T k i i u vodi
Toksini
di
dr Siniša Markov
WW2014 “Kvalitet voda”
02-05.09. Novi Sad
toksične i opasne materije abiotičkog porekla (ne)svesna ljudska aktivnost
Biotoksini ???
Da li je prisustvo
CIJANOBAKTERIJA I CIJANOTOKSINA
“iznenađujuća informacija” ili .........?
Poređenje toksičnosti raznih biotoksina (Falconer i sar. 1999)
Toksin
Vrsta- producent
BOTULINUM
TETANUS
RICIN
DIPHTHERIA
TOXIN
KOKI TOXIN
TETRODOTOXIN
SAXITOXIN
COBRA TOXIN
NODULARIN
MICROCYSTIN LR
MICROCYSTIN-LR
ANATOXIN-a
MICROCYSTIN-RR
CURARE
STRYCHNINE
AMATOXIN
MUSCARIN
PHALLATOXIN
GLENODIN TOXIN
SODIUM CYANIDE
Clostridium botulinum (bakterija)
Clostridium tetani (bakterija)
Ricinus communis (biljka)
Corynebacterium diphtheriae (bakterija)
Phyllobates bicolor (žaba)
Sphaeroides
p
rubripes
p ((riba))
Aphanizomenon flos-aquae (cijanobakterija)
Naja naja (kobra)
Nodularia spumigena (cijanobakterija)
Mi
Microcystis
ti aeruginosa
i
( ij
(cijanobakterija)
b kt ij )
Anabaena flos-aquae (cijanobakterija)
Microcystis aeruginosa (cijanobakterija)
Chrondodendron tomentosum ((brazilska biljka)
j )
Strychnos nux-vomica (biljka)
Amanita phalloides (gljiva)
Amanita muscaria (gljiva)
Amanita phalloides (gljiva)
Peridinium polonicum (dinoflagelatna alga)
Letalna doza
((LD50)*
)
0,00003
0,0001
0,02
03
0,3
2,7
8
9
20
30-50
50
200
300-600
500
500
600
1100
1800
2500
10000
Cijanobakterije i cijanotoksini, dr Jelica Simeunović, docent
Da li je organizatorima WW ovaj problem nov?
U odrastanju do punoletstva pažnja posvećena ovom pitanju?
2. DEO: MIKROBIOLOŠKI PARAMETRI KVALITETA VODE ZA PIĆE
Prof. dr Olgica Petrović
ALGE I CIJANOBAKTERIJE KAO POKAZATELJI KVALITETA VODE ZA PIĆE
2 DEO SMERNICE ZA ZDRAVSTVENO BEZBEDNU VODU ZA PIĆE
PRIRODNE ORGANSKE MATERIJE U VODI
2.2. BIOLOŠKI PROCESI I PRIRODNE ORGANSKE MATERIJE
Pravi fosilni ostaci “najnaprednih” bakterija i danas su živi organizmi na
nekoliko lokacija na planeti i koje su nazvane CYANOBACTERIE, a njihovi fosilni
ostaci
t i su STROMATOLITI
STROMATOLITI.
Ovi organizmi (CYANOBACTERIE) su dominirajući oblik života U NAREDNIH
SKORO preko 2000 miliona godina, I ONE SU U TOM PERIODU SAMO
PROKARIOTSKOG TIPA
Oni su strpljivi tvorci kiseonika i njegovo pojavljivanje u ogromnim količinama
u tadašnjoj zemljinoj atmosferi,
atmosferi jednom od najbitnijih preduslova za početak
opšteg bujanje života.
Život je nastao u vodi i u današnje vreme većina najznačajnijih pojava
se odigrava
g
(brže
(
ili sporije)
p j ) u ovojj sredini – originalno
g
su to mora i
okeani, ali ne manje bitne su promene u rekama i potocima, prirodnim
jezerima, rezervoarima, barama
(registruju se promene i u podzemnim vodama, ledu, hidrotermalnim
izvorima i dr.)
pojave tj. promene (ako nema nikakve druge ono bar kruženje
elemenata u prirodi) u vodenim sistemima se mogu registrovati na
osnovu fizičko-hemijskih i bioloških – mikrobioloških parametara
(kvalitativni i kvantitativni pokazatelji
Šta su cijanobakterije?
