秸稈生物質炭DOM光譜特征及其與Cu2+的相互作用

李婉秋,施暖暖,Marios Drosos,李戀卿,潘根興 (南京農業大學農業資源與生態環境研究所,江蘇 南京 210095)

土壤是支撐人類生存和發展的重要自然資源,隨著中國工業、農業現代化的快速發展,工業“三廢”的排放、化肥和農藥的過量施用等問題,土壤重金屬污染問題日益突出[1].銅(Cu)是動植物生長發育的重要微量元素,但是過量的 Cu會對動植物體造成危害[2-3],作為農田土壤的主要重金屬污染物之一,Cu在我國耕地土壤中的點位超標率高達 2.1%[4].有機物質可通過吸附、沉淀、絡合等作用影響土壤中Cu的遷移轉化[5-6].羅春巖等[7]的研究發現,施用有機肥可以使磚紅壤中的Cu、Pb由不穩定的可交換態和碳酸鹽結合態向穩定的有機結合態和殘渣態轉化.溶解性有機質(DOM)是有機質中較活躍的組分[8],對 Cu在土壤中的轉化起著重要的影響作用.Guo等[9]研究堆肥過程中的DOM與Cu的結合特性,發現類蛋白質組分比類腐殖質組分優先和 Cu結合.Araujo等[10]研究表明,施用牛糞增加了土壤中的DOM,從而促進Cu的遷移.近年來,生物質炭作為一種新型的環境功能材料不僅被廣泛用于改良土壤,提高土壤肥力和農作物產量,其在土壤重金屬污染修復方面也發揮著重要作用[11-12].由于生物質炭的DOM含有豐富的羧基、酚羥基等活性有機官能團,具有較高的芳香性,可以顯著影響重金屬的遷移轉化特性.Dong等[13]發現甜菜殘渣和巴西胡椒木生物質炭DOM中的羧基可以促進Cr(VI)還原為Cr(III)、As(III)氧化為 As(V),DOM 中的半醌自由基也參與了As(III)氧化的過程.Kim等[14]研究表明,300℃熱解的污泥和水稻秸稈生物質炭含有大量的DOM,不僅促進了土壤中Fe的還原溶解,還可通過與磷酸鹽的競爭解吸作用增強As在土壤中的遷移性.顯然,在施用生物質炭前對生物質炭中DOM的性質進行研究極為重要.生物質炭中DOM的含量和組成在很大程度上受生物質炭的原料、熱解溫度等因素的影響[15-17].目前,大量研究集中于不同熱解溫度的生物質炭DOM組分的變化及其絡合重金屬特性的報道.Mukherjee等[18]研究表明,伽馬草(Tripsacum floridanum)和橡木在 250℃熱解的生物質炭比650℃釋放更多的 DOM.Jamieson等[19]發現,與350℃相比,600℃制備的黃樺木和糖楓木生物質炭的 DOM 具有更高的芳香性和平均分子量.Xing等[20]研究發現隨著熱解溫度升高,污泥生物質炭DOM中的類蛋白質和類腐殖質組分對Cu的絡合親和力均降低,其中500℃生物質炭DOM中類腐殖質組分與Cu親和力較強,而類蛋白質組分在300℃生物質炭DOM中與Cu結合最快.已有學者研究了不同原料生物質炭DOM的特性,例如Zhang等[21]研究表明,300℃和500℃的玉米秸稈炭的DOM含量均比豬糞炭高,但關于原料對生物質炭中 DOM與 Cu相互作用特征的影響的比較研究仍然缺乏,因此有必要對不同原料制備的生物質炭的 DOM進行深入研究.

紫外-可見光譜以及熒光激發-發射矩陣(EEM)光譜結合平行因子(PARAFAC)分析可通過將復雜的 EEM 光譜分解成單獨的熒光組分來定性和定量描述DOM的熒光組分[22],表征DOM的組成和性質.張海洋等[23]通過紫外-可見和三維熒光光譜分析發現隨著秸稈的分解周期增長,秸稈源 DOM 的芳香性、腐殖化程度及分子量增加,類酪氨酸、類腐殖酸和類富里酸組分逐漸積累.Wei等[24]從菜籽餅生物質炭DOM中識別出3種類型的類腐殖質組分和1種類蛋白質組分,發現各組分與Cu的結合能力均較低.Guo等[25]利用 EEM-PARAFAC方法從沼液DOM 中鑒定出陸地源類腐殖質、微生物源類腐殖酸、類富里酸組分以及兩種類色氨酸組分,并結合熒光猝滅實驗進一步發現沼液DOM可以與Fe3+形成極其穩定的絡合物.此外,利用同步熒光光譜的二維相關光譜(2D-COS)方法可定性的分析DOM與重金屬的結合位點和順序等特征.Huang 等[26]利用2D-COS方法分析發現Cd與DOM的結合首先出現在類蛋白質和類富里酸組分中,而類蛋白質和類腐殖酸組分對Cu的親和力更強.

本研究以玉米、水稻和花生秸稈生物質炭為研究對象,利用紫外-可見光譜、三維熒光光譜和同步熒光光譜的二維相關分析等多種光譜分析技術,研究不同秸稈原料生物質炭DOM的組成及其與Cu2+的相互作用特性,以期為研究秸稈生物質炭對環境中重金屬遷移特性的影響提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 生物質炭的制備

將干燥且粉碎好的玉米秸稈、水稻秸稈和花生秸稈裝入不銹鋼罐中,封好后放于馬弗爐內,先升溫至 450℃后保持該溫度 2h,然后在爐內冷卻至室溫,磨細過100目篩待用.

1.2 DOM提取與分析

將過100目篩的生物質炭與超純水按1:20(m: v)的固/液比混合,在 220r/min和 25℃下振蕩 24h后,于4000×g下離心30min,上清液通過0.45μm濾膜過濾,得到生物質炭DOM溶液,避光保存在4℃下以進行后續實驗.使用 TOC分析儀(AnalytikJena,multi N/C3100)測定溶解性有機碳(DOC)含量,計算樣品的DOM含量.玉米秸稈、水稻秸稈和花生秸稈生物質炭的DOM依次記作MSB-DOM、RSB-DOM和PSB-DOM.

1.3 DOM和Cu2+的絡合滴定實驗

為了使內濾效應最小化,將所有DOM溶液稀釋至10.0mg/L[27].使用0.1mol/L NaOH或HCl溶液將溶液pH值調節至7.0±0.05,以避免沉淀.滴加不同量的0.1mol/L Cu(NO3)2溶液到50mL DOM溶液中,生成一系列的滴定樣品,溶液中Cu2+的最終濃度為0、5、10、15、20、30、40、50、75、100μmol/L,為了避免濃縮效應,添加的 Cu2+溶液不超過 50μL.隨后,將滴定的溶液在 25℃下避光搖動 24h,以確保達到絡合平衡,最后對該溶液進行三維熒光、同步熒光和紫外-可見光譜分析.實驗設3個平行樣品.

1.4 光譜測定

對于紫外-可見光譜分析,使用紫外-可見分光光度計以1nm的間隔掃描200～800nm波長范圍內的吸收光譜,以超純水為空白.

SUVA254常被用來表征DOM的芳香化程度[28],計算公式如下:

式中:a254是樣品在波長254nm處的吸收系數,m-1; A254是波長254nm處的吸光度;lL是比色皿的長度,m.

紫外光譜可分為波長低于190nm或190nm左右的局部激發帶(LE),190～240nm 之間的苯環吸收帶(Bz),波長高于 240～250nm 的電子轉移帶(ET).用253nm和220nm處吸光度的比值來表示EET/EBz,與芳香環上的取代基的種類和取代程度有關[29].

DOM樣品的熒光光譜使用熒光光譜儀(F97Pro,上海棱光)進行測定.三維熒光光譜掃描的激發(Ex)波長范圍為200～450nm(增量為 5nm),發射(Em)波長范圍為 250～550nm(增量為 1nm),掃描速度為2400nm/min,激發和發射狹縫均為 5nm.同步熒光光譜的激發波長在 250～550nm 范圍內,恒定偏移量Δλ=60nm,激發和發射狹縫寬度為 5nm,掃描速度設定為240nm/min.以超純水為空白.

1.5 平行因子(PARAFAC)分析和絡合模型

應用PARAFAC建模來識別生物質炭DOM的熒光組分,使用 Matlab R2019b中的 drEEM 和N-Way工具箱運行并驗證PARAFAC模型[22].鑒于不同DOM的三維熒光光譜之間存在顯著差異,分別使用每種生物質炭DOM絡合滴定的30個樣品進行PARAFAC分析.數據集使用2至7個組分的模型擬合,通過裂半分析、殘差分析和目測確定了最佳組分數,并獲得各組分的最大熒光強度(Fmax),表示 DOM組分的相對含量.

使用改進后的Stern-Volmer絡合模型[30]來確定Cu2+與DOM中單個熒光組分的絡合能力,該方法基于總配體結合的比例與熒光強度之間存在線性關系,并且假設金屬離子與配體形成 1:1的絡合物.改進的Stern-Volmer方程表示如下:

式中:F0和 F分別代表在不添加 Cu2+和不同Cu2+濃度CM(mol/L)時DOM組分的熒光強度.KM表示DOM與Cu2+之間的絡合穩定性常數,f是絡合能力,代表參與Cu2+絡合的熒光團比例,KM和f都是從線性擬合獲得的參數.

1.6 二維相關(2D-COS)分析

為了研究Cu2+與DOM結合的位點、順序,使用不同濃度的Cu2+作為外部擾動,對絡合后的DOM樣品的同步熒光光譜進行 2D-COS分析.2D-COS分析是根據 Noda和 Ozaki[31]的方法,使用“2D Shige”軟件進行分析.

1.7 數據分析

使用SPSS 20.0軟件進行統計分析,通過單向方差分析(ANOVA)分析數據,并使用Duncan多范圍檢驗進行顯著性差異檢驗,所有顯著性水平均為 0.05(P＜0.05).所有圖形均由 Origin 2020和 Matlab R2019b軟件繪制.

2 結果與討論

2.1 秸稈生物質炭DOM含量及紫外-可見光譜特征分析

由表1可知,3種生物質炭DOM的含量范圍為3.14～8.13mg/g,其中 PSB的DOM 含量最高,分別為RSB和MSB的2.4和2.6倍.由紫外-可見光譜參數可知,RSB-DOM和PSB-DOM的SUVA254值顯著高于 MSB-DOM(表 1),SUVA254與芳香族化合物和腐殖質中碳的C=C鍵和C=O鍵有關[28],通常與DOM分子量呈正相關[32].表明RSB和PSB的DOM中存在更多的芳香族化合物或大分子有機物,分子量相對更大.此外,SUVA254還可以表征DOM的親疏水性特征,當 SUVA254＞4L/(mg·m)時,表示主要為疏水性組分,尤其是芳香物質,而 SUVA254＜3L/(mg·m)則表示親水性組分的比重較大[33].在本研究中,3種DOM的SUVA254值均小于3,表明DOM主要由親水性物質組成,芳香性相對較低.趙敏等[34]的研究也發現在一定裂解溫度下的楠竹和柏木生物質炭DOM均呈現較高的親水性.同時,這3種DOM的EET/EBz值表現 為 :PSB-DOM＞RSB-DOM＞MSB-DOM,表 明PSB-DOM的芳香結構中可能含有更多的含氧官能團[35],其次是RSB-DOM,而在MSB-DOM芳香結構中的含氧官能團較少.

表1 生物質炭DOM的紫外-可見光譜參數Table 1 UV-Visible spectral parameters of biochar DOM

2.2 秸稈生物質炭DOM的熒光組分分析

由圖 1可知,MSB和 RSB-DOM 中的 C1(λEx/λEm=340/399nm 和 λEx/λEm=310/425nm),PSB-DOM中 的 C1(λEx/λEm=320/390nm)和 C2(λEx/λEm= 320(350)/440nm)均屬于可見區類富里酸物質[36-37],這與Yang等[38]研究中來自污泥生物質炭DOM的M峰類似,類富里酸組分與羥基、羧基相關,腐殖化程度較低.此外,PSB-DOM中C2的熒光峰位置與C1相比,可能發生了紅移,表明其可能具有更復雜的結構,芳香性和疏水性更強.MSB和RSB-DOM的C3分別位于 λEx/λEm=380(310)/442nm,385(270)/453nm 處,均為陸源類腐殖質組分,屬于較短波長類腐殖酸組分,其分子結構比類富里酸組分復雜[39],分子量和腐殖化程度介于類富里酸組分和較長波長類腐殖酸組分之間.MSB、RSB和PSB-DOM 中的 C4組分(λEx/λEm=355(395)/500nm、355(410)/510nm 和 275(405)/493nm)均屬于類腐殖質C峰,其位于更長的激發和發射波長處,可能具有高分子量、較高的芳香性和疏水性等特征,結構更為復雜[26,40].RSB-DOM 的C5(λEx/λEm=295/371nm)是一種類似于色氨酸的類蛋白質組分[26,41],分子結構與其他組分相比較簡單,屬于DOM中可生物的降解部分[42].

圖1 通過EEM-PARAFAC分析鑒定的DOM的熒光組分Fig.1 Fluorescence components of DOM identified by EEM-PARAFAC analysis

利用 PARAFAC方法進一步分析生物質炭DOM 中各熒光組分的定量信息(圖 2).如圖 2所示,除 RSB-DOM 含有少量的類色氨酸組分外,生物質炭DOM的熒光組分主要由類富里酸和類腐殖酸物質組成,這與其他研究的結論一致,Zhang等[21]發現,玉米秸稈炭和豬糞炭的DOM主要包含類腐殖酸和類富里酸組分.同種原料生物質炭DOM中各熒光組分的分布均有顯著差異,MSB和 RSB-DOM 中 C1的 Fmax顯著高于其他組分,占總組分的 55.03%和54.93%,C3組分的 Fmax占比分別為 31.31%和17.62%;PSB-DOM中C2、C1的Fmax顯著高于C4,分別占總組分的 44.86%和 41.43%.三種生物質炭DOM中 C4組分的 Fmax都較低,占比僅為13.66%～14.40%,表明類富里酸組分在生物質炭DOM中占主導地位,而較長波長的類腐殖酸組分的含量相對較低.此外,RSB-DOM中還含有13.05%的類色氨酸組分 C5.不同原料相比,雖然在 MSB-DOM 中 C1和C3的Fmax均顯著高于RSB,C4組分的Fmax則表現為 PSB-DOM 顯著高于其他兩種生物質炭.不同秸稈生物質炭DOM組分的差異可能與原料的有機物質組成不同有關.研究表明花生秸稈和玉米秸稈的木質素含量比水稻秸稈高[43],而纖維素、半纖維素和木質素等有機物質的熱分解特性存在差異,半纖維素在 220～315℃內分解,產物主要為酮類和呋喃類,纖維素分解溫度為315～400℃,主要熱解為呋喃類和脫水糖類,而木質素分解溫度范圍相對較寬(200～500℃),主要產物為酚類[44-46].此外,原料中的無機礦物也對生物質的分解有影響.有研究表明,與水稻秸稈相比,花生秸稈的Ca含量較高[47],Ca可以通過抑制纖維素的分解[24,48],降低左旋葡萄糖的生成[49].

