“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。
经典论文解读：弗林特水危机解析
解读人：庄媛
作者：Kelsey J. Pieper, Min Tang, Marc A. Edwards
文章标题：Flint Water Crisis Caused By Interrupted Corrosion Control: Investigating “Ground Zero” Home
文献来源：Environmental Science & Technology, 2017
被引次数：335次（Google Scholar）
研究背景
饮用水安全与人类健康息息相关。然而回顾历史，饮用水安全问题时有发生。美国弗林特水危机是全球著名水污染事件，弗林特水危机始于2014年4月，当时密歇根州弗林特市在没有采取适当防腐蚀措施的情况下，将其水源切换到弗林特河。这一决定导致水管中含铅腐蚀层的失稳。在接下来的十个月里，居民报告称其水中的铅含量逐渐升高，达到了危险浓度。一项深入的后续调查显示，受监测住宅的所有水样中铅含量均高于15 μg/L，其中几个样本超过了5000 μg/L（达到了危险废物的标准）。法医分析确定，导致高铅含量的直接原因是铅管下游镀锌铁管的腐蚀（水务公司没有实施腐蚀控制措施，例如继续投加磷酸盐）。2015年9月，当弗林特儿童被检测出血铅水平升高时，这场危机引起了广泛关注。此事促使当地宣布进入紧急状态，并采取了公共卫生干预措施，包括分发过滤器和瓶装水，这些措施帮助减少了进一步的铅暴露。水化学指标的变化看似微小，却可能会显著破坏铅和铁沉积物的稳定性，导致水中颗粒物浓度增大。
研究结果
1. 冲洗并未影响水龙头铅浓度：
2015 年 4 月 28 日，在一户已知存在水含铅问题的家庭中，根据时间和流速，从厨房冷水龙头采集了 32 个水样。所有 32 个样品的铅含量均高于 EPA 行动水平 15 μg/L，最低浓度为 217 μg/L。冲洗超过 20 分钟后，收集的样品（>50 L）含有 13200 μg/L 铅，几乎是美国环保署危险废物标准的三倍。因此，即使按照当地建议的在用水前冲洗管道 25 分钟，也无法保护居住者免受水中过量铅的影响。
图 1 有、无腐蚀抑制剂情况下腐蚀层稳定性对比
2. 流速变化对铅释放没有关联：
尽管已知小流速（<1L/min）会降低铅含量，因为颗粒铅的迁移大大减少，但在采集的样本中，基于流速的铅中位浓度没有显著差异。低流速下的平均铅浓度为2384 μg/L，中等流速下为1687 μg/L，高流速下为2988 μg/L。在低流速下，铅浓度随时间呈下降趋势，这表明较长的冲洗时间可以通过冲洗过夜停滞期间积累的铅来逐步“清洁”管道。当水龙头调节到中等流量时，在连续采样过程中观察到了两个大的铅峰值（3655 和 6048 μg/L），这是由于流速增加引起管道中含铅沉积物的移动，但是铅含量再次有所下降。当拆除曝气器并将水设置为高流量时，铅含量变得非常不稳定，第一个样品的含量为 5702 μg/L，比之前样品的 292 μg/L 高出 20 倍。接下来的四个连续样品中的铅浓度有所下降，但第六个样品的铅浓度为 13200 μg/L。最后五个水样（即冲洗间隔）中的铅浓度持续增加，表明尽管冲洗管线超过 26 分钟（> 100 L），厨房水龙头中的水仍然不能安全饮用。
图2 在不同流速下水中铅浓度
3. 室内家庭管道不是铅的主要来源。相反，铅污染来自腐蚀的镀锌铁服务管线：
一段1.5厘米的室内镀锌钢管（GSL）被分析。其外表面含94.2%锌、2.2%铁和1.6%铅。对涂层刮取样本的分析显示其含92.0%锌、1.7%铅、0.2%镉和0.2%锡。水中的铅浓度与镉、锌和锡密切相关，表明这些金属来自GSL的涂层，并在管道暴露于腐蚀性的弗林特河水时被释放出来。
镉存在于GSL涂层中，但在其他管道中很少见，被用来追踪GSL的贡献。GSL涂层中镉与锌的比率与水中观察到的比率一致，证明GSL是这些金属的来源。水中的铅与锌的比率远高于原始涂层中的比率，表明来自上游铅服务管线（LSL）的铅已渗入GSL。由于水源的变化，这种富含铅的涂层被释放出来，这表明即使在移除铅服务管线后，GSL仍可能是水中铅的重要来源。
图3 镀锌铁服务管线（GSL）和铅服务管线（LSL）的示意图
4. 高铅和变色投诉呈现正相关
在改用弗林特河水后，变色（红水/黄水）投诉有所增加，而消防栓冲洗引发水力扰动很可能进一步加剧这种情况。虽然红水/黄水投诉是由铁含量增加引起的，但其实还与该房屋中水中铅含量升高有关，例如1 月份样本中的铅和铁含量之间存在很强的相关性（ρ = 1，p < 0.05；表 SI-2）。 1月15日采集的第一份水样变色程度最轻，铅、铁含量分别为360 μg/L和9.0 mg/L（图5）。相比之下，1月21日采集的第一份水样变色严重，铅和铁含量分别为3585 μg/L和168 mg/L。变色预示着该家庭中含有铅管线的水中铅含量较高，平均铁铅比为 1 mg/L铁对 28 μg/L铅。然而，值得注意的是，虽然水变色与 1 月份样品中的高铅含量密切相关，但没有变色并不是水铅含量安全的指标，正如 4 月份的分析中观察到的没有变色所表明的那样样品（即没有美观问题但 Pb ≥ 217 μg/L 的样品）。
图4 2015 年 1 月收集的水样水变色与铅浓度之间的关联。原始样品瓶的照片上覆盖着水中铅浓度的条形图。
研究意义
尽管本文测试的案例很可能是弗林特铅含量最高的案例之一，因为该地区的管线长达 65.2–66.1 m（214–217 英尺；图3），但铅含量的相对增加表明弗林特其他用户可能出现的水质问题的严重程度。血铅数据分析显示，2015 年 9 月下旬，弗林特全市儿童的血液中铅含量超标，地方、州和联邦卫生官员宣布进入紧急状态，其中包括分发过滤器和瓶装水，以避免额外的健康危害。
研究历史进展概述
2014年
- 弗林特更换了水源：弗林特在2014年4月将水源从底特律水系统切换到弗林特河，以节省资金，因为城市面临财务危机。然而，弗林特河水更具腐蚀性且处理不当，导致铅污染和儿童健康问题。M. Hanna-Attisha等人对这一变化对儿童血铅浓度升高的影响进行了研究（Hanna-Attisha et al., 2016），该文被引1236次（Google Scholar）。
2015年
- 对可溶性铅的可能来源进行了分析：在尝试通过降低饮用水pH值来减少铅的溶解度时，整体铅浓度反而上升。这使得S. Masters等人分析了与铅污染相关的可能因素。后来得出结论，水中铅的增加与铁的腐蚀有关。该事件最终在2017年1月被宣布为联邦紧急状态（Master et al., 2015），该文被引87次（Google Scholar）。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b04034