Цианотоксины: опасность сине-зеленых водорослей.

Введение

Токсины, вырабатываемые цианобактериями

Цианотоксины – это токсины, производимые цианобактериями (также известными как сине-зеленые водоросли). Цианобактерии встречаются практически повсеместно, особенно в озерах и океане, где при высокой концентрации фосфора они размножаются экспоненциально, образуя вспышки размножения. Цианобактерии, активно размножающиеся, могут производить цианотоксины в таких концентрациях, что они способны отравлять и даже убивать животных и людей. Цианотоксины также могут накапливаться в других животных, таких как рыба и моллюски, вызывая отравления, например, отравление моллюсками. Некоторые из самых мощных природных ядов, известных науке, – это цианотоксины. Они включают в себя сильнодействующие нейротоксины, гепатотоксины, цитотоксины и эндотоксины. Несмотря на схожесть названий, они не связаны с цианидами. Воздействие цианобактерий может вызывать симптомы со стороны желудочно-кишечного тракта, симптомы сенной лихорадки или зудящие кожные высыпания. Воздействие нейротоксина цианобактерий BMAA может быть экологической причиной развития нейродегенеративных заболеваний, таких как амиотрофический латеральный склероз (АЛС), болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Существует также интерес к военному потенциалу биологических нейротоксинов, таких как цианотоксины, которые "приобретают все большее значение как потенциальные кандидаты для создания оружия". Первая опубликованная информация о том, что сине-зеленые водоросли или цианобактерии могут оказывать смертельное воздействие, появилась в журнале Nature в 1878 году. Джордж Фрэнсис описал вспышку размножения водорослей, которую он наблюдал в устье реки Мюррей в Австралии, как "густую пленку, похожую на зеленую масляную краску, толщиной от двух до шести дюймов". Дикие животные, пившие эту воду, быстро и мучительно погибали. Большинство зарегистрированных случаев отравления микроводорослями происходило в пресноводных средах и становятся все более распространенными. Например, тысячи уток и гусей погибли от питья загрязненной воды в Среднем Западе Соединенных Штатов. В 2010 году впервые было зарегистрировано, что морские млекопитающие погибли от проглатывания цианотоксинов. Предполагается, что цианобактерии появились на Земле около 3,5 миллиардов лет назад. Они широко распространены в природе и процветают в различных экологических нишах, от пустынь до горячих источников и ледяной воды. Большинство цианобактерий являются огромным источником множества вторичных природных продуктов, которые находят применение в пищевой, фармацевтической, косметической, сельскохозяйственной и энергетической отраслях. Кроме того, некоторые виды цианобактерий активно растут и формируют доминирующую микрофлору с точки зрения их биомассы и продуктивности в определенных экосистемах. Описаны случаи образования вспышек размножения из-за чрезмерного роста определенных цианобактерий, сопровождающегося производством токсичных соединений, во многих эвтрофических и гипертрофических озерах, прудах и реках по всему миру. Цианотоксины также могут участвовать в химической сигнализации и обычно обозначают любой из ряда цветов в сине-зеленом диапазоне спектра. Цианобактерии обычно называют сине-зелеными водорослями. Традиционно их считали формой водорослей и описывали их как таковые в старых учебниках. Однако современные источники склонны считать это устаревшим; теперь они рассматриваются как более близкие к бактериям, а термин "истинные водоросли" ограничивается эукариотическими организмами. Как и настоящие водоросли, цианобактерии фотосинтезируют и содержат фотосинтетические пигменты, поэтому они обычно зеленые или синие. Цианобактерии встречаются практически везде: в океанах, озерах и реках, а также на суше. Они процветают в арктических и антарктических озерах, горячих источниках и очистных сооружениях. Они даже обитают в шерсти белых медведей, придавая ей зеленоватый оттенок. Цианобактерии производят мощные токсины, но также производят полезные биоактивные соединения, включая вещества с противоопухолевой, противовирусной, противораковой, антибиотической и противогрибковой активностью, УФ-защитные вещества и специфические ингибиторы ферментов. Цианотоксины часто связаны с так называемыми "красными приливами" или вредными цветами водорослей. В озерах и океанах обитает множество одноклеточных организмов, называемых фитопланктоном. При определенных условиях, особенно при высокой концентрации питательных веществ, эти организмы размножаются экспоненциально. Получившаяся плотная масса фитопланктона называется вспышкой размножения водорослей; они могут покрывать сотни квадратных километров и хорошо видны на спутниковых снимках. Отдельные представители фитопланктона редко живут более нескольких дней, но вспышки размножения могут длиться неделями. Хотя некоторые из этих вспышек безвредны, другие относятся к категории вредных цветений водорослей, или ВЦВ. ВЦВ могут содержать токсины или патогены, которые приводят к гибели рыбы и также могут быть смертельными для людей, хотя виды других групп водорослей также могут вызывать ВЦВ (диатомовые, жгутиковые, хаптофиты и рафидофиты). Морские динофлагелляты часто токсичны, но пресноводные виды не известны как токсичные. Диатомовые водоросли также не известны как токсичные, по крайней мере, для человека. В 1991 году вредная вспышка цианобактерий затронула 1000 км реки Дарлинг-Барвон в Австралии, что привело к экономическим потерям в размере 10 миллионов австралийских долларов.

