utforska grundorsaken till kronisk njursjukdom av okänd etiologi (CKDu) via analys av metalljon-och Motkontamineringar i dricksvatten: en studie i Sri Lanka

Abstrakt

införandet av förhöjda mängder främmande joner i blodet kan leda till försämring av njurfiltreringsmembranet och kronisk njurskada. För att bedöma risken för konsumtion av dricksvatten (grävt brunnsvatten) vid kronisk njursjukdom av okänd etiologi (CKDu) analyserades drabbade områden i Sri Lanka, spårmetaller och andra motjoner i vattenprover erhållna från grävda brunnar och jämfördes med ett referensområde. Dricksvatten kan vara den viktigaste källan som är ansvarig för att komma in i nefrotoxiska jonföroreningar i människokroppen. För att uppnå målet samlades dricksvattenprover från grävda brunnar i två CKDu-endemiska områden och ett referensområde där inga CKDu-patienter hittades under en torr säsong. I Wewelketiya-området (ett av de endemiska områdena) har Cd-koncentrationerna i 60% av vattenproverna och Pb-koncentrationerna i 40% av vattenproverna överskridit den maximala gränsen som ges av Sri Lankas vattenkvalitetsstandarder. Fluorkoncentrationer har också överskridit de tillåtna gränserna för mer än 80% av uppsamlade vattenprover i båda CKDu-endemiska områdena. Inget av vattenproverna i referensområden har dock rapporterat att Cd, Pb och fluor ligger utanför deras maximala tillåtna gränser. Därför riskerar människor i de särskilda CKDu-endemiska områdena njurvävnadsskador på grund av långvarig exponering för dricksvatten med förhöjda nivåer av vissa metalljoner och motjoner.

1. Inledning

kronisk njursjukdom av okänd etiologi upptäcktes först i Sri Lanka i mitten av 1990-talet och observerades mestadels bland bönderna i Norra Centralprovinsen (NCP) i Sri Lanka, och sedan dess, över två decennier av en period, spred sjukdomen dramatiskt upp till andra jordbruksområden i landet som Norra, nordvästra, östra, Uva och centrala provinser . Kronisk njursjukdom (CKD) är en icke-överförbar sjukdom som är relaterad till riskfaktorer som diabetes eller högt blodtryck, tidigare ormbett och urinvägsinfektioner . En annan studie har definierat” kronisk njursjukdom ” som antingen njurskada eller nedsatt njurfunktion (minskad GFR) i tre månader eller mer . Kronisk njursjukdom (CKD) är ett globalt folkhälsoproblem som lockar ökad global uppmärksamhet på grund av sjukdomens snabba spridning. CKD av okänd etiologi CKDu är dock också utbredd och utvecklas snabbt i vissa regioner i världen, särskilt i Afrika, Centralamerika och Asien .

förekomsten av CKDu inom samma land varierar med det geografiska området. Ett intimt förhållande mellan vattenkvalitet och den underliggande geologin har registrerats upprepade gånger i olika geografiska regioner i världen. Eftersom CKDu finns i samhällen där grundvatten är den främsta källan till dricksvatten, antas många riskfaktorer, till exempel oidentifierade miljögifter som leder till CKDu, kronisk exponering av bekämpningsmedel och ökad nivå av tungmetaller i vatten och jord , höga fluornivåer och potentiella effekter av AlFx i mark och vatten och tillväxt av cyanobakterier i vattenresurser .

CKDu upptäcktes mestadels bland män i Norra Centralprovinsen (NCP) i Sri Lanka inklusive Anuradhapura och Polonnaruwa distrikt (Tabell 1), och nyligen har det också upptäckts bland kvinnor och barn. Manliga patienter är övervägande bönder och / eller jordbruksarbetare, som är över 40 år . Fördelningen av sjukdomen kan associeras med vissa geografiska och socioekonomiska faktorer som har miljömässigt och yrkesmässigt ursprung. NCP i Sri Lanka är en del av den “torra zonen” i Sri Lanka, med en Nederbörd på 1750 till 1000 mm per år , och vissa studier har visat att nederbördskartan i stor utsträckning överlappar den region som påverkas av CKDu. Nu har sjukdomen spridit sig till närliggande distrikt inklusive nordvästra, östra och Uva provinser också. Det är en hög börda för landets ekonomi på grund av de höga kostnaderna för behandlingar och den dåliga inkomsten för människor i avlägsna områden. Vissa kohortstudier utförda med beskrivande sjukhusregister visade att patienter som kom till nefrologikliniker i Anuradhapura och Kandy ökade under perioden 2001-2002, och majoriteten av dem var CKDu-patienter .

