堆放垃圾滲濾液水溶性有機(jī)物的熒光特性

何小松,席北斗,魏自民,李鳴曉,3,蘇 婧,耿春茂,王 威,胡春明 (.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 50030；.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室,北京 000；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 50030)

堆放垃圾滲濾液水溶性有機(jī)物的熒光特性

何小松1,2,席北斗2,魏自民1*,李鳴曉2,3,蘇 婧2,耿春茂1,2,王 威1,胡春明1,2(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室,北京 100012；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030)

為揭示堆放垃圾滲濾液物質(zhì)組成特性及其變化規(guī)律,采用三維熒光光譜,對(duì) 4個(gè)不同垃圾堆場(chǎng)滲濾液水溶性有機(jī)物(DOM)進(jìn)行了研究.結(jié)果顯示,堆放垃圾滲濾液樣品S1中含有2類蛋白熒光峰:類酪氨酸熒光峰和類色氨酸熒光峰,其他3個(gè)樣品(S2、S3及S4)只含有類色氨酸熒光峰,此外還出現(xiàn)了類腐殖質(zhì)熒光峰,且不同樣品中該峰的數(shù)目、類型及位置均存在差異,顯示滲濾液樣品 S1只含有類蛋白類物質(zhì),而其他3個(gè)樣品除此之外還含有類腐殖質(zhì)物質(zhì),且腐殖化程度各異.類蛋白類物質(zhì)-Hg(II)配位研究顯示,與類色氨酸熒光峰相比,類酪氨酸熒光峰更易受介質(zhì)微環(huán)境改變影響;室溫培養(yǎng)模擬研究顯示,與類腐殖質(zhì)物質(zhì)相比,類蛋白類物質(zhì)更易發(fā)生降解.三維熒光光譜可以有效表征堆場(chǎng)滲濾液DOM物質(zhì)組成及其變化規(guī)律.

堆放垃圾；滲濾液；水溶性有機(jī)物；三維熒光光譜

由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等原因,我國有相當(dāng)一部分城鎮(zhèn)生活垃圾露天堆放處理.據(jù)朱青山等[1]的調(diào)查顯示,在三峽工程淹沒區(qū),堆放垃圾總量已達(dá)330萬t,分布在140多個(gè)堆放點(diǎn).李霖濱等[2]的統(tǒng)計(jì)表明,截止2005年底,我國非衛(wèi)生填埋及堆放處理垃圾量已達(dá)60億t.垃圾堆放不僅占據(jù)大量土地,而且產(chǎn)生大量的滲濾液.垃圾滲濾液中含有多種污染成分,水溶性有機(jī)物(DOM)是其中很重要的一類污染物,其含量占滲濾液總有機(jī)碳的80%以上[3].因此,對(duì)滲濾液DOM物質(zhì)組成的研究,可以有效表征不同垃圾堆場(chǎng)的物質(zhì)組成及污染特性,為堆放垃圾的管理及滲濾液處理提供借鑒.

滲濾液DOM組成復(fù)雜,含有揮發(fā)性有機(jī)酸、多聚糖、腐殖質(zhì)等多種有機(jī)成分,目前對(duì)滲濾液DOM 物質(zhì)組成特性的分析,應(yīng)用較多的有GC-MS聯(lián)用、紅外光譜和核磁共振等技術(shù)[4-7]. GC-MS聯(lián)用可確定滲濾液DOM物質(zhì)種類,紅外光譜法可以辨別化合物的特征官能團(tuán),核磁共振法可提供有機(jī)分子骨架的信息,敏感地反映碳核所處化學(xué)環(huán)境的細(xì)微差別.不足的是,采用上述技術(shù)研究滲濾液 DOM時(shí),樣品前處理復(fù)雜,不利于連續(xù)快速分析.熒光光譜是基于分析物質(zhì)中含有大量帶有各種低能量 π-π*躍遷的芳香結(jié)構(gòu)或共軛生色團(tuán)以及未飽和脂肪鏈分析有機(jī)物的,它具有樣品前處理簡(jiǎn)單、分析快捷(約1min)、靈敏度高(10-9數(shù)量級(jí))、用量少(1～2mL)和不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[8],自從1949年Kalle開創(chuàng)性地將其應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)特征研究后,熒光光譜便廣泛應(yīng)用于不同來源DOM物質(zhì)組成特性的分析[9-12].三維熒光光譜能夠獲得激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)改變的光譜信息,反映出化合物完整的熒光信息,可以將DOM中各種類型的熒光物質(zhì)一一地表征出來,如類蛋白類物質(zhì)、類腐殖質(zhì)物質(zhì).本研究以 4個(gè)不同堆放垃圾滲濾液DOM為研究對(duì)象,分析了其三維熒光光譜特性及其變化規(guī)律,以期為堆放垃圾的管理及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

