Metody stanovení cyanobakteriálních toxinů

Mgr. Lucie Bláhová, Ph.D.

Doctoral thesis

Levels and risks of important cyanobacterial toxins in the environment

Abstract:

Dosažení kvalitních povrchových vod je dlouhodobým cílem mnoha vědců a odborníků z praxe. Křehký vodní ekosystém může být narušen různými vlivy antropogenního i přírodního původu. Příkladem je celosvětové znečištění vod anorganickými živinami (P, N), které následně podporuje každoroční masivní růst sinic (cyanobakterií). Povrchové nádrže, ve kterých se tyto mikroorganizmy přemnožují a vytváří tzv. vodní květy, mají zhoršenou kvalitu vody způsobenou nejen jejich metabolismem a souvisejícími ději (rozkladné procesy, deficit kyslíku a jiné), ale také jejich schopností produkovat bioaktivní látky, mezi které patří například cyanotoxiny. Nejvíce studovaným cyanotoxinem nejen v zeměpisných podmínkách České republiky je microcystin. V rámci předložené dizertační práce byl tento oligopeptid s hepatotoxickými účinky na našem území detekován v 85% nádrží. Jeho maximální naměřená koncentrace ve vodě (extracelulární forma) i v biomase (intracelulární forma) byla srovnatelně vysoká s jinými evropskými zeměmi a naměřené hodnoty patří mezi celosvětově nejvyšší. Z dlouhodobého pozorování hladin microcystinu vyplývá,že se maximální koncentrace tohoto toxinu vyskytují často na konci letní sezóny,nicméně vysoké hladiny microcystinu mohou být naměřeny také neočekávaně kdykoliv během vegetačního období. V meziročním srovnání obsahu microcystinu vázaného na biomasu (intracelulární forma; 1993-2009) nebyl pozorován žádný významný trend. Produkce microcystinu sinicemi v českých vodních nádržích je tedy dlouhodobě setrvalá bez výrazného nárůstu nebo poklesu. Rizika poškození zdraví jsou na základě našich analýz hladin microcystinu významná především při rekreačním využití v nádržích se silně přemnoženým vodním květem a vysokými koncentracemi tohoto toxinu. Zaměříme-li se na zdroje,ze kterých je odebírána voda vodárenskými organizacemi, je kvalita přírodní vody relativně dobrá. V 75% těchto nádrží byl obsah microcystinu před samotnou úpravou nižší než doporučený limit 1 mg/L a při využití vhodných technologií lze předpokládat dobrou kvalitu pitné vody. Novým toxinem, který byl v rámci dizertačního projektu poprvé prokázán na našem území, je alkaloid cylindrospermopsin (CYN). Produkující cyanobakterie je zatím předmětem dalšího zkoumání, nicméně kandidátem je u nás běžně se vyskytující Aphanizomenon flos-aquae varianta klebahnii. Celoplošný screening využívající ELISA techniku ukazuje na přítomnost cylindrospermopsinu na minimálně 12ti lokalitách (na třech byl definitivně potvrzen s využitím LC/MS), což - ve srovnání například se sousedním Německem - je relativně málo. V Německu byl cylindrospermopsin prokázán až na 50% nádrží. V lyofilizovaných vzorcích biomas se nám cylindrospermopsin nepodařilo definitivně prokázat.Vzhledem k nízkým koncentracím cylindrospermopsinu v přírodě a k faktu, že nebyl nalezen v žádném zdroji pitné vody, lze předpokládat nízké riziko poškození zdraví po expozici cylindrospermopsinu. Dalším rizikovým faktorem ohrožení zdraví při přemnožení sinic je koncentrace velkého množství buněk, které ve své buněčné stěně nesou potenciálně toxické lipopolysacharidy (LPS). Podle našich studií je toxicita sinicových LPS nízká, zvláště jedná-li se o čisté laboratorní kultury v našich podmínkách nejčastějšího rodu Microcystis. Ke zvýšené endotoxicitě LPS izolovaných z přírodního vodního květu sinic však mohou nezanedbatelně přispívat asociované bakterie. Zvláštní pozornost zasluhují podle našich experimentů sinice z rodu Aphanizomenon. Toxicita LPS získaných z těchto sinic je srovnatelná s LPS heterotrofních bakterií a navíc sinice z rodu Aphanizomenon produ

