木質(zhì)素腐植酸的結(jié)構(gòu)特征

Franti?ek Novák1　Martina ?estauberová1 Richard Hrabal2　著　張水勤3　袁　亮3　譯

(1　捷克科學(xué)院生物中心　布杰約維采　CZ　37005

2　捷克化學(xué)技術(shù)研究院　布拉格　CZ　16628

3　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所　北京　100081)

摘　要：從木質(zhì)素磺酸鹽氧化和水解轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物——木質(zhì)素腐植酸鹽——中分離出腐植酸組分，并用化學(xué)和光譜學(xué)(UV/VIS，F(xiàn)TIR，13C-NMR光譜儀)的方法對其組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。同時(shí)，從褐煤和山地云杉林有機(jī)層中分離出腐植酸，以作為對照。與其它來源的腐植酸相比，木質(zhì)素腐植酸(LHHA)羧基含量相對較低，而其部分酸性是通過磺酸基所體現(xiàn)出來的。不同于其它物質(zhì)，木質(zhì)素及其相應(yīng)腐殖質(zhì)的13C核磁圖譜在55.9 ppm處有明顯的位移，這是其甲氧基碳的信號，而烷氧基碳等其它脂肪碳的數(shù)量非常有限。由于這些類型的碳含量相對較低，木質(zhì)素腐植酸的芳香度較高，為60.6%。相比天然的腐植酸，技術(shù)木質(zhì)素磺酸鹽經(jīng)熱處理后所得的腐植酸鹽則被認(rèn)為是一種天然腐殖質(zhì)的類似物。根據(jù)化學(xué)和光譜學(xué)數(shù)據(jù)評估結(jié)果，闡明了從木質(zhì)素腐植酸鹽提取的腐植酸的結(jié)構(gòu)特征，且提出了其可能的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而描述了分離組分的典型“平均”特征。

關(guān)鍵詞：13C　NMR　FTIR　腐植酸　木質(zhì)素腐植酸鹽　木質(zhì)素磺酸鹽　結(jié)構(gòu)

Structural Features of Lignohumic Acids

Franti?ek Novák1,Martina ?estauberová1,Richard Hrabal2　write,Zhang Shuiqin3　,Yuan Liang3　translate

(1 Biology Centre Academy Sciences of Czech Republic,?eské Budějovice,CZ 37005

2 Institute of Chemical Technology of Czech Republic,Prague,CZ 16628

3 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing,

100081)

Abstract: The composition and structure of humic acids isolated from lignohumate,which is produced by hydrolytic–oxidative conversion of technical lignosulfonates,were characterized by chemical and spectral methods (UV/VIS,FTIR,and 13C NMR spectroscopy).As comparative samples,humic acids (HA)were isolated also from lignite and organic horizon of mountain spruce forest soil.When compared with other HA studied,the lignohumate humic acids (LHHA)contained relatively few carboxyl groups,whose role is partly fulfilled by sulfonic acid groups.Distinctive 13C NMR signal of methoxyl group carbons,typical for lignin and related humic substances,was found at the shift of 55.9 ppm.Other alkoxy carbons were present in limited quantity,like the aliphatic carbons.Due to the low content of these carbon types,the LHHA has high aromaticity of 60.6%.Comparison with the natural HA has shown that lignohumate obtained by thermal processing of technical lignosulfonate can be regarded as an industrially produced analog of natural humic substances.Based on the chemical and spectral data evaluation,structural features of lignohumate humic acids were clarified and their hypothetical chemical structure proposed,which described typical ‘a(chǎn)verage’ properties of the isolated fraction.

Key words: 13C NMR;FTIR;humic acids;lignohumate;lignosulfonate;structure

[收稿日期]2015-09-23

[譯者簡介]張水勤，女，1988年生，在讀博士研究生，主要從事肥料資源利用研究，E-mail：shuiqin08@163.com。

腐殖質(zhì)是凋落物在自然分解過程中產(chǎn)生的非晶型復(fù)雜混合物，其分子結(jié)構(gòu)高度異質(zhì)性、化學(xué)活性和較強(qiáng)的抗分解能力。大量學(xué)者試圖通過將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)或類腐殖物質(zhì)作為土壤調(diào)節(jié)劑或植物刺激素，以加速腐殖化/煤化這一長期的自然過程，而少數(shù)成功的案例之一便是將生物質(zhì)水熱碳化后形成工業(yè)褐煤。如果在該技術(shù)進(jìn)行過程中停止數(shù)小時(shí)，就有可能使轉(zhuǎn)化終止，從而形成腐殖質(zhì)作為中間產(chǎn)物。

