韓應(yīng)湛

1.芮城縣市場(chǎng)監(jiān)督管理局，山西 芮城 044600；2.芮城縣綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山西 芮城 044600

汞是一種廣泛存在于自然界的重金屬，具有極高的毒性和持久性。它經(jīng)常通過工業(yè)過程、礦山活動(dòng)、醫(yī)療廢物等被釋放到環(huán)境中，造成了嚴(yán)重的水體和土壤污染。水體和土壤中的汞進(jìn)入生物體內(nèi)后，會(huì)通過食物鏈最終被人體吸收，從而危害人類健康。因此，研究處理含汞廢水的有效方法對(duì)于保護(hù)環(huán)境和人類健康至關(guān)重要[1]。近年來，利用微生物處理汞廢水逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。微生物擁有多樣化的酶系統(tǒng)和代謝途徑，可以在特定環(huán)境條件下對(duì)汞進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和去除。被認(rèn)為是一種潛力巨大的汞廢水處理方法。因此，本文針對(duì)含汞廢水的微生物處理方法展開研究，以期為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 汞廢水的特性和來源

1.1 汞的特性和毒性

汞是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)為Hg，原子序數(shù)為80。汞的特性如表1 所示。

表1 汞的特性

汞的毒性非常高，它是一種強(qiáng)烈的生物累積物。人體接觸汞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。首先，汞可以穿過血腦屏障，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成廣泛和嚴(yán)重的毒性刺激。人體與汞長(zhǎng)期接觸或暴露在高劑量汞環(huán)境下會(huì)引發(fā)記憶力衰退、注意力不集中、精神紊亂等神經(jīng)系統(tǒng)受損的問題。其次，妊娠婦女接觸汞會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生特別嚴(yán)重的影響，會(huì)導(dǎo)致胎兒智力低下、行為和神經(jīng)發(fā)育異常等問題。最后，汞在水環(huán)境中可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)汞形式（如甲基汞），被生物體攝取后逐級(jí)富集，從而對(duì)食物鏈上的生物造成影響[2]。

1.2 汞廢水的常見來源和排放途徑

第一，工業(yè)生產(chǎn)。許多工業(yè)過程排放的廢水中都含有汞，例如電子、醫(yī)藥、化工、煉油等行業(yè)。第二，煤燃燒。燃煤是一種常見的能源來源。在燃燒過程中，汞會(huì)被釋放到空氣中，并最終循環(huán)進(jìn)入地表水體[3]。第三，污染物轉(zhuǎn)移。廢水中的汞可以通過污水處理廠進(jìn)入城市排水系統(tǒng)，然后被排放到自然水體中。這種情況通常發(fā)生在缺乏有效的廢水處理設(shè)施的地區(qū)。

2 微生物處理汞廢水

2.1 微生物對(duì)汞的代謝途徑和機(jī)制

微生物對(duì)汞的代謝途徑和機(jī)制豐富多樣。一是汞還原酶系統(tǒng)。一些微生物擁有特殊的汞還原酶系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)⒂袡C(jī)汞離子（如甲基汞）還原為無機(jī)汞（如Hg2+），進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性汞（如Hg0）。這一過程需要還原劑（例如谷胱甘肽）和汞還原酶。該系統(tǒng)廣泛存在與某些細(xì)菌和古細(xì)菌中，允許它們從環(huán)境中的有機(jī)汞中獲取能量。二是汞甲基化。一些微生物具備汞甲基化能力，即將無機(jī)汞（如Hg2+）甲基化為甲基汞離子（如甲基汞根離子CH3Hg+）。這種汞甲基化反應(yīng)通常用甲基汞轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行催化，將S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為甲基供體。甲基汞離子在環(huán)境中更易于進(jìn)行生物累積，并進(jìn)入食物鏈。三是汞降解和解毒。一些微生物具有降解汞的能力，能夠?qū)⒂袡C(jī)汞化合物降解為毒性較低的無機(jī)形式。這些微生物可以通過特定的酶系統(tǒng)來催化這一過程，這種代謝途徑有助于降低汞在環(huán)境中的毒性影響。

2.2 微生物種類選擇和適應(yīng)條件

在選擇適合處理汞廢水的微生物種類時(shí)，需要考慮諸多因素。首先，選擇具有較高汞耐受性的微生物種類非常重要。因此，在選擇微生物種類時(shí)，要選擇那些對(duì)汞具有很強(qiáng)的抵抗性，可以在高濃度的汞環(huán)境中存活和繁殖的微生物。其次，適合的微生物種類應(yīng)具有適應(yīng)汞的代謝能力，這些代謝能力可以使微生物參與到對(duì)汞的轉(zhuǎn)化和去除過程中。第三，微生物對(duì)環(huán)境的耐受性較強(qiáng)。選擇適應(yīng)目標(biāo)環(huán)境條件的微生物種類是成功處理汞廢水的基礎(chǔ)。這些環(huán)境條件包括溫度、pH、氧氣含量等。最后，在引入微生物處理汞廢水時(shí)，還需要考慮其對(duì)環(huán)境的生態(tài)相容性，因?yàn)檫@涉及微生物是否會(huì)對(duì)其他生物產(chǎn)生不良影響以及其在自然環(huán)境下的存活和繁殖能力。

2.3 微生物處理汞廢水的優(yōu)勢(shì)

第一，高效性。微生物可以通過各種代謝途徑和酶系統(tǒng)將有機(jī)汞化合物降解為無機(jī)形式或轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性汞。這些特殊的代謝能力使微生物對(duì)汞廢水的處理具有高效性，可以迅速降低廢水中汞的濃度。第二，選擇性。微生物可以選擇性地代謝和降解汞化合物。這種選擇性代謝使微生物在處理汞廢水時(shí)能夠更加精確地處理其中的汞污染，以減少其對(duì)環(huán)境的不必要干擾。第三，自然環(huán)境適應(yīng)性。許多存在于自然界中的微生物已經(jīng)可以很好地適應(yīng)含有汞的環(huán)境了。因此，這些用來處理汞廢水的微生物不僅具有良好的適應(yīng)性，也能降低人工引入微生物的風(fēng)險(xiǎn)。

3 微生物法處理汞廢水實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

本次實(shí)驗(yàn)將研究pH、Hg2+質(zhì)量濃度對(duì)微生物GX-10 治理含汞廢水效果的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法如下。

3.1.1 pH 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在開展pH 對(duì)治理效果影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要配置5 組Hg2+質(zhì)量濃度均為20 mg/L 的HgCl2溶液，每組各50 mL。其次，將pH 分別設(shè)定為3、4、5、6、7，將20 g/L 的微生物GX-10 投入每個(gè)組合的溶液中。在30 ℃的反應(yīng)條件下，以180 r/min 的轉(zhuǎn)速振蕩360 min。在反應(yīng)完成后，對(duì)各組溶液中的Hg2+含量進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)各組數(shù)據(jù)平行測(cè)量3 次。

3.1.2 Hg2+質(zhì)量濃度

配制5 組容量均為50 mL 的HgCl2溶液，其中Hg2+的質(zhì)量濃度分別為0.5 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L，分別放于三角形瓶?jī)?nèi)。分別向每個(gè)組別的溶液中投入2 g 細(xì)菌。將溶液的pH 調(diào)整至5，在30 ℃的反應(yīng)條件下，以180 r/min 的轉(zhuǎn)速振蕩30 min。反應(yīng)完成后，對(duì)各組溶液中的Hg2+含量進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)各組數(shù)據(jù)平行測(cè)量3 次。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.2.1 pH 對(duì)治理效果的影響

本研究的原理是通過pH 對(duì)真菌細(xì)胞壁目標(biāo)部位的電離，對(duì)Hg2+在溶液中的化學(xué)形態(tài)、細(xì)胞表面功能基團(tuán)的化學(xué)組成、Hg 元素在細(xì)菌中的分布、環(huán)境中的Hg 離子濃度等變化情況進(jìn)行調(diào)控。pH 偏高或偏低均會(huì)對(duì)吸附金屬離子造成不良影響，偏低時(shí)，H+與Hg2+競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞表面的靶位點(diǎn)，導(dǎo)致細(xì)胞壁上的功能基團(tuán)質(zhì)子化，會(huì)增大細(xì)胞表面的靜電排斥力，進(jìn)而阻礙Hg2+與靶位點(diǎn)的結(jié)合。而pH 過高時(shí)，Hg2+會(huì)與OH-結(jié)合，導(dǎo)致吸附過程無法正常進(jìn)行。當(dāng)pH 超過Hg2+的微沉淀上限時(shí)，Hg2+會(huì)沉淀析出。如圖1 所示，當(dāng)pH 為3 時(shí)，溶液中H+濃度非常高，此時(shí)Hg2+在與H+爭(zhēng)奪目標(biāo)位置的過程中處于不利地位，導(dǎo)致吸附效果減弱。當(dāng)pH 為5 時(shí)，Hg2+的去除效率達(dá)93.75%。當(dāng)pH 為7 時(shí)，OH-的含量有所增加，目標(biāo)位置的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，導(dǎo)致吸附效果減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pH 在4～6 范圍內(nèi)時(shí)，吸附效果較好。

圖1 pH 對(duì)治理效果的影響

3.2.2 Hg2+質(zhì)量濃度對(duì)治理效果的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在使用低濃度的HgCl2溶液處理真菌細(xì)胞壁上的靶部位時(shí)，Hg2+能夠與靶部位有效結(jié)合。這就意味著在Hg2+濃度較低的情況下，真菌可以發(fā)揮其作用位點(diǎn)的功能。如圖2 顯示，在Hg2+質(zhì)量濃度不超過0.5 mg/L 時(shí)，廢水的出水濃度可以降至0.048 5 mg/L，滿足全國廢水的綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，并且低于0.05 mg/L，有效解決了高含汞量廢水無法達(dá)標(biāo)的問題。然而，當(dāng)利用真菌處理高濃度HgCl2溶液時(shí)，真菌就無法充分發(fā)揮其作用位點(diǎn)的功能。在使用微生物GX-10 菌對(duì)50 mg/L 含汞廢水進(jìn)行處理時(shí)，出水質(zhì)量濃度在0.732～3.57 mg/L 之間，遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)要求的濃度。造成這種現(xiàn)象的原因可能是高濃度的Hg2+對(duì)真菌產(chǎn)生了毒性效應(yīng)，導(dǎo)致微生物數(shù)量減少或活性下降，從而導(dǎo)致廢水處理效果減弱。

圖2 Hg2+質(zhì)量濃度對(duì)治理效果的影響

綜上所述，真菌在低濃度Hg2+的處理方面表現(xiàn)出了良好的效果，但對(duì)于高濃度Hg2+的廢水處理，仍需要尋找其他更有效的處理方法或采用組合處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的廢水處理效果。

4 結(jié)論

汞是一種有毒的重金屬，廣泛存在于工業(yè)廢水中。鑒于其高毒性和易積累性，安全高效處理汞廢水成為了環(huán)境保護(hù)的重要課題。傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法雖然可以去除汞，但往往需要高昂的成本和復(fù)雜的操作。相比之下，利用微生物來處理汞廢水具有成本低、效果好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此微生物處理含汞廢水受到了高度關(guān)注。本文對(duì)含汞廢水的微生物處理進(jìn)行研究，希望能夠?yàn)榻鉀Q含汞廢水的處理問題提供新思路。