潘 琦 劉洪寶 劉嬌嫻 孫曉杰 何小松*
1 桂林理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院 桂林 541006
2 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100012
伴隨著人口規(guī)模的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展,城市生活垃圾產(chǎn)量日趨增加。統(tǒng)計(jì)顯示,2018 年我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量高達(dá)2.28 億噸。填埋是我國(guó)城市生活垃圾最主要的處置方式。住建部統(tǒng)計(jì)年鑒顯示,2018 年我國(guó)有垃圾填埋場(chǎng)663 座,總處理垃圾11706 萬噸,占生活垃圾總處理量的51.9%。除此之外,我國(guó)還有大量的封場(chǎng)填埋場(chǎng)和歷史堆存垃圾,總量超過40 億噸,如此數(shù)量龐大的填埋場(chǎng)和堆存垃圾,對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)巨大。
垃圾填埋場(chǎng)對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)主要源于含有大量易降解有機(jī)質(zhì),它們是填埋氣和滲濾液污染的直接物質(zhì)來源。甲烷是重要的溫室氣體、也是填埋場(chǎng)爆炸風(fēng)險(xiǎn)源。垃圾填埋場(chǎng)滲濾液生物需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)濃度高[1];富含Ca、Fe、Cu、Pb、Cr 等金屬離子,抑制微生物活動(dòng)[1];有機(jī)物種類多且復(fù)雜;氨氮高,磷含量低,營(yíng)養(yǎng)比例失衡;色度深,有臭味。因此,降低填埋垃圾中有機(jī)質(zhì)的含量,提高填埋場(chǎng)有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定度,進(jìn)而降低填埋氣排放和滲濾液中污染物濃度,是消除垃圾填埋對(duì)周圍環(huán)境污染隱患的關(guān)鍵。垃圾填埋后,其中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解和腐殖化,最終形成甲烷和腐殖質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定。因此,強(qiáng)化填埋垃圾中有機(jī)質(zhì)形成腐殖質(zhì),提升有機(jī)質(zhì)的腐殖化率,對(duì)加速垃圾填埋穩(wěn)定化進(jìn)程、降低填埋場(chǎng)污染排放、消除填埋場(chǎng)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)意義巨大。鑒于此,本文綜述了目前填埋場(chǎng)腐殖質(zhì)形成機(jī)制、腐殖質(zhì)氧化還原機(jī)理及其能力、腐殖質(zhì)形成來源物質(zhì)的降解機(jī)制、無機(jī)礦物與微生物耦合促進(jìn)腐殖質(zhì)形成機(jī)制。本文目的在于綜述研究填埋場(chǎng)生化腐殖質(zhì)形成機(jī)制及其影響因素過程中前人的成果,分析目前在此研究中的不足,并提出未來研究方向。
生活垃圾填埋后,其中的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下發(fā)生降解和腐殖化,初期主要發(fā)生好氧降解,降解速率較快,產(chǎn)物主要為二氧化碳和水;伴隨著降解的進(jìn)行,氧氣被耗盡,填埋場(chǎng)進(jìn)入?yún)捬踅到怆A段,大量易降解物質(zhì)被分解,產(chǎn)生有機(jī)酸、甲烷和二氧化碳等物質(zhì),主要剩下木質(zhì)纖維素等難降解物質(zhì)。到填埋中后期,這些難降解物質(zhì)和其他一些代謝中間產(chǎn)物一起形成了腐殖質(zhì)類物質(zhì),填埋場(chǎng)進(jìn)入腐殖化階段[2]。按照經(jīng)典的“氫氧化鈉/焦磷酸鈉提取-鹽酸或硫酸沉淀-過大孔吸附樹脂”有機(jī)質(zhì)分組方法,填埋場(chǎng)腐殖質(zhì)可分為胡敏素、胡敏酸及富里酸。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采集固體垃圾樣品,通過堿溶液提取方法獲得胡敏酸和富里酸,并對(duì)其組成和結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了研究[3,4]。然而,2011 年和2015 年Nature雜志上連續(xù)發(fā)文指出,堿溶液提取胡敏酸和富里酸過程中,小分子有機(jī)質(zhì)可通過氫鍵、疏水作用和范德華力聚合形成大分子假腐殖質(zhì)物質(zhì),這些假腐殖質(zhì)在原狀固體樣品中是不存在的[5,6]。通過研究發(fā)現(xiàn),腐殖質(zhì)提取過程,小分子苯環(huán)化合物可吸附在無機(jī)礦物上形成大分子類腐殖質(zhì)物質(zhì),這些類腐殖質(zhì)在原狀樣品中也是不存在的。因此,采用堿溶液提取腐殖質(zhì)的方法研究腐殖質(zhì)形成機(jī)制,所得部分結(jié)論可能與真實(shí)情況存在差距,需要利用原狀固體樣品直接研究腐殖質(zhì)的形成。