Gladkov等開發(fā)了產(chǎn)生腐殖質(zhì)類似物的另一個(gè)途徑。該途徑基于高壓下木質(zhì)素磺酸鹽的熱水解轉(zhuǎn)化技術(shù)，產(chǎn)生所謂的木質(zhì)素腐植酸鹽或者木質(zhì)素磺酸鹽-腐殖質(zhì)。運(yùn)用純木塊亞硫酸鹽制漿法制得亞硫酸鹽木漿過程中，得到的副產(chǎn)品即為木質(zhì)素腐植酸鹽。該過程中，去木質(zhì)作用使得連接著很多木質(zhì)素成分的酸醚鍵斷裂，且醚鍵斷裂的基本位點(diǎn)在碳原子連接丙基側(cè)鏈芳香環(huán)的位置，醚鍵斷裂的過程中產(chǎn)生的親電碳正離子與亞硫酸離子反應(yīng)生成磺酸鹽。

按照規(guī)定在連續(xù)氧化1.5～2 h條件下，能夠進(jìn)行木質(zhì)素磺酸鹽向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化。相比自然界中的類似腐殖化過程，該技術(shù)過程大幅度地加速了腐殖化進(jìn)程，生成的木質(zhì)素腐植酸鹽是一種含有木質(zhì)素腐植酸、富里酸和少量低分子量有機(jī)組分的黑褐色粉末或濃縮的堿性(pH 8～10)混合溶液，其對植物具有類似刺激素的作用。施用后能夠促進(jìn)根系和葉片的生長，增加其葉綠素含量，增強(qiáng)谷氨酸鹽合成酶、谷氨酸合成酶和二磷酸核酮糖酸化酶的活性，同時(shí)與環(huán)境友好。

本研究的目的在于通過物理化學(xué)的方法，表征從“未加工的”木質(zhì)素腐植酸鹽中提取的腐植酸組分，并與其它來源的腐植酸進(jìn)行比較，闡明木質(zhì)素腐植酸鹽的結(jié)構(gòu)特征；并根據(jù)化學(xué)和光譜學(xué)的數(shù)據(jù)，推斷其可能的存在結(jié)構(gòu)公式。

1　材料與方法

1.1　材料

1.1.1　樣品

從以下樣品中分離出腐植酸：木質(zhì)素A(購自俄羅斯圣彼得堡木質(zhì)素腐植物質(zhì)有限公司)，褐煤(取自捷克Mikul?ice附近的Mír礦)和灰化土枯枝落葉層的土壤(取自捷克巨型山脈Al?bětinka地區(qū)云杉林土壤)和木質(zhì)素磺酸的鈉鹽(購自Sigma公司)用來做比較。用50W×4(Aldrich)交換樹脂將木質(zhì)素磺酸從其鈉鹽中交換出來，并冷凍干燥，以便開展傅里葉變換紅外光譜分析。

1.1.2　腐植酸的分離

褐煤和山地云杉林土壤枯枝落葉層風(fēng)干后，適當(dāng)碾碎，過2mm篩。在腐植酸提取前，先用0.1 M HCl將所有的樣品脫鈣20 h，然后用蒸餾水洗滌。從洗滌后的樣品中提取腐植酸，木質(zhì)素硫酸鹽粉末以液樣比20∶1的比例用0.1 M NaOH浸提，超濾(裝置具體為：Amicon濾元，密理博YM 1 K過濾，1 kDa截止，氮壓下進(jìn)行)脫鹽后，通過反復(fù)沉淀，再析出純化所得樣品。在強(qiáng)的離子交換樹脂Dowex 50W×4柱中，將腐植酸鈉轉(zhuǎn)化為腐植酸(H+形態(tài))，冷凍干燥，黑暗中保存?zhèn)溆?。為區(qū)分木質(zhì)素腐植酸鹽和其原材料分離出的腐植酸，我們用“木質(zhì)素腐植酸鹽”(LHHA)表示制備的腐植酸產(chǎn)品。

