水是生命的基础。世界各国对于饮用水的安全性都极为重视, 世界卫生组织 (WHO) 制订的、已经更新至第4版的《饮用水水质准则》, 为各国制定饮用水卫生标准提供了依据, 对保障饮用水安全起到了基石作用。

然而, 除了安全以外, 饮用水的另外一个功能———对生命的营养价值, 长期以来没有得到重视, 尤其是在我国。作为人口众多的发展中国家, 政府为保障饮用水的安全性付出了艰辛的努力并取得了显著的成效。随着我国经济的快速发展, 饮用水的选择也趋于多元化, 人们对饮用水质的营养及健康的需求也日益增多。

本文通过分析中国人膳食营养结构现状, 结合水中矿物元素对机体健康影响的研究, 参照国内外有关水中钙镁适宜浓度的指标现状, 提出钙镁及其相关的硬度和TDS的最低可接受水平 (lowest acceptable levels, LALs) 、适宜水平 (optimal levels, OLs) 和上限水平 (maximal acceptable levels, MALs) 的建议值, 以供讨论。

饮水中的矿物元素是溶解性离子状态, 其生物利用度远高于固体食物, 而且自然界的某些水中有益矿物离子含量非常丰富, 可为食物中的不足提供良好补充。对于老人、婴幼儿、某些疾病状态下的特殊人群, 或者习惯对食物精细处理而膳食矿物质缺乏的人群, 饮水将是矿物质补充的重要途径。在WHO的专集“Nutrients in drinking water”中, Manuel Olivares指出, 对于某些特定的微量元素和电解质, 饮用水的贡献率占总膳食摄入的1%~20%。相对于食物而言, 饮用水中摄入比例最大的微量营养素是钙和镁, 这两种元素通过水提供的量可高达每日摄入量的20%, 而其他大部分元素从饮水提供的量不到总摄入量的5%^[1]。

钙和镁都是人体结构和功能维持的必需元素。正常人体含有1 000~1 200g的钙, 其中99.3%集中在骨牙组织, 0.6%~0.9%在软组织, 0.1%在细胞外液。机体长期钙摄入不足, 将会导致骨骼钙储存库的亏空, 使得骨骼发育不良, 骨脆性增加, 骨折风险加大。镁是人体细胞内的主要阳离子, 正常人体含镁25g左右, 其中60%~65%分布于骨牙, 27%分布于软组织。镁不仅参与体内300多种酶的酶活反应, 还可调节细胞膜钾钙通道以维持神经肌肉的正常兴奋性。人体镁缺乏时, 多种代谢活动受抑, 血管张力增加, 肌肉收缩阈值降低, 发生心血管疾病、代谢综合症、神经系统疾病的风险增加。

钙、镁是水中最重要的溶解性矿物离子, 也是水质硬度的主要组成成分。自1957年Kobayashi报道居住在偏酸性河水流域的人群脑中风发生率更高以来, 全球各地学者开展了大量的水质硬度与心血管疾病的关联性探讨, 主要是生态流行病学观察, 也有部分病例对照研究。总计23项生态学研究中有10项一致性地证明水质硬度与心血管疾病死亡率的逆关联^[1]。虽然证据性更强的病例对照研究报道数量不及生态学研究, 但其中值得一提的是Rebenowitz小组在其病例对照研究中观察到水镁浓度与心肌梗死发生的逆相关, 当水镁浓度大于7.8mg/L时, 这种保护作用开始有统计学意义, 当水镁大于17mg/L时, 心肌梗死发生的相对危险度OR值为0.65, 亦即发生风险下降了35%^[2]。

2004年, WHO对此问题发表了阶段性总结报告, 指出以往的研究虽然有部分相反结论, 但水质硬度、特别是水镁对心血管疾病的预防作用是基本得到公认的。总体上, 水镁每增高6 mg/L会使先天性心脏病的发生降低10%;饮用水中含镁高时 (>9.8 mg/L) , 男女急性心肌梗死下降19%和25%^[3]。2008年英国学者Cartling等在2 906篇文献中纳入12篇证据较强的文献进行系统分析后得出结论:水镁降低心血管疾病死亡风险 (OR 0.75, 95%CI=0.68-0.82, p<0.001) , 但水钙证据仍需研究^[4]。2016年Jiang等从4 496篇文献中纳入9篇文献 (共涉及10项研究, 77 821例冠心病例) 进行meta分析后仍然得出一致的结论:水镁降低冠心病死亡风险 (RR=0.89, 95%CI=0.79-0.99, p=0.000) ^[5]。

在海湾国家, 采用反渗透技术制取的脱盐海水用作饮用水已经十分普及。以色列对本国4 678名急性心肌梗死患者的全因死亡率分析后发现, 饮用脱盐海水的患者其生存率持续低于饮用普通淡水的患者, 前者 (1.94±0.24) mg/dL的血镁水平显著性低于后者 (2.08±0.27) mg/dL的水平, 推测饮用去矿物质脱盐海水导致的血镁降低可能是其生存率下降的重要原因^[6]。

上述众多流行病学研究, 因为缺乏前瞻性队列观察因而一直使得因果关系存疑。作者所在团队近年来从试验研究的角度为此进行了探索。我们的数次试验发现, 在标准饲料 (营养素完全达标) 条件下, 饮水矿物质不足仍然会导致动物体内矿物质的缺乏, 且伴随心血管和骨骼系统的改变。舒为群等报道, 大鼠分组饮用纯净水 (镁0.015mg/L) 、净化水 (镁11.8mg/L) 、自来水 (镁12.8mg/L) 连续20周后, 血清中15种常量及微量元素中, 惟有镁存在饮用纯净水的雌性大鼠[ (26.94±1.90) μg/mL]显著低于饮用自来水的大鼠[ (30.19±1.15) μg/mL]的现象^[7], 而且纯净水组出现血脂、心肌、肾功能指标的病理变化^[8]。在接下来的研究中, 张照英等将大鼠分别饮用自来水 (镁12.8 mg/L) 和纯净水 (镁0.015mg/L) 5个月, 同样观察到血镁水平在纯净水组[ (1.54+0.19) mmol/L]显著低于自来水组[ (1.81+0.27) mmol/L) ]。同时, 纯净水组的总胆固醇、甘油三酯、LDL脂蛋白、丙二醛、内皮素都有显著性升高, 动脉粥样硬化指数也增加到自来水组的2.89倍, 而HDL脂蛋白、一氧化氮则有显著性降低^[9]。随后, 赵清等将大鼠分别喂养自来水 (镁12.8mg/L) 、纯净水 (镁0.015mg/L) 、纯净水加镁 (镁0.5g/L) 6个月, 发现纯净水组比自来水组的apoB水平显著增加, 3种脂蛋白代谢酶 (LCAT, LPL, HL) 水平都有下降趋势, 而加镁后apoB水平回落, 脂蛋白代谢酶水平回升。这些结果提示水镁是改善机体血脂代谢指标的关键因素^[10]。Luo等将镁含量显著不同的4种水 (12.5mg/L, 9.4mg/L, 0.4mg/L, 0.02 mg/L) 进行青年男性1月饮水干预试验和新西兰兔12月饮水干预试验, 发现饮用镁含量极低的两种水明显增加了人和动物的心血管疾病发生风险^[11]。

水钙对于儿童骨骼发育以及中老年人骨钙的维持具有重要作用。欧洲学者分别对骨质疏松患者、绝经期妇女以及男女青年志愿者进行了4天~6月不等的饮水干预观察。在其中一项典型研究中, 他们将152名钙摄入量不足 (每天摄入低于700 mg) 的绝经期妇女随机分为两组, 分别饮用含钙596mg/L和含钙10mg/L的矿泉水6个月, 每天1L。发现高钙水组人群其血清骨重塑指标PTH、S-CTX显著下降, 显示老年性骨质丢失得到显著抑制。他们总结了多次干预研究的数据, 提出“水中含有丰富的碳酸氢盐和钙, 但较少的硫酸根时, 最有利于骨骼健康”^[12~15]。

作者团队也开展了饮水矿物质与骨骼健康关系的多次试验研究。Qiu报道:连续3代饮用4种矿物质含量不同的水后, 饮用硬水 (钙52.2mg/L) 的雌鼠的骨骼应变能力、骨骼钙镁含量、血清1, 25-二羟基维生素D水平都显著性高于饮用3种软水 (钙分别为10.6 mg/L, 0.04 mg/L, 0.02 mg/L) 的雌鼠^[16]。徐安伟将发育期大鼠分别饮用5种矿物质差别显著的饮水3个月, 发现纯净水组 (钙0.17mg/L) 的大鼠的血清骨钙素 (成骨细胞活跃标志) 、骨小梁强度都明显低于两种天然矿泉水 (钙分别为155.33mg/L和175.15mg/L) 组大鼠。回归分析显示, 变化最敏感的骨钙素水平与水钙水平关联性最强, 相关系数为0.645 (P=0.000) ^[17]。

水的硬度主要由溶解于水中的多价离子组成, 其中二价钙镁离子是其主要组成, 两种离子与硬度的相关系数分别为0.96和0.9。除了前述水质硬度对心血管疾病 (先心病、心肌梗死、高血压、中风等) 和骨质疏松的预防作用外, 水质硬度还显示对人群其他疾病的预防效果。Sengupta的综述归纳出先天性无脑畸形的发生与水质硬度负相关^[18]。英格兰地区28个卫生部门的资料分析显示, 骨质疏松和酒精性肝病的年住院率都与饮水的硬度具有统计学意义的负相关, 相关系数spearman rho分别为-0.431 (P=0.022) 和-0.543 (P=0.003) ^[19]。台湾地区Yang团队的研究显示饮用软水的人群食管癌的超额死亡率超过饮用硬水地区人群41%, 其OR为1.42 (95%CI=1.22-1.66) 。他们还发现, 水镁水平与女性肺癌风险有明显负关联;水镁也可以显著降低水中硝酸盐对食管癌升高的风险, 以及三氯甲烷对直肠癌、胰腺癌升高的风险^[20~23]。不久前, Nriagu J等在其综述中总结了海湾国家人群电解质紊乱发生率较高, 消化系统 (咽部、食道、结直肠等) 癌症发病率在迅速增加的现象, 推测这些变化与大规模脱盐水的长期饮用具有密切关联^[24]。

