腐殖类有机质对斯里兰卡不明原因慢性肾病（CKDu）相关地下水识别研究
原创作者： 曾宪江，何伟等
【导读】
慢性肾病是全球公共卫生问题之一。高血压、糖尿病和慢性肾炎通常是慢性肾病的主要原因。然而，在中美洲、印度、斯里兰卡等地已报道了一种与上述病因无关的慢性肾病，即不明原因慢性肾病（CKDu）。据调查，在CKDu高发区，CKDu的发生取决于当地居民饮用地下水水质。然而，清洁地下水源（non-CKDu水源）和CKDu地下水源在该地区分布并不集中，而采取临时性净水措施的成本高昂，难以保证干净饮用水的可持续性。因此，找到清洁地下水源成为斯里兰卡等低收入国家CKDu高发地区居民的当务之急和首要选择。有机质与水质优劣高度关联，本课题组开展大量前期研究发现，有机质与砷等污染在地下水的分布和演化具有紧密关系，具有识别地下水污染，辨别清洁水源功能。目前，利用有机质指示CKDu水源的研究鲜有报道，主要难点是对CKDu和non-CKDu水源之间有机质关键成分的差异缺乏有效手段加以区分，本研究在“地下水中CKDu致病因子的富集机理、摄入途径及治理技术”国际(地区)合作与交流项目的支持下，与斯里兰卡Meththika Vithanage副教授合作针对Girandurukotte、Dehiattakandiya、Sewanagala地区开展了丰水期采样，尝试构建基于有机质特征指标的non-CKDu和CKDu水源识别方法，并检验其可适用性。
本研究于2020年、2021年在斯里兰卡高发地区分别采集了CKDu、non-CKDu地下水、地表水，利用吸收和荧光光谱技术分析了DOM的光学特征、来源，结合平行因子分析法（PARAFAC）提取了不同水源中的共同荧光组分，基于数理统计方法提出了一种利用关键荧光成分差异对CKDu地下水源进行预警和筛查的工具。
图1 图文摘要
（1）相比non-CKDu地下水，CKDu地下水的DOC浓度、不饱和指标（a254）、芳香性指标（SUVA254）更大，光谱斜率（S275-295）更小，表明CKDu下水DOM含量更加丰富，并且包含更多的不饱和、芳香性的高分子量有机物。CKDu地下水的DOM腐殖化程度较高，陆源DOM占据主导地位；non-CKDu地下水的DOM具有较低的腐殖化程度，其主要来源为生物源与陆源的混合来源。
图2 CKDu地下水与non-CKDu地下水的DOM与不饱和指标（a254）（来源：Springer Nature）
图3 CKDu地下水与non-CKDu地下水的光谱指标（来源：Springer Nature）
（2）基于PARAFAC提取的DOM-POM共同荧光组分包含两个类腐殖组分（C1和C4）和两个类蛋白组分（C2和C3）。不同回补区地下水和地表水DOM中C1和C4占比接近且均大于POM；而POM中 C2和C3占比均大于DOM。不同荧光组分的DOM/POM分配存在差异，比值大小排序为C1>C4>C3>C2（图3），类腐殖质组分（C1和C4）的DOM-POM分配行为与类蛋白质组分（C2和C3）显著不同，即惰性类腐殖质物质比类蛋白物质更可能进入水相。
图4 基于PARAFAC提取的共同荧光组分的相对丰度（来源：Springer Nature）
（3）为了探究利用DOM差异进行水源识别的可行性，提出了一种新型混淆矩阵模型，该模型经过实际结果与预测结果的配对t检验以及均方根误差验证，并且将其与受试者特征曲线（ROC）、精确-召回曲线（P-R）得到的结果进行对比，该模型得到的预测结果更精准。利用该模型，发现C1%、C4%、HIX、PC1得分具有识别CKDu水源与non-CKDu水源的潜力。其中，C1%最佳识别阈值（28.8%）的识别概率（70.1%）最高，表明C1%是最合理和有效的识别指标。
图5 混淆矩阵概念模型。DPC为检测为CKDu水源的概率，DPN为检测为non-CKDu水源的概率（来源：Springer Nature）
图6 识别阈值与识别概率的关系（来源：Springer Nature）
本研究的合作者还包括韩国世宗大学Jin Hur教授、斯里兰卡贾亚瓦德纳普拉大学Meththika Vithanage副教授、石秋彤博士以及郑雅欣硕士。上述成果发表于环境科学领域Q1期刊npj Clean Water (IF=9.378)。该研究获得国家自然科学基金（41861144027、41825017）、高等学校学科创新引智计划（“111”计划）（B20010）以及斯里兰卡国家科学基金（ICRP/NSF-NSFC/2019/BS/01）的支持。
【参考文献】
[1] Zeng, X.J., He, W., Guo, H.M., Shi, Q.T., Zheng, Y.X.,Meththika, V., Hur, J., 2022. Recognizing the groundwater related to chronickidney disease of unknown etiology by humic-like organic matter. npj CleanWater 5, 8.
[2] Hettithanthri, O., Sandanayake, S., Magana-Arachchi, D.,Wanigatunge, R., Rajapaksha, A.U., Zeng, X.J., Shi, Q.T., Guo, H.M. Vithanage,M., 2021. Risk factors for endemic chronic kidney disease of unknown etiologyin Sri Lanka: Retrospect of water security in the dry zone. Sci. Total Environ.795, 148839.
【原文链接】
https://www.nature.com/articles/s41545-022-00151-8?utm_source=xmol&utm_medium=affiliate&utm_content=meta&utm_campaign=DDCN_1_GL01_metadata
【联系作者】
郭华明，教授，中国地质大学（北京），Email：hmguo@cugb.edu.cn
何伟，副教授，中国地质大学（北京），Email：wei.he@cugb.edu.cn