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水质中重金属元素的高效检测方法与应用研究

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王浩安 , 满玉凯 , 金硕 ^*

实验室检测 | 评价与分析 2025,3(2): 136-139

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水质中重金属元素的高效检测方法与应用研究

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王浩安, 满玉凯, 金硕^*

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中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心廊坊 065000

王浩安，助理工程师，研究方向为水质土壤岩石的元素分析。

通讯作者:

^*金硕，助理工程师，研究方向为水质土壤岩石的元素分析。E-mail: 805136689@qq.com

Affiliations

出版时间: 2025-01-23

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摘要

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随着我国工业化进程的加快,水质污染问题日益严重。大量工业废水的排放导致生态环境被破坏,水环境的污染也随之越来越严重。水质的污染给人们的生活带来了极大的不便。因此,需发展水质中重金属元素的高效检测方法,准确评估水体污染状况,有针对性地采取治理措施。本文在分析重金属元素污染危害与现状的基础上,对比研究了石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等常用检测方法的优化策略,提出了基于生物传感器的新型检测方法,针对饮用水、工业废水、农业灌溉水、地表水等不同类型水体,开展了重金属元素检测的应用研究,为水质监测预警、污染治理与风险防控提供科学依据,具有重要意义。

关键词

重金属元素 / 水质检测 / 原子吸收光谱

引用本文

王浩安, 满玉凯, 金硕. 水质中重金属元素的高效检测方法与应用研究. 实验室检测, 2025 , 3 (2) : 136 -139 .

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0 引言

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水是人类生活中不可或缺的资源, 由于工业化进程和生活污水的排放等因素,水质受到了严重的污染,重金属污染成为危害水环境的主要因素之一。重金属元素具有生物毒性大、在环境中难降解等特点, 通过废水排放、面源径流等途径进入江河、湖泊、地下水等,不仅会破坏水体的物理化学性质和生态平衡, 威胁水生生物的生存, 还会通过食物链富集, 危害人体健康。《“十四五”水环境质量监测与评价指南》将铅、汞、镉、铬、砷等重金属列为严控项目,要求加强重点流域、饮用水源地等的监测预警^[1]。因此,研究水质中重金属元素的高效检测方法, 开展饮用水、工业废水、农业灌溉水等的检测应用, 对于保障水环境安全和人体健康具有重要意义。本文旨在分析水质重金属污染的危害与现状, 探讨石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、生物传感器等检测技术的优化改进策略,并针对饮用水、工业废水、农业灌溉水、地表水等典型水体开展重金属元素检测的应用研究, 为水质监测预警、污染防治与风险管控提供技术支持。

1 水质中重金属元素污染的危害与现状

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1.1 重金属元素污染对环境的危害

重金属元素污染会显著改变水体的理化性质, 破坏水体自净能力。以铅为例,当水体中铅含量超过${0.05}\mathrm{{mg}}/\mathrm{L}$时,会抑制细菌的新陈代谢, 削弱有机物的降解速率。汞离子会与水中的腐殖酸发生螯合反应, 形成甲基汞等有机汞化合物, 进一步降低微生物的活性,影响水质自净^[2]。铬酸盐等六价铬化合物具有强氧化性, 会干扰水生生物的呼吸作用, 导致溶解氧下降, 引发缺氧。重金属元素还会通过沉淀、吸附等作用, 在底泥中大量富集, 改变底泥的物理结构和化学组成, 扰乱底栖生物的生存环境。太湖沉积物中铜、锌、铅、镉等重金属含量均值分别为${39.3}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$、${116}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$、${34.1}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$、${0.86}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$,远高于背景值,已对湖泊生态系统造成显著影响^[3]。

1.2 重金属元素污染对人体健康的危害

饮用水是重金属元素进入人体的主要途径之一, 当饮用水中重金属超标时, 会对人体健康产生严重危害。铅会造成消化、神经、造血等多系统损伤,引起贫血、慢性肾功能衰竭等。研究发现,儿童体内铅含量每升高${10\mu }\mathrm{g}/\mathrm{{dL}}$,智商就会下降 2~3 个点。汞主要损害人体神经系统,导致手足麻痹、言语障碍、智力减退等。孕妇汞中毒还会影响胎儿大脑发育。镉会引起骨质疏松、肾小管功能受损,诱发前列腺癌、肺癌等多种肿瘤^[4]。六价铬化合物具有致癌、致畸、致突变作用,可引起呼吸系统损伤、过敏性皮炎等,砷暴露与皮肤癌、膀胱癌、肺癌等发病率升高密切相关。饮用水中重金属超标 30%,居民慢性病发病率就会升高 5% 左右^[5]。

1.3 我国水质中重金属元素污染的现状

我国部分江河湖泊、近岸海域重金属污染问题突出, 对供水安全构成威胁。据生态环境部发布的《2020 年中国生态环境状况公报》, 全国地表水 1940 个水质断面中, 重金属超标断面比例为 2.3%,其中, 铅超标断面比例为 0.6%,汞超标 0.5%,镉超标 0.2%,砷超标 1.0%。松花江、辽河、海河等北方 7 大流域重金属超标断面占比普遍高于全国平均水平, 如辽河干流砷超标断面比例达 9.1%,浑太河系汞超标断面比例为 11.1%。珠江、长江中下游地区也存在区域性重金属污染问题,如洞庭湖口砷超标、鄱阳湖口铅超标等^[6]。广东省沿海多个海湾重金属污染严重,胶州湾、大亚湾表层水中铅、铜、锌含量分别超出国家一类海水水质标准的 1.6~5.8 倍。畜禽养殖业快速发展引发的水体重金属污染日益突出, 每生产$1\mathrm{t}$鸡、猪肉,排泄物中就含$1\mathrm{\;{kg}}$左右铜、锌。大量粪肥农田施用使土壤重金属含量升高, 进而通过农田径流、灌溉回渗等污染地表水和地下水,如太湖地区农田土壤铜、锌含量分别高达${182}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$、${385}\mathrm{{mg}}/\mathrm{{kg}}$,引起周边水体重金属超标^[7]。据测算,全国畜禽养殖每年向环境排放${1400}\mathrm{t}$铜、${2100}\mathrm{t}$锌,已成为农村水体重金属污染的主要来源。有机肥原料重金属含量抽检表明, 40% 以上的商品有机肥铬含量超标, 20% 左右的产品砷、汞、铅、镉等含量超标, 有机肥超标使用加剧了耕地土壤和水体的重金属累积^[8]。

2 水质中重金属元素的高效检测方法研究

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2.1 石墨炉原子吸收光谱法的优化

石墨炉原子吸收光谱法(Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy, GFAAS)具有仪器投资少、分析时间短、灵敏度高等特点, 是水质重金属检测的常用方法之一, 但在实际应用中, 易受到基体效应、化学干扰等因素的影响, 导致检出限降低、精密度下降。为提高 GFAAS 法检测重金属的准确性、灵敏度, 可采取以下优化措施。一是优化石墨管衬管涂层工艺, 传统的热解涂层虽可延长石墨管使用寿命, 但易产生 memory 效应,研究发现,采用$\mathrm{{Ir}}\text{、}\mathrm{{Zr}}$等金属元素的永久改性涂层,不仅可有效抑制化学干扰,还可使灵敏度提高 1~2 个数量级^[9]。二是优化基体改进剂,在待测溶液中加入$\mathrm{{Pd}}\text{、}\mathrm{{Mg}}$等化学改进剂, 可增强基体与待测元素间的化合物生成, 减少基体干扰, 有研究采用$\mathrm{{Mg}}{\left({\mathrm{{NO}}}_{3}\right)}_{2}- \mathrm{{Pd}}{\left({\mathrm{{NO}}}_{3}\right)}_{2}$混合改进剂测定水中砷,检出限降至${0.05\mu }\mathrm{g}/\mathrm{L}$,基体抑制率高达${95}\%$。三是优化昇华分离技术, 采用程序升温蒸发, 使待测元素与基体干扰物质的挥发温度差异最大化,从而实现有效分离。如在测定水质镉时,利用还原气氛下${450}^{\circ }\mathrm{C}$蒸发${30}\mathrm{\;s}$,可有效消除${90}\%$以上的钠、氯化物干扰^[10]。

