undersøgelse af grundårsagen til kronisk nyresygdom af ukendt ætiologi (CKDu) via analyse af metalion-og Modionforurenende stoffer i drikkevand: en undersøgelse i Sri Lanka

abstrakt

indførelsen af forhøjede mængder fremmede ioner i blodet kan føre til forringelse af filtreringsmembranen af nyrer og kronisk nyreskade. For at vurdere risikoen for forbrug af drikkevand (gravet brøndvand) ved kronisk nyresygdom af ukendt etiologi (CKDu) blev berørte områder i Sri Lanka, spormetaller og andre modioner i vandprøver opnået fra gravede brønde analyseret og sammenlignet med et referenceområde. Drikkevand kan være den vigtigste kilde, der er ansvarlig for at indtaste nefrotoksiske ionforurenende stoffer i menneskekroppen. For at nå målet blev drikkevandsprøver indsamlet fra gravede brønde i to ckdu-endemiske områder og et referenceområde, hvor der ikke blev fundet CKDu-patienter i en tør sæson. I området (et af de endemiske områder) har Cd-koncentrationer i 60% af vandprøverne og PB-koncentrationer i 40% af vandprøverne overskredet den maksimale grænse, der er givet i Sri Lankas vandkvalitetsstandarder. Fluorkoncentrationer har også overskredet de tilladte grænser for mere end 80% af de indsamlede vandprøver i begge ckdu-endemiske områder. Ingen af vandprøverne i referenceområder har imidlertid rapporteret, at Cd, Pb og fluor ligger uden for deres maksimalt tilladte grænser. Derfor er mennesker i de særlige ckdu-endemiske områder i fare for nyrevævskader på grund af langvarig eksponering for drikkevand med forhøjede niveauer af nogle metalioner og modioner.

1. Introduktion

kronisk nyresygdom af ukendt ætiologi blev først opdaget i Sri Lanka i midten af 1990 ‘ erne og blev for det meste observeret blandt landmændene i den nordlige centrale provins (NCP) i Sri Lanka, og siden da, over to årtier af en periode, spredte sygdommen sig dramatisk op til de andre landbrugsområder i landet, såsom nordlige, nordvestlige, østlige, Uva og centrale provinser . Kronisk nyresygdom (CKD) er en ikke-overførbar sygdom, der er relateret til risikofaktorer såsom diabetes eller hypertension, tidligere slangebitter og urinvejsinfektioner . En anden undersøgelse har defineret “kronisk nyresygdom” som enten nyreskade eller nedsat nyrefunktion (nedsat GFR) i tre måneder eller mere . Kronisk nyresygdom (CKD) er et globalt folkesundhedsproblem, som tiltrækker øget global opmærksomhed på grund af sygdommens hurtige spredning. Imidlertid, CKD af ukendt etiologi CKDu er også udbredt og skrider hurtigt frem i visse regioner i verden, især i Afrika, Mellemamerika, og Asien .

forekomsten af CKDu i samme land vil variere med det geografiske område. Et intimt forhold mellem vandkvalitet og den underliggende geologi er blevet registreret gentagne gange i forskellige geografiske regioner i verden. Da ckdu findes i samfund, hvor grundvand er den primære kilde til drikkevand, antages mange risikofaktorer, for eksempel uidentificerede miljøgifte , der fører til CKDu , kronisk pesticideksponering og forbedret niveau af tungmetaller i vand og jord , høje fluoridniveauer og potentielle virkninger af Alfks i jord og vand, og vækst af cyanobakterier i vandressourcer .

