在新婚之夜，吉塔·保羅感到厄運難逃。她的父母安排她嫁給一個她從未見過面的男人，他住在科爾蘇爾，一個貧困的村莊，離她自己在稻田、牛欄和房屋群落中的家園僅幾公里遠，靠近印度東部城市加爾各答。在當地，與陌生人包辦婚姻很常見。但當吉塔看到她的丈夫時，她驚恐地發現他身上佈滿了開放性病變和結痂。然後她見到了他的家人。一位哥哥因腐爛而失去了一隻腳，一位姐姐病懨懨的，另一位哥哥在 30 多歲時去世。村裡很多人都生病了。“我以前從未見過這樣的事，”吉塔多年後在接受採訪時說，她坐在她家簡陋的磚瓦房的臺階上。“我以為這是一種傳染病。”
當吉塔的皮膚上出現結痂時，她聽說這種疾病不是透過空氣傳播的，而是在水中傳播的。科學家們帶著簡單的測試工具來到這裡，帶來了壞訊息，村裡水井裡清涼的水正在使人們生病。它被砷中毒了。吉塔決定她和她的丈夫必須搬家。他們花光了所有的錢搬到了鄰近的一個農業村莊。但是那裡的人們也在死去，村民們說那裡的水井也被汙染了。
科學家和村民們是對的。在該地區的許多村莊，人們在不知不覺中透過飲用井水、用井水做飯和洗碗來毒害自己。亞洲至少有 1.4 億人在飲用砷汙染的水。它從無數的管井中湧出，手搖泵連線著沉入地下的塑膠或金屬管道。政府人口普查資料顯示，僅在印度，過去三十年中就挖掘了超過 1800 萬口這樣的小井。挖掘這些井是為了繞過充滿致病細菌或工業徑流的地表水。但死亡也潛伏在地下。
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天然存在的砷會殺死人體細胞，首先導致皮膚疤痕，然後隨著它在體內緩慢積累，導致腦損傷、心臟病和癌症。在至少 30 個國家發現了含砷地下水，從阿根廷到中國、柬埔寨和越南，以及加拿大和美國的某些地區。
現在，地下水井的使用不斷擴大——人們需要飲用水，農民需要水來種植莊稼以養活龐大的人口——這使得情況更加糟糕。抽取這些水改變了地下河流的流向，因此以前清潔的水現在流經富含砷的沉積物，曾經純淨的村莊裡曾經健康的水井突然湧出了災難。
科學家們最近一直在嘗試一些新的方法：繪製地下景觀圖，試圖找出更安全的地方來挖掘水井。但到目前為止，地下水流的變化和化學反應的速度已經超過了地圖的預測能力。“情況令人可悲。這真是絕望，”迪潘卡·查克拉博蒂說，他是一位環境分析化學家，在加爾各答賈達普大學花了 28 年時間研究這個問題，他曾擔任該大學環境研究學院的負責人。該大學目前正在以他的名字建立一個研究機構——DC 研究基金會——以進一步進行砷研究。“我們地下改變的速度太快了，我們幾乎跟不上。”
水井問題
受影響的較富裕地區，例如美國西南部，有資金和手段來過濾他們的水。但許多受災最嚴重的人口也是世界上最貧窮的人口。在南亞——被認為是風險最高的地區之一——富含砷的地下水流經人口稠密的陸地，覆蓋印度、尼泊爾和孟加拉國的部分地區。儘管世界衛生組織表示，砷濃度超過每升水 10 微克是危險的，但印度的法定最高限額仍然是每升 50 微克——許多水井的測試結果甚至遠高於印度寬鬆的標準。
印度的問題可以追溯到 20 世紀 60 年代，當時該國開始飲用地下水，以替代被細菌汙染的地表水中毒，地表水通常是停滯不前的，並且沒有受到汙水或農業徑流的保護。1969 年，印度啟動了一項耗資 1.25 億美元的專案，在聯合國兒童基金會等國際組織的幫助下，在地球上鑽孔並挖掘超過一百萬口簡易水井。隨後又實施了更多專案。似乎別無選擇。印度幾乎沒有儲存、分配或過濾水的基礎設施——這種情況至今仍然存在，只是在最大的城市除外。
管井被譽為一種廉價且拯救生命的解決方案。在印度 12.5 億人口中，約有 80% 的農村人口和 50% 的城市人口使用地下水進行飲用、烹飪以及灌溉農作物和菜園。地下水解決了另一個嚴峻的問題：饑荒，它曾在 20 世紀 80 年代威脅到該國部分地區。如今，印度驚人地使用了 91% 的灌溉水來種植水稻、小麥和甘蔗。
但農業繁榮也帶來了後果。大多數管井都挖到 50 至 200 米的深度，當它們到達第一層無菌水時就停止了。不幸的是，這個深度恰好與該地區大部分砷的發現地相對應，這在當時是不知道的。再鑽深一點，水通常是可以飲用的。但鑽更深的水井需要更多的時間和金錢，需要更堅固的材料，而許多貧困的村民負擔不起。
還存在其他障礙。普遍的無知和機構的冷漠阻礙了人們瞭解風險的努力。看似簡單的解決方案，例如收集雨水或現場處理水，對於文盲來說過於複雜，並且容易被誤解。由於塑膠防水布和管道維護不善，收集工作崩潰了。透過裝滿沙子的水桶過濾水通常被視為一項繁瑣且耗時的家務活。科學家和活動家分發的處理片劑被無法閱讀說明或理解化學原理的村民誤用。更永久的解決方案，例如可以消除數百萬人猜測的大型過濾廠，已被證明既昂貴又技術上繁瑣，並且存在許多監管不力的缺陷。
“當然，最好的解決方案是完全避開受汙染的水，”瑞士聯邦水科學與技術研究所（Eawag）水汙染研究負責人邁克爾·伯格說。“但與被病原體汙染的地表水相比，地下水被認為是兩害相權取其輕。”
殺手的地質學
砷是一種相對常見的元素。無味、無色、無味，長期以來一直是刺客最喜歡的工具。即使在非常低的劑量下，它對大多數生命形式也是有毒的。
喜馬拉雅山脈下方的平原是地球上砷含量最豐富的土地之一。在巨大的山脈透過構造碰撞形成後，山坡上富含砷的黃鐵礦礦物暴露出來，並被湍急的河流侵蝕掉，河水將沉積物帶到印度、孟加拉國、中國、巴基斯坦和尼泊爾。當溶解的砷在水中翻滾時，它會發生化學反應，與氧氣和鐵或其他重金屬結合，形成顆粒，這些顆粒落到河床，並在隨機深度留下條紋狀的富含砷的土壤層。經過數千年的積累，泥濘的沉積物形成了古老的恆河-梅格納-布拉馬普特拉平原——現在是一個人口稠密的地區，約有 5 億人口，覆蓋了近 70 萬平方公里的土地。
按照自然規律，大部分砷應該留在地下。但管井挖掘了砷，即使在河流不再流經的地方也是如此。“你不能只看現在的河流流經哪裡，”查克拉博蒂說，他用手指描繪出水的路徑，同時在他的大學辦公室裡從一個實驗室燒杯中啜飲咖啡，他的辦公室裡，檔案櫃和訪客在盆栽植物的綠色樹冠下避蔭。“你必須考慮河流的路徑是如何變化的。曾經有一段時間，這裡到處都是水。這意味著有更多可能找到砷的地方。”
並非地球上的所有砷都從土壤中浸出到水中；必須存在某些地質條件。研究這個問題的科學家們概述了導致砷釋放的兩種一般情況，這種理解為預測可能的風險開闢了可能性。
第一種情況——鹼性砷釋放——發生在富氧土壤中，鹼性高 pH 值的水正在迴圈，例如阿根廷或美國西南部的乾旱地區。水引發化學反應，分解氧化鐵和其他金屬塗層土壤顆粒。這釋放了任何與這些帶電分子結合的砷，使其溶解並汙染周圍的地下水。
