Woda to związek chemiczny, tlenek wodoru o wzorze H20. Jednakże wody naturalne zawierają zwykle rozpuszczone sole mineralne i gazy, a także bakterie i inne drobnoustroje oraz zawiesinę substancji organicznych i nieorganicznych. Przy małym stężeniu wszystkie te naturalne dodatki nie są szkodliwe, a niektóre – na przykład sole mineralne – mogą mieć nawet korzystny wpływ na nasze zdrowie. Ta sama substancja przy wyższym poziomie stężenia może się jednak stać trująca.
Obecnie niepokojąco wzrasta zanieczyszczenie wód naturalnych – zarówno przez przemysł, jak i rolnictwo, a także odpady komunalne. Najwięcej zanieczyszczeń trafia do wód razem ze ściekami komunalnymi i przemysłowymi; źródłem zanieczyszczeń jest również stosowanie pestycydów i nawozów sztucznych, które są spłukiwane do zbiorników wodnych i przenikają do wód gruntowych. Wody gruntowe są też zanieczyszczane składowanymi odpadami przemysłowymi (w tym radioaktywnymi) i komunalnymi. Należy do tego dodać katastrofalne zanieczyszczenie atmosfery, prowadzące do tworzenia się smogu i kwaśnych deszczy.
W Stanach Zjednoczonych Agencja Ochrony Środowiska zidentyfikowała ponad 700 substancji regularnie zanieczyszczających wodę pitną. Dwadzieścia z tych substancji może spowodować choroby nowotworowe. Ale nawet te cyfry, chociaż bardzo niepokojące, odzwierciedlają tylko mały fragment substancji zanieczyszczających występujących w rzeczywistości w wodzie.
Syntetyczne substancje organiczne – odkryto setki takich substancji w wodzie pitnej. Niektóre z nich są lotne, co oznacza, że w temperaturze pokojowej łatwo ulatniają się, a ich pary wdychamy podczas kąpieli, czy prac w kuchni. Mogą one również działać drażniąco na skórę. Chlor stosowany do dezynfekcji ścieków odprowadzanych do wód powierzchniowych miesza się z naturalną materią organiczną (suche liście, ziemia i humus) tworząc między innymi trójhalometany, głównie chloroform (substancja powodująca raka okrężnicy, pęcherza i kiszki stolcowej). Benzen i trójchloroetylen – to inne przykłady substancji rakotwórczych w wodzie. Obecne w wodzie pestycydy mogą działać rakotwórczo i mutagennie. Wiele z syntetycznych związków organicznych nie jest jeszcze dostatecznie przebadanych, by można było poznać pełne skutki ich działania na organizm ludzki.
Azotany – przedostają się do wód naturalnych z pól nawożonych sztucznymi nawozami. Obecne w wodzie pitnej stanowią szczególne zagrożenie dla niemowląt i małych dzieci, wpływając na zmniejszenie tlenu we krwi. Istnieje także podejrzenie, że azotany powodują raka żołądka u dorosłych.
Metale – ołów i jego związki są silnymi truciznami kumulującymi się w organizmie. Przedostaje się do wody (szczególnie miękkiej) ze starych rur ołowianych (obecnie nie stosowanych) i lutów łączących rury miedziane (jeżeli używa się lutów zawierających ołów).
Glin w postaci związków nieorganicznych jest dodawany do wody w procesach jej uzdatniania (koagulacja, fluorkowanie); może powodować zanik pigmentu w skórze, tzw. bielactwo. Istnieje podejrzenie, że woda zawierająca duże ilości glinu może być przyczyną choroby Alzheimera (w mózgach osób zmarłych na tę chorobę znaleziono znaczne jego ilości). Żelazo i magnez – jony i związki tych pierwiastków, występujące powszechnie w wodach naturalnych, przyspieszają korozję rur; związki żelaza zabarwiają wodę na brązowo. Gdy wytrącają się słabo rozpuszczalne związki tych pierwiastków, woda staje się mętna. Kwas siarkowy i azotowy tworzą się w powietrzu atmosferycznym zanieczyszczonym tlenkami siarki i azotu i w postaci kwaśnych deszczy przenikają do gleby i wód gruntowych; kwasy te mogą ułatwiać przechodzenie z gleby do wód szkodliwych metali (obecnych tam w postaci nierozpuszczalnych związków) oraz powodować korozję, w wyniku czego do wody przedostają się dodatkowe ilości metali. Woda jest twarda lub miękka w zależności od ilości występujących w niej związków wapnia i magnezu – czym jest ich więcej, tym woda jest twardsza. Badania wykazały, że w rejonach występowania miękkiej wody, więcej osób umiera na choroby serca, co może być spowodowane łatwiejszym rozpuszczaniem się metali w takiej wodzie.
Fluorki – są, jeśli chodzi o działanie na organizm ludzki, związkami kontrowersyjnymi, gdyż z jednej strony zapobiegają próchnicy zębów i wzmacniają układ kostny u osób starszych (zapobiegają osteoporozie), z drugiej -wiąże się je z wieloma problemami medycznymi, jak przedwczesne starzenie się, zgony niemowląt i coraz częstsze przypadki zachorowań na raka.
Radon – jest to pierwiastek radioaktywny naturalnie występujący w wodzie gruntowej na niektórych obszarach. Staje się niebezpieczny, gdy jest wdychany po uwolnieniu się podczas podgrzewania wody albo podczas kąpieli pod prysznicem. Obecny w wodzie pitnej stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia.