含汞廢水的微生物處理研究

韓應湛

1.芮城縣市場監督管理局，山西 芮城 044600；2.芮城縣綜合檢驗檢測中心，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。它經常通過工業過程、礦山活動、醫療廢物等被釋放到環境中，造成了嚴重的水體和土壤污染。水體和土壤中的汞進入生物體內后，會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于保護環境和人類健康至關重要[1]。近年來，利用微生物處理汞廢水逐漸成為了一個研究熱點。微生物擁有多樣化的酶系統和代謝途徑，可以在特定環境條件下對汞進行生物轉化和去除。被認為是一種潛力巨大的汞廢水處理方法。因此，本文針對含汞廢水的微生物處理方法展開研究，以期為實際應用提供參考。

1 汞廢水的特性和來源

1.1 汞的特性和毒性

汞是一種化學元素，化學符號為Hg，原子序數為80。汞的特性如表1 所示。

表1 汞的特性

汞的毒性非常高，它是一種強烈的生物累積物。人體接觸汞會導致嚴重的健康問題。首先，汞可以穿過血腦屏障，對中樞神經系統造成廣泛和嚴重的毒性刺激。人體與汞長期接觸或暴露在高劑量汞環境下會引發記憶力衰退、注意力不集中、精神紊亂等神經系統受損的問題。其次，妊娠婦女接觸汞會對胎兒產生特別嚴重的影響，會導致胎兒智力低下、行為和神經發育異常等問題。最后，汞在水環境中可以轉化為有機汞形式（如甲基汞），被生物體攝取后逐級富集，從而對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，工業生產。許多工業過程排放的廢水中都含有汞，例如電子、醫藥、化工、煉油等行業。第二，煤燃燒。燃煤是一種常見的能源來源。在燃燒過程中，汞會被釋放到空氣中，并最終循環進入地表水體[3]。第三，污染物轉移。廢水中的汞可以通過污水處理廠進入城市排水系統，然后被排放到自然水體中。這種情況通常發生在缺乏有效的廢水處理設施的地區。

2 微生物處理汞廢水

2.1 微生物對汞的代謝途徑和機制

微生物對汞的代謝途徑和機制豐富多樣。一是汞還原酶系統。一些微生物擁有特殊的汞還原酶系統。這個系統能夠將有機汞離子（如甲基汞）還原為無機汞（如Hg2+），進而將其轉化為揮發性汞（如Hg0）。這一過程需要還原劑（例如谷胱甘肽）和汞還原酶。該系統廣泛存在與某些細菌和古細菌中，允許它們從環境中的有機汞中獲取能量。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+）。這種汞甲基化反應通常用甲基汞轉移酶進行催化，將S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為甲基供體。甲基汞離子在環境中更易于進行生物累積，并進入食物鏈。三是汞降解和解毒。一些微生物具有降解汞的能力，能夠將有機汞化合物降解為毒性較低的無機形式。這些微生物可以通過特定的酶系統來催化這一過程，這種代謝途徑有助于降低汞在環境中的毒性影響。

2.2 微生物種類選擇和適應條件

在選擇適合處理汞廢水的微生物種類時，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，要選擇那些對汞具有很強的抵抗性，可以在高濃度的汞環境中存活和繁殖的微生物。其次，適合的微生物種類應具有適應汞的代謝能力，這些代謝能力可以使微生物參與到對汞的轉化和去除過程中。第三，微生物對環境的耐受性較強。選擇適應目標環境條件的微生物種類是成功處理汞廢水的基礎。這些環境條件包括溫度、pH、氧氣含量等。最后，在引入微生物處理汞廢水時，還需要考慮其對環境的生態相容性，因為這涉及微生物是否會對其他生物產生不良影響以及其在自然環境下的存活和繁殖能力。

2.3 微生物處理汞廢水的優勢

第一，高效性。微生物可以通過各種代謝途徑和酶系統將有機汞化合物降解為無機形式或轉化為揮發性汞。這些特殊的代謝能力使微生物對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能夠更加精確地處理其中的汞污染，以減少其對環境的不必要干擾。第三，自然環境適應性。許多存在于自然界中的微生物已經可以很好地適應含有汞的環境了。因此，這些用來處理汞廢水的微生物不僅具有良好的適應性，也能降低人工引入微生物的風險。

