飲料水中の金属イオンおよび対イオン汚染物質の分析による病因不明の慢性腎臓病（CKDu）の根本原因の探索：スリランカでの研究

要約

血液中への外来イオンの増加量の導入は、腎臓のろ過膜の障害および慢性腎臓障害につながる可能性がある。 原因不明慢性腎疾患（ｃｋｄｕ）における飲料水（掘井戸水）の消費リスクを評価するために，スリランカの被災地，掘井戸水から得られた水試料中の微量金属およびその他の対イオンを分析し，基準地域と比較した。 飲料水は人体にnephrotoxicイオン汚染物を書き入れるために責任がある主要な源であることができます。 この目的を達成するために，乾季にＣｋｄｕ患者が見つからなかった二つのＣｋｄｕ風土病地域と基準地域の掘られた井戸から飲料水サンプルを採取した。 Wewelketiya地域（風土病地域の一つ）では、水サンプルの60％のCd濃度と水サンプルの40％のPb濃度は、スリランカの水質基準によって与えられた上限を超えています。 フッ化物濃度はまた、両方のCKDu風土病地域で収集された水サンプルの80％以上の許容限界を超えています。 しかし、参照領域の水サンプルのいずれも、Cd、Pb、およびフッ化物が最大許容限界を超えていることを報告していません。 それ故に、特定のCKDuの風土病区域の人々はある金属イオンおよびcounterionsの高レベルの飲料水への長期露出による腎臓のティッシュの損傷の危険があ

1. はじめに

病因不明の慢性腎臓病は、1990年代半ばにスリランカで初めて発見され、スリランカの北中部州（NCP）の農家の間で主に観察され、それ以来、二十年にわたって、この病気は北部、北西部、東部、Uva、中央州などの国の他の農業地域に劇的に広がった。 慢性腎臓病（CKD）は、糖尿病または高血圧、過去の蛇行症、および尿路感染症などの危険因子に関連する非感染性疾患である。 別の研究では、「慢性腎臓病」は、3ヶ月以上にわたって腎臓の損傷または腎機能の低下（GFRの低下）のいずれかとして定義されています。 慢性腎臓病（CKD）は、病気の急速な広がりのために増加した世界的な注目を集めている世界的な公衆衛生上の懸念です。 しかし、病因不明のCKDUのCKDUも流行しており、世界の特定の地域、特にアフリカ、中米、およびアジアで急速に進行しています。

同一国内でのCKDuの発生は地域によって異なる。 水質と基礎となる地質学との密接な関係は、世界の様々な地理的地域で繰り返し記録されています。 CKDuは地下水が飲料水の主要な供給源であるコミュニティに存在するため、CKDuにつながる未確認の環境毒素、慢性的な農薬暴露と水と土壌中の重金属のレベルの向上、土壌と水中のAlFxの高いフッ化物レベルと潜在的な影響、水資源中のシアノバクテリアの成長など、多くの危険因子が仮説されている。

Ckduは、主にスリランカの北部中央州（NCP）のAnuradhapura地区とPolonnaruwa地区を含む男性の間で発見され（表1）、最近では女性と子供の間でも検出されています。 男性患者は、主に農家および/または農業労働者であり、40歳以上である。 この疾患の分布は、環境および職業的起源を有するいくつかの地理的および社会経済的要因と関連し得る。 スリランカのNCPはスリランカの”乾燥地帯”の一部であり、年間降水量は∼1750から1000mmであり、いくつかの研究では、降雨マップがCKDuの影響を受けた地域と大部分が重複していることが示されている。 現在、この病気は、北西部、東部、およびUva州を含む近隣の地区にも広がっています。 これは、治療費が高く、遠隔地の人々の収入が低いため、国の経済に大きな負担となっています。 記述的な病院記録を用いて行われたいくつかのコホート研究は、AnuradhapuraとKandyの腎臓診療所に来る患者が2001年から2002年の間に増加しており、その大部分はCKDu患者であったことを示した。

CKDuの発症の原因と危険因子は大きく異なります。 地下水や井戸水が主な飲料水源である家庭では、CKDuが優勢であるため、(a)化学農薬や肥料への慢性的な曝露により、水中の重金属（Cd、Pb、Asなど）が増加し、(b)フッ化物やリン酸塩や硝酸塩などの他の可能性のある対イオンが高レベルで存在するといういくつかの危険因子が仮定されることがある。