全世界著名的膳食模式共有3种, 即西方、东方和地中海结构模式。虽然受到西方化饮食的影响, 中国人的饮食结构有所变化, 但传统东方膳食结构特点还是占据主流。东方膳食结构是以植物性食物为主, 动物性食物为辅, 食品多为粗加工为特点。其主要优点是大量的谷类、蔬菜、粗粮、豆类食品的摄入, 提供了丰富的膳食纤维、维生素和植物性优质蛋白;但也存在明显的缺点:一是奶及奶制品摄入少, 导致钙的获取严重不足;二是食盐摄入过高, 大大高过每人每天6g的国际推荐值;三是中国人烧开水的习惯导致水中钙镁因为水垢析出而明显减少。

2010年, 国家卫计委和中国疾病预防控制中心组织实施了全国31个省市自治区25万人群膳食营养与健康调查的重大项目。其结果显示, 我国居民膳食矿物质和微量元素摄取状况严重不平衡, 其中钠明显摄入过多, 锰、磷也普遍摄入过多, 而绝大多数人膳食钙摄取严重不足, 钾、镁、锌、铜、硒也低于推荐摄入量。其中钙、锌、铁的摄入量在2013年较2002年还略有减少^[25]。

而从饮水途径获得的钙镁状况如何呢?作者团队收集了全国45个自来水以及75种瓶装水的钙镁数据, 并对它们对人体的贡献率进行了分析。我们将膳食及饮水的数据一并总结在表1中。

从表1可见, 中国人目前从膳食途径获取的钙仅有RNIs (适宜摄取量) 的45.5%, 处于严重摄取不足的状态。而我国居民的饮水中, 45种自来水的贡献率中位数为7.3%, 某些自来水可以贡献23%;75种瓶装水的贡献率中位数为9.7%, 某些瓶装水可以贡献106.5%。提示饮水对于膳食钙具有积极的补充作用。对于镁, 膳食途径获取的镁为RNIs的85.9%, 也是处于边缘性缺乏状态。而45种自来水的贡献率中位数为4.7%, 某些自来水可以贡献20.6%;75种瓶装水的贡献率中位数为5.7%, 某些瓶装水可以贡献3 050%。提示饮水对于膳食镁的补充也非常有利。

相比较而言, 钙摄入严重不足是中国居民膳食面临的最为严重的问题。因此, 保证饮水中具有足量的有益矿物质, 特别是足量的钙, 对于中国居民的健康具有十分重要的意义。

由于WHO的资料大多来源于欧美等膳食结构明显不同于我国的国家和地区, 因而虽然WHO在既往文件中提出过钙、镁、总硬度、TDS推荐值, 但在《饮用水水质准则》 (第4版) 中, 仍然没有正式设立它们的基准值。尽管如此, 膳食结构与我国接近的日本, 已经在他们的水质条例中将总硬度和TDS的适宜水平作为管理目标, 这个举措无疑对我国具有重要借鉴意义。南非、瑞典、斯洛伐克、捷克等欧洲国家也有相应的要求。而实际上, 我军早在1992年就基于海、陆、空三军时常采用淡化水 (蒸馏水) 、冰雪水、雨水作为饮用水的情况, 制定了《低矿化度饮用水矿化卫生标准》 (GJBl 335-92) 并实施至今。我们一并将它们总结在表2。

由表2可见, 从维护健康的角度, 国内外对镁的要求, 多以不低于10mg/L为下限值, 20~30mg/L为适宜水平, 50mg/L为最高水平;对钙的要求, 多以不低于20mg/L为下限值, 40~80mg/L为适宜水平, 80 mg/L为最高水平。对硬度, 下限水平10~100mg/L不等, 上限水平100~450mg/L不等;对TDS, 下限水平30~200 mg/L不等, 上限水平200~1 000mg/L不等。

基于上述系统分析, 我们提出以下钙、镁以及与钙镁相关的硬度和TDS的最低可接受水平 (LAL) 、适宜水平 (OL) 和上限水平 (MAL) 的建议值, 同时也对其他重要水质指标的建议水平提出初步意见 (见表3) , 以供业内讨论。

最后需要强调的是, 饮水安全是在健康之前需要考虑的问题, 因此, 无论何种水质, 满足国家《生活饮用水卫生标准》是其最基本要求。对于因为污染而出现的微量有机物和有毒重金属, 都应该尽可能地降到最低水平, 对于致病微生物, 则应作为首要目标予以控制和消除。此外, 饮用水中矿物离子除了钙镁以外, 还有其他离子如氟、碳酸氢盐、偏硅酸、锶、钒等, 它们对机体具有独特的健康维护和促进作用, 建议在条件成熟时也逐步提出它们的LAL、OL、MAL值。