田 程 ,肖姬玲 ,張 屹 ,李基光 ,朱菲瑩 ,魏 林 ,梁志懷
(1.湖南大學(xué)研究生院隆平分院,湖南 長(zhǎng)沙 410125;2.湖南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410125;3.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410125)
腐殖質(zhì)對(duì)環(huán)境影響及其降解研究進(jìn)展
田 程1, 2,肖姬玲2,張 屹2,李基光2,朱菲瑩2,魏 林3,梁志懷1, 2
(1.湖南大學(xué)研究生院隆平分院,湖南 長(zhǎng)沙 410125;2.湖南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410125;3.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410125)
腐殖質(zhì)是一類(lèi)重要的地表有機(jī)物質(zhì),對(duì)環(huán)境有著很重要的影響。綜述了腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其對(duì)環(huán)境的影響,并總結(jié)了腐殖質(zhì)光化學(xué)降解、臭氧降解及生物降解的3種類(lèi)型、降解的影響因素及其降解后對(duì)環(huán)境的影響,最后對(duì)腐殖質(zhì)降解技術(shù)以及今后重點(diǎn)研究方向作出了展望。
腐殖質(zhì);結(jié)構(gòu)性質(zhì);降解類(lèi)型;環(huán)境影響
腐殖質(zhì)是指環(huán)境中無(wú)明確化學(xué)組成的有機(jī)物的總稱(chēng),由動(dòng)物、植物、微生物殘骸經(jīng)過(guò)各種分解、合成作用形成,大多以膠體的形式存在。不同來(lái)源的腐殖質(zhì)是由不同分子量和結(jié)構(gòu)組分組成的芳香類(lèi)聚合物,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,主要組成元素有碳、氫、氧、氮、磷、硫,主要官能團(tuán)有羧基、羰基、酚基等,以-CH2-、=CH-、-NH-、-O-、-S-S-等橋鍵起連接作用。腐殖質(zhì)分為胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM),各成分的溶解度不同,胡敏酸在pH值<2時(shí)會(huì)產(chǎn)生沉淀,但溶于堿性溶液;富里酸既溶于酸也溶于堿;胡敏素既不溶于酸也不溶于堿[1]。不同來(lái)源的腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在明顯的差異性,但均能發(fā)生各種反應(yīng),導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。
由于腐殖質(zhì)本身為一類(lèi)有機(jī)物質(zhì),其結(jié)構(gòu)組成特別,能為植物的生長(zhǎng)提供部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微量元素,目前對(duì)于腐殖質(zhì)的研究多為改善土壤、增強(qiáng)肥力。但近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn),腐殖質(zhì)雖在土壤中能發(fā)揮其有利作用,但是由于環(huán)境日益惡劣,水土流失日益嚴(yán)重,腐殖質(zhì)隨著水土流失進(jìn)入河流,在水體中腐殖質(zhì)的作用發(fā)生了變化,多以污染物的形式存在,這給水體的利用帶來(lái)了不少困擾。這一問(wèn)題的出現(xiàn)使腐殖質(zhì)降解逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。本文綜述了腐殖質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響以及其降解作用,對(duì)腐殖質(zhì)降解技術(shù)以及今后重點(diǎn)研究方向作出了展望,以期為腐殖質(zhì)降解的深入研究提供參考。