第二種情況——還原性砷釋放——發生在缺氧但富含有機碳的土壤中。這些條件在三角洲、洪泛區和河流盆地中很典型，那裡的表層土壤通常足夠新，仍然充滿了細菌。這些條件與世界上一些人口最稠密的土地有關，包括印度北部、孟加拉國和越南等東南亞國家。在這種情況下，細菌會促進化學反應，利用催化酶分解砷結合的氧化鐵。因此，如果有人從地下水無砷的地區（例如北卡羅來納州）抓一把土壤，並將其埋在孟加拉國，它就會釋放砷。
只要有足夠的有機碳來餵養細菌，這個過程就會繼續下去，而在更深的深度，有機碳變得越來越稀少。印度大量使用的肥料可以延長這個過程。它可以被鹽度，特別是硫化物緩解，硫化物也會與砷結合形成沉澱物。但這隻在氧氣保持低水平時才有效。任何新引入的氧氣都可能被細菌用來分解硫化物，並再次釋放任何結合的砷。因此，如果含水層以快速的速度枯竭和補給，將新鮮的含氧水滴入地下，這種情況可能會引發新一輪的砷釋放。補給含水層在印度也很常見，為長期持續釋放砷提供了完美的條件。
繪製危險地圖
目前，大多數受汙染的水井都是透過耗時、勞動密集的過程發現的，即挨家挨戶地走訪村莊，並使用化學反應現場試劑盒測試每口水井。將水與幾種試劑混合後，將測試條插入密封容器中，以吸收釋放的任何砷。大約 10 分鐘後，試紙的顏色會給出大致的結果：白色表示水是乾淨的；紅色表示水被汙染了。
但現場試劑盒僅提供了一種粗略的測試，可以檢測到一定程度的汙染。超過這個水平或需要更詳細的資訊，則需要在實驗室中對水進行測試。
由於危機如此廣泛，檢查員很少及時發現問題，而是在人們飲用含砷水多年後才到達水井。因此，一些科學家已經開始尋找捷徑，研究土地輪廓的衛星影像並繪製水流圖，以預測地下沉積物的型別，並顯示最有可能發現砷的地方。他們說，這些方法可以幫助政府節省資金和時間，方法是減少需要測試的管井數量，或者可以在以前被認為是安全的地區發出警報。
2006 年，伯格和 Eawag 的其他科學家開始基於早期預測模型建立全球砷地圖，這些模型建立在土壤含量、地表坡度和水流等引數之上。他們在 2008 年釋出了他們的全球風險機率地圖的初稿，並計劃很快釋出一個包含最新研究和更多細節的新版本。
伯格一直領導這項工作，他說，這些模型“可以在沒有測試的地方做出預測”。例如，他的團隊能夠預測印度尼西亞蘇門答臘島的大片地區處於危險之中。“然後我們去進行了測試，我們的預測得到了證實。這讓我們對這種預測模型不太糟糕有了很大的信心。”
2013 年，中國醫科大學與 Eawag 合作建立了一箇中國模型，此前在 2001-2005 年對約 445,000 口管井進行的測試顯示，約 5% 的管井汙染超過了印度每升 50 微克的法定限值；更多管井超過了世界衛生組織設定的更保守的安全水平。由於該國大片地區仍未進行測試，該團隊希望幫助政策制定者採取行動。“科學與社會之間存在障礙。我們需要以某種方式向政策制定者表明，我們可以幫助解決實際問題，”路易斯·羅德里格斯-拉多說，他是一位化學家，現在在西班牙聖地亞哥-德孔波斯特拉大學工作，也是 2013 年 8 月發表在《科學》雜誌上的論文的主要作者。中國模型與實際管井測量值相比，相關性為 77%。羅德里格斯-拉多說，這些資料可以透過突出顯示哪些管井需要測試來幫助拯救生命、金錢和時間：“這對任何科學家來說都是非常令人滿意的。”
