Explorando la Causa Raíz de la Enfermedad Renal Crónica de Etiología Desconocida (CKDu) a través del Análisis de Contaminantes de Iones Metálicos y Contraiones en el Agua Potable: Un Estudio en Sri Lanka
Resumen
La introducción de cantidades elevadas de iones extraños en la sangre puede provocar un deterioro de la membrana de filtración de los riñones y daño renal crónico. Para evaluar el riesgo de consumo de agua potable (agua de pozo excavado) en la enfermedad renal crónica de etiología desconocida (CKDu), se analizaron las áreas afectadas en Sri Lanka, los metales traza y otros contrastes en muestras de agua obtenidas de pozos excavados y se compararon con un área de referencia. El agua potable podría ser la principal fuente responsable de la entrada de contaminantes de iones nefrotóxicos en el cuerpo humano. Para lograr el objetivo, se recolectaron muestras de agua potable de pozos excavados en dos áreas endémicas de CKDu y una área de referencia donde no se encontraron pacientes con CKDu en una estación seca. En la zona de Wewelketiya (una de las zonas endémicas), las concentraciones de Cd en el 60% de las muestras de agua y las concentraciones de Pb en el 40% de las muestras de agua han superado el límite máximo establecido por las normas de calidad del agua de Sri Lanka. Las concentraciones de fluoruro también han excedido los límites permisibles de más del 80% de las muestras de agua recolectadas en ambas áreas endémicas de CKDu. Sin embargo, ninguna de las muestras de agua en las áreas de referencia ha informado que Cd, Pb y fluoruro estén más allá de sus límites máximos permisibles. Por lo tanto, las personas en las áreas endémicas de CKDu en particular están en riesgo de daño al tejido renal debido a la exposición a largo plazo al agua potable con niveles elevados de algunos iones y contraiones metálicos.
1. Introducción
La enfermedad renal crónica de etiología desconocida se descubrió por primera vez en Sri Lanka a mediados de la década de 1990 y se observó principalmente entre los agricultores de la Provincia Central del Norte (NCP) de Sri Lanka, y desde entonces, durante dos décadas de un período, la enfermedad se propagó dramáticamente a otras áreas agrícolas del país, como las provincias del Norte, Noroeste, Este, Uva y Central . La enfermedad renal crónica (ERC) es una enfermedad no transmisible que está relacionada con factores de riesgo como diabetes o hipertensión, mordeduras de serpientes en el pasado e infecciones del tracto urinario . Otro estudio ha definido la “enfermedad renal crónica” como daño renal o disminución de la función renal (disminución de la TFG) durante tres meses o más . La enfermedad renal crónica (ERC) es un problema de salud pública mundial, que está atrayendo una mayor atención mundial debido a la rápida propagación de la enfermedad. Sin embargo, la ERC de etiología desconocida también es frecuente y está progresando rápidamente en ciertas regiones del mundo, especialmente en África, América Central y Asia .
La presencia de CKDu dentro del mismo país variará según la zona geográfica. En varias regiones geográficas del mundo se ha registrado repetidamente una relación íntima entre la calidad del agua y la geología subyacente. Dado que la CKDu existe en comunidades donde las aguas subterráneas son la principal fuente de agua potable, se plantean muchos factores de riesgo, por ejemplo, toxinas ambientales no identificadas que conducen a la CKDu , exposición crónica a pesticidas y mayor nivel de metales pesados en el agua y el suelo , altos niveles de fluoruro y posibles impactos de AlFx en el suelo y el agua , y crecimiento de cianobacterias en los recursos hídricos .