腐殖質(zhì)作為一種有機(jī)物對(duì)環(huán)境的作用是不可忽視的,對(duì)土壤的影響更是重大。很多研究表明,腐殖質(zhì)能降低土壤中重金屬污染的程度,提高土壤對(duì)重金屬的吸附力,使重金屬的活性和遷移能力降低[2],同時(shí)也降低重金屬的生物可利用率[3]。腐殖質(zhì)對(duì)重金屬的作用主要是由于腐殖質(zhì)其本身含有的功能團(tuán)能與重金屬發(fā)生各種絡(luò)合、吸附反應(yīng),形成更為穩(wěn)定的復(fù)合物質(zhì),消弱重金屬對(duì)土壤的危害。已有人利用腐殖質(zhì)的特性,將其制成表面活性劑用于鎘污染的土壤修復(fù)[4]。腐殖質(zhì)特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)還能降低有機(jī)物污染物在土壤中的遷移能力,對(duì)有機(jī)污染物起到固化和穩(wěn)定的作用,避免部分地下水遭到污染[5]。腐殖質(zhì)不僅能減弱污染物的危害,還能促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用,已有研究證明,腐殖質(zhì)對(duì)無(wú)機(jī)氮同化和還原相關(guān)酶的活性有正向影響,在一定濃度下能促進(jìn)植物在轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá),增加植物的吸收能力[6]。腐殖質(zhì)還具有理想的電子傳遞能力,能促進(jìn)微生物與胞外電子受體之間的電子傳遞速率,并應(yīng)用于治理土壤污染、溫室效應(yīng)等方面[7]。
腐殖質(zhì)降解后生成部分含碳?xì)怏w及含氮、磷元素的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),含碳?xì)怏w作為微生物重要的能量來(lái)源之一,可被自養(yǎng)型微生物吸收利用,而含氮、磷元素的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則可被水中浮游生物作為營(yíng)養(yǎng)吸收[22]。由此可以看出,腐殖質(zhì)的降解對(duì)環(huán)境具有一定好處,可進(jìn)行深入研究。
腐殖質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)性質(zhì),會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可忽視的影響。一般情況下,腐殖質(zhì)不僅能夠與土壤環(huán)境中有機(jī)污染物結(jié)合,降低污染物的毒性,還能作為電子受體,加速電子傳遞進(jìn)程[8],提高土壤中污染物的降解速率[9-11]。但腐殖質(zhì)在特殊情況下會(huì)促進(jìn)土壤重金屬的活性,腐殖質(zhì)中的FA具有電子傳遞作用,能釋放出重金屬陽(yáng)離子,增加其活性[12]。有研究者提出,腐殖質(zhì)與某些重金屬結(jié)合不穩(wěn)定,當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),重金屬會(huì)重新溶入土壤溶液中,增加重金屬的植物有效性[13]。進(jìn)一步研究證明,腐殖質(zhì)會(huì)增加重金屬的生物活性:高濃度的腐殖質(zhì)處理同時(shí)伴隨著Cd和Pb濃度的增高[14]。并且腐殖質(zhì)具有獨(dú)特的吸光特性,在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)降低三氯氧氯酚等物質(zhì)的光降解速率,而當(dāng)它濃度過(guò)高時(shí)還會(huì)抑制菲類(lèi)等有機(jī)物質(zhì)的降解[15-16]。因此,在一定條件下腐殖質(zhì)的存在會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。有研究指出,腐殖質(zhì)是垃圾滲濾液及污水中的主要有機(jī)污染物質(zhì)之一[17-18],由于自身的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其很難降解,這是在解決污染水體再利用過(guò)程中存在的最大障礙之一。因此,有效的降解腐殖質(zhì)對(duì)處理垃圾滲濾液和污水有著非常重要的作用。研究表明,可溶性的富里酸和胡敏酸可以疏松土壤,保持土壤水分,增強(qiáng)土壤微生物的活性[19-20],而環(huán)境中大多數(shù)腐殖質(zhì)是不溶性的,只有通過(guò)對(duì)其降解,破壞不飽和鍵,轉(zhuǎn)化為水溶性的物質(zhì)才能發(fā)揮其對(duì)土壤的作用[21]。
腐殖質(zhì)還能與某些元素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),使環(huán)境中部分元素含量降低,礦化降低,破壞人體對(duì)所需元素的吸附和平衡,影響離子的生物有效性。在天然水體消毒過(guò)程中,腐殖質(zhì)會(huì)對(duì)人體造成傷害,主要是由于腐殖質(zhì)極易與氯發(fā)生反應(yīng)生成致癌物質(zhì)。腐殖酸還會(huì)導(dǎo)致人體患大骨節(jié)病,是由于患病人群的水源陽(yáng)光照射不足,水中腐殖酸發(fā)生光化學(xué)降解少,因而含量高,從而導(dǎo)致人群患病。
