人工濕地中沉積物溶解性有機質與Cd結合機制

關鍵詞：溶解性有機質；人工濕地沉積物；鎘；結合過程；二維相關光譜

鎘（Cd）是聯合國環境規劃署提出的12種全球性危險化學物質中排名第一的有害重金屬。農業灌溉水中過量的Cd已成為一個嚴重的環境問題。在過去的60年時間里，約125.893t Cd由于污水灌溉被釋放到環境中，長期使用污染農業灌溉水會導致農田土壤Cd污染，并極易在稻米等農產品中積累，從而對食品安全和人類健康構成嚴重威脅。進入稻田的灌溉水具有Cd濃度較低、通量大的特點，人工濕地可以通過“濕地植物一基質一微生物”系統的物理、化學和生物協同作用去除污染物，其成本低、工藝簡單，十分適用于高通量低濃度的灌溉水處理。因此，了解人工濕地中Cd的遷移轉化對更好地利用人工濕地凈化Cd污染灌溉水有著十分重要的意義。

在人工濕地中，植物因為凋零分解會產生大量的可溶解性有機質（DOM），尤其是在冬季，將其釋放到濕地環境中。DOM是一種結構和組成復雜的異質碳氫混合物，包括動物殘骸、植物殘渣及對有機物質進行部分分解而得到的產物，是紫外光降解、細菌繁殖與生物地球化學反應的有機組成部分，廣泛存在于環境中。在之前的研究中，Chen等發現沉積物孔隙水中超過71%的溶解Cd以Cd-DOM絡合物的形式存在。Li等發現，游離Cd（約占85.6%）是沉積物中Cd的主要形態，其次是Cd-DOM復合物。沉積物在濕地中既是Cd的匯，又是Cd的潛在污染源，一些環境因素，如氧化還原狀態、pH值、酸性揮發性硫化物、Fe、Mn和DOM的濃度，都可以影響沉積物中Cd的遷移率。pH值降低會導致Cd從固相中溶解，從而導致濕地中可溶態Cd濃度升高。此外，酸性揮發性硫化物在有氧條件下會被氧化，導致表面沉積物中的不穩定Cd含量增加5倍。而且，氧化還原狀態的改變也會導致溶解態Cd的變化。例如，在好氧條件下，由于Fe/Mn氧化物的吸附或共沉淀，使Cd的濃度降低，而在厭氧條件下，由于Fe/Mn氧化物的還原溶解，表面沉積物中Cd的濃度升高。DOM作為沉積物的活性部分，在濕地生態系統的元素循環和能量循環中發揮著關鍵性作用。DOM可與重金屬形成強復合物，而DOM-金屬復合物作為一個因素，控制著重金屬在水生生態系統中的分布、毒性、生物利用度和最終歸宿。因此，有必要了解沉積物DOM對重金屬環境行為的影響。

在濕地環境中，DOM可以直接參與重金屬的絡合過程，這取決于其豐富的有機官能團（如酰胺、羧基、酚羥基和羥基）和高活性位點，此外，DOM的結構和組成也有很大影響。但是，由于DOM的異質性特征，不同來源的DOM導致其官能團比例、分子量和芳香度等不同，從而對濕地中Cd的結合及其生物有效性表現出不同的影響。因此，了解它們的分子水平相互作用機制是必不可少的。迄今為止，大多數研究聚焦于自然濕地環境DOM的分布，并且部分研究認為植物的形成和凋亡對沉積物中重金屬的影響較小，但部分研究也發現濕地植物的變化會顯著影響沉積物的組成，從而影響沉積物中重金屬的遷移率。這些不一致的發現凸顯了目前對濕地沉積物中重金屬遷移率整體理解的局限性。而且由于專門處理重金屬污水的濕地其內部環境與自然環境有所不同，而季節變化也會導致植物變化，重金屬遷移也與結合位點密切相關，目前關于人工濕地及其隨季節變化的DOM組分差異及與重金屬的結合位點研究則相對較少。因此，針對重金屬與DOM組分結合位點進行建模，分析人工濕地DOM的季節性變化，并探究它與重金屬、官能團之間的絡合親和力大小，為進一步了解人工濕地中Cd遷移轉化特性提供理論支撐，為利用人工濕地處理Cd污染水體及在植物選擇與濕地種植和管理方式上提供參考。

