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   第一作者：李俊霞

   通訊作者：王焰新

   通訊單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院

成果簡(jiǎn)介

（轉(zhuǎn)自環(huán)境人Environmentor）近日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）王焰新院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)、加拿大學(xué)者，在地球科學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Earth-Science Reviews上發(fā)表了題為“Spatial distribution and formation mechanisms of high-iodine groundwater throughout China”的綜述論文。該研究總結(jié)了中國(guó)高碘地下水的空間分布規(guī)律，闡明了含水層碘的物源與賦存形態(tài)，討論了導(dǎo)致含水層碘富集的宏觀(guān)水文地質(zhì)過(guò)程和微觀(guān)生物地球化學(xué)機(jī)理，展望了高碘地下水的未來(lái)研究方向。該研究成果為理解地下水系統(tǒng)中碘遷移富集機(jī)制和全球碘循環(huán)規(guī)律，以及推動(dòng)與高碘地下水有關(guān)的甲狀腺疾病防控，提供了重要理論支撐。本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際(地區(qū))合作研究項(xiàng)目資助。

引言

碘是甲狀腺激素合成必需的一種微量元素。碘攝入不足或過(guò)量分別導(dǎo)致碘缺乏癥和碘過(guò)量癥。在世界衛(wèi)生組織推薦的加碘鹽政策實(shí)施下，長(zhǎng)期攝入富碘的食物或飲用水會(huì)導(dǎo)致碘過(guò)量癥。目前高碘地下水對(duì)全球數(shù)百萬(wàn)人的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是在中國(guó)。因此理解高碘地下水的空間分布規(guī)律和遷移富集機(jī)制，對(duì)地下水資源的安全供給和可持續(xù)利用至關(guān)重要。盡管自上世紀(jì)70年代起就有飲用高碘地下水導(dǎo)致甲狀腺腫的調(diào)查研究，但只到近十年來(lái)才開(kāi)始系統(tǒng)研究含水層中的碘水文生物地球化學(xué)行為。因此本綜述論文首先概述中國(guó)原生高碘地下水的空間分布規(guī)律，闡明碘的物源和賦存形態(tài)，然后討論地下水系統(tǒng)中控制碘遷移富集的水文-生物地球化學(xué)過(guò)程，最后展望高碘地下水的未來(lái)研究方向。

圖文導(dǎo)讀

中國(guó)高碘地下水（>100 μg/L）廣泛分布于內(nèi)陸盆地/平原，如塔里木盆地、河套盆地、大同盆地、太原盆地、關(guān)中盆地、渭河盆地、江漢平原等，以及濱海地區(qū)，如華北平原、魯西平原、沂沭泗平原、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等（圖1A）。淺層和深層含水層均觀(guān)測(cè)到高碘地下水（圖1B），尤其在濱海平原。除已調(diào)查的盆地/平原外，模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示呼倫貝爾、三江平原、松嫩平原、南陽(yáng)盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地等地區(qū)可能存在高碘地下水。中國(guó)面臨高碘地下水暴露風(fēng)險(xiǎn)的總?cè)丝诩s達(dá)3100萬(wàn)。

圖1 中國(guó)高碘地下水的分布（藍(lán)色斑塊與黑色字體）和預(yù)測(cè)（棕色斑塊與紅色字體）（A），以及河套盆地、大同盆地、華北平原、魯西平原和江漢平原地下水中碘濃度垂向分布圖（B）。

鑒于碘的親生物特性，生物成因的陸相源/海相源的有機(jī)質(zhì)和與有機(jī)質(zhì)結(jié)合鐵礦物是含水層中碘的主要物源（圖2）。相對(duì)于內(nèi)陸盆地，濱海地區(qū)淺層和深層地下水會(huì)因海侵或海水入侵直接受到海相碘的影響（海洋是地球上最大的碘庫(kù)）。地下水系統(tǒng)中碘主要以碘酸根（IO₃^?）、碘離子（I^?）和有機(jī)碘（OI）形態(tài)存在，其中水相中以I^?為主，而固相沉積物中則以IO₃^?和OI為主。眾多水文地質(zhì)過(guò)程和生物地球化學(xué)過(guò)程能夠促進(jìn)含水層中沉積相的碘向地下水中釋放，從而形成高碘地下水。

圖2 大同盆地（A、E）、河套盆地（B、F）和華北平原（C、G）含水層鉆孔沉積物樣品中總碘濃度與總有機(jī)碳或不同類(lèi)型鐵濃度之間的關(guān)系。

