利用同位素、水文地球化学和微生物示踪方法，追踪阿根廷马德普拉塔市一个城郊住宅区地下水中的硝酸盐污染情况

《Journal of Environmental Management》：Tracking nitrate contamination in groundwater from a residential Peri-urban area in Mar del Plata city (Argentina) using isotopic, hydrogeochemical and microbiological tracers

　　**Jesús David Gómez Gutiérrez** | **Asunción Romanelli** | **Karina Soledad Esquius** | **Soledad Domínguez** | **Daniel Martínez** | **Orlando Mauricio Quiroz Londo?o**
**阿根廷马德普拉塔国立大学海岸与第四纪地质研究所（IGCyC）“Dr. Enrique Jorge Schnack”** | **布宜诺斯艾利斯省科学研究委员会（CICPBA）**
地址：Déan Funes, 3350, 7600, 马德普拉塔, 阿根廷

**摘要**
本研究评估了受无计划城市化影响的非承压含水层中的地下水质量、硝酸盐污染源以及氮的生物地球化学过程。研究在阿根廷马德普拉塔东南部的一个住宅区进行。2023年期间分三个时间段采集了地下水样本：旅游季前（9月至10月）、旅游季后（3月至4月）和中间期（5月至8月）。共评估了40个监测点，包括家庭用水井（30口）、观测井（6口）和泉水（4处）。研究方法采用了综合多示踪剂框架，结合了水化学、同位素和微生物指标。根据阿根廷饮用水标准，约70%的样本不适合人类饮用，主要原因是现场废水处理系统的微生物污染。相比之下，硝酸盐浓度在2.2至41.4 mg/L之间（平均值：23.7 mg/L），低于当地标准（45 mg/L）和世界卫生组织推荐值（50 mg/L）。硝酸盐的同位素分析（δ15N–NO3- 和 δ18O–NO3-）表明粪便和污水是主要的氮来源，硝化作用是主导的生物地球化学过程。稳定水同位素（δ2H–H2O 和 δ18O–H2O）显示含水层水与人为蒸发物质发生了混合，富集的δ18O值反映了渗透过程中的强烈二次蒸发。研究表明，即使硝酸盐浓度低于监管阈值，结合微生物指标和硝酸盐同位素也能揭示污水对地下水的影响，突显了隐藏的卫生风险，并强调了多示踪剂方法在保护和管理城郊含水层中的价值。

**引言**
全球约69%的农业用水、22%的生活用水和9%的工业用水依赖地下水，它是人口增长和经济发展的重要资源（Liu等人，2024；Karandish等人，2025）。然而，不合理的土地使用规划和监管导致城市、工业和农业活动相互重叠，未充分考虑其对地下水的累积影响，从而降低了水质和可用性（Burri等人，2019；Foster，2020；Gesels等人，2021；Lapworth等人，2022）。因此，保护地下水资源并确保其可持续管理变得日益重要（Foster，2020；Lapworth等人，2022）。快速城市化给饮用水供应、卫生设施和废物管理带来了重大挑战（Foster，2020）。无计划的城市扩张往往超过基础设施发展速度，通过改变水文过程降低补给量并增加污染风险（Lutterodt等人，2021；Lü等人，2022）。拉丁美洲和加勒比地区的发展中国家是发展中国家中城市化程度最高的地区，约82%的人口居住在城市地区，包括多个大城市（Pichs-Madruga等人，2020；联合国人居署，2024）。快速且监管不力的城郊扩张对水资源可用性和质量构成重大挑战（Ravetz等人，2013；Bolay，2020）。随着城市发展，农业和畜牧业仍然是主要的土地用途，对地下水资源造成额外压力（Kay等人，2022）。因此，评估地下水质量和识别污染源对于可持续资源管理至关重要（Foster，2020）。最新全球证据表明，大量现场卫生设施显著增加了地下水污染风险，尤其是通过废水渗透导致的硝酸盐渗漏（Mbae等人，2024）。基于现场和多示踪剂的研究表明，化粪池产生的氮在浅层含水层中形成局部硝酸盐热点，并表现出明显的空间和时间变化（Rakhimbekova等人，2021；Torres-Martínez等人，2020）。这些影响通常因水文作用而加剧，因为季节性补给和降雨驱动的冲刷增强了污染物从非饱和带向地下水的传输（Murphy等人，2020；Pouye等人，2023）。

在地下水污染物中，硝酸盐尤其令人担忧，因为它普遍存在且持久，主要与家庭废水、工业废水、粪便施用和大量使用化肥有关（Harris等人，2022；Aleku等人，2024）。除了环境影响外，越来越多的流行病学证据表明，即使硝酸盐浓度低于当前监管限值，长期暴露于饮用水中的硝酸盐也可能通过内源性硝化途径对人类健康构成重大风险。大规模基于人群的研究报告了长期硝酸盐暴露与儿童中枢神经系统癌症风险增加之间的关联，强调了早期暴露的脆弱性，以及与不良生殖结果、先天性异常、结直肠癌和甲状腺功能障碍的关联（Ward等人，2018；Stayner等人，2021；Lin等人，2023）。这些证据共同强调了硝酸盐污染作为一个关键的公共卫生问题，特别是在依赖地下水供水的地区。

**稳定同位素在硝酸盐中的应用**
硝酸盐中的氧和氮的稳定同位素可以有效区分污染源，如家庭废水、粪便、土壤和化肥，因为它们具有独特的同位素特征（Aravena等人，1993；Kendall，1998），并可以检测改变硝酸盐浓度和同位素组成的生物地球化学过程（B?ttcher等人，1990）。然而，重叠的特征和生物地球化学变化使得仅依赖δ15N–NO3- 和 δ18O–NO3?的数据容易产生歧义（Xu等人，2016；Kendall等人，2007；Venkiteswaran等人，2019）。最近的研究通过将硝酸盐同位素与稳定水同位素、物理化学参数（如DO、NO3?、Cl?）和生物标志物（如粪便大肠菌群）相结合，克服了这些挑战（Briand等人，2017；Archana等人，2018；Yu等人，2018；Torres-Martínez等人，2021；Zhang等人，2022；Biddau等人，2023），提供了与污染相关的水文和生物地球化学过程的全面视图（Gesels等人，2021）。

**研究区域**
本研究区域位于阿根廷马德普拉塔的东南部城郊地带（南纬38° 0′，西经57° 33′），这是该国仅次于首都布宜诺斯艾利斯的第二大旅游目的地，拥有约66.7万常住人口，夏季游客数量可达300万（INDEC，2023）。过去二十年，该地区经历了显著的人口增长，表现为城市密集化和住宅向以前农村和农业用地的扩展。研究区域缺乏市政供水和污水网络，因此家庭依赖私人井和化粪池系统。夏季时，由于临时人口激增，加上常住人口的持续需求，地下水压力增加。此外，含水层还受到农业活动、垃圾填埋场、住宅开发和娱乐活动的多重压力，这些都导致了地下水质量的下降。

**研究目的**
本研究旨在通过以下方式评估这一非承压含水层中的硝酸盐污染：
(a) 确定影响地下水质量的因素；
(b) 确定硝酸盐污染的来源；
(c) 分析调节NO3?动态的生物地球化学过程。为此，使用综合多示踪剂方法评估了深度为15–50米的井水和沿海泉水，结合水化学、同位素和微生物指标，从而识别与土地利用相关的点源和扩散污染。这种方法能够检测到即使硝酸盐浓度低于监管阈值时的污水影响，揭示城郊含水层中的隐藏卫生风险。结果有助于更准确地分配硝酸盐来源并基于过程进行解释，为拉丁美洲和加勒比地区快速扩张的城郊地区的地下水保护和城市规划提供基础信息，而这些地区的综合方法仍较为有限（Matiatos等人，2021）。

**方法框架**
图2总结了本研究采用的方法流程。该图概述了地下水监测网络的设计、现场采样和保存程序以及用于评估地下水质量、识别硝酸盐污染源和评估氮生物地球化学过程的数据处理步骤。

**地下水采样**
2023年期间，通过三次监测活动从潘帕诺含水层采集了40个地下水样本：旅游季后（2023年3月至4月）、旅游季后（2023年3月至4月）和中间期（5月至8月）。

**总体水化学特征和地下水流动模式**
水化学参数和现场测量数据（补充材料）显示，三个采样期间的水质存在季节性变化（表1）。电导率（EC）在919至1500 μS/cm之间，总溶解固体含量高达960 mg/L；pH值保持中性至微碱性（6.64–8.10）。在研究的含水层中，溶解氧浓度（2.3–9.0 mg/L）表明主要为氧化状态，大多数氧化还原电位（ORP）值介于+100至+300 mV之间，与氧化到中等氧化状态一致。

**结论**
尽管所有地下水样本中的硝酸盐浓度均低于阿根廷食品法（45 mg/L）和世界卫生组织（50 mg/L）设定的限值，但证据表明该地区的地下水质量正在恶化，因为微生物参数（大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠杆菌和铜绿假单胞菌）使其不适合直接饮用。这些发现表明，城郊地区的无计划城市扩张可能对地下水质量产生负面影响。

**作者贡献声明**
Jesús David Gómez Gutiérrez：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资源准备、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。
Asunción Romanelli：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源准备、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。
Karina Soledad Esquius：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。
Soledad Domínguez：撰写。

**关于人工智能在论文准备过程中的应用**
在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT来提高文章的清晰度。使用该工具后，作者仔细审查并编辑了内容，并对最终版本负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者感谢阿根廷国家科学技术促进局通过PICT 2020 1349项目以及2024年阿根廷领土影响研究项目补充基金（Williams基金会）的财政支持。Jesús David Gómez Gutiérrez是阿根廷中央布宜诺斯艾利斯大学（UNICEN）环境与健康应用科学博士项目（DCAAS）的博士生。作者还感谢G先生的支持。