互动科普

在印度，很多地面径流已经被工业用水污染，积累了大量有毒物质以及细菌等微生物。为了寻找更安全的水源，人们试图打井取水，但是，很多看似干净的地下水早已被砷污染，当地人不得不再次面对饮用水的安全危机。

几年以后，吉塔坐在她们家砖房的简陋台阶上接受采访，她说：“我从来没见过这样的事，还以为这是一种传染病。”

当吉塔的皮肤也开始出现角质化时，她已经知道这种疾病不是空气传播的，而是通过水。之前，科学家带着简易检测工具来过这里，他们得出的结论让人忧心：村里凉爽而清澈的井水砷含量超标，人们因为砷中毒才出现了各种奇怪的病症。吉塔决定和丈夫一起搬走，他们花掉所有积蓄，搬迁到邻近的一个村子，但是，这里的人们也同样面临着死亡威胁，村民们说这里的井水也被污染了。

在这里，科学家和村民们都看到了惨淡的真相。在这片地区中，村民在饮水、做饭和洗碗时，不经意间就会受到毒害。在亚洲，至少有1.4亿人正在饮用砷含量超标的水。这些手柄泵下方的管道直接连通地下受到污染的水源，每一次泵上来的水中都含有大量的砷。根据当地政府的普查数据，在过去20年间，印度境内挖掘了1 800多万口类似的小型井，其中多数为手工挖掘。当时，人们是为了避免地表工业废水或充满致病菌的径流才想到打井，但当人们向地下取水时才发现，致命的威胁依然存在。

自然界中的砷会杀死人体细胞，刚开始，它会导致皮肤角质化，当砷在体内积累到一定量后，甚至会导致脑损伤、心脏病以及癌症。从阿根廷、中国到柬埔寨、越南，从加拿大到美国，科学家在全球至少30个国家的地下水中发现了砷的踪迹（见图）。

人们得喝水，也得用水种植作物，养活数量庞大的人口。如今对地下水利用的规模之大已经超出了人们的想象，而这也使砷污染问题变得更加糟糕。不断抽取地下水会改变水的流势，原本清洁的水资源不得不经过富含砷的沉积层，以至于村子中曾经健康干净的井水突然成了灾难之源。

科学家最近做了一些新的尝试：测绘地下含水层相关的地图，精确查明可以钻井的安全区域。但截止目前，地下水流的变化和化学物质反应的速度已经超出了这套地图的预测能力。环境分析化学家狄潘凯·查克拉波迪（Dipankar Chakraborti）说：“这很无奈，甚至让人感到有些绝望。人类活动高速改变着地下环境，我们的工作几乎无法跟上这种变化的速度。”他已经在印度杰达维普大学研究这个问题近30年了。现在这所大学设立了一所基金会，专职用于资助与砷相关的研究，基金会也将以查克拉波迪命名。

致命的井水

如果美国西南部地区受到砷污染影响，这里的居民生活比较富裕，有资金也有办法对水做进一步处理。但是受灾最严重的，恰恰是这个世界上最贫穷的一些地区。南亚是砷污染风险最高的地区之一，富含砷的地下水流经了一条人口密集的狭长地带，包括印度、尼泊尔和孟加拉国。虽然世界卫生组织（WHO）认为水中砷浓度超过10μg/L就会有危险，但在印度，法定标准仍高达50μg/L。然而，即便采用非常宽松的标准，很多井水依然远未达标。

印度的砷污染问题始于20世纪60年代，当时印度地表径流被淤塞的城市污水和农业污水污染，汇聚和滋生了大量细菌，因此只有打井取水。1969年，印度启动了一项耗资1.25亿美元（由联合国儿童基金会等国际组织资助）的项目，挖掘了100多万口简易井。许多类似的项目也紧随其后，挖掘了更多的简易井。在印度，除了几个最大的城市，其余城市几乎没有水存储、输配和过滤的基础设施，至今这种情况都没什么改观。

