中国城市公共饮用水中微量元素含量与人体健康关系研究

    饮用水中微量元素对人体健康的影响具有二重性，一方面微量元素在维持人体新陈代谢中发挥着重要作用，另一方面微量元素含量过高具有健康风险。为了揭示中国公共饮用水中微量元素对人体健康的影响，中地水石彭浩博士团队在环境管理领域国际重要学术期刊《Journal of Environmental Management》上发表论文“Trace elements in public drinking water in Chinese cities: Insights from their health risks and mineral nutrition assessments” ，通过对314个中国城市公共饮用水进行取样来分析公共饮用水中微量元素水平和空间分布，并创造性提出微量元素营养分数评价指标，在此基础上，采用非致癌健康风险和微量元素营养分数评价从安全和营养角度对饮用水中的微量元素的进行系统性评价。

结果表明：（1）中国城市公共饮用水中微量元素含量最高的为Sr和F，平均值分别为0.3604mg/L和0.2351mg/L。（2）不同地域HI的大小顺序为NWC>NC>QT>SC。SC、NC、NWC和QT的HI值大于1的水样占比分别为5.49%、16.82%、25.81%和16.67%，说明部分水样存在显著的非致癌健康风险。（3）通过饮用水渠道摄入的Mn、Fe、Cu和Rb对人体每日摄入量的贡献可以忽略不计，而通过饮用水渠道摄入的Sr、F、B、Li、Mo等微量元素对人体每日微量元素摄入量有重要贡献，对于饮用水中Zn含量较高的区域，饮用水是摄入Zn的重要途径。（4）通过饮用水渠道摄入的Sr、Li、V和B对人体每日摄入量的贡献的平均值为38.84%、9.25%—3.08%、15.00%—5.00%和7.53%。因此，饮用水是Sr摄入的重要渠道。Sr对于预防骨质疏松和龋齿具有重要作用，饮用水的Sr含量与骨密度呈显著的正相关关系。同时，饮用水渠道对Li、V和B的贡献也不可忽视。Li具有稳定情绪的作用，一些研究发现饮用水中Li含量高的地区自杀率往往较低。V的生理功能研究较少，但是一些研究发现缺V会导致心血管疾病。B有助于缓解关节炎、促进激素分泌和对抗炎症。（5）由于微量元素在空间分布极不均匀，导致不同地域人群微量元素摄入不均衡。例如SC、NC、NWC和QT区域成人通过饮用水渠道每日摄入的Sr的平均值分别为0.3478mg、1.0656mg、1.3062mg和0.8557mg，NWC区域成年人摄入Sr的平均值是SC区域的3.76倍。因此，对于微量元素含较低的区域，通过饮用水渠道摄入微量元素不足应当引起重视。（6）NC（除东北以外）和NWC区域微量元素营养分数（TENS）较高，平均值分别为8.0300和11.2082，而SC和NC区域的东北部TENS较低，平均值分别为3.3284和5.2106。本研究结果可为制定饮用水健康标准和饮用水水质改善提供参考。

代表性结果和讨论

1、中国城市公共饮用水中微量元素水平

中国城市公共饮用水中微量元素的含量差异很显著，其中F-、Sr、Zn、B、Ba、Cd、W、Cs、Pb和Co元素的CV值均大于15%。微量元素按平均值可分为四类。Sr和F的平均浓度>0.1mg/L，为含量最高的元素。Ba、Zn、B、Al、Li、Br-、Mn、Fe、Cu、Rb、Mo、As和Se的平均浓度在0.001—0.1mg/L范围内，属于中等含量元素。Ni、Cr、V和Sb的平均浓度在0.0001—0.001mg/L，为低丰度元素；Ag、Cd、Sn、W、Tl、Cs、Pb、Be、Ge和Co的平均浓度<0.0001mg/L，为极低丰度元素。总的来说，微量元素含量平均值具有如下顺序：Sr>F>Ba>Zn>B>Al>Li>Br>Mn>Fe>Cu>Rb>As>Se>Ni>Cr>V>Sb>其他。

与其他国家公共饮用水中微量元素含量的对比，中国公共饮用水中包括Cu、Ni、Fe、Zn在内的绝大部分微量元素含量低于其他国家.例如，Br-、Cr、Cd和Pb含量远低于意大利、伊朗和尼日尼亚，As含量与意大利接近而低于伊朗和尼日尼亚，Mn含量与伊朗和尼日尼亚接近而远低于意大利。Li和Mo含量略高于其他国家。

由图2可以发现，部分微量元素含量在不同区域具有显著的差异。例如，SC区域的Sr、Li和B的平均值（分别为0.1817mg/L、0.0063mg/L、0.0191mg/L）显著小于NC（分别为0.5365mg/L、0.0089mg/L、0.0504mg/L）、NWC（分别为0.6668mg/L、0.0268mg/L、0.0807mg/L）和QT（分别为0.4391mg/L、0.0129mg/L、0.0504mg/L），此外，Rb、Al和Sb的平均值显著大于NC、NWC和QT，这些微量元素含量在NC、NWC和QT无显著差异。SC和QT的F-含量（平均值分别为0.1674mg/L和0.1580mg/L）低于NC和NWC区域（平均值分别为0.3130mg/L和0.3442mg/L），Fe、Cu、As、Se、Cd、Sn、W、Pb、Be和Ge在各个区域的含量均无显著差异。

2、全国公共饮用水中微量元素空间分布

公共饮用水水源的不同地质背景、地形和气候因素的不同导致微量元素在不同区域分布存在差异。如图3（a）、（b）、（c）、（d）所示，Sr、F-、Ba和B具有相似的空间分布，NWC和NC（除东北以外）区域的水样这些元素含量普遍较高，浓度较低的水样主要分布在SC和NC的东北部。Sr、F-、Ba和B主要来源于基岩和土壤的溶蚀，NWC和NC多为半干旱或者干旱气候，降水与蒸发耦合直接影响地下水和地下水中微量元素的富集。Br-较高的水样主要分布在黄土高原、河套平原、华北平原、松嫩平原、内蒙古高原东部以及长江三角洲、珠江三角洲等区域（图3e），富含有机质的沉积盆地中沉积物中Br-的溶出和海水入侵是Br-富集的主要成因。As的含量在河套平原、黄土高原、松嫩平原、华北平原、江汉平原等区域较高(>0.001mg/L)（图3f）；As的来源与这些区域全新世沉积物有关。例如河套平原的含砷硫化物矿物和黑云母以及大同盆地石炭-二叠系含砷煤层风化导致盆地全新世沉积物具有较高的砷含量。另外，青藏高原高砷岩石和土壤为长江和黄河流域下游的银川平原和江汉平原等提供了砷的来源。Mn较高的区域主要分布在松嫩平原、河套平原、huhhot盆地、华北平原和云贵高原西部（图3g），山前地区富锰岩石风化并向低洼地区的迁移使这些区域的盆地和平原的沉积物富含锰。珠江流域含较高氧化性铁的土壤以及松嫩平原含较高还原性铁的土壤淋滤都导致这些区域地表水Fe含量较高（图3h），同时，这些区地表水较低的pH也有利于Fe的迁移。如图S1所示，Zn、Al、Li、Cu、Rb和Se的分布也存在显著的差异，例如，贵州高原、新疆自治区南部和黄土高原水样的Li含量较高；珠江流域水样中Rb含量显著高于黄河和长江流域。

Figure S1. The spatial distributions of the remaining trace elements in public drinking water in China: (a) Zn, (b) Al, (c) Li, (d) Cu, (e) Rb, (f) Se.

3、全国公共饮用水中微量元素超标情况

Efs为公共饮用水中微量元素的实测值与中国生活饮用水卫生标准上限值的比值，当Efs>1时说明超过生活饮用水卫生标准。由图S2可以发现，大部分的微量元素含量均低于生活饮用水标准限制值，尤其是Be、Ag、Cu和Cd的Efs值均小于0.1。NC区域出现超标现象的微量元素（超标水样数量）主要有Al（1）、Mn（3）、Ni（1）和F-（2），SC区域Sb和Zn各有1个水样超标，NWC和QT所有水样都满足标准。所有微量元素中Mn的超标率最高为0.96%，Efs最大值为1.33。总体来说，中国公共饮用水中微量元素含量较低，达到了国家饮用水卫生安全标准的要求。

Fig. S2. Enrichment patterns of trace elements in public drinking water in China, compared to those in standard for drinking water quality (GB5749-2006). Efs=elements of the studied water samples vs. those of the Chinese national standard for drinking water quality.

4、公共饮用水中微量元素健康风险评价

不同地域的HQoral,HQdermal和HI的统计结果如表S5。HQdermal的范围为0.0001—0.0693，这些数值表明，皮肤接触对人体健康没有不利影响，也不构成潜在的非致癌风险。HQoral的范围为0.0520—8.8804，部分水样的HQoral大于1，同时，HQoral高于HQdermal两个数量级，说明经口摄入的微量元素是主要的非致癌风险。不同地域HI的平均值顺序为：NWC>NC>QT>SC。SC、NC、NWC和QT的HI值大于1的水样分别有9、18、8和2个，占比分别为5.49%、16.82%、25.81%和16.67%。

图5为所有微量元素总的HI空间分布图可以发现，总体来说，HI在NWC，QT和NC（除东北以外）较高，NC的东北区域和SC较低。其中，准格尔盆地、内蒙古高原、河套平原、松嫩平原、黄土高原、华北平原、贵州高原和江汉平原的HI值显著高于其他区域。

