所用楠竹(phyllostachys pubescens)及柏木(cupressus funebris)屑用自来水洗净后, 自然风干, 在烘箱中80 ℃烘干24 h后, 通过微型植物粉碎机粉碎过2 mm筛。 然后将两种过筛的生物质原料放在坩埚中并压实, 使用真空气氛炉对生物质原料进行裂解, 通过反复抽真空-充氮气(反复5次)去除炉膛中的空气, 以5 ℃· min^-1升温至100, 200, 300, 400, 500, 600和700 ℃并炭化2 h, 待马弗炉温度下降至室温后取出生物炭样品, 研磨过0.15 mm筛备用。

称取1.00 g生物炭于50 mL离心管中, 加入40 mL超纯水于25 ℃, 180 r· min^-1避光震荡24 h, 然后在4 000 r· min^-1下离心15 min, 用0.45 μ m滤头(Membrana, 德国)过滤所得滤液即为所提生物炭DOM。 所得滤液在4 ℃冰箱保存, 并在5 d完成样品分析。 滤液用总有机碳测定仪(TOC5000A, 岛津)测定溶解性有机碳(DOC)。 则生物炭水溶性(水溶性有机碳)WSOC(mg· g^-1) 按如下公式计算

WSOC=Vc/m

其中, V, c和m分别为DOM溶液的体积(L), DOC浓度(mg· L^-1)和所称取的生物炭的质量(g)。

紫外吸收光谱使用紫外分光光度计(UV-2700, 岛津)在200~800 nm间以1 nm间隔扫描。 吸收系数[a(λ ), m^-1]的计算方法为a(λ )=2.303A(λ )/L, 其中A(λ )为在λ (nm)波长处的吸光度, L为比色皿的长度(m)^[5]。 通过对紫外可见光谱中提取的特征光谱参数可以表征溶解性有机碳(DOM)的诸多性质, 用SUVA₂₅₄表征DOM中腐殖质含量的高低及含不饱和C=C键的芳香族化合物的含量, SUVA₂₅₄值越大说明腐殖质含量与芳香族化合物含量越高。 用M值表征DOM的相对分子大小, M值与DOM相对分子量大小成反比。 SUVA₂₅₄及M值的计算方法参考文献[5]。

利用HORIBA-Fluorolog-3荧光光谱分析仪扫描样品的三维荧光光谱, 设置激发波长范围为250~450 nm, 间隔为5 nm, 发射波长范围为250~580 nm, 间隔为1 nm。 狭缝宽度为5 nm, 积分时间为0.2 s。 每10个样品进行纯水的空白及拉曼校正。 采用MATLAB软件运行drEEM和N-way数据包, 对三维荧光图谱进行内滤校正和PARAFAC分析。 从荧光光谱中可以得到表征DOM性质的荧光参数。 其中腐殖化指数(HIX)表征DOM腐殖程度, 其值越高腐殖化程度越高。 自生源指数(BIX)反映新产生的DOM在全部DOM中所占的比例, 可用于评估DOM的自生源生物活性, HIX及BIX的计算方法参考文献[5]。

裂解温度控制着DOC释放, 随着裂解温度的上升, 生物质有机组分不断裂解, 生物炭中易分解的纤维素、 半纤维组分的含量逐渐降低, 溶解性有机物释放呈现指数下降趋势(图1)。 柏木和楠竹生物炭释放DOC分别从(20.65± 0.30) mg· g^-1(100 ℃)下降至(0.63± 0.04) mg· g^-1(700 ℃), (9.72± 0.18) mg· g^-1(100℃)下降至(0.43± 0.02) mg· g^-1(700 ℃), 与文献[7]等报道的结果一致。 当裂解温度大于400 ℃时, 生物炭炭化明显, 生物炭原不稳定有机组分(纤维素及半纤维素)已经很低, 稳定组分占主导, DOC的释放不明显。 受生物质原料本身性质的差异影响, 柏木生物炭的DOC含量明显大于楠竹生物炭(p< 0.05)。 受本身结构特征的影响, 不同来源的生物炭溶解性有机碳的释放特征可能有所差别。 如稻草生物炭溶解性有机质释放量在裂解温度大于500 ℃才明显下降^[7], 不同来源生物炭溶解性有机质的释放的临界温度还需要后续大量研究数据的进一步对比统计。

