雨養(yǎng)沼澤泥炭腐植酸的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)

Maris Klavins，Oskars Purmalis 著

韓 征2 趙紅艷2* 譯

(1 拉脫維亞大學(xué)環(huán)境科學(xué)系 里加 LV1586 2 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)春 130000)

腐植酸類物質(zhì)是一類自然產(chǎn)生的復(fù)雜有機(jī)物，通常為黃色到黑色，分子量較高。腐植酸類物質(zhì)可分為三部分：(a)任何pH值下都不溶于水的是腐黑物；(b)酸性條件下(pH值低于2)不溶、較高pH值(堿性)下可溶于水的是腐植酸(HA)；(c)任何pH條件下都可溶的是黃腐酸(FA)。腐植酸類物質(zhì)是土壤、泥炭和自然水體中有機(jī)物的主要成分，它能影響化石燃料的形成過(guò)程，在全球碳的生物地球化學(xué)循環(huán)中貢獻(xiàn)頗大。腐植酸類物質(zhì)不僅對(duì)環(huán)境中某些元素和有機(jī)污染物的固定過(guò)程起著重要作用，還是一種重要資源。因此，對(duì)腐植酸性質(zhì)的研究引起人們極大的興趣。

腐植酸類物質(zhì)來(lái)源不同，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不同。由于天然有機(jī)物(植物、動(dòng)物和微生物)和腐殖化條件(形成年代、氣候條件和其他因素)的差異，腐植酸性質(zhì)與其來(lái)源的關(guān)系很難解釋清楚?；钣袡C(jī)體腐殖化過(guò)程非常復(fù)雜，其分解時(shí)環(huán)境條件差異較大，反應(yīng)速度較慢，組成有機(jī)質(zhì)的分子數(shù)量龐大且存在結(jié)構(gòu)差異。可以推測(cè)，腐殖化條件(溫度、氧化還原條件、pH值、礦化作用和其他因素)能夠影響活有機(jī)體中間轉(zhuǎn)換產(chǎn)物——腐植酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，有必要研究相對(duì)均一穩(wěn)定的雨養(yǎng)沼澤環(huán)境中活有機(jī)體的腐殖化過(guò)程。

泥炭是苔蘚和其他成炭植物如莎草、灌木或樹(shù)木等在水淹條件下，部分分解而形成的有機(jī)物料，一般呈淺棕色到黑色，是沼澤和濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。泥炭層能夠記錄過(guò)去的環(huán)境變化。泥炭中儲(chǔ)存了豐富的有機(jī)碳，它在碳的生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候變化中起著重要作用。泥炭發(fā)育過(guò)程中，植被、溫度、降水和相應(yīng)的沼澤水文條件和濕地流域的土地利用也同時(shí)發(fā)生著變化，可以通過(guò)有機(jī)物巖化過(guò)程的微觀特征來(lái)觀察腐植酸性質(zhì)的相應(yīng)變化。然而，很少有研究涉及泥炭(特別是完整的泥炭剖面)性質(zhì)與腐植酸性質(zhì)之間的關(guān)系。

本文使用化學(xué)方法和光譜技術(shù)(元素和官能團(tuán)分析、紫外光譜、熒光光譜、紅外光譜、電子自旋共振(ESR)、核磁共振(13C NMR)、裂解-氣相色譜/質(zhì)譜)闡述雨養(yǎng)沼澤泥炭腐植酸的性質(zhì)，評(píng)估腐植酸的均質(zhì)性，并研究腐殖化度對(duì)腐植酸結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

質(zhì)量分析試劑，均未經(jīng)提純處理。購(gòu)自Merck公司、Sigma-Aldrich有限公司和Fluka Chemie公司，配制溶液用水為Millipore Elix 3超純水，購(gòu)自Millipore公司，使用總量為10～15 MΩ/cm。