圖2 生物質炭DOM中熒光組分的最大熒光強度(Fmax)(a)和比例(b)Fig.2 Maximum fluorescence intensity (Fmax) (a) and proportion (b) of fluoresence components in biochar DOM

2.3 秸稈生物質炭DOM組分與Cu2+的相互作用

由圖3可知,除RSB-DOM的C5組分外,所有類腐殖質組分的熒光強度均隨 Cu2+添加量的增加呈現下降趨勢,表明 Cu2+對類富里酸和類腐殖酸組分均有明顯的猝滅作用,其中組分C4在添加Cu2+后顯著猝滅,與未添加 Cu2+相比,在 100μmol/L 的 Cu2+濃度下,MSB-DOM、RSB-DOM和PSB-DOM中C4的Fmax分別降低了51.9%、46.2%和59.0%,明顯高于C1、C2及 C3的猝滅比例(18.3～35.5%、27.5～30.9%和38.3～54.5%),表明較長波長的類腐殖酸組分 C4與Cu2+有更強的結合能力,并且C4與Cu2+的結合能力表現為 PSB-DOM＞MSB-DOM＞ RSB-DOM,這些熒光組分間猝滅程度的不同可能是由于組分與 Cu2+的結合的官能團種類和數量不同等原因造成的[50].

圖3 生物質炭DOM組分滴加Cu2+后的熒光猝滅曲線Fig.3 Fluorescence quenching curves of biochar DOM components with the addition of Cu2+

與大多數組分發生熒光猝滅不同,RSB-DOM中C5的Fmax表現為在Cu2+濃度＜50μmol/L時降低而在高濃度時增加(圖 3),表明類蛋白質和類腐殖質組分與Cu2+的結合機制存在差異[51].C5的Fmax增加可能是由于高濃度的 Cu2+引起類蛋白質組分的三維結構發生了變化,進而可能導致熒光的量子產率發生改變;或通過與無機或其他有機成分之間相互作用,類蛋白質物質可能發生了熒光猝滅[41,52].

2.4 秸稈生物質炭 DOM 組分與 Cu2+的絡合參數特征

利用改進的Stern-Volmer方程進一步擬合絡合的條件穩定常數(logKM)及結合熒光團比例(f),結果如表 2所示.三種生物質炭DOM 組分的 F0/(F0-F)與1/CM之間均具有良好的線性關系(R2=0.88-0.99),表明該方程較好地描述了熒光猝滅過程.由于RSB-DOM中的類色氨酸組分(C5)沒有隨Cu2+濃度增加呈下降的趨勢,未能對其結合特征進行建模.由表可知,三種生物質炭 DOM 的組分與 Cu2+結合的logKM值總體表現為:PSB-DOM＞MSB-DOM＞RSB-DOM.MSB和RSB-DOM中C3和C4的logKM高于C1,PSB-DOM中C4的logKM高于C1和C2,表明 Cu2+與類腐殖酸組分的絡合親和力比類富里酸組分強,這可能與類腐殖酸物質的芳香性和腐殖化程度較高有關[27].在不同的 DOM 中,MSB和RSB-DOM 組分的 logKM值均為:C3＞C4,表明較短波長的類腐殖酸組分比較長波長組分的絡合穩定性更高.而PSB-DOM中的logKM值則表現為C1＞C2,表明較短波長的類富里酸組分比較長波長的組分優先與Cu2+結合,這種差異可能是由于DOM的異質性和光譜特性的不同所致[51,53].

表2 生物質炭DOM的熒光組分與Cu2+的結合參數Table 2 Binding parameters of Cu2+ and fluorescence components of biochar DOM

從結合熒光團比例來看,MSB和RSB-DOM中組分C3的logKM值高于C1和C4,但f值卻呈現相反趨勢,這可能是由于C3與Cu2+相互作用形成了多齒復合物[54],或可能是 C3的含氧官能團較少的原因.C4的f值在不同DOM中始終最高,可能與C4的腐殖化程度高、有機配體比C1和C3多有關.已有研究表明芳香結構可通過提供重金屬的結合位點參與陽離子-π的相互作用[55].此外,PSB-DOM 中類富里酸及類腐殖酸組分的 f值均高于 MSB和RSB-DOM,說明PSB-DOM中熒光組分與Cu2+的絡合能力較強,這可能與PSB-DOM的芳香性較強、且芳香結構中含氧官能團較多的因素有關.

