應(yīng)用XAD大孔樹脂與陰陽離子交換樹脂串聯(lián)技術(shù)探究不同腐解時(shí)期魚糞溶解性有機(jī)質(zhì)組分差異

楊淇茹 吳勝春 李雨桐

摘要：隨著我國漁業(yè)的快速發(fā)展，高密度網(wǎng)箱、網(wǎng)圍精養(yǎng)等集約型養(yǎng)殖模式在我國海洋養(yǎng)殖中被廣泛采用。生產(chǎn)過程中，養(yǎng)殖生物所產(chǎn)生的大量排泄物會使周邊水體中溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）及氮、磷等營養(yǎng)鹽含量增加，造成水體富營養(yǎng)化和藻華的發(fā)生等環(huán)境問題。利用傅里葉紅外光譜儀對浙江省舟山市岱山縣桐盤灣某石斑魚養(yǎng)殖場的魚糞便中的DOM進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出羥基、甲基、羧基為主要官能團(tuán)，并對DOM結(jié)構(gòu)構(gòu)象有重要影響。同時(shí)，通過XAD樹脂與陰、陽離子交換樹脂建立了魚糞便中DOM亞組分的純化分離方法，將其按極性分成6種組分，并探究在不同腐解時(shí)期魚糞便DOM各組分變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，疏水性有機(jī)組分在整個(gè)腐解階段所占比例逐漸減少。其中疏水性酸、疏水性堿性有機(jī)物是魚類糞便DOM的主要組成成分，約占組分的55.8%～72.7%;親水性有機(jī)組分隨著腐解時(shí)間的增加，占比由8.0%提高至28.1%。

關(guān)鍵詞：魚糞;溶解性有機(jī)質(zhì);紅外光譜;組分分離

中圖分類號： X171.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0303-04

近海環(huán)境中的天然有機(jī)質(zhì)（NOM）是全球碳循環(huán)中的重要組成部分，對水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及全球生物地球化學(xué)循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。其中溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）占天然有機(jī)質(zhì)的97.1%，是各種環(huán)境介質(zhì)中的重要化學(xué)組分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量循環(huán)的重要物質(zhì)[1]。DOM在操作層面被定義為能通過0.1～0.7 μm濾膜、且具有不同結(jié)構(gòu)和分子量的有機(jī)物，如游離氨基酸、酶、多酚、碳水化合物、有機(jī)酸和腐殖質(zhì)等[2-3]。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，DOM還含有 —CH2、—CH3、—OH、—COOH、—CO、—NH2等多種官能團(tuán)，可作為天然的載體或配體與水體中許多生物活性金屬元素如銅、汞、鎘、鋅、鉛、鈷、鐵等產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，從而影響它們的氧化還原行為、化學(xué)形態(tài)、生物有效性和毒性[4]。

在自然條件下，由于DOM濃度較低及大量無機(jī)鹽離子的存在，其元素分析、官能團(tuán)分析等大大受阻[5]。盡管有些表征手段可以對DOM的特征進(jìn)行一定程度的表征，但得到的結(jié)果往往不夠精確。因此，為了更好地認(rèn)識DOM與金屬離子之間的相互作用機(jī)制，對DOM亞組分的分離、提純和結(jié)構(gòu)表征顯得格外重要。近年來，隨著DOM組分純化分離技術(shù)的日漸成熟，根據(jù)DOM各組分的極性分類，XAD大孔樹脂與陰陽離子交換樹脂串聯(lián)分離方法被廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)根據(jù)需要對XAD分離技術(shù)進(jìn)行改良和調(diào)整，并利用該技術(shù)對新鮮魚糞在水體中腐解時(shí)，水體中DOM各亞組分的濃度、所占百分比和主要官能團(tuán)的變化規(guī)律進(jìn)行討論，以期為進(jìn)一步深入研究魚糞的環(huán)境效應(yīng)及其與重金屬離子的絡(luò)合機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

供試魚糞便采自浙江省舟山市岱山縣桐盤灣某石斑魚養(yǎng)殖場（30°19′34.9″N，122°11′11.6″E）。在夏季對1年齡魚苗進(jìn)行新鮮糞便收集，為提高收集量，于喂食后在魚排底部張細(xì)紗網(wǎng)收集。將采好的新鮮糞便立刻保存在4 ℃恒溫箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷凍干燥，并充分混合均勻，備用。

試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)：本試驗(yàn)于2018年6—8月在浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 前期準(zhǔn)備 稱取已處理好的魚糞10.0 g，置于5 L燒杯中，加入3 L 0.3% NaCl溶液（模擬海水）模擬腐解試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始后0、5、10、20、30、60、90、120 d將魚糞便分別撈出，進(jìn)行再次冷凍干燥，待其性狀穩(wěn)定后研磨過100目篩。DOM的提取采用水浸提的方法，將過篩后的魚糞與超純水按照質(zhì)量比為1 ∶ 10的比例進(jìn)行混合，在黑暗條件下恒溫（25 ℃）振蕩24 h后高速離心，取上清液過0.45 μm玻璃纖維濾膜，獲得的產(chǎn)物即為DOM樣品，置于4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