1材料與方法

1.1研究區域概況

本研究采樣地點位于湖南省株洲市茶陵縣高隴鎮水頭村（27.0870°N，113.8257°E）的人工濕地，該濕地占地面積約2000m2，坐落于礦區下游，主要功能為凈化稻田灌溉水，投入使用超過8a，期間出水水質始終可達到灌溉水質標準（ GB 5084-2021），優勢植物為茭白、梭魚草、狹葉香蒲、狐尾藻與蘆葦，底層鋪設15cm土壤基質。

1.2沉積物的采集與DOM的提取

采集人工濕地0-15cm的表層沉積物，春季和秋季樣品分別采集于2022年3月與2022年10月。沉積物樣品風干后研磨過100目篩，用超純水按照固／液比為1：5（m/V）混合后在25℃、200r·min-1的條件下振蕩24 h，然后將懸浮液在4000r·min-1轉速下離心30min，上清液經0.45um濾膜抽濾后的濾液即為沉積物DOM溶液，于4℃冰箱避光保存，待測。

1.3 DOM與Cd的熒光淬滅滴定實驗

取25mL稀釋至10mg·L-1的DOM溶液于100mL棕色玻璃瓶中，加入不同量的Cd，以生成一系列Cd濃度為0、0.5、1、2、4、6、8、10mg·L-1的樣品，每個濃度設置7個平行。用0.1mol·L-1的NaOH和HN03溶液調節pH至7+0.1，所有滴定溶液均在25℃的黑暗環境中搖動24h以確保配位平衡。之后，一部分通過三維熒光光譜、同步熒光光譜與紫外一可見吸收光譜分析，另一部分冷凍干燥后用于FTIR光譜與XPS分析。

1.4光譜測定與表征分析

1.4.1紫外分光光譜

采用紫外一可見分光光度計對滴定溶液進行測定，使用1cm石英比色皿，步長為1nm，超純水作為空白，于200-800nm波段內進行掃描。

1.4.2三維熒光光譜與同步熒光光譜檢測

在室溫下通過熒光光譜儀（F-7000，Hitachi，日本）測定DOM樣品的三維熒光光譜，激發波長（Ex）范圍為200-450nm，發射波長范圍（Em）為200-550nm，掃描速率為1200nm·min-1，狹縫寬度均設置為5nm，對于空白掃描，使用Milli-Q超純水以十次分析的間隔進行。同步熒光△入為60nm，激發波長范圍200-600nm，狹縫寬度5nm，掃描速率1200nm·min-1。在分析之前，根據Bahram等的方法去除拉曼和瑞利散射，根據Panigrahi等的方法消除內濾效應。然后，根據當天檢測的Milli-Q超純水拉曼峰值（Ex=350nm）將EEMs進行歸一化，以產生以拉曼單位（R.U．）為單位的校正熒光強度。

1.4.3傅里葉變換紅外光譜檢測

將1.0mg凍干DOM樣品和100mgKBr（光譜純）混合均勻以減少光散射，于15MPa下壓片測紅外光譜。紅外光譜采用IR Affinity-19（Shimadzu，日本），掃描范圍為4000-650cm-1。下面之所以選擇1800-900cm-1區域進行討論，是因為該區域包含了酰胺、羧基、脂和碳水化合物官能團等主要譜帶。

1.4.4 XPS表征分析

采用X射線光電子能譜（XPS，ESCALab250，Thermo Fisher Scientific，美國）對DOM進行表征分析，本實驗采用Al Ka X-ray為激發源。

1.5數據處理

1.5.1平行因子分析與絡合模型

使用MATLAB 2019b軟件、DOMFlour工具箱進行PARAFAC分析。動態淬滅和靜態淬滅是熒光淬滅的兩種主要機制，取決于淬滅劑與熒光團相互作用（碰撞或絡合）的方式。使用Stem-volmer方程擬合熒光淬滅數據：

