水環境中重金屬污染的現狀及檢測技術淺談

鐘 浩

（寧夏測衡聯合實業有限公司，寧夏 銀川 750021）

水資源是人類賴以生存，經濟、社會發展最為重要的物質基礎，然而目前水污染被稱為各種環境污染中的“世界頭號殺手”，其所造成的影響已反映在人們的日常生活中[1]。據統計，全球每年釋放到水環境中的被污染的淡水量已超過了世界徑流總量的14%。

我國人均水資源遠低于世界上其他國家[2]。隨著我國經濟的快速發展，工業、農業以及居民生活均對水環境造成了很大影響，水污染問題越來越突出，主要反映在水質的惡化以及水體自凈功能的降低與喪失，其中重金屬污染就是目前我國面臨的各類水污染中最為嚴峻的問題之一。通常，自然水體中重金屬的存在處于正常濃度范圍，而重金屬經由各種渠道進入自然水體，使自然水體中的重金屬含量超標，進而造成嚴重的水環境重金屬污染。一般情況下，水環境重金屬污染所帶來的后果不可預估，除了會造成一定的經濟損失之外，還可能危害人體的健康和生命[3]。

1 水環境中重金屬污染現狀

水環境主要由地下水、大氣水和地表水構成，地表水又包括河流、湖泊、水庫、海洋及工業用水、排放水和生活排放污水等。我國人口眾多，而且居住的密度較大，近年來，由于工、農業發展迅速，工、農業生產和日常生活中排放的含重金屬廢水、廢氣經由地表水和大氣降水在水環境中不斷進行傳遞和擴散。同時，由于我國湖泊河流的網絡和地下水系的脈絡四通八達，所以水體一旦被污染，就會很快向周邊擴散。因此，我國水環境中重金屬污染的范圍較廣，加之我國污水集中處理率較低，各級污水處理廠的污水處理能力參差不齊，更伴隨著各地日趨嚴重的面源污染，造成了我國目前不同水系、湖泊和地下水普遍存在不同程度、多種類型重金屬污染的現狀，總體監測結果極不樂觀[4]。

我國相關環境監測部門對作為飲用水源地的河流、湖泊和水庫進行監測發現，在這幾類地表水體中，汞、鉻和鉛的污染較為常見，其他重金屬對地表水飲用水體的污染相對較少，但其超標現象也不容忽視[5]，全國幾乎80%的水環境都遭受著不同程度的重金屬污染[6]，詳見表1。

表1 2013～2018 年重點流域飲用水中14種重金屬監測指標檢測結果 單位：mg/L

國內不同區域內的地表水、地下水中重金屬污染種類、污染程度直接與流域內城市發展和工廠“三廢”排放呈現正相關，水體重金屬污染已經逐步對生態環境和人體健康造成了嚴重地威脅。

2 水環境中重金屬污染的主要來源及危害

2.1 水環境中重金屬污染的主要來源

通過進一步分析發現，水環境中重金屬污染的主要來源比較多元化，具體包括化工生產、金屬冶煉、電鍍等各類工業活動，也涉及農用殺蟲劑、生活污水等，以上環節所產生的重金屬會借助大氣圈、土壤圈、生物圈等方式進入到水體并蓄積，當超出水體自凈能力時，就會造成水環境重金屬污染。重金屬的污染來源詳見圖1。

圖1 重金屬污染來源

2.2 水環境中重金屬污染的危害

水體中的重金屬通過飲用水、接觸、食物媒介等多種渠道進入人體后，會與人體內的蛋白質相結合，使蛋白質的空間結構發生改變，其活性也會受到一定程度的影響，進一步對人體造成不可逆轉的傷害。最可怕的是，微量的重金屬元素能溶解在水中，且因劑量微小不易被察覺，進入人體各個器官后難以代謝和外排，就會在人體不斷積累，導致人體長期慢性中毒，對人類的生命和健康造成了很大威脅。其中，鉛對人體的影響最大，會影響人體的神經系統、造血和生殖機能等，在人體內的半衰期長達4年；砷、汞、鎘、鉻等其它重金屬可以在人體的內臟組織中沉積，造成各種器官組織的損傷甚至導致人體死亡。盡管水環境可以通過水生生物對一些重金屬污染物質實現降解凈化，但當重金屬濃度過高時，這些生物自身也會受到傷害，從而使其水體自凈能力降低或徹底喪失，最后造成生態圈的破壞。

