饮用水与健康密切相关。桶(瓶)装水中的主导种类纯净水是对自来水进行多级净化处理后得到矿物质含量极低的水,人工矿物质水则是在纯净水的基础上添加少量无机盐用于改善口感而形成,本质上仍然属于纯净水。新型饮用水的出现丰富了饮水类型,但同时也带来了新的卫生学问题,长期饮用对健康的影响值得关注。本研究团队前期研究发现,长期饮用低矿物质饮水可以导致大鼠、新西兰兔以及青年男性人群血清镁离子水平降低,心血管疾病发生风险增加,以及骨骼健康的受损[1-3]。Shlezinger等[4]的研究显示,长期饮用不含矿物质的脱盐海水,可以增加急性心肌梗死患者的全因死亡风险,镁摄入不足可能是其重要原因。Nriagu等[5]的综述也指出,长期饮用脱盐海水的海湾国家近年来电解质紊乱和消化道肿瘤患者在快速增长。这些都提示低矿物质饮水可能会对机体矿物质和电解质水平产生干扰,从而增加某些疾病的发生风险。本研究采用雄性新西兰白兔,选择国内市场消费广泛但矿物质水平有明显降低的3种饮水,以矿物质含量丰富的自来水为对照,比较长期饮用这4种水后血清矿物质水平以及机体酸碱状态的改变,为客观评估低矿物质饮水的健康效应提供实验依据。
1 材料与方法 1.1 实验用水自来水(A)为重庆市管网末梢水,3种低矿水(B、C、D)均为在国内市场占有显著份额的品牌瓶装饮用水,其中C水为人工矿物质水(在纯净水中人工添加少量食品级硫酸镁和氯化钾而成的人工矿物质水),D为纯净水。3种低矿水均经TDS测定确认其矿物质水平明显低于自来水后用于本研究。分析水质代表性指标,包括:pH值、TDS、总硬度、耗氧量、硫酸盐、氯化物、磷、钠、钾、钙、镁等,全部水种均按照《生活饮用水标准检验方法》(GB/5750-2006)[6]检测合格后用于新西兰兔的饮水干预实验。水质代表性检测指标包括:pH值、TDS、总硬度、耗氧量、硫酸盐、氯化物、磷、钠、钾、钙、镁等。
1.2 实验动物及饲养选取48只来自第三军医大学大坪医院实验动物中心2.5~3.0月龄的健康雄性新西兰大耳兔,体质量均在2.19~2.22 kg,单笼饲养于该动物中心清洁级动物实验室。使用兔用全价颗粒饲料[7]进行喂养,经检测,该饲料钠、钾、钙、镁含量分别为0.20%、0.83%、0.78%和0.23%, 生产许可证号:SCX(军)2007-018。实验用兔在适应性饲养3周后根据体质量按随机数字法分为4组,每组12只,分别饮用上述4种饮水,观察时间为12个月。除饮水外,组间其他条件均一致。每日早上定时更换饮水及添加饲料。
1.3 血液检测指标观察时间结束后,取兔耳静脉血采用以电极法为原理的全自动生化分析仪(UniCel DxC800,美国)检测血清中钠、钾、钙、镁含量,同时取其动脉血用血气分析测试片(i-STAT G3,美国)于便携式血气分析仪(ORION-Ⅱ,荷兰)上检测血中酸碱度(pH)、二氧化碳总量(TCO2)、实际碳酸氢盐(actual bicarbonate,AB-HCO3-)、剩余碱(BE)、二氧化碳分压[p(CO2)]、氧分压[p(O2)]、氧饱和度(SO2)。
1.4 统计学分析数据录入采用Excel 2003软件,统计分析采用SPSS 13.0软件。兔血清钠、钾、钙、镁含量及pH、TCO2、AB-HCO3-、BE、p(CO2)、p(O2)、SO2值为计量资料,经检验,均服从正态分布,数据用x±s表示,采用单因素方差分析比较不同组间差异,检验水准α=0.05。
2 结果 2.1 4种饮用水水质指标情况4种水的代表性指标均符合我国GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》[8]以及GB19298-2014《食品安全国家标准包装饮用水》[9]标准。pH值提示,A和B水质相对偏碱。全部指标中,除钾离子以外,其他指标均为A水含量最高(表 1)。
水种 | pH值 | TDS (mg/L) | 总硬度 (mg/L) | 耗氧量 (mg/L) | 硫酸盐 (mg/L) | 氯化物 (mg/L) | 磷 (mg/L) | 钠 (mg/L) | 钾 (mg/L) | 钙 (mg/L) | 镁 (mg/L) |
A | 7.57 | 229 | 200.3 | 1.0 | 48.2 | 16.0 | 0.28 | 12.4 | 2.5 | 52.9 | 12.7 |
