长寿之乡如皋饮用水水质研究揭秘

近日,中地水石彭浩博士团队在国际重要学术期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表论文“Elements in potable groundwater in Rugao longevity area, China: Hydrogeochemical characteristics, enrichment patterns and health assessments”对饮用水水质与长寿的关系进行了介绍。

长寿是环境、医疗保健、生活方式、遗传和心理因素共同作用的结果。健康的自然环境、良好的社会经济条件和基因是长寿的关键,针对我国长寿区的一些研究发现,长寿老人往往不太依赖当地的经济发展水平,而是依赖更好的自然环境,这些自然环境主要包括空气质量、水质和土壤。这些因素中,饮用水水质至关重要,因为与食物相比,饮用水中对人体有益和有害的化学物质都更容易被吸收。一方面,饮用水提供了人体必须的宏量和微量元素,维持人体的元素平衡;另一方面,几乎所有已知的生物地球化学疾病和地方病都与饮用水水质有关。江苏省如皋市是著名的长寿地区之一,该区域长寿老人流动性小,具有空间聚集特征。研究如皋市长寿现象与饮用地下水的关系,有助于深入了解长寿聚集区的成因。此外,百岁人群的发病率相对较低,百岁老人可能是人类无病老化的模型。因此,研究长寿聚集区饮用水化学特征,可为饮用水营养的研究提供参考。

本研究通过对研究区饮用地下水进行采样,分析了饮用地下水特征和水质成因,采用WQI和HI指数对饮用水质量和健康风险进行了评估,并分析了水质指标和长寿指标空间分布的关系。结果显示:(1)如皋市浅层地下水主要是受硅酸盐岩等溶解控制形成的Ca/Mg—HCO3型水,Na、Cl-、Br、B等具有海水入侵的成因,NO3-和As异常指示人类活动也对水质产生了重要影响;(2)研究区饮用地下水WQI值平均值为30.19,总体来说水质较好。较高含量的As导致研究区共有8个水样HI值大于1。长寿人群分布集中的区域WQI和HI值较低,As和Mn的含量也较低。因此,As和Mn可能对健康长寿产生了负面的影响;(3)与邻近的非长寿区相比,如皋市饮用地下水具有高Ca、高Mg和高SO42-的特点,通过饮用水渠道可以分别满足研究区人群平均12.4%和22.4%的每日钙和镁的需求。同时,研究区水样中微量元素Sr和B含量较高的区域,长寿也较为集中。综上,可以推断地下水较低的WQI和HI值以及较高含量的Ca、Mg、SO42-、Sr和B等可能有助于健康长寿。也就是,水的安全性和营养性共同作用影响人体的健康长寿。然而在当前的饮用水质量评价中,往往忽视了饮用水矿物质营养。因此,结合饮用水营养指标和WQI、HI从安全性和营养性综合评价饮用水质量具有重要意义。

代表性结果和讨论

1、研究区长寿人口空间分布

目前,对于长寿聚集区的界定没有公认的长寿指标。本研究采用OC(百岁老人比例)、80+(80岁以上人口占总人口的比例)、90+(90岁以上人口占总人口的比例)和100+/80+综合反应研究区的长寿情况。其中,OC和90+可以反应极端寿命老龄人口比例,80+可以反应未来长寿人口的潜势,而100+/80+可以降低年龄结构对极端长寿人口评价的影响。据如皋市2018年人口统计资料,全市142.5万人口中,百岁老人有440人,平均每十万人中有30.9位百岁老人,远大于我国每十万人中2.7位百岁老人的平均数3。百岁老人比例最高的为白蒲镇,OC值为44.68,其次为东城镇和九华镇。OC值最低的是丁堰镇,为15.12,其次为吴窑镇、石庄镇、江安镇和城南街道。80+比例和90+比例与百岁老人比例分布具有差异,80+比例最高为白蒲镇、东城镇,最低为如城镇和江安镇,90+比例最高为白蒲镇、东城镇和九华镇,最低为如城街道和磨头镇。100+/80+比例最高为白蒲镇、九华镇和东陈镇,最低为丁堰镇、吴窑镇和城南街道。虽然不同指标的分布存在一定的差异,总体来说,长寿人口主要集中在东北部的东陈镇,东部的白蒲镇以及东南部的九华镇,自东向西、自北向南逐渐递减呈弯弓形的分布特征,分带现象明显(图1)。

图1如皋市长寿指标空间分布图

2、研究区饮用地下水水化学特征

在研究区采集地下水水样23个,水样采自家用管井,井深不超过10米,在取样前采用泵抽取5~10分钟的方法对井进行清洗,采样点分布如图2。如皋市饮用地下水的pH值为6.90—7.50,平均为7.15,大部分水样呈弱碱性,TDS在521.0mg/L至1521.5mg/L之间,65.22%的水样属于淡水(TDS<1000mg/L)。水样主要阳离子的相对丰度Ca>Na>Mg>K,阴离子的相对丰度为HCO3-> SO42->Cl->NO3-。总硬度(以CaCO3计)在180.1-895.2mg/L之间,平均值为516.0mg/L,除2个水样外均属于硬水和极硬水。由Piper plot图可以发现,如皋市饮用地下水主要水化学类型是Ca/Mg—HCO3型,占比为91.3%。

如皋市饮用地下水样中Cd、Hg、Ag未检出,在检出的20种微量元素中,Sr含量最高,含量为0.1814-0.9882mg/L,平均值为0.5544mg/L,其次为Br-、F-和B,平均值分别为0.2489 mg/L、0.2362 mg/L和0.1695 mg/L。在被检出的微量元素中,Ni、Sb、Pb、Mo、Co、Be和Se的含量均较低,平均值均小于0.0010mg/L。

图2研究区取样点分布及水文地质剖面图

3、研究区饮用地下水水质评价与长寿

WQI的应用可以更全面的了解研究区饮用地下水水质,研究区23个地下水的WQI值范围为16.29-50.48,平均值为30.19。其中水样编号23的石庄镇水样的WQI超过50,水质类型为好,其余22个水样类别为极好。其中,8号、13号、15号、16号和23号水样的As的WQI值较高,12号、13号、20号和24号水样的Mn的WQI值较高,23号水样的As、Mn和NO3-的WQI值均较高,因此水质综合评价的WQI值较高。由图3可以发现,WQI值较高的区域主要分布在如皋市的西北部、中部和西南部,而WQI值较低的区域主要分布在西部以及东北部、东部和东南部,除搬经镇外,WQI值较低的区域呈弯弓状聚集分布。

研究区水样的HI值,对于儿童和成人,均有8个水样HI值大于1,表明这些水样对人体健康有潜在的不利影响。同时,儿童的HI值大于成人,表明相对于成人,儿童具有更高的健康风险。由图4可以发现,高含量的As是HI值较高的主要原因,HI较高的水样主要分布在研究区的西北和西南部。

图3研究区水样WQI值柱状图及空间分布图

图4研究区水样HI值柱状图及空间分布图

总体来说,研究区WQI值较低,而HI值较高。通过对比图1中长寿人群分布与WQI(图3)和HI(图4)分布图可以发现,长寿人群的分布和WQI以及HI的分布具有一定的相似性,长寿人群指数较高的Baipu、Jiuhua和Changjiang镇,其WQI和HI值也较低。进一步的,将研究区地下水WQI和儿童HI平均值与其他已报到地下水WQI和HI值的中国非长寿聚集区域进行对比,可以发现,非长寿聚集区地下水WQI和儿童HI平均值的范围分别为42—77和1.47—60.6,远大于如皋长寿区地下水WQI和儿童HI平均值30.19和1.00。因此,长寿聚集区地下水具有低WQI和HI的特点。

研究区较高的WQI值的水样主要是由于高As和高Mn,而HI值主要由于高As。研究区As含量高富集的西北和西南部以及Mn高富集的中部其长寿指数较低,而长寿分布较高的东部As和Mn含量也较低。因此,As和Mn可能对健康长寿产生了负面的影响。由HI数值可以发现As是研究区饮用主要的健康风险,长期接触As可引起潜在的致癌作用和高血压、皮肤病变、糖尿病、神经病变等,将会对健康长寿产生负面的影响。研究区As含量最高为0.0407mg/L,是中国生活饮用水卫生标准上限值的4.07倍,因此,高砷饮用水所带来的健康风险需要引起关注。不同于As,饮用水中的锰是人体健康必须的微量元素,对免疫功能、细胞能量和血糖的调节、脂质和碳水化合物的代谢、骨骼软骨的发育和大脑功能都有重要意义。其中,锰超氧化物歧化酶是线粒体基质酶,作为细胞内氧自由基的清除剂,在抗衰老方面具有重要作用。但是,长时间接触高浓度的Mn具有神经毒性。

