在新婚之夜，吉塔·保罗感到厄运难逃。她的父母安排她嫁给一个她从未见过面的男人，他住在科尔苏尔，一个贫困的村庄，离她自己在稻田、牛栏和房屋群落中的家园仅几公里远，靠近印度东部城市加尔各答。在当地，与陌生人包办婚姻很常见。但当吉塔看到她的丈夫时，她惊恐地发现他身上布满了开放性病变和结痂。然后她见到了他的家人。一位哥哥因腐烂而失去了一只脚，一位姐姐病恹恹的，另一位哥哥在 30 多岁时去世。村里很多人都生病了。“我以前从未见过这样的事，”吉塔多年后在接受采访时说，她坐在她家简陋的砖瓦房的台阶上。“我以为这是一种传染病。”
当吉塔的皮肤上出现结痂时，她听说这种疾病不是通过空气传播的，而是在水中传播的。科学家们带着简单的测试工具来到这里，带来了坏消息，村里水井里清凉的水正在使人们生病。它被砷中毒了。吉塔决定她和她的丈夫必须搬家。他们花光了所有的钱搬到了邻近的一个农业村庄。但是那里的人们也在死去，村民们说那里的水井也被污染了。
科学家和村民们是对的。在该地区的许多村庄，人们在不知不觉中通过饮用井水、用井水做饭和洗碗来毒害自己。亚洲至少有 1.4 亿人在饮用砷污染的水。它从无数的管井中涌出，手摇泵连接着沉入地下的塑料或金属管道。政府人口普查数据显示，仅在印度，过去三十年中就挖掘了超过 1800 万口这样的小井。挖掘这些井是为了绕过充满致病细菌或工业径流的地表水。但死亡也潜伏在地下。
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天然存在的砷会杀死人体细胞，首先导致皮肤疤痕，然后随着它在体内缓慢积累，导致脑损伤、心脏病和癌症。在至少 30 个国家发现了含砷地下水，从阿根廷到中国、柬埔寨和越南，以及加拿大和美国的某些地区。
现在，地下水井的使用不断扩大——人们需要饮用水，农民需要水来种植庄稼以养活庞大的人口——这使得情况更加糟糕。抽取这些水改变了地下河流的流向，因此以前清洁的水现在流经富含砷的沉积物，曾经纯净的村庄里曾经健康的水井突然涌出了灾难。
科学家们最近一直在尝试一些新的方法：绘制地下景观图，试图找出更安全的地方来挖掘水井。但到目前为止，地下水流的变化和化学反应的速度已经超过了地图的预测能力。“情况令人可悲。这真是绝望，”迪潘卡·查克拉博蒂说，他是一位环境分析化学家，在加尔各答贾达普大学花了 28 年时间研究这个问题，他曾担任该大学环境研究学院的负责人。该大学目前正在以他的名字建立一个研究机构——DC 研究基金会——以进一步进行砷研究。“我们地下改变的速度太快了，我们几乎跟不上。”
水井问题
受影响的较富裕地区，例如美国西南部，有资金和手段来过滤他们的水。但许多受灾最严重的人口也是世界上最贫穷的人口。在南亚——被认为是风险最高的地区之一——富含砷的地下水流经人口稠密的陆地，覆盖印度、尼泊尔和孟加拉国的部分地区。尽管世界卫生组织表示，砷浓度超过每升水 10 微克是危险的，但印度的法定最高限额仍然是每升 50 微克——许多水井的测试结果甚至远高于印度宽松的标准。
印度的问题可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时该国开始饮用地下水，以替代被细菌污染的地表水中毒，地表水通常是停滞不前的，并且没有受到污水或农业径流的保护。1969 年，印度启动了一项耗资 1.25 亿美元的项目，在联合国儿童基金会等国际组织的帮助下，在地球上钻孔并挖掘超过一百万口简易水井。随后又实施了更多项目。似乎别无选择。印度几乎没有储存、分配或过滤水的基础设施——这种情况至今仍然存在，只是在最大的城市除外。
管井被誉为一种廉价且拯救生命的解决方案。在印度 12.5 亿人口中，约有 80% 的农村人口和 50% 的城市人口使用地下水进行饮用、烹饪以及灌溉农作物和菜园。地下水解决了另一个严峻的问题：饥荒，它曾在 20 世纪 80 年代威胁到该国部分地区。如今，印度惊人地使用了 91% 的灌溉水来种植水稻、小麦和甘蔗。