血液のイオン不均衡および血液中への外来イオンまたは分子の高負荷の導入は、濾過膜の障害を引き起こし、タンパク質変性をもたらす可能性があ それらの蛋白質の分子は膜の気孔のサイズの適切な維持の不在による尿に渡ります。 糸球体毛細血管は徐々に高い浸透圧勾配でろ過膜を損傷し、負に帯電したプロテオグリカンも高濃度の陽イオンによって影響を受ける可能性がある。 さらに、毒素は血液から除外されず、体内に蓄積されます。 腎臓の機能障害が部分的にまたは完全に起こるとき、正常なボディ性能は未知の病因学(CKDu)の慢性の腎臓病のような混乱の病因学のある深刻な健康上の問題に終って変わります。

本研究の目的は、Ckdu風土病地域の掘られた井戸における毒性金属および選択された対イオンのレベルを基準地域（CKDu非固有地域）と比較して評価し、スリランカの水質基準に基づいて選択された地域における飲料水の消費リスクについてコメントすることによって飲料水の品質を評価することである。 さらに、この研究は、選択されたCKDu風土病地域における井戸水の消費と腎臓病の有病率の関連性に関する証拠を探求することを目的としている。

2. 方法論

2.1. サンプル収集

スリランカ保健省から得られた情報に基づいて、スリランカ北部中央州のアヌラーダプラ地区とポロンナルワ地区に位置するWewalketiya Grama-Niladhari division(GND)とAmbagaswewa GNDがckdu風土病地域として選定された。 Ａｍｐａｒａ地区のｂｕｄｄａｈａｎｇａｌａｇｎｄを本研究の基準地域として選択した。 飲料水サンプル採取のためのサンプリングポイントは、日常生活における主な水消費源である住民の家庭菜園にある浅い飲料水井戸（掘られた井戸）か 水のサンプリングのために三十掘った井戸をランダムに選択し、すべてのサンプリングサイトは同じ気候帯（スリランカの乾燥帯）内に位置していた。 サンプリング位置は、全地球測位システム（GPS）を使用してフィールドに記録されました（図1）。 サンプリング手順は、選択されたすべての研究領域について、2019年8月（乾季）内に実施されました。 三重化された30の飲料水のサンプルは汚染されていないテフロンびん（125ml）に各見本抽出区域から集められ、concを加えることによって保存されました。 硝酸（0.10mL）を4℃で保存し、別の三重化された30の飲料水サンプルを酸性化せずに汚染されていないテフロンボトル（125ml）に収集し、4℃で保存した。

2.2. 水サンプルの分析

カドミウム、鉛、クロム、ヒ素、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム、鉄、マンガン、コバルト、ニッケルを含む微量元素の濃度は、誘導結合プラズマ質量分析（ICP-MS-7800-Agilent、Germany）を用いて決定した。 Ｍｕｌｔｉｅｌｅｍｅｎｔ ＩＣＰ−ＭＳ規格（Ｉｎｃｕｓｔａｎｄａｒｄ、ＵＳＡ）を器械較正のために使用した。 二つの校正シリーズ（1ppb–50ppbと10ppb-1000ppb）は、多元素標準を使用して調製しました。 酸性化された水サンプル（concと。 Ｈ ＮＯ３）を０で濾過した。ICP-MSの器械への挿入の前の45のµ mのスポイトフィルター。 水試料中のリン酸塩および硝酸塩濃度は、米国-EPA標準手順（方法9056A）に従ってイオンクロマトグラフ法によって測定した。 重炭酸ナトリウム（CASRN144-55-8）および炭酸ナトリウム（CASRN-497-19-7）を溶出液として使用し、硫酸（CASRN）を溶出液として使用した。-7664-93-9）を再生溶液として用いた。 ACSの試薬の等級l000のmg/l硝酸塩および隣酸塩の貯蔵液は集中（0.1mg/L–10mg/L）の範囲のために準備される陰イオンの標準のために使用されました。 各標準および収集されたサンプルは、0.22マイクロメーターナイロンフィルターを使用して濾過された。 サンプルは、0.7mL/分の流量でイオンクロマトグラフ（Metrohm Eco IC）に導入された。 水試料のフッ化物濃度は、較正されたフッ化物計（Eutech Instrument、pH510）を用いてオンサイト測定として測定され、測定値を取るとき、TISAB（III）緩衝液は、媒体のpHを安定化す 水試料中のマグネシウムおよびカルシウム濃度は、火炎原子吸光分光光度計（GBC5000）を用いて決定した。 一連の標準的な金属の解決はMgおよびCaの金属イオン標準（1000ppm、Bibby Scientific）両方を使用して別々に（10ppm–500ppm）検量線を得るために準備され、各水サンプルのMgおよ