建模結果如表1所示，各熒光組分淬滅速率常數Kq均大于2.0x10L·mol-1·s-1，淬滅過程以靜態淬滅為主。但是淬滅速率常數相對較少的組分，其動態淬滅可能占有一定比例。

當小分字獨立地結合到大分子上的一組等效位點時，熒光強度數據可用于獲得復合物的結合常數和結合位點數量。結合常數（k）和結合位點數量（n）可以通過以下方程確定：

1.5.2二維相關光譜分析

為了獲得重金屬結合DOM的組成和結構變化的信息，以重金屬濃度為外部擾動，應用FTIR光譜與2D-COS相結合、同步熒光光譜與2D-COS相結合的方法。2D-COS分析由日本關西大學發布的“2DShige”軟件完成。軟件中采用的算法及其他更詳細信息參見Noda等的描述。

2結果與討論

2.1基于EEM-PARAFAC的DOM特征分析

春季沉積物DOM的含量約為434mg·kg-1，SU-VA值為1.09L·mg-1·m-1，秋季沉積物的DOM含量約為700mg·kg-1，沉積物DOM的SUVA25。值為1.37L·mg-1·m-1，與之前報道的自然濕地數值差異較小，但高于海水和湖泊，SUVA254值與分子量呈正相關，而且還與DOM組分的疏水性有關，SUVA254值越高，其DOM組分疏水性也越強，當SUVA254值lt;4時，DOM組分表現JLH親水性，且芳香性物質較少，這在之前對我國各地農業土壤DOM的研究中也有報道。人工濕地兩季沉積物DOM的SUVA254值均低于4，因此，此人工濕地沉積物DOM表現出親水性而且芳香性較低。這可能是由于DOM來源于大量的植物殘留物和其分解產物，沉積物可能吸附了鐵膠體或其他成分。

熒光指數（Fluorescence index，FI）常用于指示DOM的來源，其值為激發波長在370nm時，發射波長在450nm和500nm處熒光強度的比值。F1值gt;1.9表示DOM具有明顯的自源特征，主要來源于細菌和藻類的活動，表明是內源產生的。F1值lt;1.4表示外源（陸地）輸入。F1值在1.4和1.9之間表明DOM具有陸地來源和微生物來源。此沉積物春、秋兩季的F1值分別為1.5、1.7，表明其為陸地和微生物混合源。BIX是反映DOM自生的相對貢獻或評價其生物利用度的重要指標。當BIXgt;1時，DOM被認為主要來自自生源，并含有新生成的有機物，當BIX在0.6至0.8之間時，反映了較低的陸源輸入。春、秋兩季沉積物DOM的BIX值分別為0.69、0.74，相比于其他水生環境較高，但在大部分研究的范圍內，表明DOM來自新的自生來源和陸地輸入，包括人類活動、內部微生物功能和陸源輸入（例如植物凋落物和根系分泌物）。

圖1為通過EEM-PARAFAC分析識別的人工濕地春秋兩季沉積物DOM中的各熒光組分，從春秋兩季沉積物DOM中分別鑒定出4種成分，春季樣品中包括一種類腐殖質物質（SCl）、兩種類蛋白物質（SC2和SC3）、一種類富里酸物質（SC4）。其中組分SC1（Ex/Em=245nm/425nm）屬于類腐植酸組分，SC2（Ex/Em=275nm/335nm）和SC3（Ex/Em=225nm/330nm）屬于類蛋白物質，與類色氨酸物質有關，SC4（Ex/Em=225nm/330nm）可認為是類富里酸物質。