综合采用上述优化措施, 多个研究将水样中铅、镉、铬、砷等的检出限降至 ng/L 水平,测定精密度控制在 5% 以内, 但 GFAAS 法仍存在样品通量低、易污染石墨管等局限,难以满足大批量样品的现场快速检测要求, 有待进一步改进。

2.2 电感耦合等离子体质谱法的改进

电感耦合等离子体质谱法(Inductively coupled plasma-Mass Spectrometry, ICP-MS)具有分析速度快、检测限低、线性范围宽等优势, 近年来在水质重金属检测领域得到广泛应用。但 ICP-MS 也存在基体效应显著、质谱干扰严重等问题, 导致分析灵敏度、精密度降低。为充分发挥其在水质重金属检测中的优势, 需重点加强以下方面的改进。一是优化样品前处理方法。水样基体复杂多样, 直接进样易造成基体效应、离子化抑制等干扰, 采用共沉淀、螯合萃取等前处理技术, 可有效分离基体,提高分析灵敏度,如用 APDC-MIBK 萃取 - 石墨炉蒸发富集,可将水中镉、铬、铅、砷的检出限降至${0.01}\sim {0.05\mu }\mathrm{g}/{\mathrm{L}}^{\left\lbrack {11}\right\rbrack }$。二是改进同位素稀释校正技术, 在待测样品中加入已知同位素比值的稀释剂, 可校正基体干扰引起的信号漂移, 提高分析准确度,如采用${}^{110}\mathrm{{Cd}}- {}^{111}\mathrm{{Cd}}$同位素稀释,可使水质镉测定的相对标准偏差降至 1.2% 以下。三是优化多接口动态反应池技术, 在质量分析器前串联$\mathrm{{He}}\text{、}{\mathrm{{NH}}}_{3}$等多种反应气体,可有效消除ArCl${}^{+ }$等多原子离子干扰,如采用$\mathrm{{He}}- {\mathrm{{NH}}}_{3}$动态反应池,水中砷检出限可降至${0.02\mu }\mathrm{g}/\mathrm{L}$,基体去除率提升较高^[12]。通过综合采用上述改进措施, 多个研究实现了水质重金属元素的痕量检测,铅、镉、汞、砷等的检出限达到$\mathrm{{ng}}/\mathrm{L}$甚至$\mathrm{{pg}}/\mathrm{L}$水平,测定精密度优于 3%,但 ICP-MS 仪器成本高昂, 对实验室环境和操作人员技术要求较高, 在基层水质监测机构的推广应用仍有难度, 有待开发更经济、快捷的检测方法。

2.3 基于生物传感器的新型检测方法

生物传感器因具有特异性强、灵敏度高、检测速度快等特点, 在水质重金属检测领域显示出广阔应用前景。根据识别元件的不同,重金属生物传感器主要包括酶传感器、抗体传感器、微生物传感器和全细胞传感器等,其中,金属硫蛋白(Metallothionein, MT)基因工程菌传感器和萤光蛋白(Green Fluorescent Protein, GFP)全细胞传感器因构建简单、测定快速,成为研究热点^[13]。MT 基因工程菌传感器利用重金属离子与 MT 特异结合引起菌株电导率响应实现定量检测,如东南大学研制的铜绿假单胞菌 MT-Cd 传感菌,通过电导率响应可在${30}\mathrm{\;{min}}$内检测出${1\mu }\mathrm{g}/\mathrm{L}$的Cd${}^{2 +}$,线性范围宽达 3 个数量级。武汉大学构建了多种$\mathrm{{MT}}- \mathrm{{Au}}$纳米探针,可实现水中Hg${}^{2 +}\text{、}{\mathrm{{Pb}}}^{2 +}$、Cd${}^{2 +}$的高通量检测,灵敏度是常规比色法的 10 倍,中国环境科学研究院开发出$\mathrm{{MT}}- \mathrm{{Cu}}$传感酵母菌,对水质中Cu${}^{2 +}$的检出限低至${0.25\mu }\mathrm{g}/\mathrm{L}$,抗干扰素干扰素力强,已应用于龙江河流域重金属污染监测^[14]。

3 水质中重金属元素检测的应用研究

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3.1 饮用水中重金属元素的检测与评价

饮用水中重金属超标会对人体健康产生严重危害, 加强饮用水源地、供水厂及管网的检测监控至关重要。研究者采用 ICP-MS、GFAAS 等方法, 在新疆乌鲁木齐、内蒙古包头等重点城市开展了饮用水重金属检测。结果表明, 自来水厂出水铅、汞、镉、砷等重金属含量均低于国标限值,但二次供水及管网末梢水易受到污染,重金属超标率高达 15%。农村饮用水重金属污染问题更为严重,如云南红河州 70% 的机井水汞超标,最高达${50\mu }\mathrm{g}/\mathrm{L}$; 四川什邡 80% 村落饮用水镉超标,与村民肾损伤发病率密切相关^[15]。

饮用水重金属污染已引起各级政府高度重视, 并纳入日常监测和风险评估体系。生态环境部发布的《城市供水水质管理技术指南》,将铅、汞、镉、铬、砷等列为重点评估指标,要求供水企业每半年开展一次管网水重金属检测^[16]。各地结合区域水环境特点制定了重点监测方案, 如江苏省将太湖流域列为铅汞监测区, 广东省将珠江三角洲列为镉砷监控区等。但目前饮用水重金属检测主要依赖于实验室分析, 难以实现水质的实时动态监控和预警,需开发重金属在线监测装置,建立饮用水重金属污染的实时预警和应急处置体系。

针对饮用水重金属污染, 建议完善法规标准, 将重金属纳入饮用水源地例行监测和风险评估体系, 明确供水单位检测职责；创新监测手段,研发重金属在线监测装置,建立污染实时预警和应急处置体系；强化风险管控,定期开展管网水质检测, 及时更换老旧管材, 严防二次污染; 综合治理, 推进流域上下游协同治污, 加强农村分散式水源地保护, 从源头防控重金属污染风险。

3.2 工业废水中重金属元素的检测与治理

工业废水排放是水体重金属污染的主要来源, 规范工业园区、矿产资源开发区等重点区域的废水重金属监管尤为关键。云南生态环境厅在红河州多个工业园区安装了重金属在线监测设备, 可实现对园区总排口汞、砷等重点指标的实时监控, 为流域重金属污染防控提供了示范。浙江省组织开展电镀、制革等重点行业清洁化改造,推广低毒低残留药剂,从源头减少铬、镉等重金属废水产生。河北唐山在废水处理厂配备重金属检测实验室, 对进水、出水开展逐批检测, 铅、镉去除率达 95% 以上。目前工业废水重金属检测以人工采样、实验室分析为主,自动监测比例低,代表性和及时性不足,在线监测设备价格昂贵、运维要求高,中小企业推广意愿不强^[17]。

对此, 建议健全标准, 完善行业重金属排放限值, 严格总量控制；创新装备,开发适用性强、经济实惠的在线监测仪器,提高在线监测比例; 严格执法, 加大超标排放处罚力度, 落实企业主体责任；强化溯源,利用大数据构建” 废水—污泥—污染物” 一体化溯源体系,精准查找污染源；更新工艺,加快重金属污染治理新技术推广应用,提升工业废水重金属减排能力。

