Prepoznavanje podzemne vode povezane s kroničnom bubrežnom bolešću nepoznate etiologije pomoću organske tvari slične humusu
Nov 25, 2023
UVOD
Kronična bolest bubrega pogađa ~15% svjetske populacije i jedan je od globalnih javnozdravstvenih problema1. Hipertenzija, dijabetes i kronični nefritis obično su glavni uzroci kronične bubrežne bolesti2. Međutim, kronična bubrežna bolest koja nije povezana s gore navedenim uzrocima, naime kronična bubrežna bolestnepoznate etiologije(CKDu), zabilježen je u Srednjoj Americi, Indiji, Šri Lanki i drugim mjestima. U Šri Lanki je ugroženo zdravlje više od 400000 ljudiCKDu, iučestalost CKDuiznosi čak 15–23% u sjevernoj središnjoj provinciji4,5. Većina pacijenata koji pate od CKDu imaju nizak životni standard u poljoprivrednim zajednicama u sušnim regijama6. Posljednjih su godina mnoga istraživanja pokazala da je CKDu povezan s kvalitetom podzemne vode5,7 te da nema dovoljno infrastrukture za opskrbu pročišćenom pitkom vodom. Prema istraživanju, u područjima gdje prevladava CKDu, pojava CKDu ovisi o kvaliteti pitke podzemne vode za lokalno stanovništvo, a raspodjela izvora čiste podzemne vode i izvora podzemne vode povezanih s CKDu bila je neujednačena8. Stoga je prepoznavanje izvora čiste podzemne vode postala hitna akcija za stanovnike u područjima u kojima prevladava CKDu u zemljama u razvoju kao što je Šri Lanka5.
Kliknite za cistanche herba za bolesti bubrega
U mnogim studijama9,10 utvrđeno je da su anorganske kemikalije podzemne vode povezane s prevalencijom CKDu. Na primjer, koncentracije F− u uzorcima podzemne vode iz CKDu prevladavajućih područja u Šri Lanki, uglavnom prelaze razinu praga (0,6 mg L−1) definiranu za Svjetsku zdravstvenu organizaciju9; tvrdoća i omjer Ca2+ i Na+ u podzemnim vodama iz endemskih područja CKDu također su viši od onih u područjima bez CKDu10,11. Osim toga, CKDu je povezan s koncentracijama teških metala s nefrotoksičnošću (npr. Cd i Pb) i Si u podzemnim vodama12-14. Nedavna studija pokazala je da organski spojevi mogu komunicirati s Ca2+ i SO4 2− putem kompleksiranja, a kompleks je štetan za ljudske bubrege15. Nastanak određenih bolesti bubrega povezan je s otopljenim organskim ugljikom (DOC) u podzemnim vodama16. Prekomjerne humusne tvari mogu uzrokovati smrt ljudskih bubrežnih stanica na temelju istraživanja u endemskim područjima bubrežne bolesti Balkana17. Međutim, malo je studija istraživalo razliku u ključnim komponentama otopljene organske tvari (DOM) između CKDu i ne-CKDu izvora vode. Dostupne studije pokazale su da je DOM u podzemnoj vodi iz područja endemskih CKDu otporniji, aromatičniji i niže bioraspoloživ od onog iz područja koja nisu CKDu18,19. Međutim, još uvijek nije poznato koliko su značajne osjetljive komponente DOM-a u prepoznavanju izvora vode povezanih s CKDu.
Matrična spektroskopija ekscitacije i misije (EEM) ima prednosti brzog mjerenja, visoke osjetljivosti i jednostavne prethodne obrade. Naširoko se koristi za karakterizaciju fluorescentnog DOM-a (FDOM)20. EEM u kombinaciji s paralelnom faktorskom analizom (EEM PARAFAC) može učinkovito otkriti optičke karakteristike DOM-a, identificirati fluorescentne komponente i izvore DOM-a i razjasniti proces transformacije DOM-a21,22. Nadalje, također se može primijeniti za istraživanje dinamičkih promjena DOM-a na koje utječu prirodni i ljudski čimbenici23,24. EEM−PARAFAC ima potencijalnu izvedivost za istraživanje povezanosti između DOM-a i kvalitete podzemne vode20.
Stoga je ova studija imala za cilj (1) odrediti optičke karakteristike, sastav i izvore FDOM-a u podzemnoj vodi iz Šri Lanke povezanoj i nepovezanoj s CKDu tehnikom EEM PARAFAC, (2) potvrditi izvedivost korištenja ključnih fluorescentnih komponenti za identifikaciju Izvore vode povezane s CKDu kombiniranjem s anorganskim osjetljivim kemikalijama i (3) predložiti alat za rano upozorenje i pregled za izvore podzemne vode povezane s CKDu koji koristi ključne fluorescentne komponente. Ova će studija pružiti učinkovitu metodu za osiguranje sigurnosti vode za piće, što je korisno za prevenciju i sljedivost CKDu.
Slika 1. Spektralni indeksi DOM-a. Gornja točka crne kutije je maksimum, a donja je minimum; gornja granica crne kutije je 75. percentil, a donja je 25. percentil, a srednji bijeli kvadrat je prosječna vrijednost. Dijagram gustoće izvan okvirnog dijagrama predstavlja vjerojatnost gustoće. Značajna razlika od p < 0.01 i značajna razlika od p < 0,05 označene su s dvije zvjezdice i zvjezdicom u spektralnim indeksima između dvije različite skupine.
REZULTATI I RASPRAVA
DOC i EEM za DOM u podzemnim vodama povezanim s CKDu
Koncentracije DOC-a (3,25 ± 0,73 mgC L−1 ) u CKDu podzemnoj vodi bile su značajno niže od onih u površinskim vodama (4,65 ± 0,89 mgC L−1 ), ali značajno više od onih u podzemna voda koja nije CKDu (2,81 ± 0,76 mg L−1 ) (p < 0,05) (dodatna slika 2). Iako su koncentracije DOC-a koje su izvijestili Cooray i suradnici25 bile veće od promatranih podataka u ovoj studiji, također su otkrili relativno više koncentracije DOC-a (6,4 mgC L-1) u regijama u kojima prevladava CKDu nego u regijama u kojima prevladava CKDu (3,7 mgC L −1 ). Mogu postojati dva razloga za razliku u koncentracijama DOC-a između podzemne vode CKDu i podzemne vode koja nije CKDu. Jedan je da će podzemne vode CKDu vjerojatno dobiti više površinske vode11,26, što povećava koncentraciju DOC-a27,28. Drugi je da bi jača mikrobna aktivnost u podzemnim vodama koje nisu CKDu (slika 1E, dopunska slika 3) razgradila više organskih tvari u anorganske tvari29, o čemu se govori u nastavku.
Vrijednosti a254 u podzemnoj vodi CKDu (medijan: 5,07 m−1) bile su više od onih u podzemnoj vodi koja nije CKDu (medijan: 4,38 m−1) (Dodatna slika 2), što ukazuje da se DOM CKDu podzemne vode sastoji od više nezasićenog DOM-a. Općenito, koncentracije nezasićenog DOM (a254) u prirodnoj podzemnoj vodi bile su manje od 1 m−1 30–32. U ovoj studiji, najniža vrijednost a254 u svim uzorcima podzemne vode bila je 1,15 m−1 (dodatna tablica 1), što ukazuje da bi i CKDu i ne-CKDu podzemna voda mogle biti kontaminirane u određenoj mjeri. U usporedbi s podzemnom vodom, površinska voda imala je veće vrijednosti a254 (medijan:10,48 m−1), što bi proizašlo iz antropogenih aktivnosti. Osim toga, postoji značajna pozitivna korelacija između koncentracija DOC-a i a254 (dopunska slika 4), što ukazuje da se povećanje DOC-a može pripisati antropogenom unosu.
EEM značajke DOM-a iz podzemne vode koja nije CKDu bile su različite od onih iz CKDu podzemne i površinske vode (dodatna slika 5). EEM podzemne vode koja nije CKDu prikazala je relativno jači T vršni signal, ali slabiji vršni signal A (dodatna tablica 2) u odnosu na podzemnu vodu CKDu, što je pokazalo da podzemna voda koja nije CKDu sadrži više bioaktivnih tvari sličnih triptofanu33,34. Nasuprot tome, područje vrha A u EEM-ovima DOM-a iz CKDu podzemne i površinske vode prošireno je u plato između vrhova M i C, što ukazuje na dominantnu ulogu organske tvari slične humusu u CKDu podzemnoj i površinskoj vodi. Nadalje, slično EEM obilježje DOM-a između CKDu podzemne i površinske vode pokazalo je da je možda došlo do interakcije podzemne vode i površinske vode i da je površinska voda punila podzemnu vodu.
