生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)中不同分子量組分的分布及光譜特性

韋思業(yè)，范行程，毛 翰，操 濤，程 澳，范行軍*，謝 越

1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510530 2.廣東省水與大氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510530 3.安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100 4.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640 5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

生物炭(BC)是由生物質(zhì)在缺氧或者無氧的環(huán)境下經(jīng)過裂解得到的高含碳量的固體物質(zhì)[1]。作為一種新穎的環(huán)境多功能材料，BC已被廣泛應(yīng)用于土壤改良和土壤修復(fù)等領(lǐng)域[2]。生物炭施加至土壤中會(huì)釋放出大量的水溶性有機(jī)物(DOM)[3]，能夠引起土壤中DOM的含量和性質(zhì)發(fā)生改變[4]，同時(shí)對(duì)土壤有機(jī)和無機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化亦產(chǎn)生重要的作用[5]。例如，BC DOM能吸附和催化降解有機(jī)污染物，促進(jìn)土壤中疏水性有機(jī)污染物的溶解度和流動(dòng)性[6]；BC DOM能與重金屬發(fā)生強(qiáng)烈的絡(luò)合作用，顯著增加土壤中重金屬的移動(dòng)性[5, 7]。

本研究以我國產(chǎn)量較大的兩類農(nóng)業(yè)廢棄物-稻稈(R)和豬糞(P)為生物質(zhì)原料，分別在300，400和500 ℃裂解溫度下制備得到生物炭。運(yùn)用純水萃取-過濾得到BC DOM，聯(lián)合超濾技術(shù)分離出>5，1～5和<1 kDa三種分子量級(jí)組分。采用總有機(jī)碳分析儀、紫外-可見光光譜儀、三維熒光光譜-平行因子分析技術(shù)等對(duì)BC DOM及其分子量級(jí)組分的含量和光譜性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。本研究將有助于進(jìn)一步了解BC DOM的分子量組成和結(jié)構(gòu)特征，為準(zhǔn)確評(píng)估BC DOM的環(huán)境行為提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

以稻稈和豬糞兩種生物質(zhì)作為制備生物炭的原料。稻稈采自廣東省正果鎮(zhèn)，豬糞采自四川省眉山市青神縣養(yǎng)殖場。將稻稈經(jīng)自來水洗凈、豬糞去除石塊等雜物后自然風(fēng)干2 d，在75 ℃下烘干，用粉碎機(jī)粉碎，過50目篩后裝密封袋備用。采用限氧升溫炭化法制備生物炭樣品。具體步驟[1]為：稱取20 g備用生物質(zhì)于陶瓷坩堝，壓實(shí)蓋上蓋，并用錫箔紙包裹后在馬弗爐中熱解炭化。最高制備溫度分別為300，400和500 ℃，升溫速率為5 ℃·min-1，保留時(shí)間為4 h。自然冷卻至室溫后，將生物炭樣品取出，研磨，過100目篩后分別密封保存。稻稈和豬糞生物炭樣品分別標(biāo)記為RX和PX(其中X代表炭化溫度300，400和500 ℃)。

1.2 DOM提取及超濾分級(jí)

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇合適的固液比(W/V)對(duì)生物炭與超純水進(jìn)行混合，放置于恒溫振蕩器中，在30 ℃，150 r·min-1條件下振蕩24 h。然后在4 000 r·min-1下離心15 min，上清液過0.22 μm水系濾膜，所得濾液即生物炭DOM[1, 3]。利用總有機(jī)碳分析儀對(duì)DOM中的溶解性有機(jī)碳(DOC)進(jìn)行測(cè)定。

采用Millipore-8050型超濾杯對(duì)生物炭DOM進(jìn)行分子量組分分級(jí)。超濾分級(jí)前，將DOM的DOC稀釋至20 mg·L-1左右以獲得較優(yōu)的分級(jí)效率。參考文獻(xiàn)[11]，具體分級(jí)步驟：量取40 mL DOM置于超濾杯中，首先通過5 kDa超濾膜，超濾濃縮因子設(shè)為8，分別收集膜上濃縮液和膜下濾液，并分別定容至40 mL。按照相同方法將上述濾液通過1 kDa，收集濃縮液和濾液。最終得到DOM的3種分子量級(jí)份，包括>5，1～5和<1 kDa組分。每種類型生物炭DOM重復(fù)3次分子量分級(jí)實(shí)驗(yàn)。

