早在對香菸、滴滴涕、石棉或臭氧空洞進行激烈辯論之前，大多數美國人只聽說過一場環境健康爭議：氟化。從 20 世紀 50 年代開始，美國數百個社群捲入了關於是否應將氟化物（含有元素氟的離子化合物）新增到供水系統的激烈爭論中。一方是來自政府和行業的廣泛科學家聯盟，他們認為在飲用水中新增氟化物可以保護牙齒免受腐爛；另一方是活動家，他們認為氟化的風險研究不足，並且這種做法等同於強制用藥，因此侵犯了公民自由。
氟化物的倡導者最終佔據了上風，部分原因是他們嘲笑反對者，例如右翼的約翰·伯奇協會，該協會稱氟化是共產黨毒害美國的陰謀。今天，美國近 60% 的人口飲用氟化水，包括美國 50 個最大城市中的 46 個城市的居民。在美國境外，氟化已 распространиться 到加拿大、英國、澳大利亞、紐西蘭和其他一些國家。在這些國家以及美國，主流研究人員和公共衛生機構普遍將該做法的批評者視為討厭鬼或狂熱分子。（然而，在其他國家，水氟化很少見且備受爭議。）美國疾病控制與預防中心甚至將水氟化列為 20 世紀 10 項最偉大的健康成就之一，與疫苗和計劃生育並列。
然而，現在，對於氟化的科學態度可能開始在這個做法開始的國家發生轉變。美國國家研究委員會 (NRC) 的一個委員會花費了兩年多的時間審查和辯論數百項研究，於 2006 年釋出了一份報告，該報告為一些長期以來反氟化運動人士提出的斷言賦予了一絲合法性。該報告的結論是，環境保護署目前對飲用水中氟化物的限制——每升四毫克 (mg/L)——應該降低，因為這對兒童和成人的健康都有風險。在兒童中，持續接觸該水平的氟化物會導致正在萌出的恆牙變色和變形——這種情況稱為牙齒氟斑牙。在成人中，相同的氟化物水平似乎會增加骨折的風險，並且可能增加中度骨骼氟中毒的風險，這是一種關節疼痛僵硬的疾病。大多數氟化水的氟化物含量遠低於環保署的限制，但情況令人擔憂，因為我們從食物、飲料和牙科產品中攝取的額外氟化物量存在很大的不確定性。更重要的是，NRC 小組指出，氟化物還可能引發更嚴重的健康問題，包括骨癌以及對大腦和甲狀腺的損害。儘管這些影響尚未得到證實，但該小組認為它們值得進一步研究。
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對氟化物影響進行的最大規模的長期調查是愛荷華州氟化物研究，由愛荷華大學牙科學院的 Steven M. Levy 指導。在過去的 16 年裡，Levy 的研究團隊密切跟蹤了大約 700 名愛荷華州兒童，試圖梳理出先前研究可能忽略的氟化的細微影響。與此同時，Levy 還領導了一項有史以來最廣泛的努力之一，旨在測量數千種產品（包括食品、飲料和牙膏）中的氟化物濃度，以制定典型的氟化物攝入量可信估計值。
這是一個令人惱火的複雜研究領域，因為飲食、刷牙習慣和水氟化水平差異很大，而且遺傳、環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響——無論是積極的還是消極的。儘管存在所有不確定性，但 Levy 和其他一些氟化物研究人員已經轉變為一種觀點，即一些兒童，特別是非常年幼的兒童，可能攝入了過多的氟化物。包括 Levy 在內的大多數科學家仍然支援水氟化作為一種已證實可控制蛀牙的方法，尤其是在口腔衛生較差的人群中。但研究人員也認為，在牙科保健良好的社群，氟化的理由不如以前那麼充分。“我們不應該只是一味地推動增加氟化物，我們需要找到正確的平衡點，”Levy 說。
氟化物的出現
Levy 會議室的牆上掛著半個多世紀前的牙膏廣告畫框。其中一幅宣傳 Pebeco 牙膏的廣告寫道：“您想讓您的牙齒疼痛並變得難看嗎？”另一幅廣告宣稱“高露潔葉綠素牙膏消除口臭”。它們是氟化物時代之前的文物，當時蛀牙（在牙科術語中稱為齲齒）非常普遍，而牙膏的營銷帶有可疑的醫療宣告。
氟化物的引入改變了這一切。1945 年，密歇根州大急流城成為第一個對供水進行氟化的城市。十年後，寶潔公司推出了佳潔士，這是第一款氟化牙膏，其中含有氟化亞錫（一種含有一個錫原子和兩個氟原子的化合物）。高露潔棕欖公司在 1967 年緊隨其後，對其高露潔品牌進行了改造，加入了單氟磷酸鈉，這已成為牙膏中主要的抗齲成分之一。大多數供水商最終沒有堅持使用牙膏中發現的氟化物鹽和牙醫在辦公室治療中青睞的氟化物鹽，而是轉而採用更便宜的選擇，即使用氟矽酸鹽（如氟矽酸）進行氟化，氟矽酸是磷礦石用硫酸處理的化肥生產過程的副產品。
到 20 世紀 70 年代和 80 年代，美國充斥著各種形式的氟化物，氟化已成為大多數英語國家預防牙科的基石。齲齒髮病率在同一時期下降的確切原因和程度尚有激烈爭論，但牙科研究人員的共識是，下降幅度很大，氟化物功不可沒。
這就是 Levy 在 20 世紀 80 年代中期開始從事公共衛生牙科工作時的文化背景。高露潔棕欖公司資助了他的早期研究，這起到了鼓勵在牙科診所更多地使用氟化物的作用。但隨著美國牙醫開始看到年輕患者的齲齒減少，牙齒氟斑牙增多，Levy 開始懷疑兒童是否攝入了過多的好東西。“我自己的想法經歷了一個轉變，從‘更多氟化物絕對是我們的目標’轉變為確保我們瞭解齲齒和氟斑牙之間的正確平衡點。”
氟化物在引起一種疾病和阻止另一種疾病中的作用根植於氟離子對體內含鈣組織的強大吸引力。事實上，超過 99% 的攝入氟化物不會很快排出體外，最終會進入骨骼和牙齒。氟化物透過兩種不同的機制抑制齲齒。首先，接觸牙釉質（牙齒堅硬的白色外層）的氟化物會嵌入到羥基磷灰石的晶體結構中，羥基磷灰石是牙齒和骨骼的主要礦物質成分。氟離子取代牙釉質羥基磷灰石分子中的一些羥基，這種取代使牙齒稍微更能抵抗口腔細菌在消耗食物殘渣時分泌的牙釉質溶解酸。其次，牙齒表面的氟化物充當催化劑，增強鈣和磷酸鹽的沉積，使身體更容易持續重建細菌正在溶解的牙釉質晶體。
然而，當幼兒在恆牙仍在發育且尚未萌出時攝入大劑量氟化物時，氟化物會產生截然不同的效果。早期牙齒形成中的關鍵蛋白質稱為釉原蛋白，它調節羥基磷灰石晶體的形成。隨著晶體基質的形成，釉原蛋白分解並從成熟的牙釉質中去除。但是，當一些兒童攝入高劑量的氟化物時，氟化物透過消化道吸收並透過血液輸送到發育中的牙齒，生化訊號傳導會出錯，蛋白質會比平時更長時間地留在萌出的牙齒內，從而在晶體牙釉質結構中產生間隙。因此，當患有氟斑牙的牙齒最終萌出時，它通常顏色不均勻，有些部分比其他部分更白——這是一種視覺效果，是由光線從多孔牙釉質上折射造成的。在更嚴重的情況下，牙齒表面會出現凹坑，汙漬呈棕色。營養和遺傳會影響患氟斑牙的風險，但最重要的因素是攝入的氟化物量。
