水環(huán)境中重金屬的污染及其檢測技術(shù)研究

李季東，溫冬花

（山東標(biāo)譜檢測技術(shù)有限公司，山東 德州 253000）

水是生物生存必不可少的物質(zhì)，大自然的動植物及人類都必須依靠水而生存。但是，人類社會發(fā)展導(dǎo)致大量淡水資源浪費(fèi)，同時(shí)人們對水資源需求量卻不斷增大，可利用淡水資源不斷減少。重金屬，是金屬種類中密度大于4.5g/cm3的金屬，重金屬的數(shù)量大致為45種，所謂重金屬污染，即重金屬經(jīng)過各種化學(xué)反應(yīng)后所形成的污染物，這種污染物無法通過常規(guī)手段進(jìn)行降解，一旦進(jìn)入動植物體內(nèi)，就會堆積，并且在食物鏈的各階段進(jìn)行富集，最終進(jìn)入人體內(nèi)。水中的金屬元素大致可以分為三類：一是對人體健康有害的元素；二是人體健康所必須的元素；三是暫時(shí)還未對人體健康產(chǎn)生明確影響的元素。而重金屬對人體健康的影響極為惡劣，輕者影響人體的身體健康，重者對人體生殖系統(tǒng)造成破壞，使得體內(nèi)胎兒無法正常生長發(fā)育[1]。

水環(huán)境即水體環(huán)境，是所有包含水源的環(huán)境，如大自然的海洋、湖泊、河流、水庫，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的工業(yè)用水及生活用水、污水等等均稱之為水環(huán)境，一旦水環(huán)境中的重金屬含量過高，將導(dǎo)致水環(huán)境的組成元素發(fā)生改變，生物的生存環(huán)境失去平衡。目前，我國大多數(shù)江河湖庫都存在著大大小小的重金屬污染問題，幾乎80%的水環(huán)境都遭受著不同程度的重金屬污染[2]。

1 水環(huán)境中重金屬污染現(xiàn)狀

重金屬污染是水環(huán)境污染的重點(diǎn)，工業(yè)廢水是造成重金屬污染的最主要來源。含重金屬的工業(yè)廢水不經(jīng)過處理直接排入水環(huán)境中，加劇水環(huán)境中重金屬污染，此循環(huán)往復(fù)將會直接造成生態(tài)環(huán)境惡化，影響人們賴以生存的自然環(huán)境。重金屬污染屬于較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染類型，會直接影響人類心健康，要確保人類所用的水環(huán)境健康無污染，保障人體身體和心理的健康發(fā)展，必須對水環(huán)境的重金屬污染予以重視，目前，國家已開始加大力度進(jìn)行水資源污染監(jiān)控，而檢測水質(zhì)中的重金屬含量是其重要的評判依據(jù)。

重金屬元素基本不以單一的方式存在，通常都是以多種化合物的狀態(tài)存在，其組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水環(huán)境內(nèi)的生物很難通過普通方式將其降解，而重金屬元素在水環(huán)境中的長期存在，使得水環(huán)境的生物逐漸被重金屬元素侵蝕，進(jìn)入生物體內(nèi)的重金屬元素抑制酶的活性，從而導(dǎo)致生物體內(nèi)逐漸散發(fā)毒性。類似海洋生物和淡水生物，長期生活在水環(huán)境中，吸收了大量的重金屬元素，而人類通過海產(chǎn)品和水產(chǎn)品而使得重金屬元素進(jìn)入人體內(nèi)，嚴(yán)重影響了人體的健康，一旦重金屬元素超標(biāo)，就會造成人體的貧血、癌癥等眾多疾病。顯然，要維護(hù)人類健康的生存環(huán)境，必須對水環(huán)境進(jìn)行檢測，利用科學(xué)手段改善水環(huán)境的重金屬元素含量。

2 水環(huán)境重金屬污染特點(diǎn)

2.1 污染源眾多

水環(huán)境的重金屬污染并不是單一行為導(dǎo)致，其污染源頭眾多，必須首先確定好重金屬元素的污染源，才能采取因地制宜的措施對其進(jìn)行治理。重金屬的污染源頭除了工業(yè)廢水外，還包含有水產(chǎn)品及生活污水，但其中工業(yè)廢水是重金屬污染的最重要源頭，特別是冶金行業(yè)和印染行業(yè)，在生產(chǎn)總會產(chǎn)生大量富含重金屬的廢水。國對廢水的處理不夠妥當(dāng)，造成重金屬污染直接排放到水體環(huán)境，從而造成嚴(yán)重的水環(huán)境污染。工業(yè)廢水、水產(chǎn)品、生活污水所產(chǎn)生的重金屬元素并不完全一樣，有其各自的特性，要對重金屬元素進(jìn)行檢測就必須先了解不同污染所造成的不同重金屬元素類型，從而具體問題具體分析，采取差異化的手段進(jìn)行污染源頭的治理。

2.2 恢復(fù)難度大

水體環(huán)境一旦被重金屬元素破壞，將很難還原到最初的健康狀態(tài)，即使經(jīng)過完善的治理，水環(huán)境中仍會有重金屬元素的殘留，將會對生活在水體中的生物造成一定影響。目前研究發(fā)現(xiàn)的重金屬污染物有12種，這些重金屬污染物進(jìn)入到水體環(huán)境后，破壞了原有的水體生態(tài)環(huán)境，使水生生物很難獲得正常生長，而重金屬元素又通過水生生物進(jìn)入人體，人食用水生產(chǎn)品后身體將受到嚴(yán)重影響，威脅人類身心健康。水環(huán)境重金屬污染必須及時(shí)進(jìn)行治理，但其治理難度較大。要改善水環(huán)境必須一方面對水環(huán)境的健康情況進(jìn)行監(jiān)測，另一方面也需要盡快提高污水的治理技術(shù)[3]。

3 水環(huán)境重金屬污染檢測技術(shù)

目前水環(huán)境重金屬污染檢測技術(shù)繁多，從檢測應(yīng)用方式來看，分為傳統(tǒng)檢測和新型檢測兩類方法，具體如下：

（1）原子熒光光譜法。此方法是通過檢測元素原子所產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度來分析測定元素的方法。基于此原理制成的原子熒光光度計(jì)可以快速準(zhǔn)確測定水中存在的重金屬元素的濃度。但是，該方法能夠檢測的元素比較少，盡管具有干擾性小，線譜簡單等特點(diǎn)，但是其應(yīng)用范圍較窄。

表1 傳統(tǒng)檢測方法的功能及價(jià)格分析表

（2）溶出伏安法。溶出伏安法主要分為兩個(gè)過程，第一步是將被測物質(zhì)進(jìn)行電解，攪拌使其痕量物質(zhì)還原，然后富集到陰極上；第二步是反向施加電壓，將第一步富集在陰極上的重金屬離子重新溶解到水中，然后整個(gè)過程會產(chǎn)生電流，即溶出。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠采用一種電化學(xué)傳感器檢測多種金屬離子，如Hg、Pb、Zn、Cu。并且檢測結(jié)果可靠，檢測電極處理也較容易。

（3）原子吸收光譜法。該方法通過檢測被測元素的原子對特征譜線的吸收強(qiáng)度來對比分析。對于不同元素，其使用的檢測方案也各不相同，比如，水中鉛元素主要是利用火焰原子光譜法進(jìn)行檢測；水樣中汞元素則是通過冷原子吸收光譜法；水樣中鉈、鎘等元素主要是利用石墨爐原子光譜法進(jìn)行檢測。原子吸收光譜法可以檢測水樣中多重重金屬元素，并且具有很高的靈敏度，結(jié)果可靠，應(yīng)用比較廣。

（4）電感耦合等離子體法。該方法檢測原理也是分析元素發(fā)出的特征譜線強(qiáng)度。該方法分為電感耦合等離子體質(zhì)譜、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜兩種，具有干擾小，靈敏度高，檢測效率高，檢測范圍廣等多種優(yōu)勢。

（5）激光誘導(dǎo)擊穿光譜法。該方法是基于激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)，通過高功率激光與被檢測物質(zhì)相互作用，研究作用過程中產(chǎn)生的發(fā)射光譜來定性與定量分析重金屬離子。該方法對檢測樣品沒有處理要求，檢測時(shí)間較短，可以同時(shí)處理多個(gè)樣品。另外，基于激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)在線探測等。鑒于其突出的優(yōu)點(diǎn)，國外對該技術(shù)研究非常豐富，并且研發(fā)出多種型號的檢測產(chǎn)品。國內(nèi)對該技術(shù)應(yīng)用不多，主要有單脈沖和雙脈沖LIBS技術(shù)，通過電沉積方法將水中的重金屬富集在電極上，然后完成LIBS分析，依次檢測常見重金屬元素，如Mn、Zn、Pb、Cu、Cr等，其檢測限能夠到達(dá)0.16μg/L～ 1.35μg/L。另外還有采用旋轉(zhuǎn)電極方式，可以富集水中多種有害的重金屬離子，然后再利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜進(jìn)行分析，可以較精確分析水中的鎘、鉛等元素[4-8]。

