第一作者：李俊霞
通訊作者：王焰新
通訊單位：中國地質大學（武漢）環境學院
成果簡介
（轉自環境人Environmentor）近日，中國地質大學（武漢）王焰新院士團隊聯合德國、加拿大學者，在地球科學領域著名學術期刊Earth-Science Reviews上發表了題為“Spatial distribution and formation mechanisms of high-iodine groundwater throughout China”的綜述論文。該研究總結了中國高碘地下水的空間分布規律，闡明了含水層碘的物源與賦存形態，討論了導致含水層碘富集的宏觀水文地質過程和微觀生物地球化學機理，展望了高碘地下水的未來研究方向。該研究成果為理解地下水系統中碘遷移富集機制和全球碘循環規律，以及推動與高碘地下水有關的甲狀腺疾病防控，提供了重要理論支撐。本研究受到國家自然科學基金重點國際(地區)合作研究項目資助。
引言
碘是甲狀腺激素合成必需的一種微量元素。碘攝入不足或過量分別導致碘缺乏癥和碘過量癥。在世界衛生組織推薦的加碘鹽政策實施下，長期攝入富碘的食物或飲用水會導致碘過量癥。目前高碘地下水對全球數百萬人的健康構成嚴重威脅，尤其是在中國。因此理解高碘地下水的空間分布規律和遷移富集機制，對地下水資源的安全供給和可持續利用至關重要。盡管自上世紀70年代起就有飲用高碘地下水導致甲狀腺腫的調查研究，但只到近十年來才開始系統研究含水層中的碘水文生物地球化學行為。因此本綜述論文首先概述中國原生高碘地下水的空間分布規律，闡明碘的物源和賦存形態，然后討論地下水系統中控制碘遷移富集的水文-生物地球化學過程，最后展望高碘地下水的未來研究方向。
圖文導讀
中國高碘地下水（>100 μg/L）廣泛分布于內陸盆地/平原，如塔里木盆地、河套盆地、大同盆地、太原盆地、關中盆地、渭河盆地、江漢平原等，以及濱海地區，如華北平原、魯西平原、沂沭泗平原、長江三角洲、珠江三角洲等（圖1A）。淺層和深層含水層均觀測到高碘地下水（圖1B），尤其在濱海平原。除已調查的盆地/平原外，模型預測結果顯示呼倫貝爾、三江平原、松嫩平原、南陽盆地、準噶爾盆地、四川盆地等地區可能存在高碘地下水。中國面臨高碘地下水暴露風險的總人口約達3100萬。
圖1 中國高碘地下水的分布（藍色斑塊與黑色字體）和預測（棕色斑塊與紅色字體）（A），以及河套盆地、大同盆地、華北平原、魯西平原和江漢平原地下水中碘濃度垂向分布圖（B）。
鑒于碘的親生物特性，生物成因的陸相源/海相源的有機質和與有機質結合鐵礦物是含水層中碘的主要物源（圖2）。相對于內陸盆地，濱海地區淺層和深層地下水會因海侵或海水入侵直接受到海相碘的影響（海洋是地球上最大的碘庫）。地下水系統中碘主要以碘酸根（IO3?）、碘離子（I?）和有機碘（OI）形態存在，其中水相中以I?為主，而固相沉積物中則以IO3?和OI為主。眾多水文地質過程和生物地球化學過程能夠促進含水層中沉積相的碘向地下水中釋放，從而形成高碘地下水。
圖2 大同盆地（A、E）、河套盆地（B、F）和華北平原（C、G）含水層鉆孔沉積物樣品中總碘濃度與總有機碳或不同類型鐵濃度之間的關系。
含水層中天然水文地質過程能夠促進地下水中碘的富集。例如，強烈的蒸發作用可以促進碘在淺層地下水中的富集。隨著地下水氧化還原條件的發育，富碘鐵礦物的還原性溶解能夠導致沉積相碘向地下水中的釋放。平坦低洼的盆地/平原地區地下水流速通常緩慢，水巖相互作用時間較長，有利于地下水中碘的積累和富集。此外，過度抽取地下水等人類活動，會導致地下水系統中黏土層壓實，從而將含碘或利于碘活化溶質（如有機質、競爭性離子）的孔隙水擠出至相鄰含水層中。基于以上特征模式，歸納出控制高碘地下水形成的三個主要水文地質過程：蒸發濃縮、壓密釋放、還原溶解（圖3）。
圖3 全球碘循環和地下水系統中碘富集的宏觀水文地質過程（蒸發濃縮、壓密釋放和埋藏溶解）。
微生物介導的碘形態轉化是地下水系統I?生成的主要推手。鑒于IO3?和OI是含水層沉積物中碘的主要形態，IO3?還原和OI降解對地下水中I?的形成和富集發揮著重要作用。含水層中的多種生物地球化學過程參與了IO3?還原，例如異化IO3?還原、鐵還原、硫酸鹽還原，和甲烷的厭氧氧化（圖4）。其中既有直接的IO3?酶促還原，也包括間接的代謝還原態產物的IO3?化學還原。此外，OI中碘也能夠通過微生物降解或脫鹵作用釋放到地下水中。
圖4 碘酸鹽還原的微觀生物地球化學過程
為了全面理解地下水系統中碘的水文-生物地球化學行為，探索可持續的地下水資源治理和供給方案，以及全球碘循環認識，本研究建議從以下五個方面（圖5）開展工作：（1）核設施及核廢料處置場地地下水系統放射性碘的監測和風險評估；（2）地下水系統OI種類的鑒定、定量以及形態轉化；（3）甲烷厭氧氧化耦合IO3?還原的分子機理和環境效應；（4）地下水系統中I? 氧化和甲基化過程；（5）高碘地下水的原位修復技術。
圖5 高碘地下水的未來研究方向
作者簡介
第一作者：李俊霞，中國地質大學（武漢）環境學院教授，博士生導師，主要從事地下水水質與供水安全、環境水文地質、地下水環境等研究工作。以第一作者/通訊作者在Earth-Science Reviews、Environmental Science and Technology, Journal of Hydrology等期刊發表SCI論文29篇，主編/參與出版專著教材3部。擔任Journal of Hydrology副主編。獲省部級一等獎（自然資源科學技術獎）1項。Email: [email protected]
通訊作者：王焰新，中國科學院院士，中國地質大學（武漢）環境學院教授，博士生導師。聚焦地下水水質研究的前沿科學問題，創新發展了水文地質理論與方法，并在安全供水實踐中得到重要應用。現任國際重要期刊Annual Review of Environment and Resources和National Science Review編委、Journal of Earth Science主編，國際水文地質學家協會中國國家委員會副主席，國際地球化學協會會士、水巖相互作用工作組成員，國際醫學地質學協會中國-愛爾蘭醫學地質聯盟聯合主席，中國環境科學學會副理事長，國家生態環境專家委員會委員，中國地質學會常務理事等職。曾獲美國地下水協會 (NGWA) 頒發的“John Hem科學與工程杰出貢獻獎”和國際水文地質學家協會 (IAH) 頒發的“應用水文地質獎”。Email: [email protected]
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012825225000959
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/Vw4T726e6jIQSINSAVO3Xw
（來源：環境學院）
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