[미국] DRI·하와이 대학 연구팀, 지하수 관정서 비소 위험 수치 알리는 예측 모델 구축

그레이트 베이슨 지역, 지열 및 지질 구조적 특징으로 비소 수준 높아

사막 연구소(Desert Research Institute, DRI)와 하와이 대학교의 암 센터(University of Hawai’i Cancer Center)의 연구원들이 주도한 이 연구는 서부 그레이트 베이슨에 걸친 지하수 관정의 데이터를 사용해 지하수의 비소 수준 상승 가능성과 위험 수준에 처한 개인 관정 사용자의 위치와 수를 예측하는 모델을 구축했다. [사진제공 = DRI]

 

가뭄을 겪고 있는 지역인 미 서부 그레이트 베이슨(Great Basin)의 농촌 지역사회는 지표수가 희박해 개인 지하수 관정에 의존하는 경우가 많다. 도시 상수도 시스템과 달리 개인 관정의 수질은 규제되지 않고 있으며, 새로운 연구에 따르면 해당 지역의 4만9천 명 이상의 주민이 사용하는 식수에 건강에 해로운 수준의 비소가 검출돼 노출 위험성을 제기했다.

사막 연구소(Desert Research Institute, DRI)와 하와이 대학교의 암 센터(University of Hawai’i Cancer Center)의 연구원들이 주도하고 지난 2월 16일 『환경과학기술지(Environmental Science and Technology)』에 발표한 이 연구는 서부 그레이트 베이슨에 걸친 지하수 관정의 데이터를 사용해 지하수의 비소 수준 상승 가능성과 위험 수준에 처한 개인 관정 사용자의 위치와 수를 예측하는 모델을 구축했다.

이 연구에 따르면 카슨 사막 유역(네바다주 팰런 마을 포함), 카슨 밸리(네바다주 민든 및 가드너빌) 및 트래키 메도우즈(르노) 지역은 위험 수준의 비소가 검출된 관정의 사용자수가 가장 많은 것으로 나타났다. 새로운 연구는 북부 네바다주에서 샘플링된 174개의 가정용 관정 중 22%가 EPA 지침을 초과하는 비소 수준을 가지고 있다는 이전 연구를 기반으로 한다.

다니엘 사프너(Daniel Saftner M.S.) DRI의 수문지질학자이자 이 연구의 수석 저자는 "이번 연구에서 발견한 것은 우리 지역이 미국의 대부분의 지역에 비해 비소 수치가 증가할 가능성이 높다는 것이다"라며 "또한 우리는 그레이트 베이슨의 특징인 지열 및 지질 구조 과정이 이 지역의 지하수에서 자연적으로 발생하는 비소의 높은 농도에 기여한다는 것을 보여준다"라고 말했다.

스티브 베이컨(Steve Bacon)박사 DRI 지질학자이자 연구 공동 저자는 "이 지역의 산은 또한 비소의 주요 공급원이다"라고 말했다. 계곡 바닥을 통해 스며든 물은 비소를 지하수로 운반한다. 더 깊고 오래된 지하수와 지열수는 비소 농도가 더 높은 경향이 있으며, 단층을 따라 위쪽으로 이동하고 얕은 지하수와 섞일 수 있다.

다니엘 사프너는 "우리는 이 연구에서 높은 비소의 원인이 되는 독특한 지질학적 요인을 더 잘 이해하고 싶었다"라며, "우리가 사는 곳이 우리의 장기적인 건강 상태에 영향을 미칠 수 있는 환경의 역할에 대해 생각하는 것이 중요하다"라고 말했다.

예측 모델을 테스트하기 위해 연구팀은 주로 리노(Reno), 카슨시(Carson City) 및 팰런(Fallon) 근처에 위치한 163개의 가정용 관정에서 채수한 물샘플을 포함해 헬시 네바다 프로젝트(Healthy Nevada Project)를 통해 수집된 데이터를 사용했다. 이 데이터는 USGS 국가수상정보시스템(National Water Information System)에서 수집한 749개의 지하수 샘플로 보완됐다. 이 모델은 지각, 지열, 지질 및 수문학적 변수를 사용해 해당 지역의 비소 수치 상승 가능성을 예측한다.

미국 EPA는 공공 음용수에 대한 비소 농도 지침을 10µg/L로 설정했지만, 이전 연구에서는 장기간 노출에서 5µg/L 이상의 수준에 이르기까지 다양한 건강 영향을 보여웠다. 이 농도를 기준으로, 모델과 지도는 이 지역의 지하수의 대부분, 특히 서부와 중부의 경우 비소 수치가 상승할 확률이 50% 이상일 것으로 예측된다는 것을 보여준다.

모니카 아리엔조(Monica Arienzo) 박사 DRI의 부교수이자 연구 공동저자는 "지역사회 구성원은 우리의 비소 위험 지도를 사용해 자신의 위치에 어떤 위험이 있는지 확인할 수 있으며, 이는 관정 물을 테스트하도록 동기 부여할 수 있다"며 "그 다음 높은 수준의 비소 또는 기타 오염 물질이 있는 경우 수처리 시스템을 설치하는 등 노출을 줄이기 위한 조치를 취할 수 있다"고 말했다.

이 연구의 결과는 다양한 응용 분야에 잠재적으로 유용하다. 다니엘 사프너는 "이 결과는 물공급을 위해 유사한 얕은 대수층을 사용하는 물 유틸리티 또는 물 관리자와 이러한 대수층에서 물을 공급하는 관개 관정에 유용할 수 있다"라고 말했다.

연구팀은 장기간의 비소 노출이 건강에 미치는 영향을 자세히 살펴보기 위해 이 모델을 사용할 계획이다. 조 그르짐스키(Joe Grzymski) 박사 DRI의 연구 교수이자 이 프로젝트의 수석 조사원은 "헬시 네바다 프로젝트를 통해 유전자 데이터와 건강 기록은 지역사회 지하수의 비소 수치와 특정 건강 결과 사이의 연관성이 있는지 여부를 결정하는 게 도움이 되는 환경 데이터와 짝을 이룬다"라고 설명했다.

(a) 전체 서부 그레이트 베이슨에서 비소가 ≥5 μg/L인 수문 분지 경계 및 예상 평균 인구 밀도를 보여주는 지도; (b) 트래키 메도우즈(르노 지역), 레몬 밸리 및 콜드 스프링 밸리; (c) 카슨 밸리(민덴 및 기드너빌 지역); 및 (d) 카슨 사막(팔론 지역). [사진제공 = DRI]

(a) 비소 ≥5 μg/L의 평균 확률, (b) 95% 신뢰 상한 및 (c) 95% 신뢰 하한을 포함하여 서부 그레이트 베이슨의 충적 대수층에서 비소 ≥5 μg/L의 예측 확률 . 기반암 대수층과 호수는 회색으로 표시되며 비소 위험 평가에 포함되지 않았다. [사진제공 = DRI]

 

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Arsenic Contaminates Private Drinking Water Wells Across the Western Great Basin 

A New Study Maps Risk of Elevated Arsenic Levels in Groundwater Wells Across Northern Nevada, Northeastern California, and Western Utah

 

In the arid and drought-stricken western Great Basin, sparse surface water means rural communities often rely on private groundwater wells. Unlike municipal water systems, well water quality in private wells is unregulated, and a new study shows that more than 49 thousand well users across the region may be at risk of exposure to unhealthy levels of arsenic in drinking water.  

Led by researchers at DRI and the University of Hawai’i Cancer Center and published February 16th in Environmental Science and Technology, the study used data from groundwater wells across the western Great Basin to build a model to predict the probability of elevated arsenic in groundwater, and the location and number of private well users at risk. According to the study, the Carson Desert basin (including the town of Fallon, Nevada), Carson Valley (Minden and Gardnerville, Nevada), and the Truckee Meadows (Reno), have the highest population of well users at risk. The new study builds on previous research showing that 22% of 174 domestic wells sampled in Northern Nevada had arsenic levels exceeding the EPA guideline.  

“What we are finding is that in our region, we have a high probability for elevated arsenic compared to most other regions in the country,” said Daniel Saftner, M.S., a hydrogeologist at DRI and lead author of the study. “And we are seeing that geothermal and tectonic processes that are characteristic of the Great Basin contribute to the high concentrations of naturally occurring arsenic in the region’s groundwater.”   