5、公共饮用水中微量元素的营养性评价

图6显示了不同地域儿童和成年人通过饮用水渠道摄入的Cr、Mn、Fe等几种微量元素占每日推荐摄入量的比重，在全国水平上，占每日推荐摄入量的比重最高的是F，对于儿童和成年人平均值分别为29.79%和11.4%，其次为Mo，对于儿童和成年人平均值分别为8.10%和6.07%。因此，饮用水渠道是人体摄入F和Mo的重要渠道。氟含量0.8—1.2mg/L的饮用水有助于预防龋齿，而满足这个范围的水样仅占1.27%，因此公共饮用水F-含量较低应该引起人们的重视。Mo参与了很多重要的酶的合成，Mo缺乏与尿酸代谢紊乱和食道癌有关。儿童和成年人通过饮用水渠道摄入Se和Cr占每日推荐摄入量的比重的平均值在3.32%—3.98%之间。Cr参与了细胞中葡萄糖的摄取，因此在维持血浆葡萄糖水平中发挥着重要作用。Se是人体一些重要的抗氧化剂和氨基酸的组成部分，Se已被证实具有抗癌的效果，全球有5—10亿人硒摄入不足，缺硒容易诱发一些地方性疾病，对比图S1（f）和Liu,HL等人绘制的缺硒地方性疾病分布图可以发现，克山病发病率较高的黑龙江省至黄土高原，进一步至云贵高原的沿线地区也是公共饮用水中Se含量较低的区域。通过饮用水渠道摄入的Mn、Fe、Cu和Zn占每日推荐摄入量的比重的平均值不到1%，因此通过饮用水渠道不是摄入Mn、Fe、Cu和Zn的主要渠道，但是值得注意的是，儿童通过饮用水摄入Zn占每日推荐摄入量的最大值达到了3.54%，因此，对于饮用水中Zn含量较高的区域，饮用水是摄入Zn的重要途径。由图6所示，不同地域通过饮用水渠道摄入的微量元素对每日摄入量的贡献存在差异，其中，NC和NWC区域的占比较高，而SC和QT占比较低。同时，饮用水中微量元素对儿童每日摄入量的贡献大于成人，说明相比成年人，饮用水渠道摄入微量元素对于儿童显得更重要。

Sr、Li、V、Rb和B也是维持人体代谢平衡可能必需的微量元素，成人和儿童通过饮用水渠道每日摄入量见表S7。在全国水平上，儿童（成人）通过饮用水渠道每日摄入的Sr、B、Rb、Li和V的平均值分别为0.4762（0.7380）mg、0.0116（0.0185）mg、0.0006（0.0009）mg、0.0021（0.0032）mg和0.0487（0.0753）mg。由于当前还未制定这些微量元素的每日推荐摄入量，使用人体每日最低需求量（或实际摄入量）（表S1）来代替EAR来得到成年人通过饮用水渠道摄入的Sr、Li、V、Rb和B的贡献的平均值为38.84%、9.25%—3.08%、15.00%—5.00%、0.32%—0.06%和7.53%。因此，饮用水是Sr摄入的重要渠道。Sr对于预防骨质疏松和龋齿具有重要作用，饮用水的Sr含量与骨密度呈显著的正相关关系。同时，饮用水渠道对Li、V和B的贡献也不可忽视，而饮用水渠道对于Rb的摄入可以忽略。Li具有稳定情绪的作用，一些研究发现饮用水中Li含量高的地区自杀率往往较低。V的生理功能研究较少，但是一些研究发现缺V会导致心血管疾病。B有助于缓解关节炎、促进激素分泌和对抗炎症。由图3和图S1可以发现，这些微量元素在空间分布极不均匀，导致不同地域人群微量元素摄入不均衡。例如SC、NC、NWC和QT区域成人通过饮用水渠道每日摄入的Sr的平均值分别为0.3478mg、1.0656mg、1.3062mg和0.8557mg，NWC区域成年人摄入Sr的平均值是SC区域的3.76倍。因此，对于微量元素含较低的区域，通过饮用水渠道摄入微量元素不足应当引起重视。

综上，饮用水是摄入F、Sr、Mo、Li、V、B、Se和Cr的重要渠道，特别是对于F和Sr的摄入尤为重要。对于饮用水Zn含量较高的区域，饮用水对儿童Zn的摄入也不能忽视。而饮用水对于Fe、Mn、Cu和Rb的摄入可以忽略。

表S8显示了不同地域饮用水中微量元素营养得分，总的来说得分的高低遵循NWC>NC>QT>SC。NSTE值可以综合反应饮用水中微量元素的营养属性，虽然无法给出不同水样微量元素营养评价的优良差的分级，但是可以综合反应一个区域饮用水微量元素营养的相对高低。由图7可以发现，NSTE较高的区域主要分布在NWC和NC区域(黄土高原、河套平原、华北平原和新疆的西部)，这些区域饮用水对人体每日微量元素的摄入量贡献较高，饮用水渠道是补充微量元素的不可忽视的重要渠道。通过和图5对比，这些NSTE较高的区域HI也较高，因此，这些区域的水质管控应该重点关注水质的安全性，确保饮用水中的微量元素含量处于适宜的范围。SC（除贵州高原以外）和NC的东北部的NSTE较低，饮用水渠道对人体每日微量元素摄入的贡献较低，和图5对比，这些区域的HI也较低。长期饮用NSTE较低的水将导致人们很难获得足够的微量元素以维持体内代谢平衡，因此，应当重点关注这些区域人群微量元素的营养均衡。饮用水渠道是补充微量元素的最廉价、覆盖率最广的方式，针对饮用水微量元素含量较低的区域应当提高微量元素含量，Rosborg等人提出，应当对微量元素含量较低的饮用水进行再矿化处理。

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