2.3. 地理データ処理と統計データ分析

ArcGIS10.2.2ソフトウェアパッケージを使用して、推定平均値を使用してすべてのサンプリングサイトの表面内挿を実行し、調査エリアの水質汚染の影響を測定しました。 統計分析は、ＳＰＳＳ統計ソフトウェアを使用して行った。 記述統計は、データセットに実行され、ペアのt検定は、各サンプリング場所に記録された化学的パラメータの相違点または類似点を決定するために行

3. 結果と考察

慢性腎不全は、最近、Anuradhapura地区とPollonnaruwa地区の一部の地域で有意な増加を示している。 表2は、Ambagaswewa GND(Pollonnaruwa地区のMadirigiriya DSD)、Wewalketiya GND(Anuradhapura地区のRambewa DSD)、および基準サイト(Ampara地区のBuddhangala GND)から得られた微量金属および選択された井戸水サンプルの対イオン濃度の結果を、それぞれ許容限界と比較した結果をまとめたものである。 CKDuの原因となる要因を考慮するとき、有毒な金属はカドミウム、クロムおよび鉛を含む最も重要な心配です。 カドミウムの跡は隣酸塩に自然に起こり、肥料の塗布によって水、土およびまた食糧に得るために示されていました。 カドミウムは、リン酸肥料および精製石油製品中の不純物として存在する。 スリランカの飲料水品質基準によると、カドミウム（Cd）の最大許容レベル（MPL）は3.000μ g/Lです。 本研究では、Anuradhapura地区のWewalketiya GNDの選択された掘った井戸の60％は、MPLsを超える上昇したCdレベルを示した。 しかし，Ｐｏｌｌｏｎｎａｒｕｗａ地区のＡｍｂａｇａｓｗｅｗａｇｎｄから得られた飲料水試料は，Ｍｐｌｓを超えていない低レベルのＣｄを示し，また基準地域ではＭｐｌｓを超えるｃｄレベルを示さなかった。

しかし、以前に発表された報告では、腎臓の近位尿細管の損傷と糸球体濾過率（GFR）の低下の両方がCdへの慢性曝露によるものであるため、飲料水を介したCdへの長期曝露は腎臓内で持続し、いくつかの経路を介して腎不全を引き起こす可能性があると解釈されている。 特にGNDsのサンプリングサイトに沿ったカドミウム分布は、図2に示されており、カドミウム濃度は、基準面積に対してWewalketiya GNDで有意に高かったです。 しかし，Ｃｄ濃度はＡｍｂａｇａｓｗｅｗａｇｎｄの基準と有意差はなかった。 Cdの地球化学的移動度の増加は、農業土壌中のCdの総濃度を増加させる肥料および農薬の土地施用による酸性環境条件下で見ることができる。 土壌および表層水の酸性化は、Cdの地球化学的移動度を増加させる。 カドミウム（Cd）は、病気に寄与する可能性のある要因として示唆されており、TSPの使用は、スリランカの農業部門、特に病気が勝った地域で広く普及しているため、汚染の原因は、水田や他の作物栽培における三重過リン酸（TSP）の適用と関連している可能性がある。

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(c）＜190＞＜5825＞（)

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図2

(a)Anuradhapura地区のWewelketiya GNDのサンプリングサイト、(b)Polonnaruwa地区のAmbagaswewa GNDのサンプリングサイト、および(c)Ampara地区のBuddangala GNDのサンプリングサイト（参考）から採取した飲料水