1.2 泥炭采樣及泥炭特征

泥炭樣品取自 Eipurs、Di?purvs和 Dzelve地區(qū)典型雨養(yǎng)沼澤，并被切割成層(表1)。樣品在105 ℃干燥后，混勻過(guò)1 mm篩，用Carl-Zeiss雙目顯微鏡觀察，分析其植物殘?bào)w組成及分解程度，并測(cè)量腐植酸和黃腐酸比值(HA/FA)。樣品14C檢測(cè)在愛(ài)沙尼亞塔林技術(shù)大學(xué)地質(zhì)研究所完成。泥炭和腐植酸樣品中C、H、N和S含量用裂解-氣相色譜技術(shù)測(cè)定(EA-1108元素分析儀，Carlo Erba儀器)。利用灰分含量校正元素組成，O含量通過(guò)差分計(jì)算獲得。

1.3 腐植酸的分離

取10 g風(fēng)干泥炭與200 mL 0.1 mol/L鹽酸反應(yīng)1 h后，棄上清。添加100 mL水到沉淀物中，培養(yǎng)30 min，加入1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值到7。然后，在N2環(huán)境下，添加1 mol NaOH直至液體總體積達(dá)到2 L，并不斷攪拌。24 h后，通過(guò)玻璃棉過(guò)濾，用6 mol/L HCl調(diào)濾液pH值至1。將溶液靜置，離心后棄上清。沉淀物(含有腐植酸)用蒸餾水反復(fù)洗滌、離心、棄上清。將離心后所得固體殘?jiān)鼣R置于0.1 mol/L HCl與0.3 mol/L HF混合物中，以去除礦物顆粒。重復(fù)操作，直到灰分含量低于2%。最后，通過(guò)透析膜去除氯化物(濾掉分子量小于3500 Da部分)，并排出水分，將上述處理得到的腐植酸冷凍干燥。

1.4 腐植酸的特征

1.4.1 元素組成

用裂解-氣相色譜技術(shù)測(cè)定C、H、N和S含量。取樣品50 mg，750 ℃加熱8 h后，測(cè)定各泥炭灰分含量，利用灰分含量校正元素組成，O含量通過(guò)差分計(jì)算獲得。用Van Krevelen圖表統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4.2 羧基和總酸度

用自動(dòng)滴定儀TitroLine Easy(Schott-Ger?te GmbH)測(cè)量各腐植酸樣品羧基和酚的酸度。采用醋酸鈣法，通過(guò)生成的乙酸來(lái)確定羧酸根的總數(shù)。稱取20 mg腐植酸加入100 mL錐形瓶中，N2環(huán)境下加入10 mL 0.2 mol/L醋酸鈣溶液。采用電位滴定法，用0.1 mol/L NaOH滴定，調(diào)節(jié)樣品pH值至9。添加20 mg腐植酸至10 mL 0.1 mol/L Ba(OH)2溶液中，N2環(huán)境下震蕩一夜后，過(guò)濾、洗滌，測(cè)定總酸。用0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)濾液和洗滌液pH值至8.4。

1.4.3 膠體穩(wěn)定性試驗(yàn)

在凝固試驗(yàn)中，取0.2 g/L腐植酸，增加電解液中膠體數(shù)量(NaCl，直到濃度為1 mol/L)，pH值恒定為3。樣品靜置3天。采用HACH DR/2000分光光度計(jì)測(cè)定膠結(jié)強(qiáng)度，在450 nm處測(cè)定膠體濃度為0.0001 mol/L、0.01 mol/L、1 mol/L的濁度T0.0001、T0.01、T1。根據(jù)下式計(jì)算膠結(jié)率(T)。

1.4.4 腐植酸的疏水性

根據(jù)腐植酸在水和聚乙二醇(PEG 20000，F(xiàn)luka)之間的分布情況，利用分配系數(shù)KPEG/W(類似于辛醇/水分配系數(shù)KOW)表示腐植酸的疏水性。

1.4.5 紫外-可見(jiàn)光譜和光譜比

用Thermospectronic Helios γ UV紫外分光光度計(jì)在直徑為1 cm的二氧化硅試管中獲取紫外-可見(jiàn)光譜，將10 mg 腐植酸溶于1000 mL 0.05 mol/L的NaOH溶液中，測(cè)定紫外-可見(jiàn)光譜比值E2/E3、E4/E6以及280 nm和360 nm、465 nm和665 nm處的吸光值比率。