在國家牙科和顱面研究所的資助下，Levy 開始確定兒童攝入多少氟化物以及它如何影響他們的牙齒和骨骼。每日氟化物攝入量沒有普遍接受的最佳水平——即在最大限度地保護牙齒免受蛀牙的同時，最大限度地減少其他風險的水平——但研究人員最常引用的範圍是每天每公斤體重 0.05 至 0.07 毫克氟化物。在 20 世紀 90 年代初，當 Levy 研究中的兒童還是嬰兒時，他發現其中超過三分之一的兒童攝入了足夠的氟化物——主要透過水基嬰兒配方奶粉、嬰兒食品和果汁飲料——使他們面臨患上輕度恆牙氟斑牙的高風險。隨著他們在幼兒時期飲食的改變，這一比例僅略有下降——幼兒時期是未萌出牙齒牙釉質形成的關鍵時期。幼兒時期的典型氟化物攝入量仍然很高，部分原因是牙膏取代配方奶粉成為主要來源。儘管兒童和成人都應該在刷牙後吐出牙膏，但 Levy 在早期的一項研究中發現，幼兒平均實際上吞嚥了超過一半的牙膏。
當愛荷華州的孩子們長到九歲，他們的恆前牙已經萌出時，很明顯，早期接觸氟化物確實留下了痕跡。在嬰兒和幼兒時期攝入量高的兒童的前牙，與年輕時攝入較少氟化物的兒童相比，顯示出氟斑牙的明顯染色跡象的可能性高出兩倍以上。隨著他們的飲食範圍擴大，他們的氟化物來源也擴大了。例如，Levy 的實驗室進行的測試發現，許多種類的果汁飲料和蘇打水都含有足夠的氟化物（通常約為 0.6 毫克/升），因此每天飲用略多於一升的飲料將使典型的三歲兒童達到最佳攝入量水平，而無需計算任何其他日常來源。
Levy 的團隊測試的數十種食品含有更高的氟化物濃度：例如，蔓越莓汁雞尾酒平均為 0.73 毫克/升，冰棒為 0.71 毫克/升，牛肉肉汁為 0.99 毫克/升，罐裝蟹肉為 2.10 毫克/升。在大多數情況下，氟化物來自加工過程中新增的水，儘管透過殺蟲劑，更高的含量也進入了葡萄和葡萄乾，透過磨碎的骨頭進入了加工雞肉產品，以及透過從土壤和水中吸收進入了茶葉。
Levy 發現，接觸氟化飲用水是氟斑牙更重要的風險因素。在愛荷華州，居住在水氟化社群的兒童在九歲時，至少有兩顆八顆恆前牙出現輕度氟斑牙的可能性，比居住在該州非氟化地區的兒童高 50%（前者為 33%，後者為 22%）。NRC 報告中也出現了類似的結果，該報告發現，氟化社群的嬰兒和幼兒攝入的氟化物量約為他們應該攝入量的兩倍。此外，該委員會指出，飲用超量水的成年人，包括運動員和勞動者，也超過了氟化物攝入量的最佳水平。
但是，牙釉質氟斑牙，除非在最嚴重的情況下，除了降低自尊外，對健康沒有影響：牙齒上的痕跡難看且不會消失（儘管有掩蓋治療方法）。更重要的問題是，氟化物的影響是否會超出改變牙釉質形成的生物化學過程。加州大學舊金山分校牙科學院的長期氟化物研究員 Pamela DenBesten 說：“我們當然可以看到氟化物會影響蛋白質與礦化組織相互作用的方式，那麼它在細胞水平上的其他地方會產生什麼影響呢？氟化物非常強大，需要得到尊重對待。”
氟化物與骨骼
骨骼是尋找氟化物指紋的明顯場所，因為大量氟化物儲存在那裡。更重要的是，對骨質疏鬆症（一種增加骨折風險的骨骼疾病）患者的研究表明，高劑量的氟化物可以刺激成骨細胞（骨骼構建細胞）的增殖，即使在老年患者中也是如此。確切的機制仍然未知，但氟化物似乎透過增加酪氨酸磷酸化蛋白的濃度來實現這一點，酪氨酸磷酸化蛋白參與成骨細胞的生化訊號傳導。然而，與牙釉質一樣，氟化物不僅刺激骨骼礦化，而且似乎還會改變骨骼的晶體結構——在這種情況下，其影響不僅僅是美觀。儘管氟化物可能會增加骨骼體積，但骨骼的強度顯然會下降。流行病學研究和實驗室動物試驗表明，高氟化物暴露會增加骨折的風險，尤其是在老年人和糖尿病患者等脆弱人群中。儘管這些研究仍然存在爭議，但 NRC 小組的 12 名成員中有 9 名得出結論，終生接觸氟化水平為 4 毫克/升或更高的飲用水確實會增加骨折的風險。該委員會指出，較低的氟化水平也可能增加風險，但證據尚不明確。
隨著愛荷華州研究中的兒童進入青春期，Levy 希望分析他們的脊柱、髖關節和整體骨骼強度將指出氟化物攝入量與骨骼健康之間可能存在的聯絡。他在 2007 年提出了一些初步資料，發現 11 歲兒童的骨骼礦物質含量基於他們在幼兒時期攝入多少氟化物幾乎沒有差異。然而，隨著他們進入青春期，Levy 認為可能會出現趨勢。
氟化物辯論中更大的問題是，這些已知的骨骼和牙齒細胞效應是否暗示氟化物正在影響其他器官並引發除氟斑牙以外的其他疾病。當前最大的爭論是關於骨肉瘤——最常見的骨癌形式，也是兒童中第六大最常見的癌症。由於氟化物刺激成骨細胞的產生，一些研究人員認為它可能會在擴大的細胞群中誘發惡性腫瘤。美國政府國家毒理學計劃於 1990 年進行的一項研究發現，飲用水中不同氟化物含量的雄性大鼠的骨肉瘤發病率呈正劑量反應關係（所有這些含量，與動物研究的典型情況一樣，遠高於氟化社群中的實際暴露量）。但其他動物研究以及人類群體中的大多數流行病學研究充其量是模稜兩可的。
最近關於氟化物和骨肉瘤的爭論是由哈佛大學牙科醫學院的一位年輕研究員 Elise B. Bassin 發起的。Bassin 收集了 103 名骨肉瘤患者和 215 名匹配的對照受試者的氟化物暴露資訊，並得出結論，氟化物是男孩患癌症的風險因素（女孩的結果尚不明確）。Bassin 的報告於 2006 年發表在《癌症病因與控制》雜誌上；然而，在同一期雜誌中，她在哈佛大學的論文導師 Chester Douglass 寫了一篇評論，警告讀者在解釋她的研究結果時要“格外謹慎”，因為他說，更好的資料（尚未發表）與這些研究結果相矛盾。反氟化主義者和一些環保組織迅速為 Bassin 辯護，要求哈佛大學調查牙科學校流行病學教授兼系主任 Douglass，指控他歪曲 Bassin 的工作，並因擔任高露潔資助的牙醫通訊的主編而存在利益衝突。大學對 Douglass 的調查於 2006 年完成，結論是沒有不當行為或利益衝突。
關於氟化物可能產生的神經系統影響的衝突同樣激烈。20 世紀 90 年代初，當時在波士頓福賽斯研究所工作的 Phyllis Mullenix 報告說，對實驗鼠的實驗表明，氟化鈉會在腦組織中積聚並影響動物行為，這引起了一場軒然大波。她報告說，產前暴露與幼鼠（尤其是雄性）的多動症有關，而出生後暴露則產生相反的效果，使雌性大鼠變成了 Mullenix 後來描述的“沙發土豆”。儘管她的研究最終發表在《神經毒理學與畸形學》雜誌上，但它受到了其他科學家的攻擊，他們說她的方法存在缺陷，並且她使用了不切實際的高劑量。然而，從那時起，中國的一系列流行病學研究將高氟化物暴露與較低的智商聯絡起來，研究還表明了一種可能的機制：氟化鋁複合物的形成——模仿磷酸鹽結構的小型無機分子，從而影響大腦中的酶活性。還有一些證據表明，水氟化中使用的氟矽酸鹽可能會增強鉛進入大腦的吸收。
