水環境中重金屬的污染及其檢測技術研究

李季東，溫冬花

（山東標譜檢測技術有限公司，山東 德州 253000）

水是生物生存必不可少的物質，大自然的動植物及人類都必須依靠水而生存。但是，人類社會發展導致大量淡水資源浪費，同時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，重金屬的數量大致為45種，所謂重金屬污染，即重金屬經過各種化學反應后所形成的污染物，這種污染物無法通過常規手段進行降解，一旦進入動植物體內，就會堆積，并且在食物鏈的各階段進行富集，最終進入人體內。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；三是暫時還未對人體健康產生明確影響的元素。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造成破壞，使得體內胎兒無法正常生長發育[1]。

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

1 水環境中重金屬污染現狀

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

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存在，其組成結構復雜，水環境內的生物很難通過普通方式將其降解，而重金屬元素在水環境中的長期存在，使得水環境的生物逐漸被重金屬元素侵蝕，進入生物體內的重金屬元素抑制酶的活性，從而導致生物體內逐漸散發毒性。類似海洋生物和淡水生物，長期生活在水環境中，吸收了大量的重金屬元素，而人類通過海產品和水產品而使得重金屬元素進入人體內，嚴重影響了人體的健康，一旦重金屬元素超標，就會造成人體的貧血、癌癥等眾多疾病。顯然，要維護人類健康的生存環境，必須對水環境進行檢測，利用科學手段改善水環境的重金屬元素含量。

2 水環境重金屬污染特點

2.1 污染源眾多

水環境的重金屬污染并不是單一行為導致，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行治理。重金屬的污染源頭除了工業廢水外，還包含有水產品及生活污水，但其中工業廢水是重金屬污染的最重要源頭，特別是冶金行業和印染行業，在生產總會產生大量富含重金屬的廢水。國對廢水的處理不夠妥當，造成重金屬污染直接排放到水體環境，從而造成嚴重的水環境污染。工業廢水、水產品、生活污水所產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行污染源頭的治理。

2.2 恢復難度大

水體環境一旦被重金屬元素破壞，將很難還原到最初的健康狀態，即使經過完善的治理，水環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。目前研究發現的重金屬污染物有12種，這些重金屬污染物進入到水體環境后，破壞了原有的水體生態環境，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入人體，人食用水生產品后身體將受到嚴重影響，威脅人類身心健康。水環境重金屬污染必須及時進行治理，但其治理難度較大。要改善水環境必須一方面對水環境的健康情況進行監測，另一方面也需要盡快提高污水的治理技術[3]。

3 水環境重金屬污染檢測技術

目前水環境重金屬污染檢測技術繁多，從檢測應用方式來看，分為傳統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生的熒光強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可以快速準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，但是其應用范圍較窄。

表1 傳統檢測方法的功能及價格分析表

（2）溶出伏安法。溶出伏安法主要分為兩個過程，第一步是將被測物質進行電解，攪拌使其痕量物質還原，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，然后整個過程會產生電流，即溶出。該方法的優點在于能夠采用一種電化學傳感器檢測多種金屬離子，如Hg、Pb、Zn、Cu。并且檢測結果可靠，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，結果可靠，應用比較廣。

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

（5）激光誘導擊穿光譜法。該方法是基于激光誘導等離子體技術，通過高功率激光與被檢測物質相互作用，研究作用過程中產生的發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，檢測時間較短，可以同時處理多個樣品。另外，基于激光誘導等離子體技術還可以實現在線探測等。鑒于其突出的優點，國外對該技術研究非常豐富，并且研發出多種型號的檢測產品。國內對該技術應用不多，主要有單脈沖和雙脈沖LIBS技術，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0.16μg/L～ 1.35μg/L。另外還有采用旋轉電極方式，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擊穿光譜進行分析，可以較精確分析水中的鎘、鉛等元素[4-8]。

通過當前檢測技術對比分析可知，電感耦合等離子體質譜技術在環境方面應用非常廣泛，受到世界上許多國家推崇。溶出伏安法結合最新的電化學傳感器，可以大幅度提高檢測精度，降低檢測限，現場監測非常方便，逐漸成為標準檢測方法，被大量國家認可。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果。

上述均是傳統的檢測方法，隨著科技進步，新研究和新技術應用，推動了水環境重金屬元素檢測不斷創新，目前已經開發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構與性質，使得酶活性下降，從而導致酶系統內部元素發生改變，比如顯色劑顏色變化、電導率和吸光度也與以往出現差異。而類似顏色變化、吸光度差異等表現明顯，肉眼可直接識別，這種檢測方法方便快捷，而且價格便宜，經濟實惠，對于現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，相較于傳統檢測技術來說，對于檢測需求的靈敏度和準確性較低。研究表明，要建立合適的酶抑制檢測技術，提高檢測準確率，必須要選擇合適的緩沖系統。

（7）生物傳感器法。隨著生物科技發展，近年來大量的生物傳感器被應用于水溶液中重金屬元素檢測。根據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。根據已有研究可知，葡萄糖氧化酶生物傳感器在25℃、pH=6.85時，其檢測響應電流最大。檢測水中的Hg其響應范圍2.5μmol/L～22.5μmol/L；檢測Cu時，其響應范圍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檢測優勢明顯，比傳統檢測方法更加省時省力，很好地節約了成本，提高了檢測效率，另外，其操作簡便，即使在現場也能通過簡單的操作進行檢測。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用，總體來說，單克隆抗體在這些檢測方法中表現更加突出。

4 結論

要改善水體環境，必須對水體重金屬元素污染進行治理，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、恢復難度大，要及時并準確的對不同源頭污染進行相應化的治理，必須對不同類型的重金屬污染進行充分的了解和分析，并及時采取因地制宜的治理方針，通過更為科學的手段提升治理效果。重金屬元素的檢測新技術，如酶抑制法、激光誘導擊穿光譜法、生物傳感器法等需要更快地得到推廣和應用。