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2018
04-26

斯坦福大学的科学家们为亚洲的砷中毒危机找到了新的解决方案


每天有超过1.4亿人在南亚饮用砷污染的地下水。根据世界卫生组织的数据,孟加拉国,柬埔寨,印度,缅甸和越南每年有数千人死于长期接触砷的癌症。一些健康专家称这是有史以来最大的中毒事件。

15年前,科学家们指出了喜马拉雅山脉的污染源,那里含有天然存在的砷的沉积物被带到下游人口稠密的河流流域。

但仍有一个谜团:不是将化学物质留在河流沉积物中,而是以某种方式进入地下水超过100英尺的地下水。斯坦福大学土壤学家斯科特·芬多夫(Scott Fendorf)表示,解决这个谜团可能对决策者试图扭转大规模中毒产生重大影响。 “环境地球系统科学教授,斯坦福大学伍兹环境研究所高级研究员Fendorf说:”砷是如何从沉积物中的固体物质进入饮用水的?

为了找到答案,他于2004年与两位斯坦福大学的同事一起在亚洲开展了一项实地考察:地质和环境科学的助理教授克里斯·弗朗西斯(Chris Francis)和耶鲁大学的卡伦·濑户(Karen Seto)。最初的研究得到了两年的伍兹研究所环境风险项目资助。五年后,研究小组似乎已经解决了砷的奥秘,并正在与政策制定者和政府官员合作,以防止健康危机升级。

“真实的是,我们如何帮助那些在那里的人?”芬多夫说。 “但是首先,我们必须了解水文学 - 水的流动方式 - 与化学和生物学的耦合。”

寻找一个研究地点

喜马拉雅山中含砷的岩石分布在四个主要的河流系统:湄公河,恒河 - 雅鲁藏布江,伊洛瓦底江和红河。流行病学家首先在20世纪80年代在孟加拉国的恒河 - 雅鲁藏布江三角洲发现了砷中毒。该疾病的突然发生与饮用水井的使用增加有关。

科学家们早就认为,污染过程发生在地下深处,埋藏的沉积物将砷释放到地下100到130英尺的含水层中。但是芬多夫和他的同事们有其他的数据。他们怀疑砷实际上溶解在更深的地方,非常靠近地表。 “随着水开始向土壤中移动,它会吸收砷。这是我们的假设,“他说。 “我们需要跟踪地表水的化学性质。”

Fendorf和他的同事们开始在孟加拉国布拉马普特拉河流域进行实地考察。然而,创建水文模型是一个挑战,因为景观中点缀着改变水的自然路径的灌溉水井。芬多夫解释说:“当你画出水流的方式时,它看起来像意大利面条。 “在我们开始之前,我们说过这是不可能的。”

研究人员需要一个发展较慢的地点,这个地点在化学,生物学和地质上与孟加拉国相似。柬埔寨的湄公河提供了一个完美的选择。其上游地区距布拉马普特拉河仅100英里。 “所有喜马拉雅山上的化学成分都是相似的,”芬多夫补充道。 “沿着大河系统的运输也非常相似。”

更重要的是,柬埔寨的遗址大部分是未开发的。他说:“柬埔寨经历了长达35年的内战,真正压制了这个国家的发展,所以在40年或50年前,这个国家就是孟加拉国。” “在某些方面,它实际上是设置时钟,并及时获取快照。凭借这个更简单的系统,我们可以真正追踪整个水流。“

田间结果

新的田野地点位于柬埔寨首都金边南部。芬多夫雇佣当地工人进行演练 在整个20平方英里的土地上有三个不同深度的井。在各种深度测试水中溶解的砷使研究人员能够确定毒素迁移到含水层的位置。为了观察固体,他们还在表面下方一两英尺的地方安装了取水装置。他们收集的数据使他们能够在三角洲地区建立一个砷循环模型。

“当然,我们发现,离地面2到3英尺之内,砷从固体即沉积物从喜马拉雅山运下来,进入水中,然后迁移下入含水层,“芬多夫说。含水层是柬埔寨,孟加拉国,缅甸,印度和越南使用水井的人的饮用水源。