La CKDu se descubrió principalmente entre los varones de la Provincia Central Septentrional de Sri Lanka, incluidos los distritos de Anuradhapura y Polonnaruwa (Cuadro 1), y últimamente también se ha detectado entre mujeres y niños. Los pacientes varones son predominantemente agricultores y / o trabajadores agrícolas, que tienen más de 40 años de edad . La distribución de la enfermedad puede estar asociada a algunos factores geográficos y socioeconómicos que tienen orígenes ambientales y ocupacionales. El PNC de Sri Lanka forma parte de la” zona seca ” de Sri Lanka, con precipitaciones de entre 1.750 y 1.000 mm anuales , y algunos estudios han demostrado que el mapa de precipitaciones se superpone en gran medida con la región afectada por la CKDu. Ahora, la enfermedad se ha extendido a los distritos cercanos, incluidas las provincias del Noroeste, Este y Uva. Es una gran carga para la economía del país debido al alto costo de los tratamientos y los bajos ingresos de las personas que viven en zonas remotas. Algunos estudios de cohortes realizados utilizando registros hospitalarios descriptivos indicaron que los pacientes que acudían a clínicas de nefrología en Anuradhapura y Kandy estaban aumentando durante el período 2001-2002, y la mayoría de ellos eran pacientes con CDU .
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Fuente: Ministerio de Salud, La nutrición y la Medicina Indígena, Sri Lanka, 2016.
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Las causas y los factores de riesgo para el desarrollo de la CDU varían ampliamente. Como la CKDu prevalece en los hogares donde el agua subterránea o de pozo es la principal fuente de agua potable, se pueden plantear varios factores de riesgo: a) la exposición crónica a pesticidas y fertilizantes químicos y, por lo tanto, el aumento de metales pesados (por ejemplo, Cd, Pb y As) en el agua y b) la presencia de altos niveles de fluoruro y otros posibles contraiones, como fosfatos y nitratos .
Los desequilibrios iónicos de la sangre y la introducción de una alta carga de iones o moléculas extrañas en la sangre causan un deterioro de la membrana de filtración que puede dar lugar a la desnaturalización de proteínas. Esas moléculas de proteína pasan a la orina debido a la ausencia de un mantenimiento adecuado del tamaño de los poros en la membrana. Los capilares glomerulares dañan progresivamente la membrana de filtración con gradientes de presión osmótica elevados y los proteoglicanos cargados negativamente también pueden verse afectados por concentraciones más altas de cationes . Además, las toxinas no se filtran de la sangre y se acumulan en el cuerpo. Cuando la disfunción de los riñones se produce parcial o completamente, el rendimiento normal del cuerpo se altera, lo que resulta en algunos problemas de salud graves con etiología confusa, como la enfermedad renal crónica de etiología desconocida (CKDu) .
La intención del presente estudio es evaluar la calidad del agua potable evaluando los niveles de metales tóxicos y contraiones seleccionados en pozos excavados de áreas endémicas de CKDu en comparación con un área de referencia (áreas no endémicas de CKDu) y comentar el riesgo de consumo de agua potable en áreas seleccionadas sobre la base de los estándares de calidad del agua de Sri Lanka. Además, el estudio tiene como objetivo explorar la evidencia de la relación entre el consumo de agua de pozo y la prevalencia de enfermedad renal en áreas endémicas seleccionadas de CKDu.
2. Metodología
2.1. Recolección de muestras
Con base en la información obtenida del Ministerio de Salud de Sri Lanka, se seleccionaron la división de Wewalketiya Grama-Niladhari (GND) y Ambagaswewa GND como áreas endémicas de CKDu para muestreo de agua, ubicadas en los Distritos de Anuradhapura y Polonnaruwa, respectivamente, en la Provincia Centro Norte de Sri Lanka. La tierra de Buddahangala, en el distrito de Ampara, fue seleccionada como zona de referencia para el presente estudio. Los puntos de muestreo para la recolección de muestras de agua potable se seleccionaron de pozos de agua potable poco profundos (pozos excavados) ubicados en los huertos familiares de los residentes, que son las principales fuentes de consumo de agua en su vida diaria. Se seleccionaron al azar treinta pozos excavados para el muestreo de agua, y todos los sitios de muestreo se ubicaron dentro de la misma zona climática (zona seca de Sri Lanka). Los lugares de muestreo se registraron sobre el terreno utilizando el sistema mundial de determinación de la posición (GPS) (Figura 1). El procedimiento de muestreo se llevó a cabo en agosto de 2019 (estación seca) para todas las áreas de estudio seleccionadas. Se recogieron 30 muestras triplicadas de agua potable de cada área de muestreo en botellas de teflón no contaminadas (125 ml) y se conservaron agregando conc. ácido nítrico (0,10 ml) y almacenado a 4°C, y se recogieron otras 30 muestras triplicadas de agua potable en botellas de teflón no contaminadas (125 ml) sin acidificación y almacenadas a 4°C.
