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刘文君教授关于饮用水水质标准的研究看法

文章来源:海西给排水 发布时间:2017-11-01 08:54:06 阅读次数:459 次 [关闭]

      (刘文君   清华大学环境学院教授

世界卫生组织《饮用水水质准则(第4版)》开篇即强调:“安全饮用水对健康至关重要,它是一项基本人权,也是用于保护健康的有效政策的一个组成部分”。自古以来,人们认识到水是生命之源,人类要生存、要生活,要发展,就必须逐水而居,必须让所有的人都能得到满意(充足、安全、易得)的供水,应尽一切努力确保饮用水的安全可用。因此全世界文明的发展,城市化的进程都是与各自的母亲河或者说母亲水系分不开的,对水质的关注和认识也是人类文明发展的重要组成部分。大体上讲,水质标准的发展可分为:卫生、安全和健康三个阶段。我们已经经历了卫生阶段,现在正处于水质安全的阶段,健康的理念正在萌芽和发展中。这三者在本文中的含义分别为:卫生学主要强调微生物风险,通常是急性爆发、危害效果容易发现、及时控制后没有长期危害;安全性主要强调长期的、慢性的健康影响,危害效果不容易发现,发现以后也不易恢复,通常是化学物质引起的,与毒理学指标同义;健康性主要指饮用水水质对人体有益部分,可以通过饮用水改善人体健康的物质。

     1水质标准的卫生学阶段

早在公元初和古罗马时期人们就已经开始将水质、水质卫生和疾病的发生联系起来。在那时,人们就已经广泛采取措施保持水质纯净、提供高质量的饮用水、并对用过的水进行处置。人类历史上最早的关于饮用水水质优劣的标准是由罗马建筑师和工程师Vitrurius于公元前一世纪提出来的。他根据水在煮沸以后的反应、蔬菜在水中煮熟以后的滋味以及人们饮用水后对健康的影响来确定水质的好坏。中国人历来喜欢饮茶,由此形成好茶必须有好水泡制的文化,那如何判断好水呢?乾隆帝发明了一个简单方法:用纯银制作标准银斗一只,用该银斗盛满各地泉水称重,同样的体积,重量越轻,他认为水质越好,杂质越少,由此定出天下第一泉,天下第二泉,等等。显然这些方法都缺少科学性。虽然此后随着时间的推移,科学的进步和技术的发展,人类对水本身的认识和饮用水的处理都得到一定的提高和改进,但真正具有现代意义的饮用水的水质准则是20世纪初首次在美国出现的。

中世纪到18世纪时期,随着罗马皇帝的逊位和其管理机构的解散,原有的公共卫生保障系统失于维修,城镇的街道到处是垃圾和粪便,下水道和其他排水管道很少,住房质量也不好,污物随处可见,公共和个人卫生措施都被忽略了,流行疾病十分普遍。日渐流行的基督教将疾病流行解释成对罪恶的惩罚或者是为来世赎罪作准备的手段,肉体的消失被看成是对灵魂的拯救。僧人和基督徒每年才洗一到两次澡。没有人接受并支持疾病可以预防和阻止传播的观念。

因此中世纪疾病流行和瘟疫无数次暴发就一点不奇怪了。在十字军东征时,大部份士兵由于疾病死在去圣地的路途中。在大死亡时期,欧洲的人口大幅度减少。由于食物和饮水不洁引起的伤寒和霍乱性腹泻十分普遍并致人死亡。虽然逐渐认识许多流行病是可以传染的而且通过隔离病人可以阻止疾病的传播,但对发病的原因却基本不了解。紧接着中世纪的文艺复兴时期,人口拥挤、瘟疫流行、卫生状况差、水质受污染的局势基本没有改变。

人们对饮用水中污染物危害健康的认识最早是从致病细菌开始的。1853年英国伦敦爆发大面积霍乱,当时伦敦的一个医生Snow关闭了Broadway街区的一个泵站,结果该街区的霍乱发病率显著下降,当他重新开启该街区的水泵后,霍乱发病率重新上升。他由此断定霍乱与水有关,但不知道是水中什么东西。其后巴斯德提出了水中微生物致病理论,解释了饮用水导致流行病爆发的问题。在此基础上,关于水中微生物与人体健康的认识以及检测方法得到极大发展,美国由此在1914年提出了第一个具有现代科学意义的水质标准,该标准的条款仅限于细菌性水质指标,规定总细菌含量限值为100 CFU/mL(一直沿用至今)。另外,还规定在每个被检查的样本中, 在5个超过 10 CFU /mL 的子样中包含B. coli(现称为 Escherichia coli 大肠杆菌)的子样不应多于1个。该标准制定后被广泛采用,并于1925年、1942年、1946年和1962年修订。这系列标准主要关注水质微生物学指标(细菌、病毒、浊度等),因此被称之为水质卫生学阶段。

饮用水卫生学的问题,随着饮用水标准的制定和重视,消毒技术的发展,总体上全球范围内得到较好的控制,以美国为例,1910年为每10万人伤寒病死亡率为20.544,到2003年,降低到0,发病率也几乎为0,极个别病例是由于在美国境外旅游引起的。但世界卫生组织(WHO)的调查报告显示,在发展中国家80%的疾病与饮用水不安全有关。主要原因是这些地区不能使用合适的消毒技术,消毒管理水平相对较差,由于微生物污染容易引起急性疾病的感染和传播,WHO饮用水水质准则指出微生物是威胁饮用水安全的首要问题。

另一方面,新的微生物安全问题也在不断出现。随着微生物学技术的发展,多种新的介水病原微生物被发现。例如,1976年以来首次发现的嗜肺军团菌和世界各地相继发生的具有耐氯性的贾第鞭毛虫和隐孢子虫的流行,以及近些年学术界比较关心的水中抗性细菌的问题。

新的饮用水微生物风险需要微生物检测技术的深入发展和管理的不断提高。近年来各国的饮用水卫生标准都在不断更新和提高。WHO饮用水水质准则中水源性疾病病原体指标由最初的2项增加到第四版的28项;美国环境保护局(EPA)最新的《饮用水水质准则和健康建议》中微生物指标有7项,包括贾第鞭毛虫、隐孢子虫、军团菌、细菌总数、粪大肠菌和大肠埃希菌、总大肠菌群、肠道病毒和浊度。

基于上述原因,世界卫生组织及各国饮用水水质主管部门都将饮用水水质的卫生学指标作为水质标准制定和管理的重点,确保饮用水微生物指标达标仍然是一项长期而艰巨的任务。我国也一样,《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定生活饮用水首先要保证流行病学上安全,即不得含有病原微生物。水质微生物学指标由旧标准的2项增至6项,增加了大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫,修订了总大肠菌群1项。

       2水质标准的安全性阶段

为控制饮用水水质的卫生学问题,最有效的技术手段是采用氯消毒。但1972年由Rook等人首先报道饮用水中由于加氯而检出有三氯甲烷等微量致癌有机物,这一结果引起公众的普遍关注。1972 年美国公布了对路易斯安娜(Louisiana)州的密西西比河水质的调查报告,取样点包括从新奥尔良的卡罗尔顿(Carrollton)水处理厂出水,从这些水样浓缩和分离出36 种合成有机物(SOCs)。

基于这些发现,1974 年底,美国环保局宣布要在全国进行调查以确定美国 饮用水中三卤甲烷(THMs)问题的范围及严重程度。这次调查称作全国有机物调查(NORS),于1975 年完成。饮用水中的THMs SOCs 对健康的重要性当时还不清楚,并且至今仍需进一步研究,如低浓度的有机化学物和消毒副产品对健康的影响。

考虑饮用水中微量有机物对人体长期、潜在的危害,为保障饮用水安全,经过美国国会的努力,通过了联邦立法,要求制订全国性的计划,保护全国的公众饮用水系统的质量。美国众议院和参议院于1974 11 月通过了安全饮用水的提案,1974 12 6 SDWA 被签署为法令,即公众法(Public Law93-523SDWA11974),该法案是全世界第一部关于饮用水安全的法律,以后为其他国家所仿效。安全饮用水法的制定,标志饮用水水质的理念从只保障卫生学指标合格又向前大大跨进了一步,即同时考虑饮用水水质化学性物质对人体的影响,而饮用水中化学性的物质由于浓度低、种类多,因此其对人体健康的影响通常是长期地、潜在地、慢性地、不知不觉地发生的,因此不容易引起注意。

饮用水水质的安全性是目前各国水质标准和水处理关注的热点问题。由于化学工业的发展,人工合成的有机物快速增加,部分合成有机物(SOCs)通过多种途径进入天然水体和供水系统,与天然有机物一起,存在于饮用水中,虽然浓度很低,通常为微克每升水平或者更低的浓度,但其危害不可小觑。据美国的相关调查,发现饮用水中有700多种有机物,其中卤代有机物及苯、氯酚、双醚等均属于有“三致”(致癌、致畸、致突)作用或毒性物质。我国环保部的一项调查也发现56个城市的206个饮用水源地中共检出132种有机污染物,其中103种属于优先控制污染物。近年来又有大量新兴或新型有机物引起高度关注,如内分泌干扰物和个人防护用品和药品等,其中抗生素问题比较突出,因此对有害物质种类和浓度限值的规定是目前饮用水标准制定的重要内容。

饮用水安全性的理念与卫生学理念的一个区别是,通常卫生学指标不达标导致的水质问题是急性的,如细菌感染,大面积爆发传播,但容易发现,也容易控制,如要求公众改喝开水,不吃凉冷食物,不用污染的自来水洗手、洗水果等。但化学安全性指标导致的水质危害往往是潜在的、慢性的,如致癌、致突等,需要很长的时间,而且因果关系也不是特别明显,一般不容易引起重视,发现后解决问题也比较复杂。

关于饮用水安全性指标设定一般基于两方面的因素①健康目标和②经济技术可行性。健康目标一般考虑的要素是三个:①每人每天喝水为2 L。这个数据是有依据的,国内外都做过调研,证明平均每人每日饮水为2 L数据可靠。这是计算从水中摄入化学物质量的依据。②人的平均预期寿命为70岁。该数据一只沿用至今,但部分地区人均预期寿命要高于该值,如北京,据报道人均预期寿命已到80岁。③伤残调整生命年(disability-adjusted life year, DALY)。伤残调整生命年等于生命损失的年数与残疾或疾病的生活年数。通常可容许的疾病负担被定义为每人每年上限为10-6DALY,也可以简单理解为70年间日常摄入该水质目标下的饮用水,每1百万人增加一例癌症案例。这就是饮用水准则中用来确定遗传毒性致癌物指导值的风险水平的依据。根据健康目标,同时考虑去除饮用水中这些有害物质的可行性技术和处理成本,就可以制定饮用水水质标准的限值。

根据上述原则和《安全饮用水法》,美国环保署制定了一系列饮用水标准,并定期修订相关标准。制订和修定法规一般按二步走:第一,美国环保局要公布推荐的最大污染水平(RMCL)。基于国家科学院(NAS)的研究,可以相信,到了RMCL污染水平就会对健康产生有害影响。这些RMCL的设定值不会引起已知的或预期的健康影响。还要提供适当的安全裕度。这些值只作为健康的目标,而不打算在联邦范围内强制执行。第二,USEPA 要制订最大的污染水平(MCL),尽可能接近RMCL,只要环保局认为切实可行。环保局还有权在经济和技术上不能确定污染的MCL 时制定所要求的处理技术。MCL 和处理技术组成了国家主要饮用水法规(NPDWR)并且可以在联邦范围内强制执行。法规每三年至少要复审一次。

世界卫生组织、欧盟、其他国家也借鉴美国的方法和经验,制定相关的饮用水标准。我国由于相关的基础工作薄弱,制定饮用水卫生标准过程中借鉴的多,针对性有所欠缺,但总体内容上与美国还是相当的。我国饮用水标准(GB5749-2006)共有指标106项,其中毒理学指标为74项,占三份之二还多,充分说明对毒理学指标的重视程度。

