不同生物稳定污泥中溶解有机物的光化学转化机理-上海善施科技

文章信息

第一作者：胡爱彬

通讯作者：张伟军研究员

通讯单位：中国地质大学（武汉）

https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107534

亮点

• 表征两种DOMBSS在光转化过程中ROS的生成行为。

• 利用一套先进的质谱技术结合分子反应网络分析，探索DOMBSS光诱导分子组成的转化途径。

• 通过阳极溶出伏安法评估在相应的DOMBSS存在下Cd（II）离子活性的变化趋势。

研究进展

生物质废物在过去几年中急剧增加，对环境造成沉重负担。在各种处理中，稳定化处理后的生物质废物的土地利用是最常用的处理方法。但土地利用会导致大量溶解有机物（DOM）通过土壤淋滤进入水环境。污水污泥是一种典型的生物质废弃物，含有丰富的有机物，经过生物稳定化处理（好氧堆肥和厌氧消化）后，可作为有机肥料用于土地施用。污泥衍生DOM（DOMBSS）是一种重要的碳库资源，它由蛋白质/氨基酸类化合物、碳水化合物和丰富的腐殖质类物质组成，DOM含有丰富的官能团，包括羧基、酚基、醇基等，羧基和酚基在重金属的生物利用性中起着主导作用。DOM是一种活性光敏剂，可在光照下发生一系列反应，产生活性氧物种（ROS）。不同的DOM来源，其化学反应性、成分和光化学行为也不同。有必要研究DOMBSS的光活性和光化学行为以及环境影响。然而，目前关于生物稳定污泥衍生DOM（DOMBSS）的转化途径所知甚少。

针对生物稳定污泥衍生DOM的光化学转化不清及其对水环境中污染物归宿影响不明等关键问题，本研究利用FT-ICR MS结合多光谱分析揭示了好氧堆肥污泥衍生的DOM(DOMACS)和厌氧消化污泥衍生的DOM(DOM_ADS)的光活性和光化学行为的对比。结果表明，DOMACS和DOM_ADS均具有较高的高度不饱和和酚类化合物(HuPh)比例和较高的平均双键当量(DBEwa)，但它们的多肽丰度不同，导致DOMACS的3DOM*和•OH表观量子产率（AQY）较高，而1O2AQY略低于辐照下的DOM_AD_S。此外，随着辐照时间的增加，DOMACS（DOM_ADS）显示HuPh和Polyph（与类腐殖酸相关）的显著降低程度不同，降低平均MW和芳香成分的同时，生成更多脂肪族化合物。此外，与DOM_ADS相比，DOM_ACS的反应前体含有较高的O10-15和N1-3Oy类别比例，但N4Oy和S2Oy碎片百分比较低。因此，DOM_ACS倾向于脱烷基反应和羧酸反应，而DOM_ADS倾向于氧加成和胺反应。因此，在DOM_BSS存在的情况下，光化学转化降低了Cd（II）离子的活性。这些发现被认为可以更好地理解DOM_BSS的光化学转化以及污染物在水生系统中的相关转化，特别是在通过污泥生物稳定化进行修复的特殊领域周围的水体中，例如矿山修复和土地修复。

图1 在DOMACS(a)和DOMADS(b)的光转换中检测到的链路的雷达图

图2 在DOMBSS的光化学行为及其对Cd（II）离子活性的影响

作者介绍

张伟军，研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事有机固废处理与资源化、污废水深度处理与资源化、湖泊沉积物污染控制等方面的研究工作；先后主持国家优秀青年科学基金（2021年）、国家自然科学基金面上项目、国家水体污染控制重大专项子课题、湖北省自然科学基金等项目10余项，参与国家自然科学基金重点项目1项；以第一和通讯作者身份，总计发表论文100余篇，其中在Water Research、Environment International、Environmental Science: Nano等期刊发表SCI论文70余篇（Water Research 16篇），SCI总计他引2000余次。