木質(zhì)纖維素由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素3 種基本單元構(gòu)成。木質(zhì)素的基本單體為4-羥基苯丙烷,纖維素和半纖維素則是由糖單元通過糖苷鍵連接而成。關(guān)于腐殖質(zhì)的形成有多個(gè)假說,包括木質(zhì)素-蛋白質(zhì)縮合的木質(zhì)素假說、木質(zhì)素多酚氧化為醌后與含氮物質(zhì)縮合的多酚假說、微生物合成假說和糖-胺縮合假說等[7,8]。目前,大家比較公認(rèn)是腐殖質(zhì)是多酚和醌的復(fù)合體,即木質(zhì)纖維素降解成多酚,多酚進(jìn)一步氧化為醌,醌自行縮合或與氨基酸/多肽聚合形成富里酸和胡敏酸,胡敏酸進(jìn)一步縮合形成胡敏素,但亦有研究認(rèn)為胡敏素是木質(zhì)纖維素降解殘?jiān)渖疃冉到饪赊D(zhuǎn)化為胡敏酸和富里酸[4,7]。
黃友福等[9]在研究中發(fā)現(xiàn),填埋場(chǎng)中富里酸的濃度以及在滲濾液中比例均高于胡敏酸,而且兩者濃度隨填埋場(chǎng)年齡均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),究其原因發(fā)現(xiàn),在填埋早期,垃圾中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的富里酸,而富里酸不斷縮合生成胡敏酸,因此胡敏酸較富里酸有更多的芳環(huán)結(jié)構(gòu),更大的分子量和更高腐殖化程度,而且胡敏酸的最大濃度以及占滲濾液最大比例出現(xiàn)的時(shí)間均比富里酸的要晚一些。隨著腐殖化過程的進(jìn)行,填埋場(chǎng)體積增大,微生物增加,所需有機(jī)質(zhì)增加,富里酸缺乏補(bǔ)充,含量開始減少,進(jìn)而胡敏酸含量也降低,且中晚期胡敏酸與礦物黏結(jié)合形成難提取的有機(jī)物,從而進(jìn)一步削減了滲濾液中胡敏酸含量。
天然腐殖質(zhì)廣泛存在于土壤、河流底泥、海洋沉積物和填埋場(chǎng)中[10]。腐殖質(zhì)具有吸附、絡(luò)合屬性,同時(shí)還具有氧化還原能力,腐殖質(zhì)的氧化還原能力主要來源于醌、酚等官能團(tuán),其中還原態(tài)醌基團(tuán)是腐殖質(zhì)還原能力的主要來源。醌類物質(zhì)在微生物胞外呼吸菌的作用下接受電子還原成氫醌,這些氫醌被微生物胞外電子受體如鐵氧化物、氯代有機(jī)物等氧化成相應(yīng)的半醌,最后氧化為醌。相比于需要通過微生物功能蛋白與微生物胞外電子受體接觸才能發(fā)生的直接電子傳遞,間接電子傳遞可通過電子穿梭體加速電子傳遞,有效提高了微生物胞外電子傳遞效率。因此,電子穿梭體對(duì)特定環(huán)境下終端電子受體的循環(huán)有著極其顯著的作用。而腐殖質(zhì)是天然的電子中介體,能有效地加速電子在微生物和電子受體之間的傳遞,使反應(yīng)速率增大一到幾個(gè)數(shù)量級(jí)[11]。腐殖質(zhì)還原作用的本質(zhì)是腐殖質(zhì)發(fā)揮電子受體的作用,從外部接收電子,從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化為還原態(tài),再將接收的電子傳遞給污染物,污染物被還原的同時(shí)腐殖質(zhì)從還原態(tài)轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)。在這個(gè)反應(yīng)過程中不應(yīng)該把氧化態(tài)腐殖質(zhì)接收電子當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng),而應(yīng)該與下一步還原態(tài)腐殖質(zhì)傳遞電子給污染物將其還原的反應(yīng)看作一個(gè)完整的過程[12](圖1)。
圖1 腐殖質(zhì)氧化還原污染物示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of humic substance redox pollutants