但农业繁荣也带来了后果。大多数管井都挖到 50 至 200 米的深度，当它们到达第一层无菌水时就停止了。不幸的是，这个深度恰好与该地区大部分砷的发现地相对应，这在当时是不知道的。再钻深一点，水通常是可以饮用的。但钻更深的水井需要更多的时间和金钱，需要更坚固的材料，而许多贫困的村民负担不起。
还存在其他障碍。普遍的无知和机构的冷漠阻碍了人们了解风险的努力。看似简单的解决方案，例如收集雨水或现场处理水，对于文盲来说过于复杂，并且容易被误解。由于塑料防水布和管道维护不善，收集工作崩溃了。通过装满沙子的水桶过滤水通常被视为一项繁琐且耗时的家务活。科学家和活动家分发的处理片剂被无法阅读说明或理解化学原理的村民误用。更永久的解决方案，例如可以消除数百万人猜测的大型过滤厂，已被证明既昂贵又技术上繁琐，并且存在许多监管不力的缺陷。
“当然，最好的解决方案是完全避开受污染的水，”瑞士联邦水科学与技术研究所（Eawag）水污染研究负责人迈克尔·伯格说。“但与被病原体污染的地表水相比，地下水被认为是两害相权取其轻。”
杀手的地质学
砷是一种相对常见的元素。无味、无色、无味，长期以来一直是刺客最喜欢的工具。即使在非常低的剂量下，它对大多数生命形式也是有毒的。
喜马拉雅山脉下方的平原是地球上砷含量最丰富的土地之一。在巨大的山脉通过构造碰撞形成后，山坡上富含砷的黄铁矿矿物暴露出来，并被湍急的河流侵蚀掉，河水将沉积物带到印度、孟加拉国、中国、巴基斯坦和尼泊尔。当溶解的砷在水中翻滚时，它会发生化学反应，与氧气和铁或其他重金属结合，形成颗粒，这些颗粒落到河床，并在随机深度留下条纹状的富含砷的土壤层。经过数千年的积累，泥泞的沉积物形成了古老的恒河-梅格纳-布拉马普特拉平原——现在是一个人口稠密的地区，约有 5 亿人口，覆盖了近 70 万平方公里的土地。
按照自然规律，大部分砷应该留在地下。但管井挖掘了砷，即使在河流不再流经的地方也是如此。“你不能只看现在的河流流经哪里，”查克拉博蒂说，他用手指描绘出水的路径，同时在他的大学办公室里从一个实验室烧杯中啜饮咖啡，他的办公室里，文件柜和访客在盆栽植物的绿色树冠下避荫。“你必须考虑河流的路径是如何变化的。曾经有一段时间，这里到处都是水。这意味着有更多可能找到砷的地方。”
并非地球上的所有砷都从土壤中浸出到水中；必须存在某些地质条件。研究这个问题的科学家们概述了导致砷释放的两种一般情况，这种理解为预测可能的风险开辟了可能性。
第一种情况——碱性砷释放——发生在富氧土壤中，碱性高 pH 值的水正在循环，例如阿根廷或美国西南部的干旱地区。水引发化学反应，分解氧化铁和其他金属涂层土壤颗粒。这释放了任何与这些带电分子结合的砷，使其溶解并污染周围的地下水。
第二种情况——还原性砷释放——发生在缺氧但富含有机碳的土壤中。这些条件在三角洲、洪泛区和河流盆地中很典型，那里的表层土壤通常足够新，仍然充满了细菌。这些条件与世界上一些人口最稠密的土地有关，包括印度北部、孟加拉国和越南等东南亚国家。在这种情况下，细菌会促进化学反应，利用催化酶分解砷结合的氧化铁。因此，如果有人从地下水无砷的地区（例如北卡罗来纳州）抓一把土壤，并将其埋在孟加拉国，它就会释放砷。
只要有足够的有机碳来喂养细菌，这个过程就会继续下去，而在更深的深度，有机碳变得越来越稀少。印度大量使用的肥料可以延长这个过程。它可以被盐度，特别是硫化物缓解，硫化物也会与砷结合形成沉淀物。但这只在氧气保持低水平时才有效。任何新引入的氧气都可能被细菌用来分解硫化物，并再次释放任何结合的砷。因此，如果含水层以快速的速度枯竭和补给，将新鲜的含氧水滴入地下，这种情况可能会引发新一轮的砷释放。补给含水层在印度也很常见，为长期持续释放砷提供了完美的条件。
绘制危险地图
目前，大多数受污染的水井都是通过耗时、劳动密集的过程发现的，即挨家挨户地走访村庄，并使用化学反应现场试剂盒测试每口水井。将水与几种试剂混合后，将测试条插入密封容器中，以吸收释放的任何砷。大约 10 分钟后，试纸的颜色会给出大致的结果：白色表示水是干净的；红色表示水被污染了。
但现场试剂盒仅提供了一种粗略的测试，可以检测到一定程度的污染。超过这个水平或需要更详细的信息，则需要在实验室中对水进行测试。
由于危机如此广泛，检查员很少及时发现问题，而是在人们饮用含砷水多年后才到达水井。因此，一些科学家已经开始寻找捷径，研究土地轮廓的卫星图像并绘制水流图，以预测地下沉积物的类型，并显示最有可能发现砷的地方。他们说，这些方法可以帮助政府节省资金和时间，方法是减少需要测试的管井数量，或者可以在以前被认为是安全的地区发出警报。
2006 年，伯格和 Eawag 的其他科学家开始基于早期预测模型创建全球砷地图，这些模型建立在土壤含量、地表坡度和水流等参数之上。他们在 2008 年发布了他们的全球风险概率地图的初稿，并计划很快发布一个包含最新研究和更多细节的新版本。
伯格一直领导这项工作，他说，这些模型“可以在没有测试的地方做出预测”。例如，他的团队能够预测印度尼西亚苏门答腊岛的大片地区处于危险之中。“然后我们去进行了测试，我们的预测得到了证实。这让我们对这种预测模型不太糟糕有了很大的信心。”
2013 年，中国医科大学与 Eawag 合作建立了一个中国模型，此前在 2001-2005 年对约 445,000 口管井进行的测试显示，约 5% 的管井污染超过了印度每升 50 微克的法定限值；更多管井超过了世界卫生组织设定的更保守的安全水平。由于该国大片地区仍未进行测试，该团队希望帮助政策制定者采取行动。“科学与社会之间存在障碍。我们需要以某种方式向政策制定者表明，我们可以帮助解决实际问题，”路易斯·罗德里格斯-拉多说，他是一位化学家，现在在西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉大学工作，也是 2013 年 8 月发表在《科学》杂志上的论文的主要作者。中国模型与实际管井测量值相比，相关性为 77%。罗德里格斯-拉多说，这些数据可以通过突出显示哪些管井需要测试来帮助拯救生命、金钱和时间：“这对任何科学家来说都是非常令人满意的。”
然而，存在局限性。由于这些模型基于地表条件和关于水流的最新知识，因此它们对更古老和未知的地下水体的含量预测效果不佳。“我们的预测始终与你在地表看到的东西有关，”伯格说。“如果它们与较老的沉积物有关，我们就无法捕捉到。”
罗德里格斯-拉多说，基于准确和最新的信息构建模型对于避免错误至关重要。在进行中国研究时，他假设该模型将遵循碱性条件，即富氧土壤和碱性水，这是基于中国的干旱景观和降雨模式。“中国的大部分地区都被归类为砷释放的氧化条件，”他说。“但来自中国的信息很差，”他很快意识到中国的含水层是缺氧的，就像印度和孟加拉国的一样。当他使用这些参数重新计算时，准确性得到了提高。
预测绘图还存在其他局限性，尤其是在分辨率方面。中国风险模型将其网格尺寸设置为 25x25 公里——太大，无法预测哪些村庄会受到影响。“这些模型可能有用，但它们还没有完全到位，”哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地球化学家亚历山大·范·吉恩说。“假设一个模型预测某个地区有 20% 的几率存在砷。好吧，我仍然想测试我的井，对吧？”
失败的解决方案
政府曾尝试其他方法来解决供水问题，但它们未能取得任何进展。几年前，西孟加拉邦政府修建了一条管道，将加尔各答无砷的市政用水向东输送到农村。但供水每天只运行几个小时，甚至根本不运行，而且没有到达每个村庄。黑色塑料管道维护不善，许多管道破损，水从锯齿状的孔洞中溢出，流到路边的泥泞水坑中。
在西孟加拉邦和邻国孟加拉国都安装了数百个除砷厂，每个工厂的平均成本约为 1,500 美元。查克拉博蒂和其他人已经证明，简单的圆柱形过滤器机制在很大程度上是无效的。一项研究发现，来自几家制造商的 13 家工厂中，只有两家将砷含量维持在印度标准以下。没有一家能够可靠地达到世界卫生组织的标准。到 2005 年该研究发表时，这几乎无关紧要了：维护和监管不力意味着总共 18 家工厂中只有 3 家仍在运行。
挖掘更深的管井以绕过当前的污染层不仅是一项昂贵的任务，耗尽了村庄的资源，而且查克拉博蒂的研究表明，这只是一种短期的补救措施。低洼的含水层位于地表下 200 米处，部分被厚厚的粘土屏障与较高的受污染含水层隔开。“部分”是一个关键的警告。存在裂缝和孔洞。因此，从更深的深度抽水可能会争取时间，但致命的水最终可能会滴落下来并污染下面的水。
这种情况已经在印度发生，世界银行称，除非大幅度减少抽水，否则印度的地下水使用量如此之大，以至于该国 60% 的含水层将在 20 年内达到临界水平。在孟加拉村庄贾伊纳加尔，查克拉博蒂发现，从 1995 年到 2000 年，曾经安全的八口管井的砷浓度在短短五年内急剧跃升至危险水平。
砷也可以水平移动，从一个受污染的含水层移动到相邻的清洁含水层，如果两个水库之间的水压发生变化，也可以向上和向下移动。这种运动目前正在危及河内，河内从一个无砷含水层中取水，该含水层曾经从城市流走。这种流动将来自邻近的受污染含水层的水推开。但随着越南大都市的发展，它从安全层抽取的越来越多的水，这种变化逆转了流动方向。来自红河附近受污染含水层的水已经开始涌入该市以前清洁的含水层。范·吉恩说，这令人担忧，但他指出，到目前为止，这个问题发展缓慢。他的研究发现，砷的移动速度比水本身慢 16 到 20 倍，据推测，砷仍然与其他元素结合在土壤中，只是逐渐被地下化学反应释放出来。
在印度，情况发展得更快，随着该国人口规模和养活人民的努力而加速。几乎没有人监管 1986 年禁止过度使用地下水的法律。即使田地位于湖泊或河流旁边，农民也使用地下水灌溉。即使不需要水，地主也会尽可能多地抽取水，然后在黑市上出售。砷正在进入食物链。它在稻米中。它在牛奶和水牛肉中。查克拉博蒂甚至在瓶装苏打水和医院使用的无菌水瓶中也发现了砷。
为安全而奋斗
因此，尽管研究人员对问题和原因达成一致，但范·吉恩说，“不清楚的是该怎么做”。他和查克拉博蒂等人认为，虽然预测模型可能有用，但它不能取代在地面上测试管井的需求。
范·吉恩提倡在水井现场使用廉价的测试工具包。它们不如实验室测试准确，但可以以最低的成本立即获得结果。他还发现了一个潜在的测试工作市场。对比哈尔邦 26 个村庄进行的一项研究发现，约有三分之二的居民愿意支付 20 卢比，约合 30 美分，请人测试他们的水井。
“我们无法处理所有这些私人水井，因此我们的角度是促进测试员网络，并为他们提供测试的经济激励，”范·吉恩说。在孟加拉国，他和他的同事们设法测试了足够多的水井，并使用 GPS 位置数据绘制了水井地图，以建立该国安全和不安全水井的动态地图，以便村民可以轻松找到安全的水。
范·吉恩的研究伙伴、新德里 TERI 大学的水文地质学家钱德·库马尔·辛格表示，后续研究还表明，为测试付费的村民更可能听取测试结果，并改用更安全但不太方便的水井。两人还在研究收入或种姓身份等社会经济因素如何阻止人们使用其他种姓或收入较少的人共用的安全水井。“我们没有看到政府对此有多大关注，”辛格说。“也许我们的一些工作可以帮助指明方向。”
查克拉博蒂也同样培训助手骑自行车或乘火车到村庄收集水井样本。他组织了国际会议，并带领医生、学生和活动家团队进行健康检查。他还设立了一个基金，用于支付他的研究费用，并为贫困居民提供免费的水质检测。当查克拉博蒂的资历未能给村民留下深刻印象时，他抛开了他对印度旧等级制度的反感，并强调了他的高种姓婆罗门血统：他穿上婆罗门圣人穿的白色缠腰布和神圣线，并为家庭指明当前安全的水井。“我讨厌这样，但我会去做，”他谈到这种噱头时说。“我所要做的就是打动母亲。然后我就知道这个家庭会没事的。”
在吉塔的村庄，她虚弱的丈夫斯里瓦斯正在与头痛、持续的疼痛和疲惫作斗争。他的身体上布满了结痂性病变，皮肤刺痛，尤其是在阳光下。目前尚无已知的砷中毒治疗方法。没有药物可以逆转染色体损伤。螯合疗法，包括将结合剂注射到血液中，历史上曾用于金属中毒的极端病例。但在印度，这种疗法风险极高且价格昂贵。大多数人能做到的最好的事情就是吃有营养的食物并停止摄入毒药。尽管如此，斯里瓦斯仍然认为自己是幸运的。他有一个十几岁的儿子，可以帮助他从附近的医院诊所运送几桶健康的水，吉塔则通过她的女佣工作来维持家庭收入。
“我对任何人都没有抱怨，”颤抖的斯里瓦斯说，这反映了印度穷人中非常普遍的宿命论，一些科学家担心这种宿命论实际上阻止了村民寻找更清洁的水井。“即使我想抱怨，也没有人会听。”