本研究の結果によると、Ambagaswewa GNDの鉛レベルは6.080μ g/Lであり、平均は1.229±1.537μ g/Lであり、Wewalketiya GNDの鉛レベルは1.000μ g/Lから17.350ppbであり、平均は5.422±3.687μ g/Lであった（表2）。 Wewalketiya GNDの掘られた井戸水のサンプルがPbの集中の巨大な変化を示したにもかかわらず、集められたサンプルの40%はPbのMPLsを超過し、腎不全の場合には、Pbへの慢性の露出がスリランカのckduの患者の間で一般に観察された糸球体の硬化、間質性線維症および近位尿細管の腎症のような腎臓の効果によって特徴付けられる腎毒性に導くことができることが報告されました。

それとは別に、AmbagaswewaおよびWewelketiya地域で選択された掘られた井戸のCr濃度の範囲は0.203–0であると報告されました。それぞれ423μ g/Lおよび11.5–48.00μ g/Lであり、すべての値はMPLsを下回っていた。 しかし、基準地域では、選択された水資源のどれもCrで汚染されていません。 人間および動物両方では、クロム（III）は脂肪、ブドウ糖および蛋白質の新陳代謝の貴重な重要な役割を担う、インシュリンの行為によってされる必要な クロム（III）は必須栄養素として見出されているが、吸入、摂取、または皮膚接触による高レベルへの急性および慢性の暴露は、健康への悪影響をもたら したがって、腎臓は、急性高用量および慢性累積曝露におけるCrの主要な標的器官の1つである。 それに加えて、慢性Cr曝露に起因する腎障害および機能不全は、糸球体および尿細管の両方を含む可能性がある。

カルシウム(Ca)およびマグネシウム(Mg)の硬水または重炭酸塩および硫酸塩による健康への影響は顕著であり、飲料水にはCaが100mg/L、Mgが30mg/Lが推奨されている。 サンプル分析から得られた結果は、AmbagaswewaおよびWewelketiyaの選択された掘られた井戸におけるCaおよびMg濃度の変化を示し、サンプルのほとんどは、それらのckdu風土病地域のCaおよびMg濃度がMPLsを超えていることを報告している。 しかし、基準地域では、CaとMgの平均濃度はそれぞれ23.09（±14.63）mg/Lと16.14（±11.90）mg/Lであることが報告されており、CKDu風土病地域よりも低い値を示している。 飲料水によるCaおよびMgイオンへの長期露出は不利にカルシウム石のための危険を変更し、カルシウム含んでいる腎臓石の危険を高める腎臓の機能不全に影響を与えるかもしれません。

フッ化物は、望ましいレベル以上の水中で自然に発生する可能性があります。 また、ckduの原因としてフッ化物が提案されており、スリランカの飲料水品質基準によれば、フッ化物（F）の最大許容レベル（MPL）は1.0mg/Lです。 しかし、収集された飲料水試料中のより高いフッ化物レベル（図3）は、Wewalketiya GNDに記録された（平均：1.370±0。658mg/L）およびAambagaswewa GND（平均：1.260±0.654mg/L）は、基準領域（平均：0.505±0.765mg/L）と比較して、両方のCKDu風土病領域は、収集された飲料水サンプル中のフッ化物のMPLsを超えてい すべてのサンプリング位置におけるフッ化物レベルの変化を図3に示します。 さらに、Ambagaswewa GNDのサンプルの80％とWewalketiya GNDのサンプルの95％は、標準限界を超えたフッ化物で汚染されていました。

図3

参照部位（Buddangala）および疾患有病率領域（AmbagaswewaおよびWewalketiya）のサンプリングポイントに沿ったフッ化物濃度の変動。

地下水のための高いフッ化物ゾーンは、NCPのCKDu流行領域と重複するため、フッ化物への過度かつ長期的な暴露は、腎臓組織の損傷に直接関係する可能性が 糸球体濾過率が低下した患者は、尿を介してフッ化物を排泄する能力が低いため、慢性フッ化物毒性のリスクが増加している。 フッ化物レベルとＣｋｄｕの用量効果関係によれば，フッ化物が酸化ストレス，細胞内酸化還元恒常性，脂質過酸化，蛋白質合成阻害，遺伝子発現変化，アポトーシスに影響を及ぼすことを明らかにした。

