第2章 饮水水质与健康
2.1 水中矿物元素与健康
人类生存与健康不仅需要水和能量，也需要矿物元素，对此人类经历了一个从朦胧认识到逐步深入认识的历史过程。18世纪中叶，一位瑞典科学家首先指出生物体的骨骼是由磷酸钙组成的；一位意大利科学家确定了人体的血液中含有铁；一位西方科学家在生物组织中发现了钾和镁；随后，又有科学家证实了铁和碘为人体生理所必需。19世纪，科学家们又陆续发现了磷和硫是人体蛋白质、脂肪、糖和核酸的构成部分；钠和氯是以盐的形式存在于体液中的；锌是很多酶的必要组分；碘是人体甲状腺素不可缺少的物质；铬能使人体有效地利用糖，也是维生素B12的组成部分，为机体制造血红蛋白所必需。
西方一位叫卡斯特罗的科学家首次提出了“矿物饥饿”的问题，意思是人体除了因缺乏食物可引起饥饿外，还存在着一种由于缺乏矿物质而引起的饥饿，这种观点立即得到了许多科学家的赞同和认证。当时美国的一家制药厂还为此专门研制生产了一种矿物质增补剂，专门用来满足人们对这种“矿物饥饿”的需要。
因此，了解矿物元素与健康的相关知识是十分必要的。
2.1.1 水中的矿物元素
2.1.1.1 矿物元素及其水溶性
矿物质是指构成各种无机盐的主要化学元素。按照其物理化学性质一般可把它们分为金属元素和非金属元素两种类型。在化学元素周期表中，金属元素的名称均为金字旁，非金属元素的名称多为石字旁，金属元素的数量远多于非金属元素。常见的金属矿物元素有钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、铁（Fe）、铜（Cu）、铝（Al）、镁（Mg）、锌（Zn）等，其中钾、钠、钙、铁、锌等均与生命密切相关。主要的非金属矿物元素有碳（C）、硫（S）、磷（P）、硅（Si）、砷（As）、硒（Se）、碘（I）、硼（B）等，其中碳、硫、磷是构成生命体的重要元素。
金属元素的氧化物溶解于水后一般呈碱性，如氧化钠溶于水后形成烧碱，氧化钙溶于水后形成消石灰。非金属元素的氧化物溶解于水后一般呈酸性，如二氧化硫溶于水后形成亚硫酸，三氧化硫溶于水后形成硫酸，二氧化氮溶于水后形成硝酸，二氧化碳溶于水后形成碳酸。
2.1.1.2 水中矿物元素的类别
水是一种良好的溶剂，所以地球上的绝大多数矿物元素都可以在水中找到。自然界的水实际上是包括各种矿物元素的溶液，这些矿物元素的存在不同程度地影响了水的物理化学特性。一切生命均离不开水，因此水中的矿物元素也与人体健康密切相关。
水中矿物元素含量的多少与水所接触的环境密切相关。一般来讲，地下水矿物元素含量最多，湖水和水库水次之，河水较少，未与地表接触的雨滴、雪花或高山积雪最少。
水中溶解性总固体（总含盐量）的95%～99%由钠、钾、钙、镁四大阳离子和氯根、硫酸根、碳酸根、重碳酸根四大阴离子组成。按照含量的多少，水中的元素可分为以下4组。
①主要元素，有钾、钠、钙、镁、铁、铝、氯、硫、氮、氧、氢、碳、硅等。
②含量较少的元素，有锂、锶、钡、铅、镍、锌、锰、铜、溴、碘、氟、硼、磷、砷等。
③稀有而含量极少的元素，有铬（Cr）、钴（Co）、铀（U）、铟（In）、铍（Be）、锗（Ge）、锆（Zr）、钛（Ti）、钒（V）、汞（Hg）、铋（Bi）、镉（Cd）、钨（W）、硒（Se）、钼（Mo）、银（Ag）、金（Au）、铂（Pt）、锡（Sn）、锑（Sb）等。
④放射性元素，如镭（Ra）、钍（Th）、氡（Rn）等。
2.1.1.3 水中矿物元素的形态
水的电离能力极强，水中溶解的矿物质大多数以离子或离子团形式存在，可分为带正电的阳离子和带负电的阴离子。阳离子多数为金属元素，阴离子多数为非金属元素组成的离子团。矿物质的物理化学特性不同，在水中的溶解度差异很大，溶解度影响矿物元素在水中的丰度。一般氯酸盐溶解度最大，硫酸盐次之，磷酸盐较低，碳酸盐最低；强碱金属盐溶解度较大，弱碱金属盐较低。
除了溶解的矿物元素外，水中还有以非溶解态存在的矿物元素，即悬浮颗粒。悬浮颗粒中的矿物元素一般不易被人体吸收，且大部分悬浮颗粒在水质净化过程中被去除，所以悬浮颗粒对人体健康的影响较小。
2.1.1.4 常量元素与微量元素
近年来人们经常见到“微量元素”这个名词，与之对应的另一个名词是“常量元素”（宏量元素）。“微量”或“常量”是指从分析化学角度对元素在物体或系统中的存在量、摄入量等在概念上进行的分类，常量元素意思是数量较多的元素，微量元素与之相反。各种元素在不同的系统中其丰度不同，所以常量元素与微量元素在不同学科、不同领域、不同国家中有着不同的含义和划分标准。
根据地学学者的研究，在地壳中，存量由多到少的元素依次为氧（49.52%）、硅（25.75%）、铝（7.51%）、铁（4.7%）、钙（3.39%）、钠（2.64%）、钾（2.4%）、镁（1.94%）、氢（0.88%）、钛（0.58%）、磷（0.12%）、碳（0.087%）、锰（0.08%），上述元素约占地壳总质量的99.6%。其余不足0.5%，属于微量元素。