Cijanobakterije su nazivane,
nazivane a i danas je taj termin u upotrebi
- modro-zelene alge usled sličnosti sa zelenim algama po
morfologiji, staništu i fotosintetskim mogućnostima
(Cyanobacteriophyta)
u današnjem vremenu poznato nam je oko 2000 vrsta i većina
su ubikvitarni
bik it
i organizmi;
i i neke
k su i ekstremofili
k t
fili (od
( d -190
190 d
do
+70 °C)
BIOLOŠKA
Š
KLASIFIKACIJA
Kriterijumi podele - velika raznovrsnost oblika i veličine, kao i
načina razmnožavanja
razvrstane u 150 rodova, tj. 5 redova
MIKROBIOLOŠKA KLASIFIKACIJA
Po Bergey-u: Phylum BX: Cyanobacteria; Eubacteria, gramnegativne
red
Chroococcales
Karakteristike
Kokoidne ćelije koje se
predstavnici (rodovi)
Aphanocapsa, Aphanothece, Gloeo-
razmnožavaju binarnom fisijom capsa, Merismopedia, Microcystis,
ili pupljenjem
Synechococcus, Synechocystis
Pl
Pleuro-
K k id ćelije,
Kokoidne
ć lij agregati
ti ili
Ch
Chroococcidiopsis,
idi
i Pl
Pleurocapsa
capsales
pseudofilamenti koji se razmnožavaju
j beocitama ((endospore)
p )
Oscillato-
Pravi filamenti bez heterocisti ili Lyngbya, Leptolyngbya, Microcoleus,
riales
akineta
Oscillatoria, Phormidium, Planktothrix
Nosto-
Filamentozne, koje se dele u
Anabaena, Aphanizomenon, Calothrix,
cales
jednoj ravni, sa heterocistama; Cylindrospermopsis, Nostoc,
lažno grananje kod nekih
Scytonema Tolypothrix
Scytonema,
rodova kao što je Scytonema
Stigonema
tales
Deljenje u više ravni; pravo
Mastigocladus (Fischerella),
grananje i raznovrsni filamenti; Stigonema
heterociste
Ekološka podela cijanobakterija
3 glavne
l
grupe u vodenim
d i sredinama:
di
-stvaraju prevlake (navlake), u vidu perifitnog biofilma na
kamenju, sedimentima i submerznim biljkama
- izazivaju
i
i j cvetanje
t j – javlja
j lj se niz
i problema
bl
za kvalitet
k lit t vode;
d
uglavnom prisutne u eutrofičnim (nutrijentima bogatim) jezerima
- pikocijanobakterije – izuzetno sitne (<3 mm prečnik), često
prisutne u bistrim jezerima
- kolonijske koje ne izazivaju cvetanje – u različitim vodenim
sredinama – mezotrofna jezera,
jezera ....
- metafitne vrste - stvaraju agregate koje su slabim vezama
povezane sa makrofitama
građa ćelije cijanobakterija
hromatoplazma
ćelijski zid
centroplazma
(nukleoplazma)
ĆELIJSKI ZID – uglavnom višeslojna struktura
- L1 – unutrašnji mekani sloj
- L2 je rigidni sloj sastavljen od mureina
- L3 i L4 spoljašnji elastični slojevi načinjeni od lipopolisaharida
- po strukturi je veoma sličan građi ćelijskog zida Gr (-) bakterija
u ćelijskom zidu se nalaze pore (70 nm) kroz koje prolaze
plazmodezme i kroz koje se luče sluzni ili galertni omotači
- Sluzavi omotači – zaštita od isušivanja,
j , puzeće
p
kretanje
j
HROMATOPLAZMA
hroma (grč. boja)
boja)– periferni deo citoplazme sa fotosintetičkim
pigmentima koji su povezani sa tilakoidima (grč. tilakoides meškolik) – invaginacija plazmaleme
fotosintetički aparat sadrži oko 30 pigmenata; osnovni pigment hlorofil a; tzv.
