含汞廢水的微生物處理研究

韓應(yīng)湛

1.芮城縣市場監(jiān)督管理局，山西 芮城 044600；2.芮城縣綜合檢驗檢測中心，山西 芮城 044600

汞是一種廣泛存在于自然界的重金屬，具有極高的毒性和持久性。它經(jīng)常通過工業(yè)過程、礦山活動、醫(yī)療廢物等被釋放到環(huán)境中，造成了嚴(yán)重的水體和土壤污染。水體和土壤中的汞進入生物體內(nèi)后，會通過食物鏈最終被人體吸收，從而危害人類健康。因此，研究處理含汞廢水的有效方法對于保護環(huán)境和人類健康至關(guān)重要[1]。近年來，利用微生物處理汞廢水逐漸成為了一個研究熱點。微生物擁有多樣化的酶系統(tǒng)和代謝途徑，可以在特定環(huán)境條件下對汞進行生物轉(zhuǎn)化和去除。被認(rèn)為是一種潛力巨大的汞廢水處理方法。因此，本文針對含汞廢水的微生物處理方法展開研究，以期為實際應(yīng)用提供參考。

1 汞廢水的特性和來源

1.1 汞的特性和毒性

汞是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號為Hg，原子序數(shù)為80。汞的特性如表1 所示。

表1 汞的特性

汞的毒性非常高，它是一種強烈的生物累積物。人體接觸汞會導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。首先，汞可以穿過血腦屏障，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成廣泛和嚴(yán)重的毒性刺激。人體與汞長期接觸或暴露在高劑量汞環(huán)境下會引發(fā)記憶力衰退、注意力不集中、精神紊亂等神經(jīng)系統(tǒng)受損的問題。其次，妊娠婦女接觸汞會對胎兒產(chǎn)生特別嚴(yán)重的影響，會導(dǎo)致胎兒智力低下、行為和神經(jīng)發(fā)育異常等問題。最后，汞在水環(huán)境中可以轉(zhuǎn)化為有機汞形式（如甲基汞），被生物體攝取后逐級富集，從而對食物鏈上的生物造成影響[2]。

1.2 汞廢水的常見來源和排放途徑

第一，工業(yè)生產(chǎn)。許多工業(yè)過程排放的廢水中都含有汞，例如電子、醫(yī)藥、化工、煉油等行業(yè)。第二，煤燃燒。燃煤是一種常見的能源來源。在燃燒過程中，汞會被釋放到空氣中，并最終循環(huán)進入地表水體[3]。第三，污染物轉(zhuǎn)移。廢水中的汞可以通過污水處理廠進入城市排水系統(tǒng)，然后被排放到自然水體中。這種情況通常發(fā)生在缺乏有效的廢水處理設(shè)施的地區(qū)。

2 微生物處理汞廢水

2.1 微生物對汞的代謝途徑和機制

微生物對汞的代謝途徑和機制豐富多樣。一是汞還原酶系統(tǒng)。一些微生物擁有特殊的汞還原酶系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠?qū)⒂袡C汞離子（如甲基汞）還原為無機汞（如Hg2+），進而將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性汞（如Hg0）。這一過程需要還原劑（例如谷胱甘肽）和汞還原酶。該系統(tǒng)廣泛存在與某些細(xì)菌和古細(xì)菌中，允許它們從環(huán)境中的有機汞中獲取能量。二是汞甲基化。一些微生物具備汞甲基化能力，即將無機汞（如Hg2+）甲基化為甲基汞離子（如甲基汞根離子CH3Hg+）。這種汞甲基化反應(yīng)通常用甲基汞轉(zhuǎn)移酶進行催化，將S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為甲基供體。甲基汞離子在環(huán)境中更易于進行生物累積，并進入食物鏈。三是汞降解和解毒。一些微生物具有降解汞的能力，能夠?qū)⒂袡C汞化合物降解為毒性較低的無機形式。這些微生物可以通過特定的酶系統(tǒng)來催化這一過程，這種代謝途徑有助于降低汞在環(huán)境中的毒性影響。

2.2 微生物種類選擇和適應(yīng)條件

在選擇適合處理汞廢水的微生物種類時，需要考慮諸多因素。首先，選擇具有較高汞耐受性的微生物種類非常重要。因此，在選擇微生物種類時，要選擇那些對汞具有很強的抵抗性，可以在高濃度的汞環(huán)境中存活和繁殖的微生物。其次，適合的微生物種類應(yīng)具有適應(yīng)汞的代謝能力，這些代謝能力可以使微生物參與到對汞的轉(zhuǎn)化和去除過程中。第三，微生物對環(huán)境的耐受性較強。選擇適應(yīng)目標(biāo)環(huán)境條件的微生物種類是成功處理汞廢水的基礎(chǔ)。這些環(huán)境條件包括溫度、pH、氧氣含量等。最后，在引入微生物處理汞廢水時，還需要考慮其對環(huán)境的生態(tài)相容性，因為這涉及微生物是否會對其他生物產(chǎn)生不良影響以及其在自然環(huán)境下的存活和繁殖能力。

2.3 微生物處理汞廢水的優(yōu)勢

第一，高效性。微生物可以通過各種代謝途徑和酶系統(tǒng)將有機汞化合物降解為無機形式或轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性汞。這些特殊的代謝能力使微生物對汞廢水的處理具有高效性，可以迅速降低廢水中汞的濃度。第二，選擇性。微生物可以選擇性地代謝和降解汞化合物。這種選擇性代謝使微生物在處理汞廢水時能夠更加精確地處理其中的汞污染，以減少其對環(huán)境的不必要干擾。第三，自然環(huán)境適應(yīng)性。許多存在于自然界中的微生物已經(jīng)可以很好地適應(yīng)含有汞的環(huán)境了。因此，這些用來處理汞廢水的微生物不僅具有良好的適應(yīng)性，也能降低人工引入微生物的風(fēng)險。