內分泌系統是氟化物可能產生影響的另一個領域，存在一些證據。NRC 委員會的結論是，氟化物可以微妙地改變內分泌功能，尤其是在甲狀腺中——甲狀腺是產生調節生長和新陳代謝的激素的腺體。儘管研究人員不知道氟化物消耗如何影響甲狀腺，但其影響似乎受到飲食和遺傳的強烈影響。堪薩斯大學醫學中心藥理學和毒理學榮譽退休教授 John Doull 說，他是 NRC 委員會的主席：“甲狀腺的變化確實讓我擔心。那裡有一些事情需要探索。”
爭議繼續
NRC 報告的釋出並未引發公眾反對氟化的浪潮，也沒有促使環保署迅速降低其 4 毫克/升的氟化物限值（該機構表示仍在研究該問題）。新增氟化物的供水商通常將氟化物水平保持在 0.7 至 1.2 毫克/升之間，遠低於環保署的限值。大約 20 萬美國人——以及中國、印度、中東、非洲和東南亞的數百萬人——飲用濃度高於限值的水，但他們過量的氟化物來自含氟岩石和水源附近的土壤的天然徑流。
然而，該報告正在促使一些研究人員思考，鑑於人們越來越認識到食品、飲料和牙科產品也是氟化物的主要來源，尤其是對於幼兒來說，即使是飲用水中的 1 毫克/升是否也過高。NRC 委員會沒有正式解決這個問題，但其分析表明，較低的水氟化水平也可能構成風險。“委員會發現的是，多年來，我們一直保持著關於氟化物的現狀——實際上時間太長了——現在我們需要重新審視，”Doull 說。“在科學界，人們傾向於認為這個問題已經解決了。我的意思是，當美國衛生局局長站出來說這是 20 世紀 10 項最偉大的成就之一時，這是一個很難逾越的障礙。但是當我們檢視已完成的研究時，我們發現許多問題尚未解決，而且我們掌握的資訊比我們應該掌握的要少得多，考慮到[氟化]已經進行了這麼長時間。我認為這就是為什麼氟化在開始這麼多年後仍然受到挑戰的原因。面對無知，爭議猖獗。”
然而，一些長期的氟化物研究人員仍然對牙齒和骨骼以外的影響證據不以為然，他們繼續推動在美國和其他地方擴大水氟化。他們的觀點仍然是美國牙科協會和美國公共衛生署的官方立場。“我們認為，仍然有足夠多的社群齲齒率很高，足以證明需要進一步氟化，”紐約州衛生部口腔健康監測和研究主任 Jayanth V. Kumar 說，他也是 NRC 小組的成員，對該小組的一些發現持不同意見。然而，他承認，在營養和牙科保健良好的富裕地區，水氟化的理由並不那麼充分。“今天，這取決於社群的齲齒水平。如果疾病水平較低，[氟化]的投資回報可能不會那麼大。”
與此同時，氟化的反對者受到了 NRC 報告的鼓舞。“委員會所做的事情非常非常重要，因為這是第一次有一個真正平衡的小組審視這個問題並提出了重要問題，”聖勞倫斯大學化學教授兼氟化物行動網路（全球最活躍的反氟化組織之一）執行主任 Paul Connett 說。“我絕對相信這是一個科學轉折點，因為現在一切都擺在桌面上了。氟化物是美國消費量最大的藥物，現在是我們討論它的時候了。”