Abstract:

kují celou škálu bioaktivních látek, z nichž některé působí jako biotoxiny (například výše zmíněný cytotoxický cylindrospermopsin). Vodní květy s dominujícími sinicemi z rodu Aphanizomenon tak mohou působit nepředvídatelnou toxicitou na své okolí. Výzkumu těchto vláknitých sinic a jejich metabolitů by měla být v budoucnu věnována větší pozornost.

Abstract:

Clean surface waters are among the major interests of many scientists and professional experts worldwide. Fragile stability of aquatic ecosystem could be easily affected by various anthropogenic and natural impacts. An example can be contamination of reservoirs by inorganic nutrients (P, N) causing annual massive occurences of cyanobacterial water blooms. A quality of waters in such reservoirs is affected by cyanobacterial metabolism and related processes (decomposition, oxygen depletion,etc.) but also by production of bioactive compounds. The most studied toxic compound produced by cyanobacteria is microcystin. In the present dissertation thesis, this hepatotoxic oligopeptid was identified in 85% of reservoirs in the Czech Republic. Concentrations of microcystin in the Czech water (extracellular form) and biomass (intracellular form) were similar in comparison to regionally close European countries and belong among the highest worldwide. Longterm survey of microcystins showed maximum concentrations at the end of the summer but in some cases high levels could be found any time during a vegetation season. With regard to production of microcystins by cyanobacteria we did not observe any trend within a long term survey 1993-2009 with no clear trends in decline or increase in toxin concentrations in the Czech Republic. Health risks based on the determined levels of microcystin could be expected during recreation activities, especially at high densities of the water bloom. For reservoirs used as sources of drinking water, the quality of the natural water may be expected less hazardous; concentrations of microcystin in the raw water of 75% reservoirs were lower then the recommended limit for treated water 1 mg/L. Thus,using appropriate technologies, risks to human health may be minimized. In addition to microcystin, this dissertation for the first time identified presence of the new alkaloid toxin cylindrospermopsin in the Czech Republic. Cyanobacteria producing cylindrospermopsin in our country were not clarified but commonly occurring Aphanizomenon flos-aquae var. klebahnii is suspected. Using ELISA, cylindrospermopsin was found in 12 waterbodies (three of them were also confirmed by the LC/MS method). Interestingly, frequency of the incidence of the toxin is rather low in comparison to Germany, where up to 50% reservoirs were found to be contaminated by cylindrospermopsin. Health risks due to cylindrospermopsin are rather low with respect to low frequency of occurrence and low concentrations.Besides the low molecular weight toxins, high concentrations of cyanobacterial cells with potentially toxic lipopolysaccharide (LPS) in their cell walls may represent another health risk. According to our studies with the strains of Microcystis, the toxicity of cyanobacterial LPS is rather low, especially in laboratory cultures. On the other hand, there was an increase in endotoxicity of LPS isolated from natural waterblooms, which may be attributed to the presence of bacteria associated with the cyanobacterial bloom. Cyanobacteria from Aphanizomenon genus should require more attention as the toxicity of LPS isolated from natural waterblooms with Aphanizomenon was comparable with LPS of heterotrophic bacteria. In addition, cyanobacteria from the genus Aphanizomenon may produce wide spectrum of bioactive compounds such as cylindrospermopsin and toxicological research of this genus will require further research.

Keywords

cyanotoxiny, cyanobakterie, analytické metody, microcystin, cylindrospermopsin, lipopolysacharidy, analýza rizik

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 10. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 22. 11. 2010
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Reader: prof. Ing. Jiří Matoušek, DrSc., doc. MVDr. Miroslava Palíková, Ph.D., doc. Ing. Radovan Kopp, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry