昆杰拉布国家公园高山水域中的砷和汞污染：来源与健康风险评估

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Arsenic and Mercury Contamination in Alpine Waters of Khunjerab National Park: Sources and Health Risk Assessment,

　　

Salar Ali | Atta Rasool | Silvie Heviánková

巴尔蒂斯坦大学地球与环境科学系，巴基斯坦斯卡杜16100

摘要

高海拔受保护的流域通常被视为原始的自然状态；然而，由冰川供给的水系可以通过活跃的冰冻圈过程、地貌过程和地质过程自然地释放有毒元素。本研究首次对巴基斯坦卡拉科尔拉姆山脉的Khunjerab国家公园（KNP）中由冰川供给的地表水中的砷（As）和汞（Hg）进行了综合的水化学评估和人类健康风险分析，基于在融雪高峰期收集的44个样本，使用ICP-MS技术进行分析（砷的检测限为0.02 μg/L；汞的检测限为0.005 μg/L）。通过物理化学特征分析、Piper图、Gibbs图和Stiff图以及IDW空间插值方法，研究了污染源、空间分布和公共卫生影响。砷的浓度范围为5.8至24.9 μg/L，其中82%的样本超过了世界卫生组织（WHO）的建议标准（10 μg/L）。所有样本中的汞浓度（0.2–3.4 μg/L）均低于标准限值。这些水体的主要化学成分类型为Ca²⁺–Mg²⁺–HCO₃^-（pH值：6.8–8.2；电导率：250–890 μS/cm）。主成分分析（PCA）显示，地质作用是砷迁移的主要控制因素（PC1贡献率为79.1%），而人为因素的贡献率较低（PC2贡献率为7.3%）。PHREEQC模型指出，砷黄铁矿的氧化溶解（标准指数：-0.34至+0.18）和铁绿矾的过饱和（标准指数：+0.82至+2.32）是砷迁移和减弱的的主要机制。所有地点的致癌风险均超过了美国环境保护署（USEPA）设定的标准（10^-4），具体范围为8.8×10^-4至3.74×10^-3，表明未处理的融雪水对消费者存在严重的公共卫生风险。这些发现强调了在巴基斯坦的国家水资源政策和吉尔吉特-巴尔蒂斯坦地区的水资源管理框架中，必须强制实施砷监测、在用水点进行水处理，并纳入气候响应型的高海拔流域管理措施。

引言

高海拔的淡水生态系统调控着水文和生物地球化学过程，为下游社区提供饮用水、农业用水和水力发电资源。喜马拉雅-卡拉科尔拉姆-兴都库什（HKH）地区，被誉为“第三极”，拥有世界上最大的非极地冰储量，为南亚和中亚约20亿人提供水源（You等人，2017年；Immerzeel等人，2020年；联合国教科文组织，2025年）。尽管这些高山流域普遍被认为处于原始状态，但最近的研究表明，由于强烈的物理风化作用、硫化物氧化、热液作用以及加速的冰川融化，它们可能自然含有较高浓度的潜在有毒元素（PTEs），如砷（As）和汞（Hg）（Hadzi等人，2015年；Ma等人，2019年；Ayiwouo等人，2022年；Umeh等人，2025年）。

由于砷和汞的毒性、持久性和生物累积潜力，它们是全球重要的污染物（Mustapha等人，2025年；ATSDR，2015年）。长期接触无机砷与癌症、心血管疾病、代谢问题及神经系统疾病有关（Ahmad和Bhattacharya，2019年；Bobojonov等人，2025年）。汞，尤其是甲基汞，是一种强效的神经毒素，能够在水生食物网中传播（Kwaansa-Ansah等人，2019年；Brown等人，2024年）。高海拔地区由于温度低和降雪量大，可能成为大气传输的汞和其他污染物的“冷陷阱”，导致污染物长时间沉积在积雪和冰川中，随后通过融雪水释放（Mudyazhezha和Kanhukamwe，2014年；Narangarvuu等人，2023年）。

这两种元素的迁移机制与冰冻圈过程密不可分。在由冰川供给的山地系统中，主要的地质释放过程是在冰川加速融化期间硫化物矿物（尤其是砷黄铁矿（FeAsS）和朱砂（HgS）的氧化溶解（Kpan等人，2014年；Hadzi等人，2015年）。在阿尔卑斯山和亚洲山脉的含硫化物岩石中，观察到砷浓度超过世界卫生组织的饮用水推荐标准（10 μg/L）（Moradi等人，2024年；Pu等人，2024年）。同时，融雪水排放量可占到冰川供给河流系统中每年汞通量的90.8%，这凸显了冰冻圈变化对痕量金属迁移的关键影响（Sun等人，2017年；Pu等人，2024年）。然而，日益增长的人为压力，如旅游业、道路交通和畜牧业，进一步加剧了这些自然地质过程，向已经受污染的高山流域引入了额外的营养物质和金属（Orebiyi等人，2010年；Tay等人，2019年；Awuah和Kyereh，2023年）。

尽管喜马拉雅-卡拉科尔拉姆-兴都库什（HKH）地区在水文方面具有重要意义，但对其地质源痕量金属污染的认识仍然不足，尤其是在高海拔的冰川供给系统中。巴基斯坦超过13%的水源受到砷污染，估计有5000万至6000万印度河流域的人口暴露于超过WHO推荐标准的砷浓度中，从而面临相关的健康风险，尤其是儿童（Podgorski等人，2017年；Ruby等人，2025年）。然而，吉尔吉特-巴尔蒂斯坦地区的高海拔融雪水系统，特别是Khunjerab国家公园（KNP），作为Hunza-Indus河流域的主要源头，却很少受到关于砷（As）和汞（Hg）中毒问题的关注（Hussain等人，2019年）。鉴于当地社区和临时人口依赖未经处理的融雪水，以及与中国-巴基斯坦经济走廊（CPEC）相关基础设施的发展，这种差异尤为令人担忧。

Khunjerab国家公园（KNP）是研究地质来源和人为因素对痕量金属共同影响的重要地点，因为它结合了冰川供给的水文系统、富含硫化物的岩石类型、快速发生的物理风化作用以及卡拉科尔拉姆公路沿线的局部人类活动（Ali等人，2025年；Khan等人，2025年）。然而，关于吉尔吉特-巴尔蒂斯坦高海拔地表水的痕量金属数据非常有限，特别是在受冰冻圈过程影响的保护性流域中。因此，本研究通过结合水化学分析和健康风险评估，提供了新的信息，以确定卡拉科尔拉姆地区的岩石类型、冰川侵蚀以及融雪水驱动的溶质迁移如何共同影响砷和汞的行为。本研究的目标是：（i）描述KNP地表水的物理化学性质；（ii）量化溶解态砷和汞的浓度及其空间分布；（iii）通过皮尔逊相关分析、主成分分析（PCA）和基于PHREEQC的热力学建模确定地质和人为来源的控制因素；（iv）评估与饮水相关的人类健康风险。这些发现为这个对喜马拉雅水资源安全具有日益重要战略意义且对气候敏感的流域管理地区，建立了首次融雪季节痕量金属迁移的水化学基准。

章节片段

研究区域

KNP位于巴基斯坦北部的吉尔吉特-巴尔蒂斯坦（GB）地区，靠近喜马拉雅山脉、卡拉科尔拉姆山脉和兴都库什山脉的交汇处。GB地区面积约为72,971平方公里，拥有世界上最大的非极地冰川系统，为南亚和中亚的下游国家提供淡水（图1）。尽管该地区人口约为180万且工业发展有限，但它仍然处于孤立状态，环境较为脆弱。KNP区域约有226,913公顷

主要离子化学成分和水化学特征

KNP的地表水呈微碱性（pH值6.8-8.2），氧气含量丰富（溶解氧5.8-9.5 mg/L）（表1），并且具有较低的矿物化程度（电导率250-890 μS/cm；总溶解固体170-512 mg/L），这与由碳酸盐和硅酸盐丰富岩石类型构成的冰川供给流域特征一致（Hadzi等人，2015年；Narangarvuu等人，2023年）。碱性和富氧的环境促进了硫化物矿物的氧化，并稳定了砷酸盐（As⁵⁺），从而增加了矿物化山区的砷迁移性

结论

研究发现，该地区普遍存在地质来源的砷富集现象，砷浓度范围为5.8至24.9 μg/L（平均16.8 μg/L），其中82%的样本超过了WHO的饮用水标准（10 μg/L）。汞浓度（0.2-3.4 μg/L）在推荐范围内，尽管高于其他偏远的高山生态系统。这些水体温度较低，呈中等碱性，以Ca-Mg-HCO₃为主，表明高山地区的风化作用活跃。水-岩相互作用被认为是影响砷迁移的主要因素

CRediT作者贡献声明

Silvie Heviánková： 负责监督工作。Atta Rasool： 负责初稿撰写。Salar Ali： 负责审阅、编辑及方法论制定

未引用参考文献

Ahmad等人，2021年；ATSDR（有毒物质和疾病登记机构），2015年；Nawab等人，2023年；Nawab等人，2017年；世界卫生组织，2024年；Wang等人，2022年。

利益冲突

所有作者声明不存在利益冲突。

数据和材料的可用性

所有数据均为真实且原创。

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

我们感谢巴基斯坦地质调查局和高等教育委员会对研究项目的资助。欧盟也通过REFRESH项目（项目编号CZ.10.03.01/00/22_003/0000048）在“公正转型”运营计划下支持了这项研究。我们还要感谢我们的老师和朋友们对我们硕士研究的帮助。