负责溶解砷的肇事者竟然是生活在流域土壤和沉积物中的细菌。研究人员发现,从喜马拉雅山脉沿河流下的砷会粘附在铁锈颗粒上。到达河三角洲后,这些含砷颗粒被几层土壤掩埋,形成无氧或无氧环境。通常,细菌使用氧气来呼吸。但在无氧环境下,可以使用其他化学物质,包括铁锈和砷。当细菌代谢铁和砷时,它们将其转化成易溶于水的形式。

Fendorf说:“随着这些沉积物被非常迅速地埋藏,细菌经历了无氧代谢,从而溶解铁矿物质和砷。 “砷进入水中,问题就开始了。”

结果刊登在杂志 Nature 上,证实了芬多夫的假设:砷污染发生在表面附近,实际上至少需要100年才能达到下面的含水层。斯坦福大学的研究小组也表明,砷在含水层中循环100年是一个自然的过程,在人类影响之前已经有数千年的历史了。芬多夫说:“我们发现有一种从表面上补充砷的永久性来源。

危机解决方案

了解该地区的水文情况,将使开发商能够策略性地安装从无溶解砷地区抽取的井,提供干净,可饮用的水。芬多夫说,这种有针对性的挖掘可能是非常准确的。

但是,如果一个村庄需要一个井,但无法找到无砷地点来安装它呢?芬多夫提出了多种解决方案,包括安装砷过滤器,收集雨水和净化地表水。他说,每个选项都有利有弊。

从井水中过滤砷会引发如何处理剩余废物的问题。他指出:“没有危险的垃圾填埋场。另外,过滤方法需要一个可靠的监测系统。 “如果你确实有一个过滤器失败了,你怎么知道它什么时候发生,你将如何进行测试?”他问。

他说,用收集罐或屋顶排水沟收集雨水可以在某些地方和某些人有效。但旱季较长的地区需要大型油箱,而这些油箱往往过于昂贵。芬多夫指出:“这些地区的人们每天收入不到2美元。

另一种选择是使用消毒剂来净化从池塘或河流收集的地表水。他说,问题是过滤器必须非常便宜,易于使用。为了解决这个问题,芬多夫一直与柬埔寨的非政府组织国际资源开发公司(RDI)合作,使用当地废弃的粘土和稻壳制造价格合理的过滤器。

考虑到这些挑战,芬多夫和斯坦福大学的博士后学者马特·波利佐托(Matt Polizzotto)提出在逐个村庄的基础上寻找最佳选择。从3月24日开始,芬多夫将在柬埔寨暹粒共同举办为期四天的砷中毒会议,共有约60位专家,包括政府官员,学者,非政府组织和世界银行等资助机构。会议是由会议召集的 美国地球物理联盟和伍兹研究所。 “前三天将专门讨论砷的地下水问题,”芬多夫说。 “我们希望作为一个科学机构,就我们对这个问题的认同,尚未解决的问题以及填补这个差距需要做的事情,达成一致。会议的最后一天将更加全面地审视水资源问题,研究将安全饮用水带给民众的最佳选择。“

土地利用变化

根据芬多夫的说法,对砷循环的新认识来自这是柬埔寨的一个关键时刻,柬埔寨最终从多年的政治动荡中恢复过来,希望通过安装饮用水灌溉井和挖掘土地修筑道路和砖块来支撑经济发展。他警告说,这种土地利用变化可能会影响整个三角洲的砷流量模式,尽管在某些情况下,这可能不是一件坏事。他说:“土地利用的变化肯定会改变砷的含量。 “有时他们可能会增加水平,有时他们可能会减少水平,这取决于他们所在的位置和周围的环境是什么样的。”

尽管芬多夫和他的同事来到柬埔寨,专注于理解砷污染的科学,他们很快就意识到最重要的是能够改变个人的生活。例如,研究人员测试了他们钻砷污染的每口井。如果它测试干净,他们安装一个额外的家用井,并提供给土地所有者。如果证明被污染,研究人员会向土地所有者购买由RDI在当地制造的雨水收集装置。 Fendorf说:“如果我们能够给人一个干净的水井或雨水收集单位,至少在短期内,这将比我们的任何一项研究成果进一步发展。