DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-026-00676-z
تاريخ النشر: 2026-07-07
المؤلف: Joel E. Podgorski وآخرون
الموضوع الرئيسي: تلوث الزرنيخ والتخفيف
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم للمنغنيز (Mn) في التغذية البشرية مع معالجة المخاطر الصحية المرتبطة بارتفاع مستويات المنغنيز في مياه الشرب. بعد تقليل إرشادات منظمة الصحة العالمية (WHO) لعام 2021 من 400 ميكروغرام لكل لتر إلى 80 ميكروغرام لكل لتر، تستخدم الدراسة التعلم الآلي لإنشاء خرائط توقع عالمية لتركيزات المنغنيز في المياه الجوفية. تقدر الدراسة أن حوالي 180-220 مليون شخص معرضون الآن لخطر استهلاك مياه ملوثة بالمنغنيز تتجاوز الإرشادات الجديدة، وهو زيادة كبيرة عن التقدير السابق البالغ 45 مليون بموجب الإرشادات السابقة. هذا الخطر واضح بشكل خاص في مناطق مثل بنغلاديش، حيث يعتمد نسبة عالية من السكان على المياه الجوفية غير المعالجة.
تؤكد النتائج أنه بينما يشكل تلوث المنغنيز تهديدًا صحيًا مقارنة بالزرنيخ الجيولوجي (As) والفلوريد، إلا أنه تلقى اهتمامًا أقل. تدعو الدراسة إلى تضمين المنغنيز في مراقبة جودة المياه الجوفية، مع التأكيد على جدوى وفعالية طرق المعالجة مثل الأكسدة والترشيح بالرمل السريع. يوصي المؤلفون بالالتزام بإرشادات منظمة الصحة العالمية أو المعيار الأكثر صرامة للاتحاد الأوروبي البالغ 50 ميكروغرام لكل لتر للتقليل من المخاطر الصحية المرتبطة بالتعرض المزمن للمنغنيز، خاصة في الفئات السكانية الضعيفة مثل الرضع. تدعو الأبحاث إلى مزيد من اختبار المياه الجوفية لتأكيد تركيزات المنغنيز وتوفير معلومات أفضل لاستراتيجيات الصحة العامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع بيانات جودة المياه الجغرافية المرجعية، وتحديداً قياسات المنغنيز (Mn)، من مصادر عامة متاحة، بما في ذلك المنظمات الحكومية وغير الحكومية، مما أسفر عن مجموعة بيانات تحتوي على 295,475 قياسًا للمنغنيز في المياه الجوفية. لضمان جودة البيانات، تمت إزالة الإدخالات الزائفة والقيم الشاذة، وتم حساب القيم المتوسطة لقياسات متعددة في نفس الموقع. تم تسجيل القياسات التي تقل عن حدود الكشف كنصف حد الكشف. تم تحليل البيانات بالنسبة لدرجة الحموضة والأنواع الكيميائية ذات الصلة، مع التركيز على تصور نسبة قيم المنغنيز التي تتجاوز إرشادات منظمة الصحة العالمية (WHO) البالغة 80 ميكروغرام لكل لتر من خلال مخططات تشتت مقسمة، باستخدام قاعدة رايس لاختيار حجم الفئات.
لإنشاء نماذج تنبؤية لتركيزات المنغنيز، تم تجميع وإعادة عينة مجموعات بيانات جغرافية مرجعية عالمية تتعلق بالمناخ والهيدروجيولوجيا والتربة والتضاريس إلى دقة مكانية تبلغ 7.5 ثانية قوسية. تم تفضيل نمذجة التصنيف على الانحدار بسبب تباين مصادر البيانات وبروتوكولات القياس. تم تطوير ثلاثة نماذج بناءً على قيم عتبة المنغنيز البالغة 50 ميكروغرام لكل لتر، و80 ميكروغرام لكل لتر، و400 ميكروغرام لكل لتر، حيث حققت خوارزميات الغابة العشوائية أفضل أداء في التنبؤ. تم إجراء التحقق المتقاطع باستخدام مجموعات بيانات تدريب وتحقق جغرافية متميزة، وتم تقييم دقة النماذج من خلال مقاييس مثل المساحة تحت منحنى تشغيل المستلم (AUC) والدقة المتوازنة. أشارت خرائط التنبؤ النهائية إلى مناطق ذات احتمال عالٍ لتجاوز عتبات المنغنيز، مع آثار على السكان الذين يعتمدون على المياه الجوفية غير المعالجة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل مجموعة بيانات عالمية شاملة لتركيزات المنغنيز (Mn) في المياه الجوفية لتقييم المخاطر المحتملة المرتبطة بالتعرض للمنغنيز. تتكون مجموعة البيانات من 295,475 نقطة بيانات فريدة، مع التركيز على القياسات من الآبار التي تقل عمقها عن 100 متر، مما أسفر عن 224,804 نقطة بيانات قابلة للاستخدام. استخدمت التحليل تقنيات التعلم الآلي لإنشاء خرائط خطر تشير إلى المناطق التي تتجاوز فيها تركيزات المنغنيز إرشادات منظمة الصحة العالمية (WHO) البالغة 80 ميكروغرام لكل لتر. كشفت النتائج عن بؤر عالمية كبيرة لتركيزات المنغنيز العالية، خاصة في مناطق مثل دلتا الغانج-براهمابوترا، شمال أوروبا، وأجزاء من أمريكا الشمالية، مع تقدير تعرض حوالي 222 مليون شخص لمستويات غير آمنة من المنغنيز.
كما سلطت الدراسة الضوء على العلاقات الجيوكيميائية بين المنغنيز وعناصر أخرى، مثل الزرنيخ (As) والحديد (Fe)، مشيرة إلى أن تركيزات المنغنيز العالية غالبًا ما توجد في البيئات ذات مستويات الأكسجين والنترات المنخفضة. أشار التحليل إلى أن المناخ والتضاريس هما مؤشرات حاسمة لتركيزات المنغنيز، حيث ترتبط الظروف الرطبة وأنواع التربة المحددة بمستويات أعلى من المنغنيز. أكد المؤلفون على ضرورة أن تشمل مراقبة جودة المياه الجوفية المنغنيز، نظرًا لتداعياته الصحية، واقترحوا أن طرق معالجة المنغنيز عمومًا فعالة من حيث التكلفة مقارنة بتلك الخاصة بالملوثات الأخرى مثل الزرنيخ. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية معالجة تلوث المنغنيز في المياه الجوفية، خاصة في المناطق التي تعتمد بشكل كبير على مصادر المياه غير المعالجة.
القيود
تسلط قيود هذه الدراسة الضوء على عدم اليقين الكبير بشأن بيانات استخدام المياه الجوفية والافتراضات التي تم اتخاذها في التحليل. تعتمد الأبحاث على تعريف برنامج المراقبة المشترك لمياه الصنبور، والذي قد لا يعكس بدقة مصدر المياه في جميع الحالات، خاصة في المناطق التي قد تنشأ فيها مياه الصنبور من آبار غير مختبرة. قد تؤدي هذه التصنيفات الخاطئة إلى تقدير أقل لعدد السكان المعرضين للملوثات، خاصة المنغنيز (Mn). تطبق الدراسة معدلات استخدام المياه الجوفية على مستوى الدولة بشكل موحد عبر المناطق الريفية والحضرية، مما قد لا يمثل الظروف المحلية بدقة، مما يزيد من تعقيد تقييم المخاطر.
تشير النتائج إلى أنه عند استبعاد المناطق خارج نطاق التطبيق (AOA)، تنخفض النسبة العالمية للمناطق التي لديها احتمال أكبر من 0.50 لمستويات المنغنيز التي تتجاوز 80 ميكروغرام/لتر بشكل كبير. ومع ذلك، يبقى عدد السكان الإجمالي المعرض لمثل هذه المستويات كبيرًا، مما يبرز فعالية النموذج في تحديد السكان المعرضين للخطر، خاصة في مناطق مثل شمال باكستان وجنوب شرق آسيا. تعتبر توقعات النموذج، حتى في المناطق التي تفتقر إلى قياسات المنغنيز، أداة قيمة لمراقبة جودة المياه الجوفية في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن أداء النموذج يختلف جغرافيًا، مع ميل للتنبؤات الأفضل في المناطق التي تحتوي على نقاط بيانات أقل، مما يشير إلى أن كثافة البيانات لا تتوافق دائمًا مع دقة النموذج. تؤكد حساسية تقديرات السكان لحدود الاحتمال المختلفة على الحاجة إلى الحذر في تفسير النتائج، حيث تتراوح تقديرات الأفراد المعرضين للخطر بشكل واسع بناءً على العتبة المختارة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-026-00676-z
Publication Date: 2026-07-07
Author(s): Joel E. Podgorski et al.
Primary Topic: Arsenic contamination and mitigation
Overview
The research highlights the critical role of manganese (Mn) in human nutrition while addressing the health risks associated with elevated Mn levels in drinking water. Following the World Health Organization’s (WHO) 2021 guideline reduction from 400 µg l\(^{-1}\) to 80 µg l\(^{-1}\), the study employs machine learning to create global prediction maps of groundwater Mn concentrations. It estimates that approximately 180-220 million people are now at risk of consuming Mn-contaminated water exceeding the new guideline, a significant increase from the previous estimate of 45 million under the former guideline. This risk is particularly pronounced in regions like Bangladesh, where a high percentage of the population relies on untreated groundwater.
The findings underscore that while Mn contamination poses a health threat comparable to geogenic arsenic (As) and fluoride, it has received less attention. The study advocates for the inclusion of Mn in groundwater quality monitoring, emphasizing the feasibility and cost-effectiveness of treatment methods such as oxidation and rapid sand filtration. The authors recommend adherence to the WHO guideline or the more stringent EU standard of 50 µg l\(^{-1}\) to mitigate health risks associated with chronic Mn exposure, particularly in vulnerable populations such as infants. The research calls for further groundwater testing to confirm Mn concentrations and better inform public health strategies.
Methods
In this study, georeferenced water-quality data, specifically manganese (Mn) measurements, were collected from various publicly available sources, including governmental and non-governmental organizations, resulting in a dataset of 295,475 groundwater Mn measurements. To ensure data quality, spurious entries and outliers were removed, and median values were calculated for multiple measurements at the same location. Measurements below detection limits were recorded as half the detection limit. The data were analyzed in relation to pH and relevant chemical species, with a focus on visualizing the proportion of Mn values exceeding the World Health Organization (WHO) guideline of 80 µg l⁻¹ through binned scatter plots, employing the Rice rule for bin size selection.
To create predictive models for Mn concentrations, various global georeferenced datasets related to climate, hydrogeology, soil, and topography were compiled and resampled to a spatial resolution of 7.5 arcseconds. Classification modeling was preferred over regression due to the variability in data sources and measurement protocols. Three models were developed based on Mn threshold values of 50 µg l⁻¹, 80 µg l⁻¹, and 400 µg l⁻¹, with random forest algorithms yielding the best prediction performance. Cross-validation was conducted using geographically distinct training and verification datasets, and the models’ accuracy was assessed through metrics such as the Area Under the Receiver Operating Characteristic Curve (AUC) and balanced accuracy. The final prediction maps indicated areas with a high probability of exceeding Mn thresholds, with implications for populations relying on untreated groundwater.
Discussion
In this study, a comprehensive global dataset of manganese (Mn) concentrations in groundwater was analyzed to assess the potential hazards associated with Mn exposure. The dataset comprised 295,475 unique data points, with a focus on measurements from wells shallower than 100 m, resulting in 224,804 usable data points. The analysis employed machine learning techniques to generate hazard maps indicating areas where Mn concentrations exceed the World Health Organization (WHO) guideline of 80 µg l⁻¹. The findings revealed significant global hotspots for high Mn concentrations, particularly in regions such as the Ganges-Brahmaputra Delta, northern Europe, and parts of North America, with an estimated 222 million people potentially exposed to unsafe levels of Mn.
The study also highlighted the geochemical relationships between Mn and other elements, such as arsenic (As) and iron (Fe), noting that high Mn concentrations are often found in environments with low oxygen and nitrate levels. The analysis indicated that climate and topography are critical predictors of Mn concentrations, with wetter conditions and specific soil types being associated with higher Mn levels. The authors emphasized the need for groundwater quality monitoring to include Mn, given its health implications, and suggested that treatment methods for Mn are generally cost-effective compared to those for other contaminants like As. Overall, the research underscores the importance of addressing Mn contamination in groundwater, particularly in regions heavily reliant on untreated water sources.
Limitations
The limitations of this study highlight significant uncertainties regarding groundwater usage data and the assumptions made in the analysis. The research relies on the Joint Monitoring Programme’s definition of tap water, which may not accurately reflect the source of water in all cases, particularly in areas where tap water may originate from untested wells. This misclassification could lead to an underestimation of the population at risk from contaminants, particularly manganese (Mn). The study uniformly applies country-level groundwater usage rates across rural and urban areas, which may not accurately represent local conditions, further complicating the assessment of risk.
The findings indicate that when excluding areas outside the area of applicability (AOA), the global proportion of regions with a probability greater than 0.50 for Mn levels exceeding 80 µg/L decreases significantly. However, the overall population exposed to such levels remains substantial, underscoring the model’s effectiveness in identifying at-risk populations, particularly in regions like northern Pakistan and Southeast Asia. The model’s predictions, even in areas lacking Mn measurements, serve as a valuable tool for future groundwater quality monitoring. Additionally, the analysis reveals that model performance varies geographically, with a tendency for better predictions in regions with fewer data points, suggesting that data density does not always correlate with model accuracy. The sensitivity of population estimates to different probability cut-offs further emphasizes the need for caution in interpreting the results, with estimates of potentially exposed individuals ranging widely based on the chosen threshold.