1.4.6 熒光光譜

用0.5 mol/L HCL調(diào)節(jié)2.5 mg/L樣品溶液pH值至7，用Perkin Elmer LS 55熒光光譜儀獲得熒光光譜?？刂萍ぐl(fā)波長(zhǎng)為350 nm，記錄發(fā)光光譜(波長(zhǎng)380～650 nm，狹縫帶寬10 nm，掃描速度500 nm/min)。

在激發(fā)波長(zhǎng)為250～600 nm范圍內(nèi)，測(cè)定同步掃描熒光光譜，設(shè)置激發(fā)單色器和發(fā)射單色器帶寬Δλ=18 nm，狹縫寬度5 nm。

1.4.7 紅外光譜

用Perkin Elmer 400紅外分光光度計(jì)記錄4000～450 cm-1傅里葉變換紅外(FTIR)光譜。取1 mg樣品和400 mg溴化鉀混合均勻，在干燥條件下制成KBr壓片。

1.4.8 電子自旋共振譜

利用RE-1306光譜儀獲得電子自旋共振譜(ESR)，頻度為X波，磁場(chǎng)為100 kHz。

1.4.913C核磁共振光譜

1.4.10 裂解-氣相色譜/質(zhì)譜法

利用Frontier公司生產(chǎn)的雙擊裂解儀Py-2020iD(500 ℃，升溫速率600 ℃/s)，與配有RTX-1701的島津GC/MS-QP 2010直接耦合，記錄裂解-氣相色譜/質(zhì)譜(Py-GC/MS)。用Library MS NIST 147.LI13識(shí)別單個(gè)化合物。對(duì)相關(guān)峰的總摩爾面積歸一化處理至100%，取3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

1.4.11 數(shù)據(jù)處理

利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用Kolmogorov-Smirnov檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)與正態(tài)分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用非參數(shù)方法做進(jìn)一步分析。采用Spearman等級(jí)評(píng)估系數(shù)評(píng)估不同性質(zhì)間的關(guān)系。所有情況下，顯著性水平均為P=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 泥炭性質(zhì)

從Eipurs、Dzelve、Dizpurvs 3個(gè)涵蓋主要巖性類型的典型雨養(yǎng)沼澤泥炭取樣，分別從不同泥炭層(深度)提取分離腐植酸，泥炭性質(zhì)見(jiàn)表1。從表1可以看出，沼澤地表植被主要有銹色泥炭蘚、中位泥炭蘚、紅腫泥炭蘚等。泥炭剖面上部是已發(fā)育成的雨養(yǎng)沼澤，而底部是礦養(yǎng)沼澤。整個(gè)剖面以不同種類的水蘚泥炭為主。泥炭分解度從10%到60%不等，樣品14C年齡范圍為距今不到100年到距今9000年之間。如果上層泥炭腐殖化程度較低，相應(yīng)地，HA/FA小于10，如果腐殖化程度較高，那么這個(gè)比值就大于30。這表明，泥炭腐殖物質(zhì)主要是由腐植酸決定的。本文選取HA/FA大于30、以腐植酸為主要組成的泥炭層作為研究對(duì)象。

表1 用于提取腐植酸的泥炭性質(zhì)Tab.1 Properties of peat used for extraction of humic acid

元素組成(C、H、N、O、S)反映了泥炭的基本性質(zhì)(表2)。本研究的泥炭灰分含量從1.11%到大于6%不等。C大約在40%～55%范圍內(nèi)，H和N分別在5.4%到6.2%、0.5%到大于2%之間變化，S介于0.3%～1.2%之間。Eipurs地區(qū)沼澤元素組成相對(duì)易變，并且反映了泥炭類型和分解程度。該沼澤剖面表層C含量高達(dá)53%，在泥炭上部和下部，N含量都較高，其增加值與泥炭組成和形成條件的變化有關(guān)。泥炭上層S含量明顯較低，但在整個(gè)泥炭剖面中相對(duì)穩(wěn)定。Dzelve地區(qū)沼澤泥炭組成則有很大不同，且在很大程度上反映了泥炭組成：表層C含量較低(大約為45%)，從剖面表層到距表層3.25 m深處含量相對(duì)均衡，隨著深度增加，C含量迅速增加到55%，元素比值(O/C，H/C，N/C)也表現(xiàn)類似的變化。

2.2 泥炭腐植酸的基本性質(zhì)

從不同的泥炭中分別分離出腐植酸，研究其元素組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泥炭中腐植酸的元素組成差異顯著：C含量介于49%～57%之間，H、N、S以及灰分含量分別在4.6%～5.7%、1.6%～2.8%、0.5%～1.5%、0.1%～1.2%之間，根據(jù)質(zhì)量平衡計(jì)算得出O含量為32%～42%(表3)，這可能是沼澤本身及取樣間隔不同造成的。

表2 泥炭元素組成Tab.2 Peat elemental composition

表3 泥炭腐植酸元素組成Tab.3 Elemental composition of peat humic acids

一般情況下，隨深度增加，C、H含量增加，N含量下降，而S變化無(wú)明顯規(guī)律。根據(jù)Orlov觀點(diǎn)，O/C，H/C和N/C可以鑒定不同環(huán)境中泥炭腐植酸類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化和腐熟程度。Van Krevelen圖解法是研究腐植酸及碳的生物地球化學(xué)循環(huán)的常用方法，本研究使用該方法進(jìn)行泥炭腐植酸元素組成分析(圖1)。圖1可以反映成炭植物腐爛、腐植酸富集(易降解的化合物質(zhì)量損失)直到形成煤的過(guò)程中，泥炭腐熟度和降解強(qiáng)度的變化，如脫氫(H/C降低)、脫羧(O/C降低)、去甲基化等。成炭植物(區(qū)域3)與高度分解的有機(jī)物(低位泥炭、煤)原子比(區(qū)域1)差異顯著。泥炭的化學(xué)組成介于活有機(jī)體和煤之間(區(qū)域5)，當(dāng)碳水化合物、氨基酸等分解后，芳烴和多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，腐植酸結(jié)構(gòu)趨于形成。相比之下，泥炭仍處于成巖初期。羧基和酚羥基是泥炭腐植酸中主要官能團(tuán)。與其他(水、土壤、沉積物)腐植酸類物質(zhì)相比，泥炭腐植酸中羧基和酚羥基含量相對(duì)較低(表4)。泥炭剖面深度不同，羧基和酚羥基的含量也不同。3個(gè)剖面上部羧基含量很少，隨泥炭深度和腐殖化程度增加，羧酸酸性增強(qiáng)。羧基含量與O/C顯著相關(guān)，說(shuō)明腐植酸中O多以羧基形式存在。在酸性環(huán)境中，由于離子強(qiáng)度發(fā)生了變化，腐植酸具有膠結(jié)能力。研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸的膠結(jié)能力隨泥炭深度增加而增大(表4)。膠結(jié)能力發(fā)生變化表明與腐植酸分子質(zhì)量相應(yīng)變化有關(guān)。

圖1 腐殖化過(guò)程中活有機(jī)體元素組成變化Van Krevelen圖Fig. 1 Van Krevelen graph of living organic matter elemental composition changes during humif i cation