生物化学是以化学元素在生物体内特别是人体内含量的多少来划分常量或微量元素的。我国大多数医学界学者认为占人体总重量万分之一以上的十余种元素为常量元素。除去氧、氢、氮、碳等组成有机物的常量元素外，钙、钾、钠、磷、硫、氯等7种常量元素约占人体总矿物质的60%～80%。微量元素是指人体内含量极少，不足人体总重量的万分之一，但对人体正常的生理功能来说又不可缺少的元素，如铁、锌、铜、碘、锰、硒、氟、钼、钴、铬、镍、钒、锡、硅、砷等。也有将微量元素定义为在人体内的含量低于每千克体重0.1g的元素。几乎所有人体必需的微量元素都可以在水中找到，饮水是人们补充微量元素的重要途径之一。
2.1.1.5 环境元素与生物元素的联系
生物与外部环境之间进行着物质与能量交换，从而与外部环境保持着物质的动态平衡。通过长期演化，生物体中的元素丰度与其生存环境中的元素丰度间有着统一性，具有相似的分布特征，也存在着重要差异。岩石圈中的主要成分硅和铝，在生物体中含量并不高。而组成生物原生质的主要元素碳、氢、氧、氮的丰度比岩石圈中这几种元素的绝对丰度显著提高。生物体中元素含量与海水中元素绝对丰度间的相关性更为显著，这可能与生命起源于海洋有关。生物在进化过程中，吸收具有一定生命功能的元素，硅、铝一般不能形成溶解性或挥发性化合物，因而较少被吸收。
2.1.2 常量矿物元素与健康
常量矿物元素是构成人体的“建筑材料”，其重要性显而易见。常量矿物元素主要由食物获得，从饮水中摄入的量较少。但是饮水中常量矿物元素的含量会影响人体中常量矿物元素的平衡，而且水中的常量矿物元素主要以离子形式存在，有利于人体吸收。主要常量矿物元素的作用和影响如下。
（1）钙 钙和镁是影响水硬度的主要阳离子，属于水中含量较多的矿物元素。硬度较高的水易结垢，影响茶壶或锅炉的传热，严重时导致茶壶或锅炉报废。钙和镁离子可与肥皂中的脂肪酸根形成难溶的脂肪酸钙或脂肪酸镁，影响肥皂的使用。用硬度较高的水洗衣，钙、镁离子沉积在衣物上，可使衣物发硬，影响穿着舒适。高硬度的水易使人腹泻，不过人体可以逐渐适应水的硬度。“水土不服”是指初到饮用水硬度较高地区的外地人常发生腹泻的现象，经过一段时间后，这种现象就会消失，这个过程俗称“换水土”。一般河水硬度较低，地下水和矿泉水硬度较高。国家饮用水卫生标准规定生活饮用水硬度不大于450mg/L（以碳酸钙计）。
钙是人体骨骼、牙齿的主要成分，人体中所含的大部分钙都集中在骨骼及牙齿中。骨骼不仅是人体的重要支柱，而且在钙的代谢及维持钙的内循环稳定方面有着重要作用。钙缺乏主要影响骨骼的发育和结构，临床症状表现为婴幼儿的佝偻病和成年人的骨质软化症及骨质疏松症。此外，软组织、细胞外液及血液中也含有一定量的钙离子。凝血机制离不开钙，如果血液中缺少钙离子，皮肤划破时血液便不易凝结。钙是细胞内的化学信使，影响神经细胞的传递，缺钙会导致过敏、肌肉抽搐、痉挛。缺钙还会引起高血压，造成动脉硬化，导致心血管病的发生，甚至会诱发肠癌。青年女性在妊娠全过程中，需要付出20～30g的钙，平均每天约付出100mg以上。妊娠期缺钙，血管平滑肌张力增加，是妊娠高血压的重要原因之一，而且会影响胎儿正常发育。
钙与人体的健美有关。长期缺钙时，眼球的弹性下降，眼肌的收缩功能不良，使有些人出现眼大无神的现象，或过早出现眼角皱纹，还容易发生近视。据调查，近年来女青年近视发病率上升与缺钙有密切的关系。缺钙会影响神经肌肉的协调。当神经周围体液中的钙离子浓度下降时，神经兴奋性会显著增加，可出现烦躁、多动、失眠、手足发麻、肌肉痉挛、腰腿酸痛等症状。钙离子对维持细胞膜的完整性有重要作用，缺钙可使细胞膜的通透性增加，可使皮肤和黏膜对水的渗透性增加，使皮肤弹性降低，出现不明原因的皮肤瘙痒、水肿和皮肤荨麻疹。
钙的摄入量也不是越多越好，血液和体液中钙的含量是一定的，过量摄入将导致高的血清钙，从而导致消化系统、血清系统及泌尿系统的疾病，会使人发生结石以及骨骼变粗等。哈佛大学的研究人员警告说，摄钙过多可能易患前列腺癌。其可能的解释是，钙可降低人体内维生素D的含量，而维生素D恰恰是保护前列腺的。
因此，人体应当每日摄入适量的钙，才能保证正常的生长发育及新陈代谢。人体每日需钙量随年龄、性别、身体状况的不同而异。我国规定的每日供给量为：成年男女800mg；儿童500～1000mg；孕妇1000mg；乳母1500mg。
（2）镁 镁是叶绿素分子的核心原子，叶绿素结构以镁原子铗状结合为其分子的母核，此镁原子铗状结合具有强力催化剂的作用。叶绿素中镁的功能是一般镁离子的数万倍，人体内到处都有以镁为催化剂的代谢系统，约有100个以上的重要代谢必须靠镁来进行，镁几乎参与人体所有的新陈代谢过程。在人体细胞内，镁是仅次于钾的第二重要阳离子，其含量也次于钾。镁具有多种特殊的生理功能，它能激活体内多种酶，抑制神经异常兴奋性，维持核酸结构的稳定性，参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节。镁影响钾、钠、钙离子细胞内外移动的“通道”，并有维持生物膜电位的作用。
最近，日本学者通过调查发现，饮食中镁、钙的含量与脑动脉硬化发病率有关。科研结果显示，当血管平滑肌细胞内流入过多的钙时，会引起血管收缩，而镁能调节钙的流出、流入量，因此缺镁可以引起脑动脉血管收缩。脑梗死急性期病人脑脊液中镁的含量比健康人低，而静脉注射硫酸镁后，会引起脑血流量的增加。血中钙离子过多也会引起血管钙化，镁离子可以抑制血管钙化，所以镁被称为天然钙拮抗剂。试验还证实，脑脊液和脑动脉壁中保持高浓度镁是血管痉挛的缓冲机制。
有研究表明，镁具有维持神经和肌肉细胞的细胞膜鞘电信号传递功能。如果缺镁，细胞膜的电信号传递就会不正常，导致神经和肌肉细胞过于兴奋且不稳定，出现心律不齐、脉搏紊乱、血管痉挛、关键器官供血不足，诱发心脏病甚至猝死。
美国学者在研究高血压病因时发现，给患者服用胆碱（维生素B群中的一种）一段时间后，患者的高血压病症，像头痛、头晕、耳鸣、心悸都消失了。根据生物化学的理论，胆碱可以在体内合成，而实际合成中，仅有B6是不够的，必须有镁的帮助，在高血压患者中往往存在严重的缺镁情况。
糖尿病是由于摄入过多的动物性蛋白质及高热量所致。当人体吸收的维生素B6过少时，人体所吸收的色氨酸就不能被身体利用，它转化为一种有毒的黄尿酸，当黄尿酸在血中过多时，48h就会使胰脏受损，不能分泌胰岛素而发生糖尿病，同时血糖增高，不断由尿中排出。只要维生素B6供应足够，黄尿酸就减少，镁可减少身体对维生素B6的需要量，同时减少黄尿酸的产生。凡患糖尿病的人，血中的含镁量特别低，因此，糖尿病是维生素B6、镁这两种物质缺乏而引起的。
除上述几种常见病外，缺镁还会引起蛋白质合成系统的停滞、荷尔蒙分泌的减退、消化器官的机能异常、脑神经系统障碍等，这些病症有许多是直接或间接和镁参与的代谢系统变异有关。
镁在人体中的正常含量为25g，属常量元素。人对镁的每日需要量为300～700mg，其中约40%来自食物，约60%由含有镁离子的饮用水提供。靠雪水生活的地区，经常饮用“纯水”（包括蒸馏水、太空水、纯净水）的人，容易出现镁缺乏症。常喝硬水，如自来水、矿泉水等，或多食一些富镁食品，人体就可获得镁的正常需要量。
（3）钾 钾是人体内非常重要的元素，它与人的生存和健康有极为密切的关系。正常的成年人，体内含钾量约175g，其中98%在细胞内液里，细胞外液仅含2%左右。人体肝脏、脾脏等细胞中，都含有较多的钾。据测定，细胞内液的钾含量是585mg/100mL，而血浆中钾含量仅为19.5mg/100mL。
钾是人体内电解质的重要成分之一，它的生理功能很多，主要是维持和调节细胞内液的容量及渗透压，维持体液的酸碱平衡，使人体能正常地进行新陈代谢。比如，细胞内的糖代谢必须有钾离子参加。当细胞内糖原分解增加时，钾离子由细胞内释放到细胞外，引起血浆中钾离子（以下称血钾）增高；如果细胞内进行糖原合成时，钾离子从细胞外进入细胞内，可以引起血钾降低。同样，钾离子还要参与蛋白质的代谢。当细胞内蛋白质合成时，钾离子被贮留在细胞内，血钾浓度就降低。如在临床上，受创伤的患者在恢复期，由于细胞、组织在不断地修复、生长，蛋白质的合成代谢增强，钾离子进入细胞内，血钾浓度自然就降低了。反之，当蛋白质分解时，钾离子要从细胞内释放到细胞外，因而血钾就要增高。如人们在严重创伤或手术后，在细菌感染或缺氧时，由于体内蛋白质的分解增强，因而细胞内会释放出更多的钾，所以血钾就明显增高。
此外，钾与体液酸碱度的改变有密切关系。当人体酸中毒时，细胞外液的氢离子浓度增加，一部分氢离子将进入细胞内，与细胞内的钾离子交换，结果使细胞外液（包括血浆）中的钾离子浓度增加，因此，酸中毒可引起高血钾的发生。相反，人体碱中毒时，由于细胞外液氢离子浓度降低，部分氢离子由细胞内液转向细胞外液，而钾离子却转入细胞内，故使血钾浓度降低，可出现低血钾情况。
许多医学工作者对钾与血压的关系进行过研究，结果发现尿钾与血压呈负相关，即尿钾增高，血压会有所下降。更有趣的是1mmol/L钾的降压作用，为1mmol/L钠的升压作用的3倍。有些地区患高血压的人少，发现与食用低钠高钾膳食有关。美国东南部的黑人饮食习惯低钾，他们中风的发病率比较高，这些现象均证实了钾与血压有密切关系。有些国家通过研究发现，高血压的典型特征是动脉壁增厚，但当给予较多的钾后，动脉壁便不再增厚，这主要是由于钾对血管有保护作用，可防止动脉壁受血压的机械性损伤，从而降低了许多并发症的发生。