然而，存在侷限性。由於這些模型基於地表條件和關於水流的最新知識，因此它們對更古老和未知的地下水體的含量預測效果不佳。“我們的預測始終與你在地表看到的東西有關，”伯格說。“如果它們與較老的沉積物有關，我們就無法捕捉到。”
羅德里格斯-拉多說，基於準確和最新的資訊構建模型對於避免錯誤至關重要。在進行中國研究時，他假設該模型將遵循鹼性條件，即富氧土壤和鹼性水，這是基於中國的乾旱景觀和降雨模式。“中國的大部分地區都被歸類為砷釋放的氧化條件，”他說。“但來自中國的資訊很差，”他很快意識到中國的含水層是缺氧的，就像印度和孟加拉國的一樣。當他使用這些引數重新計算時，準確性得到了提高。
預測繪圖還存在其他侷限性，尤其是在解析度方面。中國風險模型將其網格尺寸設定為 25x25 公里——太大，無法預測哪些村莊會受到影響。“這些模型可能有用，但它們還沒有完全到位，”哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的地球化學家亞歷山大·範·吉恩說。“假設一個模型預測某個地區有 20% 的機率存在砷。好吧，我仍然想測試我的井，對吧？”
失敗的解決方案
政府曾嘗試其他方法來解決供水問題，但它們未能取得任何進展。幾年前，西孟加拉邦政府修建了一條管道，將加爾各答無砷的市政用水向東輸送到農村。但供水每天只執行幾個小時，甚至根本不執行，而且沒有到達每個村莊。黑色塑膠管道維護不善，許多管道破損，水從鋸齒狀的孔洞中溢位，流到路邊的泥濘水坑中。
在西孟加拉邦和鄰國孟加拉國都安裝了數百個除砷廠，每個工廠的平均成本約為 1,500 美元。查克拉博蒂和其他人已經證明，簡單的圓柱形過濾器機制在很大程度上是無效的。一項研究發現，來自幾家製造商的 13 家工廠中，只有兩家將砷含量維持在印度標準以下。沒有一家能夠可靠地達到世界衛生組織的標準。到 2005 年該研究發表時，這幾乎無關緊要了：維護和監管不力意味著總共 18 家工廠中只有 3 家仍在執行。
挖掘更深的管井以繞過當前的汙染層不僅是一項昂貴的任務，耗盡了村莊的資源，而且查克拉博蒂的研究表明，這只是一種短期的補救措施。低窪的含水層位於地表下 200 米處，部分被厚厚的粘土屏障與較高的受汙染含水層隔開。“部分”是一個關鍵的警告。存在裂縫和孔洞。因此，從更深的深度抽水可能會爭取時間，但致命的水最終可能會滴落下來並汙染下面的水。
這種情況已經在印度發生，世界銀行稱，除非大幅度減少抽水，否則印度的地下水使用量如此之大，以至於該國 60% 的含水層將在 20 年內達到臨界水平。在孟加拉村莊賈伊納加爾，查克拉博蒂發現，從 1995 年到 2000 年，曾經安全的八口管井的砷濃度在短短五年內急劇躍升至危險水平。
砷也可以水平移動，從一個受汙染的含水層移動到相鄰的清潔含水層，如果兩個水庫之間的水壓發生變化，也可以向上和向下移動。這種運動目前正在危及河內，河內從一個無砷含水層中取水，該含水層曾經從城市流走。這種流動將來自鄰近的受汙染含水層的水推開。但隨著越南大都市的發展，它從安全層抽取的越來越多的水，這種變化逆轉了流動方向。來自紅河附近受汙染含水層的水已經開始湧入該市以前清潔的含水層。範·吉恩說，這令人擔憂，但他指出，到目前為止，這個問題發展緩慢。他的研究發現，砷的移動速度比水本身慢 16 到 20 倍，據推測，砷仍然與其他元素結合在土壤中，只是逐漸被地下化學反應釋放出來。