3.3 农业灌溉水中重金属元素的检测与防控

当前, 我国农田重金属污染形势严峻, 超标率高达 16%, 已成为威胁粮食安全和人体健康的重大隐患。农业用水是农田重金属的主要来源之一, 加强灌溉水质监测对控制农产品重金属污染至关重要。农业农村部发布的《农产品产地环境监测技术规范》将灌溉水重金属检测频次规定为每年不少于 1 次。浙江省在蔬菜基地、水稻田等开展灌溉水汞、砷、镉等指标监测^[18]。灌溉水重金属污染对农产品安全已形成严重威胁,但尚缺乏行之有效的风险管控措施。

对此, 建议制定农田灌溉水重金属控制指标, 将其纳入例行监测; 分区种植, 在污染区调整种植结构, 向非食用农作物过渡；综合治理,加强农业面源污染控制,恢复湿地净化功能；精准用肥,选育重金属低积累品种,优化施肥灌溉方式；智慧管控, 构建农田一农产品全链条重金属溯源系统, 实现风险预警和产地准入管理。

3.4 地表水中重金属元素的检测与监测

我国七大流域、重点湖泊及近岸海域重金属污染形势严峻,完善地表水重金属监测体系、加强预警防控已成当务之急《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)将铅、汞、镉、铬、砷等 18 项重金属列为基本项目, 要求省级监测机构在重点流域、饮用水源地等开展监测^[19]。近年来,环境监测机构积极推广生物监测等新技术,拓宽重金属污染的监测视角,如广东省采用淡水青虾和鲫鱼作为汞、镉污染指示生物, 监测结果与水质检测数据呈显著正相关; 浙江省利用水生植物蓄积性状, 监测太湖、千岛湖等重点湖库的铬、砷污染程度。但目前地表水重金属监测仍存在区域代表性差、频次不足等问题。中西部欠发达地区监测能力薄弱, 未纳入国控断面的中小河流、支流缺少系统性调查。农村分散式供水水源地重金属监测几乎空白, 暴露人群健康风险不容忽视。

针对上述问题, 建议优化布局, 加密中西部欠发达地区及农村水源地监测点位；提高频次,增加汛期等关键时段监测频率；创新手段,推广生物监测、卫星遥感等非常规监测方式；强化预警,建立重点流域重金属污染的监测预警、会商研判和应急处置机制；公众参与,畅通群众监督渠道,发挥社会监测数据价值; 综合施策, 完善流域上下游联防联控, 开展污染溯源,从源头防控地表水重金属污染^[20]。

4 结束语

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重金属污染已成为危害我国水环境安全的重要因素, 加强水质中重金属元素的检测监管势在必行。石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等传统检测方法通过系列优化改进, 在灵敏度、准确度等方面取得显著进步, 但仍存在样品通量低、基体干扰大等不足。生物传感器等新型检测技术凭借特异性强、检测速度快等优势, 有望成为重金属污染筛查和预警的有力工具, 但实际应用中仍面临稳定性差、标准化程度低等瓶颈。因此, 未来应立足水质重金属检测需求导向, 加强检测新原理、新方法、新技术的基础研究,突破样品前处理、智能化测量等关键技术, 研制一批具有自主知识产权的重金属污染监测设备, 强化检测数据的分析、预警和共享能力, 为饮用水安全保障、工业废水达标排放、农产品质量安全等提供科技支撑。同时, 要创新重金属污染管控模式, 完善法律法规和标准体系,健全联防联控机制,形成政府、企业、公众多元共治的良好格局,为维护人民群众生命健康、推进生态文明建设作出贡献。

参考文献

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文献

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2025年第3卷第2期

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首发时间：2025-07-18
出版时间：2025-01-23

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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