Rozpoznawanie wód gruntowych związanych z przewlekłą chorobą nerek o nieznanej etiologii na podstawie materii organicznej przypominającej humus
Nov 25, 2023
WSTĘP
Przewlekła choroba nerek dotyka około 15% populacji na całym świecie i stanowi jeden z globalnych problemów zdrowia publicznego1. Nadciśnienie, cukrzyca i przewlekłe zapalenie nerek są zwykle głównymi przyczynami przewlekłej choroby nerek2. Jednakże przewlekła choroba nerek niezwiązana z wyżej wymienionymi przyczynami, a mianowicie przewlekła choroba nereknieznana etiologia(CKDu) odnotowano w Ameryce Środkowej, Indiach, na Sri Lance i w innych miejscach. Na Sri Lance zdrowie ponad 400000 osób jest zagrożoneCKDu, orazczęstość występowania CKDuw województwie północno-środkowym wynosi aż 15–23%4,5. Większość pacjentów cierpiących na CKDu ma niski standard życia w społecznościach rolniczych w suchych regionach6. W ostatnich latach wiele badań wykazało, że CKDu jest powiązane z jakością wód gruntowych5,7, a infrastruktura nie jest wystarczająca do zapewnienia oczyszczonej wody pitnej. Z badań wynika, że na obszarach występowania CKDu występowanie CKDu jest zależne od jakości wody pitnej dla lokalnych mieszkańców, a rozmieszczenie źródeł czystych wód podziemnych i źródeł wód podziemnych związanych z CKDu było nierównomierne8. Dlatego też rozpoznanie źródeł czystych wód gruntowych stało się pilnym działaniem podejmowanym dla mieszkańców obszarów, na których występuje CKDu, w krajach rozwijających się, takich jak Sri Lanka5.
Kliknij, aby cistanche herba na chorobę nerek
W wielu badaniach stwierdzono, że nieorganiczne substancje chemiczne występujące w wodach gruntowych są powiązane z występowaniem CKDu9,10. Na przykład stężenia F− w próbkach wód gruntowych z obszarów, w których występuje CKDu na Sri Lance, w większości przekraczają poziom progowy (0,6 mg L-1) zdefiniowany dla Światowej Organizacji Zdrowia9; twardość i stosunek Ca2+ do Na+ w wodach gruntowych z obszarów endemicznych dla CKDu są również wyższe niż na obszarach innych niż CKDu10,11. Ponadto CKDu wiąże się ze stężeniem metali ciężkich o nefrotoksyczności (np. Cd i Pb) oraz Si w wodach gruntowych12–14. Niedawne badania wykazały, że związki organiczne mogą oddziaływać z Ca2+ i SO4 2− poprzez kompleksowanie, a kompleks jest szkodliwy dla ludzkich nerek15. Powstawanie niektórych chorób nerek jest związane z rozpuszczonym węglem organicznym (DOC) w wodach gruntowych16. Nadmiar substancji humusowych może powodować śmierć ludzkich komórek nerek, jak wynika z badań przeprowadzonych na endemicznych obszarach choroby nerek Bałki17. Jednakże w niewielu badaniach analizowano różnice w kluczowych składnikach rozpuszczonej materii organicznej (DOM) pomiędzy źródłami wody CKDu i innymi źródłami wody. Dostępne badania wykazały, że DOM w wodach gruntowych z obszarów endemicznych dla CKDu był bardziej ogniotrwały, bardziej aromatyczny i mniej biodostępny niż ten z obszarów innych niż CKDu18,19. Jednak nadal nie wiadomo, jak istotne są wrażliwe składniki DOM w rozpoznawaniu źródeł wody związanych z CKDu.
Spektroskopia matrycowa z misją wzbudzenia (EEM) ma zalety szybkiego pomiaru, wysokiej czułości i łatwej obróbki wstępnej. Jest szeroko stosowany do charakteryzowania fluorescencyjnego DOM (FDOM)20. EEM w połączeniu z równoległą analizą czynnikową (EEM PARAFAC) może skutecznie ujawnić właściwości optyczne DOM, zidentyfikować składniki fluorescencyjne i źródła DOM oraz wyjaśnić proces transformacji DOM21,22. Co więcej, można go również zastosować do badania dynamicznych zmian DOM, na które wpływają czynniki naturalne i ludzkie23,24. EEM-PARAFAC ma potencjalną możliwość zbadania związku pomiędzy DOM a jakością wód gruntowych20.
Dlatego też niniejsze badanie miało na celu (1) określenie właściwości optycznych, składu i źródeł FDOM w wodach gruntowych związanych z CKDu i niezwiązanych z CKDu ze Sri Lanki za pomocą techniki EEM PARAFAC, (2) sprawdzenie wykonalności wykorzystania kluczowych składników fluorescencyjnych do identyfikacji źródeł wody powiązanych z CKDu poprzez połączenie z nieorganicznymi wrażliwymi substancjami chemicznymi oraz (3) zaproponowanie narzędzia wczesnego ostrzegania i kontroli źródeł wód podziemnych powiązanych z CKDu, wykorzystującego kluczowe składniki fluorescencyjne. Badanie to zapewni skuteczną metodę zapewnienia bezpieczeństwa wody pitnej, która jest pomocna w zapobieganiu i identyfikowalności CKDu.
Rys. 1 Wskaźniki widmowe DOM. Górny punkt czarnej skrzynki to maksimum, a dolny to minimum; górna granica czarnej skrzynki to 75. percentyl, dolna to 25. percentyl, a środkowy biały kwadrat to wartość średnia. Diagram gęstości poza diagramem pudełkowym przedstawia prawdopodobieństwo gęstości. Istotna różnica p < 0.01 i istotna różnica p < 0,05 oznaczono odpowiednio dwiema gwiazdkami i gwiazdką we wskaźnikach widmowych między dwiema różnymi grupami.
WYNIKI I DYSKUSJA
DOC i EEM DOM w wodach podziemnych związanych z CKDu
Stężenia DOC (3,25 ± 0,73 mgC L−1 ) w wodach podziemnych CKDu były istotnie niższe niż w wodach powierzchniowych (4,65 ± 0,89 mgC L−1 ), ale znacznie wyższe niż w woda gruntowa inna niż CKDu (2,81 ± 0,76 mg L-1 ) (p <0,05) (rysunek uzupełniający 2). Chociaż stężenia DOC zgłoszone przez Cooray i wsp.25 były większe niż dane zaobserwowane w tym badaniu, odkryli również stosunkowo wyższe stężenia DOC (6,4 mgC L-1) w regionach z przewagą CKDu w porównaniu z regionami, w których nie występuje CKDu (3,7 mgC L-1 −1 ). Mogą istnieć dwie przyczyny różnicy w stężeniach DOC pomiędzy wodami gruntowymi CKDu i wodami gruntowymi niezawierającymi CKDu. Jednym z nich jest to, że wody gruntowe CKDu będą prawdopodobnie zasilane w większym stopniu wodami powierzchniowymi11,26, co zwiększa stężenie DOC27,28. Drugim jest to, że silniejsza aktywność drobnoustrojów w wodach gruntowych innych niż CKDu (ryc. 1E, ryc. uzupełniająca 3) spowodowałaby rozkład większej liczby substancji organicznych do substancji nieorganicznych29, co omówiono poniżej.
Wartości a254 w wodach gruntowych CKDu (mediana: 5,07 m-1) były wyższe niż w wodach gruntowych innych niż CKDu (mediana: 4,38 m-1) (rysunek uzupełniający 2), wskazując, że DOM wód gruntowych CKDu składa się z większej ilości nienasyconego DOM. Generalnie stężenia nienasyconego DOM (a254) w naturalnych wodach gruntowych były mniejsze niż 1 m−1 30–32. W tym badaniu najniższa wartość a254 we wszystkich próbkach wód gruntowych wyniosła 1,15 m-1 (tabela uzupełniająca 1), co wskazuje, że zarówno wody gruntowe CKDu, jak i inne niż CKDu mogą być w pewnym stopniu zanieczyszczone. W porównaniu z wodami podziemnymi wody powierzchniowe charakteryzowały się wyższymi wartościami a254 (mediana: 10,48 m−1 ), co wynikałoby z działalności antropogenicznej. Ponadto istnieje znacząca dodatnia korelacja między stężeniami DOC a a254 (rysunek uzupełniający 4), wskazując, że wzrost DOC można przypisać wkładowi antropogenicznemu.
Cechy EEM DOM z wód gruntowych innych niż CKDu różniły się od tych z wód gruntowych i powierzchniowych CKDu (rysunek uzupełniający 5). EEM wód gruntowych innych niż CKDu wykazywał stosunkowo silniejszy sygnał szczytowy T, ale słabszy sygnał szczytowy A (tabela uzupełniająca 2) w porównaniu z wodami gruntowymi zawierającymi CKDu, co wskazywało, że wody gruntowe inne niż CKDu zawierały więcej bioaktywnych substancji podobnych do tryptofanu 33,34. I odwrotnie, region piku A w EEM DOM z wód gruntowych i powierzchniowych CKDu rozciągał się na płaskowyż pomiędzy pikami M i C, co wskazuje na dominującą rolę humusowej materii organicznej w wodach gruntowych i powierzchniowych CKDu. Co więcej, podobna cecha EEM DOM pomiędzy wodami gruntowymi CKDu i wodami powierzchniowymi wskazuje, że mogła nastąpić interakcja woda gruntowa-woda powierzchniowa, a wody powierzchniowe ładowały wodę gruntową.
Wskaźniki widmowe DOM w wodach podziemnych związanych z CKDu Jak pokazano na ryc. 1, pod względem aromatyczności DOM (SUVA254), woda gruntowa CKDu (średnia: 0.78 ± 0.37) była podobna do nie -CKDu wody gruntowe (średnia: 0,78 ± {{10}}},33) (p > 0,05). Jednak kilka próbek wód gruntowych CKDu wykazywało wysoką aromatyczność DOM, która jest związana z ich wysokim a254 (rysunek uzupełniający 4). Znacząca dodatnia korelacja między a254 i SUVA254 wskazywała, że aromatyczny DOM dominował nad nienasyconym DOM. Nachylenie widma (S275–295) wód gruntowych CKDu (średnia: 20,5 ± 6,7) było stosunkowo niższe niż wód gruntowych innych niż CKDu (średnia: 23,7 ± 9,4), co wskazuje, że wody podziemne CKDu są wzbogacone w materię organiczną o dużej masie cząsteczkowej. Można to przypisać silniejszej aktywności mikrobiologicznej35 w wodach gruntowych niezawierających CKDu o stosunkowo wyższych wartościach wskaźnika biologicznego (BIX) (ryc. 1E). Mikroorganizmy mogą rozkładać ligninę podobną do OM o dużej masie cząsteczkowej na związki aromatyczne podobne do OM o niskiej masie cząsteczkowej36,37
Wskaźnik fluorescencji (FI) DOM we wszystkich próbkach wahał się od 1,26 do 1,88, co wskazuje na słabszą cechę autochtoniczną i mieszaninę pochodzenia lądowego i mikrobiologicznego. Jednakże FI DOM w wodach gruntowych innych niż CKDu (średnia: 1,64 ± 0,12) był stosunkowo większy niż w wodach gruntowych CKDu (średnia: 1,52 ± 0,17), co wskazuje, że DOM Wody podziemne CKDu zawierają więcej alochtonicznej materii organicznej i mniej rodzimej materii organicznej. Ogólnie rzecz biorąc, płynące wody gruntowe mają silniejszy sygnał naziemny niż stojące wody gruntowe 38,39. W rezultacie wody gruntowe CKDu o niższym FI mogą mieć lepszy przepływ. Nie stwierdzono różnic pomiędzy wodami gruntowymi niezawierającymi CKDu i wodami powierzchniowymi pod względem FI. Jak pokazano na ryc. 1E, wartości BIX w wodach gruntowych CKDu (średnia: 0,81 ± {{20}}.09) i wodach powierzchniowych (średnia: {{ 27}},79 ± 0.08) były znacząco niższe niż w wodach gruntowych nie zawierających CKDu (średnia: 0,86 ± 0,08) (p < 0,05), co sugeruje, że DOM wód podziemnych innych niż CKDu wykazuje cechę stosunkowo wyższej aktywności biologicznej40,41, co było zgodne z FI. Istnieje dodatnia korelacja pomiędzy FI i BIX, co jest zgodne z obserwacjami Dalmagro i wsp.42 oraz Qi i wsp.43. BIX był preferowany w rozróżnianiu aktywności biologicznej DOM pomiędzy wodami gruntowymi i powierzchniowymi44.
Wskaźnik humifikacji (HIX) DOM w wodach podziemnych CKDu (średnia: 4,36 ± 2,16) był istotnie wyższy niż w wodach podziemnych innych niż CKDu (średnia: 3,15 ± 1,49) (p < 0,01), co świadczy o większym stopień humifikacji DOM w wodach podziemnych CKDu. Może to być spowodowane uzupełnianiem przez wody powierzchniowe wód gruntowych zawierających CKDu lub silniejszą aktywnością mikrobiologiczną wód gruntowych niezawierających CKDu40,45. Wzrostowi stopnia humifikacji odpowiada spadek H/C44. Ta materia organiczna o niskim H/C składała się głównie z hydrofobowych związków aromatycznych lub związków nienasyconych46. Dlatego DOM wód gruntowych CKDu zawierałby bardziej hydrofobowe związki aromatyczne lub nienasycone, które zwykle są stabilne i trwałe. Zheng i wsp.18 oraz Makehelwala i wsp.19 również wykazali, że DOM w wodach gruntowych z obszarów endemicznych dla CKDu zawierał więcej kwasu fulwowego i innego wielkocząsteczkowego hydrofobowego humusu.
Korelacja między FI i HIX nie była istotna w tym badaniu (rysunek uzupełniający 6). Dlatego identyfikacja źródła w oparciu o HIX nie była zgodna z identyfikacja oparta na FI i BIX (rysunek uzupełniający 3). Rozdzielenie FI i HIX może być spowodowane złożonymi warunkami hydrogeologicznymi i czynnikami antropogenicznymi20. Na przykład endogenna materia organiczna może zostać uwolniona z osadów i/lub skał w wyniku interakcji woda-skała 47.
Chociaż wskaźniki spektralne mogą pomóc w szybkiej ocenie składu DOM, wszystkie wskaźniki są obliczane przy użyciu ustalonych długości fal13, które są podatne na wpływ wielu oddziałujących fluoroforów, co prowadzi do „zniekształceń” przy ocenie składu złożonych związków organicznych pochodzących ze źródeł mieszanych48. Zatem interpretacja wskaźników fluorescencji powinna być ostrożna, a do dalszej analizy należy zastosować PARAFAC.
Wrażliwe składniki FDOM w wodach gruntowych związanych z CKDu Wyekstrahowano cztery składniki fluorescencyjne i przeszły one walidację z półpodziałem (rysunek uzupełniający 7, tabela uzupełniająca 3). C1 to ziemskie składniki humusowe powstałe w wyniku biogeochemicznego przetwarzania ziemskiej materii organicznej w postaci cząstek49, które przypominały kombinację pików A i C Coble50; C2 był podobny do piku Coble M, mikrobiologiczne składniki humusowe o niskiej masie cząsteczkowej i mogły dominować we fluorescencyjnym DOM ścieków51,52; C3 to składniki humusowe o dużej masie cząsteczkowej, będące pochodnymi lądowej materii organicznej51,53; C4 to autochtoniczne składniki białkowe przypisywane działaniu drobnoustrojów54,55.
W FDOM dominowały C1 i C2, których liczebność wynosiła odpowiednio 68,7% i 62,9% w wodach podziemnych CKDu i nie-CKDu (ryc. 2), co wskazuje na dominującą rolę substancji humusopodobnych. Względna liczebność C1 (C1%, 35,1%) w wodach gruntowych CKDu była znacznie wyższa niż w wodach gruntowych innych niż CKDu (28,0%, p < 0.01) , podczas gdy zawartość C2% i C3% w wodach podziemnych CKDu i innych niż CKDu była podobna (p > 0.05). Ze względu na podobne warunki geologiczne i irygacyjne na badanym obszarze, C2 będzie prawdopodobnie produktem ubocznym materii organicznej powstałej w wyniku działalności mikroorganizmów in situ lub niektórych substancji humusowych, które łatwo ulegały frakcjonowaniu przez minerały56, natomiast C3 może być powiązany z wsad materiałów rolniczych57. Ponadto wykryto znacznie wyższe C4% w DOM z wód gruntowych niezawierających CKDu (23,8%) niż DOM w wodach gruntowych niezawierających CKDu (17,3%, p < 0,01), co wskazuje na większą biodostępność DOM z wód gruntowych niezawierających CKDu. Niższe wartości pH wód gruntowych innych niż CKDu potwierdzają tę spekulację (tabela uzupełniająca 4), ponieważ proton powstaje podczas mikrobiologicznej degradacji materii organicznej58,59. C1% w wodach powierzchniowych był istotnie wyższy niż w wodach podziemnych nie zawierających CKDu (p < 0,01), ale podobny doWody gruntowe CKDu(p > 0.05), co wskazuje, że wzrost zawartości C1% w wodach podziemnych CKDu może być związany z dopływem wód powierzchniowych.
Dwuskładnikowa analiza głównych składowych wykazała, że ładunki C1% były zlokalizowane w kierunku dodatnim PC1, co stanowiło 43,9% wariancji, a ładunki C4% ułożone były w kierunku ujemnym PC1 (rys. 3). ). Próbki w pobliżu dodatniego kierunku PC1 na ogół charakteryzowały się dużą zawartością substancji humusopodobnych, a próbki w pobliżu ujemnej osi PC1 na ogół miały wysoki udział składników białkowych związanych z aktywnością drobnoustrojów. Warto zauważyć, że około 50% próbek wód gruntowych zawierających CKDu i tylko około 22% próbek wód gruntowych innych niż CKDu znajdowało się w kierunku dodatnim PC1. Wykazano, że wody gruntowe zawierające CKDu i wody gruntowe niebędące CKDu można skutecznie rozróżnić na podstawie wartości C1% i C4%. Jednakże C4 wydawał się być podatny na zakłócenia ze strony drobnoustrojów w warstwach wodonośnych, co powodowało odchylenia w badaniach przesiewowych20. Zatem C1 o lepszej stabilności i trwałości w środowisku60 można korzystnie stosować do rozpoznawania CKDu wód gruntowych. Tymczasem HIX, a254 i SUVA254 wykazały dodatnie ładunki PC1, wskazując na ich związek z substancjami humusowymi (C1). Dla PC2 (22,2%), C2% i C3% umieszczono w kierunku dodatnim. Około 53% próbek wód podziemnych zawierających CKDu i 28% próbek wód podziemnych innych niż CKDu zlokalizowane było w kierunku ujemnym PC2. Jednakże, biorąc pod uwagę podobne C2% i C3% pomiędzyWody gruntowe CKDui wód podziemnych niebędących CKDu, uznanie wód podziemnych CKDu za C2% i C3% może być mylące.
Wsparcie dla Wecistanche – największego eksportera Cistanche w Chinach:
E-mail:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/tel:+86 15292862950
Kup więcej szczegółów specyfikacji:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