WQI和HI从水质安全的方面综合反应了研究区地下水质量,研究区长寿指标较高的区域WQI和HI值均较低,也就是地下水安全性更高,但是WQI和HI值较低的Banjing镇长寿指数也较低,因此,地下水WQI和HI较低是长寿聚集区的充分不必要条件。主要原因有以下两点:1、长寿是环境、医疗、遗传等诸多因素共同作用的结果。因此,单一安全性较高的水质,并不能产生长寿聚集现象。2、饮用水中的Ca、Mg、K、Na等宏量元素以及Zn、Fe、Cu、Mn、I、Mo、Co、Se等微量元素在维持人体健康起着重要作用,而WQI和HI并不能反应水中营养元素对人体健康的影响。

4、研究区饮用地下水中成分与长寿

为了对比分析如皋市与非长寿聚集区地下水营养性指标的差异,引入如皋邻近的启东市、苏州市和苏锡常地区的饮用地下水宏量组分和主要微量元素数据对比发现,如皋市饮用地下水中Ca、Mg、SO42-均大于非长寿区。Ca和Mg与人体健康关系密切,钙在骨骼矿化中起着关键作用,是正常生长、发育和骨骼强度所必需的。镁对于预防动脉粥样硬化和不适当的凝血、维持血管张力、电解质平衡以及其他对心血管功能和健康至关重要的细胞、生化和生理过程至关重要。如皋市饮用水地下水Ca的范围为22.46~277.49mg/L,平均值123.57mg/L,Mg的范围为23.95~86.20mg/L,平均值50.33mg/L,按照每天2L饮水量,如皋市饮用水渠道的Mg摄入量为47.9~172.4mg/day之间,按照450mg每日推荐摄入量,如皋市饮用水Mg可以满足10.6%-38.3%的每日总需求,平均值为22.4%,如皋市饮用水的Ca摄入量为44.92—554.98mg/day之间,按照1000mg每日推荐摄入量,如皋市饮用水Ca可以满足4.5%-55.5%的每日总需求,平均值为12.4%,这对于钙镁摄入不足的老年人非常重要。由于饮用地下水中较高的钙镁含量,因此如皋市地下水总硬度为179.62~894.47 mg/L之间,平均值为515.27mg/L,65.2%的水样总硬度超过了中国饮用水卫生标准。总硬度与健康的研究较多,水质硬度对心血管疾病有一定的预防作用已经得到普遍认可。例如,Pocock等人在英国对253个城市35~74岁的人群进行研究发现,硬度25mg/L左右的软水地区心血管疾病死亡率比硬度170mg/L左右的地区要高10~15%,而心脑血管疾病是影响老年人健康的主要疾病。SO42-与人体健康的关系很少引起关注,饮用水SO42-的标准制定主要是考虑高浓度SO42-的会影响口感。然后有研究表明,SO42-可以降低摄入重金属有关的健康风险,因此,研究区高浓度的SO42-可能会降低高As产生的健康风险。

由于如皋市临近区域饮用地下水中Sr、B等微量元素的数据匮乏,我们很难直观的了解如皋市饮用地下水中Sr、B等与非长寿区的差异。但是,对比全国饮用水中Sr的数据可以发现,如皋市饮用水中Sr含量处于较高的水平,如皋市地下水Sr的范围为0.1814~0.9882mg/L,平均值为0.5544,高于全国饮用水的平均值0.3604 mg/L。前人的研究成果发现,饮用水中的锶与长寿存在着正相关关系。从长寿老人及百岁老人身体中微量元素的量上面可以看出,普通老人头发中锶的含量在0.16~2.4ug/g,Yonghua Li等人测得夏邑、钟祥和麻阳长寿村百岁老人发锶含量的平均值为4.84 ug/g,明显高于普通老人头发中锶含量。如皋市地下水B的范围为0.0285—0.5438mg/L,平均值为0.1695mg/L。最近的研究表明,硼在骨骼发育、抗氧化防御系统、矿物质和激素代谢、创伤修复、能量代谢等方面对人体健康有积极的影响。由图5可以发现,Sr含量较高的区域为研究区的南部和东部,B含量较高的区域为研究区的东北部和东部,这些区域都是研究区长寿集中的区域,因此,饮用地下水中较高含量的Sr、B等微量元素可能会对长寿产生积极的影响。

图5研究区水样中As、Mn、Sr、B空间分布图