表4 泥炭腐植酸的功能特性Tab. 4 Functional properties of peat humic acids

2.3 泥炭腐植酸的結(jié)構(gòu)特征

腐植酸類物質(zhì)的紫外光譜可以反映泥炭基本結(jié)構(gòu)的重要信息。根據(jù)Dzelve沼澤不同深度泥炭腐植酸的紫外-可見(jiàn)光譜(圖2)可以看出，泥炭腐植酸吸光值隨著波長(zhǎng)的增加逐漸減小(圖2)。其中，表層泥炭腐植酸的吸光值在280 nm處略有上升。整個(gè)泥炭剖面的腐植酸光譜變化大致相似，只是光密度略有不同。用紫外吸光曲線可以用80 nm和360 nm(E2/E3)、465 nm和665 nm(E4/E6)紫外吸收率來(lái)衡量(表4)，這可能與芳香族化合物縮聚程度(芳香性)、粒徑、分子量等有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，底部泥炭(分解程度較高，年代久遠(yuǎn))的E4/E6較高，說(shuō)明芳香族化合物縮聚度低，粒徑與分子量較大。

圖2 Dzelve沼澤不同深度泥炭腐植酸的紫外-可見(jiàn)光譜Fig.2 UV-Vis spectra of peat humic acids from Dzelve Bog depending on the depth of the sample

泥炭腐植酸熒光發(fā)射光譜集中在以435 nm為中心420～520 nm之間(其激發(fā)波長(zhǎng)為330 nm)。由圖3可以看出，上層泥炭腐植酸光譜特征較為明顯，底層泥炭腐植酸光譜則普遍在短波處升高。雖然熒光基團(tuán)的確切性質(zhì)還未闡明，以典型的土壤腐植酸類物質(zhì)來(lái)看，長(zhǎng)波處的光譜可能與被取代的至少攜帶一個(gè)供電原子團(tuán)的芳香核和具有高度共振性的共軛不飽和系統(tǒng)有關(guān)。與水體腐植酸相比，泥炭腐植酸在短波處達(dá)到最大值，這表明芳香族縮聚程度和發(fā)色團(tuán)共軛水平較低。木質(zhì)類結(jié)構(gòu)對(duì)泥炭腐植酸的熒光性似乎沒(méi)有太大影響。

圖3 Dzelve沼澤不同深度泥炭腐植酸熒光光譜Fig. 3 Fluorescence spectra of peat humic acids from Dzelve Bogdepending on the depth of the sample

與熒光發(fā)射光譜相比，同步掃描光譜(圖4)能反映更多的信息，包括腐植酸的基本結(jié)構(gòu)表征、區(qū)別和分類。整個(gè)泥炭層腐植酸光譜大致相同。表層中含有未分解物質(zhì)，其光譜特征較為明顯。280/298 nm強(qiáng)光譜可能與含有芳香酸或高度共軛脂類結(jié)構(gòu)有關(guān)。330/340 nm和355/373 nm強(qiáng)光譜可能與被取代的芳族結(jié)構(gòu)有關(guān)。460/478 nm強(qiáng)光譜可能與苔蘚植物中存在熒光結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖4 Eipurs沼澤不同深度泥炭腐植酸同步掃描熒光光譜(△λ= 18 nm)Fig.4 Synchronous scanning fl uorescence spectra of peat humic acids from Eipurs Bog (△λ= 18 nm) depending on the depth of the sample

腐植酸紅外光譜(圖5)檢測(cè)結(jié)果大致相似，某些波段吸收值的差異可能與樣品來(lái)源和本質(zhì)屬性有關(guān)。根據(jù)其含有的主要官能團(tuán)，可以將光譜分成幾個(gè)區(qū)域。3600～2800 cm-1吸光值是由腐植酸和礦物成分中-OH決定。2920 cm-1和2860～2850 cm-1吸光值表明有CH3-和CH2-存在。紅外光譜分析結(jié)果表明，-(CH2)n-以相對(duì)較短的烷烴鏈(n<4)存在。1700 cm-1(1725～1700 cm-1)吸光值表明有醛、酮、羧酸、羰基存在。最大吸光值主要取決于共軛程度高低以及取代基和氫鍵是否存在。由于酰胺鍵存在，導(dǎo)致1690～1500 cm-1、1650～1640 cm-1和1540～1550 cm-1區(qū)域處出現(xiàn)極值。1625～1610 cm-1區(qū)域吸光值表明芳香烴中有C=C和羰基、醌基存在。1470～1370 cm-1區(qū)域的折線表明存在典型的C-H、O-H，出現(xiàn)極值說(shuō)明有C-O鍵存在。波長(zhǎng)低于1000 cm-1的吸光值表明碳水化合物含量能夠影響腐植酸的分子結(jié)構(gòu)。1080 cm-1處吸光值表明OH變形或酚中C-O拉伸以及醇-OH的存在。1040 cm-1處吸光值表明多糖中C-O拉伸。研究結(jié)果證明，在腐殖物質(zhì)成巖過(guò)程中，腐植酸官能團(tuán)的組成發(fā)生了重要變化。從苔蘚泥炭紅外光譜變化比較來(lái)看，腐植酸的結(jié)構(gòu)變化較為明顯(圖6)，這可能與碳水化合物的減少有關(guān)，也可能與1700 cm-1(1725～1700 cm-1)區(qū)域強(qiáng)烈的吸收值有關(guān)，吸收值大表明存在大量的羧酸。

