾填埋木質纖維素降解形成腐殖質過程，闡明生活垃圾填埋木質纖維素降解特征與腐殖質形成規律，確定影響木質纖維素降解形成腐殖質的關鍵微生物和無機礦物，揭示關鍵微生物與無機礦物耦合促進腐殖質形成機制，進而提出調控措施加快填埋有機質向結構穩定的腐殖質轉化。

明確垃圾填埋腐殖質形成和轉化的關鍵微生物和無機礦物，可以在垃圾填埋作業和覆土過程，利用填埋場開挖得到的富含相關微生物和礦物的腐殖土或其他來源的微生物和礦物，針對性地補充到新垃圾填埋場，輔助調控填埋場的供氧和濕度等環境條件，加速填埋垃圾腐殖化和腐殖質的形成，提高填埋垃圾的穩定度，降低垃圾填埋甲烷產生和滲濾液污染物濃度，進而降低或消除填埋場環境污染。除此之外，研究明確腐殖質分子立體結構以及填埋場腐殖質分子結構變化有重大意義。

目前，我國垃圾收運量仍在快速增加，而可用于填埋的空間卻越來越少，急需將填埋的陳腐垃圾好氧穩定化后開挖騰出新的填埋空間。此外，對于我國大量堆積的非正規垃圾填埋場，也需對填埋場中有機質進行強化降解和穩定化處理，降低它的環境污染潛力，為填埋垃圾深度穩定化提供指導和技術方案。