水环境中重金属的污染及其检测技术研究

李季东，温冬花

（山东标谱检测技术有限公司，山东 德州 253000）

水是生物生存必不可少的物质，大自然的动植物及人类都必须依靠水而生存。但是，人类社会发展导致大量淡水资源浪费，同时人们对水资源需求量却不断增大，可利用淡水资源不断减少。重金属，是金属种类中密度大于4.5g/cm3的金属，重金属的数量大致为45种，所谓重金属污染，即重金属经过各种化学反应后所形成的污染物，这种污染物无法通过常规手段进行降解，一旦进入动植物体内，就会堆积，并且在食物链的各阶段进行富集，最终进入人体内。水中的金属元素大致可以分为三类：一是对人体健康有害的元素；二是人体健康所必须的元素；三是暂时还未对人体健康产生明确影响的元素。而重金属对人体健康的影响极为恶劣，轻者影响人体的身体健康，重者对人体生殖系统造成破坏，使得体内胎儿无法正常生长发育[1]。

水环境即水体环境，是所有包含水源的环境，如大自然的海洋、湖泊、河流、水库，工农业生产所需的工业用水及生活用水、污水等等均称之为水环境，一旦水环境中的重金属含量过高，将导致水环境的组成元素发生改变，生物的生存环境失去平衡。目前，我国大多数江河湖库都存在着大大小小的重金属污染问题，几乎80%的水环境都遭受着不同程度的重金属污染[2]。

1 水环境中重金属污染现状

重金属污染是水环境污染的重点，工业废水是造成重金属污染的最主要来源。含重金属的工业废水不经过处理直接排入水环境中，加剧水环境中重金属污染，此循环往复将会直接造成生态环境恶化，影响人们赖以生存的自然环境。重金属污染属于较为严重的生态环境污染类型，会直接影响人类心健康，要确保人类所用的水环境健康无污染，保障人体身体和心理的健康发展，必须对水环境的重金属污染予以重视，目前，国家已开始加大力度进行水资源污染监控，而检测水质中的重金属含量是其重要的评判依据。

重金属元素基本不以单一的方式存在，通常都是以多种化合物的状态存在，其组成结构复杂，水环境内的生物很难通过普通方式将其降解，而重金属元素在水环境中的长期存在，使得水环境的生物逐渐被重金属元素侵蚀，进入生物体内的重金属元素抑制酶的活性，从而导致生物体内逐渐散发毒性。类似海洋生物和淡水生物，长期生活在水环境中，吸收了大量的重金属元素，而人类通过海产品和水产品而使得重金属元素进入人体内，严重影响了人体的健康，一旦重金属元素超标，就会造成人体的贫血、癌症等众多疾病。显然，要维护人类健康的生存环境，必须对水环境进行检测，利用科学手段改善水环境的重金属元素含量。

2 水环境重金属污染特点

2.1 污染源众多

水环境的重金属污染并不是单一行为导致，其污染源头众多，必须首先确定好重金属元素的污染源，才能采取因地制宜的措施对其进行治理。重金属的污染源头除了工业废水外，还包含有水产品及生活污水，但其中工业废水是重金属污染的最重要源头，特别是冶金行业和印染行业，在生产总会产生大量富含重金属的废水。国对废水的处理不够妥当，造成重金属污染直接排放到水体环境，从而造成严重的水环境污染。工业废水、水产品、生活污水所产生的重金属元素并不完全一样，有其各自的特性，要对重金属元素进行检测就必须先了解不同污染所造成的不同重金属元素类型，从而具体问题具体分析，采取差异化的手段进行污染源头的治理。

2.2 恢复难度大

水体环境一旦被重金属元素破坏，将很难还原到最初的健康状态，即使经过完善的治理，水环境中仍会有重金属元素的残留，将会对生活在水体中的生物造成一定影响。目前研究发现的重金属污染物有12种，这些重金属污染物进入到水体环境后，破坏了原有的水体生态环境，使水生生物很难获得正常生长，而重金属元素又通过水生生物进入人体，人食用水生产品后身体将受到严重影响，威胁人类身心健康。水环境重金属污染必须及时进行治理，但其治理难度较大。要改善水环境必须一方面对水环境的健康情况进行监测，另一方面也需要尽快提高污水的治理技术[3]。

3 水环境重金属污染检测技术

目前水环境重金属污染检测技术繁多，从检测应用方式来看，分为传统检测和新型检测两类方法，具体如下：

（1）原子荧光光谱法。此方法是通过检测元素原子所产生的荧光强度来分析测定元素的方法。基于此原理制成的原子荧光光度计可以快速准确测定水中存在的重金属元素的浓度。但是，该方法能够检测的元素比较少，尽管具有干扰性小，线谱简单等特点，但是其应用范围较窄。

