Bioaktivní látky ve stojatých vodách s výskytem vodního květu

Mgr. et Mgr. Tereza Procházková, Ph.D.

Doctoral thesis

Bioactive compounds in stagnant waters affected by water blooms

Abstract:

Do stojatých vod se mohou dostávat polutanty z různých zdrojů. Mohou být jak antropogenního (např. výpustě z čistíren odpadních vod, splachy ze zemědělských ploch), tak přírodního (např. rozkládající se biomasa, vodní květy) původu. Tyto látky se tak v prostředí vyskytují ve složitých směsích a mohou mít různé účinky na živé organismy. Články I – III jsou zaměřeny na analýzu látek s estrogenním účinkem a hodnocení estrogenní aktivity stojatých vod s výskytem vodního květu. Články I a II popisují vývoj analytických metod pro detekci přírodních látek, u kterých byla dříve popsána estrogenní aktivita – flavonoidů a fytosterolů. V článcích II a III byla stanovena estrogenní aktivita vzorků vod z nádrží s výskytem vodního květu a byly zhodnoceny potenciální příspěvky několika skupin estrogenních látek (flavonoidů, fytosterolů, alkylfenolů a estrogenních hormonů). Fytosteroly nevykazovaly detekovatelnou estrogenní odpověď. Flavonoidy a alkylfenoly byly spojeny pouze s malou částí estrogenní aktivity (≤ 8,5%). Nejvíce se na estrogenitě podílely estrogenní hormony, které však nebyly detekovány tak často jako ostatní skupiny estrogenních látek. Při hodnocení příspěvků analyzovaných látek k celkové detekované estrogenitě se ukázalo důležité zohlednit také možnou přítomnost estrogenů v koncentracích pod limitem kvantifikace. Články IV a V jsou věnovány hodnocení retinoidní aktivity biomasy sinic a jejich exudátů z laboratorních kultivací i přírodních vzorků. Tyto studie také přinášejí informace o koncentracích deseti retinoidů a jejich příspěvku k pozorované bioaktivitě. Zdá se, že retinoidní aktivita i přítomnost retinoidů je mezi sinicemi poměrně běžná, neboť jsme je detekovali ve vzorcích biomasy a exudátů druhů pocházejících z různých rodů a také ve vzorcích ze stojatých vod s výskytem vodního květu s různým taxonomickým složením. Retinoidní aktivita detekovaná ve vzorcích sinic byla relativně vysoká a mohla by negativně ovlivnit vodní organismy, např. ryby a obojživelníky. Sinice také produkují řadu známých toxinů. V článku VI jsme se zaměřili na jednu skupinu – microcystiny – a vytvořili jsme analytickou metodu využívající kapalinovou chromatografii s tandemovou hmotnostní spektrometrií ke stanovení jejich metabolitů – konjugátů s glutathionem a cysteinem. Tato metoda pak byla ověřena na vzorcích rybí tkáně. Výsledky uvedených studií poukazují na to, že se ve stojatých vodách vyskytují komplexní směsi látek s různým mechanismem působení, které pocházejí z různých zdrojů (přírodních i antropogenních). Kombinovaný přístup využívající biotestů a chemických analytických metod umožňuje zhodnocení biologické aktivity složitých směsí zároveň se zjištěním potenciálních příspěvků jednotlivých látek.

Abstract:

Stagnant waters receive pollutants from various sources. They can be of anthropogenic (e.g. wastewater effluents, agricultural runoff) as well as natural (e.g. decaying biomass, water blooms) origin. These compounds are present in the environment in complex mixtures and they can exert various effects on living organisms. Studies I – III focused on methods for analysis of estrogenic compounds and assessment of estrogenic activity in stagnant waters affected by water blooms. Studies I and II describe the development of analytical methods for the detection of natural compounds that were previously reported to have estrogenic activity – flavonoids and phytosterols. In studies II and III, we assessed estrogenic activity of water samples from reservoirs and ponds with water bloom and calculated the potential contribution of several groups of estrogenic compounds (flavonoids, phytosterols, alkylphenols and estrogenic hormones) to the observed bioactivity. Phytosterols did not show detectable estrogenic activity. Flavonoids and alkylphenols explained only minor part of observed estrogenicity (≤ 8.5%). Estrogenic hormones were the most contributing compounds, although they were not detected as often as other groups of estrogenic compounds. Possible presence of potent estrogens in concentrations below quantification limit proved to be important in the assessment of the contribution of analysed compounds to the detected estrogenicity. Studies IV and V assess retinoid-like activity of cyanobacterial exudates and biomass from laboratory cultivations as well as field samples. These studies also report the concentrations of ten retinoids and their contribution to the observed bioactivity. Retinoid-like activity and presence of retinoids seem to be quite common in cyanobacteria because they were detected in samples of biomass and exudates of species from different orders as well as in samples from stagnant waters with the occurrence of water blooms of various taxonomic composition. Retinoid-like activity detected in cyanobacterial samples was relatively high and could pose a risk to aquatic organisms, such as fish or frogs. Cyanobacteria also produce several groups of known toxins. In study VI, we focused on one such group – microcystins – and developed an analytical method based on liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry for the detection of their metabolites –conjugates with glutathione and cysteine. This method proved to be suitable for the analysis of conjugates of microcystins in fish tissues. The results of our studies document that stagnant waters contain complex mixtures of compounds with various mechanisms of action originating from different sources (natural as well as anthropogenic). A combined approach using bioassay and chemical analytical methods enabled the assessment of the bioactivity of complex mixtures together with the potential contribution of individual compounds and prioritization of the effect drivers.

Keywords

endocrine disruption, estrogenic activity, retinoid-like activity, surface waters, water bloom, phytoestrogens, endokrinní disrupce, estrogenní aktivita, retinoidní aktivita, povrchové vody, vodní květ, fytoestrogeny

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 4. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 24. 4. 2018
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Tomáš Randák, Ph.D., Prof. Markus Hecker

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology