畜粪蚯蚓处理后DOM变化及其与Cu(Ⅱ)的配合特性

张 志,朱维琴,单监利,胡 安,魏佳晋 (杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036)

畜粪蚯蚓处理后DOM变化及其与Cu(Ⅱ)的配合特性

张 志,朱维琴*,单监利,胡 安,魏佳晋 (杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036)

研究了畜粪、木屑混合物经蚯蚓处理后水溶性有机物(DOM)分子量及荧光光谱变化.结果表明,经蚯蚓处理后畜粪、木屑混合物中DOM分子量呈整体降低趋势,分子量分布范围变宽,但其DOM分子量仍高于无蚯蚓处理;蚯蚓处理后混合物DOM中的富里酸含量及分子结构芳香化程度增加明显.进一步就蚯蚓处理前后DOM与Cu(Ⅱ)配合后的荧光光谱分析表明,蚯蚓处理后DOM更易与Cu(Ⅱ)产生配合反应并导致其直链变短或芳香基团的裂解;DOM中与Cu(Ⅱ)配合的基团主要包括—OH和—NH2等;且蚯蚓处理后DOM 中的富里酸类物质更易与Cu(Ⅱ)发生配合反应.

畜粪；蚯蚓处理；水溶性有机物(DOM)；Cu(Ⅱ)；荧光特性

近年来,由于饲料添加剂的广泛应用,畜禽粪便中常出现重金属超标的现象[1],其中,Cu是最常见的超标重金属之一[2].蚯蚓堆肥是畜禽粪便减量化、无害化、资源化的新兴途径之一.目前,蚯蚓处理畜禽粪便的影响因素及其优化组合等相关报道较多[3-4],但是有关蚯蚓处理畜禽粪便过程中有机组分变化及其与重金属的相互作用关系等鲜有报道.水溶性有机物(DOM)是可供异养微生物直接利用的有机碳源[5],主要由大分子腐殖质和小分子非腐殖质物质构成.在废弃物堆肥过程中,DOM的变化可以灵敏地反映堆肥的腐熟状况,其主要由有机废弃物分解产生,并与腐殖质处于动态平衡中[6].研究表明,DOM 一般含—OH, —NH2,—C＝O和—COOH等活性功能团,易与重金属发生配位反应,成为重金属迁移活化的“载体”[7],进而影响重金属的生物毒性和迁移能力.因此,有关DOM与重金属相互作用的研究日益引起关注.DOM往往含有芳香羧酸和酚结构,在一定波长的光照射下,具有荧光特性,故可以利用荧光光谱学分析技术研究 DOM的组分特征及其变化特性[8].本研究拟通过研究猪粪、木屑经蚯蚓处理后DOM变化及其与Cu(Ⅱ)配合后的荧光光谱学特性,以探明畜粪蚯蚓处理过程中DOM结构特性变化规律及其与重金属Cu(Ⅱ)的配合特性,从而为畜粪蚯蚓处理过程调控重金属的迁移风险提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试废弃物为猪粪和杉木木屑,猪粪取自杭州某养殖有限公司,木屑取自杭州某木材加工厂.将猪粪和杉木木屑放在阴凉处风干、碾碎或粉碎、过筛(2mm)后用于试验.供试猪粪的基本理化性质如下:pH值7.89,全C 40%,全N 1.52%,全Cu 270mg/kg,全Zn 810mg/kg;供试木屑的基本理化性质如下:pH值5.30,全C 51%, 全N 0.12%, 全Cu 8.01mg/kg,全Zn 9.05mg/kg.供试蚯蚓为赤子爱胜蚓(Esisenia foetida),购自杭州市某养殖场,试验前先对其清肠和预培养,选择体重相近、环带明显的蚯蚓用于试验.

1.2 试验方法

试验以猪粪为主料,木屑为辅料,将猪粪与木屑按质量比7:3混匀[3],添加MilliQ超纯水调节含水量至70%,平衡稳定7d后备用,并以此时堆制物所提取的DOM作为处理前DOM(S1).然后,各称取 200g(干物重)堆制物于置有保鲜袋的塑料桶中(桶底直径 12cm,桶口直径 15cm)用于添加蚯蚓的处理(S2)和无蚯蚓添加的常规处理(S3).其中,S2处理每桶按要求放入大小均匀、生长活跃、环带明显的赤子爱胜蚓4.5g (约15尾),并用扎孔保鲜膜封口以防蚯蚓逃逸和利于气体交换.然后,将S2和S3处理各桶均置于温度20℃,湿度70%的黑暗人工气候室,分别培养60d后采样.各处理均设三个重复,每隔2d浇一次水以保持基质湿度基本不变.

