Кіріспе

Цианобактериялар өндіретін токсиндер – цианотоксиндер, цианобактериялар (көк-жасыл балдырлар деп те аталады) өндіретін токсиндер. Цианобактериялар дерлік барлық жерде кездеседі, бірақ көбінесе көлдерде және мұхиттарда, әсіресе жоғары фосфор концентрациясы кезінде экспоненциалды түрде көбейіп, гүлдену құрайды. Гүлдеген цианобактериялар цианотоксиндерді жануарлар мен адамдарды уландыратын, тіпті өлтіре алатын мөлшерде шығарады. Цианотоксиндер балық және моллюска сияқты басқа жануарларда жиналып, балыққұйрық улануы сияқты улануларға әкелуі мүмкін. Табиғаттағы ең күшті уларлардың бірі – цианотоксиндер. Оларға күшті нейротоксиндер, гепатоксиндер, цитотоксиндер және эндотоксиндер жатады. Атымен ұқсас болғанымен, олар цианидтермен байланысты емес. Цианобактерияларға ұшырау асқазан-ішек симптомдарына немесе аллергиялық мұрынның қабынуына, қышымалы тері бөртпесіне әкелуі мүмкін. Цианобактериялық нейротоксин BMAA әсері миотрофикалық бүйірлік склероз (АЛС), Паркинсон ауруы және Альцгеймер ауруы сияқты нейродегенеративті аурулардың қоршаған ортадағы себебі болуы мүмкін. Сондай-ақ, цианотоксиндер сияқты биологиялық нейротоксиндердің әскери әлеуетіне қызығушылық бар, олар "жарақты қару ретінде қолдануға үміткер ретінде маңыздылығын арттырып келеді". Көк-жасыл балдырлар немесе цианобактериялардың өлімге әкелуі мүмкін екені туралы алғашқы жарияланған хабарлама 1878 жылы "Табиғат" журналында жарияланды. Джордж Френсис Австралиядағы Мюррей өзенінің сағасында байқаған балдырлардың гүлденуін "екі-алты сантиметрге дейін қалың, жасыл май бояуы сияқты қоюлаған қабат" деп сипаттады. Суды ішкен жануарлар тез және қатты өліп қалды. Микробалдырлар токсиндерінен уланудың көптеген жағдайлары тұщы су ортасында тіркелді және олар жиірек және кеңірек таралуда. Мысалы, АҚШ-тың орталық батысында ластанған суды ішкен мыңдаған үйректер мен қаздар өліп қалды. 2010 жылы алғаш рет теңіз сүтқоректілері цианотоксиндерді жұтқаннан кейін өлгені туралы хабарланды. Олар шамамен 3,5 миллиард жыл бұрын Жер бетінде пайда болған. Олар табиғатта кеңінен таралған және шөлдерден бастап ыстық бұлақтар мен мұздай суларға дейінгі әртүрлі экологиялық орталарда өркендейді. Цианобактериялардың көпшілігі азық-түлік, фармацевтика, косметика, ауыл шаруашылығы және энергетика салаларында қолданылатын көптеген екінші реттік табиғи өнімдердің маңызды көзі болып табылады. Сонымен қатар, кейбір цианобактериялардың түрлері қарқынды өсіп, белгілі бір экожүйелерде биомассасы мен өнімділігі бойынша басым микрофлораны құрайды. Кейбір цианобактериялардың шамадан тыс өсуіне байланысты гүлденуі және уытты қосылыстардың өндірілуі бүкіл әлемдегі көптеген эвтрофтық және гипертрофтық көлдерде, тоғандарда және өзендерде байқалды. Цианотоксиндер химиялық сигнал беруге де қатысуы мүмкін және көбінесе көк/жасыл спектрдегі кез келген түске ие. Цианобактериялар көбінесе көк-жасыл балдырлар деп аталады. Дәстүрлі түрде олар балдырлардың бір түрі деп есептелді және ескі оқулықтарда осылай келтірілген. Алайда, қазіргі заманғы дереккөздер бұл көзқарасты ескірген деп санайды; олар қазір бактериялармен тығыз байланысты деп есептеледі және нағыз балдырлар термині эукариотты организмдермен шектеледі. Нағыз балдырлар сияқты, цианобактериялар фотосинтез жасайды және фотосинтез пигменттерін қамтиды, сондықтан олар көбінесе жасыл немесе көк түсті болады. Цианобактериялар мұхиттарда, көлдерде, өзендерде және құрлықта барлық жерде кездеседі. Олар Арктика мен Антарктика көлдерінде, ыстық бұлақтарда және сарқырамаларды тазарту қондырғыларында гүлдейді. Олар тіпті ақ аюдың терісіне еніп, оған жасыл түс береді. Цианобактериялар күшті токсиндерді өндіреді, бірақ сонымен қатар ісікке қарсы, вирусқа қарсы, антибиотикалық және саңырауқұлаққа қарсы белсенділіктері бар заттарды, сондай-ақ УФ-сәуледен қорғайтын және ферменттердің белгілі бір ингибиторларын қамтитын пайдалы биоактивті қосылыстарды да өндіреді. Цианотоксиндер көбінесе "қызыл су" немесе зиянды балдырлар гүлденуі деп аталатын құбылыстарға қатысты. Көлдер мен мұхиттарда фитопланктон деп аталатын көптеген бір жасушалы организмдер бар. Белгілі бір жағдайларда, әсіресе қоректік заттардың концентрациясы жоғары болғанда, бұл организмдер экспоненциалды түрде көбейеді. Нәтижесінде фитопланктонның тығыз жиынтығы балдырлар гүлденуі деп аталады; олар жүз шақырымнан аса алады және спутниктен оңай көрінеді. Фитопланктонның жеке түрлері көбінесе бірнеше күннен артық өмір сүре алмайды, бірақ гүлденулер апталар бойы созылуы мүмкін. Бұл гүлденулердің кейбіреуі зиянсыз болса, ал кейбіреулері зиянды балдырлар гүлденуіне (HAB) жатады. HAB құрамында балық өліміне әкелетін және адамдар үшін де қауіпті токсиндер немесе патогендер болуы мүмкін, бірақ басқа балдырлардың түрлері де HAB тудыруы мүмкін (диатомдар, флагелляттар, гаптофиттер және рафидофиттер). Теңіз динофлагелляттары көбінесе уытты болады, бірақ тұщы су түрлері уытты емес. Диатомдар да адамдарға зиянды емес. 1991 жылы зиянды цианобактерия гүлденуі Австралиядағы Дарлинг Барвон өзенінің 1000 км-ін қамтыды, бұл 10 миллион АУД экономикалық шығынға әкелді.