1.2　物理化學(xué)特征

1.2.1　元素(CHNS)組成

冷凍干燥樣品的元素(CHNS)組成用元素分析儀測定。每個(gè)樣品分析2次，稱樣量為5mg。結(jié)果以4-氨基苯磺酸為參考標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，將100mg樣品置于馬弗爐中，在550℃下灼燒4 h，測其灰分含量。

1.2.2　紫外/可見光(UV/VIS)光譜

用Varian Cary 3E UV/VIS光譜儀測定溶解于0.05 M NaHCO3中濃度為80mg/L的腐植酸樣品在200～900nm范圍的吸光度。所謂的色度系數(shù)A4/6為A465/A665的吸光度比值。

1.2.3　分子量

分子量分布用低壓尺寸阻排色譜法(SEC)測定。用pH 9.0的Britton-Robinson緩沖溶液作為流動(dòng)相(0.04 M磷酸，0.04 M醋酸和0.04 M硼酸1∶1∶1混合，用0.2 M NaOH調(diào)節(jié)其pH)。柱子用Sephadex F-50填充。為表征腐植酸的分子量，我們使用了一系列聚苯乙烯磺酸鈉標(biāo)準(zhǔn)樣品。以藍(lán)葡聚糖(Mw 2000 kDa)和丙酮(Mw 58 Da)為標(biāo)準(zhǔn)樣品來檢測柱子的孔隙體積(V0)和總的滲透體積(Vt)。腐植酸樣品(5mg)定量溶于1 mL流動(dòng)相中。進(jìn)樣量為0.5mL，流速為1 mL/min。用Libra S 22紫外/可見光分光光度計(jì)在0.01 m的比色池中測定洗脫液中標(biāo)準(zhǔn)樣和樣品在280nm處的相對濃度。平均分子量Mw參考Kudryatsev等(2000)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.4　紅外光譜

將干燥樣品置于瑪瑙研缽內(nèi)磨勻后，用配有Smart Miracle Si的晶體衰減全反射配件和DTGS KBr檢測器的6700傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)為4000～630cm-1(波長為2.5～15.9 μm)范圍內(nèi)進(jìn)行測定。每個(gè)光譜的總平均掃描次數(shù)是64次，分辨率為4cm-1。用OMNIC操作系統(tǒng)進(jìn)行大氣壓和衰減全反射的校正以及基線校準(zhǔn)等波譜分析。

1.2.5　13C NMR光譜

用Bruker Avance 500DRX NMR光譜儀以125.758 MHz(13C)的工作頻率記錄13C的核磁光譜。樣品溶于0.1 M NaOD的重水后，進(jìn)行測定，具體參數(shù)為：溫度298.15 K，轉(zhuǎn)子直徑5mm，掃描次數(shù)12000，激發(fā)脈沖5.7　μs(90°)，收集時(shí)間0.43 s，波譜寬度37538 Hz，脈沖重復(fù)延遲5 s，1H反門控去耦。自由感應(yīng)衰減信號用25 Hz線增寬處理，化學(xué)位移以DDS(sodium salt of 2,2-dimethyl-2-silylpentansulfonic acid)信號為參考外標(biāo)。信號分布根據(jù)Shin and Moon(1996)的經(jīng)典文獻(xiàn)繪制，該文獻(xiàn)中運(yùn)用DEPT和QUAT脈沖技術(shù)分辨了土壤富里酸的13C NMR波譜。腐植酸的芳香度通過計(jì)算I(106-165)/I(0-165)累積強(qiáng)度的比值而獲得。

2　結(jié)果與討論

2.1　元素組成，C/N比

研究所有腐植酸樣品的N含量均較低，這體現(xiàn)在其C/N比較高(表1)。LHHA的C/N比與木質(zhì)素腐植酸鹽的值相近，約為褐煤腐植酸的C/N比值2倍。土壤(灰化土)腐植酸的C/N值也相對較高。木質(zhì)素腐植酸鹽中提取的腐植酸的C/N比較高意味著其分子中一個(gè)氮對應(yīng)著97個(gè)碳原子，也就是說，每十個(gè)苯丙烷單元將近有一個(gè)氮原子。木質(zhì)素腐植酸鹽中的氮可能是來源于木質(zhì)物殘?bào)w的蛋白質(zhì)混合物或者是真菌的幾丁質(zhì)侵入原材料所形成的。研究的物質(zhì)硫含量差異顯著(表1)。然而，木質(zhì)素腐植酸鹽每18個(gè)碳中就包含有1個(gè)硫原子，在轉(zhuǎn)換過程中其硫含量減半，因此LHHA組分中每37個(gè)碳中含有1個(gè)硫原子，而土壤和褐煤中僅含有很少量的硫。

