Физиолого-гигиеническое обоснование нормы калия в питьевой воде: научно-практическое значение
Автор: Айзман Роман Иделевич, Герасв Алексей Дмитриевич, Айзман Олег, Крашенинина Галина Ивановна, Трофимович Евгений Михайлович
Журнал: Science for Education Today @sciforedu
Рубрика: Биология и медицина
Статья в выпуске: 5 (45), 2018 года.
Бесплатный доступ
Проблема и цель. В настоящее время отсутствуют физиолого-гигиенические исследования по обоснованию оптимальной (ОГН) и допустимой (ДГН) гигиенической нормы калия в питьевой воде. Установленная директивой 98/83ЕС Европейского сообщества норма без экспериментального обоснования делает бездоказательным преподавание данного раздела в образовательных курсах «Физиология водно-солевого обмена» и «Гигиена водоснабжения». Это и послужило целью настоящей работы: рассмотреть физиологию метаболизма калия в организме, на основании чего экспериментально определить его гигиенические нормы в питьевой воде. Методология. Для обоснования гигиенической нормы содержания калия в питьевой воде использован физиолого-гигиенический подход, основанный на теоретическом и экспериментальном изучении гомеостаза калия в организме высших животных и человека, а также на анализе физиологических реакций организма на длительные дозозависимые воздействия нагрузками калия. Это позволило интегрировать результаты исследования в систему нормативов данного катиона в питьевой воде. Такой физиолого-гигиенический подход к решению проблемы стал возможен благодаря длительному сотрудничеству исследователей двух научных школ г. Новосибирска: физиологов НГПУ и специалистов НИИ гигиены, научные разработки которых в области физиологии регуляции гомеостаза калия и гигиены водоснабжения получили мировое признание. Результаты. Показано, что регуляция баланса калия в организме обеспечивается как прямым действием избытка катиона на почки в случае гиперкалиемии, так и рефлекторным механизмом, который включается при всасывании калия из пищеварительного тракта. Заключение базируется на экспериментальных данных о том, что калийрегулирующий рефлекс представлен селективными рецепторами печени, афферентными путями в составе блуждающих нервов, гипоталамическими центрами и гормонами (ренин-ангиотензин-альдостероновой системой, вазопрессином, инсулином), вызывающими изменение функций основного гомеостатического органа - почек и тканевых калиевых депо (скелетных мышц и печени). Во второй части описаны результаты 9-месячного хронического эксперимента на крысах, получавших питьевую воду с разной концентрацией калия и ее влияние на функцию почек. Показано, что концентрация катиона в воде 5,0 мг/дм3 не вызывала изменений почечного ответа на водные и калиевые нагрузки по сравнению с контролем (концентрация калия в питьевой воде 1,0 ± 0,2 мг/дм3), тогда как вода с содержанием калия 50 мг/дм3 приводила к напряжению механизмов регуляции ионного баланса по сравнению с контролем, что выражалось в увеличении экскреции катионов калия и натрия после водной нагрузки и снижении их выведения после калиевой нагрузки. Заключение. Полученные данные позволяют заключить, что гигиеническим оптимумом концентрации иона калия в питьевой воде является 1-5 мг/дм3, концентрация К+, вызывающая функциональное напряжение механизмов регуляции данного катиона, - 50 мг/дм3; следовательно, диапазон допустимой гигиенической нормы калия в питьевой воде составляет 0,8-12,5 мг/дм3.
Регуляция гомеостаза калия, функция почек, калиевые нагрузки, концентрация калия в питьевой воде
Короткий адрес: https://sciup.org/147229381
IDR: 147229381 | УДК: 612+59 | DOI: 10.15293/2226-3365.1805.16
Physiological and hygienic asis of potassium norm in drinking water: theoretical and practical implications
Introduction. Recently there have not been physiological and hygienic investigations aimed at testing and clarifying optimal (OHN) and permissible (PHN) hygienic norms of potassium concentration in drinking water. The potassium concentration standard for drinking water of 12 mg / dm3, established by the European Community directive 98 / 83EC, has not been empirically investigated. Therefore, teaching this topic in the sections “Physiology of water-salt balance” and “Water supply hygiene” is not properly grounded. The aim of this work is to consider the physiology of potassium metabolism in the body and to experimentally justify hygienic norms of potassium concentrations in drinking water. Materials and Methods. To justify the hygienic norm of potassium content in drinking water, a physiological and hygienic approach based on the theoretical and experimental study of potassium homeostasis in the body of higher animals and humans, as well as on the analysis of physiological responses of the body to long-term dose-dependent effects of potassium loads was used. This made it possible to integrate the results of the study into the system of standards for this cation in drinking water. This physiological and hygienic approach to solving the problem became possible due to the long-term cooperation of researchers from Novosibirsk State Pedagogical University and Hygienic Research Institute, whose scientific developments in the field of physiology of potassium homeostasis regulation and water supply hygiene have received worldwide recognition. Results. It is shown, that regulation of potassium balance is provided as a direct influence of cation surplus on kidneys in the case of hyperkalemia, and the reflex mechanism which comes into action when potassium is absorbed from the digestive tract. This conclusion is based on the experimental data which prove that potassium-regulating reflex is presented by liver selective receptors, afferent vagal nerve pathways, the hypothalamic centres and hormones (renin-angiotensin-aldosterone system, vasopressin, insulin), causing changes in kidney functions - the main homeostatic organ, and potassium depot in tissues (skeletal muscles and liver). The second part describes the results of a 9-month chronic experiment in rats receiving drinking water with different potassium concentrations and its effect on kidney functions. It is shown, that potassium concentration of 5,0 mg/dm3 in drinking water did not cause changes in the renal response on water and potassium loadings in comparison with the control group (potassium concentration in drinking water was 1,0 ± 0,2 mg/dm3), whereas water with the potassium concentration of 50 mg/dm3 led to pressure of ionic balance regulation mechanisms in comparison with the control group. It was expressed in increase of potassium and sodium excretion after water loading and their decrease after potassium loading. Conclusions. The obtained data allow to conclude that a hygienic optimum of potassium ion concentration in drinking water is 1-5 mg/dm3, the threshold dose causing functional pressure of potassium regulation mechanisms is 50 mg/dm3, and the acceptable hygienic range of potassium in drinking water is 0,8-12,5 mg/dm3.
