Toksyny sinicowe

(c) Christian Fischer, CC BY-SA 3.0
Zakwit wody wywołany przez sinice

Toksyny sinicowe – substancje produkowane przez sinice, które działają toksycznie w przypadku kąpieli w wodzie albo wypicia wody, spożycia ryb lub innych organizmów wodnych je zawierających.

Ekologiczna rola toksyn sinicowych

Cylindrospermopsyna, jedna z toksyn sinicowych

Ekologiczno-ewolucyjna funkcja wytwarzania toksyn przez sinice nie jest jasna. Początkowo stawiano hipotezę, że jest to sposób obrony przed organizmami (głównie zooplanktonowymi) żywiącymi się sinicami. Przeciwko niej świadczy fakt, że prawdopodobnie toksyny były wytwarzane już ponad 2 mld lat temu, czyli zanim wyewoluowały zwierzęta[1]. Dwie podstawowe grupy hipotez wskazują na potencjalne korzyści dla sinic w interakcjach międzygatunkowych, w tym na drodze konkurencji z allelopatią lub obrony przed spasaniem oraz na potencjalne korzyści fizjologiczne dla sinic. Niektóre rodzaje aktywności mogą nieść podwójne skutki – toksyny mogą wywoływać uwalnianie związków fosforu przez inne glony i ułatwiać jego asymilację[2]. W związku z tym ich toksyczność dla wielu organizmów może być z ewolucyjnego punktu widzenia skutkiem ubocznym[1]. Większość toksyn sinicowych wytwarzają gatunki planktonowe, ale cylindrospermopsynę wytwarza również glebowa sinica Hormoscilla pringsheimii[3]. Sinice wytwarzające toksyny mogą znajdować się też w mniejszych zbiornikach wody, np. w systemach klimatyzacyjnych[4]. Z kolei BMAA jest wytwarzane przez sinice Nostoc żyjące symbiotycznie w korzeniach sagowców[5]. Toksyny wyizolowano także z krasnorostów, w których plesze żyją sinice znane z ich wytwarzania[6]. Toksyny sinicowe na skutek bioakumulacji mogą znajdować się w znacznych ilościach w ciałach zwierząt[5].

Z reguły toksyny sinicowe nie są uwalniane z żywych komórek i do wody wydostają się dopiero podczas ich rozpadu[4]. Wyjątkiem jest cylindrospermopsyna[7].

Ślady toksyn sinicowych znajdowano w osadach sprzed kilku tysięcy lat, ale metody molekularne wskazują, że sinice były zdolne do ich wytwarzania już 2,1 mld lat wcześniej[1]. Zatrucie australijskich owiec związane z uszkodzeniem wątroby przez wodę zawierającą Nodularia spumigena opisał George Francis w „Nature” w 1878 roku i jest to publikacja uważana za pierwszy udokumentowany opis działania toksyn sinicowych. Natomiast pierwszy opis zjawisk dziś interpretowanych jako powtarzalne zatrucia w czasie zakwitu sporządził Christopher Kirkby w liście do redakcji „Philosophical Transactions of the Royal Society” na przełomie lat 1671 i 1672. Opis ten dotyczy jeziora Tuchom koło Gdańska[8].

Klasyfikacja toksyn sinicowych

Ze względu na miejsce działania toksyny sinicowe należą do następujących grup:

Ze względu na budowę chemiczną wśród toksyn sinicowych można wyróżnić cykliczne peptydy, alkaloidy i lipopolisacharydy[4].

Toksyny sinicowe

Mikrocystyny i nodularyny

Mikrocystyna LR

Mikrocystyny i nodularyny są cyklicznymi peptydami o działaniu hepatotoksycznym. Do 2017 roku wyizolowano 246 analogów mikrocystyn oraz 10 nodularyn[11]. Mikrocystyny to heptapeptydy, czyli zbudowane są z siedmiu aminokwasów, a nodularyny to pentapeptdy – zbudowane z pięciu[9]. Mają charakter polarny i są łatwo rozpuszczalne w wodzie, za to trudno przechodzą przez błony komórkowe[12]. W skład mikrocystyn wchodzą dwa rzadkie aminokwasy niebiałkowe, nierybosomalne: N (Mdha) i kwas 3-amino-9-metoksy-2,6,8-trimetylo-10-fenylodeka-4,6-dienowy (ADDA), trzy aminokwasy w konfiguracji D: alanina, kwas metyloasparaginowy (MeAsp) i kwas glutaminowy oraz trzy aminokwasy w konfiguracji L, zmienne, przy czym najczęściej jest wśród nich arginina[4].

