随着我国工业化与城镇化步伐加快,城市生活垃圾产量日趋增加,填埋垃圾已成为我国垃圾处理的主要方式。据统计,我国在2012年超过60%的生活垃圾是通过填埋的方式进行处理[1, 2]。我国生活垃圾降解后产生的渗滤液含有大量难降解有机污染物和重金属等有毒有害物质,并且能够通过降雨淋溶、渗透等多种方式进入土壤和地下水,给生态环境和人体健康带来严重威胁[3~5]。
填埋垃圾降解过程中产生了渗滤液含有大量水溶性有机物(DOM)。研究表明,垃圾填埋初期,DOM主要为类蛋白物质; 填埋中后期主要为类腐殖质物质[6~8]。DOM作为一类具有氧化还原性质的天然有机化合物,广泛存在于自然生态系统中,参与地球生物化学过程。还原条件下DOM作为电子受体接受从微生物传递出来的电子,同时还原后的DOM又作为电子供体将电子传递给铁矿物,现代光谱技术显示DOM的这种电子穿梭功能主要由于醌基官能团传递电子[9~11]。目前,对于自然生态系统中DOM的电子穿梭能力的环境效应已有较多报道,如Yuan等[12]研究DOM强化微生物还原Cr; Zhu等[13]研究DOM能够强化硝基苯的降解。在填埋垃圾降解的复杂环境中,不仅存在能够作为DOM电子供体的微生物,还存在有机污染物和重金属等电子受体,因此研究DOM的电子穿梭能力具有重要的环境意义。
相对于自然演变形成的DOM研究,对垃圾填埋后形成的DOM还原能力的研究却相对较少,尤其对于垃圾填埋初期的DOM的电子转移能力缺乏认知。垃圾填埋时间可以通过填埋深度加以体现[6],填埋深度越深填埋时间越长。基于此本研究通过采集不同填埋深度的DOM,研究其电子转移能力,联合紫外与荧光光谱手段,揭示DOM组成和结构演变对电子转移能力的影响。通过对填埋DOM电子转移的研究,试图拓宽填埋场中有毒有害物质降解和重金属转化途径的认识,为识别垃圾填埋场环境风险提供科学依据。
Analytik Jena Multi N/C 2100型TOC分析仪(德国耶拿公司); UNICO-2600A紫外分光光度计(美国优尤尼柯公司); Hitachi F-7000型荧光光谱仪(日本日立公司)。柠檬酸铁(FeCit)、乳酸钠(分析纯,国药集团); 希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)MR-1购于武汉菌种保藏中心; 实验用水均采用Mili-Q超纯水。
阿苏卫垃圾填埋场,位于北京市昌平区,1994年12月26日投入运行,填埋场总占地面积60.4公顷,设计填埋容量1191万立方米,设计处理能力2000吨/天。于阿苏卫垃圾填埋场作业0~2年的填埋区域进行打井取样,采集不同深度(即1~2 m,2~4 m,4~6 m)的3种垃圾样品5~10 kg,依次编号S1、S2、S3,通过四分法采集典型样品,在实验室中置于4℃保存。
参考文献[14]的方法提取DOM,将垃圾和超纯水按1 g:10 mL混合,在室温下,以200 r/min水平振荡16 h,然后4℃,12000 r/min离心20 min,上清液过0.45 μm的滤膜,即为DOM。在TOC仪上测定滤液中的总有机碳(以水溶性有机碳DOC表示)。
区域积分法是基于光谱总荧光强度(TOT)和各荧光团分区强度解析三维荧光的方法。根据文献[20],DOM的三维荧光谱划分5个区,激发波长/发射波长范围分别为200-250 nm/280-325 nm和200-250 nm/325-375 nm的Ⅰ区、Ⅱ区与类蛋白物质(类色氨酸,类酪氨酸)有关,Ⅳ区在激发波长/发射波长范围>250nm/280-375 nm与可溶性微生物降解产物等类蛋白物质有关,Ⅲ区与Ⅴ区分布在激发波长/发射波长分布在200-250 nm/375-550 nm,＞250 nm/375-550 nm与类腐殖质(类富里酸和类胡敏酸)有关。
电子供给能力(EDC)是指DOM作为电子供体所能提供的电子数[15]。取20 mL DOM样品(DOC=30 mg/L)和20 mL 1 mmol/L 柠檬酸铁(FeCit),加入到100 mL厌氧瓶中,通入氮气15 min,遮光振荡48 h后,测定Fe2+含量。同时进行只加柠檬酸铁作为空白对照。Fe2+的测定采用邻啡罗啉比色法。实验重复2次。电子供给能力根据还原产生Fe2+需要的电子量计算(生成1 mol Fe2+需要1 mol电子),单位为mmol/mol (e-/C),表示单位物质的量碳的DOM所提供的电子量。
电子穿梭能力(ESC)是指DOM作为电子穿梭体所能转移电子数[15, 16]。制备好的DOM样品(10 mL DOC=60 mg/L),MR-1的无机培养液(5 mL)、乳酸钠(5 mL 20 mmol/L)和FeCit(20 mL 1 mmol/L)混合于100 mL厌氧瓶中,通氮气15 min后避光振荡48 h,过0.22 μm的纤维素膜后测Fe2+含量,计算电子穿梭能力。对照实验不添加DOM。实验重复2次。
电子接受能力(EAC)是指DOM作为电子受体所能接受的电子数[15]。使用LB培养基将MR-1于室温下活化3代,取生长至对数期(12 h)的细菌离心并移至无机培养液中备用。将DOM(10 mL DOC=60 mg/L)、MR-1的无机培养液(5 mL)和乳酸钠(5 mL 20 mmol/L)混合于100 mL厌氧瓶中,通入氮气15 min,避光振荡24 h后过0.22 μm的纤维素膜并与20 mL 1 mmol/L 柠檬酸铁混合于同型号的厌氧瓶,厌氧避光振荡24 h后测Fe2+含量,去掉2.4.1节的电子供给量后即为电子接受能力。实验重复2次。
将待测DOM调为统一浓度(以DOC计),样品荧光光谱扫描参数如下:激发波长λex=200-450 nm,发射波长λem=280-550 nm,扫描速度设为2400 nm/min。 将激发波长370 nm的荧光发光谱在450与500 nm处的比值,记为荧光指数(Fluorescence index,f450/500)[18]; 254 nm激发波长下,发射波长435-480 nm间区域积分值除以300-345 nm间区域积分值与435-480 nm间区域积分值之和,记为腐殖化指数(HIX)[19]。
以Mili-Q超纯水为空白,扫描范围200-700 nm,扫描间距为1 nm,将待测DOM浓度(以DOC计)调节至15 mg/L。分别测定样品DOM在254,270和436 nm下的吸光度,记为A254、A270和A436,并计算在3个波长处的特征吸收参数(SUVA)(SUVA=100A/DOC),记为SUVA254,SUVA270及SUVA436。分别测定DOM在275-295 nm和350-400 nm范围内的紫外吸收曲线的光谱斜率,记为S275-295和S350-400,计算光比斜率的比值(SR=S275-295/S350-400)[17]。
DOM的电子供给能力随填埋进行呈现先升高后降低的趋势(图 1),其中S1的电子供给能力最小(17.91 mmol/mol (e-/C)),S2的电子供给能力最大(23.71 mmol/mol (e-/C)),样品间电子供给能力的差异表明填埋过程DOM结构和组成演变对电子供给能力影响显著。相较于堆肥和土壤DOM的电子供给能力[16, 21, 22],生活垃圾填埋初期DOM的电子供给能力较高。样品采集于垃圾填埋初期,还原性的大分子蛋白质和小分子氨基酸、糖类较多,填埋初期垃圾DOM具有较强的电子供给能力。
次实验样品的提取和储存均暴露在空气中,所以DOM的电子供给能力又可以称为初始电子供给能力[21],其电子供给能力主要源于具有抗氧化能力的供电子基团。酚基是有机质主要的抗氧化基团且其在紫外270 nm处具有特征吸收峰[23, 24]。从图 1可知,SUVA270变化显示填埋过程酚基团含量不断增加,但是电子供给能力呈相反的变化趋势,因此存在除酚基以外其它供电子基团影响DOM电子供给能力变化。自然生态系统中DOM主要腐殖质为主,而填埋初期DOM则不同,主要以类蛋白物质形式存在,其组成中含有大量具有还原能力的蛋白质和氨基酸,DOM电子供给能力降低的主要原因可能源于类蛋白物质中还原性物质的降解。
图 2为不同填埋年限垃圾DOM的电子接受能力,结果显示填埋垃圾DOM的电子接受能力呈先上升后降低的趋势,其中S2的电子接受能力最高,达到15.39 mmol/mol (e-/C),S1的电子接受能力最低(8.35 mmol/mol (e-/C))。目前研究表明不同来源DOM的电子供给能力处在0.12~25.2 mmol/mol (e-/C)之间[22, 25, 26],而且部分研究证实醌基是DOM的具有接受电子的功能基团之一[10, 11]。SUVA436能够表征醌基含量[27],由表 1可知,SUVA436在填埋过程不断升高,表明填埋过程DOM的醌基含量不断增加,然而DOM的电子接受能力随填埋进行出现降低,因此存在除醌基以外其他具有接受电子能力的基团影响填埋垃圾DOM电子接受能力变化。图 2中紫外光谱斜率比值SR变化表明,在填埋过程中出现大分子物质的降解[18],大分子物质降解可能导致接受电子的功能性基团解体。
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| 项目Project | 区域Area | S1 | S2 | S3 |
| Ⅰ | 0.49 | 0.65 | 0.41 | |
| Ⅱ | 0.42 | 0.56 | 0.57 | |