钾能增强人体神经、肌肉的兴奋性，降低心肌的兴奋性。当人体缺钾时，可对心肌产生损害，引起心肌细胞的变性和坏死，还可引起肾脏、肠道和骨骼肌的损害，出现肌肉无力、肠麻痹、低血压、水肿和精神异常等症状。而人体中钾元素过多时，可使心动过缓，传导阻滞，引起人体缺氧、缺血等症状。还可由于血管收缩加强而出现四肢苍白发凉、疲倦嗜睡、动作迟钝、全身无力等症状。
正常人每天需钾2～4g，多余的钾有90%左右经肾脏从尿液排出，10%左右由粪便和汗液排出。
（4）钠 钠和钾一样是人体必需的金属元素，也是人体内维持渗透压的主要阳离子。在人体内，钠主要存在于细胞外液中，依靠钠把一定量的水吸到细胞里来，使组织维持一定的水分。钠能够维持肌肉和神经的功能，维持肌肉的正常兴奋和细胞的通透性。如果体内缺少钠会使人感到疲乏、晕眩，出现食欲不振、心率加速、脉搏细弱、肌肉痉挛、头痛等症状。每人每天都要摄入一定量的食盐以维持体内钠的正常含量。但食盐的摄入量要适度，一般一个成年人每天需要食盐3～5g。钠摄入过多会导致钾的不足，引起高血压和心脏病等。
（5）磷 磷在生理和生化上是人体最必需的无机盐之一。成人体内含磷（750±50）g，约占体重的1%，占人体中矿物质总量的1/4。人体中的磷87.6%存在于骨骼和牙齿中，10%与蛋白质、脂肪、糖及其他有机物结合构成软组织，其分布于骨骼、皮肤、神经组织和其他组织及膜的成分中。软组织和细胞膜中的磷多数是有机磷酸酯。
磷存在于人体每个细胞中，其量居无机盐的第二位。磷是核酸、磷脂和某些酶的组成成分，有助于碳水化合物脂肪和蛋白质的利用，调节糖原分解，参与能量代谢。磷能刺激神经肌肉，使心脏和肌肉有规则地收缩。它帮助细胞分裂和增殖及核蛋白的合成，将遗传特征从上一代传至下一代。磷脂是细胞膜的主要脂类组成成分，与膜的通透性有关，它可促进脂肪和脂肪酸的分解，预防血中聚集太多的酸或碱，促进物质经细胞壁吸收，刺激激素的分泌，有益于神经和精神活动。磷酸盐能调节维生素D的代谢，维持钙的内环境稳定，在体液的酸碱平衡中起缓冲作用。
身体内90%的磷是以磷酸根
）的形式存在。牙釉质的主要成分是羟基磷灰石Ca10（OH）2（PO4）6和少量氟磷灰石Ca10F2（PO4）6、氯磷灰石Ca10Cl2（PO4）6等。羟基磷灰石是不溶性物质。当糖吸附在牙齿上并发酵时，产生的H+和OH-结合生成H2O及
，就会使羟基磷灰石溶解，使牙齿受到腐蚀。磷也是构成人体组织中的重要成分，它和蛋白质结合生成磷蛋白，是构成细胞核的成分。此外，磷酸盐在维持机体酸碱平衡上有缓冲作用。成年人每天摄取800～1200mg磷就能满足人体的需要。当人体中缺磷时，就会影响人体对钙的吸收，患软骨病和佝偻症等。因此，必须注意摄取含磷的食物。成年人膳食中钙与磷的比例以1.5∶1.1为宜。初生儿体内钙少，钙与磷的比例可接近5∶1。如果摄取过量的磷，会破坏矿物质的平衡和造成缺钙。
（6）硫 人体中的硫不是以元素形式存在，而是含在各种氨基酸内，包括胱氨酸、半胱氨酸、牛磺酸、蛋氨酸等。在各种组织中，特别是皮肤、结缔组织和头发中，硫的含量大约可达5%，所以硫对人体是必不可缺的。
皮肤和指甲的疾患往往由于含硫氨基酸摄入的不足，牛皮癣和风湿症患者无论是内服还是外用含硫类氨基酸都有良好反应。
（7）氯 氯是人体必需的一种元素，在自然界中氯总是以氯化物的形式存在，最普通的形式是食盐。成人体内氯的含量平均有82～100g，主要以氯离子形式与钠或钾化合存在。氯的化合物很多，如氯化钠主要存在于细胞外液，氯化钾主要存在于细胞内液。少量氯离子松散地结合于结缔组织，是可交换氯。骨骼中也有少量的氯存在，脑脊液中含氯比较丰富，显性出汗时，汗液中氯化钠含量约为0.2%。
氯离子是细胞外最多的阴离子，与钠离子一起，占维持渗透压的总离子数的80%左右，能调节细胞外液容量和维持渗透压。此外，氯离子还有维持体液酸碱平衡的功能，摄入氯离子可以校正由疾病或利尿剂引起的代谢性碱中毒。严重缺钾时，肾脏保氯功能受到损害，可引起氯进一步丢失，缺氯时易引起碱中毒。氯参与胃液中胃酸（HCl）的形成，胃酸促进维生素B12和铁的吸收，帮助胃消化食物，激活唾液淀粉酶分解淀粉，抑制随膳食进入胃的微生物生长。在神经细胞中，氯离子可稳定膜电位。氯也刺激肝功能，促使肝中的废物排出，帮助激素分布，保持关节和肌腱健康。缺乏氯时易掉头发和牙齿，肌肉收缩不良，消化受损，以氯治疗即有效果。
2.1.3 微量矿物元素与健康