CKDu blev opdaget for det meste blandt mænd i den nordlige centrale provins (NCP) i Sri Lanka inklusive Anuradhapura og Polonnaruva distrikter (tabel 1), og for nylig er det også blevet opdaget blandt kvinder og børn. Mandlige patienter er overvejende landmænd og / eller landbrugsarbejdere, der er over 40 år . Fordelingen af sygdommen kan være forbundet med nogle geografiske og socioøkonomiske faktorer, der har miljømæssig og erhvervsmæssig Oprindelse. NCP i Sri Lanka er en del af Sri Lankas” tørre område ” med en Nedbør på 1750 til 1000 mm om året, og nogle undersøgelser har vist , at nedbørskortet stort set overlapper den region, der er berørt af ckdu. Nu har sygdommen spredt sig til nærliggende distrikter, herunder nordvestlige, østlige og Uva provinser også. Det er en stor byrde for landets økonomi på grund af de høje omkostninger ved behandlinger og den dårlige Indkomst for mennesker i fjerntliggende områder. Nogle kohortestudier udført ved hjælp af beskrivende hospitalsoptegnelser viste, at patienter, der kom til nefrologiklinikker i Anuradhapura og Kandy, steg i perioden 2001-2002, og størstedelen af dem var ckdu-patienter .

årsagerne og risikofaktorerne for udviklingen af CKDu varierer meget. Da CKDu hersker i husholdninger, hvor grundvand eller brøndvand er den vigtigste drikkevandskilde, kan flere risikofaktorer antages: (a) kronisk eksponering for kemiske pesticider og gødning og derved stigning af tungmetaller (f .eks. Cd, Pb og As) i vand og (b) tilstedeværelse af høje niveauer af fluor og andre mulige modioner såsom fosfater og nitrater.

Ion ubalancer af blod og indførelsen af en høj belastning af fremmede ioner eller molekyler i blodet forårsager forringelse af filtreringsmembranen, som kan resultere i protein denaturering. Disse proteinmolekyler passerer ind i urinen på grund af fraværet af korrekt vedligeholdelse af porestørrelse i membranen. De glomerulære kapillærer beskadiger gradvis filtreringsmembranen med de høje osmotiske trykgradienter, og negativt ladede proteoglycaner kan også påvirkes af højere koncentrationer af kationer . Desuden filtreres toksiner ikke ud fra blodet og akkumuleres i kroppen. Når dysfunktion af nyrer forekommer delvist eller fuldstændigt, ændres de normale kropspræstationer, hvilket resulterer i nogle alvorlige sundhedsmæssige problemer med forvirrende etiologi, såsom kronisk nyresygdom med ukendt etiologi (CKDu) .

hensigten med den aktuelle undersøgelse er at vurdere drikkevandskvaliteten ved at evaluere niveauerne af giftige metaller og udvalgte modioner i gravede brønde i ckdu-endemiske områder sammenlignet med et referenceområde (ckdu nonendemic areas) og kommentere risikoen for forbrug af drikkevand i udvalgte områder baseret på Srilankanske vandkvalitetsstandarder. Desuden har undersøgelsen til formål at undersøge beviset for forbindelsen mellem forbrug af brøndvand og forekomsten af nyresygdom i udvalgte ckdu-endemiske områder.

2. Metode

2.1. Prøveindsamling

baseret på de oplysninger, der er indhentet fra Sundhedsministeriet, Sri Lanka, Vivalketiya Grama-Niladhari division (GND) og Ambagasvang GND blev udvalgt som ckdu endemiske områder til vandprøvetagning, der er placeret i henholdsvis Anuradhapura-distriktet og Polonnaruva-distriktet i den nordlige centrale provins, Sri Lanka. Buddahangala GND i Ampara-distriktet blev valgt som referenceområde for den nuværende undersøgelse. Prøveudtagningssteder til opsamling af drikkevandsprøver blev udvalgt fra lavvandede drikkevandsbrønde (gravede brønde) placeret i beboernes hjemhaver, som er de vigtigste kilder til vandforbrug i deres daglige liv. Tredive gravede brønde blev udvalgt tilfældigt til vandprøveudtagningen, og alle prøveudtagningsstederne var placeret inden for samme klimasone (tørt område i Sri Lanka). Prøveudtagningssteder blev registreret i marken ved hjælp af global positioning system (GPS) (Figur 1). Prøveudtagningsproceduren blev udført inden for August 2019 (tørsæson) for alle udvalgte undersøgelsesområder. Triplicerede 30 drikkevandsprøver blev opsamlet fra hvert prøveudtagningsområde i uforurenede Teflonflasker (125 ml) og konserveret ved tilsætning af conc. salpetersyre (0,10 mL) og opbevaret ved 4 liter C, og yderligere triplicerede 30 drikkevandsprøver blev opsamlet i uforurenede teflonflasker (125 ml) uden forsuring og opbevaret ved 4 liter C.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

fordelingen af prøveudtagningssteder (akvifer), der var placeret i CKDu-området: a) Ambagaveja GND, Madirigiriya DSD, Polonnaruva-distriktet og B) Vivalketiya GND, Rambua DSD, Anuradhapura-distriktet, Sri Lanka.