2.1.1光化學(xué)降解腐殖質(zhì)的光化學(xué)降解分為直接光解、間接光解和氧化反應(yīng)3類(lèi)。直接光解是指腐殖質(zhì)直接吸收太陽(yáng)能進(jìn)行分解反應(yīng);間接光解又叫光敏化反應(yīng)過(guò)程,是指腐殖質(zhì)首先被太陽(yáng)光激發(fā),激發(fā)后的能量通過(guò)一定的途徑轉(zhuǎn)移給周?chē)幕衔?,從而完成分解反?yīng);氧化反應(yīng)則是指腐殖質(zhì)被太陽(yáng)光輻射,產(chǎn)生各種含氧自由基的中間體,這些中間體又和各種化合物發(fā)生反應(yīng),生成其他產(chǎn)物,最終達(dá)到降解效果[23-24]。
腐殖質(zhì)通過(guò)光化學(xué)降解會(huì)產(chǎn)生一系列的小分子物質(zhì),主要分為無(wú)機(jī)物(一氧化碳和二氧化碳)、含氮磷化合物、未知褪色有機(jī)質(zhì)、低分子量有機(jī)化合物4類(lèi)。其中低分子量有機(jī)化合物主要包括乙醛、乙二醛、甲醛、丙酮、甲醇等,這些低分子量的有機(jī)物更容易作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被生物體利用[25-26]。這說(shuō)明腐殖質(zhì)的光化學(xué)降解對(duì)生物能否有效利用腐殖質(zhì)有很重要的影響。
2.1.2臭氧降解臭氧具有強(qiáng)氧化能力,能快速降解有機(jī)物質(zhì),成本低,已廣泛用于有機(jī)物的降解[27]。目前關(guān)于臭氧對(duì)腐殖質(zhì)的降解研究可以總結(jié)為以下兩條途徑:第一條途徑,臭氧分子直接作用于腐殖質(zhì),使腐殖質(zhì)芳香環(huán)斷開(kāi),化學(xué)鍵斷裂降解為小分子有機(jī)物;第二條途徑,臭氧在氫氧根等離子的作用下,生成具有更強(qiáng)氧化能力且無(wú)選擇性的氫氧根自由基,再與腐殖質(zhì)發(fā)生反應(yīng)使其氧化降解[28]。有研究表明,臭氧能夠較快降解垃圾滲濾液中的腐殖質(zhì),其中胡敏酸和富里酸的去除率分別達(dá)到了58%和70%,對(duì)再生水中腐殖質(zhì)的去除率達(dá)到63.2%,并能降低后續(xù)消毒過(guò)程中有毒物質(zhì)的生成率[29-30]。
經(jīng)催化降解后,腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)上的芳香環(huán)降解為酮類(lèi)、羧酸類(lèi)及醛類(lèi)等小分子有機(jī)物質(zhì)[31],不飽和鍵被破壞,使疏水性物質(zhì)被氧化成親水性物質(zhì)[24]。以Fe2O3–TiO2–MnO2/Al2O3作為臭氧氧化催化劑處理化工園區(qū)廢水時(shí),可將廢水中可見(jiàn)腐殖質(zhì)類(lèi)和水溶性腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)完全降解[32]。臭氧將腐殖質(zhì)降解為小分子有機(jī)物后,一些帶電子基團(tuán)、具有揮發(fā)性的化合物可進(jìn)一步氧化成酯和酸,有些甚至可完全降解為二氧化碳。
2.1.3生物降解已有大量的研究證實(shí),微生物在一定條件下,通過(guò)生物轉(zhuǎn)化可將一些有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[33]。還有人認(rèn)為腐殖質(zhì)的形成和木質(zhì)素的生物降解有著密切的聯(lián)系[34]。但王書(shū)明等[35]發(fā)現(xiàn),微生物在碳源充足的條件下,會(huì)將碳源合成為腐殖質(zhì),但在碳源匱乏的時(shí),微生物會(huì)降解腐殖質(zhì)作為自身生長(zhǎng)所需要的有機(jī)物質(zhì)。這說(shuō)明,微生物不僅在腐殖質(zhì)形成中起到關(guān)鍵作用,還參與了腐殖質(zhì)的降解過(guò)程。
目前認(rèn)為腐殖質(zhì)的生物降解是指利用一些功能性的微生物,通過(guò)它們的代謝活動(dòng)來(lái)降解腐殖質(zhì)[36],主要通過(guò)細(xì)菌、放線菌和真菌之間的協(xié)同作用,逐步進(jìn)行降解,有的甚至可以將腐殖質(zhì)完全降解為無(wú)機(jī)化合物。在腐殖質(zhì)的降解過(guò)程中,真菌起到主要作用,細(xì)菌和放線菌次之[37-38]。真菌降解腐殖質(zhì)有以下幾種方式:一是利用各種酶降解腐殖質(zhì)側(cè)鏈,有木素過(guò)氧化物酶和水解酶等;二是形成一系列的自由基作用較低分子量的腐殖質(zhì),形成降解中間產(chǎn)物,然后在逐步降解掉腐殖質(zhì),有的可能會(huì)重新聚合形成新的腐殖質(zhì),該方式中的自由基要依賴(lài)酶促反應(yīng)來(lái)激活;三是直接通過(guò)酶促反應(yīng)來(lái)降解高分子量的腐殖質(zhì)[39]。
在降解過(guò)程中,微生物能夠破壞腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)鏈脂肪族化合物,進(jìn)一步形成羥基、羧基等官能團(tuán)。在微生物作用下,大分子量的腐殖質(zhì)可以降解為小分子量的腐殖質(zhì),而小分子量的腐殖質(zhì)也能聚合為大分子量的腐殖質(zhì),說(shuō)明腐殖質(zhì)各組分之間存在著相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系[40],如富里酸和胡敏酸可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。但具體的作用機(jī)理還需進(jìn)一步研究。
催化劑能使光化學(xué)降解和臭氧降解過(guò)程得到加速,常用的光化學(xué)降解催化劑有銅離子和鐵離子,主要產(chǎn)物是二氧化碳[41]。在鐵離子的催化作用下,腐殖質(zhì)的光化學(xué)降解途徑主要分為以下兩步:第一步是通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移,直接裂解腐殖質(zhì)羧基與鐵形成的復(fù)合物,生成二價(jià)鐵離子,形成聚羧酸鹽自由基,后者再去羧酸,形成自由基中間體;第二步是形成的自由基中間體再進(jìn)一步和鐵反應(yīng)形成復(fù)合物,再將鐵還原成三價(jià)鐵,使較低反應(yīng)能力的氧類(lèi)自由基轉(zhuǎn)化為羥基自由基[42]。Fe/MgO是較為有效的臭氧氧化催化劑,F(xiàn)e/MgO催化劑能高效的催化高分子量的腐殖質(zhì)降解為低分子量有機(jī)物質(zhì)[43]。秦航道等[44]發(fā)現(xiàn),與單獨(dú)臭氧氧化相比,加入Ce/AC催化劑后,垃圾滲透液中富里酸的降解率提高了10%,同時(shí)還使更多其他的大分子有機(jī)物質(zhì)氧化為小分子有機(jī)物質(zhì)。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用氨氣改性后的活性炭作為催化劑時(shí),垃圾滲透液中富里酸的降解率比使用未改性的活性炭的去除率要提高4%,再以氨氣改性后的活性炭作為載體制備Ce/AC催化劑時(shí),富里酸的去除率又得到進(jìn)一步提升。除了以上幾種催化劑外,還有如鈷錳復(fù)合氧化物、二氧化鈦、鐵離子、銅離子等都是較好的腐殖質(zhì)臭氧氧化催化劑。
腐殖質(zhì)的降解作用還受pH值、氧氣含量、太陽(yáng)光射入的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、以及腐殖質(zhì)自身的質(zhì)量濃度影響[45]。環(huán)境中pH值發(fā)生變化會(huì)改變腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子量大小,趙曉丹等[46]研究證明,降低溶液pH值(>2)有助于提高光化學(xué)降解的氧化過(guò)程,但過(guò)低pH值(<2)卻會(huì)降低氧化反應(yīng)速率。反應(yīng)過(guò)程中氧氣含量的高低對(duì)腐殖質(zhì)降解的影響也較為明顯,當(dāng)氧含量飽和時(shí),可加速腐殖質(zhì)的光化學(xué)降解,使其酚基大量減少,羧基形成,最終降低腐殖質(zhì)的分子量,增加腐殖質(zhì)的水溶性。在光化學(xué)降解過(guò)程中發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度的光照能夠加速腐殖質(zhì)的降解過(guò)程。腐殖質(zhì)自身也會(huì)導(dǎo)致其降解速率發(fā)生改變,不同來(lái)源的腐殖質(zhì)其降解速率不同,腐殖質(zhì)的各種官能團(tuán)也影響其降解,在臭氧降解過(guò)程中,由于分子量和結(jié)構(gòu)的差異,富里酸的降解速率比胡敏酸快[29]。黎燁等[47]發(fā)現(xiàn),自生源性越強(qiáng),腐殖質(zhì)的光化學(xué)降解活性越高,胡敏酸具有強(qiáng)自生源性,故較富里酸更容易降解。
