含汞废水的微生物处理研究

韩应湛

1.芮城县市场监督管理局，山西 芮城 044600；2.芮城县综合检验检测中心，山西 芮城 044600

汞是一种广泛存在于自然界的重金属，具有极高的毒性和持久性。它经常通过工业过程、矿山活动、医疗废物等被释放到环境中，造成了严重的水体和土壤污染。水体和土壤中的汞进入生物体内后，会通过食物链最终被人体吸收，从而危害人类健康。因此，研究处理含汞废水的有效方法对于保护环境和人类健康至关重要[1]。近年来，利用微生物处理汞废水逐渐成为了一个研究热点。微生物拥有多样化的酶系统和代谢途径，可以在特定环境条件下对汞进行生物转化和去除。被认为是一种潜力巨大的汞废水处理方法。因此，本文针对含汞废水的微生物处理方法展开研究，以期为实际应用提供参考。

1 汞废水的特性和来源

1.1 汞的特性和毒性

汞是一种化学元素，化学符号为Hg，原子序数为80。汞的特性如表1 所示。

表1 汞的特性

汞的毒性非常高，它是一种强烈的生物累积物。人体接触汞会导致严重的健康问题。首先，汞可以穿过血脑屏障，对中枢神经系统造成广泛和严重的毒性刺激。人体与汞长期接触或暴露在高剂量汞环境下会引发记忆力衰退、注意力不集中、精神紊乱等神经系统受损的问题。其次，妊娠妇女接触汞会对胎儿产生特别严重的影响，会导致胎儿智力低下、行为和神经发育异常等问题。最后，汞在水环境中可以转化为有机汞形式（如甲基汞），被生物体摄取后逐级富集，从而对食物链上的生物造成影响[2]。

1.2 汞废水的常见来源和排放途径

第一，工业生产。许多工业过程排放的废水中都含有汞，例如电子、医药、化工、炼油等行业。第二，煤燃烧。燃煤是一种常见的能源来源。在燃烧过程中，汞会被释放到空气中，并最终循环进入地表水体[3]。第三，污染物转移。废水中的汞可以通过污水处理厂进入城市排水系统，然后被排放到自然水体中。这种情况通常发生在缺乏有效的废水处理设施的地区。

2 微生物处理汞废水

2.1 微生物对汞的代谢途径和机制

微生物对汞的代谢途径和机制丰富多样。一是汞还原酶系统。一些微生物拥有特殊的汞还原酶系统。这个系统能够将有机汞离子（如甲基汞）还原为无机汞（如Hg2+），进而将其转化为挥发性汞（如Hg0）。这一过程需要还原剂（例如谷胱甘肽）和汞还原酶。该系统广泛存在与某些细菌和古细菌中，允许它们从环境中的有机汞中获取能量。二是汞甲基化。一些微生物具备汞甲基化能力，即将无机汞（如Hg2+）甲基化为甲基汞离子（如甲基汞根离子CH3Hg+）。这种汞甲基化反应通常用甲基汞转移酶进行催化，将S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体。甲基汞离子在环境中更易于进行生物累积，并进入食物链。三是汞降解和解毒。一些微生物具有降解汞的能力，能够将有机汞化合物降解为毒性较低的无机形式。这些微生物可以通过特定的酶系统来催化这一过程，这种代谢途径有助于降低汞在环境中的毒性影响。

2.2 微生物种类选择和适应条件

在选择适合处理汞废水的微生物种类时，需要考虑诸多因素。首先，选择具有较高汞耐受性的微生物种类非常重要。因此，在选择微生物种类时，要选择那些对汞具有很强的抵抗性，可以在高浓度的汞环境中存活和繁殖的微生物。其次，适合的微生物种类应具有适应汞的代谢能力，这些代谢能力可以使微生物参与到对汞的转化和去除过程中。第三，微生物对环境的耐受性较强。选择适应目标环境条件的微生物种类是成功处理汞废水的基础。这些环境条件包括温度、pH、氧气含量等。最后，在引入微生物处理汞废水时，还需要考虑其对环境的生态相容性，因为这涉及微生物是否会对其他生物产生不良影响以及其在自然环境下的存活和繁殖能力。

2.3 微生物处理汞废水的优势

第一，高效性。微生物可以通过各种代谢途径和酶系统将有机汞化合物降解为无机形式或转化为挥发性汞。这些特殊的代谢能力使微生物对汞废水的处理具有高效性，可以迅速降低废水中汞的浓度。第二，选择性。微生物可以选择性地代谢和降解汞化合物。这种选择性代谢使微生物在处理汞废水时能够更加精确地处理其中的汞污染，以减少其对环境的不必要干扰。第三，自然环境适应性。许多存在于自然界中的微生物已经可以很好地适应含有汞的环境了。因此，这些用来处理汞废水的微生物不仅具有良好的适应性，也能降低人工引入微生物的风险。

