多代连续饮用四种饮水大鼠肝肾功能和骨骼生长发育比较研究

摘要

水是人体最重要和最基本的营养素之一。随着水污染的日益严重和经济的快速发展以及大众消费观念的改变，饮水质量受到人们的高度重视，对饮用水的要求也越来越高。目前以纯净水、天然矿泉水和矿物质水为主的各类瓶(桶)装水在日常饮用水中的比例逐年增高。经过反渗透、纳滤、吸附等工艺深度加工处理的瓶(桶)装水在有害污染物的含量上的确得到了控制，但对人体健康有重要影响的水中天然矿物质含量也出现不同程度的下降。受研究过程中性别、水质、饮食、实验方法等因素的影响，长期饮用较低矿物质含量的水对健康有何利弊至今仍没有统一定论。
　　 本团队研究饮用软水对健康的影响已有10余年，前期研究显示，饮用纯净水的雌雄大鼠平均体重均持续显著性高于饮用凉开水。长期饮用纯净水后，雌鼠血清中镁含量显著降低，尿中镁含量雌雄均有下降趋势，钾、钠浓度均有升高趋势，铁、锌、铜元素含量显著降低，铬含量显著升高。大鼠骨骼的生长发育指标中股骨长度、骨生物力学性能及骨密度纯净水和自来水无显著差异。目前国内外在饮用水的生物学效应方面主要集中在上世纪五六十年代的人群流行病学调查和基于单代动物的实验研究，尚未见多代连续饮用不同饮水的相关生物学效应研究和报道。因此，我们选择自来水、天然水、矿物质水、纯净水进行比较研究，建立多代连续饮用四种饮水的大鼠模型，从一般生长发育、肝肾功能、机体酸碱状态、骨骼生长发育几方面研究和探讨多代连续饮用四种饮水与健康效应的关系，为进一步深入研究奠定基础。
　　 实验方法：
　　 1.多代连续饮用四种饮水的动物模型
　　 FO代：断乳SD雌鼠120只/雄鼠60只，均随机分为自来水组(Tap water，T组)、天然水组(Natural water，N组)、矿物质水组(Mineralized water，M组)、纯净水组(Purified water，P组)四组，每组30(雌性)/15(雄性)只。饮水至4月龄开始繁殖实验，雌雄2:1比例交配，产生约20只受孕F0代雌鼠。雄鼠处死，孕鼠保留至生产F1代仔鼠。
　　 F1代：各组F1代雌仔鼠30只，雄仔鼠15只。饮用与F0代相同饮水至4月龄，雌雄2:1比例交配，产生约20只受孕F1代雌鼠。雄鼠处死，孕鼠保留至生产F2代仔鼠。
　　 F2代：各组F2代雌仔鼠30只，雄仔鼠30只，与F1代相同饮水，采用饮水瓶给水，除饮水外其他条件完全相同，每日早上8点定时更换饮水和添加饲料。
　　 自来水源于重庆城市供水系统，天然水、矿物质水、纯净水均采用市售相同批次的瓶装饮用水。四种饮水经检测均符合相应水质标准。
　　 2.取材和指标
　　 饲喂期间，①每日观察各组动物的外观和行为，包括动物的饮食情况、精神和活动状况、毛发润泽度及排泄物情况等。②每月称量体重1次。③每月测定1次大鼠的24h饮水、摄食量。
　　 饲喂F2代大鼠至10月龄处死。采集腹主动脉血，一部分用血气分析仪检测机体酸碱状态指标，另一部分分离血清，用自动生化分析仪检测肝肾功能指标和用酶联免疫试剂盒测定骨代谢指标。采血后立即剖取雄鼠心、肝、主动脉弓，将器官周围的脂肪结缔组织去除，并将脏器表面血液吸干净，用电子天平称重，计算脏器系数，脏器系数以脏器重量(g)与体重(g)之比表示。同时雌鼠取右侧股骨、胫骨和门齿，剔除肌肉和软组织，用生理盐水浸湿的纱布包裹后，再用锡箔纸包裹，置于-20℃低温冰箱保存，实验前24 h取出标本，放置室温下解冻。股骨用于骨密度和生物力学检测，胫骨和门齿检测其中钙、镁、磷含量。
　　 3.统计学分析
　　 数据经SPSS13.0统计软件处理，实验数据均以均数±标准差(-x±s)的形式表示，组间均数差异的显著性比较采用单因素方差分析。
　　 结果与讨论
　　 1.生长发育
　　 1.1一般生长发育情况
　　 F2代大鼠观察期内一般生长发育情况均未见显著性差异。提示大鼠在一般生长发育指标上无明显差别。
　　 1.2雄鼠重要脏器系数
　　 雄鼠心、肝、主动脉弓脏器系数的组间差异均无统计学意义。提示长期饮用四种饮水对雄鼠心、肝、主动脉弓无明显改变。
　　 2.肝肾功能
　　 2.1肝脏蛋白合成能力以及营养状况
