早在对香烟、滴滴涕、石棉或臭氧空洞进行激烈辩论之前，大多数美国人只听说过一场环境健康争议：氟化。从 20 世纪 50 年代开始，美国数百个社区卷入了关于是否应将氟化物（含有元素氟的离子化合物）添加到供水系统的激烈争论中。一方是来自政府和行业的广泛科学家联盟，他们认为在饮用水中添加氟化物可以保护牙齿免受腐烂；另一方是活动家，他们认为氟化的风险研究不足，并且这种做法等同于强制用药，因此侵犯了公民自由。
氟化物的倡导者最终占据了上风，部分原因是他们嘲笑反对者，例如右翼的约翰·伯奇协会，该协会称氟化是共产党毒害美国的阴谋。今天，美国近 60% 的人口饮用氟化水，包括美国 50 个最大城市中的 46 个城市的居民。在美国境外，氟化已 распространиться 到加拿大、英国、澳大利亚、新西兰和其他一些国家。在这些国家以及美国，主流研究人员和公共卫生机构普遍将该做法的批评者视为讨厌鬼或狂热分子。（然而，在其他国家，水氟化很少见且备受争议。）美国疾病控制与预防中心甚至将水氟化列为 20 世纪 10 项最伟大的健康成就之一，与疫苗和计划生育并列。
然而，现在，对于氟化的科学态度可能开始在这个做法开始的国家发生转变。美国国家研究委员会 (NRC) 的一个委员会花费了两年多的时间审查和辩论数百项研究，于 2006 年发布了一份报告，该报告为一些长期以来反氟化运动人士提出的断言赋予了一丝合法性。该报告的结论是，环境保护署目前对饮用水中氟化物的限制——每升四毫克 (mg/L)——应该降低，因为这对儿童和成人的健康都有风险。在儿童中，持续接触该水平的氟化物会导致正在萌出的恒牙变色和变形——这种情况称为牙齿氟斑牙。在成人中，相同的氟化物水平似乎会增加骨折的风险，并且可能增加中度骨骼氟中毒的风险，这是一种关节疼痛僵硬的疾病。大多数氟化水的氟化物含量远低于环保署的限制，但情况令人担忧，因为我们从食物、饮料和牙科产品中摄取的额外氟化物量存在很大的不确定性。更重要的是，NRC 小组指出，氟化物还可能引发更严重的健康问题，包括骨癌以及对大脑和甲状腺的损害。尽管这些影响尚未得到证实，但该小组认为它们值得进一步研究。
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对氟化物影响进行的最大规模的长期调查是爱荷华州氟化物研究，由爱荷华大学牙科学院的 Steven M. Levy 指导。在过去的 16 年里，Levy 的研究团队密切跟踪了大约 700 名爱荷华州儿童，试图梳理出先前研究可能忽略的氟化的细微影响。与此同时，Levy 还领导了一项有史以来最广泛的努力之一，旨在测量数千种产品（包括食品、饮料和牙膏）中的氟化物浓度，以制定典型的氟化物摄入量可信估计值。
这是一个令人恼火的复杂研究领域，因为饮食、刷牙习惯和水氟化水平差异很大，而且遗传、环境甚至文化因素似乎使某些人比其他人更容易受到氟化物的影响——无论是积极的还是消极的。尽管存在所有不确定性，但 Levy 和其他一些氟化物研究人员已经转变为一种观点，即一些儿童，特别是非常年幼的儿童，可能摄入了过多的氟化物。包括 Levy 在内的大多数科学家仍然支持水氟化作为一种已证实可控制蛀牙的方法，尤其是在口腔卫生较差的人群中。但研究人员也认为，在牙科保健良好的社区，氟化的理由不如以前那么充分。“我们不应该只是一味地推动增加氟化物，我们需要找到正确的平衡点，”Levy 说。
氟化物的出现
Levy 会议室的墙上挂着半个多世纪前的牙膏广告画框。其中一幅宣传 Pebeco 牙膏的广告写道：“您想让您的牙齿疼痛并变得难看吗？”另一幅广告宣称“高露洁叶绿素牙膏消除口臭”。它们是氟化物时代之前的文物，当时蛀牙（在牙科术语中称为龋齿）非常普遍，而牙膏的营销带有可疑的医疗声明。
氟化物的引入改变了这一切。1945 年，密歇根州大急流城成为第一个对供水进行氟化的城市。十年后，宝洁公司推出了佳洁士，这是第一款氟化牙膏，其中含有氟化亚锡（一种含有一个锡原子和两个氟原子的化合物）。高露洁棕榄公司在 1967 年紧随其后，对其高露洁品牌进行了改造，加入了单氟磷酸钠，这已成为牙膏中主要的抗龋成分之一。大多数供水商最终没有坚持使用牙膏中发现的氟化物盐和牙医在办公室治疗中青睐的氟化物盐，而是转而采用更便宜的选择，即使用氟硅酸盐（如氟硅酸）进行氟化，氟硅酸是磷矿石用硫酸处理的化肥生产过程的副产品。
到 20 世纪 70 年代和 80 年代，美国充斥着各种形式的氟化物，氟化已成为大多数英语国家预防牙科的基石。龋齿发病率在同一时期下降的确切原因和程度尚有激烈争论，但牙科研究人员的共识是，下降幅度很大，氟化物功不可没。
这就是 Levy 在 20 世纪 80 年代中期开始从事公共卫生牙科工作时的文化背景。高露洁棕榄公司资助了他的早期研究，这起到了鼓励在牙科诊所更多地使用氟化物的作用。但随着美国牙医开始看到年轻患者的龋齿减少，牙齿氟斑牙增多，Levy 开始怀疑儿童是否摄入了过多的好东西。“我自己的想法经历了一个转变，从‘更多氟化物绝对是我们的目标’转变为确保我们了解龋齿和氟斑牙之间的正确平衡点。”
氟化物在引起一种疾病和阻止另一种疾病中的作用根植于氟离子对体内含钙组织的强大吸引力。事实上，超过 99% 的摄入氟化物不会很快排出体外，最终会进入骨骼和牙齿。氟化物通过两种不同的机制抑制龋齿。首先，接触牙釉质（牙齿坚硬的白色外层）的氟化物会嵌入到羟基磷灰石的晶体结构中，羟基磷灰石是牙齿和骨骼的主要矿物质成分。氟离子取代牙釉质羟基磷灰石分子中的一些羟基，这种取代使牙齿稍微更能抵抗口腔细菌在消耗食物残渣时分泌的牙釉质溶解酸。其次，牙齿表面的氟化物充当催化剂，增强钙和磷酸盐的沉积，使身体更容易持续重建细菌正在溶解的牙釉质晶体。
然而，当幼儿在恒牙仍在发育且尚未萌出时摄入大剂量氟化物时，氟化物会产生截然不同的效果。早期牙齿形成中的关键蛋白质称为釉原蛋白，它调节羟基磷灰石晶体的形成。随着晶体基质的形成，釉原蛋白分解并从成熟的牙釉质中去除。但是，当一些儿童摄入高剂量的氟化物时，氟化物通过消化道吸收并通过血液输送到发育中的牙齿，生化信号传导会出错，蛋白质会比平时更长时间地留在萌出的牙齿内，从而在晶体牙釉质结构中产生间隙。因此，当患有氟斑牙的牙齿最终萌出时，它通常颜色不均匀，有些部分比其他部分更白——这是一种视觉效果，是由光线从多孔牙釉质上折射造成的。在更严重的情况下，牙齿表面会出现凹坑，污渍呈棕色。营养和遗传会影响患氟斑牙的风险，但最重要的因素是摄入的氟化物量。
在国家牙科和颅面研究所的资助下，Levy 开始确定儿童摄入多少氟化物以及它如何影响他们的牙齿和骨骼。每日氟化物摄入量没有普遍接受的最佳水平——即在最大限度地保护牙齿免受蛀牙的同时，最大限度地减少其他风险的水平——但研究人员最常引用的范围是每天每公斤体重 0.05 至 0.07 毫克氟化物。在 20 世纪 90 年代初，当 Levy 研究中的儿童还是婴儿时，他发现其中超过三分之一的儿童摄入了足够的氟化物——主要通过水基婴儿配方奶粉、婴儿食品和果汁饮料——使他们面临患上轻度恒牙氟斑牙的高风险。随着他们在幼儿时期饮食的改变，这一比例仅略有下降——幼儿时期是未萌出牙齿牙釉质形成的关键时期。幼儿时期的典型氟化物摄入量仍然很高，部分原因是牙膏取代配方奶粉成为主要来源。尽管儿童和成人都应该在刷牙后吐出牙膏，但 Levy 在早期的一项研究中发现，幼儿平均实际上吞咽了超过一半的牙膏。
当爱荷华州的孩子们长到九岁，他们的恒前牙已经萌出时，很明显，早期接触氟化物确实留下了痕迹。在婴儿和幼儿时期摄入量高的儿童的前牙，与年轻时摄入较少氟化物的儿童相比，显示出氟斑牙的明显染色迹象的可能性高出两倍以上。随着他们的饮食范围扩大，他们的氟化物来源也扩大了。例如，Levy 的实验室进行的测试发现，许多种类的果汁饮料和苏打水都含有足够的氟化物（通常约为 0.6 毫克/升），因此每天饮用略多于一升的饮料将使典型的三岁儿童达到最佳摄入量水平，而无需计算任何其他日常来源。
Levy 的团队测试的数十种食品含有更高的氟化物浓度：例如，蔓越莓汁鸡尾酒平均为 0.73 毫克/升，冰棒为 0.71 毫克/升，牛肉肉汁为 0.99 毫克/升，罐装蟹肉为 2.10 毫克/升。在大多数情况下，氟化物来自加工过程中添加的水，尽管通过杀虫剂，更高的含量也进入了葡萄和葡萄干，通过磨碎的骨头进入了加工鸡肉产品，以及通过从土壤和水中吸收进入了茶叶。
Levy 发现，接触氟化饮用水是氟斑牙更重要的风险因素。在爱荷华州，居住在水氟化社区的儿童在九岁时，至少有两颗八颗恒前牙出现轻度氟斑牙的可能性，比居住在该州非氟化地区的儿童高 50%（前者为 33%，后者为 22%）。NRC 报告中也出现了类似的结果，该报告发现，氟化社区的婴儿和幼儿摄入的氟化物量约为他们应该摄入量的两倍。此外，该委员会指出，饮用超量水的成年人，包括运动员和劳动者，也超过了氟化物摄入量的最佳水平。
但是，牙釉质氟斑牙，除非在最严重的情况下，除了降低自尊外，对健康没有影响：牙齿上的痕迹难看且不会消失（尽管有掩盖治疗方法）。更重要的问题是，氟化物的影响是否会超出改变牙釉质形成的生物化学过程。加州大学旧金山分校牙科学院的长期氟化物研究员 Pamela DenBesten 说：“我们当然可以看到氟化物会影响蛋白质与矿化组织相互作用的方式，那么它在细胞水平上的其他地方会产生什么影响呢？氟化物非常强大，需要得到尊重对待。”
氟化物与骨骼
骨骼是寻找氟化物指纹的明显场所，因为大量氟化物储存在那里。更重要的是，对骨质疏松症（一种增加骨折风险的骨骼疾病）患者的研究表明，高剂量的氟化物可以刺激成骨细胞（骨骼构建细胞）的增殖，即使在老年患者中也是如此。确切的机制仍然未知，但氟化物似乎通过增加酪氨酸磷酸化蛋白的浓度来实现这一点，酪氨酸磷酸化蛋白参与成骨细胞的生化信号传导。然而，与牙釉质一样，氟化物不仅刺激骨骼矿化，而且似乎还会改变骨骼的晶体结构——在这种情况下，其影响不仅仅是美观。尽管氟化物可能会增加骨骼体积，但骨骼的强度显然会下降。流行病学研究和实验室动物试验表明，高氟化物暴露会增加骨折的风险，尤其是在老年人和糖尿病患者等脆弱人群中。尽管这些研究仍然存在争议，但 NRC 小组的 12 名成员中有 9 名得出结论，终生接触氟化水平为 4 毫克/升或更高的饮用水确实会增加骨折的风险。该委员会指出，较低的氟化水平也可能增加风险，但证据尚不明确。
随着爱荷华州研究中的儿童进入青春期，Levy 希望分析他们的脊柱、髋关节和整体骨骼强度将指出氟化物摄入量与骨骼健康之间可能存在的联系。他在 2007 年提出了一些初步数据，发现 11 岁儿童的骨骼矿物质含量基于他们在幼儿时期摄入多少氟化物几乎没有差异。然而，随着他们进入青春期，Levy 认为可能会出现趋势。
氟化物辩论中更大的问题是，这些已知的骨骼和牙齿细胞效应是否暗示氟化物正在影响其他器官并引发除氟斑牙以外的其他疾病。当前最大的争论是关于骨肉瘤——最常见的骨癌形式，也是儿童中第六大最常见的癌症。由于氟化物刺激成骨细胞的产生，一些研究人员认为它可能会在扩大的细胞群中诱发恶性肿瘤。美国政府国家毒理学计划于 1990 年进行的一项研究发现，饮用水中不同氟化物含量的雄性大鼠的骨肉瘤发病率呈正剂量反应关系（所有这些含量，与动物研究的典型情况一样，远高于氟化社区中的实际暴露量）。但其他动物研究以及人类群体中的大多数流行病学研究充其量是模棱两可的。
最近关于氟化物和骨肉瘤的争论是由哈佛大学牙科医学院的一位年轻研究员 Elise B. Bassin 发起的。Bassin 收集了 103 名骨肉瘤患者和 215 名匹配的对照受试者的氟化物暴露信息，并得出结论，氟化物是男孩患癌症的风险因素（女孩的结果尚不明确）。Bassin 的报告于 2006 年发表在《癌症病因与控制》杂志上；然而，在同一期杂志中，她在哈佛大学的论文导师 Chester Douglass 写了一篇评论，警告读者在解释她的研究结果时要“格外谨慎”，因为他说，更好的数据（尚未发表）与这些研究结果相矛盾。反氟化主义者和一些环保组织迅速为 Bassin 辩护，要求哈佛大学调查牙科学校流行病学教授兼系主任 Douglass，指控他歪曲 Bassin 的工作，并因担任高露洁资助的牙医通讯的主编而存在利益冲突。大学对 Douglass 的调查于 2006 年完成，结论是没有不当行为或利益冲突。