Spektralni indeksi DOM u podzemnoj vodi povezanoj s CKDu Kao što je prikazano na slici 1, u smislu aromatičnosti DOM (SUVA254), podzemna voda CKDu (srednja vrijednost: 0.78 ± 0.37) bila je slična ne -CKDu podzemna voda (srednja vrijednost: 0.78 ± {{10}}.33) (p > 0.05). Međutim, nekoliko uzoraka podzemne vode CKDu pokazalo je visoku aromatičnost DOM-a, što je povezano s njihovim visokim a254 (dopunska slika 4). Značajna pozitivna korelacija između a254 i SUVA254 ukazuje na to da aromatski DOM dominira nad nezasićenim DOM. Spektralni nagib (S275–295) podzemne vode CKDu (srednja vrijednost: 20,5 ± 6,7) bila je relativno niža od podzemne vode koja nije CKDu (srednja vrijednost: 23,7 ± 9,4), što ukazuje da je podzemna voda CKDu obogaćena organskom tvari visoke molekularne težine. Može se pripisati jačoj mikrobnoj aktivnosti35 u podzemnoj vodi koja nije CKDu s relativno višim vrijednostima biološkog indeksa (BIX) (Slika 1E). Mikroorganizmi mogu razgraditi lignin nalik OM-u visoke molekularne težine u aromatske spojeve niske molekularne težine nalik OM-u36,37
Indeks fluorescencije (FI) DOM-a u svim je uzorcima bio u rasponu od 1,26 do 1,88, što ukazuje na slabiju autohtonost i mješavinu kopnenog i mikrobnog podrijetla. Međutim, FI DOM u podzemnoj vodi koja nije CKDu (srednja vrijednost: 1,64 ± 0.12) bila je relativno veća od one u podzemnoj vodi CKDu (srednja vrijednost: 1,52 ± 0.17), što ukazuje da je DOM od CKDu podzemna voda sadrži više alohtone organske tvari, a manje autohtone organske tvari. Općenito, tekuće podzemne vode imaju jači zemaljski signal od stajaćih podzemnih voda 38,39. Posljedično, CKDu podzemna voda s nižim FI mogla bi imati bolje stanje protoka. Nije bilo razlika između ne-CKDu podzemne i površinske vode u smislu FI. Kao što je prikazano na slici 1E, BIX vrijednosti u CKDu podzemnoj vodi (srednja vrijednost: 0.81 ± {{20}}.09) i površinskoj vodi (srednja vrijednost: {{ 27}}.79 ± 0.08) bile su značajno niže od onih u podzemnim vodama koje nisu CKDu (srednja vrijednost: 0.86 ± 0,08) (p < 0,05), što sugerira da DOM podzemne vode koja nije CKDu ima značajku relativno veće biološke aktivnosti40,41, što je bilo u skladu s FI. Postoji pozitivna korelacija između FI i BIX, što je u skladu s opažanjima Dalmagra i sur.42 i Qi i sur.43. BIX je preferiran u razlikovanju biološke aktivnosti DOM između podzemne i površinske vode44.
Indeks humifikacije (HIX) DOM-a u podzemnoj vodi CKDu (srednja vrijednost: 4,36 ± 2,16) bio je značajno viši od onog u podzemnoj vodi koja nije CKDu (srednja vrijednost: 3,15 ± 1,49) (p < 0.01), pokazujući veći stupanj humifikacije DOM u podzemnoj vodi CKDu. To može biti uzrokovano površinskom vodom koja obnavlja CKDu podzemnu vodu ili jačom mikrobnom aktivnošću podzemne vode koja nije CKDu40,45. Povećanje stupnja humifikacije odgovara smanjenju H/C44. Ove organske tvari s niskim H/C uglavnom se sastoje od hidrofobnih aromatskih spojeva ili nezasićenih spojeva46. Stoga bi DOM CKDu podzemne vode sadržavao više hidrofobnih aromatskih ili nezasićenih spojeva, koji imaju tendenciju da budu stabilni i postojani. Zheng et al.18 i Makehelwala et al.19 također su pokazali da DOM u podzemnoj vodi iz CKDu-endemskih područja sadrži više fulvinske kiseline i drugog makromolekularnog hidrofobnog humusa.
Korelacija između FI i HIX nije bila značajna u ovoj studiji (dodatna slika 6). Stoga, identifikacija izvora temeljena na HIX-u nije bila u skladu s onom temeljenom na FI-u i BIX-u (dodatna slika 3). Odvajanje između FI i HIX moglo bi biti uzrokovano složenim hidrogeološkim uvjetima i antropogenim čimbenicima20. Na primjer, endogena organska tvar može se osloboditi iz sedimenata i/ili stijena zbog interakcije vode i stijene 47.
Iako spektralni indeksi mogu pomoći u brzoj procjeni sastava DOM-a, svi indeksi se izračunavaju korištenjem fiksnih valnih duljina13, koje su osjetljive na utjecaj višestrukih fluorofora koji međusobno djeluju, što dovodi do "iskrivljenja" pri procjeni sastava složenih organskih spojeva iz miješanih izvora48. Stoga, tumačenje indikatora fluorescencije treba biti oprezno, a PARAFAC treba koristiti za daljnje analize.