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2.2. Análisis de Muestras de agua
La concentración de oligoelementos, incluidos cadmio, plomo, cromo, arsénico, zinc, cobre, sodio, potasio, hierro, manganeso, cobalto y níquel, se determinó mediante Espectrometría de Masas de Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS-7800-Agilent, Alemania). Los estándares ICP-MS de múltiples elementos (AccuStandard, EE.UU.) se utilizaron para la calibración instrumental. Se prepararon dos series de calibración (1 ppb–50 ppb y 10 ppb a 1000 ppb) utilizando el estándar de múltiples elementos. Muestras de agua acidificada (con conc. HNO3) se filtraron a través de 0.filtros de jeringa de 45 µm antes de la inserción en el instrumento ICP-MS. La concentración de fosfato y nitrato en muestras de agua se midió mediante el método cromatográfico iónico de acuerdo con los procedimientos estándar de la EPA de los Estados Unidos (Método 9056A). Bicarbonato de sodio (CASRN 144-55-8) y carbonato de sodio (CASRN-497-19-7) se utilizaron como solución de elución, y ácido sulfúrico (CASRN-7664-93-9) se utilizó como solución de regeneración. Se utilizaron soluciones madre de nitrato y fosfato de grado reactivo ACS l000 mg/L para los estándares de aniones preparados para un rango de concentraciones (0,1 mg/L–10 mg/L). Cada muestra estándar y recolectada se filtró con filtros de nailon de 0,22 micrómetros. Se introdujeron muestras, con un caudal de 0,7 ml / min, en el Cromatógrafo iónico (Metrohm Eco IC). Las concentraciones de fluoruro de las muestras de agua se midieron en el sitio utilizando un medidor de fluoruro calibrado (Instrumento Eutech, pH 510), y al tomar las lecturas, se utilizó tampón TISAB (III) con muestra de agua en proporción 1 : 1 para estabilizar el pH del medio. Las concentraciones de magnesio y calcio en muestras de agua se determinaron mediante un espectrofotómetro de absorción atómica de llama (GBC 5000). Se prepararon una serie de soluciones metálicas estándar (10 ppm–500 ppm) por separado utilizando estándares de iones metálicos Mg y Ca (1000 ppm, Bibby Scientific) para obtener la curva de calibración, y se determinó la concentración de Mg y Ca de cada muestra de agua.
2.3. Tratamiento de Datos Geográficos y Análisis de Datos Estadísticos
Se utilizó el paquete de software ArcGIS 10.2.2 para realizar la interpolación de la superficie de todos los sitios de muestreo utilizando valores medios estimados para medir el impacto de la contaminación del agua en el área de estudio. El análisis estadístico se realizó con el software estadístico SPSS. Se realizaron estadísticas descriptivas de los conjuntos de datos y se realizó una prueba t emparejada para determinar las diferencias o similitudes de los parámetros químicos registrados en cada lugar de muestreo.
3. Resultados y Discusión
La insuficiencia renal crónica ha mostrado recientemente un aumento significativo en algunas zonas de los distritos de Anuradhapura y Pollonnaruwa. En el cuadro 2 se resumen los resultados de los metales traza y algunas de las concentraciones de contraión de muestras seleccionadas de agua de pozo obtenidas en Ambagaswewa GND (Madirigiriya DSD en el distrito de Pollonnaruwa), Wewalketiya GND (Rambewa DSD, en el distrito de Anuradhapura) y el sitio de referencia (Buddhangala GND en el distrito de Ampara), respectivamente, en comparación con los límites permisibles . Al considerar los factores causales de la CKDu, los metales tóxicos son la preocupación más importante, incluidos el cadmio, el cromo y el plomo. Los restos de cadmio se encuentran de forma natural en el fosfato y se ha demostrado que penetran en el agua, el suelo y también en los alimentos a través de la aplicación de fertilizantes. El cadmio está presente como impureza en fertilizantes fosfatados y productos refinados de petróleo . De acuerdo con las normas de calidad del agua potable de Sri Lanka, el nivel máximo permisible (MPL) de cadmio (Cd) es de 3.000 µg/L . En el presente estudio, el 60% de los pozos excavados seleccionados en Wewalketiya GND en el distrito de Anuradhapura mostraron niveles elevados de Ec que exceden el MPLs. Sin embargo, las muestras de agua potable obtenidas de Ambagaswewa GND, distrito de Pollonnaruwa, mostraron niveles bajos de Cd que no han superado las MPLs, y tampoco ninguna de las aguas mostró un nivel de Cd que supere las MPLs en el área de referencia.