The region’s mountains are also primary sources of arsenic. “As the arsenic-rich volcanic and meta-sedimentary rocks that form the mountains erode, sediment is transported to the valleys below,” says Steve Bacon, Ph.D., DRI geologist and study co-author. Water percolating through the valley floor then carries arsenic into the groundwater. Deeper, older groundwater and geothermal waters tend to have a higher arsenic concentration and can migrate upward along faults and mix with shallow groundwater. 

“We really wanted to better understand the unique geologic factors that contribute to high arsenic in this study,” Saftner says. “It’s important for us to think about the role of the environment as it pertains to human health – where we live can influence what our long-term health looks like.”  

To train and test the predictive model, the research team used data collected through the Healthy Nevada Project, including water samples from 163 domestic wells primarily located near Reno, Carson City, and Fallon. These data were supplemented with 749 groundwater samples compiled from the USGS National Water Information System. The model uses tectonic, geothermal, geologic, and hydrologic variables to predict the probability of elevated arsenic levels across the region.  

Although the U.S. EPA has set an arsenic concentration guideline of 10 µg/L for public drinking water, previous research has shown a range of health effects from long-term exposure to levels above 5 µg/L. Using this concentration as the benchmark, the model and map show that much of the region’s groundwater – particularly in western and central Nevada – is predicted to have more than a 50% probability of elevated arsenic levels.  

“Community members can use our arsenic hazard map to see what the risk is at their location, which might motivate them to test their well water,” says Monica Arienzo, Ph.D., associate research professor at DRI and study co-author. “Then, if they have high levels of arsenic or other contaminants, they can take steps to reduce their exposure, such as installing a water treatment system.”  

The findings from this study are potentially useful for a range of different applications. “The results can be useful for water utilities or water managers who tap similar shallow aquifers for their water supply,” says Saftner, “as well as irrigation wells that source water from these aquifers.”   

The research team plans to use their model to take a closer look at the health impacts of prolonged arsenic exposure. “Through the Healthy Nevada Project, genetic data and health records are paired with environmental data to help determine whether there are associations between the levels of arsenic in a community’s groundwater and specific health outcomes,” stated Joe Grzymski, Ph.D., research professor at DRI and principal investigator of the project.  

More information:

The full study, “Predictions of Arsenic in Domestic Well Water Sourced from Alluvial Aquifers of the Western Great Basin, USA,” is available from Environmental Science and Technology: https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07948 

Study authors include: DRI researchers Daniel Saftner, Steve Bacon, Monica Arienzo, Erika Robtoy, Karen Schlauch, Iva Neveux, and Joseph Grzymski, as well as Michele Carbone with the University of Hawaii Cancer Center. 

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About DRI

The Desert Research Institute (DRI) is a recognized world leader in basic and applied environmental research. Committed to scientific excellence and integrity, DRI faculty, students who work alongside them, and staff have developed scientific knowledge and innovative technologies in research projects around the globe. Since 1959, DRI’s research has advanced scientific knowledge on topics ranging from humans’ impact on the environment to the environment’s impact on humans. DRI’s impactful science and inspiring solutions support Nevada’s diverse economy, provide science-based educational opportunities, and inform policymakers, business leaders, and community members. With campuses in Las Vegas and Reno, DRI serves as the non-profit research arm of the Nevada System of Higher Education. For more information, please visit www.dri.edu.

About the University of Hawaiʻi Cancer Center

The University of Hawaiʻi Cancer Center through its various activities, including scientific research and clinical trials, adds more than $57 million to the Oʻahu economy.  It is one of only 71 research institutions designated by the National Cancer Institute.  An organized research unit within the University of Hawaiʻi at Mānoa, the UH Cancer Center is dedicated to eliminating cancer through research, education, patient care and community outreach with an emphasis on the unique ethnic, cultural, and environmental characteristics of Hawaiʻi and the Pacific.  Learn more at https://www.uhcancercenter.org.  Like us on Facebook at https://www.facebook.com/UHCancerCenter.  Follow us on Twitter @UHCancerCenter.

[출처 = DRI(https://www.dri.edu/arsenic-contaminates-private-drinking-water-wells-across-the-western-great-basin/#) / 2023년 2월 21일]