近年來國(guó)家對(duì)滲濾液處理的要求不局限于BOD、COD、固體懸浮物(SS)等傳統(tǒng)方面,更著重于對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物以及半揮發(fā)性有機(jī)物的治理。其中多環(huán)芳烴化合物以及多氯聯(lián)苯化合物均具有濃度低但環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大且不易被微生物降解的特性。胡妍玢等[12]發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)能夠促進(jìn)氯代物的還原脫氯,對(duì)苯環(huán)類物質(zhì)也能發(fā)揮降解的作用。因此,目前腐殖質(zhì)對(duì)氯代物脫氯是研究熱點(diǎn)之一。腐殖質(zhì)不僅能夠?qū)﹂L(zhǎng)鏈烴類的物質(zhì)具有脫氯的作用,對(duì)難降解的苯環(huán)類物質(zhì)也有還原降解作用[11,12]。研究發(fā)現(xiàn),腐殖質(zhì)在厭氧條件下還原能力更強(qiáng),部分學(xué)者對(duì)厭氧條件提高腐殖質(zhì)還原能力的機(jī)理進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在厭氧條件下主要作用微生物是腐殖質(zhì)還原菌[11]。腐殖質(zhì)還原菌通過還原腐殖質(zhì),進(jìn)一步提高腐殖質(zhì)的還原能力,并且在厭氧條件下腐殖質(zhì)還原菌還原腐殖質(zhì)的效果更好。
填埋垃圾中的腐殖質(zhì)主要來源于垃圾中木質(zhì)纖維素的降解,研究垃圾中的腐殖質(zhì)應(yīng)該從木質(zhì)纖維素入手。自然環(huán)境下木質(zhì)纖維素降解主要通過微生物進(jìn)行,但木質(zhì)纖維素中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素相互交聯(lián),單一微生物難以降解,需要多種微生物菌群分泌胞外酶協(xié)同進(jìn)行[13,14]。能夠降解木質(zhì)纖維素的微生物主要為真菌和細(xì)菌,真菌對(duì)木質(zhì)纖維素的降解能力較強(qiáng),尤其是對(duì)木質(zhì)素的降解比細(xì)菌更強(qiáng),它們可分泌多種酶族群實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的降解,如孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、變色栓菌(Trametes versicolor)、彩絨革蓋菌(Coliolus versicolor)、曲霉(Aspergillus)、木霉(Trichoderma)等真菌均能降解木質(zhì)纖維素;細(xì)菌主要降解纖維素和半纖維素,它們主要通過分泌纖維素酶和半纖維素酶實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素降解,如假單胞菌(Pseudomonas)、纖維單胞菌(Cellulomonas)、熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)、黃桿菌(Flavobacterium)、黃單胞菌(Xanthomonas)等細(xì)菌均能降解纖維素和半纖維素[15~17]。
木質(zhì)纖維素的生物降解由木質(zhì)素酶、纖維素酶和半纖維素酶三者協(xié)同完成,其中木質(zhì)素需要木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等酶族群協(xié)同實(shí)現(xiàn)降解,纖維素需要內(nèi)切葡聚糖酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶等酶族群協(xié)同實(shí)現(xiàn)降解,半纖維素需要β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶、β-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和β-甘露糖苷酶等酶族群共同作用實(shí)現(xiàn)降解。2010 年Vaaje-Kolstad 等[18]首次在Science 雜志上發(fā)表了降解木質(zhì)纖維素新酶類型,稱之為裂解多糖單加氧酶,它可以通過氧化方式高效斷裂木質(zhì)纖維素中的糖苷鍵,實(shí)現(xiàn)纖維素和半纖維素的降解,進(jìn)而加速木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化過程。裂解多糖單加氧酶的發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)傳統(tǒng)水解酶作用方式的認(rèn)識(shí),為木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化提供了新的酶解方案[19,20]。目前,關(guān)于填埋場(chǎng)中木質(zhì)纖維素降解關(guān)鍵微生物和功能酶尚不清楚,限制了垃圾填埋場(chǎng)快速穩(wěn)定技術(shù)的開發(fā)。