orsakerna och riskfaktorerna för utvecklingen av CKDu varierar mycket. Eftersom CKDu råder i hushåll där grundvatten eller brunnsvatten är den viktigaste dricksvattenkällan kan flera riskfaktorer antas: (a) kronisk exponering för kemiska bekämpningsmedel och gödningsmedel och därmed ökning av tungmetaller (t .ex. Cd, Pb och As) i vatten och (b) närvaro av höga nivåer av fluor och andra möjliga motjoner som fosfater och nitrater.

Jonobalanser av blod och införandet av en hög belastning av främmande joner eller molekyler i blodet orsakar försämring av filtreringsmembranet vilket kan resultera i proteindenaturering. Dessa proteinmolekyler passerar in i urinen på grund av frånvaron av korrekt underhåll av porstorlek i membranet. De glomerulära kapillärerna skadar gradvis filtreringsmembranet med de höga osmotiska tryckgradienterna och negativt laddade proteoglykaner kan också påverkas av högre koncentrationer av katjoner . Dessutom filtreras toxiner inte ut från blodet och ackumuleras i kroppen. När njurdysfunktionen sker delvis eller fullständigt förändras de normala kroppsföreställningarna vilket resulterar i några allvarliga hälsoproblem med förvirrande etiologi, såsom kronisk njursjukdom av okänd etiologi (CKDu) .

avsikten med den aktuella studien är att bedöma dricksvattenkvaliteten genom att utvärdera nivåerna av giftiga metaller och utvalda motjoner i grävda brunnar i CKDu-endemiska områden jämfört med ett referensområde (CKDu nonendemic areas) och kommentera risken för konsumtion av dricksvattnet i utvalda områden baserat på Sri Lankas vattenkvalitetsstandarder. Dessutom syftar studien till att undersöka bevisen för sambandet mellan konsumtion av brunnsvatten och förekomsten av njursjukdom i utvalda CKDu-endemiska områden.

2. Metod

2.1. Provsamling

baserat på informationen från hälsoministeriet, Sri Lanka, wewalketiya Grama-Niladhari division (GND) och Ambagaswewa GND valdes ut som CKDu-endemiska områden för vattenprovtagning som finns i Anuradhapura-distriktet respektive Polonnaruwa-distriktet i norra centrala provinsen, Sri Lanka. Buddahangala GND i Ampara-distriktet valdes som referensområde för den aktuella studien. Provtagningspunkter för dricksvattenprovsamlingen valdes från grunda dricksvattenbrunnar (grävda brunnar) som ligger i invånarnas trädgårdar som är de viktigaste källorna till vattenförbrukning i deras dagliga liv. Trettio grävda brunnar valdes slumpmässigt för vattenprovtagning, och alla provtagningsplatser var belägna inom samma klimatzon (Torrzon i Sri Lanka). Provtagningsplatser registrerades i fältet med hjälp av Global positioning system (GPS) (Figur 1). Provtagningsförfarandet genomfördes inom augusti 2019 (torrsäsong) för alla utvalda studieområden. Tredubblades 30 dricksvattenprover samlades in från varje provtagningsområde i oförorenade Teflonflaskor (125 ml) och konserverades genom tillsats av conc. salpetersyra (0,10 mL) och lagrades vid 4 kg C, och ytterligare tredubblades 30 dricksvattenprover uppsamlades i oförorenade Teflonflaskor (125 ml) utan försurning och lagrades vid 4 kg C.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

fördelningen av provtagningspunkter (akvifer) som var belägna i CKDu rådde områden: a) Ambagaswewa GND, Madirigiriya DSD, Polonnaruwa District och b) Wewalketiya GND, Rambewa DSD, Anuradhapura District, Sri Lanka.