3 水環境中重金屬檢測技術

水環境中的重金屬污染不僅會影響生態環境，還會危害人類的身體健康和生命安全，因而對水環境中的重金屬進行檢測是非常重要的。目前常用于水體重金屬檢測的主要方法有常規法（流動分析法、分光光度法）、生物化學分析法（酶抑制法、抗體免疫分析法）、光譜法（電感耦合等離子體發射光譜法、原子吸收光譜法等）、色譜法（氣相色譜法）、儀器聯用法（氣相色譜冷原子熒光光譜法）和其它新型檢測方法等。

3.1 流動分析檢測法

流動分析檢測法是將水樣注入到流動載體中，在流動中進行攪拌、反應顯色、測試，從而實現對水樣重金屬的檢測，如使用流動注射-二苯碳酰二肼光度法測定水質中的六價鉻。流動注入技術采用直接進樣的方式，無需進行前處理，因而減少了樣品與外部環境的接觸，并通過控制進樣流速的均勻，保證了測定結果的準確性。

3.2 分光光度法

所謂分光光度法，即是通過測定實驗物質在特定波長條件下的吸光度或發光強度檢測其中的重金屬含量。使用分光光度法測定水體重金屬元素（如Cu、Cr、Mn、Be、B、V），是在一定條件下，通過選用特定試劑與某重金屬元素發生螯合反應，使形成的螯合物對特定波長的光進行吸收，借助吸光度與濃度的正比關系實現對該種重金屬含量的定量測定。

3.3 酶抑制法

酶抑制法測定重金屬是借助重金屬與特定酶的活性中心具有較強的親和力，通過改變酶活性中心的結構，使其活力被削弱，使底物-酶系統發生變化，如顯色劑的顏色、吸光度等，這些變化可通過視覺或光電信號進行檢測，從而實現對水體中重金屬的定性判斷。

3.4 抗體免疫分析法

重金屬抗體免疫分析法是利用抗體和對應抗原能在較低濃度下進行特異性識別及專一性結合并產生顏色反應的原理，實現對水體中重金屬含量的定性、定量分析，該方法需要制備重金屬-螯合物復合物單克隆抗體或重金屬重組抗體，具有快速、簡便、靈敏等特點，因而可實現便攜現場監測。

3.5 電感耦合等離子體發射光譜法

所謂電感耦合等離子發射光譜法，即是以等離子體作為激發光源的原子發射光譜分析方法，該方法可同時測定多種重金屬元素，如鉛、鎳、鎘、鉻等。電感耦合等離子發射光譜法與重量法、容量法具有一定的相似之處，可在部分項目中進行替換使用。

3.6 原子吸收分光光度法

原子吸收分光光度法又名原子吸收光譜法(AAS)，是目前最常用的一種測定無機元素的方法。其工作原理為用被測元素的基態原子蒸氣來測量光譜的吸收強度。具體而言，原子吸收分光光度法具有靈敏度高、檢測速度快、干擾少、精密度良好等特點，可對被測元素進行直接測試。但從另一個層面看，若要利用原子吸收分光光度法進行多種元素的測定，則需要對樣品處理提出更高的要求。

3.7 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法是通過基態原子蒸氣吸收特定頻率的輻射，激發到高能態過程中以光輻射形成發射出特征譜線的波長和強度的熒光，實現對被測物質的定量分析。這一方法的顯著特征體現為靈敏度高、測量范圍廣、選擇性多等。但利用這一方法進行檢測時，還需考慮被測物質自身是否會發射熒光，若是，則需要先對其進行衍生處理，因而這一方法的應用范圍并不廣泛，目前主要適用于不同水體中PPb濃度級別的汞、砷、硒、銻、鉍等金屬元素的測定。