表1　供試樣品的元素組成(干物質(zhì)的百分含量，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差)，灰分含量，C/N比和A465/A665的吸光度比值(LH、LHA、LHHA和SHA分別為木質(zhì)素腐植酸鹽、褐煤腐植酸、木質(zhì)素腐植酸和土壤腐植酸)
Tab.1 Elemental composition of studied samples (weight percent in dry matter,mean and the standard deviation),content of ash,C/N ratio,and the ratio of absorbances A465/A665　(A4/6)(LH,lignohumate;LHA,lignite humic acid;LHHA,lignohumate humic acid;SHA,soil humic acid)

2.2　尺寸阻排色譜

高分子量成分的“平均”公式代表了1 kDa超濾膜能夠通過的組分。分子量分布用SEC測定，結(jié)果為其分布呈雙峰，這是腐植酸的典型特征。約40%的LHHA在柱空體積中被洗脫處理，剩下的組分用一個(gè)最大值為3.4　KDa寬帶來表征。洗脫曲線的進(jìn)程表明，與土壤腐植酸相似，LHHA分子量變化范圍較寬。當(dāng)體積大于總的柱體體積時(shí)，會發(fā)生部分分析物的洗脫，這證明了Seohadex對LHHA產(chǎn)生了類似于天然腐植酸的吸附作用?？紤]到以上因素，LHHA的平均分子量Mw明顯高于3.4　kDa。木質(zhì)素磺酸鹽和木質(zhì)素腐植酸鹽產(chǎn)品的原料的分子量范圍為4.6～398 kDa，具體上限由去木質(zhì)作用的條件所決定。高溫高壓下木質(zhì)素腐植酸鹽經(jīng)氧化和水解斷裂而生成的LHHA分子量范圍較小，其上限可能受到強(qiáng)度或轉(zhuǎn)化過程的持續(xù)時(shí)間影響。研究提出，LHHA的典型假擬結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)單元)分子量為4.5　kDa，這在一定程度上反映了LHHA在Sephadex柱上的吸附。

2.3　紫外/可見光光譜

4種物質(zhì)的紫外/可見光光譜均在220nm處達(dá)到最大值，該處對應(yīng)的是芳環(huán)中π電子的強(qiáng)烈吸收。電子傳遞帶體現(xiàn)于280nm左右的肩峰處。褐煤中分離的熟化腐植酸紫外/可見光光譜比較簡單，在所測的4種物質(zhì)中，其在250～900nm區(qū)域的吸收值均為最大(圖1)。然而，木質(zhì)素磺酸光譜在289 nm處的吸收值僅次于褐煤腐植酸，具有磺化有機(jī)物質(zhì)的典型特征；土壤腐植酸LHHA在該波長(280nm)附近具有一個(gè)肩峰，是分子中豐富的發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生的電子傳遞帶，這反映了在轉(zhuǎn)化過程中木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基團(tuán)減少；在褐煤腐植酸的波譜中，并沒有明顯特征的肩峰；泥炭腐植酸僅能在上層觀測到此肩峰。在250～900nm區(qū)域，木質(zhì)素磺酸鹽的吸光值最低；土壤和LHHA則具有較高的吸光值，且其吸收曲線相近。A465/A665吸收比是分析腐植酸的典型指標(biāo)，只有年輕的土壤腐植酸具有一個(gè)較高的值(表1)?？傊琔V/VIS光譜分析結(jié)果表明，LHHA與年輕土壤的腐植酸最為相像。

2.4　傅里葉變化紅外光譜

根據(jù)所研究樣品的紅外光譜譜圖，不難觀察到其斜對稱和對稱振動(dòng)特征吸收帶，如2925cm-1和2840cm-1(不太明顯的)的脂肪族C-H結(jié)合。官能團(tuán)的主要吸收峰在1800～900cm-1之間(圖2)。1710cm-1處有一個(gè)顯著的吸收峰，這是羧基官能團(tuán)上C=O的伸縮振動(dòng)；1615cm-1處的振動(dòng)屬于芳香C=C的伸縮振動(dòng)。