Mikrocystyny i nodularyny są związkami stosunkowo trwałymi. W zacienionej wodzie mogą utrzymywać się do kilku miesięcy. Nie rozkładają się przy gotowaniu ani na powietrzu. Rozkłada je promieniowanie ultrafioletowe, przez co w nasłonecznionej wodzie w ciągu jednego dnia może rozłożyć się ok. 40% mikrocystyn. Rozkładają je też silne utleniacze, jak ozon[4].

Słabo wnikają do większości komórek, ale są aktywnie przenoszone przez nośniki kwasów żółciowych, przez co wnikają do hepatocytów. Inhibują fosfatazy, niszczą cytoszkielet, powodują apoptozę. Do objawów zatrucia hepatotoksynami sinicowymi należą krwotoki wątroby. Ostre zatrucie prowadzi do niewydolności wątroby. Słabsze zatrucie może ostatecznie prowadzić do jej nowotworzenia[12]. Oprócz działania hepatotoksycznego mikrocystyny wywołują zmiany w limfocytach, zmiany skórne, gorączkę czy wymioty[9].

Mikrocystyny są wytwarzane przez przedstawicieli rodzajów Dolichospermum (dawniej zaliczanych do Anabaena), Microcystis, Planktothrix (dawniej zaliczanych do Oscillatoria), Nostoc, Anabaenopsis, Woronichinia oraz Hapalosiphon, a nodularyny – Nodularia[12].

Cylindrospermopsyna

Cylindrospermopsyna (CYN) jest cyklicznym alkaloidem guanidynowym. Ma szerokie działanie cytotoksyczne. W związku z tym bywa zaliczana m.in. do hepatotoksyn[12]. Wśród innych skutków zdrowotnych u kręgowców stwierdzano zaburzenia odporności i problemy reprodukcyjne[7].

Uwalniana jest nie tylko z martwych komórek, ale również nienaruszonych. W wodzie jest trwała[7].

Wytwarzana jest przez przedstawicieli rodzajów Raphidiopsis, w tym dawniej zaliczanych do rodzaju Cylindrospermopsis, Dolichospermum, Chrysosporum (dawniej zaliczanych do Aphanizomenon), Umezakia, Lyngbya, Oscillatoria, Hormoscilla[7].

Anatoksyny

Anatoksyna-a(s)

Anatoksyny są alkaloidami o działaniu neurotoksycznym[4]. Anatoksyna-a (ATX, ANTX-a) była pierwszą zidentyfikowaną toksyną sinicową, wyizolowaną z Dolichospermum flos-aquae (wówczas znanego jako Anabaena flos-aquae)[9], podobną budowę ma homoanatoksyna-a (homoANTX-a), a odmienną anatoksyna-a(s)[13]. Anatoksyna-a(s) zawiera grupę fosforanową, podobnie jak niektóre syntetyczne insektycydy czy bojowe środki trujące[9]. Oddziałują one na układ nerwowy, m.in. blokując rozkład acetylocholiny, która przez to kumuluje się w synapsach. Zatrucie następuje szybko, po kilku lub kilkudziesięciu minutach. Jego objawy to drgawki, ślinotok, zaburzenia równowagi, a w groźniejszych przypadkach także paraliż mięśni, co w przypadku mięśni oddechowych prowadzi do uduszenia[12]. Ponadto mogą wystąpić wymioty[4].

Anatoksyny rozkładają się pod wpływem światła, zwłaszcza w wodzie o odczynie zasadowym[4].

Anatoksynę-a wytwarzają przedstawiciele rodzajów Dolichospermum (dawniej zaliczanych do Anabaena), Microcystis, Planktothrix (dawniej zaliczanych do Oscillatoria), Aphanizomenon, Raphidiopsis (dawniej zaliczanych do Cylindrospermopsis), Artrhospira[12], Phormidium[13], anatoksynę-a(s) – Dolichospermum[12].