Список литературы Физиолого-гигиеническое обоснование нормы калия в питьевой воде: научно-практическое значение
- Aizman R., Grahnquist L., Celsi G.Potassium homeostasis: ontogenic aspects//Acta Pediatrica. -1998. -Vol. 87, Issue 6. -P. 609-617. DOI: 10.1080/080352598750013987
- Айзман Р. И. Регуляция гомеостаза калия: возрастные особенности//Нефрология и диализ. -2001. -T. 3, № 3. -C. 318-325. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=24766806
- Sun H., Sun M. Age-and gender-dependent associations of blood pressure and serum sodium and potassium-renal and extrarenal regulations//Journal of the American Society of Hypertension. -2018. -Vol. 12, Issue 5. -P. 392-401. DOI: 10.1016/j.jash.2018.03.005
- Palmer B. F. Regulation of Potassium Homeostasis//Clinical Journal of the American Society of Nephrology. -2015. -Vol. 10, Issue 6. -P. 1050-1060. DOI: 10.2215/CJN.08580813
- Rodan A. R. Potassium: Friend or Foe?//Pediatric Nephrology. -2017. -Vol. 32, Issue 7. -P. 1109-1121. DOI: 10.1007/s00467-016-3411-8
- Leurs L. J., Schouten L. J., Mons M. N., Goldbohm R. A., van den Brandt P. A. Relationship between tap water hardness, magnesium and calcium concentration and mortality due to ischemic heart disease or stroke in The Netherlands//Environmental Health Perspective. -2010. -Vol. 118, № 3. -P. 414-420.
- DOI: 10.1289/ehp.0900782
- Talukder M. R. R., Rutherford S., Huang C., Phung D., Islam M. Z., Chu C. Drinking water salinity and risk of hypertension: A systematic review and meta-analysis//Archives of Environmental and Occupational Health. -2017. -Vol. 72, Issue 3. -P. 126-138.
- DOI: 10.1080/19338244.2016.1175413
- Talukder M. R. R., Rutherford S., Phung D., Islam M. Z., Chu C. The effect of drinking water salinity on blood pressure in young adults of coastal Bangladesh//Environmental Pollution. -2016. -Vol. 214. -P. 248-254.
- DOI: 10.1016/j.envpol.2016.03.074
- Rylander R. Magnesium in drinking water -a case for prevention?//Journal of Water and Health. -2013. -Vol. 12, № 1. -P. 34-40.
- DOI: 10.2166/wh.2013.110
- Davies B. E. The UK geochemical environment and cardiovascular diseases: magnesium in food and water//Environmental Geochemistry and Health. -2015. -Vol. 37, Issue 3. -P. 411-427. -y
- DOI: 10.1007/s10653-014-9671
- Gianfredi V., Bragazzi N. L., Nucci D., Villarini M., Moretti M. Cardiovascular diseases and hard drinking waters: from a systematic review with meta-analysis of case-control studies//Journal of Water and Health. -2016. -Vol. 15, Issue 1. -P. 31-40.
- DOI: 10.2166/wh.2016.131
- Şener Ş., Şener E., Davraz A. Assessment of groundwater quality and health risk indrinking water basin using GIS//Journal of Water and Health. -2016. -Vol. 15, Issue 1. -P. 112-132.
- DOI: 10.2166/wh.2016.148
- Youn J. H., McDonough A. A. Recent Advances in Understanding Integrative Control of Potassium Homeostasis//Annual Review of Physiology. -2009. -Vol. 71. -P. 381-401.
- DOI: 10.1146/annurev.physiol.010908.163241
- Rabinowitz L., Aizman R. I. The Central Nervous System in Potassium Homeostasis//Frontiers in Neuroendocrinology. -1993. -Vol. 14, Issue 1. -P. 1-26.