投入使用前的Amberlite XAD大孔樹脂需用2～4 BV的95%甲醇以1～2 BV/hr的速度過柱（須趕走氣泡），接著用蒸餾水以1～2 BV/hr的速度淋洗至流出液的溶解性有機(jī)碳濃度近乎為0;而陰、陽離子交換樹脂則需以60 ℃熱水反復(fù)清洗至浸洗水不帶褐色，且?guī)缀鯚o泡沫為止。水洗后陽離子交換樹脂用3 BV濃度為3%～5%的HCl、NaOH溶液以2 BV/hr的流速按照酸-堿-酸的進(jìn)液次序進(jìn)行2次處理，陰離子交換樹脂的酸堿用量及流速與陽離子交換樹脂相對應(yīng)，用3 BV濃度為3%～5%的NaOH、HCl溶液以2 BV/hr的流速清洗樹脂，進(jìn)液次序?yàn)閴A-酸-堿。處理完成的樹脂置于密封罐中，備用。

采用總有機(jī)碳分析儀測定不同腐解時(shí)間DOM中溶解性有機(jī)碳濃度（TOCDOM），并根據(jù)Leenheer的方法[6-7]提取DOM，經(jīng)冷凍干燥獲得各組分固體樣本，計(jì)算DOM回收率，具體計(jì)算公式為

式中：MHOA為疏水酸性物質(zhì)量;MHOB為疏水堿性物質(zhì)量;MHON為疏水中性物質(zhì)量;MHIA為親水酸性物質(zhì)量;MHIB為親水堿性物質(zhì)量;MHIN為親水中性物質(zhì)量;TOCDOM為測得的溶解性有機(jī)碳濃度;VDOM為離心液體積。

1.2.2 樹脂柱搭建 圖1為根據(jù)DOM極性分類搭建的分離裝置，原液在蠕動泵的作用下以2 BV/hr的流速通過填滿樹脂的樹脂柱，同時(shí)用玻璃砂芯片將樹脂夾牢固定，以避免樹脂層中出現(xiàn)氣泡。檢測流出液中目的產(chǎn)物的泄漏量，待泄漏量達(dá)到進(jìn)口濃度的10%時(shí)，停止進(jìn)樣。根據(jù)洗出有機(jī)物的性質(zhì)，采用不同類型的淋洗液進(jìn)行淋洗。同樣以2 BV/hr的流速從反洗液輸入口輸入淋洗液，檢測反洗液中流出口流出液溶解性有機(jī)碳濃度，當(dāng)該值近乎為0時(shí)，反洗結(jié)束。

1.2.3 DOM的富集分離 Amberlite XAD系列樹脂經(jīng)常被用作根據(jù)極性分類分離DOM。不同類型的XAD樹脂其性質(zhì)各不相同，它們通常有較大的比表面積，但由于它們對溶液中有機(jī)質(zhì)的吸附作用是可逆的，導(dǎo)致這類樹脂只能選擇性地吸附天然水體中的部分有機(jī)質(zhì)。根據(jù)Leenheer等介紹的方法[6-7]并加以改進(jìn)，本研究采用Amberlite XAD-8、XAD-4大孔樹脂，BIO-RAD AG-MP-50飽和陽離子交換樹脂，DUOLITE A-7陰離子交換樹脂以及HCl、NaOH、CH3OH、NH4OH溶液，根據(jù)DOM在不同樹脂上吸附能力的差異，將其分為疏水堿性物（HOB）、疏水酸性物（HOA）、疏水中性物（HON）、親水堿性物（HIB）、親水酸性物（HIA）、親水中性物（HIN）6種有機(jī)組分。

疏水性有機(jī)組分（HO）過XAD-4樹脂后吸附在XAD-8樹脂上，疏水堿性物分別用0.10 mol/L和0.01 mol/L HCL反洗XAD-8樹脂獲得;疏水酸性物用0.1 mol/L NaOH反洗XAD-8樹脂獲得;疏水中性物并用空氣干燥XAD-8樹脂和甲醇進(jìn)行索示提取獲得。

親水性組分（HI）分別吸附在BIO-RAD AG-MP-50、DUOLITE A-7離子交換樹脂上，親水堿性物用0.1 mol/L NH4OH反洗BIO-RAD AG-MP-50離子交換樹脂獲得;親水酸性物用3 mol/L NH4OH反洗DUOLITE A-7離子交換樹脂獲得;親水中性物用純水淋洗DUOLITE A-7離子交換樹脂獲得。

洗脫后的液體可在40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，再經(jīng)脫鹽、冷凍干燥獲得固體樣品[8]。具體流程見圖2。