3 微生物法處理汞廢水實驗研究

3.1 實驗設計和方法

本次實驗將研究pH、Hg2+質量濃度對微生物GX-10 治理含汞廢水效果的影響。實驗設計及方法如下。

3.1.1 pH 實驗設計

在開展pH 對治理效果影響的實驗時，首先需要配置5 組Hg2+質量濃度均為20 mg/L 的HgCl2溶液，每組各50 mL。其次，將pH 分別設定為3、4、5、6、7，將20 g/L 的微生物GX-10 投入每個組合的溶液中。在30 ℃的反應條件下，以180 r/min 的轉速振蕩360 min。在反應完成后，對各組溶液中的Hg2+含量進行測量，并對各組數據平行測量3 次。

3.1.2 Hg2+質量濃度

配制5 組容量均為50 mL 的HgCl2溶液，其中Hg2+的質量濃度分別為0.5 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L，分別放于三角形瓶內。分別向每個組別的溶液中投入2 g 細菌。將溶液的pH 調整至5，在30 ℃的反應條件下，以180 r/min 的轉速振蕩30 min。反應完成后，對各組溶液中的Hg2+含量進行測量，并對各組數據平行測量3 次。

3.2 實驗結果和分析

3.2.1 pH 對治理效果的影響

本研究的原理是通過pH 對真菌細胞壁目標部位的電離，對Hg2+在溶液中的化學形態、細胞表面功能基團的化學組成、Hg 元素在細菌中的分布、環境中的Hg 離子濃度等變化情況進行調控。pH 偏高或偏低均會對吸附金屬離子造成不良影響，偏低時，H+與Hg2+競爭細胞表面的靶位點，導致細胞壁上的功能基團質子化，會增大細胞表面的靜電排斥力，進而阻礙Hg2+與靶位點的結合。而pH 過高時，Hg2+會與OH-結合，導致吸附過程無法正常進行。當pH 超過Hg2+的微沉淀上限時，Hg2+會沉淀析出。如圖1 所示，當pH 為3 時，溶液中H+濃度非常高，此時Hg2+在與H+爭奪目標位置的過程中處于不利地位，導致吸附效果減弱。當pH 為5 時，Hg2+的去除效率達93.75%。當pH 為7 時，OH-的含量有所增加，目標位置的化學性質發生了變化，導致吸附效果減弱。實驗結果表明，當pH 在4～6 范圍內時，吸附效果較好。

圖1 pH 對治理效果的影響

3.2.2 Hg2+質量濃度對治理效果的影響

由實驗結果可知，在使用低濃度的HgCl2溶液處理真菌細胞壁上的靶部位時，Hg2+能夠與靶部位有效結合。這就意味著在Hg2+濃度較低的情況下，真菌可以發揮其作用位點的功能。如圖2 顯示，在Hg2+質量濃度不超過0.5 mg/L 時，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準，并且低于0.05 mg/L，有效解決了高含汞量廢水無法達標的問題。然而，當利用真菌處理高濃度HgCl2溶液時，真菌就無法充分發揮其作用位點的功能。在使用微生物GX-10 菌對50 mg/L 含汞廢水進行處理時，出水質量濃度在0.732～3.57 mg/L 之間，遠高于排放標準要求的濃度。造成這種現象的原因可能是高濃度的Hg2+對真菌產生了毒性效應，導致微生物數量減少或活性下降，從而導致廢水處理效果減弱。

圖2 Hg2+質量濃度對治理效果的影響

綜上所述，真菌在低濃度Hg2+的處理方面表現出了良好的效果，但對于高濃度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，以實現更好的廢水處理效果。

4 結論

汞是一種有毒的重金屬，廣泛存在于工業廢水中。鑒于其高毒性和易積累性，安全高效處理汞廢水成為了環境保護的重要課題。傳統的物理和化學方法雖然可以去除汞，但往往需要高昂的成本和復雜的操作。相比之下，利用微生物來處理汞廢水具有成本低、效果好、操作簡單等優點，因此微生物處理含汞廢水受到了高度關注。本文對含汞廢水的微生物處理進行研究，希望能夠為解決含汞廢水的處理問題提供新思路。