3 微生物法处理汞废水实验研究

3.1 实验设计和方法

本次实验将研究pH、Hg2+质量浓度对微生物GX-10 治理含汞废水效果的影响。实验设计及方法如下。

3.1.1 pH 实验设计

在开展pH 对治理效果影响的实验时，首先需要配置5 组Hg2+质量浓度均为20 mg/L 的HgCl2溶液，每组各50 mL。其次，将pH 分别设定为3、4、5、6、7，将20 g/L 的微生物GX-10 投入每个组合的溶液中。在30 ℃的反应条件下，以180 r/min 的转速振荡360 min。在反应完成后，对各组溶液中的Hg2+含量进行测量，并对各组数据平行测量3 次。

3.1.2 Hg2+质量浓度

配制5 组容量均为50 mL 的HgCl2溶液，其中Hg2+的质量浓度分别为0.5 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L，分别放于三角形瓶内。分别向每个组别的溶液中投入2 g 细菌。将溶液的pH 调整至5，在30 ℃的反应条件下，以180 r/min 的转速振荡30 min。反应完成后，对各组溶液中的Hg2+含量进行测量，并对各组数据平行测量3 次。

3.2 实验结果和分析

3.2.1 pH 对治理效果的影响

本研究的原理是通过pH 对真菌细胞壁目标部位的电离，对Hg2+在溶液中的化学形态、细胞表面功能基团的化学组成、Hg 元素在细菌中的分布、环境中的Hg 离子浓度等变化情况进行调控。pH 偏高或偏低均会对吸附金属离子造成不良影响，偏低时，H+与Hg2+竞争细胞表面的靶位点，导致细胞壁上的功能基团质子化，会增大细胞表面的静电排斥力，进而阻碍Hg2+与靶位点的结合。而pH 过高时，Hg2+会与OH-结合，导致吸附过程无法正常进行。当pH 超过Hg2+的微沉淀上限时，Hg2+会沉淀析出。如图1 所示，当pH 为3 时，溶液中H+浓度非常高，此时Hg2+在与H+争夺目标位置的过程中处于不利地位，导致吸附效果减弱。当pH 为5 时，Hg2+的去除效率达93.75%。当pH 为7 时，OH-的含量有所增加，目标位置的化学性质发生了变化，导致吸附效果减弱。实验结果表明，当pH 在4～6 范围内时，吸附效果较好。

图1 pH 对治理效果的影响

3.2.2 Hg2+质量浓度对治理效果的影响

由实验结果可知，在使用低浓度的HgCl2溶液处理真菌细胞壁上的靶部位时，Hg2+能够与靶部位有效结合。这就意味着在Hg2+浓度较低的情况下，真菌可以发挥其作用位点的功能。如图2 显示，在Hg2+质量浓度不超过0.5 mg/L 时，废水的出水浓度可以降至0.048 5 mg/L，满足全国废水的综合排放标准，并且低于0.05 mg/L，有效解决了高含汞量废水无法达标的问题。然而，当利用真菌处理高浓度HgCl2溶液时，真菌就无法充分发挥其作用位点的功能。在使用微生物GX-10 菌对50 mg/L 含汞废水进行处理时，出水质量浓度在0.732～3.57 mg/L 之间，远高于排放标准要求的浓度。造成这种现象的原因可能是高浓度的Hg2+对真菌产生了毒性效应，导致微生物数量减少或活性下降，从而导致废水处理效果减弱。

图2 Hg2+质量浓度对治理效果的影响

综上所述，真菌在低浓度Hg2+的处理方面表现出了良好的效果，但对于高浓度Hg2+的废水处理，仍需要寻找其他更有效的处理方法或采用组合处理技术，以实现更好的废水处理效果。

4 结论

汞是一种有毒的重金属，广泛存在于工业废水中。鉴于其高毒性和易积累性，安全高效处理汞废水成为了环境保护的重要课题。传统的物理和化学方法虽然可以去除汞，但往往需要高昂的成本和复杂的操作。相比之下，利用微生物来处理汞废水具有成本低、效果好、操作简单等优点，因此微生物处理含汞废水受到了高度关注。本文对含汞废水的微生物处理进行研究，希望能够为解决含汞废水的处理问题提供新思路。