一个隐藏在自来水中近 40 年的未知化合物终于揭开了它神秘的面纱。但它是否会对人体造成伤害，却仍是一个谜团。
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撰文 菡萏
自来水消毒可谓是 20 世纪最伟大的公共卫生成就之一。然而，刚刚发表在《科学》（Science）上的一项新研究发现，在美国三分之一人使用的饮用水系统中，存在一种此前未被察觉的消毒副产物氯硝酰胺阴离子（chloronitroamide anion），它没有被纳入监管范围，部分水样的检测含量远超类似污染物的规定上限。虽然这种物质是否对人体有害目前无从知晓，但却与一些已知的毒性分子存在相似之处。发现氯硝酰胺阴离子的科学家表示，研究该物质在饮用水中的潜在影响迫在眉睫。
神秘物质现身
上个世纪初，美国的自来水供应系统开始使用氯为来自水库或水井的水源消毒，防止人们因为其中的细菌生病或死亡。但是，氯会与水中的污染物或其他背景物质产生消毒副产物，累积到一定量后就可能危害使用者的健康。
大约二十年后，氯胺开始进入公共供水系统。与氯相比，氯胺的灭菌效力较弱，但是产生的有害卤化消毒副产物更少。更重要的是，氯胺消毒只需要向原本的氯系统中加入额外的氨就能实现，使用成本远小于活性炭吸附或膜过滤的净水方法。1970 年代起，氯胺开始广泛进入美国的公共供水系统。目前，美国约 1 亿人使用的自来水均使用氯胺做二级消毒处理；中国一些城市，例如北京、上海、天津、深圳等地的部分水厂也在使用氯胺消毒技术。
然而，氯胺消毒并不完美。为了将供水系统中的氯胺浓度控制在有效范围内，化学界开展了一系列研究，建立了一系列自来水与氯胺反应的动力学模型。科学家们发现，根据氯胺分解产物反推出的初始反应物质量出现了一块神秘的空白，大约 5%~10% 的氮质量消失了。他们推测，这份缺失的质量来自一个未被识别的消毒副产物，但人们寻找了数十年，一直未能将其从自来水中分离出来，更不用说分析它的结构了。
为了解决这个谜题，来自美国阿肯色大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家从美国和瑞士的 13 个家庭以及商场、公司、自来水厂等多个公共场所采集了 40 份饮用水样本，通过高分辨率质谱和磁共振光谱识别出了这种氯胺消毒的未知产物——氯硝酰胺阴离子。该物质的分子式为 ClN2O2，此前从未被报告或合成。
自来水中的一氯胺分解后会产生一种此前未知的消毒副产物氯硝酰胺阴离子 图片来源：M. Goins/Freelance artist
新研究报告称，当一氯胺（最常用的氯胺消毒剂）分解成二氯胺（NHCl2），然后与水、氧气和其他一氯胺分子发生一系列反应，形成氯硝酰胺（HClN2O2）时，这种阴离子就形成了。它只存在于使用氯胺消毒的美国饮水系统中，极少使用氯的瑞士水样中则不含此类物质。
令人担忧的是，在 40 份自来水样本中，氯硝酰胺阴离子最高可达 100 微克/升，远超大多数受管制消毒副产物的最大上限（60~80 微克/升）。由于这种此前未知的化学物质并未在美国化学会的化学文摘社（CAS）登记，也没有任何相关的毒理学评估记录，没人能排除这种会出现在 1.13 亿美国人饮用水中的化学物质潜在的健康威胁。
美国 7 个州的饮用水水样中均出现了氯硝酰胺阴离子 数据来源：论文
未知威胁？
“我只想指出，它的毒性目前尚不清楚，”参与该研究的美国环保局（EPA）专家大卫·瓦赫曼（David Wahman）在此前的一场新闻发布会上表示。但他补充说，“这种物质与其他有毒分子有相似之处，因此未来需要了解它在饮用水中的潜在影响。”
瓦赫曼的判断源自氯硝酰胺阴离子的结构 Cl-N-NO2。它包含一个被氯和硝基（-NO2）取代的氮化物基团，这在无机化合物中并不常见。此外氮化物和硝基都是已知的活性基团，可能具有毒性。
不过科学家们认为，人们没必要因为这个新发现而被吓得睡不着觉。正确理解经过消毒的清洁饮用水带来的好处，以及消毒副产品带来的危险，才是最重要的。为这项新研究撰写评论文章的美国南加利福尼亚大学环境工程副教授丹尼尔·麦克利（Daniel McCurry）表示，在20 世纪上半叶，美国预期寿命增加的一半功劳都要归功于自来水消毒，为了避免消毒副产品造成的一点危害而放弃消毒措施，是不可想象的。
即使是会产生可能增加致癌风险副产物的氯，也没有被禁止用于自来水消毒——不论是美国还是世界其他地方，因为清洁饮用水带来的好处远远超过氯的潜在风险。
氯和氯胺确实存在替代品，它们各有优缺点：许多欧洲国家用臭氧对水进行消毒，还有一种选择是使用紫外线。这两种方式不会在水中留下任何分解产物或副产物，但臭氧的不稳定性意味着它需要在现场生产，而紫外线则需要建造紫外线反应器。对于目前主要使用氯和氯胺的供水系统来说，只有投入更多的改造资金才能实现消毒方法的转变。
好消息是，活性炭已经被证明能够去除氯硝酰胺阴离子。如果实在不放心，一个市售过滤器就能解决家庭用水安全的担忧。不过瓦赫曼表示，目前“可能需要更多工作来弄清楚这种副产物进一步分解后会产生什么”。
论文信息
Chloronitramide anion is a decomposition product of inorganic chloramines. Julian L. Fairey et al. ,Science 386,882-887(2024).DOI:10.1126/science.adk6749
主要参考资料
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt8921
https://www.popsci.com/science/unidentified-product-tap-water/
https://www.macon.com/living/article295937334.html
https://www.eurekalert.org/news-releases/1065091
http://html.rhhz.net/ZGGGWS/html/20170323.htm
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