1.3 儀器分析

采用島津UV2600紫外-可見光(UV-Vis)光譜儀對(duì)生物炭DOM的UV-vis光譜進(jìn)行測(cè)定，掃描范圍為200～700 nm。選取α254表示DOM中發(fā)色團(tuán)的相對(duì)含量[2, 9]，選取E2/E3表征DOM的相對(duì)分子質(zhì)量[2]，選取SUVA254(L·mg-1·m-1)表征DOM的芳香度[1, 4]，計(jì)算公式如式(1)—式(3)

α254=2.303A254/l

(1)

(2)

(3)

式(1)—式(3)中，α254是波長為254 nm處的吸收系數(shù)，Ai是波長為i時(shí)的吸收值，c為DOC濃度，l為光皿長度。

采用日立F4600型熒光光譜儀測(cè)定DOM的三維熒光光譜(EEM)。激發(fā)(Ex)和發(fā)射(Em)波長掃描范圍分別設(shè)為200～400和290～520 nm，掃描間隔均設(shè)置為5 nm，掃描速度為12 000 nm·min-1，PMT電壓為700 V。利用超純水作為空白對(duì)照，去除拉曼和瑞利散射對(duì)EEM譜圖解析的干擾。引入?yún)^(qū)域體積積分(FRI)對(duì)生物炭DOM的熒光特征進(jìn)行定量分析。根據(jù)He等[13]研究成果，將DOM-EEM譜圖劃分成6個(gè)區(qū)域，即富里酸類(A，Ex 200～275 nm，Em 380～520 nm)、腐殖酸類(C，Ex 275～400 nm，Em 380～520 nm)、低激發(fā)色氨酸類(S，Ex 200～250 nm，Em 330～380 nm)、高激發(fā)色氨酸類(T，Ex 250～300 nm，Em 330～380 nm)、低激發(fā)酪氨酸類(D，Ex 200～250 nm，Em 280～330 nm)、高激發(fā)酪氨酸類(B，Ex 250～300 nm，Em 280～330 nm)。

觀測(cè)了3種熒光特征指數(shù)，包括熒光指數(shù)(FI)、腐殖化指數(shù)(HIX)和生物源指數(shù)(BIX)。計(jì)算公式[4, 8, 14]如式(4)—式(6)

(4)

(5)

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，使用Origin2019b和CorelDRAW2018進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭DOM分子量分布特征

不同裂解溫度下稻稈和豬糞生物炭DOM中的分子量組分DOC的含量分布如圖1所示。由圖1可看出，裂解溫度在300～500 ℃之間時(shí)，稻稈和豬糞生物炭DOM中<1，1～5和>5 kDa組分的DOC含量分別為1.0～4.8和0.1～3.1，0.3～2.1和0.1～1.4，0.4～2.1和0.04～1.8 mg·g-1。隨著裂解溫度的升高，BC DOM的總DOC含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，與前期研究結(jié)果[1]及其他生物炭研究文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[2-3]。同時(shí)各級(jí)分子量DOM組分也表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，即隨著炭化程度的增加DOM分子量組分含量降低，表明高溫對(duì)BC DOM中各級(jí)分子量組分均有強(qiáng)烈的裂解作用[2]。由于不同原料性質(zhì)不同，隨著裂解溫度的增加，BC DOM分子量組分的含量降低程度也存在差異。由圖1可明顯看出，500 ℃下豬糞BC釋放出的DOM非常少，說明該溫度下豬糞BC炭化明顯，釋放的不穩(wěn)定有機(jī)組分非常低[1, 3]。