| 区域体积荧光积分值Area volume fluorescence integral value Фi×107/au-nm2-[mg/LC] | Ⅲ | 0.69 | 0.93 | 1.40 |
| Ⅳ | 1.15 | 1.69 | 2.43 | |
| Ⅴ | 1.79 | 2.56 | 5.13 | |
| Ⅰ | 0.11 | 0.10 | 0.04 | |
| Ⅱ | 0.09 | 0.09 | 0.06 | |
| 百分比PercentagePi (%) | Ⅲ | 0.15 | 0.15 | 0.14 |
| Ⅳ | 0.25 | 0.26 | 0.24 | |
| Ⅴ | 0.39 | 0.40 | 0.52 |
为了进一步研究填埋DOM结构演变对电子接受能力影响,采用区域体积积分方法对荧光光谱进行解析。由图 3和表 1可知,荧光Ⅲ区与Ⅴ区荧光强度φi一直增加,而且在S3的三维荧光图谱(图 3C)中荧光Ⅲ区与Ⅴ区交界处出现一个新的荧光峰,该荧光峰与填埋垃圾产生的类腐殖质物质有关[7, 8],表明类腐殖质物质在填埋过程中持续增加。荧光Ⅳ区的比例Pi保持稳定在25%左右,表明填埋过程存在微生物的持续作用。同时S3的Ⅰ区、Ⅱ区的荧光荧光强度要小于S1和S2,表明DOM类蛋白物质在微生物的作用下发生降解。
研究表明,除醌基外,DOM的含氮、含硫的氧化还原活性成分也能作为DOM接受电子的功能组分[28~30]。与自然生态系统自然演变DOM不同,填埋垃圾初期DOM形成时间短,主要以类蛋白物质为主,其电子接受能力受控于类蛋白物质上具有接受电子能力的含氮、含硫功能基团。随着填埋的进行,类蛋白物质被降解,其结构上的氧化还原的活性基团在微生物的作用下解体,因此DOM的电子接受能力降低。
在填埋垃圾降解的厌氧环境中,微生物、DOM和电子受体都是共存的。因此为了模拟这种厌氧环,在微生物MR-1,DOM和FeCit共存条件下测定DOM的电子穿梭能力,结果如图 4所示。
在电子穿梭能力测定中存在微生物与Fe(Ⅲ)之间的直接接触电子转移机制,为了研究这种直接接触电子转移机制对电子转移量的贡献,在不添加DOM的情况下,单独对微生物和FeCit进行厌氧反应。从图 4可见,当微生物直接传递电子量被扣除后,DOM的电子穿梭能力均在45 mmol/mol (e-/C)以上,具有显著的转移电子能力。在电子穿梭能力实验中,DOM作为电子穿梭体传递电子,其氧化还原电位会保持在相对较高的状态,从而促进了电子从微生物转移到Fe(Ⅲ); 而在电子接受能力实验中,DOM经微生物厌氧还原后其氧化还原电位会逐渐降低,电子的接受容量也随之趋于饱和,使得其电子转移量要小于电子穿梭实验下的电子转移量。
图 4可知,S3的电子穿梭能力最强,能够达到60.78 mmol/mol (e-/C),S1的电子穿梭能力最小(49.87 mmol/mol (e-/C)),填埋过程中DOM的电子穿梭能力持续增加且S3的电子穿梭能力要显著强于S1和S2。
由于类蛋白物质上含氮、含硫功能集团在填埋的过程中被微生物降解消耗,而电子穿梭能力电子穿梭则显著增强,因此类蛋白物质上含氮、含硫基团不是决定电子穿梭能力演变的主要功能性基团。HIX能够表征腐殖化程度,本研究所有样品的HIX均大于0.8,表明填埋DOM具有明显的腐殖化特征[19]。从图 4可知,DOM的类腐殖质区荧光强度变化与电子穿梭能力变化具有很好的一致性,表明DOM电子穿梭能力强弱与其类腐殖质物质含量有关。荧光指数f450/500是DOM芳香性的表征参数[18],从表 2可知,S3的荧光指数最小,而S1和S2的荧光指数差距不大,表明DOM的芳香性在后期是升高的。SUVA254能够指示芳香族化合物的含量[31],图 4表明,SUVA254与DOM电子穿梭能力的演变规律呈现很好地相关性。因此DOM类腐殖质物质是DOM具有电子穿梭能力的主要功能性组分,而SUVA254能够作为指示填埋DOM电子穿梭能力强弱的特征参数。
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| 样品 Sample | f450/500 | 腐殖化指数 Humification index |
| S1 | 2.343 | 1.13 |
| S2 | 2.371 | 1.19 |
| S3 | 2.250 | 0.82 |
图 5显示测定DOM的3种还原能力过程中电子转移路线。填埋DOM不仅具有供给电子能力,能够将自身电子传递给Fe(Ⅲ),而且能够接受微生物传递的电子具有更高的还原能力。同时当有微生物存在的还原条件下,DOM可以作为电子受体接受微生物传递出来的电子,同时还原后的DOM又可以作为电子供体将电子传递给Fe(Ⅲ),而这个过程具有可逆性。因此在填埋垃圾场的复杂环境下,DOM的电子穿梭能力能够强化微生物对于难降解有机物和重金属等有毒有害物质的还原,改变有机物和重金属的赋存形态和生物可利用性。此外填埋垃圾DOM的电子穿梭功能也为其在污染场地修复领域的应用提供可能。