Osjetljive komponente FDOM u podzemnoj vodi povezanoj s CKDu Četiri fluorescentne komponente su ekstrahirane i prošle validaciju polupodijeljene (dodatna slika 7, dopunska tablica 3). C1 su bile zemaljske komponente slične humusu proizvedene biogeokemijskom preradom zemaljske čestične organske tvari49, koja je nalikovala kombinaciji vrhova Coble A i C50; C2 je bio sličan Coble M piku, mikrobne komponente slične humusu s niskom molekularnom težinom i mogao bi dominirati fluorescentnim DOM-om otpadne vode51,52; C3 je bila humusna komponenta visoke molekularne težine, koja je derivat zemaljskog organskog materijala51,53; C4 je bila autohtona komponenta nalik proteinu koja se pripisuje mikrobnoj aktivnosti54,55.
FDOM je dominirao C1 i C2 s obiljem od 68,7% i 62,9% u podzemnim vodama CKDu i ne-CKDu (slika 2), što ukazuje na dominantnu ulogu tvari sličnih humusu. Relativna zastupljenost C1 (C1%, 35,1%) u CKDu podzemnoj vodi bila je značajno viša od one u ne-CKDu podzemnoj vodi (28.0%, p < 0.01) , dok su C2% i C3% u CKDu i ne-CKDu podzemnoj vodi bili slični (p > 0.05). Zbog sličnih geoloških uvjeta i uvjeta navodnjavanja u području istraživanja, C2 je vjerojatno nusproizvod organske tvari proizvedene mikrobnim aktivnostima in situ ili nekih humusnih tvari koje su lako frakcionirane mineralima56, a C3 može biti povezan s unos poljoprivrednih materijala57. Nadalje, značajno viši C4% otkriven je u DOM-u iz podzemne vode koja nije CKDu (23,8%) nego kod DOM-a u podzemnoj vodi CKDu (17,3%, p < 0,01), što ukazuje na veću bioraspoloživost DOM-a iz podzemne vode koja nije CKDu. Niže pH vrijednosti podzemne vode koja nije CKDu podupiru ovu spekulaciju (dodatna tablica 4), jer se proton proizvodi tijekom mikrobne razgradnje organske tvari58,59. C1% u površinskoj vodi bio je značajno viši od onog u podzemnim vodama koje nisu CKDu (p < 0,01), ali sličan onom uCKDu podzemne vode(p > 0.05), što ukazuje da povećanje C1% u CKDu podzemnoj vodi može biti povezano s unosom površinske vode.
Dvokomponentna analiza glavnih komponenti pokazala je da su opterećenja C1% bila smještena u pozitivnom smjeru PC1, što je činilo 43,9% varijanci, a opterećenja C4% bila su položena u negativnom smjeru PC1 (slika 3. ). Uzorci blizu pozitivnog smjera PC1 općenito su imali veliku količinu tvari sličnih humusu, a uzorci blizu negativne osi PC1 općenito su imali visok udio komponenti sličnih proteinima povezanih s mikrobnim aktivnostima. Naime, oko 50% CKDu uzoraka podzemne vode i samo oko 22% ne-CKDu uzoraka podzemne vode locirano je na pozitivnom smjeru PC1. Pokazalo je da se CKDu podzemna voda i ne-CKDu podzemna voda mogu učinkovito razlikovati prema C1% i C4%. Međutim, čini se da je C4 osjetljiv na smetnje mikrobne pozadine u vodonosnicima što je rezultiralo odstupanjima u probiru20. Stoga se C1 s boljom stabilnošću i postojanošću u okolišu60 može po mogućnosti koristiti za prepoznavanje CKDu podzemne vode. U međuvremenu, HIX, a254 i SUVA254 pokazali su pozitivna opterećenja za PC1, što ukazuje na njihovu povezanost s humusnim tvarima (C1). Za PC2 (22,2%), C2% i C3% postavljeni su u pozitivnom smjeru. Oko 53% uzoraka podzemne vode CKDu i 28% uzoraka podzemne vode koja nije CKDu locirano je u negativnom smjeru PC2. Međutim, s obzirom na slične C2% i C3% izmeđuCKDu podzemne vodei ne-CKDu podzemne vode, prepoznavanje CKDu podzemne vode prema C2% i C3% može dovesti u zabludu.
Usluga podrške Wecistanche-najvećeg izvoznika cistanche u Kini:
E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/telefon:+86 15292862950
Kupite za više pojedinosti o specifikacijama:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