当时，人们认为这些井十分经济划算，是印度用水问题救命的解决方案。在印度12.5亿人口中，约有80%的农村人口和50%的城市人口饮用地下水，这些水主要用来做饭、灌溉农作物和园地。地下水还解决了另一个十分尖锐的问题：饥荒。在整个 20世纪80年代，饥荒一直威胁着印度的许多地区。如今，印度为了种植水稻、小麦和甘蔗，消耗了高达91%的灌溉用水。

但是，地下水在给农业带来好处的同时也产生了不良后果。在打井时，大多数都会在达到第一个无菌含水层时就停下来，这个深度在50到200米之间。不幸的是，这个深度刚好与富含砷的地层相吻合，而当时人们对此的了解并不深入。如果再深一点，采到的水也适于饮用，但这会消耗更多的时间和金钱，也需要更结实的材料，许多穷困的村民无法承担这种负担。

除此之外，还存在着其他障碍。普遍的无知和体制的冷漠阻碍了对民众做进一步的宣传教育的可能，无法让他们意识到砷中毒的风险。而收集雨水或者就地进行水处理这些看似简单的方法，对于文盲来说，实际操作还是太过复杂，容易产生误解。由于无法很好维护塑料防水布和管道，雨水收集工作也很难成功。而用装满沙子的桶过滤水也常常受到嫌弃，被认为是繁琐又耗时的工作。虽然科学家和社工们也会发放处理水的药剂，但常常因为他们看不懂说明书或者无法理解化学反应过程而被误用。最后，建立大规模过滤水厂的方案虽然能够长期运转，免除人们许多猜测，但是对他们来说这些工程不仅成本过高而且技术复杂，一旦运行就会因为缺乏良好管理而遭受各种挫折。

瑞士联邦水科学与技术研究所（Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology ）水污染研究负责人迈克尔·伯格（Michael Berg）说：“最好的解决方法当然是完全避免使用受到污染的水，但与已经被病原体污染的地表水相比，地下水可以说是两害相权取其轻。”

地质背景是罪因之一

砷是一种相对常见的化学元素，无色无味无臭，常被认为是用来暗杀的好工具。对于大多数生物来说，即使剂量很低，砷的毒性也很足。

喜马拉雅山脉下的平原是世界上含砷量最高的地区之一。通过板块碰撞形成巨大的山脉后，富含砷的黄铁矿暴露在山坡上，这些地貌很快就会被溪流河水侵蚀，携带着这些矿物的河水穿越了印度、孟加拉国、中国、巴基斯坦、尼泊尔等国。随着水流的搅动，溶解于水中的砷会与氧、铁或其他重金属元素产生化学反应，形成可以沉积到河床上的颗粒物，逐渐累积的颗粒物会在河床上形成条带状的含砷层。这种含砷层会因河流流经的区域不同而随机分布。数千年来，不断堆积的沉积物形成了古老的恒河-梅克纳河-雅鲁藏布江平原三角洲，如今这是一片覆盖了将近70万平方千米的陆地区域，大约有5亿人生活其中。

依照自然界原本的秩序，绝大多数的砷应该停留在地下。然而，挖掘的水井却将它们带了出来。即使在一些没有河流经过的地方人们也不能幸免。“你不能只看河流现在从哪里流过”，查克拉波迪坐在他办公室里，一边喝了口盛在烧杯中的咖啡，一边用手指比划水流的路径，“你必须考虑河流的路径曾发生过什么样的改变。如果某个地方一度被水淹没，这个地方发现砷的可能性就会大大增加。”

并不是地球上所有的砷都可以从土壤释放到水体中，它必须满足特定的地质条件。研究这个问题的科学家已经总结出了两种促使砷释放的场景，对砷释放的深入理解已经使污染预测模型的建立成为可能。

第一种情景：在碱性条件下释放砷。这种情况一般发生在富氧土壤中，例如阿根廷和美国西南部的干旱地区。高pH值的碱性水在土壤中流动时，会引发化学反应（砷与氧化铁或其他覆盖于土壤颗粒物表面的金属发生解离），将原本结合成分子化合物状态的砷释放出来，成为游离态，这样它们就可以溶解在周围的水体中，对地下水造成污染。