2.2. Analyse af vandprøver

koncentrationen af sporstoffer inklusive cadmium, bly, krom, arsen, sinc, kobber, natrium, kalium, jern, mangan, kobolt og nikkel blev bestemt ved anvendelse af induktivt koblet Plasmamassespektrometri (ICP-MS-7800-Agilent, Tyskland). Multielement ICP-MS standarder (AccuStandard, USA) blev brugt til instrumentel kalibrering. To kalibreringsserier (1 ppb–50 ppb og 10 ppb til 1000 ppb) blev fremstillet ved anvendelse af multielement standard. Forsurede vandprøver (med conc. HNO3) blev filtreret gennem 0.45 injektionssprøjtefiltre før indføring i ICP-MS-instrumentet. Fosfat-og nitratkoncentration i vandprøver blev målt ved Ionkromatografisk metode i henhold til US-EPA-standardprocedurerne (metode 9056A). Natriumbicarbonat (CASRN 144-55-8) og natriumcarbonat (CASRN-497-19-7) blev anvendt som en elueringsopløsning og svovlsyre (CASRN-7664-93-9) blev anvendt som regenereringsopløsning. ACS reagens klasse l000 mg/L stamopløsninger af nitrat og phosphat blev anvendt til standarderne for anioner fremstillet til en række koncentrationer (0,1 mg/L–10 mg / L). Hver standard og indsamlede prøver blev filtreret ved hjælp af 0,22 mikrometer nylonfiltre. Prøver blev introduceret under strømningshastigheden på 0,7 mL/min i Ionkromatografen (Metrohm Eco IC). Fluorkoncentrationer af vandprøver blev målt som målinger på stedet ved hjælp af kalibreret fluormåler (Eutech Instrument, pH 510), og ved aflæsning blev tisab (III) buffer anvendt med vandprøve i forholdet 1 : 1 for at stabilisere mediumets pH. Magnesium-og calciumkoncentrationer i vandprøver blev bestemt ved anvendelse af et flammeatomabsorptionsspektrofotometer (GBC 5000). En række standardmetalløsninger blev fremstillet (10 ppm–500 ppm) separat under anvendelse af både Mg-og Ca-metalionstandarder (1000 ppm, Bibby Scientific) for at opnå kalibreringskurven, og koncentrationen af Mg og Ca af hver vandprøve blev bestemt.

2.3. Geografisk databehandling og statistisk dataanalyse

ArcGIS 10.2.2 programpakke blev brugt til at udføre overfladeinterpolering for alle prøvetagningssteder ved hjælp af estimerede middelværdier til måling af virkningen af vandforurening i undersøgelsesområdet. Statistisk analyse blev udført ved hjælp af SPSS-Statistikprogrammer. Beskrivende statistikker blev udført på datasættene, og der blev udført en parret t-test for at bestemme forskellene eller lighederne mellem de kemiske parametre, der blev registreret på hvert prøveudtagningssted.