供試滲濾液于2007年6月取自4個(gè)不同的垃圾堆放地,分別編號(hào)為S1、S2、S3及S4. S1取自某小區(qū)臨時(shí)垃圾堆存點(diǎn),基本上為新鮮生活垃圾所產(chǎn)生;S2、S3分別取自2個(gè)不同的街道角落堆存垃圾,由混合在一起的新舊垃圾共同產(chǎn)生;S4取自一廢棄的垃圾堆場(chǎng),為陳腐垃圾所產(chǎn)生.樣品采集后,于12000r/min離心20min,并將上清液過 0.45μm的濾膜,濾液中有機(jī)物即為滲濾液DOM.

1.2 類蛋白物質(zhì)-Hg(II)配位反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為了分析類蛋白物質(zhì)與 Hg(II)的配位作用,取7個(gè)50mL的錐形瓶,每個(gè)瓶中均加入樣品S1溶液 20mL,然后分別滴加濃度為 0.01mol/L或0.001mol/L的Hg(NO3)2溶液,使7個(gè)錐形瓶中的Hg(II)濃度依次為0, 1, 2, 3, 4, 5, 6μmol/L,使用2種濃度(0.1mol/L和0.01mol/L)的HClO4和NaOH溶液調(diào)各樣品pH8.0±05,加入的酸堿試劑總量不超過 100μmol,忽略濃度稀釋效應(yīng),在恒溫震蕩器中30℃、180r/min避光震蕩24h,相同溫度下再避光靜止4h,待反應(yīng)平衡后,進(jìn)行光譜測(cè)定[13].

1.3 水溶性有機(jī)物恒溫培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

將所采集的滲濾液樣品S3置于30℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)30d,然后進(jìn)行熒光測(cè)試.

1.4 熒光光譜測(cè)定

熒光光譜測(cè)定采用儀器為Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B.該儀器的主要性能參數(shù)如下,激發(fā)光源:150W 氙弧燈;PMT電壓 :700V;信噪比＞110;帶通(Bandpass):Ex= 10nm;Em=10nm;響應(yīng)時(shí)間:自動(dòng);掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正.三維熒光光譜測(cè)定時(shí)激發(fā)波長(zhǎng)Eex=200～450nm,發(fā)射波長(zhǎng) Eem=300～550nm,掃描速度:1200nm/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同垃圾堆場(chǎng)滲濾液DOM熒光特性

由圖1可見,樣品S1的三維熒光光譜圖出現(xiàn)了4個(gè)熒光峰:Peak 1、Peak 2、Peak 3和Peak 4,其最大熒光峰位置所對(duì)應(yīng)激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)依次為275/315nm、220/315nm、275/350nm及220/348nm.根據(jù)Clobe等[8-9,12]的報(bào)道可知,上述4個(gè)熒光峰均為類蛋白熒光峰,其中Peak1、Peak 2為類酪氨酸熒光峰,與酪氨酸及其代謝產(chǎn)物有關(guān);Peak 3、Peak 4為類色氨酸峰,peak 4與色氨酸及其代謝物有關(guān),Peak 3除了與色氨酸有關(guān)外,一些可溶性微生物代謝副產(chǎn)物和苯酚類物質(zhì)也在該處出現(xiàn)熒光峰[14].Hudson等[15]認(rèn)為,當(dāng)色氨酸在 Peak 3和Peak 4位置處出現(xiàn)熒光峰時(shí),與其存在形態(tài)無關(guān),即色氨酸無論是游離態(tài),還是以結(jié)合態(tài)形式存在多肽、蛋白質(zhì)或腐殖質(zhì)類物質(zhì)中,均會(huì)在Peak 3和Peak 4的位置處出現(xiàn)熒光峰,由于在樣品S1的三維熒光光譜圖中未出現(xiàn)與腐殖質(zhì)有關(guān)的熒光峰——類腐殖質(zhì)峰,因此,Peak 3、Peak 4中的色氨酸只能為游離態(tài)或結(jié)合在非腐殖質(zhì)物質(zhì)上.此外,已有研究表明[14],三維熒光光譜中類蛋白熒光峰的出現(xiàn)與微生物活動(dòng)有關(guān),可以通過環(huán)境中微生物的活動(dòng)形成,因此,樣品S1中Peak 1、 Peak 2、Peak 3和Peak 4 4個(gè)熒光峰的出現(xiàn),表明在堆放垃圾滲濾液中微生物活躍,其水溶性有機(jī)物中含有大量的垃圾降解產(chǎn)物.