B | 7.55 | 87.2 | 69.6 | 0.6 | 7.8 | 5.0 | 0.09 | 9.0 | 3.8 | 10.6 | 9.4 |
C | 6.80 | 10.9 | 2.3 | 0.6 | 3.8 | 5.0 | 0.06 | 0.1 | 3.4 | 0.02 | 0.4 |
D | 6.80 | 1.2 | 0.8 | 0.5 | 4.4 | 2.0 | 0.05 | 0.1 | <0.5 | 0.04 | 0.02 |
2.2 4组兔血清钠、钾、钙、镁含量情况
在饮水干预1个月后,4组兔的4种元素水平组间差异均无统计学意义。但饮水干预12个月后,饮用3种低矿水的兔血钾均有高于自来水组的趋势,其中,C组与A组相比差异有统计学意义(P<0.05);血清钠、钙、镁含量虽然总体略有升高,但4组间差异均无统计学意义(表 2)。
组别 | n | 钠 | 钾 | 钙 | 镁 | ||||
干预1个月后 | 干预12个月后 | 干预1个月后 | 干预12个月后 | 干预1个月后 | 干预12个月后 | 干预1个月后 | 干预12个月后 | ||
A组 | 12 | 139.56±3.11 | 145.03±2.20a | 5.10±0.54 | 4.79±0.59 | 3.57±0.21 | 3.57±0.31 | 1.15±0.13 | 1.31±0.19a |
B组 | 11 | 142.79±3.69 | 145.43±4.16 | 5.07±0.36 | 5.12±0.80 | 3.55±0.16 | 3.80±0.45 | 1.17±0.20 | 1.37±0.26 |
C组 | 12 | 138.39±5.66 | 144.71±4.23a | 5.04±0.26 | 5.62±0.70ab | 3.50±0.19 | 3.78±0.30a | 1.15±0.08 | 1.45±0.20a |
D组 | 11 | 137.80±4.50 | 146.35±3.24a | 5.20±0.45 | 5.24±0.57 | 3.62±0.13 | 3.89±0.33a | 1.20±0.17 | 1.48±0.17a |
F值 | 2.17 | 0.40 | 0.20 | 2.60 | 0.60 | 1.50 | 0.19 | 1.33 | |
P值 | 0.11 | 0.75 | 0.89 | 0.01 | 0.62 | 0.23 | 0.90 | 0.28 | |
a:P<0.05,与同组干预1个月后比较;b:P<0.05,与A组比较 |
2.3 4组兔血气及酸碱平衡指标的比较
饮水干预12个月后,C组和B组的pH值比A组降低。对于反映代谢性酸碱平衡的指标TCO2、AB-HCO3-和BE,饮用低矿水组均低于自来水组,其中C组和B组的降低差异具有统计学意义(P<0.05),而呼吸性酸碱平衡指标p(CO2)、p(O2)和SO2均未出现组间差异,提示3种低矿水导致的兔血液pH值下降是由于代谢性因素引起的(表 3)。
组别 | n | pH值 | TCO2 (mmol/L) | AB-HCO3- (mmol/L) | BE (mmol/L) | p(CO2) (mmHg) | p(O2) (mmHg) | SO2 (%) |
A组 | 12 | 7.41±0.08 | 20.08±5.65 | 19.24±5.40 | -5.25±6.66 | 29.17±4.68 | 82.42±14.44 | 95.42±4.91 |
B组 | 11 | 7.35±0.08a | 15.91±4.30a | 15.09±4.17a | -10.45±5.48a | 26.56±4.00 | 86.82±10.01 | 95.82±2.14 |
C组 | 12 | 7.34±0.07a | 15.00±3.64a | 14.18±3.53 a | -11.58±4.70a | 25.53±2.78 | 93.00±5.62 | 96.92±0.67 |
D组 | 11 | 7.42±0.06 | 18.55±4.20 | 17.79±4.03 | -7.70±4.57 | 27.05±3.38 | 90.55±14.35 | 97.18±1.25 |
