加勒特·鲁在科罗拉多州中部长大，经常在周围环绕着琥珀色和栗色山脉的地方飞蝇钓鱼，并在看似借用这些颜色的溪流旁徒步旅行。有时他会为了捕捉本地鳟鱼而抛竿，但却一无所获——因为根本没有鱼可抓。然后他开始听到附近山区社区的人们无法饮用自己的水的故事。他开始怀疑：“这些溪流在支持生态系统方面存在问题，而且它们不能用于饮用。这里到底发生了什么？”
如今，作为科罗拉多大学北极和高山研究所研究水道的博士后科学家，鲁知道如何解读溪流生态的颜色代码：铁氧化物呈铁锈红或橙色，铝呈粉白色，锰呈黄色。这些颜色揭示了从山坡上冲刷下来的矿物质的存在；其结果可能对当地水生生物不利，并对饮用水系统构成危险。一些矿化和酸化是自然发生的。但是，数十年的研究表明，一些矿化和酸化也是该地区金矿、银矿和其他矿山的采掘历史和废物处理做法造成的，这些矿山通常位于山区。现在，气候变化似乎正在加速这一过程。
化学反应始于高山山谷，其中许多山谷长期以来一直充当着世界天然的水塔。气候变化正在升高温度，并增加高海拔高山环境中干旱的频率和强度，而矿山通常就位于这些高海拔高山环境中。越来越多的研究将这些更热、更干燥的条件与酸性越来越强的水联系起来，这会导致岩石向水道中释放更多的矿物质。进入这些水域的物质清单还在不断增加。这些趋势可能会损害世界上任何山区矿物质含量高的流域的水质，从落基山脉到喜马拉雅山脉再到安第斯山脉。
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鲁共同撰写的研究是这一领域的最新进展之一，也是第一个将气温上升与山区溪流中溶解的稀土元素浓度增加联系起来的研究之一。这些金属元素用于抛光和着色玻璃，并用于制造运行我们无处不在的手机、电视和汽车的电池和磁铁。鲁说，他的研究结果于8月发表在《环境科学与技术》上，可能对用于饮用的地表水的安全以及受这些溪流滋养的生态系统的长期健康产生更多影响。
娜塔莉-奥西登塔尔矿井入口处的矿井排水，是科罗拉多州锡尔弗顿附近历史悠久的矿区水泥溪南叉酸度和金属的主要来源。图片来源：加勒特·鲁
鲁确定的稀土元素是关于水质问题的研究中的相对新成员。人们对这些元素对人类健康的影响知之甚少，美国环境保护署的饮用水法规没有为它们规定阈值。鲁说，通常情况下，它们在水中以万亿分之几的浓度存在——通常低到无法检测到。在2012年至2019年间为鲁的最新研究在科罗拉多州蛇河盆地采集的样本中，该团队发现了数十亿分之一的溶解的稀土金属镧、铈、钕、钐、钆、镝、铒、镱和钇。“它们在低浓度下可能不是有毒物质，”鲁说，“但我们可能正在跨越一个阈值。”鲁还报告说在以溪流为栖息地的昆虫体内发现了稀土元素，这表明这些金属正在进入食物网。
即使在蛇河盆地没有采矿历史的地区，鲁也发现水道中稀土元素的浓度正在上升。该研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校的土木与环境工程师戴安·麦克奈特说，这表明，几十年来以相对稳定的速度释放这些元素的山区矿藏，也会随着气温升高和干旱条件恶化而更广泛地渗出。没有与稀土元素相关的水质标准。因此，麦克奈特和鲁参考了美国铅和镉的水质标准来评估这种渗漏可能造成的潜在风险。研究人员发现，稀土元素的浓度高于铅和镉被认为对水生生物和人类健康安全的水平。
除了气候因素外，矿山和下游水质问题之间的联系（通常与释放各种超出预期开采的金属有关）是普遍存在的，并且在某些情况下是持久的。在落基山脉的其他地方，包括爱达荷州的科达伦河盆地，一项1998年的研究追踪了旧矿山进入水道的金属。研究人员在历史悠久的采矿区下游50英里的沉积物和河岩中发现了金属。意大利撒丁岛的居民在最近几十年里一直在处理因含有锌、镉和铅的酸化洪水从矿山（包括千年历史的腓尼基矿山）中流出造成的地下水污染问题。据报道，在德国，过去 800 年间开采的银矿、铅矿、铜矿和锌矿流出的高酸性水，直到 20 年前仍在继续污染地下水。
上述例子中，几乎没有对气候变化的作用进行任何正式的调查。但是，如果与气候相关的干旱正在影响其他地方的下游水质，那么仅在美国就有许多地点需要调查。据联邦统计，这个国家仍然有超过10万个废弃矿山。鲁估计，美国主要河流中超过 40% 的河流都有可能受到与矿山相关的重金属或天然来源污染的山区源头。在19世纪采矿业也蓬勃发展的澳大利亚，一个公共政策智库报告说，大约有6万个废弃矿山。
传统的采矿方式会加剧潜在的水污染。对于开采的每一盎司黄金、白银、铜和铅，受雇追逐这些矿脉的矿工都会产生数吨废石。直到 20 世纪 70 年代，美国矿业法仍然允许私人公司、个体探矿者和磨坊经营者留下这些废石堆。矿物脉通常是相互交织的，这意味着这些岩石堆包括从地下与目标矿石一起出来的各种金属。鲁的研究将稀土元素添加到可能从岩石中冲洗出来的潜在成分列表中。
废石堆看起来可能无害，但开采的金属通常存在于也含有硫化物的岩石中。当硫化物随着时间的推移受到空气和降水的风化时，硫化物会降解并产生硫酸，硫酸会剥落残留的铝、镉、铁、铅、锌和其他金属的痕迹，包括鲁和麦克奈特研究的蛇河盆地地点的稀土元素。然后，融雪或雨水将这些金属带到下游。
充足的雨水和融水可以稀释金属对山下水道的影响，湿地可以作为水过滤器。但是，随着时间的推移，更加温暖干燥的气候及其伴随的持续时间越来越长的干旱会削减这些缓解因素。
为了详细了解这些气候影响如何影响溪流健康，研究人员回顾了过去 40 年在科罗拉多州中部蛇河盆地采集的溪流化学样本。一项 2012 年分析这些数据的研究将该地区夏季气温的升高与流域水道中锌和其他生态关注金属的浓度增加了五倍联系起来。美国地质调查局的研究地质学家安德鲁·曼宁是该研究的合著者，并在 2013 年继续进行了一项研究，该研究表明，随着气候变化延长了盆地的夏季，那些更温暖干燥的月份会降低水位，可能会使更深层的岩石暴露在风化作用下，从而产生腐蚀性硫酸。鲁补充说，全球变暖导致的积雪减少也可能导致缩小的水体中溶解的矿物质浓度更高。
曼宁说：“令人惊讶的是，当你开始扰乱气候时，所有这些意想不到的后果都会联系在一起。而且这些生态系统，尤其是在北极和山区等地方，都是基于一个相当稳定的气候而精心编织在一起的。”
麦克奈特对蛇河盆地进行了数十年的研究，记录了酸性越来越强的水，这些水将从岩石中释放出更多的重金属（可能包括稀土）。她回忆说，当一个学生第一次在现场测试溪流 pH 值并报告其酸性达到极端的 2.7 时，“我说，‘这不可能正确。’而结果确实如此。”酸雨的 pH 值通常接近中性，约为 4，这也是足够多的金属溶解到水中以至于盆地彩虹鳟鱼死亡的水平，一项 2007 年的研究得出结论。
在下游，溶解的金属可能会损害人类社区的供水。例如，蛇河流域流入狄龙水库，该水库为丹佛市提供饮用水。丹佛水务公司的发言人托德·哈特曼说，稀释和沉淀解决了大部分担忧，但这家公用事业公司密切关注矿水排入饮用水的问题。麦克奈特补充说，如果附近的滑雪区不得不依靠更多矿物质和酸化的水来制造人造雪，这可能会加剧问题。春季融化可能会将前一冬天积聚在人造雪中的金属以浓缩脉冲的形式冲入附近的溪流。
曼宁说，鲁的研究结果与其说是引起恐慌，不如说是为进一步研究提供线索。
“我们很少有流域拥有长期的水质数据，这让我们面临着‘这种情况有多普遍？’这个更大的问题，”曼宁说，他最近对科罗拉多州的流域进行了采样，试图回答这个问题。“这非常令人担忧，但我们目前正在努力弄清楚的一件大事是我们应该有多担心。我们只是不知道。”
鲁伊的工作让他得以在新西兰的水道中涉足——其中一些水道富含氧化铁，足以将他的网球鞋染成橙色。大约四年前，在他前往新西兰的旅途中，鲁伊参观了一个废弃的煤矿，那里正在使用天然碱性的牡蛎壳罐来中和旧矿井排出的酸性径流，并减少其中金属的含量。他希望在美国看到类似的创新，以解决废弃矿山造成的受污染径流问题。由于对稀土元素的需求超过了全球供应链的供应，从这些山间溪流的污染水中提取矿物质既可以满足制造业的需求，又可以缓解环境问题——如果能够克服技术和法律上的障碍的话。
“但这并不是为了寻找下一个繁荣，”鲁伊说。“这是为了找到解决环境问题的可持续方案……我们已经身处困境，所以我们必须通过科学的方式来摆脱困境。”