與樣品S1相比,樣品S2三維熒光光譜圖中類酪氨酸熒光峰Peak1、Peak 2消失了,同時(shí)在激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)為310/435nm處新出現(xiàn)了Peak 5(圖1),Antīzar-Ladislao等[16]指出,該峰的出現(xiàn)預(yù)示著堆肥過程中胡敏酸的形成.因此,這表明在樣品S2中,除了類蛋白類物質(zhì)外,還含有胡敏酸物質(zhì),樣品S2所在堆場(chǎng)垃圾進(jìn)行了腐殖化過程.

圖1 不同堆放垃圾滲濾液DOM三維熒光譜Fig.1 Three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy of DOM of leachate from different dumped waste

Baker等[9]研究表明,藥劑、殺蟲劑、致癌物等異質(zhì)性有機(jī)物(XOM),如萘、菲等的熒光峰常常出現(xiàn)在類色氨酸峰附近,并伴隨著微環(huán)境的改變最大激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng).圖 1顯示,樣品S3中類色氨酸熒光峰Peak 3、Peak 4的最大峰位置均發(fā)生了紅移,由樣品S1中的275/350nm和220/348nm紅移至樣品 S3中的 280/373nm和 220/375nm,說明該樣品中可能含有大量的異質(zhì)性有機(jī)物質(zhì).此外,圖1還顯示,樣品S3中新出現(xiàn)了 Peak 6,該峰的最大峰位置難以確定,據(jù) Chen等[15]的報(bào)道可知,Peak 6為類富里酸峰,與腐殖質(zhì)中的富里酸物質(zhì)有關(guān).Jouraiphy等[17]認(rèn)為,隨著垃圾堆放時(shí)間的延長(zhǎng),富里酸會(huì)被降解,通過生物氧化作用合成更為復(fù)雜的腐殖質(zhì),致使該峰隨著垃圾堆放時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減弱直至消失.

從樣品S2和S3的三維熒光光譜圖中可以發(fā)現(xiàn),垃圾堆放過程中首先出現(xiàn)的是類胡敏酸熒光峰,而后才是類富里酸熒光峰,即在堆放垃圾的腐殖化過程中,首先形成的是胡敏酸物質(zhì),隨后才是富里酸物質(zhì),表明堆放垃圾中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化不僅可以由富里酸生物合成胡敏酸,也可能由胡敏酸生物降解成富里酸.

樣品 S4取自一陳腐垃圾堆場(chǎng),其滲濾液DOM 的三維熒光光譜中除了觀察到樣品 S1、S2、S3所出現(xiàn)的6個(gè)熒光峰外,還出現(xiàn)了Peak 7,其最大熒光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)為290/423nm,據(jù)Shao等[12]的報(bào)道可知,該峰也為類腐殖質(zhì)熒光峰,可能為Peak 5和Peak 6之間過渡類型的熒光峰,來源于富里酸降解生成更為復(fù)雜的腐殖質(zhì)的過程.樣品S4中Peak 5最大熒光峰對(duì)應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)為335/420nm,而樣品S2、S3該峰分別為310/435nm和330/406nm,Shao等[12]認(rèn)為,有機(jī)質(zhì)腐殖化程度越大,苯環(huán)結(jié)構(gòu)含量越多,芳烴類化合物縮合度越高,其對(duì)應(yīng)腐殖質(zhì)熒光峰的激發(fā)波長(zhǎng)越長(zhǎng),因此,上述3個(gè)樣品Peak 5熒光峰位置的不同表明它們的腐殖化程度存在較大差別,其大小依次為:S4＞S3＞S2.從圖1還可發(fā)現(xiàn),樣品S4中類色氨酸峰相對(duì)較弱,而3個(gè)與腐殖質(zhì)有關(guān)的熒光峰均較強(qiáng),致使臨近的類色氨酸熒光峰側(cè)翼被掩蓋,表明在陳腐垃圾樣品 S4中,類蛋白類物質(zhì)較少,主要成分為垃圾腐殖化過程形成的腐殖質(zhì)類物質(zhì).