圖5 Dzelve沼澤不同深度泥炭腐植酸傅里葉變換紅外光譜Fig. 5 Fourier transform infrared spectra of peat humic acids from Dzelve Bog depending on the depth of the sample

圖6 成炭苔蘚植物的傅里葉變換紅外光譜Fig. 6 Fourier transform infrared spectra of peat-forming bryophytes

樣品的ESR譜形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，且不同樣品之間較為相似(圖7)。所有光譜強(qiáng)度都比較強(qiáng)、且狹窄、對(duì)稱，呈現(xiàn)出明顯的Lorentzian諧振特征。所有樣品g值和線寬(表5)大致相同，與半醌有機(jī)自由基和芳族烴的共軛程度一致。由于存在Fe3+，譜線以g=2.038為中心，呈不對(duì)稱狀分布，g=4.26和g=9.4的共振譜線與三價(jià)鐵離子一致。增大ESR功率后，我們發(fā)現(xiàn)5.75 mT和17.3 mT的譜線相對(duì)于V4+在垂直方向和水平方向有耦合，8.7 mT的六條窄線與Mn2+離子劈裂耦合(圖7)。

圖7 Dzelve沼澤泥炭腐植酸1.90～2.00 m的電子自旋共振譜Fig. 7 Electron spin resonance spectra of peat humic acid (Dzelve HA 1.90～2.00 m)

盡管共振強(qiáng)度存在差異，但泥炭腐植酸ESR光譜特征(g值和線寬)幾乎相同。研究表明，生化腐植酸腐殖化過(guò)程中，F(xiàn)e3+被還原到Fe2+，自由基數(shù)量增加。然而，無(wú)論生物材料還是腐殖化條件，泥炭腐植酸都不同于生化腐植酸，但它們?cè)谀嗵恐黧w中的變化趨勢(shì)尚不明確。

表5 泥炭腐植酸ESR參數(shù)Tab. 5 ESR parameters of peat humic acids

裂解-氣相色譜/質(zhì)譜也是用來(lái)表征泥炭腐植酸常用的一種方法，Eipurs地區(qū)不同深度泥炭腐植酸的主要裂解產(chǎn)物分布情況見(jiàn)表6。CO2相對(duì)豐度可能與腐殖化過(guò)程中不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化有關(guān)。木材CO2產(chǎn)率約為5%，相比而言，泥炭，氧化程度較高大于30%。

表6 泥炭腐植酸熱解產(chǎn)物的相對(duì)豐度Tab. 6 Relative abundance (%) of pyrolysis products of peat humic acids %

研究泥炭腐植酸的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是木質(zhì)素降解問(wèn)題。PY-GC/MS分析法是用來(lái)分析木質(zhì)素降解產(chǎn)物及其在腐殖化過(guò)程中變化情況的一個(gè)首選方法。PY-GC/MS分析結(jié)果證實(shí)了腐植酸中芳香族化合物主要由不含木質(zhì)素的酚類構(gòu)成。在所有試驗(yàn)樣品中，只有一個(gè)草本泥炭(Eipurs 410～456 cm)中含有保存完好的木質(zhì)素碎屑。一般情況下，不同泥炭層的植物成分有所不同，腐植酸中芳香類物質(zhì)/脂肪族的比率相對(duì)較低。泥炭腐植酸中脂肪和碳水化合物較多，含N化合物較少，表明其結(jié)構(gòu)與水體、土壤和生化腐植酸不同。