表1 传统检测方法的功能及价格分析表

（2）溶出伏安法。溶出伏安法主要分为两个过程，第一步是将被测物质进行电解，搅拌使其痕量物质还原，然后富集到阴极上；第二步是反向施加电压，将第一步富集在阴极上的重金属离子重新溶解到水中，然后整个过程会产生电流，即溶出。该方法的优点在于能够采用一种电化学传感器检测多种金属离子，如Hg、Pb、Zn、Cu。并且检测结果可靠，检测电极处理也较容易。

（3）原子吸收光谱法。该方法通过检测被测元素的原子对特征谱线的吸收强度来对比分析。对于不同元素，其使用的检测方案也各不相同，比如，水中铅元素主要是利用火焰原子光谱法进行检测；水样中汞元素则是通过冷原子吸收光谱法；水样中铊、镉等元素主要是利用石墨炉原子光谱法进行检测。原子吸收光谱法可以检测水样中多重重金属元素，并且具有很高的灵敏度，结果可靠，应用比较广。

（4）电感耦合等离子体法。该方法检测原理也是分析元素发出的特征谱线强度。该方法分为电感耦合等离子体质谱、电感耦合等离子原子发射光谱两种，具有干扰小，灵敏度高，检测效率高，检测范围广等多种优势。

（5）激光诱导击穿光谱法。该方法是基于激光诱导等离子体技术，通过高功率激光与被检测物质相互作用，研究作用过程中产生的发射光谱来定性与定量分析重金属离子。该方法对检测样品没有处理要求，检测时间较短，可以同时处理多个样品。另外，基于激光诱导等离子体技术还可以实现在线探测等。鉴于其突出的优点，国外对该技术研究非常丰富，并且研发出多种型号的检测产品。国内对该技术应用不多，主要有单脉冲和双脉冲LIBS技术，通过电沉积方法将水中的重金属富集在电极上，然后完成LIBS分析，依次检测常见重金属元素，如Mn、Zn、Pb、Cu、Cr等，其检测限能够到达0.16μg/L～ 1.35μg/L。另外还有采用旋转电极方式，可以富集水中多种有害的重金属离子，然后再利用激光诱导击穿光谱进行分析，可以较精确分析水中的镉、铅等元素[4-8]。

通过当前检测技术对比分析可知，电感耦合等离子体质谱技术在环境方面应用非常广泛，受到世界上许多国家推崇。溶出伏安法结合最新的电化学传感器，可以大幅度提高检测精度，降低检测限，现场监测非常方便，逐渐成为标准检测方法，被大量国家认可。为了更加直观对比上述几种检测方法，本文以表1的形式给出具体对比分析结果。

上述均是传统的检测方法，随着科技进步，新研究和新技术应用，推动了水环境重金属元素检测不断创新，目前已经开发出如下几种新型检测方法：

（6）酶抑制法。简言之就是通过重金属离子改变酶活性中心的结构与性质，使得酶活性下降，从而导致酶系统内部元素发生改变，比如显色剂颜色变化、电导率和吸光度也与以往出现差异。而类似颜色变化、吸光度差异等表现明显，肉眼可直接识别，这种检测方法方便快捷，而且价格便宜，经济实惠，对于现场检测来说也是非常合适的，但酶抑制法有其自身不足，酶抑制法在检测过程中只能定性，相较于传统检测技术来说，对于检测需求的灵敏度和准确性较低。研究表明，要建立合适的酶抑制检测技术，提高检测准确率，必须要选择合适的缓冲系统。

（7）生物传感器法。随着生物科技发展，近年来大量的生物传感器被应用于水溶液中重金属元素检测。根据属性可以将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器以及特异性蛋白生物传感器等三类。根据已有研究可知，葡萄糖氧化酶生物传感器在25℃、pH=6.85时，其检测响应电流最大。检测水中的Hg其响应范围2.5μmol/L～22.5μmol/L；检测Cu时，其响应范围5μmol/L～40μmol/L。生物传感器操作非常便捷，具有较高灵敏度，能够快速检测水中Hg、Cu等离子。

（8）免疫分析法。重金属离子的免疫学检测优势明显，比传统检测方法更加省时省力，很好地节约了成本，提高了检测效率，另外，其操作简便，即使在现场也能通过简单的操作进行检测。重金属离子的免疫检测是抗体检测，具体包含多克隆抗体和单克隆抗体两类，具体检测方法有免疫传感器检测、荧光偏振免疫检测、酶联免疫吸附检测。这些检测办法均取得较好成效，但单克隆抗体的检测方法具有更广泛的应用，总体来说，单克隆抗体在这些检测方法中表现更加突出。

4 结论

要改善水体环境，必须对水体重金属元素污染进行治理，而目前要解决重金属元素污染的治理问题还存在着诸多困难，比如污染源头多、恢复难度大，要及时并准确的对不同源头污染进行相应化的治理，必须对不同类型的重金属污染进行充分的了解和分析，并及时采取因地制宜的治理方针，通过更为科学的手段提升治理效果。重金属元素的检测新技术，如酶抑制法、激光诱导击穿光谱法、生物传感器法等需要更快地得到推广和应用。