微量元素虽然在人体内数量微少，但对人体健康影响显著。研究表明，已知的微量元素大多数都与人体内的各种生物酶有关，微量元素缺少会导致人体各种生理功能失调，微量元素过多则有毒害作用。例如，缺铁很容易造成缺铁性贫血；缺锌会影响人的生长发育；含有硒的有机分子能预防癌症和抗衰老等；缺碘或碘过量都会引起甲状腺肿大；缺氟会造成龋齿，而氟过量会造成氟骨病等。
（1）钒 钒是多种疾病的“克星”。早在1899年，法国人就发现糖尿病患者服用钒可以减少尿糖，改善心脏功能。20世纪初，钒曾用于补充营养，预防牙病，治疗糖尿病感染以及贫血、风湿病、动脉粥样硬化、结核病等多种疾病。80年代初，发现钒与情感紊乱有关。钒在自然界含量丰富，分布广泛，是人体的一种必需微量元素。钒对生长发育、心血管、肾脏、钠钾泵（调节机体钠钾离子的生理机能）及机体代谢均有重要作用。
钒有明显促进骨和牙齿中无机间质沉积的作用，对骨骼和牙齿的正常发育有影响，故缺钒会发生大量龋齿。钒有刺激造血功能的作用。试验发现，钒可促进铁的利用，增加血红蛋白的再生。
钒酸盐对动物的耳、眼、大脑等器官的生理过程也有影响。钒的药理作用是多种多样的，它包括影响心肌收缩，刺激某些细胞分裂及抗癌作用。另外，低钒摄入或降低体内钒水平药物的运用已被证实与躁狂抑郁型精神病的发作有关。迄今为止所发现的钒的最有吸引力的药理作用是其胰岛素样作用。钒可活化细胞胰岛受体，导致细胞糖转运蛋白数量的增加。
（2）锰 锰作为人体必需微量元素以离子形式存在于体内，总含量仅有12～20mg，主要分布在肌肉、肝脏、肾脏和大脑内，人体所摄取的锰在肠道内被吸收，但吸收率仅有3%。锰在体内经过营养代谢后，绝大部分经由肠道排泄。
锰是人体内多种酶的成分，与人体健康的关系十分密切，因此有人将锰称作“益寿元素”。近年来的研究表明，体内的超氧化物歧化酶（SOD）具有抗衰老作用，而此酶内就含有锰。
人类锰缺乏可危害健康，但无典型而独立的症状，表现出以下几种临床病症。骨质疏松症的发生与血液内缺锰有关。人体的骨骼中有“成骨细胞”和“破骨细胞”，二者相辅相成共同维持骨骼的正常代谢。当体内长期锰缺乏时，破骨细胞的“破骨”作用增强而成骨细胞的活性受到抑制，骨孔增大，于是骨组织的强度和硬度均下降、韧性减退，变得疏松薄脆，受外力易发生骨折。
骨骼畸形、软骨受损是缺锰的又一表现。酸性黏多糖是构成软骨与骨组织的重要成分，硫酸软骨素也是构成骨骼与软骨、肌腱、皮肤和眼角膜的重要成分。酸性黏多糖和硫酸软骨素在体内的合成过程需要含锰的酶参与。当体内锰缺乏时，含锰酶的活性下降，这两种物质合成减少，于是发生骨骼畸形、软骨受损。尤其是中老年人易出现疲劳乏力、腰酸背痛、牙齿早脱、骨骼畸形且易断裂、角膜云翳（角膜浑浊治愈后形成的云状疤痕）等，儿童则是生长发育迟滞。
缺锰还易加速衰老。人体甲状腺分泌出的甲状腺素是一种统筹调节全身生命物质代谢的激素，然而这需要在锰的参与下才能发挥其正常功效。此外，人体细胞的正常分裂增殖以及体内蛋白质的合成过程，也都需要有锰的参与才能实现。缺锰时便可出现上述生理功能的退行性改变，皮肤角化过度，加速老年人的衰老进程。同时，体内的超氧化物歧化酶具有抑制和消除体内有害的“氧自由基”、防止脂质过氧化的功效，从而起到抗氧化、抗疲劳、抑制癌症尤其是抗衰老作用。然而此酶必须在锰的催化下才有上述作用。由此可见，体内缺锰可加速衰老，适量的锰可益寿。
体内严重缺锰可导致不孕症，甚至出现死胎、畸胎和孕妇死亡。缺锰可使男性雄性激素分泌减少、性功能低下、睾丸萎缩、精子减少等。
此外，有人研究认为中医学上常讲的“肾虚”，实质上是内分泌系统功能低下的表现，这与微量元素锰和锌的缺乏紧密相关。
锰虽然不是维生素的成分，但与维生素A、维生素B、维生素C的代谢有密切关系，并刺激抗毒素的形成。由此可见，缺锰时可影响维生素的合成及发挥其作用，从而降低机体抗病能力。
脑正常功能的发挥也需要锰，缺锰可使人智力减退、儿童多动，甚至使人患惊厥、诱发癫痫（羊角风）和精神分裂症等精神病。
（3）硅 动物实验表明，硅与骨骼的生长及结构有关。摄入不足，可使骨骼含硅量减少，补硅后骨骼中的硅显著增加，骨生长旺盛的地方有硅渗入。在骨化过程中，硅与钙的含量呈正相关。缺硅可使动物生长迟缓，骨骼异常、畸形（特别是头颅畸形），牙齿的釉质发育不良。
试验表明，软骨的正常生长需要硅，尤其在胚胎时期特别明显，补充硅者比硅不足者软骨可增加7倍。硅可以促进结缔组织细胞形成细胞外的软骨基质，硅也是胶原的成分。
硅是重要的交联剂，它能在单个黏多糖内部或其彼此间形成连接或桥梁，并将黏多糖连接到蛋白质上。通过这种方式，硅帮助结缔组织发展纤维性成分结构，从而增加其弹性和强度（如血管壁的弹性和韧度），有助于维持结构的完整性。
硅对心血管有保护作用。流行病学调查表明，芬兰、英国等地水中含硅量与心血管疾病发病率呈负相关。在英国，饮水含硅量为17mg/L的地区，冠心病死亡率低；而饮水含硅量为7.6mg/L的地区，冠心病死亡率高。芬兰东部饮水硅含量为4.8mg/L，冠心病死亡率高；而芬兰西部饮水硅含量为7.7mg/L，冠心病的死亡率低于东部。