Химиялық құрылысы

Цианотоксиндер көбінесе жүйке жүйесіне (нейротоксиндер), бауырға (гепатоксиндер) немесе теріге (дерматоксиндер) зиян келтіреді.

Циклдік пептидтер

Пептид – пептидтік байланыстар арқылы байланысқан аминқышқылдарының қысқа полимері. Олардың химиялық құрылымы ақуыздарға ұқсас, бірақ олардан қысқарақ. Циклдік пептидте екі ұшы қосылып, тұрақты сақина тәрізді тізбек құрайды. Сүтқоректілерде осы тұрақтылық оларды ас қорыту процесіне қарсы тұруға мүмкіндік береді және бауырда биоаккумуляцияға түседі. Барлық цианотоксиндердің ішінде адам денсаулығы үшін ең қауіптісі – циклдік пептидтер. Микроцистиндер мен нодулариндер бауырды улайды, ал жоғары дозаға ұшырау өлімге алып келуі мүмкін. Ішу суындағы төмен дозаға ұзақ уақыт бойы тозу бауыр және басқа да ісіктердің пайда болуына ықпал етуі мүмкін. Микроцистинді қамтитын гүлдеулер тұщы су экожүйелерінде бүкіл әлемде проблема тудырады. Микроцистиндер циклдік пептидтер болып табылады және өсімдіктер мен жануарлар, соның ішінде адамдар үшін өте улы болуы мүмкін. Олар балықтардың бауырында, мидиялардың гепатопанкреасында және зоопланктонның денесінде жиналады. Олар гепатотоксикалық және адам бауырына ауыр зақым келтіруі мүмкін.

