Интегрированное определение источников, анализ механизмов со-обогащения и оценка риска мышьяка и фтора в грунтовых водах крупных оросительных районов в полузасушливых регионах

Почему эта история о грунтовых водах важна

Во многих засушливых регионах люди почти полностью зависят от подземной воды для питья и выращивания пищи. В оросительном районе Цзяокоу в Китае эта жизненная линия находится под угрозой из‑за невидимых загрязнителей — мышьяка и фтора — которые могут повреждать зубы и кости, вредить внутренним органам и даже вызывать рак при многолетнем воздействии. В этом исследовании подробно рассмотрено, откуда поступают эти вещества, как они накапливаются в грунтовых водах под крупной сельскохозяйственной территорией и что это значит для здоровья взрослых и детей, которые ежедневно пьют эту воду.

Сельскохозяйственный район, зависящий от колодцев

Оросительный район Цзяокоу, в полузасушливом бассейне Гуаньчжун на севере Китая, орошается более 60 лет. Большая часть территории занята пашней, питаемой водой, закачиваемой из реки Вэй, и сотнями мелких скважин, которые также снабжают местных жителей питьевой водой. Из‑за низкого уровня осадков и высокой испаряемости фермеры сильно зависят от орошения, удобрений и пестицидов для поддержания урожайности. Авторы отобрали 51 пробу грунтовых вод и вод в оросительных каналах по всей территории, чтобы измерить уровни мышьяка и фтора и понять, как вода движется по ландшафту — от неба через почву к водоносному горизонту.

Скрытые химические вещества в солёном подземном мире

Исследователи обнаружили, что местные грунтовые воды слабощелочные и часто солоноватые: более 98% проб классифицированы как солоноватые или солёные. Уровни мышьяка превышали рекомендованные ВОЗ нормы для питьевой воды почти в 12% проб, тогда как по фтору ситуация была ещё тревожнее: около 44% проб превысили рекомендуемый предел. Более чем на половине территории концентрация фтора в грунтовых водах была настолько высокой, что вода стала непригодной даже для орошения, что вызывает опасения как по поводу безопасности продовольствия, так и долгосрочного здоровья. С помощью компьютерного метода выделения шаблонов учёные сгруппировали воды в три основных «вкуса» по растворённым солям, выявив чёткие различия между зонами с более высоким содержанием минералов и менее затронутыми участками.

Как взаимодействуют породы, климат и сельское хозяйство

Чтобы установить, почему мышьяк и фтор накапливаются совместно, авторы объединили химические анализы, исследования природных изотопов воды и моделирование минералов. Дождевая вода и вода для орошения просачиваются через почвы и отложения, богатые силикатами и минералами, содержащими фтор. В слегка щелочной среде мышьяк, ранее связанный с железосодержащими зернами, освобождается обратно в воду, а фтор выделяется из минералов, таких как флюорит и слюды. Постоянное выветривание полевых шпатов и других силикатных пород повышает щёлочность воды и замедляет подземный сток, давая больше времени для этих реакций. Одновременно сильное испарение в этом сухом климате концентрирует растворённые соли и загрязнители. Интенсивное использование удобрений и пестицидов добавляет дополнительный мышьяк и фтор на поверхности, которые затем выщелачиваются вниз, поэтому природная геология и человеческая деятельность усиливают друг друга.

Риски для взрослых и детей

С помощью моделей оценки риска для здоровья и Монте‑Карло‑симуляций — метода учёта неопределённости — исследование оценило, насколько опасны эти загрязнители. Анализ учитывал как приём внутрь, так и контакт через кожу, но показал, что проглатывание загрязнённой воды является бесспорно главным путём воздействия. Фтор оказался основным фактором неканцерогенного риска, особенно для детей, которые пьют больше воды относительно массы тела. Для неканцерогенных эффектов более 60% проб грунтовых вод представляли потенциальную угрозу для взрослых и свыше 95% для детей при совместном учёте мышьяка и фтора. Мышьяк обеспечивал основной канцерогенный риск, особенно для взрослых: почти в одной пятой точек отбора проб превышался обычно используемый порог вероятности развития рака за жизнь.

Что это значит для более безопасной воды

Авторы приходят к выводу, что мышьяк и фтор в этом полузасушливом оросительном районе имеют двойное происхождение: природные реакции «порода–вода» в щелочных, солёных условиях и долгосрочная сельскохозяйственная практика, которая рециркулирует и добавляет эти загрязняющие вещества. Дети особенно уязвимы к эффектам фтора, тогда как у взрослых выше риск рака от мышьяка. Исследование рекомендует в первую очередь обеспечить более безопасные источники питьевой воды для детей в зонах высокого риска и контролировать уровни фтора в грунтовых водах, используемых для сельского хозяйства. Также уделяется внимание недорогим методам обработки, таким как коагуляция–фильтрация и биооснованные фильтры из фруктовых очистков, как практичным способам снижения воздействия, пока не будут внедрены долгосрочные меры управления землёй и водными ресурсами.

Цитирование: Zhang, Q., Wei, A., Xu, P. et al. Integrated source apportionment, co-enrichment mechanisms analysis, and risk assessment of arsenic and fluoride in groundwater of large-scale irrigation districts in semi-arid regions. Sci Rep 16, 11007 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42293-6

Ключевые слова: загрязнение грунтовых вод, мышьяк, фтор, оросительные районы, риски для здоровья