1.3 DOM提取方法

准确称取 50.0g左右固体鲜样,按干物质重与 MilliQ超纯水体积 1:10[(W(g)/V(mL))加入MilliQ超纯水,在室温条件下,于200r/min下16h后,在4℃、12000r离心20min,取上清液过0.45μm的滤膜,滤液中的有机物即为 DOM[9].采用岛津TOC-ControlV总有机碳分析仪测定DOM含量并以DOC含量(mg/L)表示.剩余样品真空冷冻干燥后备用.

1.4 凝胶色谱分析

各处理 DOM分子量分布测定采用岛津Lc-10ADVP 凝胶过滤色谱(Gel filtration chromatography, GFC)分析仪,测试用Lc-10ADvp泵、RID-10A示差显示器、SCL-10Avp控制器、CTO-10ASvp柱温箱、TSK4000凝胶色谱柱,分子量测试范围为106以下.分子量标样采用Merck公司聚乙二醇的混合标样. DOM 样品浓度为50mg/L.

1.5 DOM与Cu(Ⅱ)配位反应平衡液制备

取6个50mL聚丙烯离心管,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个离心管中的Cu(Ⅱ)浓度依次为 0,10,50,200,1000μmol/L,使用两种浓度(0.1mol/L和0.01mol/L)的HCl和NaOH溶液调各样品pH值至8.0±0.1,加入的酸碱试剂总量不超过100μL,忽略浓度稀释效应,在恒温振荡器中30℃、180r/min避光振荡24h,在相同温度下再避光静置 4h,待反应平衡后,进行荧光光谱测定.

1.6 荧光光谱测定

采用岛津RF-5301PC荧光分光光度计测定DOM 及其与 Cu(Ⅱ)配合后的荧光光谱.仪器参数为:仪器信噪比＞150,激发单色器狭缝宽度为5nm,发射单色器狭缝宽度为 5nm,发射和激发单色器的扫描速度均为 120nm/min.其中,为获得发射光谱,固定激发波长为350nm,发射波长范围为360～600nm;为获得激发光谱,固定发射波长为560nm,激发波长范围为 300～550nm;同步扫描激发波长为 300～600nm,其中Δλ=λ发射－λ激发=18nm.待测DOM样品浓度均为300mg/L.

2 结果分析

2.1 畜粪、木屑蚯蚓处理后DOM分子量变化

如图1所示,S1、S2、S3处理的凝胶过滤色谱图谱均显示出两个峰,说明各处理 DOM中均含有两个较为明显组分.其中, S1处理DOM中2个组分的分子量分布范围为 25～125ku、132～450ku,S2处理为18～118ku、125～508 ku,S3处理为16～98ku、141～398ku.评价分子量分布的指标中,最常用的是重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)的比值(Mw/Mn).Mw/Mn越大,表明分子量分布范围越宽[10].如表1所示, S1、S2、S3处理的Mw/Mn分别为1.48、1.73和1.90,说明S2处理DOM的分子量分布范围明显大于S1处理却小于S3处理.由图1可见,与S1处理相比,S2和S3处理DOM的分子量均呈整体降低趋势,但是,S2处理DOM分子量相对高于S3处理,可见,蚯蚓处理(S2)和常规处理(S3)均使畜粪、木屑堆制物 DOM分子量降低,但蚯蚓处理却促进了较大分子量水溶性物质的存在,其原因可能是由于蚯蚓的引入使得 DOM分解进程“受阻”,或使部分小分子物质重新合成了部分大分子物质所致.

表1 蚯蚓处理后DOM的Mw, Mn, Mw/Mn变化情况Table 1 Changes of Mw, Mn, Mw/Mn of DOM derived from S1, S2 and S3 treatment

2.2 畜粪、木屑蚯蚓处理后DOM荧光特性

2.2.1 DOM发射光谱 发射、激发和同步扫描荧光光谱可以有效反映胡敏酸和富里酸的结构信息[11].由图 2发射光谱可见,S1、S2、S3处理DOM的荧光发射光谱均表现为宽而单一的荧光峰,且S2处理DOM荧光发射峰强度明显低于S1处理而高于S3处理.荧光发射光谱是具有相似来源的一类基团的总体荧光性质反应.Senesi等[12]认为荧光发射光谱强度减弱可揭示分子量降低及有机质的矿化.据此可见,畜粪、木屑经常规堆制及蚯蚓处理后,其 DOM分子量总体上均呈降低趋势,但蚯蚓处理后DOM分子量相对较大,这与凝胶过滤色谱所得结果具有一致性.此外,与 S1处理相比,S3处理DOM荧光发射光谱峰的位置由 436nm移至 437nm,峰位置变化不明显;与S3处理相比, S2处理后DOM荧光发射光谱峰的位置由 437nm 红移至 442nm.有报道表明,450～460nm 为富里酸的特征峰[13].可见,蚯蚓处理促进了畜粪、木屑堆制物DOM的荧光发射光谱峰向富里酸的特征峰方向移动,即蚯蚓处理能增加DOM中富里酸的含量.