圖2 Hg(Ⅱ)對(duì)樣品S1三維熒光光譜的影響Fig.2 Effect of Hg(Ⅱ) on 3DEEM spectra of sample S1

2.2 類蛋白物質(zhì)-Hg(Ⅱ)配位特性

Hudson等[15]認(rèn)為,類蛋白熒光峰與微生物活性有關(guān),可以通過微生物活動(dòng)形成.另一方面,相對(duì)于腐殖質(zhì)而言,類蛋白熒光峰所代表的類蛋白物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,更易被微生物作為能源或合成其他物質(zhì)的材料而利用.重金屬是環(huán)境中的一類危害性較大的毒性物質(zhì),常常與蛋白質(zhì)結(jié)合而影響微生物活性,導(dǎo)致堆體垃圾降解緩慢.此外,Hg、 Cu、Fe等順磁性金屬離子還能產(chǎn)生熒光猝滅效應(yīng),當(dāng)把它們加入含有類蛋白物質(zhì)的 DOM溶液后,會(huì)使類蛋白熒光強(qiáng)度急劇下降,除此之外是否會(huì)產(chǎn)生其他效應(yīng),目前研究較少[13].基于此,本研究選擇對(duì)環(huán)境危害較大的重金屬Hg和類蛋白熒光峰含有數(shù)目最多的滲濾液樣品S1,研究不同Hg(Ⅱ)濃度下樣品S1中4個(gè)類蛋白熒光峰的變化,以探討不同類蛋白物質(zhì)與Hg(Ⅱ)的配位特性.

圖2顯示,當(dāng)樣品S1中未加入Hg(Ⅱ)時(shí),類酪氨酸峰和類色氨酸峰均存在,當(dāng)樣品 S1中的Hg(Ⅱ)濃度為 1μmol/L時(shí),類酪氨酸熒光峰消失了,而類色氨酸熒光峰的熒光強(qiáng)度卻發(fā)生了增強(qiáng),這可能是在該Hg(Ⅱ)濃度下,酪氨酸殘基的熒光發(fā)射譜與色氨酸殘基熒光激發(fā)譜重疊,通過偶極-偶極的共振偶合作用使能量從酪氨酸殘基轉(zhuǎn)移到色氨酸殘基上造成的,然而,當(dāng)溶液中的Hg(Ⅱ)濃度上升為 2μmol/L時(shí),類色氨酸熒光峰由于Hg(Ⅱ)的熒光猝滅效應(yīng),熒光強(qiáng)度降低了,而類酪氨酸熒光峰又出現(xiàn)了,并且此時(shí)的熒光強(qiáng)度強(qiáng)于沒加Hg(Ⅱ)的原液,這可能是當(dāng)溶液中的Hg(Ⅱ)濃度為2μmol/L時(shí),類酪氨酸物質(zhì)與Hg(Ⅱ)形成的復(fù)合物致使前者剛性結(jié)構(gòu)增強(qiáng),隨后隨著溶液中Hg(Ⅱ)濃度的進(jìn)一步增加,Peak 2和Peak 4緩慢下降,Peak 1和Peak3趨于穩(wěn)定,但峰形均變化不大(圖2,圖3)

由于類酪氨酸熒光峰位置易受介質(zhì)微環(huán)境的影響,再加上酪氨酸代謝物的熒光效率一般很低,并且結(jié)合在腐殖質(zhì)上的類酪氨酸常發(fā)生能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,因此,它對(duì)滲濾液DOM熒光強(qiáng)度的貢獻(xiàn)并不大,在許多堆場(chǎng)滲濾液DOM中,常常觀察不到該峰(圖1).

