원인 불명의 만성 신장 질환과 관련된 지하수를 부식질 유사 유기물질로 확인
Nov 25, 2023
소개
만성 신장 질환은 전 세계 인구의 약 15%에 영향을 미치며 전 세계 공중 보건 문제 중 하나입니다1. 고혈압, 당뇨병, 만성신염은 일반적으로 만성신장질환의 주요 원인입니다2. 그러나 위에서 언급한 원인과 관련이 없는 만성신장질환, 즉 만성신장질환은 다음과 같습니다.알려지지 않은 병인(CKDu)는 중미, 인도, 스리랑카 등에서 보고되었습니다. 스리랑카에서는 400명 이상의 건강이 위협받고 있습니다.000CKDu, 그리고CKDu 발병률중북부 지방에서는 15~23%에 달합니다4,5. CKDu로 고통받는 대부분의 환자는 건조한 지역의 농촌 지역사회에서 생활 수준이 낮습니다6. 최근 몇 년간 많은 연구에서 CKDu가 지하수 수질과 관련이 있는 것으로 나타났으며5,7 정수된 식수를 제공할 인프라가 충분하지 않습니다. 조사에 따르면 CKDu 발생지역에서는 지역주민이 마시는 지하수 수질에 따라 CKDu 발생이 결정되며, 깨끗한 지하수원과 CKDu 관련 지하수원의 분포가 고르지 못한 것으로 나타났다8. 따라서 깨끗한 지하수원에 대한 인식은 스리랑카와 같은 개발도상국의 CKDu 확산 지역 주민들을 위한 시급한 조치가 되었습니다5.
많은 연구에서 지하수의 무기화학물질이 CKDu의 유병률과 관련이 있는 것으로 확인되었습니다9,10. 예를 들어, 스리랑카의 CKDu 유행 지역에서 채취한 지하수 샘플의 F- 농도는 대부분 세계보건기구(WHO)에서 정의한 기준 수준(0.6 mg L-1)을 초과합니다9. CKDu 발병 지역 지하수의 경도와 Ca2+ 대 Na+의 비율도 CKDu가 아닌 지역의 지하수보다 높습니다10,11. 또한 CKDu는 지하수 내 신독성이 있는 중금속(예: Cd 및 Pb) 및 Si의 농도와 관련이 있습니다12-14. 최근 연구에 따르면 유기 화합물은 착화합물을 통해 Ca2+ 및 SO4 2-와 상호 작용할 수 있으며 이 착물은 인간의 신장에 해롭다15. 특정 신장 질환의 형성은 지하수의 용존 유기 탄소(DOC)와 관련이 있습니다16. 발카(Balka)17의 신장 질환 발병 지역에 대한 연구에 따르면 과도한 휴믹 물질은 인간 신장 세포의 사망을 초래할 수 있습니다. 그러나 CKDu 수원과 비CKDu 수원 사이의 용존 유기물(DOM)의 주요 구성 요소의 차이를 조사한 연구는 거의 없습니다. 이용 가능한 연구에 따르면 CKDu 발병 지역의 지하수 DOM은 CKDu가 아닌 지역의 DOM보다 내화성이 높고 방향성이 높으며 생체 이용률이 낮습니다18,19. 그러나 CKDu 관련 수원을 인식하는 데 DOM의 민감한 구성 요소가 얼마나 중요한지는 아직 알려지지 않았습니다.
여기-미션 매트릭스 분광법(EEM)은 빠른 측정, 높은 감도 및 쉬운 전처리라는 장점을 가지고 있습니다. 이는 형광 DOM(FDOM)을 특성화하는 데 널리 사용되었습니다. 병렬 요인 분석(EEM PARAFAC)과 결합된 EEM은 DOM의 광학적 특성을 효과적으로 밝히고, DOM의 형광 구성 요소와 소스를 식별하며, DOM21,22의 변환 과정을 명확하게 할 수 있습니다. 또한 자연 및 인적 요인에 의해 영향을 받는 DOM의 동적 변화를 탐색하는 데에도 적용할 수 있습니다. EEM−PARAFAC는 DOM과 지하수 품질 사이의 연관성을 조사할 수 있는 잠재적인 타당성을 가지고 있습니다20.
따라서 본 연구에서는 (1) EEM PARAFAC 기술을 사용하여 스리랑카의 CKDu 관련 및 CKDu 관련 지하수에서 FDOM의 광학적 특성, 구성 및 공급원을 결정하고, (2) 핵심 형광 구성 요소를 사용하여 식별하는 타당성을 검증하는 것을 목표로 했습니다. 민감한 무기 화학물질과 결합하여 CKDu 관련 수원을 식별하고 (3) 주요 형광 성분을 활용하여 CKDu 관련 지하수원에 대한 조기 경보 및 스크리닝 도구를 제안합니다. 본 연구는 먹는물의 안전성을 확보할 수 있는 효과적인 방법을 제시할 것이며, 이는 CKDu의 예방 및 추적에 도움이 될 것입니다.
그림 1 DOM의 스펙트럼 지수. 블랙박스의 위쪽이 최대값이고 아래쪽이 최소값입니다. 검은색 상자의 위쪽 경계는 75번째 백분위수이고 아래쪽은 25번째 백분위수이며 가운데 흰색 사각형은 평균값입니다. 상자 다이어그램 외부의 밀도 다이어그램은 밀도 확률을 나타냅니다. p < 0.01의 유의차와 p < 0.05의 유의차는 서로 다른 두 그룹 간의 스펙트럼 지수에 각각 두 개의 별표와 별표로 표시되었습니다.
결과 및 토론
CKDu 관련 지하수 내 DOM의 DOC 및 EEM
CKDu 지하수의 용존유기탄소 농도(3.25 ± 0.73 mgC L−1 )는 지표수(4.65 ± 0.89 mgC L−1 )에 비해 유의하게 낮았지만, 지하수에 비해 유의하게 높았습니다. 비CKDu 지하수(2.81 ± 0.76 mg L−1 )(p < 0.05)(보조 그림 2). Cooray et al.25에 의해 보고된 DOC 농도는 본 연구에서 관찰된 데이터보다 높았지만, CKDu가 널리 퍼져 있지 않은 지역(3.7 mgC L )보다 CKDu 유행 지역에서 상대적으로 더 높은 DOC 농도(6.4 mgC L )를 발견했습니다. -1). CKDu 지하수와 비CKDu 지하수 사이의 DOC 농도 차이에는 두 가지 이유가 있을 수 있습니다. 하나는 CKDu 지하수가 더 많은 지표수 재충전을 받을 가능성이 높으며11,26, 이로 인해 DOC 농도가 증가한다는 것입니다27,28. 다른 하나는 CKDu가 아닌 지하수(그림 1E, 보충 그림 3)에서 더 강한 미생물 활동이 더 많은 유기 물질을 무기 물질로 분해한다는 것입니다. 이에 대해서는 아래에서 설명합니다.
CKDu 지하수의 a254 값(중앙값: 5.07m−1)은 비CKDu 지하수(중앙값: 4.38m−1)의 값보다 높았으며(보충 그림 2), 이는 CKDu 지하수의 DOM이 더 불포화된 DOM으로 구성되어 있음을 나타냅니다. 일반적으로 천연 지하수의 불포화 DOM(a254) 농도는 1m-1 30-32 미만이었습니다. 본 연구에서 모든 지하수 시료의 가장 낮은 a254 값은 1.15m−1(보충 표 1)로, 이는 CKDu 지하수와 비CKDu 지하수 모두 어느 정도 오염되었을 수 있음을 나타냅니다. 지하수와 비교하여 지표수는 a254 값(중앙값: 10.48m−1)이 더 높았는데, 이는 인위적 활동으로 인한 결과입니다. 또한 DOC 농도와 a254(보조 그림 4) 사이에는 유의미한 양의 상관 관계가 있으며 이는 DOC의 증가가 인위적 입력에 기인할 수 있음을 나타냅니다.
CKDu가 아닌 지하수의 DOM의 EEM 특성은 CKDu 지하수 및 지표수의 특성과 달랐습니다(보조 그림 5). 비-CKDu 지하수의 EEM은 CKDu 지하수에 비해 상대적으로 강한 T 피크 신호를 나타냈지만 A 피크 신호는 약했습니다(보충 표 2). 이는 비 CKDu 지하수가 더 많은 생리활성 트립토판 유사 물질을 함유하고 있음을 나타냅니다33,34. 반대로, CKDu 지하수와 지표수의 DOM EEM에서 피크 A 영역은 피크 M과 C 사이의 고원으로 확장되어 CKDu 지하수와 지표수에서 부식질 유사 유기물의 지배적인 역할을 나타냅니다. 또한 CKDu 지하수와 지표수 사이의 DOM의 유사한 EEM 특성은 지하수-지표수 상호 작용이 발생했을 수 있으며 지표수가 지하수를 재충전하고 있음을 나타냅니다.
CKDu 관련 지하수에서 DOM의 스펙트럼 지수 그림 1에 나타난 바와 같이 DOM 방향성(SUVA254) 측면에서 CKDu 지하수(평균: 0.78 ± 0.37)는 비방향성과 유사함 -CKDu 지하수(평균: 0.78 ± {{10}}.33)(p > 0.05). 그러나 몇몇 CKDu 지하수 샘플은 높은 a254와 관련된 높은 DOM 방향족성을 나타 냈습니다 (보충 그림 4). a254와 SUVA254 사이의 중요한 양의 상관관계는 방향족 DOM이 불포화 DOM을 지배한다는 것을 나타냅니다. CKDu 지하수의 스펙트럼 기울기(S275~295)(평균: 20.5 ± 6.7)는 비CKDu 지하수(평균: 23.7 ± 9.4)에 비해 상대적으로 낮았으며, 이는 CKDu 지하수에 고분자량 유기물이 풍부함을 나타냅니다. 이는 상대적으로 높은 생물학적 지수(BIX) 값을 갖는 비CKDu 지하수에서 더 강한 미생물 활동35에 기인할 수 있습니다(그림 1E). 미생물은 고분자량 OM 유사 리그닌을 저분자량 OM 유사 방향족 화합물로 분해할 수 있습니다36,37
모든 샘플에서 DOM의 형광 지수(FI)는 1.26에서 1.88 범위였으며, 이는 약한 자생 특성과 육상 및 미생물 기원의 혼합을 나타냅니다. 그러나 비CKDu 지하수의 DOM FI(평균: 1.64 ± 0.12)는 CKDu 지하수(평균: 1.52 ± 0.17)에 비해 상대적으로 컸으며, 이는 CKDu 지하수에는 동종 유기물이 더 많고 자생 유기물은 적습니다. 일반적으로 흐르는 지하수는 고여있는 지하수보다 더 강한 지상파 신호를 갖는다38,39. 결과적으로 FI가 낮은 CKDu 지하수는 더 나은 흐름 상태를 가질 수 있습니다. FI 측면에서 비CKDu 지하수와 지표수 사이에는 차이가 없었습니다. 그림 1E에서 볼 수 있듯이 CKDu 지하수(평균: 0.81 ± {{20}}.09)와 지표수(평균: {{ 27}}.79 ± 0.08)은 CKDu가 아닌 지하수에 비해 현저히 낮았으며(평균: 0.86 ± 0.08)(p < 0.05) CKDu가 아닌 지하수의 DOM은 FI에 따른 비교적 높은 생물학적 활성을 나타냅니다40,41. FI와 BIX 사이에는 양의 상관관계가 있으며 이는 Dalmagro et al.42 및 Qi et al.43의 관찰과 일치합니다. BIX는 지하수와 지표수 사이의 DOM의 생물학적 활성을 구별하는 데 선호되었습니다.
CKDu 지하수에서 DOM의 습도지수(HIX)(평균: 4.36 ± 2.16)는 비CKDu 지하수(평균: 3.15 ± 1.49)에 비해 유의하게 높았으며(p < 0.01), CKDu 지하수의 DOM 가습 정도. 이는 CKDu 지하수를 보충하는 지표수 또는 비CKDu 지하수의 더 강한 미생물 활동으로 인해 발생할 수 있습니다40,45. 가습도의 증가는 H/C44의 감소와 일치합니다. H/C가 낮은 이러한 유기물은 주로 소수성 방향족 화합물이나 불포화 화합물로 구성되었습니다. 따라서 CKDu 지하수의 DOM에는 소수성 방향족 또는 불포화 화합물이 더 많이 포함되어 있어 안정하고 지속적인 경향이 있습니다. Zheng 등(18)과 Makehelwala 등(19)은 또한 CKDu 발병 지역의 지하수 DOM에 풀빅산과 기타 거대분자 소수성 부식질이 더 많이 포함되어 있음을 보여주었습니다.
본 연구에서는 FI와 HIX 사이의 상관 관계가 중요하지 않았습니다 (보충 그림 6). 따라서 HIX 기반 소스 식별은 FI 및 BIX 기반 소스 식별과 일치하지 않습니다 (보충 그림 3). FI와 HIX 사이의 분리는 복잡한 수문지질학적 조건과 인위적 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 내인성 유기물은 물과 암석의 상호작용으로 인해 퇴적물 및/또는 암석에서 방출될 수 있습니다.
스펙트럼 지수는 DOM의 구성을 신속하게 평가하는 데 도움이 될 수 있지만 모든 지수는 고정 파장을 사용하여 계산됩니다. 이는 여러 상호 작용하는 형광단의 영향을 받기 쉬우므로 혼합 소스에서 복잡한 유기 화합물의 구성을 평가할 때 "왜곡"이 발생합니다. 따라서 형광 지표의 해석에 주의해야 하며, 추가 분석에는 PARAFAC을 사용해야 합니다.
CKDu 관련 지하수의 민감한 FDOM 성분 4개의 형광 성분을 추출하고 절반 분할 검증을 통과했습니다(보충 그림 7, 보충 표 3). C1은 육상 미립자 유기물의 생물지리학적 화학적 처리를 통해 생성된 육상 부식질 유사 구성요소였으며49, 이는 Coble A와 C 피크의 조합과 유사했습니다50; C2는 저분자량의 미생물 부식질 유사 성분인 Coble M 피크와 유사하며 폐수의 형광 DOM을 지배할 수 있습니다51,52; C3은 육상 유기 물질의 파생물인 고분자량의 부식질 유사 성분이었습니다51,53; C4는 미생물 활동에 기인한 자생 단백질 유사 성분이었습니다54,55.
FDOM은 CKDu 지하수와 비CKDu 지하수에서 각각 68.7%와 62.9%로 C1과 C2가 우세했으며(그림 2), 이는 휴믹 유사 물질의 지배적인 역할을 나타냅니다. CKDu 지하수에서 C1의 상대적 풍부함(C1%, 35.1%)은 비CKDu 지하수(28.0%, p < 0.01)에 비해 상당히 높았습니다. , CKDu 지하수와 비CKDu 지하수의 C2%와 C3%는 유사했습니다(p > 0.05). 연구 지역의 유사한 지질학적 및 관개 조건으로 인해 C2는 현장 미생물 활동에 의해 생성된 유기물의 부산물이거나 광물에 의해 쉽게 분류되는 일부 휴믹 물질일 가능성이 높으며56 C3은 다음과 관련이 있을 수 있습니다. 농자재 투입57. 또한, CKDu 지하수 DOM(17.3%, p<0.01)보다 비CKDu 지하수 DOM(23.8%)에서 훨씬 더 높은 C4%가 검출되었으며, 이는 비CKDu 지하수 DOM의 생물학적 이용 가능성이 더 높다는 것을 나타냅니다. 비CKDu 지하수의 낮은 pH 값은 유기물의 미생물 분해 중에 양성자가 생성되기 때문에 이러한 추측을 뒷받침합니다(보충 표 4). 지표수의 C1%는 비CKDu 지하수보다 유의하게 높았으나(p<0.01),CKDU 지하수(p > 0.05), 이는 CKDu 지하수의 C1% 증가가 지표수의 유입과 관련이 있음을 나타냅니다.
2성분 주성분 분석 결과, C1%의 로딩은 PC1의 양의 방향에 위치하여 분산의 43.9%를 차지했으며, C4%의 로딩은 PC1의 음의 방향에 놓여 있는 것으로 나타났습니다(그림 3). ). PC1의 양의 방향에 가까운 샘플은 일반적으로 부식질 유사 물질이 풍부하고 PC1의 음의 축에 가까운 샘플은 일반적으로 미생물 활동과 관련된 단백질 유사 성분의 비율이 높습니다. 특히, 약 50%의 CKDu 지하수 샘플과 약 22%의 비CKDu 지하수 샘플만이 PC1의 양의 방향에 위치했습니다. 이는 CKDu 지하수와 비CKDu 지하수를 C1%와 C4%로 효과적으로 구분할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 C4는 대수층의 미생물 배경 간섭에 취약하여 스크리닝 편차를 초래하는 것으로 보입니다20. 따라서 환경에서 더 나은 안정성과 지속성을 갖는 C1은 CKDu 지하수를 인식하는 데 바람직하게 사용될 수 있습니다. 한편, HIX, a254 및 SUVA254는 PC1에 긍정적인 로딩을 나타내어 휴믹 유사 물질(C1)과의 연관성을 나타냅니다. PC2(22.2%)의 경우 C2%와 C3%가 양의 방향으로 배치되었습니다. CKDu 지하수 시료의 약 53%와 비CKDu 지하수 시료의 28%가 PC2의 음의 방향에 위치했습니다. 그러나 C2%와 C3%가 비슷한 점을 고려하면CKDU 지하수비CKDu 지하수에 대해 C2%와 C3%로 CKDu 지하수를 인식하는 것은 오해의 소지가 있습니다.
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