P值 | 0.026 | 0.034 | 0.025 | 0.033 | 0.130 | 0.150 | 0.38 | |
F值 | 3.42 | 3.17 | 3.43 | 3.21 | 1.96 | 1.86 | 1.06 | |
a:P<0.05,与A组比较 |
3 讨论
随着社会经济的发展, 市面上出现了各种各样的新型饮用水,在丰富了饮水类型的同时,也带来了新的卫生学问题。饮水与健康息息相关,长期饮水对健康的影响也成为值得关注的问题。但是,国内外有关各种饮水对机体电解质水平及酸碱平衡影响的比较研究鲜见报道。因此,本研究选取4种矿物质水平显著不同的饮水,对新西兰兔进行了长达1年的饮水干预实验,对干预后的兔血清矿物含量以及机体酸碱状态变化进行了比较。
本研究结果显示:与A组相比,B、C、D组血钾均有升高趋势,其中C组的增高差异有统计学意义(P<0.05),且高于文献报道同种动物的正常水平。饮用C水(人工添加氯化钾和硫酸镁的矿物质水)可以导致新西兰兔血清钾水平从干预第1个月后的5.04 mmol/L增加到干预12个月后的5.62 mmol/L,而且超过文献报道的健康新西兰兔正常范围水平(2.7~5.1 mmol/L)[10-12]。但其余3组的血钾增加幅度差异没有统计学意义。提示对低矿水人工添加钾盐应十分谨慎。
本研究还发现:与饮用A组水(自来水)相比较,饮用C水(低矿水2) 和B水(低矿水1) 会使兔动脉血pH值出现下降(P<0.05),接近文献报道同种动物正常水平下限。3个低矿水组(B、C、D)的代谢性酸碱平衡指标TCO2、AB-HCO3-和BE都出现降低趋势,其中C组和B组的降低差异具有统计学意义(P<0.05、P<0.01),且低于文献报道的同种动物正常范围下限,而C组(人工矿物质水)水平最低。pH值是血液酸碱状态的综合指标,但它不能指示酸碱改变是源于机体的代谢因素还是呼吸因素。我们进一步观察到4组动物的代谢性酸碱平衡指标出现组间统计学差异,而呼吸性酸碱平衡指标组间差异均无统计学意义,说明饮水引起的pH变化是源于机体的代谢改变。临床上人类代谢性酸中毒是最常见的酸碱平衡紊乱,以原发性HCO3-降低(<21 mmol/L)和pH值降低(<7.35) 为特征。虽然目前无新西兰兔代谢性酸中毒的判断标准,但本研究所观察到的低矿物质饮水可致新西兰兔血液酸性增强的趋势仍然值得关注。
食物是获取矿物质的主要途径,而饮水具有重要的补充作用[13-14]。本实验中,所有的受试动物均喂养国家标准的兔用全价颗粒饲料,经检测各项主要离子含量符合生产标准,可以认为从食物中获得的离子稳定而充足。在此基础上对动物进行饮水干预,其效应的变化值可以在一定程度上反映饮水对动物体内矿物含量产生的影响。
钾在保持机体的正常渗透压、酸碱平衡、参与糖及蛋白代谢、保证神经肌肉的正常功能等方面具有重要作用,但血钾过高也对机体不利,有可能对心脏造成严重损害[15]。摄入或输入含钾物质过多、病理性肾功能障碍是高钾血症的常见原因。外源性钾摄入过多时,血钾离子升高,细胞外钾离子进入细胞内,细胞内的H+移至细胞外,可以使代谢性酸性物质相对增加[16]。本研究观察到血钾升高以及代谢性酸增加的趋势都是在饮用人工矿物质水的动物中最为明显,而人工矿物质水由于人为添加了用于改善口感的氯化钾和硫酸镁,水中的钾水平相对较高,水中钠钾比例呈倒置状态(钾离子浓度是钠离子浓度的34倍)。这种异常的钠钾倒置可能导致机体从饮水中获得较高的钾摄取量,继而导致血钾升高,并引发代谢性酸增加。
本实验所用动物饲料为含钾丰富的兔标准饲料。由于食物中的钾在肠道的吸收率非常高,可达90%以上[17],因此,食物钾是实验动物血钾的主要来源。其他3组动物由于其饮水中钠钾比例倒置现象不明显,饮水中的钾并未对血钾造成影响,因此其血钾水平仍然受食物钾的影响,保持在基本一致水平。
综上所述,本研究结果提示长期饮用低矿物质水可能会增加血钾水平,降低血液酸碱度。在低矿物质水基础上即使添加少量氯化钾都有使血钾异常升高的风险。反之亦提示,饮用含有丰富天然矿物质的饮水,对机体的酸碱缓冲较为有利。
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