Moderní analytické metody ke studiu výskytu, osudu a chemicko-biologických interakcí sinicových toxinů v prostředí

Mgr. Libor Jaša, Ph.D.

Doctoral thesis

Modern analytical methods to study environmental occurrence, fate and chemico-biological interactions of cyanobacterial toxins

Abstract:

Sinice jsou prokaryotické organismy vyskytující se v celosvětovém měřítku. Antropogenní činností dochází k eutrofizaci vod, která je způsobená nadměrným vnášením živin (především fosforu a dusíku) do vodních těles v kombinaci s dalšími ekologickými faktory (světlo, pH, teplota) vedoucí k častější tvorbě sinicových květů ve sladkých a pobřežních vodách po celém světě. Sinice produkují celou škálu sekundárních metabolitů, které jsou často toxické pro ostatní organismy včetně lidí. Expozice toxickými sinicovými metabolity (sinicovými toxiny) byly spojeny s celou řadou nežádoucích účinků, od bolesti hlavy, závratí, nevolnosti, průjmu a podráždění kůže až po neurotoxicitu, akutní nebo chronické poškození jater nebo jiných orgánů. Nejvýznamnějšími expozičními cestami vzhledem ke zdravotním rizikům jsou kontakt s kůží a požití vody během rekreace v nádrži kontaminované vodním květem sinic. Expozice prostřednictvím kontaminované pitné vody je považována za nejnebezpečnější s ohledem na její dlouhodobý a opakující se charakter, který může být spojen se závažnými chronickými účinky, jako je zvýšený výskyt některých druhů rakoviny. Je důležité studovat tyto látky, mít potřebné nástroje pro výzkum, monitoring a detekci, které poskytují informace o výskytu a dlouhodobých trendech v životním prostředí. Na základě těchto informací lze analyzovat zdravotní rizika. Tato práce je zaměřena na výzkum toxinů sinic z několika různých pohledů a shrnuje tyto nové poznatky. První část je zaměřena na sledování nejběžnějších a nejnebezpečnějších sinicových toxinů mikrocystinů (MC) pasivním vzorkováním jako alternativou ke konvenční metodě aktivního odběru vzorků (jednorázového), včetně její aplikace při monitorování pitných vod. Pasivní vzorkovače v kombinaci s LC-MS/MS technikou poskytují vynikající citlivost pro detekci MC ve velmi nízkých koncentracích. Technika pasivního odběru vzorků může navíc sekvestrovat MC v životním prostředí a umožnit odhad jejich časově vážených průměrných koncentrací (TWA) včetně sezónních trendů a prostorových změn během období odběru vzorků. Dále byly zkoumány metody odstraňování MC během úpravy pitné vody a diskutovány na třech technicky odlišných úpravnách pitné vody a přilehlých nádržích. V následující části byl testován výskyt sinicových toxinů MC v invazním druhu mechovek Pectinatella magnifica za účelem poskytnutí nových informací týkajících se distribuce těchto nebezpečných látek do životního prostředí. V další části je popsána studie zaměřená na možnost odstranění microcystinu-LR (MC-LR) z vodních zdrojů oxidací ferrátem (VI). Tato studie popisuje kinetiku Fe (VI) reakce MC-LR a modelových sloučenin a identifikuje oxidační produkty (OP), reakční cesty, hodnotí toxicitu OP proti testu PP1. Fe (VI) je účinný pro degradaci MC-LR, ale pro úplné odstranění MC-LR v jezerní vodě je třeba vyšší dávkování než v deionizované vodě. Nakonec bude popsána 3-dimenzionální (3D) kultivační technika jako citlivý nástroj pro monitorování a výzkum hepatotoxických účinků toxinů sinic, zejména MC-LR a cylindrospermopsinu (CYN). Jelikož in vitro monovrstvé kultury jaterních buněčných linií nejsou zpravidla dostatečné pro predikci hepatotoxického účinku cyanotoxinů, byly použity 3D sféroidy lidských imortalizovaných jaterních buněk linie HL1-hT1 k vyhodnocení hepatotoxického potenciálu MC-LC a CYN. Tato technika poskytuje jednoduchý, citlivý a cenově efektivní nástroj pro výzkum a monitorování hepatototoxického potenciálu vzorků kontaminovaných toxickými sinicemi.