在印度，情況發展得更快，隨著該國人口規模和養活人民的努力而加速。幾乎沒有人監管 1986 年禁止過度使用地下水的法律。即使田地位於湖泊或河流旁邊，農民也使用地下水灌溉。即使不需要水，地主也會盡可能多地抽取水，然後在黑市上出售。砷正在進入食物鏈。它在稻米中。它在牛奶和水牛肉中。查克拉博蒂甚至在瓶裝蘇打水和醫院使用的無菌水瓶中也發現了砷。
為安全而奮鬥
因此，儘管研究人員對問題和原因達成一致，但範·吉恩說，“不清楚的是該怎麼做”。他和查克拉博蒂等人認為，雖然預測模型可能有用，但它不能取代在地面上測試管井的需求。
範·吉恩提倡在水井現場使用廉價的測試工具包。它們不如實驗室測試準確，但可以以最低的成本立即獲得結果。他還發現了一個潛在的測試工作市場。對比哈爾邦 26 個村莊進行的一項研究發現，約有三分之二的居民願意支付 20 盧比，約合 30 美分，請人測試他們的水井。
“我們無法處理所有這些私人水井，因此我們的角度是促進測試員網路，併為他們提供測試的經濟激勵，”範·吉恩說。在孟加拉國，他和他的同事們設法測試了足夠多的水井，並使用 GPS 位置資料繪製了水井地圖，以建立該國安全和不安全水井的動態地圖，以便村民可以輕鬆找到安全的水。
範·吉恩的研究夥伴、新德里 TERI 大學的水文地質學家錢德·庫馬爾·辛格表示，後續研究還表明，為測試付費的村民更可能聽取測試結果，並改用更安全但不太方便的水井。兩人還在研究收入或種姓身份等社會經濟因素如何阻止人們使用其他種姓或收入較少的人共用的安全水井。“我們沒有看到政府對此有多大關注，”辛格說。“也許我們的一些工作可以幫助指明方向。”
查克拉博蒂也同樣培訓助手騎腳踏車或乘火車到村莊收集水井樣本。他組織了國際會議，並帶領醫生、學生和活動家團隊進行健康檢查。他還設立了一個基金，用於支付他的研究費用，併為貧困居民提供免費的水質檢測。當查克拉博蒂的資歷未能給村民留下深刻印象時，他拋開了他對印度舊等級制度的反感，並強調了他的高種姓婆羅門血統：他穿上婆羅門聖人穿的白色纏腰布和神聖線，併為家庭指明當前安全的水井。“我討厭這樣，但我會去做，”他談到這種噱頭時說。“我所要做的就是打動母親。然後我就知道這個家庭會沒事的。”
在吉塔的村莊，她虛弱的丈夫斯里瓦斯正在與頭痛、持續的疼痛和疲憊作鬥爭。他的身體上佈滿了結痂性病變，皮膚刺痛，尤其是在陽光下。目前尚無已知的砷中毒治療方法。沒有藥物可以逆轉染色體損傷。螯合療法，包括將結合劑注射到血液中，歷史上曾用於金屬中毒的極端病例。但在印度，這種療法風險極高且價格昂貴。大多數人能做到的最好的事情就是吃有營養的食物並停止攝入毒藥。儘管如此，斯里瓦斯仍然認為自己是幸運的。他有一個十幾歲的兒子，可以幫助他從附近的醫院診所運送幾桶健康的水，吉塔則透過她的女傭工作來維持家庭收入。
“我對任何人都沒有抱怨，”顫抖的斯里瓦斯說，這反映了印度窮人中非常普遍的宿命論，一些科學家擔心這種宿命論實際上阻止了村民尋找更清潔的水井。“即使我想抱怨，也沒有人會聽。”