图1

Fig.1

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	图1 不同裂解温度下楠竹生物炭和柏木生物炭溶解有机碳释放特征Fig.1 Characteristics of dissolved organic carbon released from cypress and bamboo biochar at different pyrolysis temperatures

不同裂解温度下楠竹、 柏木生物炭DOM的紫外可见光谱特征如图2(a, b)所示, 裂解温度越高, 生物炭DOM的紫外-可见光谱吸收系数则越低, 低温裂解时(楠竹: < 200 ℃; 柏木: < 300 ℃)两种生物炭DOM的紫外可见光谱均在250~300 nm处出现明显的特征峰, 这是因为低温裂解过程中, 生物质中的氨基酸、 核酸及其他的一些酚醛类发色团中共轭C=C及C=O键在此波段内有很强的吸收^[8]。 随着裂解温度的升高, 这些有机发色团逐步分解, 特征吸收峰消失, 紫外-可见吸收系数随波长呈现指数衰减趋势, 这与自然环境中DOM的紫外可见光谱特征相似^[9]。 也表明生物炭的工程化应用会向环境中输送有机发色团, 裂解温度越低, 输送量则越大。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 裂解温度对楠竹生物炭和柏木生物炭DOM紫外可见光谱特征的影响Fig.2 Effect of pyrolysis temperature on ultraviolet-visible spectra of DOM released from cypress and bamboo biochar

不同裂解温度下生物炭DOM紫外-可见光谱参数如表1所示, 随着裂解温度的上升, 两种生物炭M值均存在先上升后下降的趋势。 这可能是由于在低温裂解过程中易分解的大分子有机物首先裂解为小分子有机质, 随着裂解温度的继续上升, 生物质内部C结构重新聚合成大分子组分。 但柏木生物炭M值的峰值温度(500 ℃)高于楠竹生物炭峰值温度(300 ℃), 表明楠竹生物质裂解炭化较柏木更快, 大分子有机物分解迅速, 且更容易在相对较低的裂解温度下重新聚合成大分子组分。 此外, 楠竹生物炭DOM的M值明显低于柏木生物炭(p< 0.01), 说明楠竹生物炭DOM相对分子大小明显大于柏木生物炭, 这也造成两种生物炭DOM生物可利用性及与污染物结合能力的差异, 相对分子量较小的DOM可能更易被生物利用, 有文献报道了DOM相对分子量大小与污染物络合呈线性关系, 但定量描述还受DOM其他性质如荧光组分的影响等。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同裂解温度下楠竹和柏木生物炭溶解有机质紫外-可见光谱参数 Table 1 UV-visible spectral parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar at different pyrolysis temperatures 裂解温度/℃ M SUVA254/(L· mg-1· m-1) 楠竹 柏木 楠竹 柏木 100 5.18± 0.04b 5.20± 0.30bc 4.03± 0.05b 1.74± 0.09b 200 5.03± 0.20b 5.79± 0.32cb 4.29± 0.06a 2.43± 0.05a 300 6.40± 0.21a 6.13± 0.20bc 1.27± 0.05c 2.43± 0.07a 400 5.53± 0.37b 8.75± 0.67a 0.76± 0.12d 0.72± 0.00c 500 5.32± 0.39b 9.62± 1.05a 0.49± 0.03e 0.29± 0.06d 600 5.30± 0.47b 7.17± 0.24b 0.36± 0.08ef 0.19± 0.17de 700 3.16± 0.77c 3.96± 0.71d 0.31± 0.07ef 0.07± 0.02de 注: a, b, c, d, e, f为差异显著性

表1 不同裂解温度下楠竹和柏木生物炭溶解有机质紫外-可见光谱参数 Table 1 UV-visible spectral parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar at different pyrolysis temperatures