　　 雌雄大鼠血清总蛋白(total protein，TP)、血清白蛋白(albumin，ALB)、血清球蛋白(globulin，GLB)、白球比(A/G)的组间差异均无统计学意义。与自来水组比较，雄鼠天然水组(P=0.006)和矿物质水组(P=0.037)前白蛋白(Prealbumin，PA)含量明显降低；雌鼠纯净水组PA含量明显升高(P=0.030)。提示雄鼠自来水组的营养状况较天然水组和矿物质水组好，雌鼠纯净水组营养状况较其余三组好。
　　 2.2肾脏功能
　　 饮用四种水的雄鼠血清尿酸(Serum uric acid，UA)，雌鼠血清尿素(Urea)和尿酸组间差异均无统计学意义。雄鼠血清中尿素含量自来水组高于天然水组(P=0.015)和矿物质水组(P=0.012)；血清中肌酐(Serum creatinine，SCR)含量自来水组低于天然水组(P=0.050)，纯净水组低于天然水组(P=0.000)和矿物质水组(P=0.004)；尿素肌酐比(U/C)自来水组高于天然水组(P=0.001)和矿物质水组(P=0.002)，纯净水组高于天然水组(P=0.000)和矿物质水组(P=0.000)。雌鼠SCR含量自来水组低于天然水组(P=0.033)和矿物质水组(P=0.000)，纯净水组低于矿物质水组(P=0.015)；U/C自来水组高于天然水组(P=0.002)、矿物质水组(P=0.003)和纯净水组(P=0.044)。提示天然水组雌雄大鼠和矿物质水组雌鼠较自来水组的肾小球滤过功能低；矿物质水组雌雄大鼠和天然水组雄鼠较纯净水组的肾小球滤过功能低。
　　 3.机体酸碱状态
　　 饮用四种水的雌雄大鼠机体酸碱状态指标[pH、PO2、PCO2、HCO3-act、HCO3-st、SO2%、TCO2、BE(B)、BE(ecf)]组间差异均无统计学意义。提示在观察期内饮用四种水均能维持机体酸碱平衡。
　　 4.骨矿物质含量
　　 天然水组胫骨中钙(calcium，Ca)含量较自来水组(P=0.001)和矿物质水组(P=0.005)降低，牙齿中Ca含量较自来水组(P=0.044)和矿物质水组(P=0.032)降低。纯净水组胫骨中Ca含量较自来水组(P=0.000)、天然水组(P=0.000)、矿物质水组(P=0.000)均降低。天然水组胫骨(P=0.048)和牙齿(P=0.001)中镁(magnesium，Mg)含量、纯净水牙齿中Mg含量(P=0.003)较自来水组均降低。胫骨和牙齿中磷含量各组间差异无统计学意义。提示水中钙、镁元素的含量对骨骼和牙齿的矿化有很大的影响，长期饮用低矿物质含量的纯净水和天然水可使骨骼和牙齿中钙镁的沉积减少，含量下降。
　　 5.骨密度
　　 饮用四种水的雌鼠股骨骨密度(bone nuneral density，BMD)、骨矿物盐含量(bonemineral content，BMC)和面积组间差异均无统计学意义。
　　 6.骨生物力学性能
　　 与自来水组比较，大鼠股骨最大桡度天然水组(P=0.000)、矿物质水组(P=0.000)、纯净水组(P=0.000)均有显著降低；弹性桡度天然水组(P=0.001)、矿物质水组(P=0.022)均有显著降低；断裂应变天然水组(P=0.001)、矿物质水组(P=0.002)均有显著降低；杨氏模量天然水组明显升高(P=0.010)。提示自来水组骨骼整体生物力学性能优于其他三组，天然水组在维持骨骼材料的弹性上有一定优势。
　　 7.骨代谢水平
　　 血清中骨钙素(bone glutarny I protein，BGP)含量天然水组高于自来水组(P=0.005)、矿物质水组(P=0.002)和纯净水组(P=0.025)。Ⅰ型前胶原羧基端前肽(Procollagen typeⅠ caboxyterminal propeptide，PICP)含量自来水组高于天然水组(P=0.000)和纯净水组(P=0.000)，矿物质水组高于天然水组(P=0.000)和纯净水组(P=0.000)。Ⅰ型胶原交联羧基末端肽(Cross-linked-telopeptide of typeⅠ collagen，ICTP)含量天然水组低于自来水组(P=0.023)和P组(P=0.000)。骨碱性磷酸酶(bone alkaline phosphatase，BALP)含量各组间差异无统计学意义。提示饮用自来水后大鼠的成骨细胞活性、合成胶原速度以及骨正常矿化速度比天然水和纯净水快，天然水组对破骨细胞活性的抑制作用强于自来水组和纯净水组。纯净水组成骨细胞活性低于天然水组，破骨细胞活性高于天然水组和自来水组，骨代谢动态平衡被打破的几率较自来水组和天然水组大。
