水中的钙、镁等矿物元素主要以离子形式存在而容易被机体吸收,饮水是机体补充矿物质的一条重要途径。研究表明,不同矿物质含量的水的肾脏酸负荷值(potential renal acid load,PRAL)不同,会影响人体的酸碱状态,进而影响骨骼的健康。本课题组前期研究亦显示,饮用水矿物质含量下降可能带来骨骼发育不良等健康风险。近年来关于新型饮水(纯净水、矿泉水等)与骨骼健康的比较研究开始增多,但对儿童及青少年时期关注较少。对骨质疏松症的研究已明确其发病与儿童及青少年时期骨骼生长有直接的关系,从此阶段预防骨质疏松(一级预防)已受到高度重视。目前青少年饮食偏向西方化(高蛋白高能量,低蔬菜水果摄入),长期会引起体内酸碱状态失衡,导致慢性代谢性酸中毒。为探讨饮水中天然矿物质与儿童及青少年时期酸碱状态及骨骼发育的关系,本课题展开以下研究:第一部分,收集国内市售的瓶装天然矿泉水,并收集主要矿物质含量信息,评估对居民各年龄阶段尤其是儿童及青少年的钙、镁参考摄入量(dietary reference intakes,DRIs)的贡献率;第二部分,选择矿物质含量及PRAL值明显不同的五种饮水进行动物实验,观察对发育期大鼠酸碱状态及骨骼生长的影响;第三部分,对大鼠进行慢性酸负荷实验,观察五种饮水协同慢性代谢性酸中毒对酸碱状态及骨骼生长的影响。研究方法:1、市售瓶装天然矿泉水对居民钙、镁参考摄入量贡献率分析收集国内市售的瓶装天然矿泉水,检测溶解性总固体(TDS)、钙(Ca)、镁(Mg)含量,按照TDS含量将矿泉水分为高(TDS>1500mg/L)、中(TDS,500~1500mg/L)、低矿化度(TDS<500mg/L)三组;依据《中国居民膳食营养素参考摄入量(DRIs)》,评估饮用1 L矿泉水对居民不同年龄阶段尤其儿童及青少年钙、镁DRIs的贡献率。2、五种饮水对发育期大鼠酸碱状态及骨骼生长的影响100只3周龄初断乳雌性SD大鼠,适应性喂养1周后,随机均分为5组,每组20只,分别饮用矿物质含量及PRAL值明显不同的五种饮水:自来水(TDS,333.87mg/L;PRAL,-0.53)、天然水(TDS,177.3mg/L;PRAL,-0.69)、纯净水(TDS,3.63mg/L;PRAL,-0.02)、天然矿泉水1(TDS,1934.23mg/L;PRAL,-9.84)、天然矿泉水2(TDS,953.79mg/L;PRAL,4.02),自由饮水及进食,喂养3个月。实验结束后,每组处理10只,取腹主动脉血进行血气分析,检测酸碱状态指标,包括:酸碱度(p H)、二氧化碳分压(PCO2)、氧分压(PO2)、氧饱和度(SO2)、实际碳酸氢盐(HCO3-)、标准碳酸氢盐(HCO3std-)、实际碱剩余(BEB)、标准碱剩余(BEecf);继续取血并分离血清,酶联免疫吸附法测定骨代谢生化指标,包括:甲状旁腺激素(Parathyroid hormone,PTH)、降钙素(Calcitonin,CT)、25-羟维生素D3(25-(OH)D3)、1型前胶原氨基端前肽(Procollagen type1N-terminal propeptide,P1NP)、骨钙素(Osteocalcin,OC)、β-胶原特殊序列(β-crosslaps)、脱氧吡啶啉(Deoxypyridinoline,DPD);取左侧股骨,进行Micro-CT扫描及三维重建,观察松质骨骨微结构,参数包括:骨密度(Bone mineral density,BMD)、骨体积分数(Bone volume/total volume,BV/TV)、骨表面积密度(Bone surface/volume ratio,BS/BV)、骨小梁数量(Trabecular number,Tb.N)、骨小梁厚度(Trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁分离度(Trabecular separation,Tb.Sp)、骨小梁连接性密度(Trabecular connectivity density,Conn-D);取右侧股骨,采用三点弯曲法进行生物力学测定,指标有:最大载荷(Maximum load)、杨氏模量(Young’s modulus)、最大应力(Maximum stress)。3、五种饮水协同慢性代谢性酸中毒对大鼠酸碱状态及骨骼生长的影响在课题第二部分各组剩余大鼠饮水中添加氯化铵(0.28mol/L),进行慢性酸负荷实验,各组饮水种类不变。持续处理3周后,取材并检测指标,各指标同课题第二部分。