SUVA₂₅₄值可以表征DOM的芳香性与亲疏水性。 SUVA₂₅₄值越大其疏水性及芳香性则越强, SUVA₂₅₄> 4 L· mg^-1· m^-1则表明DOM中的疏水性及芳香性物质组分占比重大, 当SUVA₂₅₄< 3 L· mg^-1· m^-1表明DOM中的亲水性组分比占主导^[10]。 本研究中, 两种生物炭DOM的SUVA₂₅₄值均呈现先上升后下降的趋势, 这是因为低温条件下, 生物质中的易分解组分(纤维素和半纤维素)快速分解, 而一些难分解物质分解较慢, 从而使芳香性结构短暂增强, 但是随着裂解温度进一步增加, 疏水且芳香性强的组分被进一步降解。 本研究中, 除楠竹生物炭在< 200 ℃时, DOM组分中疏水性及芳香性较强外(SUVA₂₅₄> 4 L· mg^-1· m^-1), 其他裂解温度下的两种生物炭DOM均呈现较高的亲水性能, 这与文献[7]研究的马尾松、 猪粪和污泥生物炭的结论一致。 高亲水性及低芳香性说明两种生物炭DOM具有更多的活性官能团, 这将使得DOM与重金属络合能力增强, 进一步影响环境中的重金属环境行为。 后续裂解温度驱动下生物炭DOM性质的变化如何影响污染物在环境中的迁移转化是值得研究的科学问题。

通过平行因子分析分离出3个荧光组分, 与OpenFluor在线数据库中(https://openfluor.lablicate.com)目前已经发表的荧光组分信息进行比对, 并以激发波长和发射波长相似度超过0.95为约束条件。 3个荧光组分的光谱如图3及表3所示, 其中C1峰位于激发波长305 nm和发射波长420 nm处[图3(a, d)], 属于类腐殖质C峰, 该峰与陆源或微生物源类腐殖质有关^[11]。 C2峰位于激发波长367 nm和发射波长487 nm处[图3(b, e)], 属于类腐殖质C峰, 在多种湖泊、 河口和沿海近岸水体中均有发现^[12]。 C3峰位于激发波长285 nm和发射波长329 nm处[图3(c, f)], 属于T峰, 是自生源类蛋白质, 通常与微生物活动相关, 对微生物降解作用敏感^[5]。

图3

Fig.3

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	图3 DOM组分荧光谱图的PARAFAC模型输出(a— c)及其验证结果(d— f, 左峰: 激发波长载荷谱, 右峰: 发射波长载荷谱)Fig.3 PARAFAC model output showing fluorescence signatures of three fluorescence components (a— c), and split-half validation results of the three components (d— f); excitation (left) and emission (right) loading spectra were estimated from six unique halves of model, and the overall model

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 楠竹和柏木生物炭释放DOM中3种荧光组分特征 Table 2 Characteristics of three fluorescence components in DOM released from cypress and bamboo biochar 荧光 组分 Ex/Em 峰型 荧光物质类型 参考 文献 C1 305/420 C 类腐殖质, 陆源/由微生物产生 [11] C2 365/487 C 类腐殖质 [12] C3 285/329 T 类蛋白质, 自生源且对微生物降解敏感 [5, 13]

表2 楠竹和柏木生物炭释放DOM中3种荧光组分特征 Table 2 Characteristics of three fluorescence components in DOM released from cypress and bamboo biochar

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同裂解温度下楠竹和柏木生物炭溶解有机质荧光光谱参数(不同单元格字母不同代表在不同裂解温度下差异显著(p< 0.05)) Table 3 Fluorescence spectrum parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar under different pyrolysis temperatures (Different letters for each column indicate significant differences among different pyrolysis temperatures (p< 0.05)) 裂解 温度/℃ 楠竹 柏木 HIX BIX HIX BIX 100 0.36± 0.01c 0.96± 0.01a 0.18± 0.00ec 1.21± 0.04a 200 0.31± 0.30c 0.78± 0.01b 0.28± 0.00d 0.69± 0.04bc 300 0.94± 0.01c 0.57± 0.01de 0.38± 0.03d 0.74± 0.02bc 400 1.22± 0.26c 0.71± 0.03c 1.45± 0.05ec 0.72± 0.01bc 500 2.96± 0.39b 0.64± 0.06d 2.58± 0.44b 0.71± 0.01bc 600 5.36± 1.98a 0.59± 0.03de 3.30± 0.27a 0.57± 0.00bc 700 0.69± 0.07c 0.82± 0.05b 0.43± 0.24d 0.81± 0.14b