圖1　供試樣品的UV/VIS光譜(實(shí)線、虛點(diǎn)線、點(diǎn)線和虛線分別代表褐煤腐植酸、木質(zhì)素腐植酸、年輕土壤中的腐植酸和年輕土壤中的木質(zhì)素磺酸；腐植酸濃度為80mg/L，浸提劑為0.05 M NaHCO3)
Fig.1 UV/VIS spectra of the studied substances (full line,lignite HA;dash dot line,lignohumate HA;dashed line,young soil HA;dotted line,lignosulfonic acid;HA concentration of 80mg/L in 0.05 M NaHCO3)

圖2　供試樣品的FTIR-ATR光譜圖(LH、LHA、LHHA和SHA分別為木質(zhì)素腐植酸鹽、褐煤腐植酸、木質(zhì)素腐植酸和土壤腐植酸)
Fig.2 FTIR-ATR spectra of the studied samples (LHA,lignite humic acid;LHHA,lignohumate humic acid;LSA,lignosulfonic acid;SHA,soil humic acid)

1508～1512cm-1處的吸收峰與芳香C=C結(jié)合的伸縮振動(dòng)有關(guān)。1460cm-1附近的雙峰的出現(xiàn)是由于C-H脂肪族的-CH3和-CH2官能團(tuán)的變形(1463cm-1)和芳香族甲氧基基團(tuán)中C-H的變形(1455cm-1)而引起的。1423cm-1處的吸收峰與木質(zhì)素或碳水化合物中C-H的變形有關(guān)。1375cm-1處的吸收峰與(LHA，LHHA，SHA中)半纖維素或纖維素中C-H的變形有關(guān)。1263cm-1處吸收峰的出現(xiàn)是木質(zhì)素中愈創(chuàng)木酚環(huán)呼吸和C-O伸縮的結(jié)果。1217cm-1處的吸收峰屬于木質(zhì)素中紫丁香基環(huán)和C-O的伸縮，1144cm-1和1153cm-1處的雙峰脂肪族C-OH的振動(dòng)。在1070～1780cm-1有較弱的振動(dòng)出現(xiàn)，這是(LHHA，LSA，SHA中)半纖維素和(SHA中)纖維素的C-O伸縮振動(dòng)。LHA和SHA波譜的Si-O弱振動(dòng)在1030～1040cm-1處得以體現(xiàn)。然而，1038cm-1處出現(xiàn)的肩峰屬于磺化木質(zhì)素和LHHA波譜的S-O振動(dòng)。

2.5　13C-NMR

所研究樣品的液態(tài)定量13C核磁光譜結(jié)果如圖3所示，表現(xiàn)出了腐殖質(zhì)的典型共振：脂肪族碳(0～45 ppm)，碳水化合物和氨基酸碳(45～106 ppm)，芳香碳(106～145 ppm)，含酚的碳(145～165 ppm)，羧基碳(165～190 ppm)和羰基碳(190～210 ppm)(表2)。脂肪碳區(qū)域主要由脂肪鏈或芳香環(huán)上甲基基團(tuán)(0～20 ppm)和亞甲基基團(tuán)(27、31和40 ppm)的信號構(gòu)成。替代碳的區(qū)域(45～106 ppm)主要包括季碳、次甲基碳基團(tuán)(碳水化合物和氨基酸)，63 ppm的信號是由于氧與亞甲基的結(jié)合效應(yīng)，56～57 ppm處是甲氧基基團(tuán)-OCH3的典型信號。

圖3　供試樣品的13C NMR光譜圖(LH、LHA、LHHA和SHA分別為木質(zhì)素腐植酸鹽、褐煤腐植酸、木質(zhì)素腐植酸和土壤腐植酸)
Fig.3 13C NMR spectra of the studied samples (LHA,lignite humic acid;LH,lignohumate;LHHA,lignohumate humic acid;SHA,soil humic acid)

表2　13C NMR光譜中所研究腐殖物質(zhì)各碳形態(tài)的平均分布
Tab.2 Average distribution of individual carbon types in the studied HS from the 13C NMR spectra