不同類型碳原子的CP/MAS13C NMR光譜有所不同。一般情況下，光譜特征與脂類(C-H、C-N、O-CH3、其他原子團(tuán)和多糖中的碳)和芳香族物質(zhì)有關(guān)。按照不同結(jié)構(gòu)的碳原子可以把13C NMR光譜(圖8～圖10)分為以下八個(gè)主要區(qū)域：

0～50 ppm，表明脂肪(烷基)片段中CHn的存在；60～90 ppm，表明碳水化合物的存在；140～160 ppm，表明烯烴或芳香烴中碳原子以碳環(huán)形式存在。羧基中的碳約占到碳原子總數(shù)的10%，是腐植酸結(jié)構(gòu)的重要成分。有關(guān)腐植酸結(jié)構(gòu)討論的一個(gè)主要問(wèn)題就是它的芳香性和脂肪性。事實(shí)表明，成炭的蘚類植物幾乎不含芳香類物質(zhì)(通常是不同的泥炭蘚物種)，Py-GC/MS分析結(jié)果表明，木質(zhì)素殘留物也幾乎不存在，這進(jìn)一步證實(shí)了腐植酸中芳香族化合物不含木質(zhì)素。因此，可以推測(cè)，泥炭上部腐植酸主要成分中含有烯烴結(jié)構(gòu)，而從底部泥炭層中分離的腐植酸含有的芳香類結(jié)構(gòu)主要來(lái)源為木質(zhì)素殘留物。

圖8 Dzelve沼澤泥炭腐植酸CP MAS13C NMR光譜Fig. 8 CP MAS13C NMR spectra of humic acids from Dzelve Bog

圖9 Eipurs沼澤泥炭腐植酸CP MAS13C NMR光譜Fig. 9 CP MAS13C NMR spectra of humic acids from Eipurs Bog

圖10 Dizpurvs沼澤泥炭腐植酸CP MAS13C NMR光譜Fig. 10 CP MAS13C NMR spectra of humic acids from Dizpurvs Bog

泥炭腐植酸CP MAS13C NMR光譜能夠反映腐殖化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的變化。最初，隨著深度的增加，所有泥炭樣品分離的腐植酸中，脂肪族(烷基)結(jié)構(gòu)明顯減少，Eipurs地區(qū)泥炭幾乎減少了一半。而通常被認(rèn)為易分解的碳水化合物中環(huán)碳原子并沒(méi)有明顯變化。與此同時(shí)，成炭的蘚類植物與泥炭上部腐植酸中碳水化合物含量存在顯著差異，這意味著活蘚中碳水化合物只有一小部分被納入到了泥炭腐植酸結(jié)構(gòu)中去，說(shuō)明泥炭蘚碳水化合物在腐殖化過(guò)程中未充分降解。腐植酸類物質(zhì)的一個(gè)主要特點(diǎn)就是酸性——羧基官能團(tuán)的存在。研究表明，羧基和酯類含量在泥炭剖面中的變化并不明顯。再次，如果與泥炭蘚類植物組成的羧基官能團(tuán)存在的重大差異相比，可以發(fā)現(xiàn)，其濃度在生活泥炭形成的生物樣品結(jié)構(gòu)中含量較低，這表明羧基出現(xiàn)在好氧層的活有機(jī)體降解的初始階段。