      3水质标准的健康性阶段

从以上讨论可以看出,目前饮用水标准卫生学指标和安全性指标还是饮用水行业主要的关注点,特别是安全性指标,由于污染物越来越多,水质标准限制的种类也越来越多,名单越来越长,以我国为例,生活饮用水标准85版一共才35项,毒理学指标才15项。到2006版指标增加到106项,毒理学指标增加到74项。因此在未来相当长的时间内,仍然需要花大力气重视和研究饮用水卫生学和安全性方面的挑战。

与此同时,很多人也有疑惑,为什么到目前为止饮用水水质标准只规定了各项指标的最大值,而没有规定最小值(pH除外)呢?是不是所有指标都越低越好呢?如果真是这样,为什么不给大家提供纯水呢?如果纯水喝了好,为什么中东缺水地区采用海淡水还要矿化才能用呢?因此显然饮用水中各项指标并不是越低越好,饮用水也不是越纯越好。我们认为这就是饮用水水质发展的第三个阶段,即饮用水水质除了关注对人体健康有害的指标及限值外,也需要关注对人体有益的指标及限值。

现有的研究和流行病学调查表明,饮用水中适当的钙、镁的含量对饮用者心血管系统是有明显益处的。从20世纪50年代末期、60年代早期开始,一些科学家开始研究为什么美国乃至世界其他国家的许多地区心脏病、中风和高血压病(统称心血管病)的发病率大不相同。研究发现饮用水硬度与心血管病发病率呈负相关关系,也就是说,一个地区饮用水硬度越高,当地居民心血管病的发病率就越低。

饮用水硬度可以防治心血管病的一个原因是因为这些矿物元素可以补充维持心脏和血管正常功能必不可少的成份。在这方面,镁的作用越来越受关注。人体的许多日常功能都需镁的参与。神经和肌肉细胞需要镁以维持其细胞膜梢的正常功能来维持电信号的传递。如果镁的浓度太低,细胞膜的电信号传递功能就会不正常,最终导致神经细胞和肌肉细胞可能过于兴奋且不稳定。镁浓度低还可能导致心跳不正常、脉搏紊乱、血管痉挛、关键器官供血不足。在这种情况下就可能发生心脏病甚至猝死。饮用水提供的镁只占人体需要量的2%4%。但对于那些轻度缺镁的人,如因高血压、心脏病而服用利尿剂导致镁过度排泄的病人,通过饮水补充镁仍能起很重要的作用。镁在水中的化学形态也使它比食物中的镁更易被吸收。

水的硬度中另一种有助于减少心脏病和中风的元素是钙。一些研究表明在防治心血管病方面,饮用水中的钙和镁有相同的作用。但与镁不同,钙的作用是间接的,饮用水中的钙可以减少心脏病和中风的机理在于钙对高血压的影响,通过饮水补充的钙占需要补充的总钙量的15%20%

骨质疏松是中老年妇女常见的健康问题,大多数妇女钙摄取量偏低。最近几年医学专家重新评估了维持人体正常需要钙的最少摄取量,大多数专家认为初次月经后的妇女每天需10001500 mg的钙才能满足维持骨组织健康的需要。如果这一结论属实,终身从钙含量高的饮用水中摄取足够的钙以维持人体对钙的需要就十分关键。与此相似,饮用水中钙的含量对平衡人体随年龄增长而对钙需要的增加也很重要。一些研究发现终身维持对钙的高摄取可以保持骨组织的高密度、减少骨折的发生。

饮用水中氟的含量对人体健康有双重作用,氟含量高会引起氟骨病和氟斑牙,但氟含量低会引起牙的衰退和牙洞(龋牙)。我国饮用水标准只限定了氟的最高浓度,氟不足的地区通常建议用含氟牙膏。但在美国一直倡导在饮用水中加氟(人工加氟)来改善饮用水氟低导致的问题,并认为是美国过去70年内在保护公众健康方面最主要的成果。