4、统计学分析采用SPSS 20.0、Office 2007对数据进行统计分析。根据数据分布的特点,计量资料以均数±标准差表示,观察组间指标比较采用单因素方差分析,指标间的相关性分析采用Spearman相关性分析,以P<0.05表示差异有统计学意义。研究结果:1、市售瓶装天然矿泉水对居民钙、镁参考摄入量贡献率本课题所收集到的56种市售瓶装天然矿泉水,进口、国产分别为15、41种。矿泉水矿物质含量差别很大,高、中、低矿化度比例分别为14%、16%、70%。1 L高矿化度矿泉水对矿物质需求量最大的11~14岁青少年,提供平均超过30%的钙DRIs贡献率;对1~3岁儿童则可高达88.33%;对其它年龄阶段的人群至少提供平均约1/3的钙需要量。1 L中矿化度矿泉水可满足各年龄阶段居民平均约20%的钙需要量。1 L低矿化度矿泉水对人群钙DRIs贡献率较低,满足平均不超过5%的需要量。1 L高矿化度矿泉水可提供各年龄阶段居民平均超过20%的镁需要量,对儿童及青少年的镁DRIs贡献率更高,可满足11岁以下儿童平均超过30%的镁需要量,最高可超过100%。1 L中矿化度矿泉水对人群镁DRIs贡献率较低,平均满足不超过5%的需要量。1 L低矿化度矿泉水对人群镁DRIs的贡献率则更低。2、五种饮水对发育期大鼠酸碱状态及骨骼生长发育的影响五种饮水喂养3个月后,各组大鼠饮食量、饮水量、体重增长均无统计学差异;各组大鼠酸碱状态指标无统计学差异;纯净水组血清OC(反映骨组织转换水平综合状态)含量显著低于自来水组和两种天然矿泉水组(P<0.05),也有低于天然水组趋势;天然水组和纯净水组的BS/BV(反映骨小梁强度,与骨小梁强度成反比)均显著高于两种天然矿泉水组(P<0.05),也有低于自来水组趋势;各组间股骨的生物力学指标无统计学差异。相关性分析发现OC、BS/BV与水中多数矿物质显著相关,并与TDS、Ca、Mg等相关性较强。3、五种饮水协同慢性代谢性酸中毒对大鼠酸碱状态及骨骼生长的影响慢性酸负荷处理3周后,各组大鼠间饮食量、饮水量及体重变化没有差别。大鼠体重随酸中毒程度加重而下降;各组酸碱状态指标无统计学差异;纯净水组血清DPD水平(反映骨吸收、骨量减少的敏感生化指标)显著低于其他四种水组(P<0.05);BMD(反映骨组织矿化水平)、BV/TV(反映松质骨样本内骨组织体积的含量)指标,均为天然矿泉水1组显著高于自来水、天然水、纯净水组(P<0.05);最大载荷、最大应力指标(反应骨的韧性),天然水组、纯净水组分别显著高于自来水组、天然矿泉水2组(P<0.05)。结论:1、市售瓶装天然矿泉水中矿物质含量差别很大。1 L高矿化度矿泉水可提供各年龄阶段居民钙、镁DRIs平均超过20%的贡献率,对儿童及青少年贡献率则更大(钙可高达88.33%,镁可达100%)。中矿化度矿泉水也是钙的重要来源,可满足各年龄阶段居民平均约20%的需要量;中矿化度矿泉水对居民镁DRIs贡献率较低。低矿化度矿泉水对居民钙、镁需要量的贡献率均较低。2、五种饮水对大鼠体内酸碱状态指标的影响没有差别。骨钙素和骨小梁强度是对水质差异敏感的骨骼指标。纯净水在维持成骨细胞活性及骨转换水平上弱于自来水及两种矿泉水组;骨微结构发育弱于两组天然矿泉水组。天然水对骨微结构发育的影响弱于两种天然矿泉水组。两种天然矿泉水对发育期骨骼健康指标影响无明显的差别。总体上,长期饮用不含矿物质的纯净水,不利于发育期骨骼生长;而两种矿泉水对骨骼发育较好。3、五种饮水协同慢性代谢性酸中毒处理下,各组大鼠体内酸碱状态的指标没有显著差别。纯净水组骨吸收水平显著低于其他四种水组,骨形成水平有低于其他四组的趋势,反映骨转化水平最低;纯净水对骨微结构发育的影响弱于天然矿泉水1组;纯净水对维持骨骼材料弹性方面优于自来水组、天然矿泉水2。天然水对骨微结构发育的影响弱于天然矿泉水1组;对维持骨骼材料弹性方面优于自来水组、天然矿泉水2。自来水对骨微结构发育的影响弱于天然矿泉水1组。总体上,长期饮用不含矿物质的纯净水,不利于发育期骨骼生长;而富含碳酸氢盐的碱性矿泉水对骨骼发育较好。全文总结:市售瓶装天然矿泉水的矿物质含量差别很大;高矿化度矿泉水是居民尤其是儿童及青少年钙、镁的重要来源;1 L中矿化度矿泉水也可满足各年龄阶段居民平均约20%的钙需要量,中矿化度矿泉水对居民镁DRIs贡献率较低;低矿化度矿泉水对居民钙、镁DRIs的贡献率均较低。动物实验发现,矿物质含量不同的五种饮水对酸碱状态指标影响没有差别;水中的天然矿物质与骨骼发育指标关联密切;长期饮用不含矿物质的纯净水不利于发育期大鼠骨骼生长,而饮用富含碳酸氢盐的碱性天然矿泉对骨骼发育较好。