根據(jù)圖8～圖10 CP MAS13C NMR光譜分析結(jié)果，不同泥炭層腐植酸的化學(xué)位移(ppm)表征了泥炭不同分子結(jié)構(gòu)的共振譜。其中，0～50 ppm主要是脂肪族(CHn)碳共振譜(甲基、亞甲基和次甲基)。50～60 ppm主要是-OCH3共振譜。60～90 ppm主要是含雜環(huán)的碳水化合物的共振譜。90～110 ppm主要是環(huán)糖中含兩個(gè)雜環(huán)原子(氧或氮)的縮醛共振譜。110～140 ppm表示未取代和被醇取代的芳香族碳原子(CAr)共振譜。140～160 ppm是氮氧取代(CAr-O，N)的芳族碳原子共振譜(例如酚類、芳族醚或胺等)。160～190 ppm主要是由羧基、酯和酰胺基中C共振產(chǎn)生。190～220 ppm主要由氮氧取代的醌和酮共振產(chǎn)生(例如酚類、芳族醚或胺等)。

將形成隆起式雨養(yǎng)沼澤的苔蘚植物與其他常見(jiàn)雨養(yǎng)沼澤植物物種(如白齒泥炭蘚、中位泥炭蘚、赤莖蘚等)以及苔蘚、泥炭、泥炭腐植酸的CP MAS13C NMR作進(jìn)一步比較(圖11、圖12和表8)。

圖11 高位沼澤成炭的苔蘚植物的CP MAS13C NMR光譜Fig. 11 CP MAS13C NMR spectra of raised bog peat-forming bryophytes

圖12 高位沼澤成炭的苔蘚植物、泥炭和腐植酸的CP MAS13C NMR光譜Fig.12 CP MAS13C NMR spectra of raised bog peat-forming bryophytes, peat and HA

成丘的苔蘚植物、泥炭(0～25 cm)以及腐植酸光譜之間的差異主要表現(xiàn)在0～50 ppm、60～90 ppm和90～110 ppm。在苔蘚植物腐殖化過(guò)程和腐植酸分子巖化作用的初期，含脂肪族C的結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)，含-OCH3的結(jié)構(gòu)隨著腐殖化過(guò)程的進(jìn)行而逐漸減少(圖8～圖10)。其中，60～90 ppm表示碳水化合物在腐殖化初期開(kāi)始下降，并隨著腐殖化過(guò)程持續(xù)進(jìn)行而減少。90～110 ppm表示碳可能以含2個(gè)雜環(huán)原子的環(huán)糖形式存在，并在腐殖化過(guò)程中分解。在腐殖化初期，160～190 ppm(主要為羧基、酯和酰胺基)和190～220 ppm(主要為醌類和酮類)兩個(gè)區(qū)域的共振強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，它們?cè)诤笃诓疟憩F(xiàn)為顯著增加。

泥炭腐植酸中官能團(tuán)和主要成分的獨(dú)特分布，說(shuō)明微生物降解和地球化學(xué)變化導(dǎo)致腐植酸產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。微生物降解產(chǎn)生有機(jī)生物材料，其中的化合物反應(yīng)形成腐植酸。泥炭腐植酸的生物材料中含有大量的碳水化合物和脂類結(jié)構(gòu)，卻不含木質(zhì)素。

表7 泥炭腐植酸CP MAS13C NMR主要信號(hào)區(qū)域的面積Tab.7 Integrated areas of the main signal regions of CP MAS13C NMR spectra of peat humic acids

表8 成炭苔蘚植物 CP MAS13C NMR主要信號(hào)區(qū)域的面積Tab. 8 Integrated areas of the main signal regions of the CP MAS13C NMR spectra of peat-forming bryophytes

3 結(jié)論

泥炭腐植酸巖化作用程度介于活有機(jī)體和煤炭之間，當(dāng)碳水化合物、氨基酸等被破壞，耐分解的芳烴和多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，泥炭腐植酸的結(jié)構(gòu)趨于形成。泥炭腐植酸形成于活有機(jī)體轉(zhuǎn)化過(guò)程的初始階段。羧基和酚羥基含量的變化取決于提取腐植酸的泥炭年齡和分解程度，羧酸酸度隨泥炭深度和腐殖化程度增加而增大。

略)

譯自：Journal of Molecular Structure，2013，1050：103～ 113。