肯塔基大学多学科研究人员的一项研究提供了对肯塔基州河流和溪流中流动物质的最深入观察，并探讨了如何保护这些水道。这项研究发表在《整体环境科学》杂志上，由肯塔基大学马丁-加顿农业、食品与环境学院（CAFE）的加顿基金会捐赠教授蒂凡尼·梅瑟领导，考察了全州范围内的不同流域——每个流域代表不同的土地利用背景。
“肯塔基州约95%的饮用水来自地表水，这意味着进入我们河流和溪流的任何物质最终都会进入我们的水处理系统，”梅瑟说，她同时也是生物系统与农业工程系的副教授。
该研究团队包括来自肯塔基水资源研究所、马丁-加顿CAFE林业与自然资源系以及内布拉斯加林肯大学美国农业部农业研究服务处的研究人员。
“我们的目标是了解存在哪些污染物，以及不同的土地利用方式如何影响水质，以便制定有针对性的策略来保护人类和环境，”梅瑟说。
全面采样策略
研究人员采用了两种互补的方法，在较长时期内全面捕捉污染物情况。
首先，他们每月收集传统的“抓取”样本——这是对某一时刻水质状况的快速快照。同时，他们部署了极性有机化学综合采样器（POCIS）——一种膜状装置，每次浸入水中30天。虽然抓取样本可以显示即时污染水平，但这些长期采样器能捕捉到可能只偶尔出现的化学物质痕迹，从而更准确地反映平均水质状况。
在八个月的时间内（2022年3月至10月），研究人员检测到了77种污染物。这些污染物从常规污染物如化肥和痕量金属到新兴污染物如个人护理产品和处方药不等。通过结合美国地质调查局监测站的流量数据，研究团队能够将污染物水平的变化与降雨、洪水事件和季节性因素联系起来。
一个关键发现是，肯塔基州不同地区的土地利用对污染“指纹”的强烈影响。
“我们发现每个地区都有自己独特的污染物组合。在城市地区，我们检测到更多来自草坪护理、宠物产品和废水的化学物质，包括咖啡因和某些药物，”梅瑟说。“农业地区则有较高水平的常用除草剂，而采矿区则表现出较高的硫酸盐水平，这来自于矿井排水。每种景观都讲述了不同的污染源故事。”
除了识别这些化学物质外，研究人员还检查了污染物水平是否超过了保护鱼类和其他水生生物的标准。在五种情况下，浓度超过了淡水生物的指南，这意味着这些污染物可能对野生动物造成危害。由于肯塔基州大部分饮用水源自地表水道，这些发现强调了仔细监测和管理的必要性。
“在大雨期间，来自田地、道路和工业场所的径流显著增加，大量污染物以强烈的脉冲形式冲入当地溪流，”梅瑟说。“这些峰值在农业和城市地区最为明显，表明改进径流管理可以减少污染高峰。”
“与此同时，抗生素和处方药的存在表明，特定社区的废水基础设施可能需要升级，以在水排放前更有效地过滤掉药物。”
确定污染物只是第一步。梅瑟的团队已经在测试自然、低成本的处理方法——特别是使用人工湿地——以在这些化学物质成为环境或公共健康的威胁之前将其从水中去除。初步结果即将在另外两篇论文中发表，显示设计良好的湿地可以有效去除广泛的污染物。
该项目的一个重要部分是一个名为mesoWheels的高中外展计划。梅瑟表示，这种直接的社区参与有助于每个人将水质视为可以积极保护的事物。
“肯塔基州15所学校的1000多名学生已经进行了模仿我们团队研究的课堂实验，”梅瑟说。“这些动手活动不仅教授重要的科学原理，还邀请年轻人调查当地的溪流，讨论环境管理，并提出自己的解决方案。”
鉴于该州大多数居民依赖地表水，这些发现具有重要意义。了解存在的污染物及其来源，有助于政策制定者、水处理设施、农民和普通市民决定清洁工作的重点。从指导肥料施用的法规到鼓励升级废水系统，梅瑟说，这项研究为旨在保护人类和生态健康的基于证据的决策提供了跳板。
“团队即将发表的论文将更详细地探讨这些人工湿地的具体设计和性能，为利益相关者提供污染物去除的实际解决方案，”梅瑟说。
“目前的结论很明确：虽然肯塔基州的水污染源很多，但有切实可行且成本低廉的方法可以减少污染，而且通过课堂参与，当地社区已经在为实现更清洁、更安全的溪流和河流铺平道路。”
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