高通量測(cè)序、宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展,為人們認(rèn)識(shí)特殊生境中微生物群落組成、演替及功能提供了新的技術(shù)和手段,這些技術(shù)可以在非培養(yǎng)條件下研究特定生境中的微生物及其功能,為特殊生境中降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化的相關(guān)微生物和酶的發(fā)掘提供了新的可用途徑。Liu等[21]采用高通量測(cè)序,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中的Firmicutes和Actinobacteria對(duì)于苯環(huán)化合物降解具有重要作用;Martins 等[22]采用宏基因組學(xué)技術(shù),結(jié)合直系同源簇(COG)功能基因預(yù)測(cè)方法,在堆肥生境中發(fā)現(xiàn)了112 個(gè)纖維素酶相關(guān)蛋白質(zhì);Colombo 等[23]采用宏基因組學(xué),發(fā)現(xiàn)了堆肥木質(zhì)纖維素降解新酶類型。相對(duì)于堆肥生境,垃圾填埋先為好氧、后為厭氧、最后又為好氧環(huán)境,經(jīng)歷了酸化、產(chǎn)甲烷、形成腐殖質(zhì)多個(gè)階段,微環(huán)境變化跨度大,推測(cè)降解木質(zhì)纖維素的相關(guān)微生物和功能酶也不斷演替,目前垃圾填埋相關(guān)微生物和功能酶的研究集中在模擬填埋柱上[21],采用高通量測(cè)序、宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白組學(xué)技術(shù)深入探究實(shí)際填埋場(chǎng)復(fù)雜微環(huán)境變化下木質(zhì)纖維素降解關(guān)鍵微生物和功能酶較少,限制了填埋場(chǎng)優(yōu)化調(diào)控快速合成腐殖質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定化。
除了微生物外,一些無機(jī)礦物在腐殖質(zhì)的形成過程中也發(fā)揮著重要的作用。研究認(rèn)為,多酚催化聚合是有機(jī)質(zhì)聚合和腐殖化的重要反應(yīng)歷程[24]。在木質(zhì)纖維素經(jīng)多酚合成腐殖質(zhì)的過程中,多酚氧化為醌是腐殖質(zhì)合成限速步驟,該反應(yīng)可以通過微生物完成,也可以通過環(huán)境中的水鈉錳礦、二氧化錳等無機(jī)礦物催化完成,這些無機(jī)礦物在酚類聚合、酚類-氨基酸聚合及其隨后的腐殖化過程起著重要的催化作用[25]。鐵錳等礦物在氧化有機(jī)質(zhì)過程中,往往同時(shí)發(fā)生聚合反應(yīng),導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)苯環(huán)化合物聚合形成更大分子量的有機(jī)質(zhì)[26,27],這是腐殖質(zhì)形成的重要機(jī)制。在填埋垃圾中,不可避免混有土壤,特別是垃圾填埋作業(yè)需要每日覆土,其中不可避免含有各種無機(jī)礦物,但無機(jī)礦物不能直接氧化木質(zhì)纖維素形成腐殖質(zhì),推測(cè)其促進(jìn)腐殖質(zhì)形成需要與微生物耦合共同完成。目前關(guān)于填埋場(chǎng)中無機(jī)礦物耦合微生物促進(jìn)腐殖質(zhì)合成機(jī)制尚不清楚,有待探索和破解。
同步輻射顯微紅外成像技術(shù)(SR-FTIR)、微束X 射線熒光分析技術(shù)(μ-XRF)、微電子探針技術(shù)(EPMA)、納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)(NanoSIMS)的開發(fā)和發(fā)展,為原位研究有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物及其相互作用過程提供了可用方法。Sun 等[28]采用SR-FTIR,原位研究了堆肥施用土壤中芳香碳、脂族碳、鎘及無機(jī)礦物的分布模式,確定了鎘的分布與無機(jī)礦物相似,即鎘結(jié)合在無機(jī)礦物上(圖2);Wang 等[29]采用NanoSIMS,對(duì)硫、銀的分布進(jìn)行了原位成像,可直觀顯示在固體表面的分布狀態(tài)。NanoSIMS 還可以原位研究微生物的分布特征[30]。采用上述技術(shù),可以在不提取腐殖質(zhì)下,原位研究固體廢物中腐殖質(zhì)、無機(jī)礦物和微生物分布模式,據(jù)此推測(cè)無機(jī)礦物和微生物對(duì)腐殖質(zhì)形成的影響,而這方面的研究幾乎為空白。
圖2 原位研究有機(jī)質(zhì)和無機(jī)硅、鋁礦物[28]Fig.2 In-situ study of organic matter and inorganic silicon and aluminum minerals