3. Resultater og diskussion

kronisk nyresvigt har for nylig vist en signifikant stigning i nogle områder i Anuradhapura og Pollonnaruva distrikterne. Tabel 2 opsummerer resultaterne af spormetaller og nogle af kontraionkoncentrationerne af udvalgte brøndvandsprøver, der er opnået fra henholdsvis Ambagaveja GND (Madirigiriya DSD i Pollonnaru-distriktet) og referencestedet (Buddhangala GND i Ampara-distriktet) sammenlignet med de tilladte grænser . Når man overvejer ckdu ‘ s årsagsfaktorer, er giftige metaller den vigtigste bekymring, herunder cadmium, krom og bly. Cadmiumspor forekommer naturligt i fosfat og har vist sig at komme i vand, jord og også mad gennem gødningsapplikation. Cadmium er til stede som en urenhed i fosfatgødning og raffinerede olieprodukter . I henhold til Sri Lanka drikkevandskvalitetsstandarder er det maksimalt tilladte niveau (MPL) for cadmium (Cd) 3.000 liter/L . I denne undersøgelse viste 60% af de udvalgte gravede brønde i GND i Anuradhapura-distriktet forhøjede Cd-niveauer, der overstiger MPLs. Imidlertid viste drikkevandsprøver, der blev opnået fra Ambagavas GND, de lave niveauer af Cd, som ikke har overskredet MPLs, og heller ikke noget af vandet viste Cd-niveau, der oversteg MPLs i referenceområdet.

tidligere offentliggjorte rapporter har imidlertid fortolket, at langvarig eksponering for Cd via drikkevand vedvarer i nyrerne og muligvis kan forårsage nyresvigt gennem flere veje , fordi både renal proksimal tubulær skade og fald i glomerulær filtreringshastighed (GFR) hos mennesker skyldes kronisk eksponering for Cd . Cadmiumfordelingen langs prøvetagningsstederne, især gnd ‘ er, er vist i figur 2, og cadmiumkoncentrationerne var signifikant højere i GND med hensyn til referenceområdet. Men cd-koncentrationerne var ikke signifikant forskellige fra referencen i GND. Stigningen i geokemisk mobilitet af Cd kan ses under sure miljøforhold med arealanvendelse af gødning og pesticider, hvilket øger den samlede koncentration af Cd i landbrugsjord. Forsuring af jord og overfladevand øger den geokemiske mobilitet af Cd. Cadmium (Cd) er blevet foreslået som en mulig faktor, der bidrager til sygdommen, og forureningskilden kan være forbundet med tredobbelt superfosfat (TSP) anvendelse i uafskallet og andre afgrødedyrkninger, fordi TSP-brug er udbredt i hele landbrugssektoren i Sri Lanka og især i de sygdomsområder, der hersker .

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

figur 2

Cadmiumkoncentrationer i drikkevandsprøver indsamlet fra (A) prøveudtagningssteder i GND, i Anuradhapura-distriktet, (B) prøveudtagningssteder i GND, i polonnaruva-distriktet og (c) prøveudtagningssteder i Buddangala gnd (Reference) i Ampara-distriktet.

i Henhold til resultaterne af den foreliggende undersøgelse, at de niveauer af bly i Ambagaswewa GND er rapporteret til at være 6.080 µg/L maksimal værdi med et gennemsnit på 1.229 ± 1.537 µg/L, og de niveauer af bly i Wewalketiya GND varierede fra 1.000 µg/L for at 17.350 ppb med gennemsnittet af 5.422 ± 3.687 µg/L (Tabel 2). 40% af de indsamlede prøver har overskredet MPLs af Pb, og i tilfælde af nyresvigt blev det rapporteret, at kronisk eksponering for Pb kan føre til nefrotoksicitet karakteriseret ved nyrevirkninger, såsom glomerulær sklerose, interstitiel fibrose og proksimal tubulær nefropati, som ofte er blevet observeret blandt patienterne med CKDu i Sri Lanka .

bortset fra det blev intervaller af CR–koncentrationer af udvalgte gravede brønde rapporteret at være 0,203-0.Hhv.423 liter/L og 11,5–48,00 liter/L, og alle værdier lå under MPLs. Men i referenceområdet er ingen af de valgte vandressourcer blevet forurenet med Cr. Hos både mennesker og dyr findes krom (III) som et essentielt næringsstof, der spiller en værdifuld nøglerolle i fedt -, glukose-og proteinmetabolisme, og det gøres ved hjælp af insulin . Selvom chrom (III) er blevet fundet som et essentielt næringsstof, kan både akut og kronisk eksponering for høje niveauer via indånding, indtagelse eller hudkontakt resultere i skadelige helbredseffekter. Nyrerne er derfor et af de vigtigste målretningsorganer for Cr i akutte høje doser og kronisk kumulativ eksponering. Derudover kan nyreskade og dysfunktion forårsaget på grund af kronisk CR-eksponering involvere både glomerulær og tubule .

de sundhedsmæssige virkninger på grund af hårdt vand eller bicarbonater og sulfater af calcium (Ca) og magnesium (Mg) er signifikante, og 100 mg/L for Ca og 30 mg/L for Mg anbefales til drikkevand. De resultater, der er opnået fra prøveanalysen, viser variationer i ca-Og Mg-koncentrationer i udvalgte gravede brønde i Ambagasvale og vildtlevende, og de fleste af prøverne har rapporteret, at Ca-og Mg-koncentrationer ligger uden for MPLs i disse ckdu-endemiske områder. I referenceområdet er gennemsnitskoncentrationerne af Ca og Mg imidlertid rapporteret at være henholdsvis 23,09 (14,63) mg/L og 16,14 (11,90) mg/L, hvilket indikerer de lave værdier end ckdu-endemiske områder. Langvarig eksponering for Ca-Og Mg-ioner via drikkevand kan have negativ indflydelse på nyredysfunktioner, der ændrer risikoen for calciumsten og øger risikoen for calciumholdige nyresten .

fluor kan forekomme naturligt i vand over ønskelige niveauer. Fluor er også blevet foreslået som en årsag til CKDu , og ifølge Sri Lanka drikkevandskvalitetsstandard er det maksimalt tilladte niveau (MPL) af fluor (F) 1,0 mg/l . Imidlertid blev de højere fluorniveauer i de indsamlede drikkevandsprøver (figur 3) registreret i GND (gennemsnit: 1.370 liter 0.658 mg/L) og AAMBAGAS GND (gennemsnit: 1,260 gnd 0,654 mg/L) sammenlignet med referenceområdet (gennemsnit: 0,505 gnd 0,765 mg / L), og begge ckdu-endemiske områder har overskredet MPLS af fluor i de indsamlede drikkevandsprøver. Variationerne i fluoridniveauer på alle prøveudtagningssteder er vist i figur 3. Desuden var 80% af prøverne i GND og 95% af prøverne i GND forurenet med fluor, som har overskredet standardgrænserne .

figur 3

variationer i fluorkoncentrationer langs prøvetagningsstederne på referencestedet (Buddangala) og sygdomsprævalensområder (Ambagaskar).

overdreven og langvarig eksponering for fluor kan være direkte relateret til nyrevævskader, fordi områder med højt fluor til grundvand overlapper hinanden med ckdu-udbredte regioner i NCP . Patienter med nedsat glomerulær filtreringshastighed har en øget risiko for kronisk fluoridtoksicitet, fordi de har mindre evne til at udskille fluor via urin . I henhold til dosis–effektforholdet mellem fluoridniveauer og CKDu er uventede virkninger af fluor på cellulære systemer blevet undersøgt af Agalakova og Gusev , som tydeligt afslører, at fluor kan påvirke oksidativ stress, intracellulær oksehomeostase, lipid peroksidering, proteinsynteseinhibering, ændring af genekspression og apoptose.

en række geologiske faktorer såsom opløsningshastigheder og opholdstider for fluorholdige klipper kan relateres til højere fluoridniveauer i lavvandede brønde i disse områder. Disse mineraler kan også bruges til at forbedre fluoridniveauerne i jorden . Fluor i vandet kan være en potentiel årsagsfaktor i udviklingen af sygdommen på grund af ikke kun virkningerne af fluor selv, men også dets interaktion med andre Ioniske bestanddele som Ca, Na og muligvis Mg, der er til stede i drikkevandet .