目前急需解决的一个水质与健康的关系问题是淡化海水的矿化标准问题。由于海水淡化技术的发展和部分地区、岛屿淡水资源的缺乏,将淡化海水作为生活饮用水的需求十分迫切,我国也建设了一些大型海水淡化厂,而且国务院相继发布了“十二五”和“十三五”海水淡化规划。但淡化海水的使用遇到瓶颈,特别是作为生活饮用水使用,基本上没有实现。主要原因是淡化海水腐蚀性强、纯度高,目前我国没有淡化海水矿化水质标准。矿化中是只控制TDS,还是要同时控钙、镁?其他微量元素是否需要投加,投加浓度应该多少?不矿化是否可以长期饮用?曾有海军研究人员告诉本文作者他亲身经历,他因在某岛屿生活几个月,每天喝淡化纯水,结果几个月后出现肌无力症状。国外虽然有些淡化海水的矿化经验,但也不够完善,如以色列的矿化标准只规定pH值,钙镁硬度,显然是不够的。世界卫生组织关于脱盐水的矿化问题也是语焉不详,说明如何矿化是目前全球共同的问题。

水中加氢气是关于水质与健康关系的又一个热点领域。人体暴露的氢气主要为内源性气体,肠道菌群能产生大量的氢气。目前尚未发现氢气对人体有毒副作用。吸入50%氢气可以克服深海潜水导致的高压神经综合症,缓解代谢综合症等。由于其易于扩散的特质,氢气可到达其他药物不易到达的部位,进入线粒体,核内,还可穿越血脑屏障。最重要的是,气体氢并不会与超氧化物自由基及过氧化氢反应,二者在体内均有重要的生理作用。近5年间,氢气已被发现可作为医用气体有效地作用于63种疾病动物模型,包括脑梗死、帕金森症等。针对通过饮用水中加氢来改善人体健康,日本已经开展了较多的相关研究,并取得丰富成果。本课题组也初步开展了碱性加氢水缓解胃溃疡的动物研究,发现:①饮用两周时间的碱性加氢水可在大鼠体内有效抑制由盐酸-阿司匹林导致的胃溃疡,且观察到明显的氢气剂量效应关系。②碱度可能是抑制胃溃疡的一个原因,但作用没有氢气显著。③碱性加氢水对大鼠未产生可见不利健康影响。

另外关于水分子团簇结构特性及对人体健康的影响也一直有相关的研究,虽然结论尚不明确,但一直引人关注,如果有更多的研究,对水的团簇结构特性将认识越来越清楚。

《饮用矿泉水标准(8537-2008)》规定了8项界限指标,都有最低限值,其中锂、锶、锌、碘化物、偏硅酸、硒等被认为对人体健康有好处,饮用水标准是否可以借鉴这些指标设定最低限值也有重要的现实意义。

关于是否需要从饮用水中吸取上述提到的矿物元素,学术界有些争论。大家都认同钙镁离子及微量矿物元素对人体健康的重要性,但部分学者认为饮用水提供部分可以忽略不计,而且可以从食物或其他渠道获取,如钙可以通过牛奶补充。问题是饮用水是每个人可以而且必须廉价获取的的民生用品,正如WHO所说,是一项基本人权,而食物、饮料、牛奶等并不是每个人都能获得的。再者,正如有专家反驳:如果饮用水中对人体有益的矿物元素可以忽略不计,那为什么同样微量的有害物质我们要特别关注呢,是不是也可以忽略不计?!国内有专家研究也发现饮用水中矿物元素对人体健康有观测到的影响。因此我们应该尽可能采用廉价的技术手段,通过构建健康的饮用水指标体系和技术体系,全面提高所有公众的身体健康

综上所述,饮用水水质及对公众健康的影响,是全球共同关注的问题。水是生命之源,自有人类历史以来,人们无意识或有意识地处理人与水的关系。现代意义上的水质标准的发展,经历了关注微生物风险为主的水质卫生学阶段、在关注微生物风险基础上更加关注水中微量化学物质导致的毒理学问题的水质安全性阶段、现在开始进入在关注卫生学和安全性基础上的健康学新阶段,不但要继续控制有害物的最大浓度,还要考虑有益元素的最低浓度。饮用水的健康学研究刚刚萌芽,需要大家提高意识,共同努力,以便为提升饮用水水质、提升人体健康水平作出更大贡献。



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