2.2.2 DOM 激发光谱 如图 2激发光谱所示,S1、S2、S3处理DOM激发光谱均在392nm附近出现一个较强的荧光特征峰,在 450nm、468nm处各有一个相对较弱的荧光特征峰.与S1处理相比,S3处理DOM激发光谱荧光强度呈总体降低趋势.但是,与S3处理不同,S2处理DOM激发光谱图中 392nm处荧光强度降低,而其450nm、468nm 处的荧光强度却增强.根据Rezacova等[14]和Senesi等[15]的报道,391nm处为胡敏酸的激发荧光峰,468nm处为富里酸的特征峰.据此推断,畜粪、木屑的常规处理使DOM中的胡敏酸及富里酸含量均降低,而蚯蚓处理则使DOM 中胡敏酸的含量降低,富里酸含量增加,这与发射光谱的研究结论一致.

2.2.3 DOM 同步扫描光谱 与发射光谱和激发光谱相比,同步扫描光谱能够给出更多的信息,它表示 DOM分子中几种不同类型的荧光基团.在同步荧光光谱中,波长差 Δλ的选择直接影响到同步荧光光谱的形状、带宽与信号的强度.基于相关报道[16],本研究选择 Δλ=λ发射－λ激发=18nm研究DOM荧光光谱变化及其与Cu(Ⅱ)配合后同步荧光特性.

由图2同步扫描光谱可见,S1处理在405、450nm处出现较强的荧光峰,在398、468、486nm处出现较弱的峰;S2处理在414、455nm处均出现较强的峰,在401、468、486nm处出现较弱的峰;S3处理在400、450nm处亦出现明显荧光峰,但其荧光强度较S1处理明显下降.但是, S2处理中455nm处荧光峰强度明显高于S1、S3处理,且呈明显红移现象,即由S1、S3处理中的450nm移至S2处理中的455nm.有研究认为,直链聚合芳香环数和共轭双键的增加,能导致峰位置的红移[13].可见,畜粪、木屑经蚯蚓处理后其DOM中分子共轭作用加强,分子结构缩合度增加,芳香化程度明显,这与徐轶群等[17]对蚯蚓处理生活污泥中DOM的荧光特性研究具有一致性.Bertoncini等[18]认为,荧光光谱峰位置产生红移,说明 DOM中胡敏酸的含量降低,富里酸的含量升高.Senesi等[12]报道,污泥中富里酸的荧光特征峰位置为457nm,这与本研究中S2处理DOM的荧光同步扫描光谱中的特征峰455nm具有相似性.S2处理在455nm处的荧光强度远高于S1处理和S3处理,说明畜粪、木屑的蚯蚓处理促进了其DOM中富里酸类物质含量增加.由于富里酸易与重金属形成溶解态配合物[7],其对于蚯蚓处理过程中畜粪重金属的迁移意义重大.

2.3 畜粪、木屑蚯蚓处理后DOM与Cu(Ⅱ)配合的荧光光谱特性

2.3.1 DOM 与 Cu(Ⅱ)配合的荧光发射光谱特性 如图3所示,随着溶液中Cu(Ⅱ)浓度的升高, S1、S2、S3处理DOM的发射光谱强度均依次下降,且最大荧光峰位置均发生蓝移现象,其中, S1处理最大荧光峰由436nm移至430nm,S3处理最大荧光峰由437nm移至428nm,而S2处理最大荧光峰的蓝移现象更为明显,由442nm移至428nm.有研究认为[13],荧光强度产生蓝移则说明直链变短或芳香基团的分解. 可见,各处理DOM均会与Cu(II)产生配合,且蚯蚓处理后DOM更易与Cu(Ⅱ)发生配合反应.