木質(zhì)素磺酸鹽(磺化的木質(zhì)素)是水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的聚合物，其分子量達(dá)140 kDa，甚至高達(dá)398 kDa。它們的13C核磁光譜(無圖)芳香碳含量較低，而在木質(zhì)素O-CH3基團(tuán)即57 ppm處有一個(gè)尖峰，含酚碳的信號在145 ppm附近，而有別于其它的芳香碳區(qū)域；且它們的波譜特征與腐殖質(zhì)的波譜完全不同，近乎沒有羧基和羰基信號。

用于生產(chǎn)木質(zhì)素腐植酸的木質(zhì)素磺酸鹽原料由木質(zhì)素磺酸鹽和一定比例的水溶性半纖維素和其它的有機(jī)物質(zhì)(有機(jī)酸，蛋白質(zhì)等)組成?？紤]到這個(gè)原因，木質(zhì)素腐植酸鹽的13C核磁光譜包含在70 ppm處其他碳水化合物碳的強(qiáng)信號和在100 ppm處異頭碳的弱信號，而其相對應(yīng)的LHHA信號更弱。在13C核磁光譜的碳水化合物區(qū)域，從含纖維素的凋落物中提取的天然腐植酸異頭碳(褐煤腐植酸在100 ppm處，土壤腐植酸在103 ppm處)信號明顯，該區(qū)域也可能有C-2、C-3、C-5纖維素碳的強(qiáng)吸收，且在～74 ppm處達(dá)到最大值。

木質(zhì)素腐植酸鹽的13C核磁光譜包含除木質(zhì)素磺酸鹽的典型信號(酚類物質(zhì)、芳香物質(zhì)和O-烷基)外，還在165～210 ppm處包含了許多強(qiáng)烈的羧基和羰基碳信號。此外，于57 ppm處有一個(gè)明顯木質(zhì)素O-CH3碳信號，該信號這對總累積強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率為12.4%；還有許多可能由于木質(zhì)素磺酸鹽部分分解產(chǎn)物而形成的脂肪族區(qū)域的尖峰(特別是在～20 ppm區(qū)域)。

為測定各樣品的氧化度，我們用HCl預(yù)處理木質(zhì)素腐植酸鹽，并將其溶于0.1 M NaOH，進(jìn)行超濾，從而分離出LHHA。木質(zhì)素腐植酸鹽的13C核磁共振譜不同于其分離出的LHHA組分。然而，被氧化的低分子量的產(chǎn)品-木質(zhì)素腐植酸鹽在13C核磁共振譜中有明顯的特征尖峰，而其相應(yīng)的腐植酸-LHHA-的波譜中很多此類信號的缺失(圖3)，這可能是由于在木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生很多氧化變化與最初的大分子分裂有關(guān)，因此導(dǎo)致小分子的氧化程度最高。由此結(jié)論可知，在木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化過程中，LHHA和富里酸中有大量小分子量的組分(如香草醛、香草酸和相關(guān)的物質(zhì))形成，其中有些物質(zhì)可能對木質(zhì)素腐植酸鹽的生物活性有較大的促進(jìn)作用。

LHHA的定量13C核磁光譜如圖3所示?？梢钥闯?，在178 ppm和200 ppm處，有羧基碳和羰基碳2個(gè)弱的吸收峰，同時(shí)168.4 ppm處有1個(gè)碳酸鹽的強(qiáng)信號?；谝陨瞎庾V強(qiáng)度，可以假設(shè)LHHA的組分中約2個(gè)芳香環(huán)上有1個(gè)羧基，～4苯丙烷單元有1個(gè)羰基。在芳香碳區(qū)域可辨別出2個(gè)結(jié)合峰，一個(gè)是芳香碳上連接的未被取代的或脂肪族碳，另一個(gè)是酚碳，這意味著平均一個(gè)苯環(huán)約有2.1個(gè)酚碳。初始木質(zhì)素的主要構(gòu)建模塊中尤以1個(gè)O-CH3基團(tuán)連接苯環(huán)的松柏醇特征最為明顯、2個(gè)O-CH3基團(tuán)連接苯環(huán)的芥子醇程度較輕(～10%)。這意味著木質(zhì)素腐植酸鹽產(chǎn)品的初始材料來源于針葉樹材(云杉)。一個(gè)與眾褐煤及其相應(yīng)腐殖質(zhì)波譜于55.9 ppm處，有一個(gè)明顯的位移，這是典型的甲氧基碳13C核磁特征信號。從13C核磁波譜(圖3)可知，LHHA脂肪碳(0～45 ppm)和烷氧基碳(45～106 ppm)的含量很低。