含水層中天然水文地質(zhì)過(guò)程能夠促進(jìn)地下水中碘的富集。例如，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用可以促進(jìn)碘在淺層地下水中的富集。隨著地下水氧化還原條件的發(fā)育，富碘鐵礦物的還原性溶解能夠?qū)е鲁练e相碘向地下水中的釋放。平坦低洼的盆地/平原地區(qū)地下水流速通常緩慢，水巖相互作用時(shí)間較長(zhǎng)，有利于地下水中碘的積累和富集。此外，過(guò)度抽取地下水等人類(lèi)活動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致地下水系統(tǒng)中黏土層壓實(shí)，從而將含碘或利于碘活化溶質(zhì)（如有機(jī)質(zhì)、競(jìng)爭(zhēng)性離子）的孔隙水?dāng)D出至相鄰含水層中?；谝陨咸卣髂Ｊ剑瑲w納出控制高碘地下水形成的三個(gè)主要水文地質(zhì)過(guò)程：蒸發(fā)濃縮、壓密釋放、還原溶解（圖3）。

圖3 全球碘循環(huán)和地下水系統(tǒng)中碘富集的宏觀(guān)水文地質(zhì)過(guò)程（蒸發(fā)濃縮、壓密釋放和埋藏溶解）。

微生物介導(dǎo)的碘形態(tài)轉(zhuǎn)化是地下水系統(tǒng)I^?生成的主要推手。鑒于IO₃^?和OI是含水層沉積物中碘的主要形態(tài)，IO₃^?還原和OI降解對(duì)地下水中I^?的形成和富集發(fā)揮著重要作用。含水層中的多種生物地球化學(xué)過(guò)程參與了IO₃^?還原，例如異化IO₃^?還原、鐵還原、硫酸鹽還原，和甲烷的厭氧氧化（圖4）。其中既有直接的IO₃^?酶促還原，也包括間接的代謝還原態(tài)產(chǎn)物的IO₃^?化學(xué)還原。此外，OI中碘也能夠通過(guò)微生物降解或脫鹵作用釋放到地下水中。

圖4 碘酸鹽還原的微觀(guān)生物地球化學(xué)過(guò)程

為了全面理解地下水系統(tǒng)中碘的水文-生物地球化學(xué)行為，探索可持續(xù)的地下水資源治理和供給方案，以及全球碘循環(huán)認(rèn)識(shí)，本研究建議從以下五個(gè)方面（圖5）開(kāi)展工作：（1）核設(shè)施及核廢料處置場(chǎng)地地下水系統(tǒng)放射性碘的監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；（2）地下水系統(tǒng)OI種類(lèi)的鑒定、定量以及形態(tài)轉(zhuǎn)化；（3）甲烷厭氧氧化耦合IO₃^?還原的分子機(jī)理和環(huán)境效應(yīng)；（4）地下水系統(tǒng)中I^? 氧化和甲基化過(guò)程；（5）高碘地下水的原位修復(fù)技術(shù)。

圖5 高碘地下水的未來(lái)研究方向

作者簡(jiǎn)介

第一作者：李俊霞，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地下水水質(zhì)與供水安全、環(huán)境水文地質(zhì)、地下水環(huán)境等研究工作。以第一作者/通訊作者在Earth-Science Reviews、Environmental Science and Technology, Journal of Hydrology等期刊發(fā)表SCI論文29篇，主編/參與出版專(zhuān)著教材3部。擔(dān)任Journal of Hydrology副主編。獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)（自然資源科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)）1項(xiàng)。Email: [email protected]

通訊作者：王焰新，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。聚焦地下水水質(zhì)研究的前沿科學(xué)問(wèn)題，創(chuàng)新發(fā)展了水文地質(zhì)理論與方法，并在安全供水實(shí)踐中得到重要應(yīng)用?，F(xiàn)任國(guó)際重要期刊Annual Review of Environment and Resources和National Science Review編委、Journal of Earth Science主編，國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)中國(guó)國(guó)家委員會(huì)副主席，國(guó)際地球化學(xué)協(xié)會(huì)會(huì)士、水巖相互作用工作組成員，國(guó)際醫(yī)學(xué)地質(zhì)學(xué)協(xié)會(huì)中國(guó)-愛(ài)爾蘭醫(yī)學(xué)地質(zhì)聯(lián)盟聯(lián)合主席，中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，國(guó)家生態(tài)環(huán)境專(zhuān)家委員會(huì)委員，中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)常務(wù)理事等職。曾獲美國(guó)地下水協(xié)會(huì) (NGWA) 頒發(fā)的“John Hem科學(xué)與工程杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”和國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì) (IAH) 頒發(fā)的“應(yīng)用水文地質(zhì)獎(jiǎng)”。Email: [email protected]

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012825225000959

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/Vw4T726e6jIQSINSAVO3Xw

（來(lái)源：環(huán)境學(xué)院）