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ND: no detectado; N/A: no disponible.
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Sin embargo , informes publicados anteriormente han interpretado que la exposición a largo plazo a la Ec a través del agua potable persiste en el riñón y posiblemente puede causar insuficiencia renal a través de varias vías, porque tanto el daño tubular proximal renal como la disminución de la tasa de filtración glomerular (TFG) en los seres humanos se deben a la exposición crónica a la Ec . En la figura 2 se muestra la distribución del cadmio a lo largo de los lugares de muestreo, en particular los GND, y las concentraciones de cadmio fueron significativamente más altas en el GND de Wewalketiya con respecto a la zona de referencia. Pero las concentraciones de Cd no fueron significativamente diferentes de la referencia en Ambagaswewa GND. El aumento de la movilidad geoquímica de la Cd se puede observar en condiciones ambientales ácidas con la aplicación de fertilizantes y pesticidas en la tierra, lo que aumenta la concentración total de Cd en los suelos agrícolas. La acidificación de suelos y aguas superficiales aumenta la movilidad geoquímica de la CD. Se ha sugerido que el cadmio (Cd) es un posible factor que contribuye a la enfermedad, y la fuente de contaminación puede estar asociada con la aplicación de superfosfato triple (TSP) en arrozales y otros cultivos, ya que el uso de TSP está muy extendido en todo el sector agrícola de Sri Lanka y especialmente en las zonas donde predomina la enfermedad .
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De acuerdo con los resultados del presente estudio, los niveles de plomo en la GND de Ambagaswewa son reportados de 6,080 µg/L como valor máximo con un promedio de 1,229 ± 1,537 µg/L, y los niveles de plomo en la GND de Wewalketiya oscilaron entre 1,000 µg/L y 17,350 ppb con un promedio de 5,422 ± 3,687 µg/L (Tabla 2). A pesar de que las muestras de agua de pozos excavados en Wewalketiya GND mostraron una gran variación de las concentraciones de Pb, el 40% de las muestras recolectadas excedieron la MPLs de Pb, y en caso de insuficiencia renal, se informó que la exposición crónica a Pb puede conducir a nefrotoxicidad caracterizada por efectos renales, como esclerosis glomerular, fibrosis intersticial y nefropatía tubular proximal, que se han observado comúnmente entre los pacientes con CKDu en Sri Lanka .
Aparte de eso, se informó que los rangos de concentraciones de Cr de pozos excavados seleccionados en las áreas de Ambagaswewa y Wewelketiya eran de 0,203 a 0.423 µg/L y 11,5–48,00 µg / L, respectivamente, y todos los valores estaban por debajo de la MPLs. Pero en el área de referencia, ninguno de los recursos hídricos seleccionados ha sido contaminado con Cr. Tanto en humanos como en animales, el cromo (III) se encuentra como un nutriente esencial que desempeña un valioso papel clave en el metabolismo de las grasas, la glucosa y las proteínas, y se realiza por la acción de la insulina . Aunque se ha encontrado que el cromo (III) es un nutriente esencial, la exposición aguda y crónica a altos niveles por inhalación, ingestión o contacto dérmico puede tener efectos adversos para la salud. El riñón es, por lo tanto, uno de los principales órganos diana para la Rc en dosis altas agudas y exposición acumulada crónica. Además de eso, el daño renal y la disfunción causada por la exposición crónica a la Rc podrían involucrar tanto al glomerular como al túbulo .
