加勒特·魯在科羅拉多州中部長大，經常在周圍環繞著琥珀色和栗色山脈的地方飛蠅釣魚，並在看似借用這些顏色的溪流旁徒步旅行。有時他會為了捕捉本地鱒魚而拋竿，但卻一無所獲——因為根本沒有魚可抓。然後他開始聽到附近山區社群的人們無法飲用自己的水的故事。他開始懷疑：“這些溪流在支援生態系統方面存在問題，而且它們不能用於飲用。這裡到底發生了什麼？”
如今，作為科羅拉多大學北極和高山研究所研究水道的博士後科學家，魯知道如何解讀溪流生態的顏色程式碼：鐵氧化物呈鐵鏽紅或橙色，鋁呈粉白色，錳呈黃色。這些顏色揭示了從山坡上衝刷下來的礦物質的存在；其結果可能對當地水生生物不利，並對飲用水系統構成危險。一些礦化和酸化是自然發生的。但是，數十年的研究表明，一些礦化和酸化也是該地區金礦、銀礦和其他礦山的採掘歷史和廢物處理做法造成的，這些礦山通常位於山區。現在，氣候變化似乎正在加速這一過程。
化學反應始於高山山谷，其中許多山谷長期以來一直充當著世界天然的水塔。氣候變化正在升高溫度，並增加高海拔高山環境中乾旱的頻率和強度，而礦山通常就位於這些高海拔高山環境中。越來越多的研究將這些更熱、更乾燥的條件與酸性越來越強的水聯絡起來，這會導致岩石向水道中釋放更多的礦物質。進入這些水域的物質清單還在不斷增加。這些趨勢可能會損害世界上任何山區礦物質含量高的流域的水質，從落基山脈到喜馬拉雅山脈再到安第斯山脈。
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魯共同撰寫的研究是這一領域的最新進展之一，也是第一個將氣溫上升與山區溪流中溶解的稀土元素濃度增加聯絡起來的研究之一。這些金屬元素用於拋光和著色玻璃，並用於製造執行我們無處不在的手機、電視和汽車的電池和磁鐵。魯說，他的研究結果於8月發表在《環境科學與技術》上，可能對用於飲用的地表水的安全以及受這些溪流滋養的生態系統的長期健康產生更多影響。
娜塔莉-奧西登塔爾礦井入口處的礦井排水，是科羅拉多州錫爾弗頓附近歷史悠久的礦區水泥溪南叉酸度和金屬的主要來源。圖片來源：加勒特·魯
魯確定的稀土元素是關於水質問題的研究中的相對新成員。人們對這些元素對人類健康的影響知之甚少，美國環境保護署的飲用水法規沒有為它們規定閾值。魯說，通常情況下，它們在水中以萬億分之幾的濃度存在——通常低到無法檢測到。在2012年至2019年間為魯的最新研究在科羅拉多州蛇河盆地採集的樣本中，該團隊發現了數十億分之一的溶解的稀土金屬鑭、鈰、釹、釤、釓、鏑、鉺、鐿和釔。“它們在低濃度下可能不是有毒物質，”魯說，“但我們可能正在跨越一個閾值。”魯還報告說在以溪流為棲息地的昆蟲體內發現了稀土元素，這表明這些金屬正在進入食物網。
即使在蛇河盆地沒有采礦歷史的地區，魯也發現水道中稀土元素的濃度正在上升。該研究的合著者、科羅拉多大學博爾德分校的土木與環境工程師戴安·麥克奈特說，這表明，幾十年來以相對穩定的速度釋放這些元素的山區礦藏，也會隨著氣溫升高和乾旱條件惡化而更廣泛地滲出。沒有與稀土元素相關的水質標準。因此，麥克奈特和魯參考了美國鉛和鎘的水質標準來評估這種滲漏可能造成的潛在風險。研究人員發現，稀土元素的濃度高於鉛和鎘被認為對水生生物和人類健康安全的水平。
除了氣候因素外，礦山和下游水質問題之間的聯絡（通常與釋放各種超出預期開採的金屬有關）是普遍存在的，並且在某些情況下是持久的。在落基山脈的其他地方，包括愛達荷州的科達倫河盆地，一項1998年的研究追蹤了舊礦山進入水道的金屬。研究人員在歷史悠久的採礦區下游50英里的沉積物和河巖中發現了金屬。義大利撒丁島的居民在最近幾十年裡一直在處理因含有鋅、鎘和鉛的酸化洪水從礦山（包括千年歷史的腓尼基礦山）中流出造成的地下水汙染問題。據報道，在德國，過去 800 年間開採的銀礦、鉛礦、銅礦和鋅礦流出的高酸性水，直到 20 年前仍在繼續汙染地下水。