2 結(jié)果與分析

2.1 DOM的極性-酸堿性分組

根據(jù)圖2的分離方法，將新鮮魚糞便的DOM各組分分為6組，其中TOC占DOM的93%，與Leenheer報(bào)道的95%～115%[9]相近。從圖3可以看出，HOB和HOA是DOM的主要成分，占其總量的72.7%，這與Leenheer得出的疏水性物質(zhì)占總DOM的40%～60%[9]相近，但Marhaba等報(bào)道，HOA的含量不會超過12%[10]。HON含量為19%;HIM總含量為8.3%， 與Swietlik報(bào)道的該值不會超過15%[11]相吻合。 與已有文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果[7，10，12]相比，不同有機(jī)質(zhì)組分占比不同（表1）。

2.2 DOM官能團(tuán)組成及其光譜學(xué)特征

DOM是含有低分子質(zhì)量化合物（游離氨基酸和糖）和酶、氨基糖復(fù)合物、多酚和HS的混合物，細(xì)微的條件改變均可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，采用傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法容易在測定過程中改變其原有性質(zhì)，因此DOM成分的確定是極其困難的。

根據(jù)Sierra等對DOM紅外光譜的解析發(fā)現(xiàn)[13-15]，從圖4可以看出，本研究中魚糞DOM含氧官能團(tuán)含量相對較高，峰值出現(xiàn)在波長3 400 cm-1處，O—H伸縮振動，存在鍵合和非鍵合羥基;峰值出現(xiàn)在3 000～2 850 cm-1處，C—H伸縮振動，可存在脂肪族亞甲基;峰值出現(xiàn)在1 600～1 550 cm-1處的COO—反對稱伸縮及1 410 cm-1處的COO—對稱伸縮說明羧酸占比較高;峰值出現(xiàn)在1 000、680～610 cm-1處，表明存在C—O的伸縮振動及S—O伸縮振動，說明可能有無機(jī)化合物合物的碳酸鹽礦物和硫酸鹽。說明未經(jīng)腐解的DOM各官能團(tuán)顯性明顯，隨腐解時(shí)間的增長各基團(tuán)含量減少并于 30 d 后趨于穩(wěn)定。

綜上，DOM上的羥基、甲基、羧基等官能團(tuán)的相互作用可對DOM構(gòu)象產(chǎn)生影響。當(dāng)這些官能團(tuán)均帶有負(fù)電荷時(shí)，因其相互排斥，使得DOM結(jié)構(gòu)相對疏松[16-17]。因此，某些環(huán)境因素的改變（如pH值、溫度等），若對官能團(tuán)的電荷產(chǎn)生較大影響，將改變官能團(tuán)之間的相互作用，進(jìn)而改變DOM的微觀構(gòu)象。

2.3 不同腐解時(shí)期DOM各組分變化

由式（1）可計(jì)算出不同腐解時(shí)期DOM溶解性有機(jī)碳濃度，由表2可知，由于腐解初期魚糞便有機(jī)物質(zhì)向水體擴(kuò)散，TOCDOM隨著腐解時(shí)間的增加而逐漸減少并于60 d后趨于平穩(wěn)。同時(shí)，TOCDOM的降低，在一定程度上增大了DOM的回收誤差。

由圖5可知，疏水性有機(jī)物在整個(gè)腐解階段始終占有較大比例，為69.8%～91.7%。其中，HOA在腐解前5 d約占溶解性有機(jī)質(zhì)總質(zhì)量（MDOM）30%左右，隨著腐解深入，在第10天、第20天發(fā)生突躍，MHOA/MDOM最高可達(dá)46%，隨后趨于平穩(wěn)。HOB在腐解前5 d所占份額最多，約為44%。其余時(shí)期基本穩(wěn)定，數(shù)值在30%左右。HON受腐解時(shí)間影響并不明顯，占各個(gè)時(shí)期MDOM的20%左右。由圖6可知，親水性有機(jī)物各組分在整個(gè)腐解期間濃度變化相差不大，并沒有因魚糞中有機(jī)物質(zhì)向水中釋放，使親水性有機(jī)物濃度降低，也正因?yàn)榇嗽?，親水性有機(jī)物質(zhì)量占MDOM的比例會隨著腐解的進(jìn)行逐漸升高，最高可達(dá)28.1%。在整個(gè)腐解過程中親水性有機(jī)物各組分占比表現(xiàn)為MHIN>MHIB>MHIA。

3 結(jié)論

近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類糞便DOM主要由羧基、羥基、甲基等官能團(tuán)組成，環(huán)境因素的改變可影響這些官能團(tuán)的相互作用，以致DOM的微觀構(gòu)象發(fā)生變化。

利用XAD樹脂和陰、陽離子交換樹脂串聯(lián)技術(shù)，對近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類糞便DOM加以富集分離，分為HOB、HOA、HON、HIA、HIB和HIN 6種有機(jī)組分，其中疏水性堿、疏水性酸是主要的組成成分，約占組分的72.7%。

隨著腐解的進(jìn)行，疏水性有機(jī)物在DOM中的占比有所下降但始終占有較大份額，但HOA在腐解的10～20 d產(chǎn)出增大，隨后趨于平穩(wěn);親水性有機(jī)物在DOM中的占比則從8.0%升至28.1%，并且整個(gè)過程始終是MHIN>MHIB>MHIA。

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