フッ化物含有岩の溶解速度や滞留時間などの地質学的要因の範囲は、これらの地域の浅い井戸のフッ化物レベルの上昇に関連している可能性が 鉱物、即ち、charnockite、花こう岩、角閃石および黒雲母片麻岩および雲母、輝石、蛍石、電気石、トパーズ、スフェンおよびアパタイトのようなまたフッ化物軸受け鉱物は土のフッ化物のレベルを高めることができます。 水中のフッ化物は、フッ化物自体の影響だけでなく、飲料水中に存在するCa、Na、おそらくMgなどの他のイオン成分との相互作用のために、疾患の発症

特に、収集された水サンプルは、通常水中に見られるNa+やK+などの多量の主イオンが存在する高イオン含有量を有していた。 飲料水の増加したiconicityは腎臓の膜の近くで水分子の枯渇に影響を与え、水活動およびイオン活動、浸透活動および疎水性相互作用を変えることができ イオンをタンパク質を変性させる能力によってランク付けすると、カリウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウムなどの陽イオンと、フッ化物やリン酸塩などの陰イオンが主要な役割を果たし、サンプリング場所から採取された飲料水サンプル中のより高い含有量に存在する。 これらのイオン剤のほとんどを含む肥料の流出は、その地域の飲料水源の汚染に寄与する可能性があります。 同様に、フッ化物およびリン酸塩のようなある陰イオンは硝酸塩は最少の有効であるが、蛋白質の変性で最も活発です。 土壌の組成および水文学の変化は、隣接する水源のイオン性の増加につながる可能性がある。 土壌の還元条件と酸化条件（地域の環境条件と気候条件に依存する）が交互になると、土壌溶液中に鉄（Fe）とマンガン（Mn）が添加され、部分的に水テーブルに浸出することが示される（表2）。 土壌のこれらの酸化還元変動は、炭酸塩の重炭酸塩への変換および周囲の二酸化炭素（CO2）との反応のようないくつかの非平衡イオンプロセスのた 土壌溶液のpHを低下させると、土壌に結合した有毒な重金属が放出され、それらがそれらの地域の水源に添加されます。 化学肥料および殺虫剤の集中的な使用法は土pHのレベルの減少にまた責任があります。

腎臓には”良い”飲料水が必要です。 多くのイオン種を含み、腎臓に持続するイオン性が高い飲料水への腎臓の長期暴露は、それらに悪影響を及ぼす可能性があると考えることができ このような曝露は「慢性曝露」と呼ばれる。 慢性曝露とは、長期間にわたって有害物質が連続的に曝露される場合のことです。 これらの地域の帯水層は、Mahaweliチャネルからの高いイオン性を有する水によって絶えず補充され、それらの帯水層の頻繁な酸化還元が放出され、水テーブル

4. 結論

CKDu風土病地域の一部の掘られた井戸では、腎機能に影響を与えるCd、Pb、フッ化物のレベルを超えた持続性は、これらの資源から飲料水を消費す 飲料水試料中の他の分析された微量元素および対イオンが許容限界を超えていないにもかかわらず、イオンレベルの上昇を伴う飲料水を介した腎臓の長期暴露は、腎不全の発生を増加させる。 飲料水源の微量金属およびフッ化物による汚染は、主に土壌からの土壌粒子に結合したイオンの放出によって起こる。 したがって、土壌中の有毒金属およびフッ化物の汚染の原因および経路を調査する価値があり、それらの汚染に対する肥料施用およびその他の農業 さらに、スリランカで一般的に使用されている肥料の頻繁な使用の有毒な金属濃度は、継続的に評価する必要があります。

データの可用性

この研究の知見を支持するために使用されたデータは、記事内に含まれています。

利益相反

著者らは、本書で報告された研究に影響を与える可能性のある競合する金銭的利益や個人的関係は知られていないと宣言しています。

謝辞

著者らは、スリランカのキャンディ、国立基礎研究所（NIFS）を認め、言語支援、執筆支援、校正を提供したSachini Rathnasekara夫人とSudesh Hemal氏とAmila Tに感謝したいと思います。 水サンプルの分析をサポートするためのKannangara、Amitha Suriyaarachchi、およびErandi Udayasiri。 この研究は、”スリランカのケラニヤ大学にCKDu情報研究センターを設立する”という研究プロジェクトPS/DSP/CKDU/06/3.5によって資金を供給されました。”