在填埋中后期,填埋垃圾的有機(jī)質(zhì)在微生物腐殖化作用下產(chǎn)生腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)是電子穿梭體[12],在促進(jìn)氯代物的還原脫氯和苯環(huán)類物質(zhì)降解方面起到重要作用。腐殖質(zhì)還原菌通過還原腐殖質(zhì)增強(qiáng)腐殖質(zhì)的還原能力,尤其在厭氧狀態(tài)下對(duì)腐殖質(zhì)還原效果更好。多氯聯(lián)苯類化合物是滲濾液中的主要污染物之一,該類物質(zhì)具有難降解、濃度低但危害大的特點(diǎn),因此研究腐殖質(zhì)對(duì)氯代物的還原脫氯作用有重要意義。腐殖質(zhì)主要來源于木質(zhì)纖維素,木質(zhì)纖維素成分復(fù)雜且難降解(單一微生物難以降解)。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)[5,6,31]:(1)堿液處理后的腐殖質(zhì)不能完全代表原狀腐殖質(zhì);(2)微生物可以將木質(zhì)纖維素降解形成多酚,但填埋場(chǎng)微生物很難將多酚聚合成腐殖質(zhì);(3)腐殖質(zhì)是植物中的哪些組分、腐殖質(zhì)合成途徑及促成腐殖質(zhì)合成反應(yīng)因素存在爭(zhēng)議;(4)目前未知的或引起爭(zhēng)論的問題,主要是所謂腐殖質(zhì)“大分子”或“超分子”概念、立體構(gòu)型方式、與相關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,以及不同來源、不同環(huán)境條件下腐殖質(zhì)分子構(gòu)型的變化等;(5)缺乏重大理論突破和突出的知識(shí)成果創(chuàng)新,存在科研人員低水平重復(fù)勞動(dòng)的現(xiàn)象,生產(chǎn)中許多亟待探索和解決的問題卻無人問津;(6)缺乏對(duì)填埋場(chǎng)腐殖質(zhì)的深入研究。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于有機(jī)物氧化的文獻(xiàn)報(bào)道顯示[25~28],與其他氧化劑只能將有機(jī)物氧化成比母體更簡(jiǎn)單的化合物不同,二氧化錳等在氧化多酚的同時(shí)可以促使氧化產(chǎn)物與多酚聚合形成二聚體,在填埋場(chǎng)微生物降解木質(zhì)纖維素形成腐殖質(zhì)過程中,可能需微生物和無機(jī)礦物共同發(fā)揮作用才能快速實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的降解,即微生物將木質(zhì)纖維素降解形成多酚,無機(jī)礦物將多酚氧化聚合成二聚體或多聚體形成腐殖質(zhì)。未來應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化研究垃圾填埋木質(zhì)纖維素降解形成腐殖質(zhì)過程,闡明生活垃圾填埋木質(zhì)纖維素降解特征與腐殖質(zhì)形成規(guī)律,確定影響木質(zhì)纖維素降解形成腐殖質(zhì)的關(guān)鍵微生物和無機(jī)礦物,揭示關(guān)鍵微生物與無機(jī)礦物耦合促進(jìn)腐殖質(zhì)形成機(jī)制,進(jìn)而提出調(diào)控措施加快填埋有機(jī)質(zhì)向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化。
明確垃圾填埋腐殖質(zhì)形成和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物和無機(jī)礦物,可以在垃圾填埋作業(yè)和覆土過程,利用填埋場(chǎng)開挖得到的富含相關(guān)微生物和礦物的腐殖土或其他來源的微生物和礦物,針對(duì)性地補(bǔ)充到新垃圾填埋場(chǎng),輔助調(diào)控填埋場(chǎng)的供氧和濕度等環(huán)境條件,加速填埋垃圾腐殖化和腐殖質(zhì)的形成,提高填埋垃圾的穩(wěn)定度,降低垃圾填埋甲烷產(chǎn)生和滲濾液污染物濃度,進(jìn)而降低或消除填埋場(chǎng)環(huán)境污染。除此之外,研究明確腐殖質(zhì)分子立體結(jié)構(gòu)以及填埋場(chǎng)腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變化有重大意義。
目前,我國(guó)垃圾收運(yùn)量仍在快速增加,而可用于填埋的空間卻越來越少,急需將填埋的陳腐垃圾好氧穩(wěn)定化后開挖騰出新的填埋空間。此外,對(duì)于我國(guó)大量堆積的非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng),也需對(duì)填埋場(chǎng)中有機(jī)質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)化降解和穩(wěn)定化處理,降低它的環(huán)境污染潛力,為填埋垃圾深度穩(wěn)定化提供指導(dǎo)和技術(shù)方案。