圖1 不同裂解溫度下生物炭DOM不同分子量組分DOC含量

為進(jìn)一步觀測(cè)不同裂解溫度下BC DOM的分子量分布，本研究分別利用DOC和α254來表征DOM的有機(jī)碳和發(fā)色團(tuán)含量，具體結(jié)果見圖2。以DOC計(jì)[圖2(a)]，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM的DOC在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為42%～60%，16%～23%和23%～29%。由此可見不同裂解溫度下BC DOM的DOC主要分布在小分子量組分(<1 kDa)中，說明裂解過程中主要生成了結(jié)構(gòu)簡單的小分子DOM[1-2]。重要的是低分子量的DOM容易被微生物利用[2]，因此BC DOM施加至土壤中會(huì)成為重要的碳源。以α254計(jì)[圖2(b)]，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM的發(fā)色團(tuán)在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為4%～27%，8%～9%和26%～81%。除P500以外，其余BC DOM中發(fā)色團(tuán)主要分布在高分子量組分(>5 kDa)中，表明高分子量DOM主要以芳香族有機(jī)物組成為主[2, 9]?？偟膩碚f，裂解溫度對(duì)于稻稈BC DOM的分子量分布影響并不顯著；但是對(duì)于豬糞BC DOM的分子量分布影響較為明顯。由圖2(a，b)可看出500 ℃下豬糞BC DOM中1～5 kDa組分的DOC和α254百分比均有顯著增加，而>5 kDa組分均顯著減少，表明高度炭化的豬糞BC DOM以1～5 kDa組分組成為主。另一方面，綜合圖1和圖2可發(fā)現(xiàn)，BC用于土壤修復(fù)中會(huì)釋放出大量的低分子量DOC和高分子量發(fā)色團(tuán)，但是隨著裂解溫度升高，釋放量減小。

圖2 生物炭DOM不同分子量組分的相對(duì)豐度比較

2.2 BC DOM分子量組分的UV-Vis光譜特征

不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM中分子量級(jí)組分基于DOC校正的的UV-Vis光譜如圖3(a—f)所示。BC DOM及其分子量組分的UV-Vis呈現(xiàn)出類似的光譜特征，其吸收值均隨波長的增加而逐漸降低，主要因?yàn)锽C DOM中含有大量的不飽和共軛雙鍵和芳香族化學(xué)物[1]。這些特征與已報(bào)道的BC DOM的UV-Vis光譜特征相似[1, 8]。除P500以外，BC DOM中>5kDa比1～5和<1 kDa組分具有更強(qiáng)的光吸收特征，與α254結(jié)果一致，說明高分子量有機(jī)組分是BC DOM的主要吸光性物質(zhì)。P500分子量DOM的UV-Vis特征則表明高溫炭化后豬糞BC中DOM的發(fā)色團(tuán)以中等分子量組成為主。

圖3 BC DOM分子量組分的特征UV-Vis光譜

不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM中分子量級(jí)組分的E2/E3和SUVA254分布特征如圖4(a,b)所示。E2/E3是表征DOM分子量大小的特征參數(shù)，E2/E3值越大表明DOM分子量越小[1]。由圖4(a)可看出，不同裂解溫度下稻稈和豬糞BC釋放出DOM的分子量組分的E2/E3大小均表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即高分子量(>5 kDa)<中分子量(1～5 kDa)<低分子量(<1 kDa)。結(jié)果表明E2/E3可有效指示BC DOM的分子量分布。值得注意的是300和400 ℃下稻稈和豬糞BC DOM的E2/E3值差異不明顯，但是均低于500 ℃下的BC DOM，與我們前期報(bào)道結(jié)果一致[1]。

圖4 BC DOM分子量組分的E2/E3(a)和SUVA254(b)分布

SUVA254指示DOM的芳香性和分子量大小，SUVA254值越大，表明芳香族結(jié)構(gòu)越多，分子量越大[1, 9, 15]。稻稈和豬糞BC DOM的SUVA254值分布在1.94～3.13 L·mg-1·m-1之間，由圖4(b)可看出高溫(400和500 ℃)裂解BC釋放出的DOM比低溫具有更高的芳香度和分子量，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[1]。在200～500 ℃制備得到的稻殼、木屑BC DOM也表現(xiàn)出類似的結(jié)果[14]。結(jié)果表明裂解溫度對(duì)于BC DOM的分子量大小和芳香化程度具有重要的影響[1]。就分子量組分而言，不同裂解溫度下BC釋放出分子量DOM的SUVA254值均表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，即高分子量(>5 kDa)>中分子量(1～5 kDa)>低分子量(<1 kDa)。該結(jié)果與E2/E3結(jié)果一致，間接表明SUVA254值可有效指示BC DOM中分子量組分的分布特征。值得注意的是，400和500 ℃裂解溫度下，稻稈和豬糞BC中高分子量DOM的SUVA254值均未表現(xiàn)出顯著的差異，但是均明顯高于300 ℃下BC DOM中高分子量組分(>5 kDa)。此外，中分子量(1～5 kDa)BC DOM也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這些結(jié)果表明高溫裂解BC釋放出的高分子量和中分子量DOM組分比低溫含有更多的芳香族結(jié)構(gòu)。由圖4也可看出稻稈和豬糞BC DOM的分子量組分結(jié)構(gòu)存在顯著的差異。不同裂解溫度下，稻稈BC DOM的高分子量(>5 kDa)組分SUVA254值均高于豬糞，表明稻稈BC釋放出的高分子量DOM具有更多的芳香族結(jié)構(gòu)。然而，豬糞BC DOM的低分子量(<1 kDa)組分SUVA254值卻高于稻稈，表明豬糞BC釋放出的低分子量DOM比稻稈具有更高的芳香度。總之，不同裂解溫度和生物質(zhì)原料制備的BC釋放出分子量DOM的組成和結(jié)構(gòu)具有顯著差異。

2.3 分子量BC DOM的EEM光譜特征

2.3.1 EEM光譜

EEM譜圖可有效反映BC DOM的熒光物質(zhì)組成特征[2, 8, 14]。以300 ℃稻稈和豬糞BC釋放DOM及其分子量組分的EEM光譜為例(圖5)。由圖5可看出，稻稈和豬糞BC DOM分子量組分的EEM光譜均類似于整體DOM。其他溫度條件下BC DOM及其分子量組分EEM均呈現(xiàn)出類似的特征。該結(jié)果表明BC DOM是一種分子量分散程度較高的連續(xù)體系，主要由不同“亞單位”結(jié)構(gòu)通過弱結(jié)合力(如疏水作用、氫鍵、范德華力等)“自組裝”而成[15]，并非離散物質(zhì)體系。超濾分級(jí)并不能有效分離出DOM的“亞單位”結(jié)構(gòu)，但是能揭示不同分子量的物質(zhì)組成和化學(xué)性質(zhì)。

圖5 典型BC DOM分子量組分的EEM光譜

通過FRI(熒光區(qū)域體積積分)進(jìn)一步定量解析了不同類型DOM的組成特征[13]。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，稻稈和豬糞BC DOM及其分子量組分中的A，C，S，T，D和B區(qū)域積分體積分別占總和的43%～54%，22%～35%，10%～17%，5%～10%，1%～4%和1%～2%。結(jié)果說明類腐殖質(zhì)(A和C)是BC DOM主要的物質(zhì)組成，而類蛋白質(zhì)中僅低激發(fā)色氨酸類(S)含量相對(duì)較高。該結(jié)果同前期報(bào)道的污泥、稻殼、木屑、濕地植物BC DOM的熒光物質(zhì)以類腐殖質(zhì)為主的組成特征一致[3, 14]。此外，該結(jié)果也顯示不同類別BC DOM及其分子量組分的同一類型的熒光組分相對(duì)含量差異不大，表明DOM與其分子量組分具有相似的物質(zhì)組成，再次證實(shí)BC DOM是一類連續(xù)的物質(zhì)體系[15]。另一方面，不同類型稻稈BC DOM的熒光物質(zhì)中>5 kDa組分的相對(duì)含量明顯高于豬糞BC DOM，表明稻稈BC DOM具有更為復(fù)雜的大分子結(jié)構(gòu)，與SUVA254反映結(jié)果一致。

結(jié)合圖5和FRI定量解析結(jié)果可看出，富里酸類(A)、腐殖酸類(C)和低激發(fā)色氨酸類(S)是BC DOM的主要熒光物質(zhì)。利用FRI進(jìn)一步定量觀測(cè)了BC DOM單一熒光組分中不同分子量組分所占百分比(圖6)。由圖6可看出，稻稈和豬糞BC DOM的熒光物質(zhì)(A，C和S)中>5，1～5和<1 kDa組分所占百分比分別為59%～70%和22%～28%，14%～30%和24%～40%，7%～31%和37%～48%。由此可知，稻稈BC DOM的各分子量級(jí)組分均以類富里酸組成為主，而豬糞BC DOM的各分子量級(jí)組分主要以低激發(fā)色氨酸熒光物質(zhì)組成為主。另一方面，裂解溫度對(duì)于BC DOM分子量組分中熒光物質(zhì)組成有重要影響。隨著裂解溫度的升高，稻稈BC DOM中>5和1～5 kDa的富里酸類和腐殖酸類組分均呈現(xiàn)一定的增長趨勢(shì)，而<1 kDa的低激發(fā)色氨酸類組分卻顯著降低。相比而言，豬糞BC DOM中>5和<1 kDa的富里酸類和低激發(fā)色氨酸類物質(zhì)含量隨裂解溫度的升高均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而1～5 kDa的腐殖質(zhì)類物質(zhì)含量卻不斷增加。結(jié)果表明，BC DOM中1～5 kDa的熒光物質(zhì)組分的穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，而<1 kDa的熒光物質(zhì)組分穩(wěn)定性最弱。