Los efectos para la salud debidos al agua dura o a los bicarbonatos y sulfatos de calcio (Ca) y magnesio (Mg) son significativos, y se recomiendan 100 mg/L para Ca y 30 mg/L para Mg para el agua potable. Los resultados obtenidos del análisis de muestras muestran variaciones en las concentraciones de Ca y Mg en pozos excavados seleccionados en Ambagaswewa y Wewelketiya, y la mayoría de las muestras han informado que las concentraciones de Ca y Mg están más allá de las MPLs en esas áreas endémicas de CKDu. Sin embargo, en el área de referencia, se ha informado que las concentraciones medias de Ca y Mg son de 23,09 (±14,63) mg/L y 16,14 (±11,90) mg/L, respectivamente, lo que indica valores bajos que en las áreas endémicas de CKDu. La exposición a largo plazo a los iones de Ca y Mg a través del agua potable puede afectar negativamente a las disfunciones renales, modificando el riesgo de cálculos de calcio y aumentando el riesgo de cálculos renales que contengan calcio .
El fluoruro puede ocurrir naturalmente en el agua por encima de los niveles deseables. El fluoruro también se ha propuesto como causa de la CKDu , y de acuerdo con la norma de calidad del agua potable de Sri Lanka, el nivel máximo permisible (MPL) de fluoruro (F) es de 1,0 mg/L . Sin embargo, los niveles más altos de fluoruro en las muestras de agua potable recolectadas (Figura 3) se registraron en Wewalketiya GND (promedio: 1,370 ± 0.658 mg/L) y Aambagaswewa GND (promedio: 1.260 ± 0.654 mg/L) en comparación con el área de referencia (promedio: 0.505 ± 0.765 mg / L), y ambas áreas endémicas de CKDu han excedido los MPLs de fluoruro en las muestras de agua potable recolectadas. Las variaciones de los niveles de fluoruro en todos los lugares de muestreo se muestran en la Figura 3. Además, el 80% de las muestras en Ambagaswewa GND y el 95% de las muestras en Wewalketiya GND estaban contaminadas con fluoruro que ha superado los límites estándar .
La exposición excesiva y a largo plazo al fluoruro puede estar directamente relacionada con el daño en el tejido renal porque las zonas con alto contenido de fluoruro para las aguas subterráneas se superponen con las regiones con prevalencia de CKDu en el NCP . Los pacientes con una tasa de filtración glomerular reducida tienen un mayor riesgo de toxicidad crónica por fluoruro porque tienen menos capacidad para excretar fluoruro a través de la orina . De acuerdo con la relación dosis–efecto entre los niveles de fluoruro y la CKDu , los efectos inesperados del fluoruro en los sistemas celulares han sido investigados por Agalakova y Gusev, que revelan claramente que el fluoruro puede afectar el estrés oxidativo, la homeostasis redox intracelular, la peroxidación de lípidos, la inhibición de la síntesis de proteínas, la alteración de la expresión génica y la apoptosis.
Una serie de factores geológicos, como las tasas de disolución y los tiempos de residencia de rocas que contienen flúor, pueden estar relacionados con niveles más altos de flúor en pozos poco profundos en esas áreas. Los minerales, a saber, charnocita, granítico , hornblenda y gneisses biotiticos, y también minerales que contienen flúor como micas, piroxeno, fluorita, turmalina, topacio, esfeno y apatita, pueden mejorar los niveles de flúor en el suelo . El fluoruro en el agua puede ser un factor causal potencial en el desarrollo de la enfermedad debido no solo a los impactos del fluoruro en sí, sino también a su interacción con otros constituyentes iónicos como Ca, Na y posiblemente Mg que están presentes en el agua potable .