2.2. Analys av vattenprover

koncentrationen av spårämnen inklusive kadmium, bly, krom, arsenik, zink, koppar, natrium, kalium, järn, mangan, kobolt och nickel bestämdes med användning av induktivt kopplad plasmamasspektrometri (ICP-MS-7800-Agilent, Tyskland). Multielement ICP-MS-standarder (AccuStandard, USA) användes för instrumental kalibrering. Två kalibreringsserier (1 ppb–50 ppb och 10 ppb till 1000 ppb) framställdes med användning av multielement standard. Surgjorda vattenprover (med conc. HNO3) filtrerades genom 0.45 msk sprutfilter före införandet i ICP-MS-instrumentet. Fosfat-och nitratkoncentration i vattenprover mättes med Jonkromatografisk metod enligt US-EPA standardprocedurer (metod 9056A). Natriumbikarbonat (CASRN 144-55-8) och natriumkarbonat (CASRN-497-19-7) användes som en elueringslösning och svavelsyra (CASRN-7664-93-9) användes som en regenereringslösning. ACS-Reagensklass l000 mg/L stamlösningar av nitrat och fosfat användes för standarderna för anjoner beredda för ett koncentrationsområde (0,1 mg/l–10 mg/L). Varje standard och uppsamlade prover filtrerades med användning av 0,22 mikrometer nylonfilter. Prover infördes under flödeshastigheten på 0,7 mL / min i Jonkromatografen (Metrohm Eco IC). Fluoridkoncentrationer av vattenprover mättes som mätningar på plats med kalibrerad fluoridmätare (Eutech Instrument, pH 510), och vid avläsning användes TISAB (III) buffert med vattenprov i förhållandet 1 : 1 för att stabilisera mediets pH. Magnesium-och kalciumkoncentrationer i vattenprover bestämdes med användning av en flammatomabsorptionsspektrofotometer (GBC 5000). En serie standardmetalllösningar framställdes (10 ppm–500 ppm) separat med användning av både Mg-och Ca-metalljonstandarder (1000 ppm, Bibby Scientific) för att erhålla kalibreringskurvan och koncentrationen av Mg och Ca för varje vattenprov bestämdes.

2.3. Geografisk databehandling och statistisk dataanalys

ArcGIS 10.2.2 programpaket användes för att utföra ytinterpolering för alla provtagningsställen med hjälp av uppskattade medelvärden för att mäta effekten av vattenförorening i studieområdet. Statistisk analys gjordes med hjälp av SPSS Statistik programvara. Beskrivande statistik utfördes på datamängderna och ett parat t-test utfördes för att bestämma skillnaderna eller likheterna mellan de kemiska parametrarna som registrerats i varje provtagningsplats.

3. Resultat och diskussion

kroniskt njursvikt har nyligen visat en signifikant ökning i vissa områden i distrikten Anuradhapura och Pollonnaruwa. Tabell 2 sammanfattar resultaten av spårmetaller och några av motkoncentrationerna av utvalda brunnsvattenprover som erhålls från AMBAGASWEWA GND (Madirigiriya DSD i Pollonnaruwa-distriktet), Wewalketiya GND, (Rambewa DSD, i Anuradhapura-distriktet) respektive referensstället (Buddhangala GND i Ampara-distriktet) jämfört med de tillåtna gränserna . När man överväger de orsakande faktorerna för CKDu är giftiga metaller det viktigaste problemet inklusive kadmium, krom och bly. Kadmiumspår förekommer naturligt i fosfat och har visat sig komma in i vatten, jord och även mat genom applicering av gödselmedel. Kadmium är närvarande som en förorening i fosfatgödselmedel och raffinerade petroleumprodukter . Enligt Sri Lankas dricksvattenkvalitetsnormer är den maximala tillåtna nivån (MPL) av kadmium (Cd) 3.000 occurg/L . I den aktuella studien visade 60% av de utvalda grävbrunnarna i Wewalketiya GND i Anuradhapura-distriktet förhöjda Cd-nivåer som överstiger MPLs. Dricksvattenprover erhållna från Ambagaswewa GND, Pollonnaruwa district, visade dock de låga nivåerna av Cd som inte har överskridit MPLs, och inget av vattnet visade Cd-nivå som överstiger MPLs i referensområdet.