- DOI: 10.1006/frne.1993.1001
- Боровец Е. Н., Айзман Р. И. Возрастные особенности транспорта калия в дистальном отделе толстой кишки крыс//Нефрология и диализ. -2003. -T. 5, № 3. -C. 226-227. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25523669
- Youn J. H. Gut sensing of potassium intake and its role in potassium homeostasis//Seminars in Nephrology. -2013. -Vol. 33, Issue 3. -P. 248-256.
- DOI: 10.1016/j.semnephrol.2013.04.005
- Garty H., Karlish S. J. D. Role of FXYD proteins in ion transport//Annual Review of Physiology. -2006. -Vol. 68. -P. 431-459.
- DOI: 10.1146/annurev.physiol.68.040104.131852
- Garty H., Lindzen M., Scanzano R., Aizman R., Füzesi M., Goldshleger R., Farman N., Blostein R., Karlish S. J. D. A functional interaction between CHIF and Na-K-ATPase: implication for regulation by FXYD proteins//American Journal of Physiology. Renal Physiology. -2002. -Vol. 283, Issue 4. -P. F607-F615.
- DOI: 10.1152/ajprenal.00112.2002
- Rabinowitz L. Aldosterone and potassium homeostasis//Kidney International. -1996. -Vol. 49, Issue 6. -P. 1738-1742.
- DOI: 10.1038/ki.1996.258
- DuBose Jr. T. D. Regulation of Potassium Homeostasis in CKD//Advances in Chronic Kidney Disease. -2017. -Vol. 24, Issue 5. -P. 305-314.
- DOI: 10.1053/j.ackd.2017.06.002
- Gilligan S., Raphael K. L. Hyperkalemia and Hypokalemia in CKD: Prevalence, Risk Factors, and Clinical Outcomes//Advances in Chronic Kidney Disease. -2017. -Vol. 24, Issue 5. -P. 315-318.
- DOI: 10.1053/j.ackd.2017.06.004
- Geibel J. P. Role of potassium in acid secretion//World Journal of Gastroenterology. -2005. -Vol. 11 (34). -P. 5259-5265. PMCID: PMC4622792
- DOI: 10.3748/wjg.v11.i34.5259
- Arin R. M., Gorostidi A., Navarro-Imaz H., Rueda Y., Fresnedo O., Ochoa B. Adenosine: Direct and Indirect Actions on Gastric Acid Secretion//Frontiers in Physiology. -2017. -Vol. 8. -P. 737.
- DOI: 10.3389/fphys.2017.00737
- Елькова Н. Г., Айзман Р. И. Возрастные изменения содержания воды и электролитов в тканях//Новые исследования по возрастной физиологии. -1988. -№ 1. -C. 35-39. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26097260
- Финкинштейн Я. Д., Айзман Р. И., Тернер А. Я., Пантюхин И. В. Рефлекторный механизм регуляции калиевого гомеостаза//Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова. -1973. -T. 59, № 9. -C. 1429-1436. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26097780
- Aizman R. I., Subotyalov M. A. Formation and Development of Scientific views about Physiology of Kidneys and Water-Balance in Novosibirsk//MOJ Anatomy and Physiology. -2017. -Vol. 4 (3). -P. 308-309.
- DOI: 10.15406/mojap.2017.04.00136
- Айзман Р. И., Финкинштейн Я. Д. Осмо-и ионные рецепторы печени//Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова. -1976. -Т. 62, № 1. -С. 128-136. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26097680
- Bourque C. W., Oliet S. H. R., Richard D. Osmoreceptors, osmoreception, and osmoregulation//Frontiers in Neuroendocrinology. -1994. -Vol. 15, Issue 3. -P. 231-274.
- DOI: 10.1006/frne.1994.1010
- Трофимович Е. М. Метаболизм питьевой воды. Гигиенический аспект//Методологические проблемы изучения, оценки и регламентации химического загрязнения окружающей среды и его влияния на здоровье населения: материалы пленума. -М., 2015. -C. 428-433
- Титов В. Н. Натрий плазмы крови//Клиническая лабораторная диагностика. -1996. -№ 3. -С. 3-7.
- Красовский Г. Н., Егорова Н. А. Методология выбора оценочных показателей для гигиенического мониторинга водных объектов//Гигиена и санитария. -1994. -№ 6. -С. 5-7.
- Трофимович Е. М., Айзман Р. И., Крашенинина Г. И., Герасев А. Д. Обмен калия и его гигиеническое значение. -Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2004. -40 с.
- Aizman R. I., Velikanova L. K. Evaluation of water-salt metabolism and kidney function by means of stress tests. New methods of scientific research in clinical and experimental medicine. Ed. V. P. Lozovoi. -Novosibirsk, SB AMS USSR, 1980. -Pp. 5-13.
- Беленький М. Л. Элементы количественной оценки фармакологического эффекта. -Ленинград, 1963. -148 с