近年來(lái)腐殖質(zhì)的污染并沒(méi)有得到良好的控制,對(duì)水體環(huán)境的影響還在加大。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)腐殖質(zhì)的降解已展開(kāi)了廣泛的研究,也取得了一些突破,但仍存在一些問(wèn)題和困難,在腐殖質(zhì)降解過(guò)程中一些重要的步驟仍需要改進(jìn)。目前,光化學(xué)降解、臭氧降解和生物降解是最常用的降解方法,但長(zhǎng)期使用也會(huì)產(chǎn)生一些副作用,因此,如何降低甚至避免這些問(wèn)題應(yīng)是今后研究的重要方向。另外,腐殖質(zhì)的降解是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,要用發(fā)展的眼光去看待,使用綜合性的方案去解決。將化學(xué)方法和生物學(xué)方法結(jié)合起來(lái),開(kāi)發(fā)新的技術(shù),實(shí)現(xiàn)更有效的腐殖質(zhì)降解。近年來(lái)研究者發(fā)現(xiàn),生態(tài)環(huán)境中碳元素的微量變化會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)以及溫室效應(yīng)有著重要的影響,腐殖質(zhì)是環(huán)境中主要的含碳物質(zhì)之一[48],其降解后碳元素會(huì)如何變化,會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)以及溫室效應(yīng)造成怎樣的影響,這還需要進(jìn)行進(jìn)一步探究。
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Research Progress of Humus on Environmental Impact and Its Degradation
TIAN Cheng1,2,XIAO Ji-ling2,ZHANG Yi2,LI Ji-guang2,ZHU Fei-ying2,WEI Lin3,LIANG Zhi-huai1,2
(1. Longping Branch of Graduate School, Hunan University, Changsha 410125, PRC; 2. Hunan Agricultural Biotechnology Research Center,Changsha 410125, PRC; 3. Hunan Plant Protection Institute, Changsha 410125, PRC)
Humus is a class of important organic matter on the surface, which has a very important impact of the environment. Firstly, the effects of humus on the environment were summarized, and three kinds of humus degradation including photochemical degradation, ozone degradation and biodegradation were summed up. Furthermore, the influence factors of humus degradation, and its impact on the environment after depredated were reviewed. Finally, the humus degradation technologies as well as the key research direction in the future were discussed.
humus; structural properties; degradation type; environmental impact
X172
A
1006-060X(2017)10-0121-04
10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.010.033
2017-06-08
公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503110-03);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFD0200600)
田 程(1994-),女,湖南懷化市人,碩士研究生,主要從事土傳病害綜合防治研究。
梁志懷
(責(zé)任編輯:夏亞男)