tzv pomoćni pigmenti - karotenoidni pigmenti u
tilakoidu (β-karoten i zeaksantin), zatim fikobilini (C-fikocijanin,
alofikocijanin i C-fikoeritrin)
C fikoeritrin)
fikobilizomi koji su pričvršćeni na površini tilakoida
Boja cijanobakterija
- Boja u masi zavisi od zastupljenosti fikobilinskih pigmenata
- fikocijanin + hlorofil – modrozelena boja
- različiti odnosi fikocijanina
j
i fikoeritrina – od p
purpurne
p
do crvene boje
j
- crna boja usled absorpcije skoro celog vidljivog spektra od strane pigmenata
- Boja zavisi od uslova spoljašnje sredine – hromatska adaptacija
CITOPLAZMATSKE INKLUZIJE CIJANOBAKTERIJA
p
Rezervne supstance
-zrnca cijanoficinskog skroba - α-1-4 glukan ne daje bojenu
reakciju sa jodom
-cijanoficinska zrnca – velike granule u blizini ćelijskog zida kod
končastih oblika; složeni polimer amino kiselina arginina i
asparagina – rezerve azota, rast u vodama bez azota
Polifosfatne granule (volutin) visokopolimerizovan fosfat;
rezerve fosfora
fosfora, rastu u vodama
bez fosfora
-Poli-β-hidroksibutirat
Poli β hidroksibutirat – rezerve
ugljenika i energije kod nekih
Gasne vakuole
- šuplji proteinski cilidri sa koničnim krajevima ispunjeni gasom
– reguliše gustinu ćelija što omogućava promenu položaja u
vodenom ekosistemu
- malo svetla –više gasnih vakuola – talus bliže ili na samoj
površini
- u svetlom sloju – više fotosinteze –
šećeri -negativan osmotski pritisak voda ulazi u ćeliju, povećanje
hidrostatičkog pritiska
- Visok hidrostatički pritisak – kolaps
gasnih vakuola – alge tonu
NUKLEOPLAZMA (centroplazma)- hijaloplazma i fibrile DNK, nema
jedrove membrane
membrane, nema jedarca
jedarca, hromozoma ni jedrovog vretena
- multiple, tzv ‘back-up’ kopije bakterijskog hromozama (6 ili više)
Vodena staništa cijanobakterija – prirodni BIOREAKTORI
Z rastt i razmnožavanje
Za
ž
j mikroorganizama
ik
i
u njemu
j
potrebno
t b jje
sagledati:
- karakteristike mikroorganizama
- uslove sredine
Cijanobakterije su fotoautotrofni mikroorganizmi – fotoliza vode
((retko koriste H2S)) i oslobađaju
j kiseonik;; neke mogu
g biti miksotrofi;;
- Mada su aerobi, neke su tolerantne na niske koncentracije O2 i više
koncentracije H2S koje bi bile toksične za alge; ova tolerancija im
omogućava preživljavanje u anoksičnom i eutrofičnom sedimentu
jezera
- jedini fotoautotrofni organizmi koji mogu da fiksiraju azot
Cijanobakterije su visoko tolerantne na UV zračenje – razvile su
različite
ličit strategije,
t t ij a od
d opštih
štih ttreba
b podsetiti
d titi d
da sadrže
d ž kkarotenoide,
t
id
tj. hvatače reaktivnih kiseoničnih radikalskih vrsta, enzime (kao što su
superoksid dismutaze)) i proteine za reparaciju nakon UV oštećenja
-odnos prema temperaturi – naginju višim temperaturama, kako po
minimalnoj tako i po optimalnoj (grupa koja izaziva cvetanje preferira
temperature iznad 15 °C)
- odnos prema pH: u principu pogodnije su im alkalnije sredine; tokom
cvetanja pH se može povećati iznad 9 (u takvoj sredini većina
neorganskog ugljenika je u obliku karbonata i nije dostupan brojnim
g
)
algama)
- osmofilnost je prisutna kod nekih vrsta
- neke cijanobakterijske vrste imaju sposobnost azotofiksacije što
ima daje kompetitivnu prednost u sredinama sa niskom koncentra
koncentracijom nitrata i amonijaka, pa na taj način obogaćuju takve vodene
sredine sa azotom
-ako su u bioreaktoru ispunjeni abiotiči i biotički uslovi nema razloga
da ne dođe do rasta i razmnožavanja – može se posmatrati kao
obična prirodna pojava
međutim
ubrzan stepen reprodukcije rezultuje sa drastičnim povećanjem
ukupne biomase poznate pod nazivom cvetanje vode (uslovni
kriterijum koncentracija ćelija veća od 10.000 u mililitru vode)
izraženo cijanobakterijsko cvetanje se definiše kao opasno
algalno
l l
cvetanje
t j (eng.