毋庸置疑，羧基是腐植酸最重要的官能團(tuán)，且它主要與苯環(huán)相連。其中，1個(gè)羧基大約與2個(gè)苯丙烷單元相連。分子中羧基的比例相對較低，主要通過與木質(zhì)素苯丙烷單元α-C相連的強(qiáng)烈酸化的磺酸基出現(xiàn)得到補(bǔ)償。1個(gè)磺酸基與略大于3個(gè)苯丙烷單元數(shù)量一致。松柏醇單元中的甲氧基主要在LHHA中：每個(gè)苯環(huán)大都含有1個(gè)O-CH3，很少有像芥子醇中有2個(gè)。少量與190～220 ppm處13C示蹤核磁信號相關(guān)的羧基可能連接在脂肪鏈上。芳環(huán)上未被取代氫的比例相對較高，平均每個(gè)苯環(huán)上大約有2個(gè)氫原子。連接在苯丙烷單元的γ-C上的醇-OH基比僅有三分之一的苯環(huán)上具備的苯酚-OH基多2倍。LHHA的氮含量很低，一個(gè)氮約對應(yīng)97個(gè)碳原子。顯而易見地，它來源于通過肽鍵連接在脂肪族側(cè)鏈的氨基酸上。

通過比較木質(zhì)素腐植酸鹽的元素組成和譜圖(特別是13C NMR)特征，可以總結(jié)出木質(zhì)素磺酸鹽骨架中LHHA典型的結(jié)構(gòu)單元。丙酸單元連接在磺酸基上的針葉木木質(zhì)素結(jié)構(gòu)形成了木質(zhì)素磺酸鹽的基礎(chǔ)骨架。根據(jù)先前提到的結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)出代表木質(zhì)素磺酸鹽腐植酸組分“平均”分子量的假定化學(xué)結(jié)構(gòu)。由于木質(zhì)素磺酸鹽是分子大小不一的復(fù)雜的混合物，它的化學(xué)式不能像天然腐植酸那樣被確定下來，但是，我們提出了LHHA的代表性化學(xué)結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示，它描述了該物質(zhì)的典型“平均”特征，這與本研究的分析結(jié)構(gòu)相一致。

圖4　LHHA初步平均結(jié)構(gòu)式(C205H230N2O100S6,MW = 4514.9　Da)
Fig.4 The proposed average structural formula of LHHA (C205H230N2O100S6,MW = 4514.9　Da)

2.6　木質(zhì)素腐植酸與土壤腐植酸的比較

Springer(1938)為了區(qū)分天然的腐殖質(zhì)，通過它們的熟化程度的差異，引入了木質(zhì)素腐植酸的概念。熟化程度最低的是木質(zhì)素腐植酸，且木質(zhì)素腐植酸熟化程度越高，其越有可能已經(jīng)成為土壤腐植酸。通過組成和結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)盡管與天然腐植酸相比，木質(zhì)素腐植酸的氮含量較低，磺酸基比例略高，但兩者較為相近，且可將后者認(rèn)為是前者的類似物。

在木質(zhì)素腐植酸鹽的生產(chǎn)過程中，通過高溫高壓對木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行技術(shù)性處理，借以實(shí)現(xiàn)其經(jīng)受類似植物凋落物在自然界中腐殖化過程的化學(xué)變化：在其他材料中，木質(zhì)素骨架形成中具有較高比例的比羧基和羰基官能團(tuán)的分子量更小的物質(zhì)。此外，木質(zhì)素腐植酸鹽分子中有相當(dāng)高比例來源于木質(zhì)素苯丙烷結(jié)構(gòu)單元的酚-OH基，也有一部分來自于木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基。這些強(qiáng)酸性基團(tuán)彌補(bǔ)了分子中羧基含量較低的不足，增加了LHHA的水溶性，在木質(zhì)素磺酸鹽施用于土壤過程中能夠通過生物硫促進(jìn)植物生長。LHHA與天然腐植酸一樣能夠通過形成氫鍵促進(jìn)環(huán)境酸化。