第二种情景：在还原条件下释放砷。这种情况发生在缺氧但有机碳含量高的土壤中。这种条件在河流三角洲、冲积平原和河谷盆地中十分典型，它的表层土壤通常很新鲜，能够支撑起微生物的生存。世界上一些人口最密集的地方就是这样的土壤条件，包括印度北部、孟加拉国以及越南等东南亚国家。在这种情形下，微生物通过催化酶的作用激发化学反应，破坏砷与铁氧化物的结合。因此，如果有人从不含游离砷的地区（如北卡罗来纳州）取一小把土埋在孟加拉国，也会因为这里特殊的环境，使得原本稳定的含砷化合物释放出游离砷。

随着深度的增加，土壤微生物数量就会减少，但只要土壤能给微生物提供相应的有机物，这个反应就会持续发生。在印度，由于使用了大量化肥，砷释放的过程也被明显延长。盐类物质可以减缓砷的释放，尤其是硫化物，可以与砷结合，形成沉淀物。不过，这些沉淀只能在氧含量低的情况下保持稳定，一旦氧气含量增加，就会被微生物利用，使含砷硫化物发生分解，再次释放出砷。因此，当含水层枯竭，但新鲜的富氧水开始向原来的含水层快速回灌时，可能会引发砷的再次释放。在印度，回灌的情况非常普遍，所以砷的释放也在持续发生。

绘制风险预测图

目前，大多数受到污染的水井都是通过野外化学反应分析箱检测发现的，检测人员只能逐个村庄、逐个水井进行分析。这个过程既费时又费力，他们需要把采出的水与几种试剂混合，然后把试纸插入一个密闭的容器中，吸附水释放的砷，大约10分钟后，就能通过比对试纸的颜色得到一个粗略的结果：白色表明水是清洁的，红色则表明水已被污染。

但是这种野外分析设备对污染物有一定的检出限制，只能提供一个粗略的结果。当结果超出检出范围或者想要得到更详细的信息，就需要把水样送到实验室中进行检测。

由于砷污染风险非常普遍，检测员很难及时发现问题，相反，人们总是在饮用了含砷水多年之后，才对水井开展检测。因此，有科学家希望找到更简便的检测方法，他们通过研究地表的卫星影像数据和测绘水流场来预测地下沉积物的类型，从而确定哪些地方最可能发现砷。他们认为，这种方法可以缩减范围，减少需要检查的管井数，从而帮助政府节省资金和时间。或者他们也可以添加新的信息，在原本认为是安全的地区标识出污染风险。

2006年，瑞士联邦水科学技术研究所的伯格和其他科学家在此前预测模型（通过土壤性质、土地坡度和水流场等参数建立）的基础上，建立了全球的砷污染全景图。在2008年，他们发布了第一版全球砷污染风险概率图，目前，他们计划结合最新研究和更多新的信息尽快发布全景图的升级版。

领导这项工作的伯格说：“我们可以利用这些模型对还未开展检测的地区做预测。”例如，他的团队曾预测苏门答腊岛和印度尼西亚的大面积区域处于危险之中。伯格还说，“后来，我们去那里开展实地检测，现场数据也证实了我们的预测。这给了我们很大的信心，说明预测模型还算不错。”

2013年，中国医科大学与瑞士联邦水科学技术研究所开展合作，在中国建立了预测模型。这个模型建立在445 000口管井的检测数据的基础上，时间跨度为2001到2005年。检测结果表明大约5%的管井受到污染，砷浓度比印度法定标准还要高，而这一标准已经远远超过世界卫生组织设定的安全水平了。当时，中国大部分地区还没有开展检测，团队中的科学家们认为，这个模型可以帮助中国的相关部门采取措施。化学家路易斯·洛迪古斯·拉多（Luis Rodríguez-Lado）任职于西班牙圣地亚哥联合大学（University of Santiago de Compostela），在2013年8月，他以第一作者的身份在《科学》杂志上发表文章说，“科学研究与社会实践之间存在阻碍，我们需要向政策制定者们证明，我们能够帮忙解决实际问题。”将模型的预测结果与对管井实际测试结果对比后，科学家发现模型的准确率在77%左右。这样的数据可以提供明确的信息，把模型预测中高风险地区的管井作为重点检测对象，从而节约成本和时间，挽救生命。洛迪古斯·拉多说；“对于科学家来说，这一定会让他们感到非常满意。”