圖6 不同BC DOM中熒光物質(zhì)的分子量分布特征

2.3.2 FI, BIX和HIX

表1顯示不同類型BC DOM的分子量級(jí)組分的熒光特征參數(shù)(FI，BIX和HIX)。FI，BIX和HIX可有效指示DOM的芳香度及腐殖化程度[8, 14]。一般，F(xiàn)I<1.4或BIX<0.6或HIX>10時(shí)，表明DOM芳香度和腐殖化程度高；當(dāng)FI>1.7或BIX>1或HIX<4時(shí)，表明DOM芳香度和腐殖化程度較低[2, 12]。由表1可知，不同類型BC DOM及其分子量組分的FI，BIX和HIX值分別在1.71～3.67，0.63～1.57和2.52～12.50，表明BC DOM主要以較低芳香度和較低腐殖化程度的有機(jī)質(zhì)組成。除P500以外，稻稈BC DOM及其分子量組分比豬糞BC具有更低的FI和BIX值和更高的HIX值，表明低裂解溫度下制備稻稈BC釋放出的DOM比豬糞BC具有較高的芳香度和腐殖化程度。另一方面，不同類型BC DOM中分子量組分的熒光特征參數(shù)呈現(xiàn)出一定的分布趨勢(shì)。其中，F(xiàn)I和BIX基本呈現(xiàn)為低分子量(<1 kDa)>中分子量(1～5 kDa)>高分子量(>5 kDa)分布趨勢(shì)，而HIX值呈現(xiàn)出明顯的低分子量(<1 kDa)<中分子量(1～5 kDa)<高分子量(>5 kDa)分布趨勢(shì)。這些結(jié)果再次證實(shí)高分子量組分富集了較多的具有高芳香性和高腐殖化程度的有機(jī)組分，其化學(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

表1 BC DOM分子量級(jí)組分的FI，BIX和HIX

3 結(jié) 論

(1)利用超濾將BC DOM分離為<1，1～5和>5 kDa組分。以DOC計(jì)，300～500 ℃裂解溫度下稻稈和豬糞BC DOM在<1，1～5和>5 kDa組分中的分布分別為42%～60%，16%～23%和23%～29%；以α254計(jì)，分布范圍分別為4%～27%，8%～49%和26%～81%。結(jié)果表明BC DOM的DOC主要分布在<1 kDa組分，而發(fā)色物質(zhì)主要分布在>5 kDa組分。

(2)E2/E3和SUVA254能有效指示BC DOM的分子量組分的分布規(guī)律。400和500 ℃下BC DOM中>5和1～5 kDa組分的分子量和芳香度要明顯高于300 ℃。稻稈BC DOM中>5 kDa組分比豬糞BC DOM中>5 kDa組分具有更多的芳香族結(jié)構(gòu)，而豬糞BC DOM中<1 kDa組分的芳香度卻高于稻稈。

(3)EEM結(jié)果顯示BC DOM中各級(jí)分子量組分具有相似的光譜特征，表明BC DOM是一種連續(xù)體系。就熒光物質(zhì)組成而言，稻稈BC DOM的分子量級(jí)組分均以類富里酸組成為主，而豬糞BC DOM的分子量級(jí)組分則以低激發(fā)色氨酸熒光物質(zhì)組成為主。熒光參數(shù)對(duì)比結(jié)果顯示BC DOM中<1，1～5和>5 kDa組分的FI和BIX基本呈現(xiàn)依次降低趨勢(shì)，而HIX值則呈現(xiàn)出依次升高的趨勢(shì)，結(jié)果表明BC DOM中高分子量組分富集了較多的具有高芳香性和高腐殖化程度的有機(jī)組分。