Принос от Джеймс Р. Елерингер, 17 юни 2020 г. (изпратено за преглед на 14 август 2019 г .; прегледано от Стенли Х. Амброуз и Даян М. О’Брайън)

изотопи

Значимост

Като американци, нашите диети са сред най-високите нива на консумация на протеини и ние наблюдаваме повишени нива на затлъстяване във всички възрастови групи. Тук разкриваме, че консумацията на животински протеини, хранени с царевица, е по-често сред популациите с по-нисък социално-икономически статус, което поставя тези популации в потенциално по-голям риск от повишени здравословни проблеми.

Резюме

Съотношенията на въглерод и азот в косата, взети от 65 общности в централните и междупланинските райони на Съединените щати и по-интензивно през 29 пощенски кода в долината на Солт Лейк, Юта, разкриха дивергенция в диетата, свързана със социално-икономическия статус, измерена чрез разходите за живот, доход на домакинството и коригиран брутен доход. Хранените с царевица протеини, получени от животни, са по-често срещани в диетите с по-нисък социоикономически статус, отколкото при растителни протеини, с индивидуални оценки на диети с животински протеини до 75%; Средните градове в САЩ са 57%. Подобни модели бяха наблюдавани в целия спектър на социално-икономическия статус в долината на Солт Лейк. Вероятно животинските протеини, хранени с царевица, са били свързани с концентрирани операции за хранене на животни - често срещана практика за индустриалното животинско производство в Съединените щати днес. Като се имат предвид последните проучвания, подчертаващи отрицателното въздействие на протеините от животински произход в диетите ни, съотношенията на въглеродните изотопи на косата могат да осигурят подход за мащабиране на оценките на храни от животински произход и рискове за здравето в общностите в Съединените щати.

Американските диети все по-често се получават от животни, отглеждани на доминирани от царевица диети в CAFO съоръжения (т.е. говеждо, птиче месо, свинско месо, яйца, мляко и т.н.) (27 ⇓ ⇓ –30). Докато индустриализираните CAFO съоръжения могат да се различават по своите операции, те споделят общи характеристики. Първо, CAFO се възползваха исторически от федералните стимули и субсидии за царевица и соя, което доведе до CAFOs като широко възприета индустриална практика. Докато CAFO произвеждат огромни количества протеин за консумация от човека, концентрирането на животни в затворени пространства има отрицателно въздействие както върху замърсяването на подпочвените води, така и върху здравето на животните (31, 32). Второ, CAFO обикновено използват смес от 85 до 90% царевица и 10 до 15% соя като храна за животни в Съединените щати (29, 30, 33 ⇓ ⇓ –36). Тъй като царевицата използва фотосинтетичния път С4 (33), тя придава по-висока стойност на въглеродния изотоп на животинския протеин, който впоследствие се прехвърля в човешките тъкани при консумация на протеини (34, 35). По този начин, разчитането на царевица като фураж във фуражите за животни днес (36 ⇓ –38) дава възможност да се използват въглеродни изотопи като проследяващо средство, за да се определи количествено значението на протеините, получени от царевица, в консумацията на протеини в диетата на индивида в икономически спектър.

Въпреки че има много подходи за количествено определяне на диетичните избори, е доказано, че съотношенията на въглерод (δ 13 С) и азот (δ 15 N) на косата и кръвта на скалпа на човека са пряко свързани с хранителните източници на протеини (24, 25, 39) ⇓ ⇓ ⇓ –43). Ние също така признаваме, че въглехидратите, получени от въглерод, могат да бъдат включени в несъществени аминокиселини (23 ⇓ ⇓ –26). Стойностите на δ 13 С на човешката коса разкриват дела на протеина, произхождащ от растения С3 или растения С4 в диетата на индивида (16, 44 ⇓ ⇓ –47). Тъй като има ограничено фракциониране на въглеродните изотопи между растенията и животинските протеини като хранителни източници в диетата на човека, стойностите на δ 13 С на животинските протеини отразяват същите модели на консумация на C3/C4 (34, 35, 48), но не и специфичните консумирани храни . Тревите, бобовите растения, зеленчуците, храстите и дърветата през хладния сезон са всички растения C3 (46) и по този начин стойността δ 13 C на животните, хранени с тези източници на храна C3, ще отразява подобни на C3 стойности δ 13 C. За разлика от тях царевицата (царевица, Zea mays), тревите от топъл сезон, соргото, просото и захарната тръстика са важни растения С4 (46), като царевицата служи като основен фураж при CAFO операции (29, 49, 50). Ние осъзнаваме, че говедата, отглеждани в диапазона, в южните части на Съединените щати също ще предават сигнал С4, подобен на царевицата, тъй като тревите С4 доминират в тези местообитания (51).