圖3 Hg(Ⅱ)對(duì)樣品S1三維熒光光譜中各峰強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of Hg(Ⅱ) on the intensity of each peak in 3DEEM spectra of sample S1

2.3 滲濾液水溶性有機(jī)物降解的熒光特性

圖4 樣品S3培養(yǎng)30d后三維熒光光譜的改變Fig.4 3DEEM of sample S3 before and after 30days

堆場(chǎng)滲濾液組成復(fù)雜,其中除了含有大量有機(jī)物外還含有種類繁多的微生物,致使 DOM在堆體垃圾中極易發(fā)生改變.以樣品 S3為例,研究了滲濾液DOM在30℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)時(shí)三維熒光光譜中各峰的改變,以模擬垃圾堆放過程中滲濾液中不同熒光物質(zhì)的變化.圖4顯示,當(dāng)樣品S3在30℃恒溫培養(yǎng)30d時(shí),DOM中的熒光峰發(fā)生了較大變化,Peak 3、Peak 4均發(fā)生了藍(lán)移:280/373nm處的熒光峰移至 280/348nm處220/375nm處的熒光峰也移至220/348nm處.藍(lán)移現(xiàn)象的發(fā)生,可能是滲濾液芳香環(huán)減少、長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)中對(duì)位鍵減少、線性環(huán)狀結(jié)構(gòu)向非線性環(huán)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化或微生物活動(dòng)所致[8],即滲濾液中有機(jī)質(zhì)的降解所引起.圖4還顯示,Peak 5和Peak 6在培養(yǎng)過程中未發(fā)生明顯改變,這可能是類腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以降解或氧化造成的.

3 結(jié)論

3.1 三維熒光光譜能有效表征堆場(chǎng)滲濾液DOM 的物質(zhì)組成,通過不同類型熒光峰的分析可知滲濾液中微生物活躍,其水溶性有機(jī)物中含有大量的微生物降解產(chǎn)物及不同腐殖化程度的腐殖質(zhì)類物質(zhì).

3.2 在介質(zhì)金屬離子Hg(II)濃度改變的過程中,類蛋白熒光峰的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯改變,與類色氨酸相比,類酪氨酸熒光峰位置更易受 Hg(II)濃度改變影響.

3.3 滲濾液水溶性有機(jī)物中類蛋白物質(zhì)容易發(fā)生開環(huán)降解,而腐殖質(zhì)類物質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,短期室溫環(huán)境下變化不大.

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Fluorescence characteristics of dissolved organic matter from dumped waste leachate.

HE Xiao-song1,2, XI Bei-dou2, WEI Zi-min1*, LI Ming-xiao1,3, Su Jing2, GENG Chun-mao1,2, WANG Wei1, HU Chun-ming1,2(1.College of Life Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2.Laboratory of Water Environmental System Engineering, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China；3.College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：752～757

In order to reveal the characteristics of composition of leachates from dumped waste and their variations, three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy (3DEEM) were applied for dissolved organic matter (DOM) of leachates extracted from four different dumped waste. Leachate sample S1 contained two different kinds of protein-like fluorescence peak, i.e., tyrosine-like and tryptophan-like fluorescence peaks. The other three samples (S2, S3 and S4), however, in addition to tryptophan-like fluorescence, contained humus-like fluorescence peaks as well, and the number, type and location of the peaks were different in according to samples. Leachate samples S1 contained only protein-like matter, while the other three samples contained both humus-like matter and protein-like matter, and the degree of humification of humus-like matter varied in different samples. The complexation between the protein-like matter in sample S1 and Hg (II) indicated that, compared with tryptophan-like fluorescence peak, tyrosine-like fluorescence peak could be more easily impacted by the micro-environmental change; the results of culture experiments at room temperature demonstrated that, protein-like substance could be easily broken, while humus-like substance shown strong resistance to microbe. 3DEEM could be effectively characterized the composition of DOM of leachates from dumped waste and their variations.

dumped waste；leachate；dissolved organic matter；three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy

2009-10-14

國家“973”項(xiàng)目(2005CB724203);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878201);黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(C200901)

* 責(zé)任作者, 教授, weizimin691120@126.com

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1000-6923(2010)06-0752-06

何小松(1982-),男,湖南道縣人,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院碩士研究生,主要從事固體廢物處理處置研究.發(fā)表論文5篇.