关于氟化物可能产生的神经系统影响的冲突同样激烈。20 世纪 90 年代初，当时在波士顿福赛斯研究所工作的 Phyllis Mullenix 报告说，对实验鼠的实验表明，氟化钠会在脑组织中积聚并影响动物行为，这引起了一场轩然大波。她报告说，产前暴露与幼鼠（尤其是雄性）的多动症有关，而出生后暴露则产生相反的效果，使雌性大鼠变成了 Mullenix 后来描述的“沙发土豆”。尽管她的研究最终发表在《神经毒理学与畸形学》杂志上，但它受到了其他科学家的攻击，他们说她的方法存在缺陷，并且她使用了不切实际的高剂量。然而，从那时起，中国的一系列流行病学研究将高氟化物暴露与较低的智商联系起来，研究还表明了一种可能的机制：氟化铝复合物的形成——模仿磷酸盐结构的小型无机分子，从而影响大脑中的酶活性。还有一些证据表明，水氟化中使用的氟硅酸盐可能会增强铅进入大脑的吸收。
内分泌系统是氟化物可能产生影响的另一个领域，存在一些证据。NRC 委员会的结论是，氟化物可以微妙地改变内分泌功能，尤其是在甲状腺中——甲状腺是产生调节生长和新陈代谢的激素的腺体。尽管研究人员不知道氟化物消耗如何影响甲状腺，但其影响似乎受到饮食和遗传的强烈影响。堪萨斯大学医学中心药理学和毒理学荣誉退休教授 John Doull 说，他是 NRC 委员会的主席：“甲状腺的变化确实让我担心。那里有一些事情需要探索。”
争议继续
NRC 报告的发布并未引发公众反对氟化的浪潮，也没有促使环保署迅速降低其 4 毫克/升的氟化物限值（该机构表示仍在研究该问题）。添加氟化物的供水商通常将氟化物水平保持在 0.7 至 1.2 毫克/升之间，远低于环保署的限值。大约 20 万美国人——以及中国、印度、中东、非洲和东南亚的数百万人——饮用浓度高于限值的水，但他们过量的氟化物来自含氟岩石和水源附近的土壤的天然径流。
然而，该报告正在促使一些研究人员思考，鉴于人们越来越认识到食品、饮料和牙科产品也是氟化物的主要来源，尤其是对于幼儿来说，即使是饮用水中的 1 毫克/升是否也过高。NRC 委员会没有正式解决这个问题，但其分析表明，较低的水氟化水平也可能构成风险。“委员会发现的是，多年来，我们一直保持着关于氟化物的现状——实际上时间太长了——现在我们需要重新审视，”Doull 说。“在科学界，人们倾向于认为这个问题已经解决了。我的意思是，当美国卫生局局长站出来说这是 20 世纪 10 项最伟大的成就之一时，这是一个很难逾越的障碍。但是当我们查看已完成的研究时，我们发现许多问题尚未解决，而且我们掌握的信息比我们应该掌握的要少得多，考虑到[氟化]已经进行了这么长时间。我认为这就是为什么氟化在开始这么多年后仍然受到挑战的原因。面对无知，争议猖獗。”
然而，一些长期的氟化物研究人员仍然对牙齿和骨骼以外的影响证据不以为然，他们继续推动在美国和其他地方扩大水氟化。他们的观点仍然是美国牙科协会和美国公共卫生署的官方立场。“我们认为，仍然有足够多的社区龋齿率很高，足以证明需要进一步氟化，”纽约州卫生部口腔健康监测和研究主任 Jayanth V. Kumar 说，他也是 NRC 小组的成员，对该小组的一些发现持不同意见。然而，他承认，在营养和牙科保健良好的富裕地区，水氟化的理由并不那么充分。“今天，这取决于社区的龋齿水平。如果疾病水平较低，[氟化]的投资回报可能不会那么大。”
与此同时，氟化的反对者受到了 NRC 报告的鼓舞。“委员会所做的事情非常非常重要，因为这是第一次有一个真正平衡的小组审视这个问题并提出了重要问题，”圣劳伦斯大学化学教授兼氟化物行动网络（全球最活跃的反氟化组织之一）执行主任 Paul Connett 说。“我绝对相信这是一个科学转折点，因为现在一切都摆在桌面上了。氟化物是美国消费量最大的药物，现在是我们讨论它的时候了。”