水环境中重金属污染的现状及检测技术浅谈

钟 浩

（宁夏测衡联合实业有限公司，宁夏 银川 750021）

水资源是人类赖以生存，经济、社会发展最为重要的物质基础，然而目前水污染被称为各种环境污染中的“世界头号杀手”，其所造成的影响已反映在人们的日常生活中[1]。据统计，全球每年释放到水环境中的被污染的淡水量已超过了世界径流总量的14%。

我国人均水资源远低于世界上其他国家[2]。随着我国经济的快速发展，工业、农业以及居民生活均对水环境造成了很大影响，水污染问题越来越突出，主要反映在水质的恶化以及水体自净功能的降低与丧失，其中重金属污染就是目前我国面临的各类水污染中最为严峻的问题之一。通常，自然水体中重金属的存在处于正常浓度范围，而重金属经由各种渠道进入自然水体，使自然水体中的重金属含量超标，进而造成严重的水环境重金属污染。一般情况下，水环境重金属污染所带来的后果不可预估，除了会造成一定的经济损失之外，还可能危害人体的健康和生命[3]。

1 水环境中重金属污染现状

水环境主要由地下水、大气水和地表水构成，地表水又包括河流、湖泊、水库、海洋及工业用水、排放水和生活排放污水等。我国人口众多，而且居住的密度较大，近年来，由于工、农业发展迅速，工、农业生产和日常生活中排放的含重金属废水、废气经由地表水和大气降水在水环境中不断进行传递和扩散。同时，由于我国湖泊河流的网络和地下水系的脉络四通八达，所以水体一旦被污染，就会很快向周边扩散。因此，我国水环境中重金属污染的范围较广，加之我国污水集中处理率较低，各级污水处理厂的污水处理能力参差不齐，更伴随着各地日趋严重的面源污染，造成了我国目前不同水系、湖泊和地下水普遍存在不同程度、多种类型重金属污染的现状，总体监测结果极不乐观[4]。

我国相关环境监测部门对作为饮用水源地的河流、湖泊和水库进行监测发现，在这几类地表水体中，汞、铬和铅的污染较为常见，其他重金属对地表水饮用水体的污染相对较少，但其超标现象也不容忽视[5]，全国几乎80%的水环境都遭受着不同程度的重金属污染[6]，详见表1。

表1 2013～2018 年重点流域饮用水中14种重金属监测指标检测结果 单位：mg/L

国内不同区域内的地表水、地下水中重金属污染种类、污染程度直接与流域内城市发展和工厂“三废”排放呈现正相关，水体重金属污染已经逐步对生态环境和人体健康造成了严重地威胁。

2 水环境中重金属污染的主要来源及危害

2.1 水环境中重金属污染的主要来源

通过进一步分析发现，水环境中重金属污染的主要来源比较多元化，具体包括化工生产、金属冶炼、电镀等各类工业活动，也涉及农用杀虫剂、生活污水等，以上环节所产生的重金属会借助大气圈、土壤圈、生物圈等方式进入到水体并蓄积，当超出水体自净能力时，就会造成水环境重金属污染。重金属的污染来源详见图1。

图1 重金属污染来源

2.2 水环境中重金属污染的危害

水体中的重金属通过饮用水、接触、食物媒介等多种渠道进入人体后，会与人体内的蛋白质相结合，使蛋白质的空间结构发生改变，其活性也会受到一定程度的影响，进一步对人体造成不可逆转的伤害。最可怕的是，微量的重金属元素能溶解在水中，且因剂量微小不易被察觉，进入人体各个器官后难以代谢和外排，就会在人体不断积累，导致人体长期慢性中毒，对人类的生命和健康造成了很大威胁。其中，铅对人体的影响最大，会影响人体的神经系统、造血和生殖机能等，在人体内的半衰期长达4年；砷、汞、镉、铬等其它重金属可以在人体的内脏组织中沉积，造成各种器官组织的损伤甚至导致人体死亡。尽管水环境可以通过水生生物对一些重金属污染物质实现降解净化，但当重金属浓度过高时，这些生物自身也会受到伤害，从而使其水体自净能力降低或彻底丧失，最后造成生态圈的破坏。

3 水环境中重金属检测技术

水环境中的重金属污染不仅会影响生态环境，还会危害人类的身体健康和生命安全，因而对水环境中的重金属进行检测是非常重要的。目前常用于水体重金属检测的主要方法有常规法（流动分析法、分光光度法）、生物化学分析法（酶抑制法、抗体免疫分析法）、光谱法（电感耦合等离子体发射光谱法、原子吸收光谱法等）、色谱法（气相色谱法）、仪器联用法（气相色谱冷原子荧光光谱法）和其它新型检测方法等。

3.1 流动分析检测法

流动分析检测法是将水样注入到流动载体中，在流动中进行搅拌、反应显色、测试，从而实现对水样重金属的检测，如使用流动注射-二苯碳酰二肼光度法测定水质中的六价铬。流动注入技术采用直接进样的方式，无需进行前处理，因而减少了样品与外部环境的接触，并通过控制进样流速的均匀，保证了测定结果的准确性。

3.2 分光光度法

所谓分光光度法，即是通过测定实验物质在特定波长条件下的吸光度或发光强度检测其中的重金属含量。使用分光光度法测定水体重金属元素（如Cu、Cr、Mn、Be、B、V），是在一定条件下，通过选用特定试剂与某重金属元素发生螯合反应，使形成的螯合物对特定波长的光进行吸收，借助吸光度与浓度的正比关系实现对该种重金属含量的定量测定。

3.3 酶抑制法

酶抑制法测定重金属是借助重金属与特定酶的活性中心具有较强的亲和力，通过改变酶活性中心的结构，使其活力被削弱，使底物-酶系统发生变化，如显色剂的颜色、吸光度等，这些变化可通过视觉或光电信号进行检测，从而实现对水体中重金属的定性判断。

3.4 抗体免疫分析法

重金属抗体免疫分析法是利用抗体和对应抗原能在较低浓度下进行特异性识别及专一性结合并产生颜色反应的原理，实现对水体中重金属含量的定性、定量分析，该方法需要制备重金属-螯合物复合物单克隆抗体或重金属重组抗体，具有快速、简便、灵敏等特点，因而可实现便携现场监测。

3.5 电感耦合等离子体发射光谱法

所谓电感耦合等离子发射光谱法，即是以等离子体作为激发光源的原子发射光谱分析方法，该方法可同时测定多种重金属元素，如铅、镍、镉、铬等。电感耦合等离子发射光谱法与重量法、容量法具有一定的相似之处，可在部分项目中进行替换使用。

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谱法(AAS)，是目前最常用的一种测定无机元素的方法。其工作原理为用被测元素的基态原子蒸气来测量光谱的吸收强度。具体而言，原子吸收分光光度法具有灵敏度高、检测速度快、干扰少、精密度良好等特点，可对被测元素进行直接测试。但从另一个层面看，若要利用原子吸收分光光度法进行多种元素的测定，则需要对样品处理提出更高的要求。

3.7 原子荧光光谱法

原子荧光光谱法是通过基态原子蒸气吸收特定频率的辐射，激发到高能态过程中以光辐射形成发射出特征谱线的波长和强度的荧光，实现对被测物质的定量分析。这一方法的显著特征体现为灵敏度高、测量范围广、选择性多等。但利用这一方法进行检测时，还需考虑被测物质自身是否会发射荧光，若是，则需要先对其进行衍生处理，因而这一方法的应用范围并不广泛，目前主要适用于不同水体中PPb浓度级别的汞、砷、硒、锑、铋等金属元素的测定。

3.8 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是一种较为普遍的质谱联用检测技术，该分析技术结合了ICP的高温离子特性以及质谱仪的快速扫描特性。首先采用电感耦合激发待测样品，利用高温电离使样品汽化而分离，然后通过质谱仪生成样品的质谱图，随后使用质谱方法进行定量检测，通过分析质谱图得出样品中所含的重金属元素，结构如图2所示。利用该方法测得的图谱易于分析、检测精度高、重复性较高，可以进行超痕量重金属元素的分析，因此被认为是超痕量重金属元素最有效的检测技术之一。

图2 ICP-MS结构示意图

3.9 气相色谱法

气相色谱法是通过化学反应使水体中的重金属与有机化合物结合生成金属有机化合物，并利用色谱柱分离金属有机化合物，然后再利用气相色谱检测器进行识别，实现对该金属有机化合物的定性、定量分析，达到测定水体重金属元素的目的。如在酸性条件下，碘化物与重铬酸钾能够发生反应生成并析出碘，碘与丁酮反应生成3-碘-2-丁酮，可用气相色谱法电子捕获检测器进行定量测定，实现了对水体中碘化物的检测；水体中的汞经烷基化后生成甲基汞和乙基汞，可通过气相色谱法电子捕获检测器进行定量测定，实现对水体中有机汞的检测。

3.10 气相色谱冷原子荧光光谱法

该方法是利用色谱（气相色谱仪）与光谱（冷原子荧光测汞仪）联用技术，实现对水体中烷基汞含量的测定。其原理是水样经蒸馏后，形成流出液中的烷基汞经四丙基硼化钠衍生，生成挥发性的甲基丙基汞和乙基丙基汞，经吹扫捕集、热脱附和气相色谱分离后，在高温下裂解为汞蒸气，再用冷原子荧光测汞仪进行检测，并可根据保留时间进行定性，用外标法进行定量。

3.11 其它新型检测方法

激光诱导击穿光谱法(LIBS)，又称为激光诱导等离子体光谱技术，是发射光谱分析法的一种。该方法的检测过程是首先通过高能激光聚焦到目标表面将其烧蚀成等离子体，然后在等离子体冷却膨胀过程中发射出各个元素电离形成的一系列谱线，最后通过采集这些谱线并对其数据进行分析，得出所含的元素及其相应的浓度。

激光诱导击穿光谱法较前面几种常见的光学检测法具有很多优势，首先，该方法可以实现实时测量，不需要取样、制备等复杂的预处理便可以直接检测；其次，因为该方法属于原子发射技术，所以可以同时检测几乎所有的元素；再次，因为测量过程是采用激光来激发样品，同时检测过程中也是检测等离子体的光信号，因此理论上可以检测较远位置的样品，实现远距离检测；最后，该方法工作环境简单、体积小、分析速度快，因此非常适用于现场检测等。正因为以上这些优点，使该方法成为目前最有前景的光谱检测手段，在海洋重金属检测等多个领域发挥着重要作用。

4 总结

综上所述，水环境中的重金属污染是目前一个严峻且亟待解决的问题，人们必须要高度重视。虽然水环境重金属污染的检测方法有很多，传统的检测方法已经无法满足新标准限值对于水环境中重金属的检测需求，因而需要在实践中不断探索化学和生物等不同学科的融合检测方法，实现由单一检测手段转变为多种新型技术相结合的检测技术，发展简单、快速、便携式检测系统已成为未来的发展趋势。因此，在实际应用中，工作人员必须要选择并发展科学合理的检测方法，进一步加强对水资源的检测、保护和利用。