2.5 二維相關光譜(2D-COS)分析

DOM與Cu2+絡合的同步熒光光譜的二維相關分析譜圖見圖4.同步熒光光譜可根據250～300nm、300～380nm 和 380～500nm 三個波長范圍內的峰來表示類蛋白質、類富里酸和類腐殖酸組分[56].如4a-4c所示,三種 DOM 的主要自峰分別位于 342、346和 358nm處,所有交叉峰均為正交叉峰,這表明三種DOM中對應區域的熒光強度均隨著Cu2+濃度的增加而降低;3個自峰均代表了類富里酸組分,且自峰的強度順序為:PSB＞MSB＞RSB,表明與其他組分相比,類富里酸組分對 Cu2+濃度的變化有較高的敏感性,并且PSB-DOM較容易受到Cu2+的影響.

異步光譜圖能夠反映出添加重金屬離子后不同位點熒光強度的變化特征,進而揭示DOM與重金屬離子的絡合位點與順序.圖4d顯示,MSB-DOM與Cu2+結合的異步圖在對角線左上方的343/387(410、469)nm處存在3個負交叉峰,322/343nm處有1個正交叉峰,根據Noda的規則[57],MSB-DOM 與 Cu2+的結合親和力的順序為 387nm→410nm→322nm→469nm→343nm,即短波類腐殖酸→短波類富里酸→長波類腐殖酸→長波類富里酸.RSB-DOM 的異步圖譜(圖 4e)顯示,對角線上方出現 3個負交叉峰:350/412(434、460)nm,1個正交叉峰在330/350nm處,與 Cu2+的結合順序為 460nm→434nm→412nm→330nm→350nm;PSB-DOM 的異步圖譜(圖 4f)顯示,在對角線左上方的 359/419(466)、294/320nm 處的交叉峰為負,在320/359nm有1個正交叉峰,Cu2+的絡合 順 序 為 419nm→466nm→320nm→359nm→294nm,即短波類腐殖酸→長波類腐殖酸→短波類富里酸→長波類富里酸→類蛋白質.由此可見,三種生物質炭的DOM均表現出類腐殖酸比類富里酸組分優先與 Cu2+發生相互作用.有研究表明,由于類腐殖質的高芳香性,其與 Cu2+的反應比類蛋白質組分更快[58-59].此外,在 EEM-PARAFAC 分析中, PSBDOM中沒有鑒定出類蛋白質組分,而在2D-COS分析中觀察到類蛋白質位點與 Cu2+結合,表明 2DCOS分析的敏感度較高.

圖4 生物質炭DOM與Cu2+絡合的同步/異步二維相關圖Fig.4 Synchronous and asynchronous 2D correlation maps for biochar DOM complexed with Cu2+

3 結論

3.1 生物質炭中DOM的含量和性質因原料不同而存在差異.PSB的DOM含量顯著高于MSB和RSB;三種秸稈生物質炭的DOM主要為親水物質,具有較低的芳香性,其中 RSB-DOM 的芳香性、分子量相對較大,PSB-DOM 芳香結構中的含氧官能團含量相對較高.

3.2 PARAFAC分析鑒定顯示,三種DOM的組分主要以類富里酸和類腐殖酸為主,僅在 RSB-DOM 中分離出類色氨酸組分.

3.3 DOM組分與Cu2+絡合順序均為:類腐殖酸＞類富里酸.PSB-DOM 中的類腐殖質組分與 Cu2+的絡合能力和親和力均高于MSB-DOM和RSB-DOM.