Abstract:

Cyanobacteria are group of globally occurring prokaryotic organisms, which are also known as blue-green algae. Anthropogenic eutrophication of water bodies caused by increased inputs of nutrients (mainly phosphorus and nitrogen) in combination with other ecological factors (light, pH, temperature) have intensified massive proliferations of cyanobacteria and lead to more frequent formation of cyanobacterial blooms in fresh and coastal waters all over the world. Cyanobacteria are capable of producing a wide range of secondary metabolites, which are often toxic for other organisms, including human beings. Human exposures to toxic cyanobacterial metabolites (cyanotoxins) have been associated with a variety of adverse effects, ranging from headaches, dizziness, nausea, diarrhea, and skin irritation to the neurotoxicity, acute or chronic damage to the liver or other organs. With respect to the human health risks, the most important exposure routes are represented by dermal contact, inhalation or ingestion of contaminated water during recreation in reservoirs with cyanobacteria blooms, and by consumption of drinking water supplied from the reservoirs contaminated with toxic cyanobacteria. Exposure via contaminated drinking water is considered as the most dangerous with respect to its long-term and repetitive character which might be associated with serious chronic effects such as increased incidence of some cancers. Thus, it is important to study these hazardous cyanobacterial metabolites and to have necessary tools for their environmental research, detection and monitoring, which can provide information about their occurrence, contamination levels and environmental dynamics. Analytical techniques can be used also in environmental engineering to develop and/or evaluate techniques aiming to mitigate cyanotoxin exposures and health risks. In toxicological research, analytical techniques are important to characterize internal exposures/doses and toxicokinetics in epidemiological, in vivo as well as in vitro studies. Such information provides invaluable inputs for exposure and effect assessment, human health risk analysis as well as risk management. This work focuses on the application of instrumental analytical techniques in research of cyanobacterial toxins from several different perspectives, and summarizes these new findings. The first part is focused on the monitoring of the most common and most hazardous cyanobacterial toxins, microcystins (MCs), by passive sampling as an alternative to the conventional active (grab) sampling method, including its application in the monitoring of drinking water. Passive samplers in combination with LC-MS/MS instrumentation provide excellent sensitivity for MCs detection in very low concentrations. Moreover, passive sampling technique can sequester MCs in the environment and allows estimate their time-weighted average (TWA) concentrations including seasonal trends and spatial variation during sampling period. In addition, efficiencies of different methods for MC removal during the drinking water treatment have been investigated and compared for three technologically different drinking water treatment plants (DWTPs) and adjacent reservoirs. In the following part, the analytical techniques were used to investigate occurrence of cyanotoxins MCs in the invasive bryozoan species Pectinatella magnifica, in order to provide new information regarding sources and vectors affecting environmental distribution of these hazardous compounds. In the next part, the thesis focused on the processes suitable for MC removal in drinking water treatment, namely on its oxidation by ferrate (VI). This study determined the kinetics of Fe (VI) reactions with microcistin-LR (MC-LR) and other model compounds, identified oxidation products (OPs), reaction pathways, and assessed the toxicity of OPs against PP1 assay. Fe(VI) was found to be effective for degradation MC-LR but higher dosage would be needed for complete removal MC-

Abstract:

LR in lake water compared to deionised water. Finally, the analytical techniques were utilized also during the study focusing on the in vitro toxicity assessment of two hepatotoxic cyanotoxins, MC-LR and cylindrospermopsin (CYN). The effects of both cyanotoxins on human telomerase-immortalized adult liver steam cells HL1-hT1 were studied using traditional monolayer cultures as well as 3-dimensional (3D) scaffold-free spheroid cultures. 3D spheroid cultures were very sensitive to cytotoxic effects of MC-LR and CYN at low, toxicologically-relevant concentrations. This technique thus provides simple, sensitive and cost-effective tool for research and monitoring hepatototoxic potential of samples contaminated with toxic cyanobacteria.

Keywords

Bochnatka Pectinatella magnifica, cylindrospermopsin, hodnocení toxicity, ferrát(VI), invazní druhy, LC-MS/MS, microcystin, pasivní vzorkování, POCIS, sinicové toxiny, výroba pitné vody, Bryozoan Pectinatella magnifica, cyanobacterial toxins, drinking water treatment, Ferrate(VI), invasive species, passive sampling, toxicity assessment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 8. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 13. 10. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Babica, Ph.D.
• Reader: RNDr. Pavel Hrouzek, Ph.D., Elisabeth Janssen, PhD

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology