農(nóng)業(yè)常用有機(jī)物料中水溶性有機(jī)物的理化性質(zhì)特征

占新華,周立祥,盧燕宇 (南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210095)

農(nóng)業(yè)常用有機(jī)物料中水溶性有機(jī)物的理化性質(zhì)特征

占新華,周立祥*,盧燕宇 (南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210095)

以水稻土水溶性有機(jī)物(DOM)為對(duì)照,采用物理化學(xué)和光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了農(nóng)業(yè)上常用有機(jī)物料:豬糞、綠肥和污泥DOM的理化性質(zhì)差異.結(jié)果表明,水稻土、污泥、豬糞和綠肥DOM含量分別為122, 23793, 12904, 380560mgC/kg.若施用等量有機(jī)物料,帶入土壤的DOM量最多的應(yīng)是綠肥.不同有機(jī)物料DOM中大分子組分含量高低順序?yàn)?水稻土(51.08%)＞豬糞(41.25%)＞污泥(23.33%)＞綠肥(7.36%);而極性組分含量的順序則相反,水稻土(10.71%)＜豬糞(31.04%)＜污泥(31.91%)＜綠肥(54.16%).DOM的生物可降解性與DOM的分子量、極性組分含量有關(guān),分子量越大,極性組分含量越低,其越難被降解;反之則易.紅外圖譜顯示DOM中存在醇及苯酚中的-OH、脂肪族飽和C-H、-NH4+、苯環(huán)C=C、-NH、多糖類、醇類、羧酸類與酯類C-O及苯環(huán)C-H等基團(tuán).其非極性基團(tuán)與極性基團(tuán)峰高之和的比值順序顯示土壤DOM非極性(1.21)＞豬糞DOM(1.12)＞污泥DOM(1.11)＞綠肥DOM(0.98),紫外圖譜也證實(shí)了這一點(diǎn).

水溶性有機(jī)物；有機(jī)物料；分子量分級(jí)；極性；生物可降解性

Abstract：Since environmental behavior and effect of dissolved organic matter depend mainly on its physicochemical properties, a series of physicochemical and spectroscopic experiments was employed to investigate fractionation and characterization of dissolved organic matter (DOM) derived from pig manure, sewage sludge and green manure, commonly applied in agriculture. The contents of DOM were 122, 23793, 12904 and 380560 mg C/kg for paddy soil, sewage sludge, pig manure and green manure, respectively. On the basis of the content of high molecule fraction, the DOM could be arranged in the following order: paddy soil (51.08%)＞pig manure (41.25%)＞sewage sludge (23.33%)＞green manure (7.36%). The tendency in content of polar fraction was reverse, i.e., paddy soil (10.71%)＜pig manure (31.04%)＜sewage sludge (31.91%)＜green manure (54.16%). Biodegradability of DOM was related to its molecular weight and polar fraction. The higher the molecular weight was, the lower the content of polar fraction was, and the more difficultly DOM was biodegraded. FT-IR spectra indicated that DOM contains O—H (hydrogen-bonded alcohols, phenols and carboxylic acids), N-H (amines), aromatic ring, C—O (polysacchrides, carboxyl), and –CH2function groups. The ratio of total peak heights of apolar function groups to those of polar function groups can be employed a token of apolarity of DOM. These ratios were arranged as paddy soil DOM (1.21)＞pig manure DOM(1.12)＞sewage sludge DOM(1.11)＞green manure DOM(0.98), and UV spectra of DOM further confirmed the order.

Key words：dissolved organic matter；organic material；molecular fractionation；polarity；biodegradability

有機(jī)肥及有機(jī)固體廢物的施用是我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)措施,它不但可以維持土壤的地力,而且由于其能鈍化土壤中的重金屬,被當(dāng)作重金屬污染土壤的重要改良方法[1].然而近年來,不斷有研究報(bào)道施用有機(jī)物料能促進(jìn)土壤重金屬和疏水性有機(jī)污染物的活化與淋濾,例如,周立祥等[2]研究表明土壤施用污泥后耕層土壤中的Zn有向下遷移的趨勢(shì);Huang等[3]報(bào)道動(dòng)物排泄物能促進(jìn)土壤中農(nóng)藥的運(yùn)移.這與土壤中水溶性有機(jī)物(DOM)有關(guān)[4-7].另外,有關(guān)DOM對(duì)土壤中多環(huán)芳烴(PAHs)運(yùn)移影響的結(jié)果不同研究者報(bào)道不一致,如Totsche等[8]的結(jié)果說明DOM的加入降低了PAHs在土壤中的移動(dòng)性和土柱洗脫液中PAHs的濃度;而Magee等[9]的研究結(jié)果卻證實(shí)DOM的存在促進(jìn)了土壤中PAHs的遷移.產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是研究所用DOM的來源不同,其理化性質(zhì)差異較大所致.作者前期研究表明不同來源DOM對(duì)土壤中菲的吸持-解吸及其生物毒性影響明顯不同[10-11],可能與DOM的理化性質(zhì)相關(guān).

本研究以豬糞、綠肥和城市污泥為材料,通過對(duì)其DOM理化性質(zhì)特征的研究,以期闡明農(nóng)業(yè)常用有機(jī)物料對(duì)PAHs、農(nóng)藥和重金屬等污染物在農(nóng)地中的環(huán)境行為的影響機(jī)制, 為土壤施用有機(jī)物料后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和采用有機(jī)物料改良污染土壤提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1供試材料

供試物料: 綠肥(Vicia faba L.)為幼嫩蠶豆地上部分,采自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)菜地.待植株長(zhǎng)至10cm時(shí)收獲,然后帶回室內(nèi)殺青、烘干和磨細(xì)備用.

豬糞取自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)殖場(chǎng),烘干后磨細(xì)備用.

污泥采自無錫蘆村污水處理廠,為二級(jí)處理的脫水干化污泥.風(fēng)干后,磨細(xì)過20目篩備用.

根茬水稻土采自南京市江寧區(qū)秣陵鎮(zhèn)(31o51′47″N, 118o49′85″E).風(fēng)干后,磨細(xì)過20目篩備用.

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1有機(jī)物料中水溶性有機(jī)物(DOM)的提取稱取一定質(zhì)量的樣品,按一定的固液比[W(g)/V(mL)](豬糞、綠肥、污泥和水稻土分別為1∶10、1∶40、1∶6和1∶4)加入超純水,在25℃

下,于200r/min的水平恒溫振蕩機(jī)上振蕩16h后,4℃,1,2000r/min離心10min,上清液過0.45μm的濾膜,濾液中的有機(jī)物即為DOM[12]. DOM濃度以DOC來定量(mgC/L),用TOC自動(dòng)分析儀(TOC-5000A, Shimadzu)測(cè)定.將各DOM溶液濃度稀釋一致,以備后用.

1.2.2DOM的分子量分級(jí)(透析法) 將 8000Da透析膜(Spectra/Por 7, Spectrum Industries, California)剪成所需大小,扎緊一端,系成袋狀,置于0.01mol/L CH3COOH中煮沸30min,然后用超純水洗滌數(shù)次.在透析袋中加入10mL DOM溶液,上端扎緊懸掛于鐵絲上,置于0.005mol/L K2SO4溶液中透析8h(其間攪動(dòng)數(shù)次),然后置于超純水中繼續(xù)透析32h,間隔攪動(dòng),并換3次水,實(shí)驗(yàn)在4℃下進(jìn)行.用差減法確定不同分子量級(jí)DOM的含量[13].

1.2.3極性與非極性DOM的分離 樹脂活化:將XAD-7樹脂在0.1mol/L NaOH中浸泡24h后,用超純水洗滌干凈. 將XAD-7裝填到玻璃柱(內(nèi)徑2cm,長(zhǎng)25cm)中,裝填高度為20cm.用30mL 0.1mol/L HCl洗柱,再用超純水洗至無DOC. DOM極性與非極性組分的分離:將10mL pH值調(diào)整到2的樣品加入柱中,先用40mL 0.01mol/L HCl洗脫,然后用超純水洗至無DOC,洗脫液流速為1mL/min.收集洗脫液,并測(cè)定其中DOC含量,這部分DOM代表親水性DOM組分.吸附在樹脂上的疏水性DOM組分則用差減法求出[14].

1.2.4生物降解 將待測(cè)溶液DOM濃度均稀釋到29.71mgDOC/L,并接種1mL新鮮土壤溶液后,置于水平恒溫振蕩機(jī)中,在25℃、150r/min的條件下好氣振蕩培養(yǎng)5d,再用TOC儀(TOC-5000A, shimadzu)測(cè)定DOC,按以下公式計(jì)算5d生物降解率.

生物降解率的計(jì)算公式:

DOM降解率%=(樣品初始DOC濃度－樣品培養(yǎng)后DOC濃度)/樣品初始DOC濃度×100%

1.2.5紫外掃描 在可見-紫外分光光度計(jì)(751型,上海分析儀器廠)上,將濃度為30.41mgDOC/L的待測(cè)溶液從190nm到400nm每隔10nm測(cè)1次紫外吸收值,用紫外吸收值和對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)作圖即可得DOM的紫外掃描圖譜[12].

1.2.6傅立葉變換紅外光譜分析(FT-IR) 將1mg上述凍干的樣品與400mg干燥的KBr(光譜純)磨細(xì)混勻,在10t/cm2壓強(qiáng)下壓成薄片并維持1min,用FT-IR光譜儀(Nicolet Magna-FTIR-550)測(cè)定并記錄其光譜[12].

2 結(jié)果與討論

2. 1不同有機(jī)物料中DOM的含量

不同有機(jī)物料其有機(jī)酸、糖分、蛋白質(zhì)等組分含量不同,因而DOM含量也會(huì)存在差異.本試驗(yàn)中所用4種有機(jī)物料DOM含量順序?yàn)?綠肥＞污泥＞豬糞＞水稻土(表1).其中綠肥DOM含量約為污泥的16倍,而豬糞中DOM含量相當(dāng)于污泥的1/2.與其他有機(jī)物料相比,水稻土DOM含量(122mg/kg)要低2～3個(gè)數(shù)量級(jí),約為豬糞的1%.因此,有機(jī)物料施入土壤的同時(shí),也會(huì)帶入大量的DOM;而施用相同量的綠肥、豬糞和污泥,其帶入土壤的DOM的量會(huì)有較大的差異,對(duì)土壤環(huán)境中養(yǎng)分元素和污染物的遷移與轉(zhuǎn)化的影響也會(huì)有所不同.

表1 不同有機(jī)物料中DOM含量(干基)Table 1 Content of DOM in organic materials tested

2.2不同有機(jī)物料中DOM的分子量分級(jí)

圖1 不同有機(jī)物料DOM的分子量分級(jí)Fig.1 Fraction of DOM according to molecular weight

采用透析法將DOM分為分子量＞8000Da和＜8000Da兩級(jí),結(jié)果如圖1所示.4種有機(jī)物料DOM中分子量＞8000Da的組分所占的比例以水稻土DOM最高,超過50%;綠肥DOM最低,不足10%;豬糞與污泥居于中間,含量為21%～44%.小分子DOM組分多是一些簡(jiǎn)單的有機(jī)酸、單糖和低聚糖等物質(zhì),而高分子DOM組分主要是多糖、多肽以及一些去污劑等[15].因此,大分子組分含量高的DOM對(duì)PAHs等疏水性較強(qiáng)的污染物的影響大于大分子組分含量低的.

2.3不同有機(jī)物料中DOM的極性組分含量

不同有機(jī)物料DOM的極性大小可以用DOM中親水性組分含量的高低來表示,親水性組分含量高,其極性也強(qiáng).Leenheer[16]曾采用XAD樹脂將DOM分為親水酸性組分(HiA)、親水堿性組分(HiB)、親水中性組分(HiN)和疏水酸性組分(HoA)、疏水堿性組分(HoB)、疏水中性組分(HoN)6級(jí).鑒于其中有些組分含量很低,實(shí)用價(jià)值不明顯,且操作煩瑣,本實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn),即用XAD-7樹脂將DOM分為親水性和疏水性兩大組分,結(jié)果見圖2.

圖2 不同有機(jī)物料DOM中親水性組分的含量Fig.2 Content of hydrophilic fraction in DOM derived from different organic materials

4種有機(jī)物料中以綠肥DOM的親水性組分含量(54.16%)最高;其次是污泥(31.91%)與豬糞(31.03%);水稻土(10.71%)最低.不同有機(jī)物料DOM的極性組分變化趨勢(shì)與其分子量的變化基本一致,即小分子組分含量高的其DOM的極性也較大.有研究指出,DOM親水性組分的相對(duì)分子量較疏水性組分低[17].大分子疏水性DOM組分易與PAHs等疏水性有機(jī)污染物形成配合物,可抑制土壤對(duì)PAHs等疏水性有機(jī)污染物的吸持,且可促進(jìn)土壤吸持菲的解吸[10].王艮梅[18]研究表明豬糞、綠肥的DOM在無抑菌劑存在條件下經(jīng)過土柱后淋濾液DOM的極性降低了,且綠肥DOM下降幅度大于豬糞DOM.這說明淋濾液DOM中疏水性DOM的含量相對(duì)增加了.疏水性DOM組分通過分配、疏水等作用可增強(qiáng)PAHs等疏水性有機(jī)污染物在土壤中的移動(dòng)性,從而增大了土壤中PAHs等疏水性有機(jī)污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

2.4不同來源DOM的生物可降解性

來源于不同有機(jī)物料的DOM的5d生物降解率如圖3所示,綠肥DOM的生物降解率(73.94%)最高,其次是污泥,然后是豬糞,水稻土DOM的生物降解率(36.52%)最低.結(jié)合圖1和圖2可推知,小分子組分和親水性組分含量高的DOM,其生物降解率也較高,容易被微生物降解.一般地,親水性組分的分子量相對(duì)較低,結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單,多為醛糖、簡(jiǎn)單的脂肪酸(含4～5個(gè)C原子)、多元酚、氨基糖和大多數(shù)氨基酸等物質(zhì),這些物質(zhì)的N/C較高;而疏水性組分的分子量較大,且多是飽和脂肪酸和復(fù)雜的有機(jī)成分,N/C相對(duì)較低.低分子高N/C的物質(zhì),微生物容易利用,在環(huán)境中的存在時(shí)間相對(duì)較短,因此其環(huán)境效應(yīng)持續(xù)的時(shí)間也短.Dilling等[19]的研究也表明DOM的親水性組分比疏水性組分容易被微生物降解.Wagai等[20]進(jìn)一步指出被生物降解的DOM主要來自親水中性組分,且大部分親水中性組分在3d內(nèi)被降解.

圖3 不同有機(jī)物料DOM的生物可降解性Fig.3 Biodegradability of DOM derived from differernt organic materials

2.5不同有機(jī)物料DOM的光譜學(xué)特征

2.5.1不同有機(jī)物料DOM的紫外光譜學(xué)特征 在紫外光區(qū)域內(nèi),物質(zhì)對(duì)紫外光的吸收與分子的電子結(jié)構(gòu)有關(guān),許多電子結(jié)構(gòu)在這一區(qū)域內(nèi)是沒有吸收的.實(shí)際上紫外光譜主要限于共軛體系.不同有機(jī)物料DOM的紫外光譜圖(圖4)表明,4種DOM在190nm左右出現(xiàn)強(qiáng)的紫外吸收蜂,且紫外吸收值均隨著波長(zhǎng)的增大而減小;污泥與綠肥DOM在240～290nm區(qū)還有一弱吸收峰,而水稻土與豬糞DOM在此區(qū)無吸收峰;在波長(zhǎng)小于200nm區(qū)間,不同有機(jī)物料DOM的吸收值強(qiáng)度順序依次是:水稻土＞豬糞＞污泥＞綠肥,這與DOM非極性成分、大分子組分的含量及生物可降解性結(jié)果相一致.

圖4 不同有機(jī)物料DOM的紫外圖譜Fig.4 UV spectra of DOM derived from different organic materials

2.5.2不同有機(jī)物料DOM的紅外光譜學(xué)特征 供試有機(jī)物料DOM都存在3個(gè)強(qiáng)吸收區(qū)域(4000～3000cm-1、2000～1000cm-1和900～600cm-1)與1個(gè)弱吸收區(qū)域(3000～2900cm-1)(圖5).按照Morrison等[21]的解析,4000～3000cm-1寬且強(qiáng)的吸收帶是H鍵鍵合的-COOH、醇及苯酚中的—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰;3559和3419cm-1是N—H的伸縮振動(dòng)雙峰;3250cm-1為苯環(huán)上C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰;脂肪族飽和C—H鍵的伸縮振動(dòng)吸收區(qū)在2960～2850cm-1;1706cm-1是醛、酮、羧酸和酯C=O伸縮振動(dòng)吸收峰;1625cm-1為苯環(huán)、烯烴類C=C和分子間或分子內(nèi)形成氫鍵的羧酸中的C=O的伸縮振動(dòng)峰;1456cm-1中等強(qiáng)度吸收峰是N—H彎曲振動(dòng)的吸收峰;1260～1000cm-1的強(qiáng)吸收峰是多糖類、醇類、羧酸類及酯類C—O的伸縮振動(dòng)峰;870～640cm-1的尖峰是苯環(huán)C—H面外彎曲振動(dòng)吸收峰-苯環(huán)類物質(zhì)的特征峰.4000～3000cm-1、1625cm-1和870～640cm-1吸收峰的存在說明土壤DOM中含有苯環(huán)和酚基功能團(tuán);3559cm-1、3419cm-1和1465cm-1處的吸收峰則表征樣品中-NH的存在; 4000～3000cm-1、1706cm-1及1260～1000cm-1吸收峰預(yù)示著土壤DOM中有羧酸;而4000～3000cm-1和1260～ 1000cm-1吸收峰表明多糖的存在.

圖5 不同有機(jī)物料DOM的紅外圖譜Fig.5 FT-IR spectra of DOM derived from different organic materials

豬糞DOM的紅外光譜顯示其含有H鍵鍵合的-COOH、醇及苯酚中的—OH,N—H,多糖類、醇類、羧酸類及酯類C—O,苯環(huán)上C—H和脂肪族飽和C—H等基團(tuán).污泥DOM 4000～3000cm-1、1625cm-1和1125cm-1的吸收峰表明其中存在羧酸及多糖;2375～2125cm-1、1419cm-1與690～610cm-1吸收峰的存在預(yù)示著樣品里含有肽類和蛋白質(zhì).4000～3000cm-1和690～610cm-1吸收峰說明污泥DOM含有苯環(huán)和酚基功能團(tuán).綠肥DOM中存在H鍵鍵合的—COOH、醇及苯酚中的—OH(4000～3000cm-1),脂肪族飽和C-H(3000～2900cm-1),—NH4+(2375～2125cm-1)[22],苯環(huán)C=C (1601cm-1),—NH(1404cm-1),多糖類、醇類、羧酸類及酯類C—O(1279和1074cm-1)及苯環(huán)C—H(850～600cm-1).若采用非極性基團(tuán)(脂肪族飽和C—H、苯環(huán)C—H、苯環(huán)C=C)峰高之和與極性基團(tuán)(—OH、—NH、—NH4+、—C—O、—C=O)峰高之和的比值來表征DOM非極性的大小,則4種DOM的非極性大小順序?yàn)?土壤DOM非極性(1.21)＞豬糞DOM(1.12)＞污泥DOM(1.11)＞綠肥DOM (0.98).這與XAD樹脂分離的結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了供試物料DOM的極性大小順序.

3 結(jié)論

3.1不同有機(jī)物料,其DOM含量不同.水稻土、污泥、豬糞和綠肥DOM含量分別為122,23793, 12904,380560mgC/kg.因此,施用等量的有機(jī)物料,帶入土壤的DOM的量最多是綠肥.

3.2不同有機(jī)物料DOM中大分子組分含量高低順序?yàn)?水稻土(51.08%)＞豬糞(41.25%)＞污泥(23.33%)＞綠肥(7.36%);而極性組分含量的順序則相反,水稻土(10.71%)＜豬糞(31.04%)＜污泥(31.91%)＜綠肥(54.16%).

3.3DOM的生物可降解性與DOM的分子量、極性組分含量有關(guān),分子量越大,極性組分含量越低,其越難被降解.

3.44000～3000cm-1、3000～2900cm-1、2375～2125cm-1、1601cm-1、1404cm-1、1279～1074cm-1和850～600cm-1吸收峰的存在說明DOM中存在醇及苯酚中的—OH、脂肪族飽和C—H、-NH4+、苯環(huán)C=C、-NH、多糖類、醇類、羧酸類及酯類C—O及苯環(huán)C—H等基團(tuán).其非極性基團(tuán)與極性基團(tuán)峰高之和的比值順序顯示土壤DOM非極性(1.21)＞豬糞DOM(1.12)＞污泥DOM(1.11)＞綠肥DOM(0.98),紫外光譜也證實(shí)了這一點(diǎn).

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Fractionation and characterization of dissolved organic matter derived from different organic material commonly

applied in agriculture.

ZHAN Xin-hua, ZHOU Li-xiang*, LU Yan-yu (College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China). China Environmental Science, 2010,30(5)：619～624

X131

A

1000-6923(2010)05-0619-06

占新華(1972-),男,江西婺源人,副教授,博士,主要從事環(huán)境污染化學(xué)與污染控制化學(xué)方面的研究工作.發(fā)表論文40余篇.

2009-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20377024);國(guó)家“863”項(xiàng)目(2007AA061101)

* 責(zé)任作者, 教授, lxzhou@njau.edu.cn