人体动脉中的硅含量随着年龄的增长和动脉粥样硬化的形成而降低，硅的抗动脉粥样硬化作用可能与其保护弹力纤维和间质的完整性从而减少粥样斑块的形成有关。
硅是一个与长寿有关的元素，老年人血管壁中的硅含量低于年轻人。硅具有维持血管正常弹性的作用，在硬化的血管壁上，硅含量较低，而动脉硬化必然导致衰老。
（4）硼 研究表明，骨是硼的贮存部位，硼不足可致血碱性磷酸酶增加并产生骨质疏松症。硼可以活化体内荷尔蒙，促进骨质之重建和沉积。
对各种原因所致的甲状腺功能亢进，硼有改善作用。在患类风湿性关节炎时骨及滑膜液中硼含量降低。硼尤其能改善体内雌激素不足所致的骨质疏松症。给予绝经后妇女不同剂量的硼饮食，高硼饮食者血中雌激素及雄激素浓度增加，尿中钙排泄量减少。
前列腺癌一直是男人的最大杀手。一个既能治病又能解馋的方法就是吃香草冰激凌，这是因为香草冰激凌里有一种叫做硼的元素，体内的硼越多，前列腺癌的发病机会就越少。
（5）铜 铜是人体中不可缺少的微量元素。成人体内含铜50～120mg。它是体内蛋白质和酶的重要成分，许多关键的酶需要铜的参与和活化，从而对机体的代谢过程产生作用，促进人体的许多功能。这就是如此微量的铜会对生命产生重要影响的主要原因。已知铜在保持人体免疫功能和骨骼强度，红、白血细胞的发育，胆固醇和葡萄糖的代谢，维持体内平衡，防止氧化损伤和发炎，维护心脏健康，铁的传递和吸收，头脑的发育等方面起重要作用。
缺铜会妨碍婴儿和儿童的生长和发育，对成年人会引起各种代谢问题。摄入过量铜对健康也会带来不良影响。世界卫生组织下属的“国际化学制品安全规划委员会”于1996年得出结论：“铜摄入不足对健康影响的危险性比摄入过量铜更大”。
（6）锌 锌是人体内含量最多的微量元素，它可增强人体免疫系统的功能，更是儿童生长发育必不可少的。锌对皮肤有很强的防护作用，可以使皮肤光泽富有弹性。医学临床实践表明，锌与维生素A联用，可以抑制粉刺的生长。含锌的药水可以医治疱疹，含锌的药膏可加快伤口愈合。锌在维生素A的新陈代谢中扮演着重要的角色，这也和黏膜及皮肤的健康有关。锌又与维生素C结合，参与体内胶原蛋白的合成，因此缺锌的人伤口愈合得多花点时间。含锌的软膏对于割伤及烫伤等皮肤创伤也特别有效，也可以减少伤口感染的危险。
锌对儿童的生长发育有着重要的生理意义，锌缺乏时各种症状就会出现。锌缺乏的主要表现有生长发育迟缓、厌食或异食症。智力发育与锌也有很大关系，这是因为锌可以影响脑中一些神经传导通路的功能。缺锌的孩子还会表现出一些行为上的改变，比如不爱动、情绪低落或好发脾气等，补充锌后这些表现可以得到明显好转。
（7）碘 成人体内含碘25～36mg，大部分（约15mg）集中在甲状腺内供合成甲状腺激素之用。我国和埃及在古代就知道采用含碘丰富的海藻治疗甲状腺肿。1816年英国医生Prout开始直接用碘剂（碘酸钾）治疗甲状腺肿。1830年Prevost提出地方性甲状腺肿可能由于碘缺乏，并于1846年指出引起这种病的具体原因是由于当地饮水和空气中缺碘。1914～1915年Kendall分离出了甲状腺中的含碘有效成分之一甲状腺素。1917～1918年DavidMarine等通过补充碘有效地降低了甲状腺肿病流行区的发病率。
碘在人体内主要参加甲状腺素的生成，其生理功能也通过甲状腺素的生理作用显示出来。主要功能是调节能量的转换、调节蛋白质合成和分解、促进糖和脂肪代谢、调节组织中水盐的代谢、促进维生素的吸收和利用、活化许多重要酶、促进生长发育。
成人缺碘可引起甲状腺肿，胎儿期和新生儿期缺碘可引起呆小病。碘摄入过量可发生碘性甲状腺肿、碘性甲状腺毒症。
（8）铁 由于铁是血红素分子的组分，在氧和电子的输送中起着核心作用，因此，它对高级形式的生命是必需的，也是人体最重要的营养素之一。和其他微量元素相比，它对人的生命和健康具有更直接更敏感的影响。
由于缺铁性贫血对人类健康（特别是对于女青年和妊娠妇女）造成危害，所以很早就通过这种病的观察研究而认识到铁对健康的重要。我国古代劳动人民早就发现中药皂矾可以治疗“血虚萎黄”，而皂矾的主要成分就是硫酸铁。1831年Blaud也已开始用二价铁治疗单纯性贫血。
铁在体内的生理功能主要是作为血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素等的组成部分而参与体内氧的运送和组织呼吸过程。血红蛋白能与氧可逆地结合，当血液流经氧分压较高的肺泡时，血红蛋白能与氧结合成氧合血红蛋白；而当血液流经氧分压较低的组织时，氧合血红蛋白又离解而成血红蛋白和氧，从而完成把氧从肺泡送至组织的任务。肌红蛋白能在组织内贮存氧，细胞色素能在细胞呼吸过程中起转运电子的作用。