秋季樣品包括兩種腐植酸類物質（AC1和AC3）、一種富里酸類物質（AC4）和一種蛋白質類物質（AC2）。其中組分AC1（Ex/Em=265nm/435nm）可歸類為傳統腐殖質峰，常見于海洋、廢水、濕地和農田中。組分AC2（Ex/Em=310nm/395nm），歸類于長波腐植酸峰。AC3（Ex/Em=275nm/335nm）被認為是類蛋白物質，與類色氨酸物質有關。AC4（Ex/Em=385nm/485nm）屬于富里酸類物質，在湖泊沉積物中也有報道。

在兩季樣品DOM中，SC1與AC1、AC2屬于同一類腐殖質，都類似于微生物氧化產物，是由顆粒有機物降解通過微生物再處理釋放的腐殖質組分。在湖泊沉積物和自然水體中也有發現，其被認為是由具有豐富芳香結構和高分子量的化合物組成的。SC2、SC3與AC3屬于類蛋白物質，但SC3歸類于蛋白質殘基，來源于蛋白質的氧化還原產物，以及可能包含一些外源芳香族。它們反映了DOM的微生物活性和生物利用度。SC4和AC4均是類富里酸，都具有非常寬的激發光譜，幾乎跨越整個區域，在許多對自然濕地環境的研究中都發現了與此類似的熒光。

2.2 DOM組分與Cd的絡合能力

隨著Cd的加入，秋季沉積物DOM各熒光組分的淬滅曲線如圖2a所示。AC3與AC4在Cd添加后表現出明顯的熒光淬滅。這一結果表示類富里酸和類蛋白組分與Cd的結合作用強于類腐植酸組分，Yuan等利用熒光淬滅技術探索水生植物分解產生的DOM與Cd和Cu的絡合作用，也發現了類似的現象。

雖然腐植酸與富里酸的結構中都含有大量的羧基和酚羥基，陽離子交換量（CEC）較高，都能與重金屬形成較強的鍵，但富里酸物質的CEC高于腐植酸，有研究顯示，腐植酸和富里酸的CEC分別為6.0-8.9mol·kg-1和10.0-12.3mol·kg-1。此外，隨著腐植酸分子量的增加，其羧基和羥基含量以及電負性都有降低趨勢。因此富里酸較高的總酸度和羧基可能是反應強度較大的原因之一。而且Chang等發現豬糞堆肥中的腐植酸／富里酸配體與Cd反應的平均條件濃度商順序為富里酸gt;腐植酸。Chen等也確定了類富里酸和類蛋白組分與Cd的結合常數大于類腐植酸組分。

圖2b展示了春季沉積物DOM的熒光淬滅曲線。與秋季不同，春季DOM只有類蛋白物質中的蛋白質殘基產生淬滅現象且淬滅十分明顯，其他組分幾乎不淬滅，原因可能是秋季時，植物凋落，沉積物中注入了大量新生蛋白和木質素。經過數月的微生物活動以及氧化還原分解，很多完整蛋白被分解成蛋白質殘基，剩余的類蛋白組分可能被一些腐殖質包裹，金屬離子很難觸及，所以基本沒淬滅?？紤]到不同季節的分子異質性，因此腐殖質淬滅可能有所不同。

春秋兩季的沉積物DOM各組分的穩定常數1gK以及結合位點如表1所示。秋季DOM的類蛋白組分AC3和類富里酸組分AC4結合位點約為1，可能為單齒絡合物。春季DOM的蛋白質殘基SC3結合位點為1.823，說明可能存在兩類以上的結合位點。

類蛋白和類富里酸組分能與Cd有效絡合，濕地中的Cd-DOM絡合物可能從所附著的砂土、昆蟲殘骸和灰塵等物質上沉降下來，也可能隨著水流流出濕地。該人工濕地運行時間長，沉積物中累積的Cd可能存在釋放風險，在植物凋落物分解過程中，金屬通過有機表面的被動吸附與凋落物結合，或被凋落物中的微生物群落積累。因此，沉積物中的金屬濃度與上層沉積物中的有機質濃度之間存在很強的正相關關系。并且植物生物量大的處理，濕地上覆水中重金屬濃度顯著低于不添加水生植物的處理，因此控制植物收獲或選用生物量大的植物可減少濕地生態系統中重金屬的流動性。濕地類型可優先考慮表面流人工濕地，其無動力系統可節省成本，同時適當提高濕地植物種植密度，對于遷移性強的Cd-DOM絡合物，其植物體可以起到阻攔、附著作用，減少出水Cd濃度。