(
“harmful
“h
f l algal
l l blooms”-HABs)
bl
” HAB ) ukoliko
k lik je
j
povezano sa negativnim posledicama po okolinu, kao što su
mortalitet živog
ž
sveta, smanjenje submerzne akvatične
č
vegetacije, poremećaj stabilnosti ekosistema, negativan uticaj
na lance ishrane, produkciju veoma aktivnih toksičnih
supstanci i dr.
-cijanobakterije ne mogu dugo da održe ekstremno visok nivo
razvoja populacije već ono traje određeno vreme (1-2 nedelje)
pa počinju ubrzano da odumiru
- međutim, pojava novog cvetanja u istoj vodenoj sredini se
može ubrzo opet desiti ukoliko su prisutni uslovi koji to
omogućavaju (sukcesivna cvetanja su vrlo česta pojava )
ne postoji jedan, ključni faktor koji doprinosi ovoj pojavi
prvi uslov jje da izvora bitnih elemenata za ćeliju
p
j mora biti u dovoljnoj
j j
količini – to se pre svega odnosi na P: koncentracije fosfora veće od
0,1 mgL-1 (30
(30-100
100 μg L-1) dovoljne da izazovu pojavu cvetanja;
sledeći je N - na proliferaciju cijanobakterija presudan uticaj ima
odnos azota prema fosforu,
fosforu odnosno nizak nivo N:P (<29:1)
- visok pH and niska koncentracija CO2 smatraju se važnim
faktorima
-u nekim slučajevima raspoloživost Fe se smatra ograničavajućim
faktorom za cijanobakterijski razvoj
- pored odgovarajućeg, visokog sadržaja nutrijenata u vodi,
uticaj
ti j ima
i
i spor protok
t k vode
d i niska
i k turbulencija
t b l
ij kkoja
j
omogućava održavanje ćelija na površini.
ovu prirodnu pojavu, koja je u direktnoj vezi sa eutrofikacijom (proces
obogaćivanja
b
ći
j vode
d nutrijentima)
t ij ti ) može
ž značajno
č j da
d ubrza
b
id
doprinese
i
većoj učestalosti, razvoj poljoprivrede i urbanizacija, kao i niz drugih
pojava antropogenog porekla
Šta su posledice ove pojave?
((zadržaćemo se samo na vodosnabdevanju)
j )
- uticaj na neuspešnost procesa obrade sirove vode
- rastt i razviće
ić doprinose
d i
obogaćivanju
b
ći
j vodene
d
sredine
di sa
produktima primarnog i sekundarnog metabolizma; nije ključno da
li su produkti ekstracelularni, jer nakon odumiranja i intracelularni
su u istoj sredini
nećemo se zadržavati na mogućnosti prisustva geosmina i 2-metilizoborneola (miris zemlje i plesni), kao i na nekim fenolnim supstansupstan
cama koje stvaraju miris hlorofenola nakon reakcije sa hlorom
CIJANOTOKSINI
- sve cijanobakterijske vrste koje učestvuju u pojavi cvetanja NISU
producenti
d
ti toksina
t k i (u
( 15.-tak
15 t k rodova);
d
) čak
č k svii sojevi
j i unutar
t vrste
t ne moraju
j
biti toksikogeni , a među toksikogenim velike razlike u nivou produkcije ali i
mogućnost
g
p
produikcije
j više različitih formi i vrsta toksina
Osnovne grupe cijanobakterijskih toksina i njihovi izvori (Codd i sar., 2005)
Broj
Toksin strukturnih Struktura i aktivnost
varijanti
HEPATOTOKSINI
Mikro71
ciklični heptapeptidi;
cistini
hepatotoksični, inhibitori proteinfosfataza, promoteri tumora,
narušavaju celovitost membrane i
provodljivost
NodulaN
d l
rini
9
Cilindro
spermo
psini
i i
3
ciklični
iklič i pentapeptidi;
idi