（9）硒 硒广泛分布于除脂肪以外的所有组织中，其浓度以肝、胰、肾、心、脾、牙釉质和指甲中为最高，脂肪组织最低。
硒在人和动物体内起抗氧化作用，它能使细胞膜中的脂类免受过氧化氢和其他过氧化物的作用，从而保护了细胞膜和细胞；硒可以促进生长，缺硒时动物生长停滞或受到不同程度的影响；硒保护心血管和心肌的健康，能降低心血管病的发病率；硒和金属有很强的亲和力，是一种天然的对抗重金属的解毒剂，能解除体内重金属的毒性作用；硒还可以降低黄曲霉毒素B1的毒性，有保护视力、抗肿瘤等作用。多数病例证实，用亚硒酸钠与维生素E治疗儿童早期大骨节病可以取得显著疗效，说明大骨节病与缺硒密切相关。
（10）氟 正常成人体内含氟总量为2～3g，约有90%积存于骨骼及牙齿中，少量存在于内脏、软组织及体液中，现在一些国家的营养标准中已将氟列入必需目录。食物及饮水中缺氟可引起龋齿，它不仅对于牙齿而且对于骨骼的形成与代谢均有重要作用。
骨盐中的氟多时，骨质坚硬，而且适量的氟有利于钙和磷的利用及在骨骼中沉积，可加速骨骼的形成，促进生长，并维护骨骼的健康。氟也是牙齿的重要成分，氟被牙釉质中的羧磷灰石吸附后，在牙齿表面形成一层抗酸性腐蚀的、坚硬的氟磷灰石保护层，有防止龋齿的作用。缺氟时，由于釉质中不能形成氟磷灰石而使羧磷灰石结构得不到保护，牙釉质易被微生物、有机酸和酶侵蚀而发生龋齿。老年人缺氟时，钙、磷的利用受到影响，可导致骨质疏松，因此氟对骨质疏松症有一定的预防作用。在水中含氟较高（4～9mg/L）地区的居民中患骨质疏松症的较少。
大部分食品含氟量较高。饮水是氟的重要来源，水中氟含量因地区而异，水中最适氟含量为1mg/L，这样可使儿童每日得到0.5～1.0mg的氟，使成人得到1.5～2mg的氟。
摄入过量的氟可引起急性或慢性中毒。氟的慢性中毒主要发生于高氟地区，因长期通过饮水摄入过量的氟而引起，主要造成对骨和牙的损害，即所谓氟骨病，在我国黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津、山西、陕西、河南、山东、宁夏、贵州等地均有流行，其临床表现为斑釉症和骨损害。牙齿失去光泽，出现白色、黄色、棕褐色乃至黑色斑点，牙齿变脆，易于折碎或脱落。对骨的损害易发生躯干骨，严重者全身大部分骨骼均可受累，骨质密度增加与纹理粗糙，间有轻度软化及疏松的改变。轻度者仅有腰腿疼痛，严重者脊柱前弯畸形、僵直，肢体活动严重受限，神经根受压迫时则可发生麻木甚至瘫痪。
（11）钴 人体全身含钴1.1mg，含量最高的组织是肝、肾和骨。血液中红细胞的钴含量高于血浆，每毫升血浆含钴60～80μg，全血含钴80～300μg。体内的钴主要作为维生素B12的成分而存在，因此，钴的作用主要体现在维生素B12的作用中——促进红细胞的正常成熟。
钴除了作为维生素B12的成分外，还可引起红细胞生成增加。此外，有迹象显示钴可影响甲状腺代谢，在地方性甲状腺肿和水、土壤和食物中的含钴量之间存在着某种联系。
（12）铬 人体的含铬量甚微，约为6mg或更低，其中骨、皮肤、脂肪、肾上腺、大脑和肌肉中的含量较高，血清中的铬含量低（10μg/mL）。人体组织的铬含量随着年龄的增长而降低。
铬作为一个辅助因子在糖代谢中对启动胰岛素有作用，因此铬有促进胰岛素的功能；铬可能对血清胆固醇内环境稳定有作用，可以预防动脉硬化；铬可以促进蛋白质代谢和生长发育，缺铬影响动物生长发育。
（13）钼 人体含钼总量约为9mg，分布于全身组织和体液中，其中肝、肾、骨和皮肤中含量最高。
钼在人体内可与酸、激素、维生素及核酸等一起保持生命的代谢过程；钼是一些脱氢酶的辅基成分，是人体内黄嘌呤氧化酶、亚硫酸氧化酶、醛氧化酶的重要组成部分，这几种酶对人体的氧化代谢、铁代谢及毒性醛类的排除，具有重要的生物化学功能；钼参与细胞内电子的传递，能影响肿瘤的发生，具有保护正常细胞遗传物质不受致癌物侵袭的作用及增强人体对致癌物造成损失的修复能力。食道癌组织中钼的含量也显著低于正常细胞组织，揭示出人体内外钼的含量与食道癌的发病率及死亡率的密切相关性。
在缺钼环境中生长的植物硝酸盐和亚硝酸盐大量积聚，而亚硝酸盐被人体吸收后可转变为亚硝胺，是世界公认的四大强致癌化学物质之一。据调查，我国食道癌高发病区钼的含量，只占低发病区钼含量的1/24；粮食中钼的含量以及人体发钼、尿钼、血清钼的含量也明显低于中、低发病区。钼对植物体内维生素C的合成、含量和分解具有一定的作用，缺钼时植物体内维生素C含量降低，而维生素C具有一定的防癌、抗癌作用。
人的牙釉质中含有丰富的钼，钼可增强氟的作用，饮用同时含钼和含氟的水比饮用单独含氟的水更能降低龋齿的发病率。