2.3濕地沉積物DOM各組分的同步熒光

春季和秋季的熒光組分相似，考慮到秋季人工濕地中沉積物DOM含量較高且植物富集Cd含量較多，因此之后的同步熒光、FTIR和XPS以秋季樣品為例。

圖3顯示了DOM與Cd結合前后的同步熒光光譜。根據先前的研究，同步熒光光譜中存在3個不同的熒光區域，即250-300、300-380nm和380-500nm，通常區分并分別分配給類蛋白、類富里酸和類腐植酸熒光團。如圖3所示，沉積物DOM與Cd的絡合物在283nm處有一個窄峰，在325nm與365nm附近有一個峰，這表明濕地DOM主要含有類蛋白和類富里酸熒光團。值得注意的是，在類腐植酸熒光區域中顯示出弱強度，并且隨著Cd添加沒有觀察到變化。結果表明，類蛋白質物質和類富里酸物質是沉積物DOM中的主要熒光物質。此外，隨著Cd濃度從0-10mg·L-1逐漸增加，DOM的熒光強度逐漸降低，表明Cd和DOM之間存在較強的相互作用，而且隨著Cd溶液的添加，出現了輕微的藍移，表明添加Cd后DOM的化學結構發生了變化。所得結果與Fu等研究洛克沙胂對土壤源DOM的熒光淬滅的結果一致。

同步熒光光譜的同步圖和異步2D-COS圖如圖4a和圖4b所示，識別出一個以280cm-1為中心的自動峰和兩個分別以272cm-1／200-252cm-1、334-446cm-1/272 cm-1為中心的正交叉峰。與一維熒光光譜（圖3）相比，2D-COS給出了具有更高辨識度的DOM熒光部分的峰。峰的強度最高值在280cm-1處，表明類蛋白質組分的熒光對Cd的添人更敏感，而類腐植酸組分的熒光較不敏感，同步圖中交叉峰均為正，表明熒光強度隨Cd離子濃度增加而減少。

異步圖提供了DOM各組分的不同位點在Cd結合過程中熒光強度的變化趨勢，與同步圖相結合可得出DOM組分與Cd絡合的順序。在圖4b中，位于異步圖左上角的交叉峰272cm-1/200-252cm-1為負、334-446cm-1/272cm-1為正，根據Noda規則，變化遵循200-252cm-1gt;272cm-1gt;334-446cm-1的順序。這表明Cd與DOM組分的結合順序如下：類蛋白組分一類富里酸組分一類腐殖質組分。這與淬滅曲線顯示的趨勢一致，相比其他組分，C2在添加Cd濃度達到1mg·L-1時淬滅最明顯，因為腐植酸與富里酸組分比較復雜，而類蛋白質組分結構簡單，并且還與類蛋白組分中酰胺優先與Cd結合有關。

2.4濕地沉積物各DOM組分的傅里葉紅外光譜特征

在傳統的傅里葉變換紅外光譜中，由于光譜中顯示的峰較寬，并且DOM的各種官能團常導致吸收峰重疊，因此無法給出DOM與Cd精確結合特性的詳細信息。2D-COS不僅能有效解決這一問題，還能了解重金屬添加后官能團的變化順序，因此對2D-FTIR-COS的1800-900cm-1區域進行了分析，DOM與Cd結合的同步和異步光譜如圖5所示。同步圖譜給出了以1066、1110、1245、1400、1624cm-1為中心的5個主要自動峰。1066cm-1和1110cm-1的譜帶變化最為顯著。相反，在1245cm-1和1624cm-1處觀察到譜帶變化最小。同步圖譜中，除了與1110cm-1相關的峰，其他交叉峰符號均為正。其中1624cm-1處的譜帶對應于蛋白質中酰胺的C=O伸縮；1400cm-1處的譜帶是由去質子化羧酸的對稱拉伸產生的；1245cm-1處的譜帶對應于酚羥基的-OH變形，1110cm-1處的譜帶歸因于碳水化合物、酯、多糖和多糖類物質的C-O健伸縮；1066cm-1處的譜帶是由C-O-C伸縮振動引起的，說明沉積物中含有醚類化合物]。總體而言，人工濕地的DOM含有豐富的活性官能團，如羧酸、酰胺基、醚、酚羥基等。這些發現與其他來源DOM的發現相似。