3 微生物法處理汞廢水實驗研究

3.1 實驗設(shè)計和方法

本次實驗將研究pH、Hg2+質(zhì)量濃度對微生物GX-10 治理含汞廢水效果的影響。實驗設(shè)計及方法如下。

3.1.1 pH 實驗設(shè)計

在開展pH 對治理效果影響的實驗時，首先需要配置5 組Hg2+質(zhì)量濃度均為20 mg/L 的HgCl2溶液，每組各50 mL。其次，將pH 分別設(shè)定為3、4、5、6、7，將20 g/L 的微生物GX-10 投入每個組合的溶液中。在30 ℃的反應(yīng)條件下，以180 r/min 的轉(zhuǎn)速振蕩360 min。在反應(yīng)完成后，對各組溶液中的Hg2+含量進行測量，并對各組數(shù)據(jù)平行測量3 次。

3.1.2 Hg2+質(zhì)量濃度

配制5 組容量均為50 mL 的HgCl2溶液，其中Hg2+的質(zhì)量濃度分別為0.5 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L，分別放于三角形瓶內(nèi)。分別向每個組別的溶液中投入2 g 細(xì)菌。將溶液的pH 調(diào)整至5，在30 ℃的反應(yīng)條件下，以180 r/min 的轉(zhuǎn)速振蕩30 min。反應(yīng)完成后，對各組溶液中的Hg2+含量進行測量，并對各組數(shù)據(jù)平行測量3 次。

3.2 實驗結(jié)果和分析

3.2.1 pH 對治理效果的影響

本研究的原理是通過pH 對真菌細(xì)胞壁目標(biāo)部位的電離，對Hg2+在溶液中的化學(xué)形態(tài)、細(xì)胞表面功能基團的化學(xué)組成、Hg 元素在細(xì)菌中的分布、環(huán)境中的Hg 離子濃度等變化情況進行調(diào)控。pH 偏高或偏低均會對吸附金屬離子造成不良影響，偏低時，H+與Hg2+競爭細(xì)胞表面的靶位點，導(dǎo)致細(xì)胞壁上的功能基團質(zhì)子化，會增大細(xì)胞表面的靜電排斥力，進而阻礙Hg2+與靶位點的結(jié)合。而pH 過高時，Hg2+會與OH-結(jié)合，導(dǎo)致吸附過程無法正常進行。當(dāng)pH 超過Hg2+的微沉淀上限時，Hg2+會沉淀析出。如圖1 所示，當(dāng)pH 為3 時，溶液中H+濃度非常高，此時Hg2+在與H+爭奪目標(biāo)位置的過程中處于不利地位，導(dǎo)致吸附效果減弱。當(dāng)pH 為5 時，Hg2+的去除效率達(dá)93.75%。當(dāng)pH 為7 時，OH-的含量有所增加，目標(biāo)位置的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，導(dǎo)致吸附效果減弱。實驗結(jié)果表明，當(dāng)pH 在4～6 范圍內(nèi)時，吸附效果較好。

圖1 pH 對治理效果的影響

3.2.2 Hg2+質(zhì)量濃度對治理效果的影響

由實驗結(jié)果可知，在使用低濃度的HgCl2溶液處理真菌細(xì)胞壁上的靶部位時，Hg2+能夠與靶部位有效結(jié)合。這就意味著在Hg2+濃度較低的情況下，真菌可以發(fā)揮其作用位點的功能。如圖2 顯示，在Hg2+質(zhì)量濃度不超過0.5 mg/L 時，廢水的出水濃度可以降至0.048 5 mg/L，滿足全國廢水的綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，并且低于0.05 mg/L，有效解決了高含汞量廢水無法達(dá)標(biāo)的問題。然而，當(dāng)利用真菌處理高濃度HgCl2溶液時，真菌就無法充分發(fā)揮其作用位點的功能。在使用微生物GX-10 菌對50 mg/L 含汞廢水進行處理時，出水質(zhì)量濃度在0.732～3.57 mg/L 之間，遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)要求的濃度。造成這種現(xiàn)象的原因可能是高濃度的Hg2+對真菌產(chǎn)生了毒性效應(yīng)，導(dǎo)致微生物數(shù)量減少或活性下降，從而導(dǎo)致廢水處理效果減弱。

圖2 Hg2+質(zhì)量濃度對治理效果的影響

綜上所述，真菌在低濃度Hg2+的處理方面表現(xiàn)出了良好的效果，但對于高濃度Hg2+的廢水處理，仍需要尋找其他更有效的處理方法或采用組合處理技術(shù)，以實現(xiàn)更好的廢水處理效果。

4 結(jié)論

汞是一種有毒的重金屬，廣泛存在于工業(yè)廢水中。鑒于其高毒性和易積累性，安全高效處理汞廢水成為了環(huán)境保護的重要課題。傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法雖然可以去除汞，但往往需要高昂的成本和復(fù)雜的操作。相比之下，利用微生物來處理汞廢水具有成本低、效果好、操作簡單等優(yōu)點，因此微生物處理含汞廢水受到了高度關(guān)注。本文對含汞廢水的微生物處理進行研究，希望能夠為解決含汞廢水的處理問題提供新思路。