За разлика от тях, стойностите на косата δ 15 N обикновено се използват за оценка на пропорциите на храни от растителни и животински произход към диетата на индивида, където по-високите стойности на δ 15 N представляват по-голяма консумация на протеини от животински произход (40, 47, 52 ⇓ - 54). Неморските протеини от животински произход включват не само месо и птици, но и мляко, сирене и яйца.

Нашето проучване използва стойности δ 13 C и δ 15 N в косата на скалпа, за да оцени три хипотези, свързани с вариациите в диетичния избор и SES. Хипотеза 1 е, че δ 13 С и δ 15 N стойности на човешката коса ще бъдат положително корелирани, отразявайки пропорциите в два основни хранителни източника: животински протеин, получен от С4 и растителен протеин, получен от С3. Хипотеза 2 е, че пропорциите на произведен от С4 животински протеин в диетата ще бъдат най-високи в райони с по-нисък SES. Хипотеза 3 е, че пропорциите на животински протеини, получени от С4 в диетата и затлъстяването, ще бъдат положително свързани.

Също така признаваме, че голямата консумация на захари С4, напитки на базата на С4 и морски протеинови източници може да усложни интерпретацията на хипотези 2 и 3 (8, 16, 23 ⇓ –25, 55).

За да изследваме хипотеза 1, първо трябва да посочим хранителните крайности, които формират границите на косата δ 13 C и δ 15 N стойности. Тези потребителски диетични крайни членове на съвременните потребители са: 1) Строги вегетарианци (т.е. вегани), консумиращи само растителни протеинови източници; 2) месоядни всеядни животни, чийто основен протеинов източник са животински протеини, хранени с C4, с ограничени протеини на растителна основа; 3) месоядни всеядни животни, чийто основен източник на протеини са животински протеини, хранени със С3 или морски риби с ограничени протеини на растителна основа; и 4) хипотетични CAFO-изявени всеядни животински протеини, получени от източници, хранени с царевица и ограничени протеини на растителна основа (фиг. 1).

Какво представлява „американският“ протеин?

За пробите от коса от 684 индивида в това проучване, на практика всички вариации в сдвоените стойности на δ 13 C и δ 15 N бяха уловени в рамките на границите, определени от основните хранителни крайности (фиг. 1). Нашата извадка не включва крайбрежни части на Съединените щати и следователно е ограничена по обхват. Тъй като повечето наблюдения не са в една от трите крайности, нашето заключение е, че американските всеядни ядат различни пропорции от трите първични протеинови източника. Нещо повече, наблюденията δ 13 C и δ 15 N обхващат относително скромни граници от δ 13 C и δ 15 N стойности. Установихме, че 96,0% от стойностите на косата δ 13 C са паднали между най-ниското от -20,0 ‰ и най-високото от -16,0 ‰, като средната стойност е -17,3 ‰ (Фиг. 2). И 97,3% от стойностите на косата δ 15 N паднаха между най-ниските 7,5 ‰ и високите 10,0 ‰, като средната стойност беше 9,0 ‰ (фиг. 2). Подобни стойности са наблюдавани при малки деца (42). По този начин, макар че наистина имаше вариации в стойностите на изотопите на косата, тези проби за коса в САЩ обхващаха относително тесен регион от общата възможна област на δ 13 C и δ 15 N (фиг. 1).

Разпределение на честотата на съотношенията на въглерод и азот изотоп на косата на скалпа в Съединените щати.

Хипотеза 1 предсказва положителна връзка между стойностите на косата δ 13 C и δ 15 N. Всъщност имаше много значима корелация между стойностите на косата δ 13 C и δ 15 N от всички отделни наблюдения на косата (r = 0,475, n = 684, стойности на P 15 N (фиг. 1). Макар да е ясно, че различните индивиди го правят консумират различни пропорции както на животински протеини, получени от C3 и C4, като преобладаващият фактор, движещ вариациите в косата δ 13 C и δ 15 N стойности, е вариация в пропорциите на растителни източници на протеини от животински произход, хранени с царевица/C4 /.

Връзки между изотопите на косата и SES

В националната скала стойностите на косата δ 13 C са отрицателно свързани с индекса на разходите за живот (фиг. 3). В подкрепа на хипотеза 2, моделът на намаляване на стойностите на косата δ 13 C с нарастващи разходи за живот се обяснява най-лесно като увеличени пропорции на растителни протеини, допринасящи за диетата на индивиди в региони с по-високи разходи за живот. Средният доход на домакинството, втори показател за SES, също е в отрицателна корелация със стойностите на косата δ 13 C (Таблица 1) при ниво на значимост (r = -0,338, n = 94, P = 0,0009), подобно на това на по-общите разходи -индекс на живот (r = -0,395, n = 94, P = 0,0001). Забележително е, че извадковите места, включени в това проучване, обикновено са региони, в които разходите за живот са под средните за САЩ.