Saksytoksyny

Saksytoksyny (saksitoksyny), neosaksytoksyny i podobne do nich substancje są alkaloidami o działaniu neurotoksycznym[4]. Blokując sodowe kanały jonowe, uniemożliwiają wydzielanie acetylocholiny[9]. Pierwsza saksytoksyna (STX), która dała nazwę całej klasie toksyn, została wyizolowana z ciała małża Saxidomus gigantea[12]. W 2008 roku znano ponad 40 naturalnych jej analogów w tym gonyautoksyny (GTX)[13]. Ponieważ jest uważana za jedną z najsilniejszych naturalnych trucizn, była testowana pod kątem użycia jako bojowy środek trujący „TZ”[14]. Mają działanie paralityczne, ostre zatrucie objawia się dreszczami, zaburzeniami równowagi, drętwieniem, a w skrajnych przypadkach uduszeniem. U ludzi zatrucie występuje głównie po zjedzeniu małży, w których tkankach saksytoksyny uległy bioakumulacji i jest określane jako PSP (paralitic shellfish poisoning). Saksytoksyny wywołujące PSP są wytwarzane nie tylko przez sinice, ale przede wszystkim bruzdnice[10].

Wytwarzane są przez liczne gatunki bruzdnic, natomiast wśród sinic przez przedstawicieli rodzajów Aphanizomenon, Dolichospermum (dawniej zaliczanych do Anabaena), Lyngbya oraz Raphidiopsis (dawniej zaliczanych do Cylindrospermopsis)[12].

BMAA

3-Metyloamino-L-alanina

3-Metyloamino-L-alanina (BMAA) jest aminokwasem niebiałkowym o działaniu neurotoksycznym. Początkowo uważano, że jest toksyną wytwarzaną przez sagowce Cycas micronesica, ale w rzeczywistości jest wytwarzana przez żyjące z nim w symbiozie sinice z rodzaju Nostoc. BMAA ma udział w patogenezie choroby degeneracyjnej znanej jako stwardnienie zanikowe boczne zachodniego Pacyfiku[5]. Dzieje się tak, gdy BMAA zastępuje serynę w łańcuchu dysmutazy ponadtlenkowej SOD-1, zmieniając jej kształt[15].

Antillatoksyna, jamaikamidy, kalkitoksyna

Antillatoksyna

Antillatoksyna (ATX) i jamaikamidy są silnie trującymi lipopeptydami wpływającymi na pracę kanałów sodowych. Podobnie działa kalkitoksyna (KTX), będąca lipoamidem[13].

Tę grupę neurotoksyn wyizolowano z Lyngbya majuscula[13].

Aplysiatoksyna, debromoaplysiatoksyna, lyngbyatoksyna

Aplysiatoksyna, debromoaplysiatoksyna i lyngbyatoksyna to związki organiczne oddziałujące na skórę (dermatotoksyny)[12], wywołując jedną z form „świądu pływaków”. Aplysiatoksyna zawiera brom, podczas gdy debromoaplysiatoksyna w tym samym miejscu ma atom wodoru[6]. Lyngbyatoksyna jest alkaloidem indolowym[13].

Ta grupa dermatotoksyn jest wytwarzana przez przedstawicieli rodzajów Lyngbya, Schizothrix, Planktothrix (dawniej zaliczanych do Oscillatoria) czy Gloeotrichia[12]. Aplysiatoksynę i debromoaplysiatoksynę wyizolowano po raz pierwszy z gruczołów trawiennych ślimaka Stylocheilus longicauda. Ich występowanie stwierdzono również w plesze krasnorostu Gracilaria coronopifolia, ale ze względu na to, że na niej epifitycznie występują sinice, przypuszcza się, że to one są ich źródłem[6]. Dermatotoksyny powodują głównie podrażnienie skóry lub błony śluzowej w miejscu zetknięcia tych powłok z wodą je zawierającą. Może ono mieć różny stopień – od zaczerwienienia po łuszczenie się. Po połknięciu mogą powodować choroby układu pokarmowego i gorączkę[4]. W pewnych przypadkach przyjęte z pożywieniem mogą też wywoływać ostre zatrucie[6]. Długotrwałe przyjmowanie małych dawek może powodować nowotworzenie[4].

Endotoksyny lipopolisacharydowe

Endotoksyny lipopolisacharydowe (LPS) to składnik ścian komórkowych bakterii Gram-ujemnych, w tym sinic. Mogą być czynnikiem chorobotwórczym, przy czym w przypadku sinic mają głównie działanie uczulające i pirogenne, słabsze od działania lipopolisacharydów niektórych innych bakterii, np. salmonelli. W związku z tym zaliczane są do dermatotoksyn[4].