表3 不同裂解温度下楠竹和柏木生物炭溶解有机质荧光光谱参数(不同单元格字母不同代表在不同裂解温度下差异显著(p< 0.05)) Table 3 Fluorescence spectrum parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar under different pyrolysis temperatures (Different letters for each column indicate significant differences among different pyrolysis temperatures (p< 0.05))

为定量表征裂解温度对生物炭DOM荧光组分动态变化的影响, 以三维荧光光谱经过PARAFAC分析后所得荧光峰值强度(F_max) 来表征溶解性荧光有机物(FDOM)的变化特征[图4(a, b)]。 两种生物炭FDOM的类腐殖质组分(C1和C2)均在300 ℃出现明显的峰值强度, 文献[14]所报道的家禽粪便生物炭在350 ℃出现荧光强度峰值的结论接近, 这可能是因为该温度下的生物炭中胶体物质聚集, 并富有羧基等物质促进了类腐殖质荧光物质的释放。 与类腐殖质组分不同是, 类蛋白组分C3 随着裂解温度的上升出现快速下降。 当温度达到400 ℃时, 3类荧光组分释放量均已很低并随着裂解温度的增加而趋于平缓(< 1 R.U.), 这说明生物炭的稳定性进一步增强, FDOM的释放不明显。 当裂解温度< 200 ℃时, 楠竹生物炭FDOM中类蛋白组分含量低于柏木生物炭, 而类腐殖质的含量却相反, 这说明了两种生物质原料化学组成及结构特征的差异。

图4

Fig.4

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	图4 裂解温度对楠竹和柏木生物炭释放DOM中3种荧光组分Fmax的影响Fig.4 Effects of pyrolysis temperature on Fmax of three fluorescence components of DOM released from cypress and bamboo biochar

不同裂解温度下生物炭FDOM中三种荧光组分比重分布特征如图5(a, b)所示, 生物炭的裂解程度决定着FDOM的比重分布特征。 楠竹生物炭FDOM在裂解温度低于200 ℃时以类蛋白荧光物质为主, 当温度超过300 ℃时则以腐殖质为主, 荧光组分比重分布与裂解温度的梯度变化无明显关系。 而柏木生物炭FDOM中类蛋白组分随着温度升高不断降低, 并于500 ℃后达到平缓, 类腐殖质随着温度上升而增加并于500 ℃趋于平衡, 这说明两种生物质原料对裂解温度的响应不同, 柏木生物炭FDOM中荧光组分的分布受裂解温度的影响更为敏感。

图5

Fig.5

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	图5 不同裂解温度下三种荧光组分的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of three fluorescence components at different pyrolysis temperatures

从三维荧光光谱中提取的荧光光谱参数可以有效表征水中溶解性有机质诸多可靠信息。 本研究中, 在裂解温度低于600 ℃时, 两种生物炭DOM的腐殖化指数(HIX)随着裂解温度的增加而增加, 这表明生物炭DOM的腐殖化程度随着裂解温度的上升而不断增强(表3), 有研究表明生物炭DOM的腐殖化程度是影响DOM与多环芳烃结合的关键因子^[15], 较高裂解温度下生物炭明显增加土壤的腐殖化程度, 因此相对高的裂解温度(600 ℃)更利于土壤中多环芳烃等有机污染物的迁移转化。 值得注意的是, 当裂解温度达到700 ℃时两种生物炭FDOM的HIX骤然下降, 这主要是因为当温度高于600 ℃时, 生物炭聚合的组分进一步发生裂解从而导致腐殖化程度的下降。 比较可知, 楠竹生物炭FDOM的HIX值则明显高于柏木生物炭, 说明楠竹生物炭FDOM腐殖化, 芳香化程度、 相对分子质量更高, 含氧官能团含量则偏低^[5]。 从表3可知, 两种生物炭DOM的BIX值除100 ℃时接近1外其他温度组均明显低于1, 且裂解温度对BIX无显著影响(p> 0.05), 这表明裂解后两种生物炭DOM的生物活性出现明显下降, 裂解过程提高了生物炭稳定性。