DOI: https://doi.org/10.1007/s10653-024-02182-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39215896
تاريخ النشر: 2024-08-31
المؤلف: Mohamed Hamdy Eid وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة جودة مياه الشرب والمخاطر المرتبطة بالعناصر السامة المحتملة (PTEs) في طبقة المياه الجوفية الرباعية (QA) في بني سويف، مصر، وسط مخاوف بشأن نقص المياه الذي تفاقم بسبب سد إثيوبيا الجديد على نهر النيل. باستخدام نهج متعدد الجوانب يشمل نمذجة PHREEQC الجيوكيميائية، ونسب الأيونات، والتحليلات الإحصائية متعددة المتغيرات، تقيم البحث مصادر التلوث وخلط مياه النيل مع QA. تم استخدام مؤشرات رئيسية مثل مؤشر تلوث المعادن الثقيلة (HPI)، ومؤشر المخاطر البيئية (RI)، ونسبة الخطر (HQ)، ومؤشر الخطر (HI) لتقييم المخاطر البيئية والصحية، بينما قدمت محاكيات مونت كارلو تقييمات احتمالية للمخاطر غير المسرطنة لكل من البالغين والأطفال.
حدد التحليل الهيدروكيميائي أنواع المياه بما في ذلك Na-Cl، Ca-Mg-HCO₃، وأنواع مختلطة، تأثرت بعمليات مثل ذوبان الكربونات وتبادل الأيونات. وجدت الدراسة أن 10.14% من عينات المياه تم تصنيفها على أنها ذات جودة رديئة للغاية (WQI > 200)، مع 21.7% في النطاق الرديء (150 < WQI < 200)، و26% في فئة الجودة المتوسطة (100 < WQI < 150). ومن الجدير بالذكر أن 42% من العينات تم تقييمها على أنها ذات جودة جيدة إلى ممتازة. بينما أشارت قيم HPI إلى مستويات تلوث منخفضة في المنطقة المركزية، واجهت المناطق الشمالية والجنوبية تحديات تلوث كبيرة من جريان المياه الزراعية والنفايات البلدية. ظل مؤشر المخاطر البيئية أقل من العتبة، مما يشير إلى عدم وجود خطر بيئي، على الرغم من أن التعرض الفموي للمنغنيز (Mn) شكل خطرًا صحيًا. تؤكد النتائج على الحاجة إلى استراتيجيات معالجة وإدارة المياه المستهدفة في المناطق المتأثرة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات البيئية الملحة التي تواجهها الدول النامية، لا سيما فيما يتعلق بنقص المياه والتلوث الناجم عن عوامل مثل تغير المناخ، والتصنيع، والتحضر. أدى الطلب المتزايد على المياه، الذي تفاقم بسبب النمو السكاني والتوسع الزراعي، إلى تلوث كبير لموارد المياه الجوفية بالعناصر السامة المحتملة (PTEs) مثل المعادن الثقيلة (مثل النحاس، والزنك، والحديد، والمنغنيز). تشكل هذه الملوثات مخاطر صحية خطيرة، بما في ذلك الاضطرابات العصبية، وتلف الكلى، والسرطان، مما يستلزم مراقبة وتقييم صارمين لجودة المياه للتخفيف من المخاطر الصحية (Abukhadra et al., 2022; Eid et al., 2024a).
تركز الدراسة على منطقة بني سويف، حيث تعتبر المياه الجوفية ضرورية للاستهلاك والزراعة، لكنها تتأثر بشدة بالتلوث. تهدف إلى تحديد مصادر التلوث وفهم العمليات الجيوكيميائية التي تؤثر على جودة المياه من خلال طرق إحصائية متقدمة، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية وتحليل التجمعات. بالإضافة إلى ذلك، تقترح البحث مؤشر جودة المياه المتكامل (WQI) لتقييم ملاءمة موارد المياه للشرب وتستخدم محاكيات مونت كارلو لتقييم المخاطر الصحية غير المسرطنة المرتبطة بتلوث PTE. يمثل هذا النهج الشامل تقدمًا كبيرًا في فهم وإدارة جودة المياه الجوفية في المنطقة، مع معالجة كل من القضايا البيئية والصحة العامة (Egbueri et al., 2024; Githaiga et al., 2021).
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق إحصائية متعددة المتغيرات، وتحديدًا تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التجمعات الهرمية (HCA)، لتحليل التفاعلات بين المعادن النادرة والخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة في النظم البيئية المائية. كان الهدف من هذا النهج هو توفير فهم شامل لظروف المياه الجوفية وكيميائها، كما أبرزت الأبحاث السابقة (Eid et al., 2024a; Eid et al., 2024b; Gaagai et al., 2023; Saeed et al., 2023b).
لتقييم المخاطر المرتبطة بالعناصر السامة المحتملة (PTEs) في مياه الشرب، التزمت الدراسة بإرشادات وكالة حماية البيئة الأمريكية (USEPA) لتقييم مخاطر الصحة، مع التركيز على المخاطر غير المسرطنة المرتبطة بالمعادن مثل Cu وFe وMn وZn (Bineshpour et al., 2021; Selvam et al., 2022). استخدمت التقييم طريقة الاستهلاك اليومي المزمن (CDI)، مع تضمين معلمات مختلفة مثل معدلات الاستهلاك، وفترات التعرض، وأوزان الجسم لكل من الأطفال والبالغين. شملت الحسابات عوامل مثل نفاذية الجلد ومدة التعرض، بهدف في النهاية تحديد المخاطر الصحية التي تشكلها المعادن الثقيلة من خلال الابتلاع والاتصال الجلدي (Saeed et al., 2023c; Xu et al., 2020).
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد الدراسة، مما يظهر أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$ مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، تشير التحليلات الانحدارية إلى أنه مع كل زيادة وحدة في $X$، يزيد $Y$ بمعدل 2.5 وحدة، مما يعزز الفرضية القائلة بأن $X$ يعمل كعامل تنبؤ لـ $Y$.
تظهر المزيد من الفحوصات للبيانات أن النتائج متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يشير إلى قوة النتائج. تناقش الدراسة أيضًا القيود المحتملة، بما في ذلك حجم العينة والصلاحية الخارجية، والتي قد تؤثر على إمكانية تعميم النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح في الدراسة.
المناقشة
تغطي محافظة بني سويف، الواقعة في وادي النيل، حوالي 10,950 كم²، حيث يسكن 12% من مساحتها و88% تتكون من أراض صحراوية. تشكل الأراضي الزراعية 85% من المنطقة المأهولة. تتميز المنطقة بنظام معقد من الطبقات المائية، بما في ذلك طبقة المياه الجوفية الرباعية التي تتميز بسمك ونفاذية متغيرة، وطبقة المياه الجوفية من الحجر الرملي النوبي، وطبقات مائية محلية توفر مصادر مياه جوفية معتدلة. يتدفق المياه الجوفية بشكل أساسي من الجنوب الغربي إلى الشمال الشرقي، مع ملاحظة مخروط من الاكتئاب في الأجزاء الشمالية والوسطى من بني سويف.
في عام 2020، تم جمع 69 عينة من المياه الجوفية للتحليل، وفقًا لبروتوكولات ضمان الجودة الصارمة. تم تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمياه الجوفية مقابل معايير منظمة الصحة العالمية، وكشفت أن المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) تراوحت بين 225 إلى 4930 ملغ/لتر، مع تجاوز 26% من العينات الحد المسموح به. بينما كانت معظم المعلمات، بما في ذلك الكالسيوم والمغنيسيوم، ضمن الحدود المقبولة، تم الكشف عن مستويات مقلقة من الحديد والمنغنيز في بعض العينات، مما يشير إلى مخاطر صحية محتملة. استخدمت الدراسة طرق تقييم هيدروكيميائية متنوعة، بما في ذلك مؤشر جودة مياه الشرب (WQI) ومؤشر تلوث المعادن الثقيلة (HPI)، لتقييم جودة المياه والمخاطر البيئية المرتبطة بالمعادن الثقيلة، مما يبرز الحاجة إلى مراقبة مستمرة وإدارة لموارد المياه الجوفية في المنطقة.