tidigare publicerade rapporter har dock tolkat att långvarig exponering för Cd via dricksvatten kvarstår i njurarna och kan eventuellt orsaka njursvikt genom flera vägar , eftersom både renal proximal tubulär skada och minskning av glomerulär filtreringshastighet (GFR) hos människor beror på kronisk exponering för Cd . Kadmiumfördelningen längs provtagningsställena i synnerhet GND visas i Figur 2 och kadmiumkoncentrationerna var signifikant högre i WEWALKETIYA GND med avseende på referensområdet. Men Cd-koncentrationerna skilde sig inte signifikant från referensen i Ambagaswewa GND. Ökningen av geokemisk rörlighet för Cd kan ses under sura miljöförhållanden med markanvändning av gödselmedel och bekämpningsmedel vilket ökar den totala koncentrationen av Cd i jordbruksjord. Försurning av mark och ytvatten ökar Cd: s geokemiska rörlighet. Kadmium (Cd) har föreslagits som en möjlig faktor som bidrar till sjukdomen, och föroreningskällan kan associeras med trippel superfosfat (TSP) applicering i paddy och andra grödor eftersom TSP-användning är utbredd i hela jordbrukssektorn i Sri Lanka och särskilt i de drabbade områdena .

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Figur 2

Kadmiumkoncentrationer i dricksvattenprover som samlats in från A) provtagningsplatser i Wewelketiya GND, i Anuradhapura-distriktet, b) provtagningsplatser i Ambagaswewa GND, i Polonnaruwa-distriktet, och c) provtagningsplatser i Buddangala GND (referens) i Ampara-distriktet.

Enligt resultaten av denna studie, de blyhalter i Ambagaswewa GND rapporteras 6.080 µg/L som maximal värde med i genomsnitt 1.229 ± 1.537 µg/L, och blyhalter i Wewalketiya GND varierade från 1 000 µg/L till 17.350 ppb med genomsnittet för 5.422 ± 3.687 µg/L (Tabell 2). Även om grävda brunnsprover i Wewalketiya GND visade en enorm variation av PB-koncentrationer, har 40% av insamlade prover överskridit MPLs av Pb, och vid njursvikt rapporterades det att kronisk exponering för Pb kan leda till nefrotoxicitet som kännetecknas av njureffekter, såsom glomerulär skleros, interstitiell fibros och proximal tubulär nefropati som vanligtvis har observerats bland patienterna med CKDu i Sri Lanka .

bortsett från det rapporterades intervall av Cr–koncentrationer av utvalda grävbrunnar i ambagaswewa-och Wewelketiya-områden vara 0,203-0.423 AUC / L respektive 11,5-48,00 UC/l, och alla värden var under MPLs. Men i referensområdet har ingen av de valda vattenresurserna förorenats med Cr. Hos både människor och djur finns krom (III) som ett viktigt näringsämne som spelar en värdefull nyckelroll i fett -, glukos-och proteinmetabolism, och det görs genom insulinverkan . Även om krom (III) har hittats som ett viktigt näringsämne, kan både akut och kronisk exponering för höga nivåer via inandning, förtäring eller hudkontakt leda till negativa hälsoeffekter. Njurarna är därför ett av de viktigaste målorganen för Cr i akuta höga doser och kronisk kumulativ exponering. Dessutom kan njurskador och dysfunktion orsakad på grund av kronisk Cr-exponering involvera både glomerulär och tubulär .

hälsoeffekterna på grund av hårt vatten eller bikarbonater och sulfater av kalcium (Ca) och magnesium (Mg) är signifikanta och 100 mg/L för Ca och 30 mg/L för Mg rekommenderas för dricksvatten. Resultaten som har erhållits från provanalysen visar variationer i ca-Och Mg-koncentrationer i utvalda grävbrunnar i Ambagaswewa och Wewelketiya, och de flesta av proverna har rapporterat att Ca-och Mg-koncentrationerna ligger utanför MPLs i de CKDu-endemiska områdena. I referensområdet har emellertid medelkoncentrationerna av Ca och Mg rapporterats vara 23, 09 (14, 63) mg/L respektive 16, 14 (11, 90) mg/l, vilket indikerar de låga värdena än CKDu-endemiska områden. Långvarig exponering för Ca-och Mg-jonerna via dricksvatten kan påverka njurdysfunktionerna negativt och modifiera risken för kalciumstenar och öka risken för kalciumhaltiga njurstenar .

fluor kan förekomma naturligt i vatten över önskvärda nivåer. Fluor har också föreslagits som en orsak till CKDu, och enligt Sri Lanka dricksvattenkvalitetsstandard är den maximala tillåtna nivån (MPL) av fluor (F) 1,0 mg/L . De högre fluoridnivåerna i de uppsamlade dricksvattenproverna (Figur 3) registrerades emellertid i Wewalketiya GND (genomsnitt: 1.370 0.658 mg/L) och AAMBAGASWEWA GND (genomsnitt: 1,260 0,654 mg/l 0,260 0,654 mg/l i jämförelse med referensområdet (genomsnitt: 0,505 0,765 mg / l 0,765 mg / l), och båda CKDu-endemiska områden har överskridit MPLS av fluor i de uppsamlade dricksvattenproverna. Variationerna av fluoridnivåer på alla provtagningsplatser visas i Figur 3. Dessutom förorenades 80% av proverna i Ambagaswewa GND och 95% av proverna i Wewalketiya GND med fluor som har överskridit standardgränserna .

Figur 3

variationer av fluorkoncentrationer längs provtagningspunkterna på referensstället (Buddangala) och sjukdomsprevalensområden (Ambagaswewa och Wewalketiya).

överdriven och långvarig exponering för fluor kan vara direkt relaterad till njurvävnadsskador eftersom höga fluorzoner för grundvatten överlappar med CKDu-vanliga regioner i NCP . Patienter med nedsatt glomerulär filtreringshastighet har en ökad risk för kronisk fluoridtoxicitet eftersom de har mindre förmåga att utsöndra fluor via urin . Enligt dos-effekt-förhållandet mellan fluoridnivåer och CKDu har oväntade effekter av fluor på cellulära system undersökts av Agalakova och Gusev som tydligt avslöjar att fluor kan påverka oxidativ stress , intracellulär redoxhomeostas, lipidperoxidation, proteinsynteshämning, genuttrycksförändring och apoptos.

en rad geologiska faktorer som upplösningshastigheter och uppehållstider för fluorbärande bergarter kan relateras till högre fluornivåer i grunda brunnar i dessa områden. Mineralerna, nämligen charnockit, granitisk, hornblende och biotitiska gneisser , och även fluorbärande mineraler som micas, pyroxen, fluorit, turmalin, topas, sphene och apatit kan förbättra fluoridnivåerna i jorden . Fluor i vattnet kan vara en potentiell orsaksfaktor i utvecklingen av sjukdomen på grund av inte bara effekterna av fluor i sig utan också dess interaktion med andra joniska beståndsdelar såsom Ca, Na och eventuellt Mg som finns i dricksvattnet .

i synnerhet hade uppsamlade vattenprover högt joninnehåll med närvaron av stora mängder huvudjoner såsom Na+ och K+ som normalt finns i vatten. Den ökade ikoniciteten hos dricksvatten kan påverka uttömningen av vattenmolekyler nära njurmembranet, förändrad vattenaktivitet och jonaktivitet, osmotisk aktivitet och hydrofoba interaktioner. När rangordna jonerna genom deras förmåga att denaturera proteiner, katjoner inklusive kalium, natrium, magnesium, och kalcium och anjoner såsom fluor och fosfater spelar en viktig roll som är närvarande i högre innehåll i uppsamlade dricksvattenprover från provtagningsplatser . Gödningsavrinning som innehåller de flesta av dessa Joniska medel kan bidra till förorening av dricksvattenkällor i det området. På samma sätt är vissa anjoner som fluor och fosfater de mest aktiva i proteindenaturering, medan nitrater är minst effektiva. Förändring av jordens sammansättning och hydrologi kan leda till ökad jonicitet hos intilliggande vattenkällor. De växlande reducerande och oxiderande förhållandena (beroende på områdenas miljö-och klimatförhållanden) främjar tillsatsen av järn (Fe) och mangan (mn) i jordlösningen som delvis skulle lakas ut i vattentabellen vilket indikeras av resultaten av att ha högt Fe-och Mn-innehåll på alla provtagningsplatser (Tabell 2). Dessa redoxfluktuationer i jord kan minska lösningens pH på grund av vissa icke-jämviktsjoniska processer såsom omvandling av karbonat till bikarbonat och reaktion med omgivande koldioxid (CO2). pH-minskning av marklösningen kommer att leda till utsläpp av jordbundna giftiga tungmetaller och de läggs till vattenkällorna i dessa områden. Intensiv användning av kemiska gödningsmedel och bekämpningsmedel är också ansvarig för minskningen av markens pH-nivåer .

njuren behöver ” bra ” dricksvatten . Det kan anses att den långsiktiga exponeringen av njurarna till dricksvattnet som innehåller många Joniska arter och har hög jonicitet, som kommer att kvarstå i njurarna, kan påverka dem negativt. Sådan exponering kallas “kronisk exponering”. Kronisk exponering är när exponering sker kontinuerligt med giftiga ämnen under en lång tidsperiod . Akviferer av dessa områden ständigt fyllas av vatten med hög jonicitet från Mahaweli kanaler samt frekvent oxidation-reduktion av dessa akviferer släppa och ökande mängder av joner till grundvattennivån .

4. Slutsats

persistensen av överskridna nivåer av Cd, Pb och fluorider som påverkar njurfunktionen i vissa utvalda grävda brunnar i CKDu-endemiska områden indikerar en risk att konsumera dricksvattnet från dessa resurser. Även om andra analyserade spårämnen och motjoner i dricksvattenprover inte har överskridit de tillåtna gränserna, ökar långvarig exponering av njurarna via dricksvatten med förhöjda nivåer av joner förekomsten av njursvikt. Förorening av dricksvattenkällor med spårmetaller och fluor sker huvudsakligen genom frisättning av joner bundna till jordpartiklar från jorden. Därför är det värt att undersöka källorna och vägarna för kontaminering av giftiga metaller och fluor i jorden och ytterligare bedömningar bör utföras för att förstå bidraget från gödningsmedelstillämpning och annan jordbruksverksamhet för dessa föroreningar också. Dessutom måste giftiga metallkoncentrationer av frekvent användning av gödselmedel som vanligtvis används i Sri Lanka utvärderas kontinuerligt.

datatillgänglighet

de data som används för att stödja resultaten av denna studie ingår i artikeln.

intressekonflikter

författarna förklarar att de inte har några kända konkurrerande ekonomiska intressen eller personliga relationer som kunde ha visat sig påverka det arbete som rapporterats i detta dokument.

bekräftelser

författarna vill erkänna National Institute of Fundamental Studies (nifs), Kandy, Sri Lanka, och vill tacka Fru Sachini Rathnasekara och Herr Sudesh Hemal för att ge språkhjälp, skrivhjälp och korrekturläsning av artikeln och Amila T. Kannangara, Amitha Suriyaarachchi och Erandi Udayasiri för att stödja analysen av vattenprover. Denna forskning finansierades av forskningsprojektet PS/DSP/CKDU/06/3.5 med titeln “upprätta ett CKDu informations-och forskningscenter vid University of Kelaniya, Sri Lanka.”