især havde indsamlede vandprøver højt ionindhold med tilstedeværelsen af store mængder hovedioner, såsom Na+ og K+, som normalt findes i vand. Den øgede ikonicitet af drikkevand kan påvirke udtømningen af vandmolekyler nær nyremembranen, ændre vandaktivitet og ionaktivitet, osmotisk aktivitet og hydrofobe interaktioner. Når man rangerer ionerne efter deres evne til at denaturere proteiner, kationerne inklusive kalium, natrium, magnesium, og calcium og anioner såsom fluor og fosfater spiller en vigtig rolle, som er til stede i højere indhold i indsamlede drikkevandsprøver fra prøveudtagningssteder . Gødningsafstrømning, der indeholder de fleste af disse Ioniske stoffer, kan bidrage til forurening af drikkevandskilder i dette område. Tilsvarende er nogle anioner, såsom fluor og fosfater, de mest aktive i proteindenaturering, mens nitrater er de mindst effektive. Ændring af jordens sammensætning og hydrologi kan føre til øget ionicitet af tilstødende vandkilder. De skiftende reduktions-og iltningsbetingelser (afhængigt af områdets miljø-og klimaforhold) fremmer tilsætningen af jern (Fe) og mangan (Mn) i jordopløsningen, som delvist vil blive udvasket ud i vandbordet, hvilket er angivet ved resultaterne af at have højt Fe-og Mn-indhold på alle prøveudtagningssteder (tabel 2). Disse ændringer i jorden kan reducere opløsningens pH på grund af nogle ikke-ligevægtsmæssige Ioniske processer, såsom omdannelse af carbonat til bicarbonat og reaktion med omgivende kulsyre (CO2). pH-reduktion af jordopløsningen vil føre til frigivelse af jordbundne giftige tungmetaller, og disse tilsættes Vandkilderne i disse områder. Intensiv brug af kemisk gødning og pesticider er også ansvarlig for reduktionen af jordens pH-niveauer .

nyren har brug for “godt” drikkevand . Det kan overvejes, at den langsigtede eksponering af nyrerne til drikkevandet, der indeholder mange Ioniske arter og har høj ionicitet, som vil fortsætte i nyrerne, kan påvirke dem negativt. En sådan eksponering kaldes “kronisk eksponering”. Kronisk eksponering er, når eksponering sker kontinuerligt med giftige stoffer over en lang periode . Akviferer i disse områder genopfyldes konstant af vand med høj ionicitet fra Mahaveli-kanaler såvel som hyppig iltning-reduktion af disse akviferer, der frigiver og øger mængder ioner til grundvandsspejlet .

4. Konklusion

persistensen af overskredne niveauer af Cd, Pb og fluorider, der påvirker nyrefunktionen i nogle udvalgte gravede brønde i ckdu-endemiske områder indikerer en risiko for at indtage drikkevandet fra disse ressourcer. Selvom andre analyserede sporstoffer og modioner i drikkevandsprøver ikke har overskredet de tilladte grænser, øger langvarig eksponering af nyrerne via drikkevand med forhøjede niveauer af ioner forekomsten af nyresvigt. Forurening af drikkevandskilder med spormetaller og fluor forekommer hovedsageligt ved frigivelse af ioner bundet til jordpartikler fra jorden. Derfor er det værd at undersøge kilder og veje til forurening af giftige metaller og fluor i jorden, og yderligere vurderinger bør udføres for at forstå bidraget fra gødningsapplikation og andre landbrugsaktiviteter til disse forureninger også. Derudover skal giftige metalkoncentrationer af hyppig brug af gødning, der almindeligvis anvendes i Sri Lanka, evalueres kontinuerligt.

datatilgængelighed

de data, der bruges til at understøtte resultaterne af denne undersøgelse, er inkluderet i artiklen.

interessekonflikter

forfatterne erklærer, at de ikke har nogen kendte konkurrerende økonomiske interesser eller personlige forhold, der kunne have vist sig at påvirke det arbejde, der er rapporteret i dette papir.

anerkendelser

forfatterne vil gerne anerkende National Institute of Fundamental Studies (NIFS), Kandy, Sri Lanka, og vil gerne takke Fru Sachini Rathnasekara og Mr. Sudesh Hemal for at yde sproghjælp, skrivehjælp og korrekturlæsning af artiklen og Amila T. Kannangara, Amitha Suriyaarachchi og Erandi udayasiri til støtte for analysen af vandprøver. Denne forskning blev finansieret af forskningsprojektet PS/DSP/CKDU/06/3.5 med titlen “etablere et Ckdu informations-og Forskningscenter ved University of Kelaniya, Sri Lanka.”