Zalecenia

Ponieważ nie ma sposobu na inne niż analiza laboratoryjna rozpoznanie, czy dany zakwit wody wiąże się z uwalnianiem toksyn, ogólne zalecenia służb sanitarnych nakazują w czasie jego wystąpienia unikanie kontaktu z wodą[16]. Zalecenia Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) dotyczące intensywności zakwitu stwarzającego zagrożenie to: pierwszy poziom alarmowy dla wód pitnych – bioobjętość fitoplanktonu sinicowego 0,3 mm³/l lub stężenie chlorofilu a 1 μg/l, drugi poziom alarmowy dla wód pitnych – bioobjętość fitoplanktonu sinicowego 4 mm³/l lub stężenie chlorofilu a 12 μg/l, poziom alarmowy dla wód użytkowanych rekreacyjnie – bioobjętość fitoplanktonu sinicowego 8 mm³/l lub stężenie chlorofilu a 24 μg/l[17].

Spośród toksyn sinicowych, które mogą znaleźć się w wodzie pitnej, najlepiej przebadana toksykologicznie jest mikrocystyna-LR (MC-LR). Norma jej długofalowego stężenia (w formie czystej i związanej z komórkami) zalecana przez WHO wynosi 1 μg/l, krótkofalowego 12 μg/l, a dawka tolerowanego dziennego pobrania (TDI) to 0,04 μg/kg ciała. Dla wód użytkowanych rekreacyjnie norma to 24 μg/l[17]. Dla anatoksyny a norma krótkofalowego stężenia dla wód pitnych to 30 μg/l, a stężenia dla wód użytkowanych rekreacyjnie 60 μg/l[18]. Dla cylindrospermopsyny norma długofalowego stężenia dla wód pitnych to 0,7 μg/l, krótkofalowego stężenia 3 μg/l, a stężenia dla wód użytkowanych rekreacyjnie 6 μg/l[19]. Dla saksytoksyn norma stężenia dla wód pitnych to 3 μg/l, a stężenia dla wód użytkowanych rekreacyjnie 30 μg/l[20].

Według wytycznych amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska z 2015 roku w wodzie pitnej przeznaczonej dla małych dzieci stężenie cylindrospermopsyny nie powinno przekraczać 0,7 μg/l, a mikrocystyn 0,3 μg/l, natomiast dla dzieci w wieku szkolnym i dorosłych odpowiednio 3,0 μg/l i 1,6 μg/l[21].

Przypisy

  1. ↑ a b c Eliana Henao, Piotr Rzymski, Matthew N. Waters, A Review on the Study of Cyanotoxins in Paleolimnological Research: Current Knowledge and Future Needs, „Toxins”, 12 (1), 2020, s. 6, DOI: 10.3390/toxins12010006, PMID: 31861931 (ang.).
  2. ↑ Aleicia Holland, Susan Kinnear, Interpreting the Possible Ecological Role(s) of Cyanotoxins: Compounds for Competitive Advantage and/or Physiological Aide?, „Marine Drugs”, 11 (7), 2013, s. 2239–2258, DOI: 10.3390/md11072239, PMID: 23807545 (ang.).
  3. ↑ Markéta Bohunická i inni, A combined morphological, ultrastructural, molecular, and biochemical study of the peculiar family Gomontiellaceae (Oscillatoriales) reveals a new cylindrospermopsin-producing clade of cyanobacteria, „Journal of Phycology”, 51 (6), s. 1040–1054, DOI: 10.1111/jpy.12354, PMID: 26987000 (ang.).
  4. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o Łukasz Gałczyński, Agnieszka Ociepa, Toksyny wytwarzane przez sinice, „Ecological Chemistry and Enginering S”, 15 (1), 2008, s. 69–76, ISSN 2084-4549.
  5. ↑ a b c Susan J. Murch, Paul Alan Cox, Sandra Anne Banack, A mechanism for slow release of biomagnified cyanobacterial neurotoxins and neurodegenerative disease in Guam, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 101 (33), 2004, s. 12228–12231, DOI: 10.1073/pnas.0404926101, PMID: 15295100, PMCID: PMC514403 (ang.).c?
  6. ↑ a b c d Hiroshi Nagai, Takeshi Yasumoto, Yoshitsugi Hokama, Aplysiatoxin and debromoaplysiatoxin as the causative agents of a red alga Gracilaria coronopifolia poisoning in hawaii, „Toxicon”, 34 (7), 1996, s. 753–761, DOI: 10.1016/0041-0101(96)00014-1 (ang.).
  7. ↑ a b c d Piotr Rzymski, Barbara Poniedziałek, The surprising world of cyanobacteria: cylindrospermopsin has a soil face, „Journal of Phycology”, 51 (6), 2015, s. 1037–1039, DOI: 10.1111/jpy.12358 (ang.).
  8. ↑ Geoffrey A. Codd i inni, Publication in 1672 of animal deaths at the Tuchomskie Lake, northern Poland and a likely role of cyanobacterial blooms, „Toxicon”, 108, 2015, s. 285–286, DOI: 10.1016/j.toxicon.2015.10.005 (ang.).
  9. ↑ a b c d e f g h Zofia Walter, Budowa toksyn cyjanobakterii, „Acta Universitatis Lodziensis. Folia Biochimica et Biophysica”, 14, 1999, s. 133–139.
  10. ↑ a b Mirosław M. Michalski, Biotoksyny morskie – występowanie i metody analizy, „Żywność. Nauka. Technologia. Jakość”, 3 (48), 2006, s. 16–22.
  11. ↑ Lisa Spoof, Arnaud Catherine, Appendix 3. Tables of Microcystins and Nodularins, [w:] Handbook of Cyanobacterial Monitoring and Cyanotoxin Analysis, Jussi Meriluoto, Lisa Spoof, Geoffrey A. Codd (red.), 2017, s. 526–537, DOI: 10.1002/9781119068761.app3 (ang.).
  12. ↑ a b c d e f g h i j k Związki toksyczne produkowane przez sinice, Pracownia Ekologii Biochemicznej Mikroorganizmów Uniwersytetu Gdańskiego [dostęp 2017-10-17] [zarchiwizowane z adresu 2016-11-25].
  13. ↑ a b c d e f Jan Białczyk, Zbigniew Lechowski, Beata Bober, Neurotoksyny syntetyzowane przez sinice, „Wiadomości Botaniczne”, 52 (3/4), 2008, s. 43–53.
  14. ↑ saksitoksyna, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-06-22].
  15. ↑ Elizabeth A. Proctor, David D. Mowrey, Nikolay V. Dokholyan, β-Methylamino-L-alanine substitution of serine in SOD1 suggests a direct role in ALS etiology, „PLOS Computational Biology”, 2019, DOI: 10.1371/journal.pcbi.1007225 (ang.).
  16. ↑ Informacje dotyczące kąpielisk – Sinice, [w:] Serwis kąpieliskowy [online], Główny Inspektorat Sanitarny.
  17. ↑ a b Cyanobacterial toxins: microcystins. Background documents for development of WHO Guidelines for drinking-water quality and Guidelines for safe recreational water environments, World Health Organization, 2020, s. 33, 38–40 (ang.).
  18. ↑ Cyanobacterial toxins: anatoxin-a and analogues. Background documents for development of WHO Guidelines for drinking-water quality and Guidelines for safe recreational water environments, World Health Organization, 2020, s. 14–15 (ang.).
  19. ↑ Cyanobacterial toxins: cylindrospermopsins. Background documents for development of WHO Guidelines for drinking-water quality and Guidelines for safe recreational water environments, World Health Organization, 2020, s. 20–21 (ang.).
  20. ↑ Cyanobacterial toxins: saxitoxins. Background documents for development of WHO Guidelines for drinking-water quality and Guidelines for safe recreational water environments, World Health Organization, 2020, s. 17–18 (ang.).
  21. ↑ EPA Drinking Water Health Advisories for Cyanotoxins, United States Environmental Protection Agency (ang.).

Star of life.svg Przeczytaj ostrzeżenie dotyczące informacji medycznych i pokrewnych zamieszczonych w Wikipedii.

Media użyte na tej stronie

Star of life.svg

The Star of Life, medical symbol used on some ambulances.

Star of Life was designed/created by a National Highway Traffic Safety Administration (US Gov) employee and is thus in the public domain.
CyanobacteriaInPool.jpg
(c) Christian Fischer, CC BY-SA 3.0
Bloom of cyanobacteria in a freshwater pond.
Microcystin-LR.svg
Autor: Charlesy, Licencja: CC0
Chemical structure of microcystin LR.
3-Methylamino-L-alanine.svg
L-3-Methylamino-L-alanine; L-BMAA; L-β-Methylamino-L-alanine
Anatoxin-a(S).svg
Structure of anatoxin-a(S)
Antillatoxin.svg
Chemical structure of antillatoxin