然而，模型的应用也存在一些局限。因为模型是以地表条件和近期水流数据建立的，对于时间比较久远的或者缺乏具体数据的地下水流，预测能力十分有限。伯格说：“我们的预测是根据地表情况建立的，如果它们与年代久远的沉积物相关，我们就很难追踪了。”

洛迪古斯·拉多说，只有保持数据精确并且及时更新，我们才能确保模型正常运转。他认为，在中国，应该在具体的干旱地形条件和降雨模式下，用碱性、土壤富氧程度和基本水量做假设，从而建立模型。他说，“在中国大多数地区中，砷的释放可以划归到氧化条件下，但是相关的详细信息非常有限”。洛迪古斯·拉多很快意识到这里和印度与孟加拉国一样，地下土壤含水层也是缺氧的，当他以“还原型”参数再次模拟时，预测结果的准确度有了进一步提高。

在绘制预测图时还有其他局限，比如分辨率方面。中国风险预测模型是以25乘25千米为基本单位，对于具体村庄的水体情况的预测，这显然太大了。亚历山大·万·吉恩（Alexander van Geen）是哥伦比亚大学拉蒙特·多尔蒂地质观测站（Lamont Doherty Earth Observatory）的地球化学家，他说：“模型虽然很有价值，但还没有达到能具体预测某个村子受污染情况的地步。对某个地区而言，即使模型预测结果表明砷污染可能性只有20%，但我仍然觉得有必要对这些井开展检测，对吧？”

很多尝试都失败了

一些国家的政府曾尝试过其他方法来解决供水问题，但没有取得进展。几年前，西孟加拉邦政府修建了一条管道，试图将加尔各答无砷的城市用水向东运输，送到农村地区。但是管道每天只有几个小时有水在流动，如果一直是这样，很难让水流按预期抵达每一个村庄。这些黑色的塑料管也没有得到有效的维护，其中很多都已经破损，从中飙出的水流汇聚在了道路旁泥泞的水洼中。

西孟加拉邦和临近的孟加拉国都安装了成百上千种可去除砷的装置，平均每种装置的成本在1 500美元左右。查克拉波迪和其他科学家的研究表明，简单的圆柱形过滤装置大部分是无效的。在对多个供应商提供的设备进行调查之后，他们发现13种装置中仅有2种可以使砷含量低于印度标准，但依然无法满足WHO标准。在2005年公布这个调查结果时，仅仅被解释为：因为缺乏必要的维护和监管，所以18种装置中只有3种能够正常发挥作用。

虽然把井打得深一点能够绕过已经被污染的地层，获得更洁净的水，但是这不仅花费高昂、消耗大量资源，而且在查克拉波迪看来，只能解决短期问题。凭借隔水的黏土层，地下200米的低洼含水层在一定程度与上方受污染的含水层隔离开了，但“一定程度”这个词非常值得警惕。因为往深处打水或许可以在短时间内获得干净的水，但是上方受污染的水最终还是会通过土壤中各种缝隙和孔洞向下流动，进入干净含水层，再次造成污染。

世界银行称，除非大大缩减水泵的数量，否则以印度目前居高不下的地下水开采强度来说，在未来20年内，全国将有60%的含水层都会达到被污染的临界标准。查克拉波迪发现，在孟加拉的杰伊纳加尔村（Jaynagar），从1995到2000短短5年间，八口管井中的砷含量已从原先的安全水平急剧跃升到了危险水平。

砷可以水平移动，从一个被污染的水域扩散到临近清洁的水域中，也可以随着水压的变化在两个含水层之间垂直移动。这种运动特征目前正使越南的河内市处于危险状态：原来，从无砷的含水层中取水时，地下水是向城市之外流动的，周围的水源虽然已经被污染，却并没有靠近城市水源。但是，当城市内的水源被过度开采后，地下水的水势发生了改变，周围被污染的水源开始向城市涌来，这些被污染的水源试图补偿过度开采造成的水压差。红河附近被污染的水已经在向城市涌入。万·吉恩说，这个趋势需要引起足够的重视。不过就目前而言，问题还不算特别严峻，因为砷的迁移速度只是水体移动速度的1/16到1/20，这可能由于砷结合在其他元素上，只有通过地下的化学反应才能被逐渐释放。