hepatotoksini, inhibitori proteinfosfataza, narušavaju celovitost
membrane i provodljivost, promoteri
tumora, karcinogeni
guanidni alkaloidi;
izazivaju nekrotične povrede jetre
(t k đ b
(takođe
bubrega,
b
slezine,
l i
pluća,
l ć
creva), inhibitori sinteze proteina,
genotoksični
Toksični rodovi
Microcystis, Anabaena,
Nostoc,
Aphanizomenon,
Anabaenopsis
Anabaenopsis,
Planktothrix,
Oscillatoria,
Hapalosiphon
N d l i Theonella
Nodularia,
Th
ll
(sunđer koji sadrži
cijanobakterijske
simbionte)
Cylindrospermopsis,
Aphanizomenon,
U
Umezakia,
ki Anabaena,
A b
Raphidiopsis
Broj
Toksin
strukturnih
varijanti
NEUROTOKSINI
5
Anatoksin-a
(uključujući
homoanatoksin-a)
Anatoksin-a
(s)
Saksitoksini
1
20
Struktura i aktivnost
alkaloidi;
postsinaptički, depolarizirajući
neuromuskulatorni blokatori
estar guanidin metil fosfata;
inhibitor acetilholinesteraze
karbamat alkaloidi;
blokatori natrijumovih kanala
DERMATOTOKSINI I CITOTOKSINI
1
alkaloidi;
Lingbiainflamatorni agensi, aktivatori protein
toksin-a
kinaze C
2
alkaloidi;
Aplaziainflamatorni agensi, aktivatori protein
toksini
kinaze C
ENDOTOKSINI
nekoliko
lipopolisaharidi;
Lipopoliinflamatorni agensi, gastrointestinalni
saharidi
iritanti
Toksični rodovi
Anabaena, Oscillatoria,
Phormidium,
Aphanizomenon,
Rhaphidiopsis
Anabaena
Aphanizomenon,
Aphanizomenon
Anabaena, Lyngbya,
Planktothrix,
Cylindrospermopsis
Lyngbya, Schizothrix,
Oscillatoria
Lyngbya, Schizothrix,
Lyngbya
Schizothrix
Oscillatoria
svi
Cijanotoksini i njihova akutna toksičnost (WHO, 1998)
Cijanotoksin
Hepatotoksini
Mikrocistin-LR
Mikrocistin-YR
Mikrocistin
YR
Mikrocistin-RR
Nodularin
N
Neurotoksini
t k i i
Anatoksin-a (alkaloid)
Anatoksin-a (organofosfat)
Saksitoksini
Citotoksini
Cilindrospermopsin
LD50 čistog toksina
45-1000 μg/kg
60 (25-125) μg/kg
70 μg/kg
300-600 μg/kg
30-50 μg/kg
250 μg/kg
40 μg/kg
10-30 μg/kg
200 μg/kg/ posle 5
5-6d
6d
Internacionalna agencija za istraživanje kancera (IARC) toksin
MCYST-LR
MCYST
LR klasifikuje u 2B grupu supstanci (moguće karcinogene
supstance za čoveka)
Procentualna zastupljenost toksičnih cijanobakterija u
uzorcima vode
Zemlja
Broj analiziranih % uzoraka sa toksičnim
uzoraka
cijanobakterijama
Engleska
78
70
Finska
188
44
Holandija
29
79
Mađarska
35
82
Nemačka
80
90
Danska
96
72
Najveće detektovane (HPLC metoda) koncentracije
cijanotoksina u vodenim sredinama sa cvetanjem
Toksin
Koncentracija
Lokalitet
(μgg-1 suve mase)
mikrocistin
7.300
Kina i Portugalija
nodularin
18.000
Baltičko more
cilindrospermopsin
5.500
Australija
anatoksin-a
4.400
Finska
saksitoksin
3 300
3.300
Australija
anatoksin a (s)
3.300
SAD
Analitičke metode za detekciju cijanotoksina (Boyer i Dyble, 2007)
Opšte (lumpers) metode
MIKROCISTINI
bioeseji (npr. miševi, A. salina)
PPIA
ELISA
CILINDROSPERMOPSIN
bioeseji
ELISA
ANATOKSIN-A
bioeseji
ELISA
PST toksini
k i i
bioeseji
ELISA
Posebne (splitters) metode
HPLC-PDA
LC-MS (/MS)
HPLC-PDA
LCMS
HPLC-FD
LC-MS
HPLC-FD
LC-MS
komercijalni standardi cilindrospermopsina, nekih mikrocistina,
nodularina, anatoxin-a, i saksitoksina
HRA-Procena zdravstvenog rizika (Health Risk Assessment) razvijen
je od strane Američke Nacionalne naučne akademije, a prihvaćen je i
primenjen i u Australiji
1. Identifikacija opasnosti – podrazumeva procenu za cijanobakterije da izazivaju po zdravlje negativne efekte i određivanje nivoa
ćelija i toksina prisutnih u vodi;
2. Izlaganje riziku – podrazumeva određivanje mogućnosti i načina
izlaganja ljudi kontaminiranoj vodi;
3. Rizične doze – kada su vode za rekreaciju i pijaće vode u pitanju
ne postoje standardi za većinu cijanobakterijskih vrsta i njihovih toksina, što predstavlja otežavajuću okolnost u proceni zdravstvenog
rizika. Procena rizičnih doza je posebno korisna u određivanju najvišeg nivoa izlaganja pri kojem se ne javljaju po zdravlje negativni
efekti (kao što to čini npr. direktiva No Observable Effect LevelNOEL);
4. Karakterizacija rizika – ukoliko rezultati monitoringa prevazilaze
vrednosti date direktivom onda postoji povećan rizik za pojavu po
zdravlje negativnih efekata.
Šema procena
zdravstvenog rizika
po HRA (p
p
(preuzeto
iz Australian
Drinking Water
Guidelineswww.nhmrc.health.
gov.au/pdfcover/wat
er.htm)
Rezime WHO direktive za cijanobakterije u vodama namenjenim za
vodosnabdevanje (modifikovano Chorus i Bartram,1999)
Nivo
upozorenja
opreznost
(opasnost niskog
stepena)
1
Stanje – gustina
Aktivnosti
algalnih ćelija
200 ćelija
*necvetajući
necvetajući uslovi,
uslovi cijanobakterije se detektuju u malom broju,
broju
cijanobakte-rija nedeljni monitoring
ml-1
2.000 cijano- *trend kretanja ka povećanom broju ili održavanju srednjeg
(opasnost
bakterijskih
broja cijanobakterija
srednjeg
j g
ćelija
j ml-1 ili
*voda može biti neupotrebljiva
p
j
za p
piće bez p
predhodne obrade
stepena)
1 μgL-1 hloro- *u izvorima za vodosnabdevanje uvodi se testiranje toksina,
fila a sa
naročito ukoliko su u uzorku najdominantnije poznate toksične
dominacijom vrste - ponavljati nedeljno analize
cijanobakterija *nizak rizik za iritaciju kože i gastrointestinalne probleme kroz
kontakt tokom aktivnosti u vodi (p
(plivanje
j i dr.))
*kontinuirano nedeljno određivanje brojnosti cijanobakterija i
davanje izveštaja javnosti
nastavak
Nivo
upozorenja
j
2
Stanje – gustina
Aktivnosti
algalnih ćelija
100.000
*stalno visok broj potencijalno toksičnih
(opasnost cijanobakte- cijanobakterija u vodi i/ili vidljivo lokalizovane
visokog
stepena)
rijskih ćelija formirane nakupine
ml-1 ili
50 μgL
L-11
hlorofila a sa
dominacijom
cijanobakterija
*voda može biti neupotrebljiva za piće bez
predhodnog odgovarajućeg tretmana
*uvodi se testiranje toksina i/ili vrši se nedeljno
* k lik je
*ukoliko
j moguće
ć zameniti
iti izvor
i
snabdevanja
bd
j
vodom
*nedeljno
nedeljno uzimanje uzoraka i određivanje broja
cijanobakterija
*povećan rizik od negativnih po zdravlje efekata
kroz kontakt tokom aktivnosti u vodi
*šire medijsko izveštavanje javnosti
UMESTO ZAKLJUČKA:
Hvala na pažnji!!
Download

Toksini u vodi, dr Siniša Markov