通過當(dāng)前檢測技術(shù)對比分析可知，電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)在環(huán)境方面應(yīng)用非常廣泛，受到世界上許多國家推崇。溶出伏安法結(jié)合最新的電化學(xué)傳感器，可以大幅度提高檢測精度，降低檢測限，現(xiàn)場監(jiān)測非常方便，逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，被大量國家認(rèn)可。為了更加直觀對比上述幾種檢測方法，本文以表1的形式給出具體對比分析結(jié)果。

上述均是傳統(tǒng)的檢測方法，隨著科技進(jìn)步，新研究和新技術(shù)應(yīng)用，推動了水環(huán)境重金屬元素檢測不斷創(chuàng)新，目前已經(jīng)開發(fā)出如下幾種新型檢測方法：

（6）酶抑制法。簡言之就是通過重金屬離子改變酶活性中心的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，使得酶活性下降，從而導(dǎo)致酶系統(tǒng)內(nèi)部元素發(fā)生改變，比如顯色劑顏色變化、電導(dǎo)率和吸光度也與以往出現(xiàn)差異。而類似顏色變化、吸光度差異等表現(xiàn)明顯，肉眼可直接識別，這種檢測方法方便快捷，而且價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，對于現(xiàn)場檢測來說也是非常合適的，但酶抑制法有其自身不足，酶抑制法在檢測過程中只能定性，相較于傳統(tǒng)檢測技術(shù)來說，對于檢測需求的靈敏度和準(zhǔn)確性較低。研究表明，要建立合適的酶抑制檢測技術(shù)，提高檢測準(zhǔn)確率，必須要選擇合適的緩沖系統(tǒng)。

（7）生物傳感器法。隨著生物科技發(fā)展，近年來大量的生物傳感器被應(yīng)用于水溶液中重金屬元素檢測。根據(jù)屬性可以將生物傳感器分為酶傳感器、微生物傳感器以及特異性蛋白生物傳感器等三類。根據(jù)已有研究可知，葡萄糖氧化酶生物傳感器在25℃、pH=6.85時(shí)，其檢測響應(yīng)電流最大。檢測水中的Hg其響應(yīng)范圍2.5μmol/L～22.5μmol/L；檢測Cu時(shí)，其響應(yīng)范圍5μmol/L～40μmol/L。生物傳感器操作非常便捷，具有較高靈敏度，能夠快速檢測水中Hg、Cu等離子。

（8）免疫分析法。重金屬離子的免疫學(xué)檢測優(yōu)勢明顯，比傳統(tǒng)檢測方法更加省時(shí)省力，很好地節(jié)約了成本，提高了檢測效率，另外，其操作簡便，即使在現(xiàn)場也能通過簡單的操作進(jìn)行檢測。重金屬離子的免疫檢測是抗體檢測，具體包含多克隆抗體和單克隆抗體兩類，具體檢測方法有免疫傳感器檢測、熒光偏振免疫檢測、酶聯(lián)免疫吸附檢測。這些檢測辦法均取得較好成效，但單克隆抗體的檢測方法具有更廣泛的應(yīng)用，總體來說，單克隆抗體在這些檢測方法中表現(xiàn)更加突出。

4 結(jié)論

要改善水體環(huán)境，必須對水體重金屬元素污染進(jìn)行治理，而目前要解決重金屬元素污染的治理問題還存在著諸多困難，比如污染源頭多、恢復(fù)難度大，要及時(shí)并準(zhǔn)確的對不同源頭污染進(jìn)行相應(yīng)化的治理，必須對不同類型的重金屬污染進(jìn)行充分的了解和分析，并及時(shí)采取因地制宜的治理方針，通過更為科學(xué)的手段提升治理效果。重金屬元素的檢測新技術(shù)，如酶抑制法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜法、生物傳感器法等需要更快地得到推廣和應(yīng)用。