盡管難以摸索出腐殖質(zhì)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)公式，但仍然有必要表達(dá)出它們典型的特征結(jié)構(gòu)，以代表其結(jié)構(gòu)近似情況，這需要進(jìn)一步研究。已知的結(jié)構(gòu)特征可作為木質(zhì)素腐植酸鹽特性及其環(huán)境行為的一方面，也可作為其與養(yǎng)分或污染物交互作用的模型。

木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化和其在土壤中腐殖化作用的主要差別在于整個(gè)過程的進(jìn)行速度。植物凋落物在自然界中的腐殖化需要很多年才可以完成，且自然界中可溶的黃腐酸能夠被淋溶到土壤深層或者水體表面；而對于木質(zhì)素磺酸鹽而言，在其形成過程中，低分子量的物質(zhì)依舊保留在產(chǎn)品中，溫度和轉(zhuǎn)化周期的選擇能夠影響產(chǎn)品中高分子量組分和低分子量組分所占的比例。另外一個(gè)不同存在于原材料的差異。木材大部分是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素所構(gòu)成，而在木材自然降解過程中，纖維素被分解者消化利用，因此只有部分轉(zhuǎn)化為腐植酸；在木屑的紙漿產(chǎn)品中，纖維素在第一步被分離出來，而不能進(jìn)入木質(zhì)素腐植酸鹽結(jié)構(gòu)中。盡管部分木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基在轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生了水解，但LHHA的硫含量依舊明顯高于土壤或者褐煤腐植酸。

凋落物降解和腐殖化的自然過程極度復(fù)雜也引起了其它差異。由于環(huán)境中的時(shí)空變異較大，以上自然過程經(jīng)常發(fā)生可逆反應(yīng)(特別是礦化和合成，氧化和還原等)，這導(dǎo)致了形成的腐植酸具有較大變異。因此，天然腐植酸的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且難以確定，這一事實(shí)在13C核磁波譜有時(shí)候存在寬峰、有時(shí)候出現(xiàn)特征結(jié)構(gòu)單元的尖峰信號中得到證實(shí)。由于原料質(zhì)量檢驗(yàn)和木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化條件的控制，使得木質(zhì)素腐植酸鹽具有更多確定的結(jié)構(gòu)，這體現(xiàn)在其13C核磁共振光譜在56～57 ppm化學(xué)位移處具有較高分子量組分的特征強(qiáng)峰-木質(zhì)素O-CH3基團(tuán)，也在低分子量組分的譜圖中具有與氧化產(chǎn)物(如香草醛)相對應(yīng)的一系列尖峰核磁信號。這些低分子量的有機(jī)組分可用乙醇或乙醚進(jìn)行提取，用GC-MS進(jìn)行檢測，它們中有些類似于木酚素，可以顯著影響木質(zhì)素腐植酸鹽的生物活性功能。木質(zhì)素腐植酸組分的構(gòu)成具有明顯的特征，能夠用來進(jìn)行鑒定甚至能夠?qū)⑵渑c假貨區(qū)分開來。

3　結(jié)論

將組成、結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性考慮其中，木質(zhì)素磺酸鹽通過高壓轉(zhuǎn)化制得的木質(zhì)素腐植酸可認(rèn)為是一種工業(yè)生產(chǎn)的天然腐殖質(zhì)的類似物。我們所提出的結(jié)構(gòu)模型可能在研究木質(zhì)素腐植酸鹽與重金屬的結(jié)合效應(yīng)或木質(zhì)素腐植酸鹽與微量元素或除草劑同時(shí)施用的交互作用等方面有用。轉(zhuǎn)化條件對低分子量組分的影響、木質(zhì)素腐植酸鹽的生理效應(yīng)和對作物生產(chǎn)的最優(yōu)效果均需要進(jìn)一步的研究。木質(zhì)素腐植酸鹽低分子量組分的組成分析將用來確定木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化的最優(yōu)參數(shù)，尤其是在生物活性成分確定了之后。

從環(huán)境的視角來說，木質(zhì)素磺酸鹽的轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)重要的廢物資源利用技術(shù)。因此，將來在相似條件下檢驗(yàn)其它生物廢棄物轉(zhuǎn)化形式產(chǎn)生相似的產(chǎn)品會使研究變的更加有趣。

致謝和參考文獻(xiàn)(略)

譯自：Journal of Molecular Structure，2015，1093：179～185。