Нодулариндер

Бірінші анықталған нодуларин түрі – Nodularia spumigena цианобактериясы өндіретін нодуларин R болды. Бұл цианобактерия әлемнің әртүрлі су қоймаларында гүлдейді. Балтық теңізінде Nodularia spumigena теңіз гүлдеуі әлемдегі ең ірі цианобактериялық жаппай құбылыстардың бірі болып табылады. (Тоғыз индустриалды елдің аймақтары Балтық теңізіне құяды, ол Солтүстік теңіз және Атлант мұхитымен су алмасуы шектеулі. Осының салдарынан, ол әлемдегі ең ластанған су объектілерінің бірі болып табылады – цианобактериялар үшін қоректік заттарға бай). Жалпы алғанда, тұщы және аралас сулардағы цианобактерия гүлдеуінде ең көп кездесетін токсиндер – нодуларин отбасының циклдік пептидтік токсиндері. Микроцистиндер сияқты (жоғарыда айтылғандай), нодуларин де күшті гепатотоксин болып табылады және бауырға ауыр зақым келтіруі мүмкін. Олар жабайы және үй жануарлары, сондай-ақ адамдар үшін денсаулыққа қауіпті, көптеген аймақтарда қауіпсіз ауыз сумен қамтамасыз етуге үлкен кедеріс келтіреді.

Анатоксин-а

1961 жылы Саскачеван қаласында (Канада) балдырлар гүлдеген көлден су ішкен сиырлардың өлуінен кейін анатоксин а-ны зерттеу басталды, ол "өте жылдам өлім факторы" деп те белгілі. Токсинді кем дегенде төрт түрлі цианобактерия туысы шығарады және ол Солтүстік Америкада, Еуропада, Африкада, Азияда және Жаңа Зеландияда кездеседі. Анатоксин а-ның уытты әсері өте тез дамиды, себебі ол жүйке жасушаларына (нейрондарға) тікелей әсер етеді. Анатоксинге ұшырағанда координацияның жоғалтылуы, дікілдеу, құрысулар және тыныс алу параличінен болатын жылдам өлім сияқты белгілер пайда болады. Бұлшықеттермен байланысатын жүйке тіндерінде никотиндік ацетилхолин рецепторы деп аталатын рецептор бар. Бұл рецепторларды стимуляциялау бұлшықеттердің жиырылуына себеп болады. Анатоксин а молекуласы осы рецепторға сәйкес келеді және осылайша рецептордың табиғи нейротрансмиттері – ацетилхолиннің орнына өтеді. Анатоксин а жиырылуды қозғағаннан кейін нейрондардың тынығу күйіне оралуына жол бермейді, өйткені ол осы функцияны орындайтын холинэстераза ферментімен ыдыратылмайды. Нәтижесінде бұлшықет жасушалары тұрақты түрде жиырылады, ми мен бұлшықеттер арасындағы байланыс бұзылады және тыныс алу тоқтатылады. Бұл токсин "өте жылдам өлім факторы" деп аталды, өйткені егештердің дене қуысына инъекция жасалғанда бірнеше минут ішінде дікілдеу, сал және өлімге әкелді. 1977 жылы VFDF құрылымы екінші, бициклдік амин алкалоиді екені анықталды және ол анатоксин а деп қайта аталды. Оның құрылысы кокаинге ұқсас. Анатоксин а демалыс және ішуге арналған суларға қауіпті болғандықтан және жүйке жүйесіндегі ацетилхолин рецепторларын зерттеу үшін пайдалы молекула болғандықтан оған қызығушылық жоғары. Токсиннің өлімге әкелетіндігі оның әскери қару ретінде қолдануға жоғары потенциалы бар екенін көрсетеді. Жұқпаның бастауы жергілікті ауыз сумен жабдықтауда Cylindrospermopsis raciborskii балдырының гүлдеуіне байланысты болды, ал токсин кейін анықталды. Токсинге жасалған талдау 1992 жылы ұсынылған химиялық құрылымға әкелді, ол 2000 жылы синтезденгеннен кейін қайта қарастырылды. Цилиндроспермопсиннің уытты және уытсыз бірнеше түрлері оқшауланды немесе синтезделді. Цилиндроспермопсин бауыр және бүйрек тіндеріне зиянды әсер етеді және ақуыз синтезін тежеп, ДНК және/немесе РНК молекулаларын өзгертеді деп саналады. Цилиндроспермопсиннің тұщы су организмдерінде жиналуына қатысты алаңдаушылықтар бар. Цилиндроспермопсин шығаратын туыстардың уытты гүлдеуі көбінесе тропикалық, субтропикалық және шөлейт аймақтардағы су қоймаларында кездеседі және соңғы кезде Австралияда, Еуропада, Израильде, Жапонияда және АҚШ-та табылған. Пуфер балықтары және кейбір теңіз динофлагелляттары да сакситоксин шығарады. Сакситоксиндер моллюскалар мен кейбір балықтарда жиналады. Улы балдырлар гүлдеуімен ластанған моллюскаларды жеу сакситоксинге байланысты параличтік улануға әкелуі мүмкін. Сакситоксин алғаш рет АҚШ әскерлерімен оқшауланды және сипатталды, олар оған "TZ" химиялық қару белгісін берді. Сакситоксин Химиялық қару туралы конвенцияның 1-кестесінде тізілген. "Шпиондық" кітабында айтылғандай, U-2 шпиондық ұшағының ұшқыштарына сакситоксин бар инелер берілген, егер қашып құтылу мүмкін болмаса, олар оны өз-өзіне қол жұмсау үшін пайдалануы керек болған.

Аэтоктонтоксин

Аэтоктонтоксин (қысқаша AETX) 2021 жылы вакуолярлық миелинопатияны (ВМ) тудыратын цианобактериялық нейротоксин ретінде табылды. Аэтоктонтоксиннің биосинтезі тұщы су жүйелеріндегі бромидтің болуына байланысты және токсин өндіретін цианобактерия – Аэтоктон гидрилликола мен оның эпифиттік өсетін қожалық өсімдіктері (ең маңыздысы – гидрилла) арасындағы өзара әрекеттесуді қажет етеді. Сондықтан, аэтоктонтоксинді ВМ-ді тудыратын токсин ретінде анықтауға, 1994 жылы аққабақ бүркіттерде бұл ауру алғаш рет диагностикаланғаннан кейін 25 жылдан астам уақыт кетті. Токсин азық тізбегі арқылы таралады: басқа жануарлармен қатар, ол гидрилламен отарланған цианобактериямен қоректенетін балықтар мен су құстарына (мысалы, сутастар мен үйректерге) әсер етеді. Аэтоктонтоксин осыған ұқсас ауруға шалдыққан жануарларды жеген аққабақ бүркіт сияқты жыртқыштарға беріледі. Вакуолярлық миелинопатия ми мен жұлынның ақ затында миелинді аксондардың кең таралған вакуолизациясымен (интрамиелиндік ісіну) сипатталады. Интоксикацияның клиникалық белгілері – қозғалыс функциясы мен көру қабілетінің күрт жоғалтуы. Ауруға шалдыққан құстар заттарға соқтығысып, жүзу, ұшу және жүру кезінде координацияны жоғалтады, бас дірілдейді және олардың реакциясы баяулайды. Токсиннің биоаккумуляцияланатыны көрсетілгендіктен, ол адам денсаулығына да қауіп төндіруі мүмкін деген алаңдаушылық бар.

BMAA

Бета-метиламино L аланин (BMAA) – протеиндік емес аминқышқылы, ол цианобактериялармен теңіз, тұщы су, аралас және құрлықта кеңінен өндіріледі. Нейрон жасушаларына BMAA-ның токсикалық әсер ету механизмі зерттелуде. Зерттеулер уланудың жедел және созылмалы механизмдері бар екенін көрсетеді. BMAA нейродегенеративті аурулардың, оның ішінде Амиотрофиялық Латеральдық Склероз (ALS), Паркинсон және Альцгеймер ауруларының потенциалдық қоршаған орта тәуекел факторы ретінде қарастырылуда.