上述例子中，幾乎沒有對氣候變化的作用進行任何正式的調查。但是，如果與氣候相關的乾旱正在影響其他地方的下游水質，那麼僅在美國就有許多地點需要調查。據聯邦統計，這個國家仍然有超過10萬個廢棄礦山。魯估計，美國主要河流中超過 40% 的河流都有可能受到與礦山相關的重金屬或天然來源汙染的山區源頭。在19世紀採礦業也蓬勃發展的澳大利亞，一個公共政策智庫報告說，大約有6萬個廢棄礦山。
傳統的採礦方式會加劇潛在的水汙染。對於開採的每一盎司黃金、白銀、銅和鉛，受僱追逐這些礦脈的礦工都會產生數噸廢石。直到 20 世紀 70 年代，美國礦業法仍然允許私人公司、個體探礦者和磨坊經營者留下這些廢石堆。礦物脈通常是相互交織的，這意味著這些岩石堆包括從地下與目標礦石一起出來的各種金屬。魯的研究將稀土元素新增到可能從岩石中沖洗出來的潛在成分列表中。
廢石堆看起來可能無害，但開採的金屬通常存在於也含有硫化物的岩石中。當硫化物隨著時間的推移受到空氣和降水的風化時，硫化物會降解併產生硫酸，硫酸會剝落殘留的鋁、鎘、鐵、鉛、鋅和其他金屬的痕跡，包括魯和麥克奈特研究的蛇河盆地地點的稀土元素。然後，融雪或雨水將這些金屬帶到下游。
充足的雨水和融水可以稀釋金屬對山下水道的影響，溼地可以作為水過濾器。但是，隨著時間的推移，更加溫暖乾燥的氣候及其伴隨的持續時間越來越長的乾旱會削減這些緩解因素。
為了詳細瞭解這些氣候影響如何影響溪流健康，研究人員回顧了過去 40 年在科羅拉多州中部蛇河盆地採集的溪流化學樣本。一項 2012 年分析這些資料的研究將該地區夏季氣溫的升高與流域水道中鋅和其他生態關注金屬的濃度增加了五倍聯絡起來。美國地質調查局的研究地質學家安德魯·曼寧是該研究的合著者，並在 2013 年繼續進行了一項研究，該研究表明，隨著氣候變化延長了盆地的夏季，那些更溫暖乾燥的月份會降低水位，可能會使更深層的岩石暴露在風化作用下，從而產生腐蝕性硫酸。魯補充說，全球變暖導致的積雪減少也可能導致縮小的水體中溶解的礦物質濃度更高。
曼寧說：“令人驚訝的是，當你開始擾亂氣候時，所有這些意想不到的後果都會聯絡在一起。而且這些生態系統，尤其是在北極和山區等地方，都是基於一個相當穩定的氣候而精心編織在一起的。”
麥克奈特對蛇河盆地進行了數十年的研究，記錄了酸性越來越強的水，這些水將從岩石中釋放出更多的重金屬（可能包括稀土）。她回憶說，當一個學生第一次在現場測試溪流 pH 值並報告其酸性達到極端的 2.7 時，“我說，‘這不可能正確。’而結果確實如此。”酸雨的 pH 值通常接近中性，約為 4，這也是足夠多的金屬溶解到水中以至於盆地彩虹鱒魚死亡的水平，一項 2007 年的研究得出結論。
在下游，溶解的金屬可能會損害人類社群的供水。例如，蛇河流域流入狄龍水庫，該水庫為丹佛市提供飲用水。丹佛水務公司的發言人託德·哈特曼說，稀釋和沉澱解決了大部分擔憂，但這家公用事業公司密切關注礦水排入飲用水的問題。麥克奈特補充說，如果附近的滑雪區不得不依靠更多礦物質和酸化的水來製造人造雪，這可能會加劇問題。春季融化可能會將前一冬天積聚在人造雪中的金屬以濃縮脈衝的形式衝入附近的溪流。
曼寧說，魯的研究結果與其說是引起恐慌，不如說是為進一步研究提供線索。
“我們很少有流域擁有長期的水質資料，這讓我們面臨著‘這種情況有多普遍？’這個更大的問題，”曼寧說，他最近對科羅拉多州的流域進行了取樣，試圖回答這個問題。“這非常令人擔憂，但我們目前正在努力弄清楚的一件大事是我們應該有多擔心。我們只是不知道。”
魯伊的工作讓他得以在紐西蘭的水道中涉足——其中一些水道富含氧化鐵，足以將他的網球鞋染成橙色。大約四年前，在他前往紐西蘭的旅途中，魯伊參觀了一個廢棄的煤礦，那裡正在使用天然鹼性的牡蠣殼罐來中和舊礦井排出的酸性徑流，並減少其中金屬的含量。他希望在美國看到類似的創新，以解決廢棄礦山造成的受汙染徑流問題。由於對稀土元素的需求超過了全球供應鏈的供應，從這些山間溪流的汙染水中提取礦物質既可以滿足製造業的需求，又可以緩解環境問題——如果能夠克服技術和法律上的障礙的話。
“但這並不是為了尋找下一個繁榮，”魯伊說。“這是為了找到解決環境問題的可持續方案……我們已經身處困境，所以我們必須透過科學的方式來擺脫困境。”