在異步圖中其對角線左上方存在1624cm-1/1110cm-1（1066cm-1）、1110cm-1／1066cm-1三個正交叉峰，1400cm-1/1245cm-1，1066cm-1／1245cm-1兩個負交叉峰，根據Noda規則，可以得出Cd與各官能團結合親和力依次為：蛋白質中酰胺gt;酚羥基gt;羧酸gt;醚。

2.5濕地沉積物各DOM組分的X射線光電子能譜（XPS）分析

為了進一步闡明沉積物DOM與Cd之間的結合機理，將分別對添加與未添加Cd的DOM樣品進行XPS表征，XPS光譜如圖6所示，從全譜中可以看出，未添加Cd時（圖6a）Cd3d未出現特征峰，但添加了Cd后（圖6b）出現了明顯的峰值區域，表明Cd成功結合在DOM上。

在添加Cd的Cd3d精細譜（圖6c）中，有兩個明顯的特征峰，3d5/2的405.3eV和3d3/2的412.0eV，分別屬于Cd（OH）2或CdC03，表明DOM與Cd結合過程中生成了沉淀。

為了證明Cd吸附中涉及的特殊基團，對Cls光譜（圖6d）進行了分峰處理，擬合出4個峰值區，即284.7、285.9、287.0 eV和288.5 eV，分別屬于C

C／C=C、C-O、C=O和O-C=0，添加Cd后（圖6e），C-O和O-C=O的峰面積分別由42.6%、15.8%下降為36.7%、10.1%，表明絡合過程中可能形成了Cd羧基絡合物與Cd氧化物。

在Ols軌道中擬合出3個峰值區域（圖6f），分別是Metal-0（531.1 eV）、C-OH（532.4 eV）、0-C=0（533.6 eV），添加Cd后（圖69），Metal-0、C-OH、0-C=0的峰面積均有所減小，表明DOM上金屬氧化物的金屬元素可能與Cd發生了離子交換作用，DOM主要通過含氧官能團如羥基、酚羥基、羧基等與Cd絡合，這與FTIR的結果一致。

3結論

（1）人工濕地沉積物中春季、秋季可溶解性有機質（DOM）含量分別為434、700mg·kg-1，表現出親水性而且芳香性較低，DOM主要來自于陸地輸入與自生來源，包括內部微生物活動和陸源輸入等，植物凋落物和根系分泌物等所占的比重較大，兩季樣品中均鑒別出類蛋白、類腐殖質與類富里酸物質，但春季樣品多了一類蛋白質殘基。

（2）濕地DOM與Cd的淬滅過程以靜態淬滅為主。隨著Cd的添加，兩季DOM各組分都表現出不同程度的淬滅，兩季樣品中蛋白質殘基淬滅程度最大。秋季樣品中類富里酸組分淬滅最明顯，類蛋白次之。表明類蛋白與類富里酸物質在Cd與濕地沉積物DOM的絡合中發揮了重要作用，各組分與Cd絡合的先后順序為類蛋白組分一類富里酸組分一類腐殖質組分。

（3）添加Cd后，各官能團的響應速度酰胺最快，其次是酚羥基，隨后是羧基，最后是醚基。沉積物DOM主要通過含氧官能團如羥基、酚羥基、羧基等與Cd絡合，可能形成了Cd羧基絡合物與Cd氧化物沉淀，還可能伴隨部分離子交換作用，Cd在結合過程中，優先結合含氧基團。