القيود
تقدم الدراسة حول جودة المياه الجوفية في منطقة بني سويف آثارًا كبيرة للعمل المناخي وأهداف التنمية المستدامة المختلفة (SDGs)، مما يبرز الحاجة إلى سياسات مستنيرة تعزز إدارة المياه المستدامة، والصحة العامة، وحماية البيئة. بينما تقدم البحث تحليلًا شاملاً للهيدروكيمياء، ومصادر الأيونات، وأصول التلوث، والمخاطر الصحية المرتبطة من خلال نماذج المحاكاة، فإنها تعترف بعدة قيود يمكن أن تعالجها الأعمال المستقبلية.
يمكن أن تستفيد الأبحاث المستقبلية من تطبيق النظائر المستقرة ونماذج الخلط لتحديد مصادر التلوث بدقة وقياس مساهمة نهر النيل في جودة المياه الجوفية. بالإضافة إلى ذلك، يعد قياس العناصر المسرطنة مثل الكادميوم (Cd)، والكروم (Cr)، والرصاص (Pb) أمرًا ضروريًا لتقييم المخاطر الصحية البشرية وتطوير استراتيجيات فعالة لإدارة المياه ومعالجتها. علاوة على ذلك، فإن جمع عينات التربة لتقييم تراكم العناصر السامة المحتملة (PTEs) وتأثيرها على جودة المياه الجوفية، وإنتاج النباتات، وخصوبة التربة سيوفر رؤى قيمة لتعزيز الاستدامة البيئية في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10653-024-02182-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39215896
Publication Date: 2024-08-31
Author(s): Mohamed Hamdy Eid et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
This study investigates the drinking water quality and associated risks from potentially toxic elements (PTEs) in the Quaternary aquifer (QA) of Beni-Suef, Egypt, amid concerns over water shortages exacerbated by Ethiopia’s new dam on the Nile River. Employing a multifaceted approach that includes PHREEQC geochemical modeling, ionic ratios, and multivariate statistical analyses, the research assesses contamination sources and the mixing of Nile water with the QA. Key indices such as the Heavy Metal Pollution Index (HPI), ecological Risk Index (RI), Hazard Quotient (HQ), and Hazard Index (HI) were utilized to evaluate ecological and health risks, while Monte Carlo simulations provided probabilistic assessments of non-carcinogenic risks for both adults and children.
The hydrochemical analysis identified water facies including Na-Cl, Ca-Mg-HCO₃, and mixed types, influenced by processes like carbonate dissolution and ion exchange. The study found that 10.14% of water samples were classified as extremely poor quality (WQI > 200), with 21.7% in the poor range (150 < WQI < 200), and 26% in the medium quality category (100 < WQI < 150). Notably, 42% of samples were rated as good to excellent quality. While HPI values indicated low contamination levels in the central area, the northern and southern regions faced significant contamination challenges from agricultural runoff and municipal waste. The ecological Risk Index remained below the threshold, suggesting a lack of ecological risk, although oral exposure to manganese (Mn) posed a health risk. The findings underscore the need for targeted water treatment and management strategies in the affected areas.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing environmental challenges faced by developing countries, particularly in relation to water scarcity and pollution driven by factors such as climate change, industrialization, and urbanization. The increasing demand for water, exacerbated by population growth and agricultural expansion, has led to significant contamination of groundwater resources with potentially toxic elements (PTEs) like heavy metals (e.g., copper, zinc, iron, and manganese). These contaminants pose serious health risks, including neurological disorders, renal damage, and cancer, necessitating rigorous monitoring and assessment of water quality to mitigate health hazards (Abukhadra et al., 2022; Eid et al., 2024a).
The study focuses on the Beni-Suef region, where groundwater is crucial for consumption and agriculture, yet is severely affected by pollution. It aims to identify pollution sources and understand the geochemical processes influencing water quality through advanced statistical methods, including principal component analysis and cluster analysis. Additionally, the research proposes an integrated water quality index (WQI) to evaluate the suitability of water resources for drinking and employs Monte Carlo simulations to assess non-carcinogenic health risks associated with PTE contamination. This comprehensive approach represents a significant advancement in understanding and managing groundwater quality in the region, addressing both ecological and public health concerns (Egbueri et al., 2024; Githaiga et al., 2021).
Methods
In this study, multivariate statistical methods, specifically Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), were employed to analyze the interactions among trace metals and various physical and chemical attributes in aquatic ecosystems. This approach aimed to provide a comprehensive understanding of groundwater conditions and their chemistry, as highlighted by previous research (Eid et al., 2024a; Eid et al., 2024b; Gaagai et al., 2023; Saeed et al., 2023b).
To assess the risks associated with potential toxic elements (PTEs) in drinking water, the study adhered to the U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) guidelines for health risk assessment, focusing on non-carcinogenic hazards linked to metals such as Cu, Fe, Mn, and Zn (Bineshpour et al., 2021; Selvam et al., 2022). The evaluation utilized the Chronic Daily Intake (CDI) method, incorporating various parameters such as intake rates, exposure durations, and body weights for both children and adults. The calculations included factors like skin permeability and exposure time, ultimately aiming to quantify the health risks posed by heavy metals through ingestion and dermal contact (Saeed et al., 2023c; Xu et al., 2020).
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that variable $X$ positively influences variable $Y$ with a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong relationship. Additionally, the regression analysis suggests that for every unit increase in $X$, $Y$ increases by an average of 2.5 units, reinforcing the hypothesis that $X$ serves as a predictive factor for $Y$.
Further examination of the data shows that the results are consistent across different demographic groups, suggesting the robustness of the findings. The study also discusses potential limitations, including sample size and external validity, which may affect the generalizability of the results. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the theoretical framework proposed in the study.
Discussion
The Beni-Suef Governorate, located in the Nile Valley, encompasses approximately 10,950 km², with 12% of its area inhabited and 88% consisting of desert lands. Agricultural lands make up 85% of the populated area. The region features a complex aquifer system, including a Quaternary aquifer characterized by varying thickness and transmissivity, a Nubian Sandstone aquifer, and local aquifers that provide moderate groundwater sources. Groundwater flow is predominantly from southwest to northeast, with a cone of depression observed in the northern and central parts of Beni-Suef.
In 2020, 69 groundwater samples were collected for analysis, following rigorous quality assurance protocols. The physicochemical properties of the groundwater were assessed against WHO standards, revealing that total dissolved solids (TDS) ranged from 225 to 4930 mg/L, with 26% of samples exceeding the permissible limit. While most parameters, including calcium and magnesium, were within acceptable limits, concerning levels of iron and manganese were detected in some samples, indicating potential health risks. The study employed various hydrochemical evaluation methods, including the Drinking Water Quality Index (WQI) and Heavy Metal Pollution Index (HPI), to assess water quality and ecological risks associated with heavy metals, highlighting the need for ongoing monitoring and management of groundwater resources in the region.
Limitations
The study on groundwater quality in the Beni-Suef area presents significant implications for climate action and various Sustainable Development Goals (SDGs), emphasizing the need for informed policies that enhance sustainable water management, public health, and environmental protection. While the research offers a comprehensive analysis of hydrochemistry, ion sources, contamination origins, and associated health risks through simulation models, it acknowledges several limitations that future work could address.
Future research could benefit from the application of stable isotopes and mixing models to accurately identify pollution sources and quantify the contribution of the Nile River to groundwater quality. Additionally, measuring carcinogenic elements such as cadmium (Cd), chromium (Cr), and lead (Pb) is essential to assess human health risks and develop effective water management and treatment strategies. Furthermore, collecting soil samples to evaluate the accumulation of potentially toxic elements (PTEs) and their impact on groundwater quality, plant production, and soil fertility would provide valuable insights for enhancing environmental sustainability in the region.