En particular, las muestras de agua recogidas tenían un alto contenido iónico con la presencia de grandes cantidades de iones principales, como Na+ y K+, que normalmente se encuentran en el agua. El aumento de la iconicidad del agua potable puede influir en el agotamiento de las moléculas de agua cerca de la membrana renal, cambiando la actividad del agua y la actividad iónica, la actividad osmótica y las interacciones hidrofóbicas. Al clasificar los iones por su capacidad para desnaturalizar las proteínas, los cationes, incluidos el potasio, el sodio, el magnesio y el calcio, y los aniones, como el fluoruro y los fosfatos, desempeñan un papel importante, que están presentes en los contenidos más altos de las muestras de agua potable recogidas en los lugares de muestreo . La escorrentía de fertilizantes que contiene la mayoría de esos agentes iónicos puede contribuir a la contaminación de las fuentes de agua potable en esa zona. De manera similar, algunos aniones como el fluoruro y los fosfatos son los más activos en la desnaturalización de proteínas, mientras que los nitratos son los menos efectivos. La alteración de la composición e hidrología del suelo puede dar lugar a un aumento de la ionicidad de las fuentes de agua adyacentes. Las condiciones alternas de reducción y oxidación (dependiendo de las condiciones ambientales y climáticas de las áreas) del suelo promueven la adición de hierro (Fe) y manganeso (Mn) en la solución del suelo, que se filtraría parcialmente a la capa freática, lo que se indica por los resultados de tener un alto contenido de Fe y Mn en todos los lugares de muestreo (Tabla 2). Esas fluctuaciones redox del suelo pueden disminuir el pH de la solución debido a algunos procesos iónicos sin equilibrio, como la conversión de carbonato en bicarbonato y la reacción con dióxido de carbono ambiente (CO2). La reducción del pH de la solución del suelo dará lugar a la liberación de metales pesados tóxicos ligados al suelo, que se añaden a las fuentes de agua de esas zonas. El uso intensivo de fertilizantes químicos y pesticidas también es responsable de la reducción de los niveles de pH del suelo .
El riñón necesita agua potable “buena”. Se puede considerar que la exposición a largo plazo del riñón al agua potable que contiene muchas especies iónicas y tiene una alta ionicidad, que va a persistir en los riñones, puede afectarlos negativamente. Esta exposición se denomina “exposición crónica”. La exposición crónica es cuando la exposición ocurre continuamente con sustancias tóxicas durante un largo período de tiempo . Los acuíferos de esas zonas se reponen constantemente con agua de alta ionicidad procedente de los canales de Mahaweli, así como con frecuentes procesos de oxidación-reducción de los acuíferos que liberan y aumentan las cantidades de iones en el nivel freático .
4. Conclusión
La persistencia de niveles excedidos de Cd, Pb y fluoruros que influyen en la función renal en algunos pozos excavados seleccionados en áreas endémicas de CKDu indica un riesgo de consumir el agua potable de esos recursos. A pesar de que otros oligoelementos y contraiones analizados en muestras de agua potable no han excedido los límites permisibles, la exposición a largo plazo del riñón a través del agua potable con niveles elevados de iones aumenta la aparición de insuficiencia renal. La contaminación de las fuentes de agua potable con metales traza y fluoruro se produce principalmente por la liberación de iones unidos a partículas del suelo. Por lo tanto, vale la pena investigar las fuentes y vías de contaminación de metales tóxicos y fluoruro en el suelo y se deben llevar a cabo evaluaciones adicionales para comprender la contribución de la aplicación de fertilizantes y otras actividades agrícolas para esas contaminaciones también. Además, es necesario evaluar continuamente las concentraciones de metales tóxicos del uso frecuente de fertilizantes de uso común en Sri Lanka.
Disponibilidad de datos
Los datos utilizados para apoyar los hallazgos de este estudio se incluyen en el artículo.
Conflictos de intereses
Los autores declaran que no tienen intereses financieros o relaciones personales concurrentes conocidos que pudieran haber influido en el trabajo reportado en este artículo.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Instituto Nacional de Estudios Fundamentales (NIFS), Kandy, Sri Lanka, y agradecen a la Sra. Sachini Rathnasekara y al Sr. Sudesh Hemal por proporcionar ayuda lingüística, asistencia de escritura y corrección de pruebas del artículo y a Amila T. Kannangara, Amitha Suriyaarachchi y Erandi Udayasiri para apoyar el análisis de muestras de agua. Esta investigación fue financiada por el proyecto de investigación PS/DSP/CKDU/06 / 3.5 titulado “Establecer un Centro de Información e Investigación de CKDu en la Universidad de Kelaniya, Sri Lanka.”
