导 读
全球数百万人的健康因长期暴露于地下水中高浓度的地源氟而受到负面影响。由于包括牙齿斑驳和氟骨症在内的健康影响，世界卫生组织维持饮用水中1.5 mg/L的最高指导值。由于许多地区没有定期测试地下水质量，因此通常不知道特定水井或泉水中是否含有有害水平的氟化物。在这里，我们基于机器学习和400000多个氟化物测量值（其中10%>1.5 mg/L），提出了一个最先进的全球氟化物危害图，然后用于估计风险人群。地下水氟化物危害图显示的热点包括澳大利亚中部、北美西部、巴西东部以及非洲和亚洲的许多地区。在全球约1.8亿可能受影响的人口中，大多数居住在亚洲（占总人口的51-59%）和非洲（占总人数的37-46%），后者占非洲人口的6.5%。在受影响人口最多的20个国家中，非洲有14个国家。我们还阐明并讨论了与氟化物积累相关的全球相关水化学和环境因素。
研究背景
地下水中高浓度氟化物的自然出现是一个全球健康问题，可能会影响到1亿人，主要是全球南部地区。长期摄入氟化物对健康的影响包括牙齿和骨骼氟中毒，在许多情况下严重影响受影响者的生活。氟元素在地壳中含量丰富，形成氟化物（F?） 天然存在于土壤和含水层沉积物中的矿物质，可导致淡水资源，特别是地下水中的氟积累。因此，人类饮食中的氟摄入主要来自食物和饮用水。氟化物尚未被证明是饮食中的重要元素，虽然中等浓度的氟化物有助于预防龋齿（因此经常添加到牙膏中），但已知浓度超过1.5 mg/L会导致氟斑牙病，并且当氟化物摄入量超过6 mg/d时，会导致骨骼氟中毒。为了预防这些疾病，世界卫生组织（WHO）维持饮用水1.5mg/L的氟化物指南。然而，世界卫生组织建议国家标准考虑到氟化物的总体暴露，如果所有来源的摄入量达到6mg/d，则设定较低的标准。例如，印度建议的饮用水中氟化物的理想最大浓度（具有更高的强制限值）为1.0 mg/L，而美国的氟化物最大浓度为2.0 mg/L。
在这里，我们收集了一个空前庞大的地下水氟浓度数据集，以绘制一张全球预测图，预测地下水中氟的含量超过世界卫生组织1.5 mg/L的指导浓度。为此，我们应用了随机森林机器学习算法和相关环境参数的最新全球可用数据集。该模型和生成的地图提供了迄今为止对全球氟化物污染程度的最详细评估，从而能够确定热点和较不易受影响的地区以及受影响最严重的人群。此外，我们利用大量地下水氟化物数据点，在全球范围内评估与氟化物地质成因（自然）发生相关的环境和水化学因素。
研究结果
（1）地下水中氟化物的全球预测模型。
使用随机森林机器学习方法对来自77个国家的400000多个氟化物测量值进行建模（图1b）。该数据集的平均、中位数和四分位浓度范围（IQR）分别为0.97、0.30和0.10-0.70 mg/L，1.5 mg/L以上测量值的患病率为10.2%。对于地理空间模型，使用递归特征消除（RFE）从地质、土壤性质、气候和地形的初始个变量集中选择了12个统计上最重要的（由基尼指数测量）空间连续预测变量。选择了所有六个气候变量（1km分辨率），以及三个地形参数和两个土壤参数（250m分辨率）。酸性火成岩的分类变量（250米分辨率）也基于其与氟化物的明确关联而被包括在内，每个节点的最小样本数被调整为1。通过将地理空间随机森林模型应用于预测数据集，创建了像素尺寸为250m（预测分辨率较高）的全球氟化物预测图（图1）。该地图指出，非洲比所有其他大陆更容易受到氟化物的危害。其次是澳大利亚、大洋洲和南美洲（各8%），最后是亚洲和北美，欧洲不到1%。
图1地下水中的氟化物
注：（a）地下水中天然存在的氟化物超过世界卫生组织饮用水指南1.5 mg/L的可能性。该图是通过将最终随机森林模型应用于12个统计上最重要的预测变量而开发的。面板（b）显示了分析和建模中使用的氟化物数据点（n=402452）。全球地图提供了美国西部和墨西哥（c）、南美洲东部（d）、非洲南部（e）和南亚西部（f）的放大视图。
（2）影响氟累积的条件
虽然预测值的重要性由气候相关参数决定，但一些原地地下水参数也指向气候相关信号，如干旱地区的钠和EC蒸发浓度（图2a）。为了更好地评估这些与大型编译数据集的关系，绘制了高氟化物测量值与每个参数区间的比例图。选定的关键结果如图2b所示。
图2 与地下水中高氟化物浓度相关的环境和水化学条件。
注：根据基尼指数的平均标准化下降，预测变量在建模中的重要性，基尼指数衡量分类杂质，使下降代表改进的分类。最终（地理空间）模型（图1）的12个变量的重要性以绿色显示。为便于比较，混合（非地理空间）模型中组合地理空间/原地地下水变量的重要性以蓝色显示，因此不可能生成预测图。b所选变量与地下水氟化物测量值比例之间的相关性大于1.5 mg/L，作为直方图。实际蒸散量、干燥度和底土pH值的图仅使用地理空间参数从模型中获取。垂直方框图显示了与氟化物浓度相关的每个参数的分布≤1.5 mg/L和>1.5 mg/L，中心线表示中值。为了便于显示，不显示异常值。
气候变量（图2b）清楚地表明，高氟化物浓度与干燥气候之间存在强烈的相关性。例如，高氟与干旱（潜在蒸散量（PET）/降水量）之间的强正线性关系就说明了这一点。相反，实际蒸散量（AET）与高氟化物呈负相关，因为更大的AET意味着更大的水可用性，因此更潮湿的条件。与干燥气候的关系与地下水样品的盐度一致，氯化物（Cl）、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）以及硼（B）和钠（Na）与高氟化物呈强正相关。这些都似乎在非常高的水平上趋于稳定，例如电导率为3000μS/cm（图2b），其中氟化物浓度可能由水中的吸附平衡和饱和度控制。这表明在约90%的情况下，氟化物浓度保持在较低水平，而碱度>500 mg/L与高氟化物水的发病率增加相关（图2b）。高pH值不仅与干燥度一致，也与硬水一致。在较低浓度下，高氟化物的出现与钙（Ca2+）和镁（Mg2+）呈强负相关，这证实了先前的结果。然而，趋势随后突然转变，并变得强正，然后在浓度进一步增加时没有表现出增量效应。最后，观察到温度较高的地下水含有较高的氟化物浓度，这可能是由于氟化物与地热水有关。
（3）有暴露风险的人群
通过将氟化物危害模型（图1）的预测与每个国家在农村和城市环境中未过滤地下水的国内使用的最佳可用估计值相结合，计算出可能暴露于氟化物的地下水消费人口。在考虑到2020年的全球人口数据后，通过将各处的总体乘以高氟化物的概率，以及仅对概率截止值超过0.5的细胞中的总体进行计数，但不乘以概率，计算出总体计数范围（图3）。还采用混合中间方法，将细胞中的群体乘以概率大于25%的细胞的建模概率。计算出的饮用水中氟化物浓度大于1.5 mg/L的总风险人群为6300万至3300万人，其中1.79亿人通过混合方法进行估计（图3a）。这相当于全球人口的0.8-4.4%（混合方法得出结果为2.4%），非洲受影响最严重，占人口的2.2-9.6%（混合方法6.5%）（图3b）。
图3 地下水中可能暴露于氟化物>1.5 mg/L的人群。
注：根据混合方法进行计算，a为可能受该大陆影响的人数，b为该大陆代表的总人口百分比。误差条表示受影响人口的低估计值和高估计值。
研究结论
地理空间预测模型主要由气候参数决定。在组合模型中，这些相同的变量对原位化学参数相当重要，这些参数本身也具有气候特征（与干旱相关）。这并不奇怪，因为地壳中的氟相对丰富，气候条件控制着水循环，与氟的蒸发浓度直接相关，并影响土壤pH值，从而影响氟的保留。此外，气候可能受到地形的影响（例如，地形对云形成和风模式的控制），这也通过三个地形变量在模型中表示。尽管地球化学在氟化物在地下水中的溶解中起着不可或缺的作用，但最终的地理空间模型中仅包含一个地球化学变量（酸性火成岩），即与底土pH和淤泥这两个间接相关的变量有关。尽管氟化物数据点的地理分布不均匀，但各大洲的模型预测和性能相当相似。由于人口密度和地下水使用的不同模式，地下水氟化物危害（图1）对人类健康风险的影响差异很大。计算受影响人口的混合方法估计有1.79亿人（占全球人口的2.4%），因此介于其他两种方法的计数之间，这可以被视为最可能低估或高估的最终极端值。
中国和中非是两个潜在受影响人口众多的地区，只有相对较少的地下水质量直接测量可用于约束模型（图1b）。危险人口数字仅粗略估计了受影响的实际人数，这只能通过实地流行病学研究加以验证。然而，图4提供了最需要此类调查的有意义的大范围指示。在较温暖的地区，由于用水需求增加，饮用水中氟化物的下限（如1.0 mg/L）可能是可取的，这表明受影响的热带和亚热带地区（如中非或南亚）的健康风险可能更大。应对这些当前和未来挑战的关键解决方案包括在易氟化物地区测试水井和泉水，并在必要时实施纠正措施。例如，解决方案可能包括切换水源或采用各种除氟方法。上述危险和风险图为这条道路迈出了重要的第一步。
图4 饮用水中氟浓度超过1.5 mg/L的估计潜在暴露人群
注：一张全球地图，按大陆分类。显示了b撒哈拉以南非洲和阿拉伯半岛南部以及c南亚和东亚受影响最严重国家的详细视图。通过将总人口乘以危险百分比和来自未处理地下水的生活用水比例，使用混合方法计算地下水中高氟化物发生概率大于25%的地区的人口（图1）。
文献来源：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31940-x
来源：地下水环境网