填埋初期DOM主要由类蛋白物质组成和类腐殖质物质。类蛋白物质和类腐殖质物质都是具有电子供给能力和电子接受能力的功能性组分。初期填埋垃圾DOM电子供给能力和电子接受能力受控于类蛋白物质的含量。填埋初始阶段类腐殖质物质合成,大分子类蛋白物质降解成小分子类蛋白物质,其结构上电子接受能力和电子供给能力的功能性组分增多,但是随着填埋进行类蛋白物质降解,类蛋白物质上电子接受能力和电子供给能力的功能性基团解体,电子接受能力和电子供给能力降低。DOM的类蛋白物质上含氮、含硫功能基团不具有反复转移电子能力,DOM中类腐殖质物质是DOM电子穿梭能力的功能性组分。 DOM的芳香度可作为表征DOM的电子穿梭能力变化的特征参数。
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Figure 1 Electron donating capacity of dissolved organic matter (DOM) (A),specific ultraviolet absorbance (SUVA)270 of DOM(B)
Figure 2 Electron accepting capacity of DOM(A),spectral slope ratio and SUVA436 of DOM (B)
Figure 3 Three-dimensional fluorescence spectra of S1,S2 and S3(A,B,C),fluorescence intensity ratio of samples (D)
Figure 4 Change of spectral characteristic parameter (A),change of electronic shuttling capability (ESC) (B)
Figure 5 Mechanism for mensurating reduction capacity of DOM (A),change for three reduction capacity of DOM (B)
DOMox: 氧化态DOM (Oxidation state of DOM); DOM(red): 还原态DOM(Reduction state of DOM); a 本地还原能力(Native reducting capacity); b 微生物还原能力(Microbial reducing capacity); c 电子穿梭能力(Electron shuttling capacity)
Table 1. Changes in three-dimensional fluorescence spectrum of DOM
| 项目Project | 区域Area | S1 | S2 | S3 |
| Ⅰ | 0.49 | 0.65 | 0.41 | |
| Ⅱ | 0.42 | 0.56 | 0.57 | |
| 区域体积荧光积分值Area volume fluorescence integral value Фi×107/au-nm2-[mg/LC] | Ⅲ | 0.69 | 0.93 | 1.40 |
| Ⅳ | 1.15 | 1.69 | 2.43 | |
| Ⅴ | 1.79 | 2.56 | 5.13 | |
| Ⅰ | 0.11 | 0.10 | 0.04 | |
| Ⅱ | 0.09 | 0.09 | 0.06 | |
| 百分比PercentagePi (%) | Ⅲ | 0.15 | 0.15 | 0.14 |
| Ⅳ | 0.25 | 0.26 | 0.24 | |
| Ⅴ | 0.39 | 0.40 | 0.52 |
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Table 2. Spectral characteristic parameter for electronic shuttling capability of DOM
| 样品 Sample | f450/500 | 腐殖化指数 Humification index |
| S1 | 2.343 | 1.13 |
| S2 | 2.371 | 1.19 |
| S3 | 2.250 | 0.82 |
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