在印度，为了供养越来越多的人口，地下水砷污染的问题发展得越来越快。几乎没有人会根据一部1986年颁布的法律来监管和阻拦过度利用地下水的情况。在临湖或者临河地区，农民仍然会选择地下水进行灌溉；即使在不需要用水的时候，土地所有者也会用泵抽取地下水，在黑市上交易。

此外，在印度砷已经进入食物链中，大米、牛奶和牛肉中都发现了砷，即使是在瓶装苏打水和医院用的小瓶无菌水中，查克拉波迪也发现了砷。

先解决用水安全

虽然研究者对造成问题的原因和这个问题的现状都已经达成共识，但正如万·吉恩所说，“我们还是不太清楚应该怎样解决这个问题”。与查克拉波迪和其他科学家一样，他也认为，虽然预测模型很有用，但并不能取代对管井进行实地检测的需求。

万·吉恩提倡使用低廉的仪器对井水就地检测。虽然结果不像实验室那么精确，但至少花很少的代价就能很快得出结果。他还提出，在这个工作推进的过程中，可能会产生新的工作机会。对比哈尔26个村子的调查结果可以看出：三分之二的居民愿意支付20卢比（约30美分）雇佣相关人士对他们的井水进行检测。

万·吉恩说：“我们不可能掌控全部私有井的信息，但我们可以着手建立一个检测者网络，给予他们一定的经济激励促进测试。”在孟加拉国，他和同事们试图得到充足的井水检测结果和GPS定位数据，从而建立一幅砷污染动态图。这个信息图可以显示该国内哪些井安全哪些井不安全，村民可以利用这些信息轻松地找到安全的水源。

新德里TERI大学的水文地质学家钱德尔·库马尔·辛格（Chander Kumar Singh）是万·吉恩的研究伙伴之一，他开展的研究同样表明：支付过检测费的村民可能更关心检测结果，他们愿意采用其他办法获取更安全的井水。这两位科学家同时也研究了收入和种姓制度等社会经济因素对饮水需求造成的影响，他们观察和分析了不同的社会背景是如何阻止不同等级或收入的人们分享和使用安全的井水。辛格说：“目前政府对此的关注好像不太多，也许我们的工作能够起到一定的推动作用。”

查克拉波迪培训了一些助理，让他们能够骑自行车或坐火车到村子收集井水样品；他组织了国际会议，带领由医生、学生和积极分子组成的团队开展健康检查；他还建立了一个基金来负担研究费用，并为穷人提供免费的水质检测。当他无法取得村民信任时，他就会搁置对印度古老种姓制度的厌恶，宣称自己是上层阶级婆罗门的后人：他缠上白色腰布和婆罗门圣人佩戴的神圣纺纱，为村民指明安全井的位置。对于这样的手段，他说；“我讨厌这样做，但我还是会这样做。我所做的一切就是为了获取一个母亲的理解与支持，这样我才能知道这个家庭的用水是相对安全的。”

在吉塔的村子，她虚弱的丈夫斯里巴斯（Srivas）正与疼痛和疲惫做斗争。他身体的多处发生了角质化，在阳光下，皮肤会感到明显的刺痛。目前对砷中毒还没有有效的治疗方法，也没有药物能够恢复染色体的损伤。在历史上，螯合疗法曾被用于金属中毒等极端情况，但这种方法不仅风险很高，价格也不菲。对当地而言，目前最好的方法是食用有营养的食物，阻止毒素的吸收。尽管如此，斯里巴斯仍认为自己是幸运的，十几岁的儿子可以帮他从附近诊所托运几桶健康的水，妻子也可以当女佣为家庭挣一些钱。

斯里巴斯颤抖着说：“我不会抱怨任何人。即使我想抱怨，也不会有人听。”这反映了在印度穷人中普遍存在的宿命论。一些科学家担心这样的信仰会阻止村民寻找更干净的井水。