打响人与“砷”的战争 当前位置> 首页 > 北地印象

大家从小便熟知一句话:水是生命之源。如果我告诉你我们的生命之源也可能有毒呢?其震惊程度想必会让你不由倒吸一口初冬的凉气。
      我敢这么说并非危言耸听,我们课题组正在研究的就是其中一类地下水有毒问题。
      在维持人类生存的地下水中,有一股正在壮大的破坏力量,它们由一种经常让文艺作品中的悲剧角色闻之色变的毒药——砒霜的主要成分“砷(As)”富集而成。这股破坏力量极其狡猾,它们每到一处都会悄无声息地借助地下水侵入人体,造成角质化、色素异常、乌脚病甚至癌症等地方性慢性砷中毒,威胁人的生命健康。为此,联合国儿童基金会专门设立了高砷地下水项目部,重点解决高砷区的饮用水安全问题,吹响了向砷发起反击的号角。
      我国是受砷破坏最为严重的国家之一。2013年,《Science》报道了我国高砷地下水的分布情况,在包括河套盆地在内的干旱—半干旱盆地地区,有高达1960万人正在受到威胁。切实保障我国地下水特别是高砷区的饮用水安全,更是刻不容缓。
      为破解这一难题,我们课题组迅速展开对高砷地下水的研究,将科学知识变成武器,正式打响了一场人与砷的战争,努力拯救水中的每一股清流。
      在地下水中,作为破坏者的砷有As(III)和As(V)两种形态,前者的破坏力更大。砷在含水层中以铁氧化物或氢氧化物矿物吸附态存在,矿物还原后,他们被释放出来,趁机进入地下水;相反,一旦被含水层矿物吸附,他们便束手无策了。由此,我们发现砷绝非无懈可击,氧化还原环境很有可能成为它们的“阿喀琉斯之踵”。
      按照氧化还原特点,从地下水补给区到排泄区,含水层可划分为有氧区、微氧区、铁还原区和硫酸根还原区,砷含量在上述区域呈逐渐升高的趋势,特别是在铁还原区的砷以破坏力更大As(III)为主。了解完对手的布局,我们还必须知道对手的战术。于是,我们开始聚焦关键问题进行研究:地下水系统砷的释放机理和吸附机理。
      围绕上述问题,我们课题组发起了一系列攻坚战,并在三方面取得了突破性进展:
      一是针对硫酸根还原区,揭示了铁-硫耦合还原是地下水砷释放的主控过程。前人认为S2-、Fe(II)和As一起沉淀,导致地下水砷含量低;新的模型表明S2-没有与Fe(II)直接沉淀,而是与FeOOH反应产生单质硫,并诱发歧化反应,释放更多的砷。该模型很好地解释了硫酸盐还原环境下地下水砷释放的问题,具有更广泛的适用性,不仅为地下水砷迁移转化的模拟提供了新依据,而且为寻找低砷地下水提供了理论支持。
      二是针对铁还原区,发现砷还原菌和铁还原菌促进了含水系统中砷的释放和转化,提出弱结晶铁氧化物通过铁和砷的还原释放砷,而强结晶铁氧化物通过砷的还原释放砷。因而,很好地解释了高砷地下水以As(III)为主的问题,为高砷地下水的治理和地方性砷中毒防治提供了科学依据。
      三是针对有氧区,提出了铁基矿物吸附砷的内层络合模式:利用同步辐射技术,在分子水平上确定了砷吸附的微界面结构,得到了As-Fe之间的双齿双核构型和单齿单核构型。这些构型中,与As配位的Fe原子数越多,砷吸附量越大。基于这些理论认识,我们对天然菱铁矿进行改性,研发了经济高效的除砷吸附剂,并获得了一项国家发明专利。
      目前,我们的研究依然在步步为营地深入推进,我们相信,在学界战友的共同努力下,砷的破坏力量终将瓦解,我们更相信,人类运用科技力量消除一切污染,还自己一片绿色生命之源的一天终将到来。