一些疾病中可以观察到全血含钼量的变化，如白血病患者血钼增高，贫血患者钼含量降低。
人通过饮水摄入而出现钼中毒的现象未见报道，除特殊情况外，一般不会引起中毒。人若持续吸收高浓度的钼，会出现体重下降、痛风、贫血、停止成长，严重时会导致死亡。在这种情况下，可补充铜、硫酸盐、蛋氨酸、含硫的氨基酸，或供入较多的蛋白质以促进钼的排出，抑制中毒。
成年人每日正常的钼摄取量为50～100μg，世界卫生组织推荐量为每日每公斤体重2μg。
（14）镍 今已发现镍对于大鼠、猪、羊3种动物是必需的，并推断它也为人体所必需。
人体含镍总量为6～10mg，广泛分布于骨骼、肺、肾、皮肤等器官和组织中，其中以骨骼中的浓度较高。血清中的镍含量为1.1～4.6μg/L。镍的吸收部位在小肠，吸收率很低，吸收后经代谢主要从粪便排出，尿中排出量较少，每天为2～20μg。
Nielsen等根据动物试验资料推断，成人每天需由膳食提供约30μg的镍。由于植物性食物含镍较高，因此一般混合膳食能供应足够的镍。人们通常每日可从膳食中得到100～200μg的镍。现在还没有人体因缺乏镍而引起的营养缺乏的证据，只是在一些疾病中，如肝硬化、慢性肾功能不全的病人血清中含镍量降低。
（15）锶 锶是人体所需的微量元素，人体中几乎所有的组织都含有锶。锶主要分布在骨骼中，约占人体锶总量的90%。锶是人体牙齿及骨骼的正常组成部分，在人体内的代谢与钙极为相似，能促进骨骼发育生长。缺锶会引起龋齿、骨质疏松、阻碍新陈代谢、产生牙齿和骨骼发育不正常等症状。
经研究发现，锶与钙、镁、硅、锂一样，可降低心血管病的死亡率，其机制是锶在肠道内与钠竞争，从而减少钠的吸收，并增加钠的排泄。近年来调查发现冠心病、肺心病病人头发内锶含量明显低于健康人。长寿老人聚居地土壤和水中的锶明显高于对照组地区，这些都表明锶与维持人体正常生理功能有密切关系。
2.1.4 无机盐在人体内的作用
综上所述，无机盐在人体内的主要作用是构成机体组织和维持正常的生理功能，而每一种元素又具有各自特殊的作用，归纳起来，具有以下几个方面。
①构成机体组织。如钙、磷、镁是骨骼和牙齿的主要成分，并使骨骼具有一定的强度和硬度。磷、硫是构成组织蛋白的成分，而这些组织蛋白构成人体的肌肉器官、血细胞及其他软组织。
②矿物质与蛋白质协同维持细胞内、外液的正常渗透压和排泄，维持细胞质体液的酸碱平衡。
③在体液中的各种离子，如钾、钠、钙、镁以一定的比例维持肌肉和神经的兴奋性以及细胞膜的通透性。
④无机元素是体内具有特殊性生理功能的重要物质成分，如血红蛋白和细胞色素酶系中的铁、甲状腺激素中的碘和谷胱甘肽、过氧化物酶中的硒。
⑤矿物质是机体内很多酶的激活剂和组成成分。如盐酸与胃蛋白酶原；氯离子与唾液淀粉酶；镁离子与氧化磷酸化的多种酶类。
机体在新陈代谢过程中，随时都有一定量的矿物质以不同的途径排出体外，因而必须及时给予适量补充。矿物质在食物包括饮用水中广泛存在，所以一般不易引起缺乏，但不同的生理状况和不同的地理环境或其他特殊条件会引起某些元素的缺乏或过量，导致诸如克山病、大骨节病、氟骨病等地方病的发生，这些地方病大多数与饮水中的某些矿物元素缺乏或过量有关。
2.1.5 元素之间的作用
（1）协同作用与拮抗作用 以上所述的诸种元素对人类健康的影响，都未考虑元素之间的相互作用，这些相互作用医药学上分为协同作用和拮抗作用。
在相同剂量条件下，若元素或药物之间的作用相互增强，多种元素或药物的共同作用大于单独作用之和时，称之为协同作用；反之，若元素或药物之间的作用相互抵消，多种元素或药物的共同作用小于单独作用之和时，称之为拮抗作用。这是元素或药物之间相生相克的现象。
通过饮水进入人体内的各种矿物元素，与通过食物或空气等其他途径进入人体内的矿物元素之间，都存在这种相互作用。这种作用使得分析水中某种矿物元素与健康的关系变得十分复杂和困难。例如：①铜和铁起生理协同作用，没有铜，铁就不能进入血红蛋白分子，铁足而铜缺同样可以发生贫血；②铜和锌与镉之间都显示拮抗作用。低铜时，对镉的耐受性降低，锌似乎可以减弱镉的毒性；③缺铁时锰的吸收显著减少，铁可拮抗锡的毒性；④硫、硒和砷之间互相拮抗，可以减弱彼此的毒性；⑤烷基汞的毒性可以显著地被硒所减弱；⑥钼与钙、镁、钒、铁、铜、钨、磷、硫的关系密切。
以上这些资料可以看出矿物元素关系的复杂性，同时也说明目前有关矿物元素与健康的认识是远远不够的。
（2）取代关系 元素之间还存在取代关系。如锂能取代钠；铷或铯能取代钾；锶能取代钙；铍能取代镁；汞、镉、银和金能取代铜；钨能取代钼；铌能取代钒；锝能取代锰；钌能取代铁；铑能取代钴；钯能取代镍；砷能取代磷；碲、硒能取代硫；溴能取代氯，等等。
这种取代关系的存在，就可能出现一些人体必需元素被非必需元素所取代，从而危害健康，甚至引起疾病。