2.3.2 DOM 与 Cu(Ⅱ)配合的荧光激发光谱特性 如图4所示,S1、S2、S3处理DOM与Cu(Ⅱ)配合后在392、450、468nm处的激发荧光强度均随Cu(Ⅱ)浓度增加而降低,这与其荧光发射光谱峰强的变化规律具有一致性.何小松等[7]认为这可能与较高浓度的顺磁性金属离子(如 Cu2+等)能够使DOM 产生荧光猝灭有关.Senesi等[19]认为,392nm处的荧光峰与木质素降解产物酚结构上的羟基有关,458nm处的荧光峰源于苯环上的供电子基团如—OH,—NH2等.可见,各处理DOM中—OH和—NH2等基团与Cu(Ⅱ)发生了配合作用.此外,蒋疆等[20]通过红外光谱研究也发现,在溶解性有机质与金属离子的配合过程中,—OH和—NH2均参与了与重金属离子的配合,这与本研究结果一致.

图3 S1、S2、S3处理 DOM与不同浓度Cu(Ⅱ)配合后发射光谱Fig.3 Effect of Cu (Ⅱ) on emission spectra of DOM derived from S1, S2 and S3 treatment

图4 S1、S2、S3处理DOM与不同浓度Cu(Ⅱ)配合后荧光激发光谱Fig.4 Effect of Cu (Ⅱ ) on excitation spectra of DOM derived from S1 ,S2and S3treatment

图5 S1、S2、S3处理DOM与不同浓度Cu(Ⅱ)配合荧光同步扫描光谱Fig.5 Effect of Cu (Ⅱ) on synchronous spectra of DOM derived from S1, S2and S3 treatment

2.3.3 DOM 与 Cu(Ⅱ)配合的荧光扫描光谱特性 由图 5可见,S1处理 DOM 溶液中加入0.01mmol/L的Cu(Ⅱ)时,其在439nm和450nm附近的荧光强度增强,而在392nm和405nm附近的荧光强度降低;当加入 Cu(Ⅱ)浓度达到0.05mmol/L时,所有荧光峰的荧光强度均有所下降,这表明 S1处理 DOM中部分荧光基团与Cu(Ⅱ)的配合能力较差,在 Cu(Ⅱ)浓度低时不能与之配合,反而使其刚性增强,荧光强度增大,而其另一部分荧光基团与 Cu(Ⅱ)的配合能力较强,配合后荧光基团刚性降低,荧光强度下降.何小松等[7]研究金属与有机物相互作用时也发现了类似的现象.与S1处理不同,加入不同浓度的Cu(Ⅱ)后,S2、S3处理中DOM各荧光峰强度均呈下降趋势.与S3处理相比,S2处理随Cu(Ⅱ)浓度的升高,代表富里酸类物质的455nm处荧光强度降低尤为明显.另有研究发现,富里酸及一些有机酸对重金属的配合能力较强[21],De Zarruk等[22]研究发现,DOM中小分子量的物质更易与 Cu(Ⅱ)形成稳定的DOM–Cu配合物.由于蚯蚓处理DOM中分子量较小的富里酸含量增加,因此可以认为,畜粪蚯蚓处理堆制物 DOM中富里酸类物质更易与 Cu(Ⅱ)形成稳定配合物,进而潜在影响畜粪中Cu的迁移行为.

3 结论

3.1 畜粪、木屑混合物经蚯蚓处理后,DOM 分子量整体上呈降低趋势,且其分子量分布范围变宽,较之常规处理,蚯蚓处理促进了DOM中较大分子量物质的存在.荧光光谱研究表明蚯蚓处理使其 DOM中富里酸含量增加,从而可能潜在影响畜粪中重金属的迁移行为.

3.2 畜粪、木屑经蚯蚓处理后所获DOM更易与 Cu(Ⅱ)产生配合反应并导致其直链变短或芳香基团的裂解,DOM 中与 Cu(Ⅱ)配合的基团主要包括—OH和—NH2等;且蚯蚓处理DOM 中的富里酸类物质更易与 Cu(Ⅱ)发生配合反应.因此, 畜粪蚯蚓处理过程中可能通过增加DOM中的富里酸含量进而促进畜粪中的 Cu(Ⅱ)向环境中的迁移.

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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

浙江省自然科学基金资助项目(Y306160);杭州师范大学中青年培育基金(2010QN17);杭州师范大学国家级一般项目培育基金(2010PYjj18);浙江省大学生新苗人才项目(2010R421044)

* 责任作者, 副教授, zhwq-2000@tom.com

X705

A

1000-6923(2012)07-1319-07

张 志(1986-)男,山东青岛人,杭州师范大学生命与环境科学学院硕士研究生,主要从事固体废物资源化利用研究.