График на корелацията между средното съотношение на въглероден изотоп на човешката коса и разходите за живот в градовете и пощенските кодове в Съединените щати (r = 0,397, n = 94, P Вижте тази таблица:

  • Преглед на линия
  • Преглед на изскачащия прозорец

Корелации между съотношенията на въглеродните изотопи в човешката коса, взети в пробите в Съединените щати и мерките за SES

Прави впечатление, че въглеродните изотопи на косата също са били повлияни от географското местоположение. Обхващайки широк обхват от 29 ° до 48 °, средните стойности на косата δ 13 C в рамките на град или пощенски код бяха отрицателно корелирани с географската ширина (r = -0,334, n = 94, P = 0,001). Посоката на вариации в стойностите на косата δ 13 C с географска ширина е идентична с документираните модели на C3 екосистеми, преобладаващи в северния по-хладен климат и C4 екосистема, преобладаващи в южния по-топъл климат (51, 67). Въпреки това, по-вероятно обяснение за очевидния ефект на географска ширина не е екологично, а по-вероятно географският градиент от север към юг на SES в централните и южните щати на Съединените щати, където е проведена по-голямата част от вземането на проби (приложение SI) ). Южните части на Съединените щати имат по-ниски стойности на SES от по-северните щати (68 ⇓ ⇓ –71). За да изследваме взаимодействията между параметрите на SES и стойностите на косата δ 13 C, извършихме множествена линейна регресия (Таблица 2). Тук забелязахме, че както разходите за живот (P = 0,0232), така и регионалното местоположение в Съединените щати (географска ширина, P = 0,0175) са важни фактори, влияещи върху SES интерпретациите на косата δ 13 C стойности.

Множество линейни връзки между съотношенията на въглеродните изотопи в човешката коса, взети в пробите в градовете на САЩ (n = 94), SES мерки и географска ширина като мярка за географско местоположение

Ние разгледахме географското местоположение като общ фактор, влияещ върху δ 13 C стойностите на животинските протеини в национален мащаб и че SES факторите всъщност движеха регионалните вариации в стойностите δ 13 C на косата. За да изключим географската ширина като фактор, изследвахме вариации в стойностите на косата δ 13 C на нивото на пощенския код в един-единствен градски район: Долината на Солт Лейк, Юта (SLV), с население от million1,1 милиона.

Открихме, че отделните стойности на косата δ 13 C в SLV варират значително, вариращи от -21,3 ‰ до –14,7 ‰. Този диапазон беше неразличим от диапазона на стойностите на косата δ 13 C, наблюдавани преди това в Съединените щати (72) и сред децата в рамките на SLV (42). По този начин стойностите на косата δ 13 С в тази столична скала не се различават от стабилните изотопни граници на национално ниво. Въпреки това, сред отделни градове, взети в извадка в Съединените щати, не можахме да наблюдаваме такива големи вариации главно поради ограничените размери на пробите (n = 4 до 6 отделни проби за коса на град/град). За последващи оценки на SES за 29 пощенски кода в SLV са осреднени индивидуалните стойности на δ 13 C, тъй като няма лична информация за тези проби.

В столичния регионален район на SLV стойностите на косата δ 13 C са отрицателно свързани с разходите за живот, подобно на националната тенденция, но с по-висок обяснителен капацитет (фиг. 4) (r = -0,725, n = 29; стойности на P 13 C ( Таблица 3). За да оценим относителния принос на тези три параметри на SES, направихме множествена линейна регресия (Таблица 4). Цената на живота остана важен фактор (P = 0,026), както беше коригиран брутният доход (P = 0,019). Доходът на домакинствата не е бил значителен (P = 0,068). Въпреки че и трите от тези параметри на SES са взаимно свързани, те измерват различни фактори и по този начин, когато се разглеждат в комбинация, осигуряват по-висока стойност на R 2 (R 2 = 0,648), отколкото е получена чрез еднофакторни анализи (Таблица 3).

График на корелацията между средното съотношение на въглероден изотоп на косата на скалпа на човека и разходите за живот в пощенски кодове в рамките на SLV (r = 0,725, n = 29, P Вижте тази таблица:

  • Преглед на линия
  • Преглед на изскачащия прозорец

Корелации между съотношенията на въглеродните изотопи в човешката коса, взети в проби от SLV и измерванията на SES