3.8 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)是一種較為普遍的質譜聯用檢測技術，該分析技術結合了ICP的高溫離子特性以及質譜儀的快速掃描特性。首先采用電感耦合激發待測樣品，利用高溫電離使樣品汽化而分離，然后通過質譜儀生成樣品的質譜圖，隨后使用質譜方法進行定量檢測，通過分析質譜圖得出樣品中所含的重金屬元素，結構如圖2所示。利用該方法測得的圖譜易于分析、檢測精度高、重復性較高，可以進行超痕量重金屬元素的分析，因此被認為是超痕量重金屬元素最有效的檢測技術之一。

圖2 ICP-MS結構示意圖

3.9 氣相色譜法

氣相色譜法是通過化學反應使水體中的重金屬與有機化合物結合生成金屬有機化合物，并利用色譜柱分離金屬有機化合物，然后再利用氣相色譜檢測器進行識別，實現對該金屬有機化合物的定性、定量分析，達到測定水體重金屬元素的目的。如在酸性條件下，碘化物與重鉻酸鉀能夠發生反應生成并析出碘，碘與丁酮反應生成3-碘-2-丁酮，可用氣相色譜法電子捕獲檢測器進行定量測定，實現了對水體中碘化物的檢測；水體中的汞經烷基化后生成甲基汞和乙基汞，可通過氣相色譜法電子捕獲檢測器進行定量測定，實現對水體中有機汞的檢測。

3.10 氣相色譜冷原子熒光光譜法

該方法是利用色譜（氣相色譜儀）與光譜（冷原子熒光測汞儀）聯用技術，實現對水體中烷基汞含量的測定。其原理是水樣經蒸餾后，形成流出液中的烷基汞經四丙基硼化鈉衍生，生成揮發性的甲基丙基汞和乙基丙基汞，經吹掃捕集、熱脫附和氣相色譜分離后，在高溫下裂解為汞蒸氣，再用冷原子熒光測汞儀進行檢測，并可根據保留時間進行定性，用外標法進行定量。

3.11 其它新型檢測方法

激光誘導擊穿光譜法(LIBS)，又稱為激光誘導等離子體光譜技術，是發射光譜分析法的一種。該方法的檢測過程是首先通過高能激光聚焦到目標表面將其燒蝕成等離子體，然后在等離子體冷卻膨脹過程中發射出各個元素電離形成的一系列譜線，最后通過采集這些譜線并對其數據進行分析，得出所含的元素及其相應的濃度。

激光誘導擊穿光譜法較前面幾種常見的光學檢測法具有很多優勢，首先，該方法可以實現實時測量，不需要取樣、制備等復雜的預處理便可以直接檢測；其次，因為該方法屬于原子發射技術，所以可以同時檢測幾乎所有的元素；再次，因為測量過程是采用激光來激發樣品，同時檢測過程中也是檢測等離子體的光信號，因此理論上可以檢測較遠位置的樣品，實現遠距離檢測；最后，該方法工作環境簡單、體積小、分析速度快，因此非常適用于現場檢測等。正因為以上這些優點，使該方法成為目前最有前景的光譜檢測手段，在海洋重金屬檢測等多個領域發揮著重要作用。

4 總結

綜上所述，水環境中的重金屬污染是目前一個嚴峻且亟待解決的問題，人們必須要高度重視。雖然水環境重金屬污染的檢測方法有很多，傳統的檢測方法已經無法滿足新標準限值對于水環境中重金屬的檢測需求，因而需要在實踐中不斷探索化學和生物等不同學科的融合檢測方法，實現由單一檢測手段轉變為多種新型技術相結合的檢測技術，發展簡單、快速、便攜式檢測系統已成為未來的發展趨勢。因此，在實際應用中，工作人員必須要選擇并發展科學合理的檢測方法，進一步加強對水資源的檢測、保護和利用。