　　 8.四种饮水的水质特征以及各项指标变化与水质关系的分析
　　 自来水、天然水、矿物质水、纯净水的总硬度(以CaCO3计)分别为200.3、69.6、2.3、0.8mg/L；TDS分别为229、87.2、10.9、1.2mg/L。四种水的化学耗氧量(Chemicaloxygen demand，COD)≤1.0mg/L，表明四种水在有机物水平方面没有本质区别，本研究中观察到的生物学效应改变主要归结于水质矿物元素水平上的差异。实验观察到四种水的钙镁元素含量以及钙镁浓度比值也存在差异，自来水钙镁比值为4.18:1，天然水钙镁比值为1.13:1，矿物质水钙镁比值为0.05:1，纯净水钙镁比值为2:1。自来水中锌含量高于其他三组。推测水中钙、镁、锌等元素的含量和钙镁比例可能是引起几种指标出现差异的主要原因。
　　 结论
　　 1.四种水质的优缺点
　　 自来水在维持雌鼠肾小球滤过功能、提升成骨细胞活性、增加骨骼系统钙镁沉积、提高骨骼整体的生物力学性能和维持雄鼠肝脏蛋白合成能力继而提升机体营养水平方面优于其他三种饮水。但饮用自来水在抑制破骨细胞活性和维持骨骼材料弹性方面较饮用天然水略显不足。
　　 天然水在维持骨骼材料弹性方面优于自来水；在抑制破骨细胞活性方面优于自来水和纯净水。但在肝脏蛋白合成能力、营养水平、肾小球滤过功能上雌雄大鼠较自来水均显著降低；雄鼠肾小球滤过功能较纯净水显著降低；雌鼠的骨矿物质含量、骨骼整体生物力学性能、成骨细胞活性较自来水均显著降低；骨钙含量较矿物质水也有降低。
　　 大鼠在饮水适应期出现饮用矿物质水的雄鼠饮食量较纯净水组明显减少，雌鼠摄食量较其余三组明显增加。矿物质水仅在较天然水的骨钙含量和成骨细胞活性，较纯净水的成骨细胞活性方面略显优势，其余各项指标均未发现有明显优劣势。
　　 纯净水在维持大鼠肾小球滤过功能优于矿物质水和天然水，在维持雌鼠肝脏蛋白合成能力继而提升机体营养水平优于其他三种饮水。但在骨骼生长发育的指标上均未发现有明显优势。
　　 2.生物效应
　　 肝脏蛋白合成能力和营养水平：雄鼠的自来水组优于天然水组和矿物质水组，雌鼠的纯净水组优于其余三组。维持肾小球的滤过功能：自来水组和纯净水组优于天然水组和矿物质水组。骨矿物质含量：自来水组优于天然水组和纯净水组，矿物质水组优于天然水组。骨代谢水平：自来水组和矿物质水组的成骨细胞活性优于天然水组和纯净水组，天然水组抑制破骨细胞活性的能力优于其余三组。骨生物力学性能：自来水组整体性能优于其余三组，但天然水组在维持骨骼自身的弹性上显示出明显优势。
　　 3.性别
　　 在肝脏蛋白合成能力和营养水平方面存在性别差异：雄鼠自来水组和雌鼠纯净水组营养状况处于较好水平。
　　 创新性发现
　　 1.本实验首次在雌性大鼠中发现，多代连续饮用矿物质含量丰富的自来水与以天然水、矿物质水、纯净水为代表的软水相比，对骨骼生长发育、骨生物力学性能和骨代谢更为有益。提示水中矿物元素含量较多的自来水使骨骼代谢维持较高水平，从而增加骨骼系统钙镁沉积，继而提升骨骼整体的生物力学性能。天然水组在维持骨骼材料弹性和抑制破骨细胞活性方面有明显优势，天然水中的钾含量较自来水组高且含有锶元素和偏硅酸，两者是否存在关联及其机制还有待进一步验证。
　　 2.大鼠在肝脏合成蛋白能力和机体营养水平方面存在性别差异。

目录

文摘

英文文摘

英文缩写一览表

前 言

第一部分 多代连续饮用四种饮水大鼠生长发育、肝肾功能及机体酸碱状态比较研究

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

第二部分 多代连续饮用四种饮水雌性大鼠骨矿物质含量比较研究

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

第三部分 多代连续饮用四种饮水雌性大鼠骨生物力学性能和骨代谢水平比较研究

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

全文总结

致谢

参考文献

文献综述 饮用水中矿物元素对骨与骨代谢的影响

参考文献

硕士在读期间发表的论文情况

附件一：四种饮水的水质检测报告

附件二：四种饮水矿物质含量检测报告