Cyanotoxins are toxins produced by cyanobacteria (also known as blue green algae). Cyanobacteria are found almost everywhere, but particularly in lakes and in the ocean where, under high concentration of phosphorus conditions, they reproduce exponentially to form blooms. Blooming cyanobacteria can produce cyanotoxins in such concentrations that they can poison and even kill animals and humans. Cyanotoxins can also accumulate in other animals such as fish and shellfish, and cause poisonings such as shellfish poisoning. Some of the most powerful natural poisons known are cyanotoxins. They include potent neurotoxins, hepatotoxins, cytotoxins, and endotoxins. Despite the similarity in name, they are unrelated to cyanides. Exposure to cyanobacteria can result in gastro intestinal and hayfever symptoms or pruritic skin rashes. Exposure to the cyanobacteria neurotoxin BMAA may be an environmental cause of neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Parkinson's disease, and Alzheimer's disease. There is also an interest in the military potential of biological neurotoxins such as cyanotoxins, which "have gained increasing significance as potential candidates for weaponization." The first published report that blue green algae or cyanobacteria could have lethal effects appeared in Nature in 1878. George Francis described the algal bloom he observed in the estuary of the Murray River in Australia, as "a thick scum like green oil paint, some two to six inches thick." Wildlife which drank the water died rapidly and terribly. Most reported incidents of poisoning by microalgal toxins have occurred in freshwater environments, and they are becoming more common and widespread. For example, thousands of ducks and geese died drinking contaminated water in the midwestern United States. In 2010, for the first time, marine mammals were reported to have died from ingesting cyanotoxins. and possibly appeared on the Earth about 3.5 billion years ago. They are ubiquitous in nature and thrive in a variety of ecological niches ranging from desert to hot springs and ice cold water. Most cyanobacteria are an immense source of several secondary natural products with applications in the food, pharmaceuticals, cosmetics, agriculture, and energy sectors. Moreover, some species of cyanobacteria grow vigorously and form a dominant microflora in terms of their biomass and productivity in specific ecosystems. Bloom formations due to excessive growth of certain cyanobacteria followed by the production of toxic compounds have been reported in many eutrophic to hypertrophic lakes, ponds, and rivers throughout the world. Cyanotoxins may also take part in chemical signalling. and usually indicates any of a number of colours in the blue/green range of the spectrum. Cyanobacteria are commonly referred to as blue green algae. Traditionally they were thought of as a form of algae, and were introduced as such in older textbooks. However modern sources tend to regard this as outdated; they are now considered to be more closely related to bacteria, and the term for true algae is restricted to eukaryotic organisms. Like true algae, cyanobacteria are photosynthetic and contain photosynthetic pigments, which is why they are usually green or blue. Cyanobacteria are found almost everywhere; in oceans, lakes and rivers as well as on land. They flourish in Arctic and Antarctic lakes, hotsprings and wastewater treatment plants. They even inhabit the fur of polar bears, to which they impart a greenish tinge. Cyanobacteria produce potent toxins, but they also produce helpful bioactive compounds, including substances with antitumour, antiviral, anticancer, antibiotic and antifungal activity, UV protectants and specific inhibitors of enzymes.]] Cyanotoxins are often implicated in what are commonly called red tides or harmful algal blooms. Lakes and oceans contain many single celled organisms called phytoplankton. Under certain conditions, particularly when nutrient concentrations are high, these organisms reproduce exponentially. The resulting dense swarm of phytoplankton is called an algal bloom; these can cover hundreds of square kilometres and can be easily seen in satellite images. Individual phytoplankton rarely live more than a few days, but blooms can last weeks. While some of these blooms are harmless, others fall into the category of harmful algal blooms, or HABs. HABs can contain toxins or pathogens which result in fish kill and can also be fatal to humans. though species of other algae taxa can also cause HABs (diatoms, flagellates, haptophytes and raphidophytes). Marine dinoflagellate species are often toxic, but freshwater species are not known to be toxic. Neither are diatoms known to be toxic, at least to humans. In 1991 a harmful cyanobacterial bloom affected 1,000 km of the Darling Barwon River in Australia at an economic cost of $10M AUD.

Химическая структура

Цианотоксины обычно поражают нервную систему (нейротоксины), печень (гепатотоксины) или кожу (дерматотоксины).

Пептиды циклические

Пептид – это короткий полимер аминокислот, соединенных пептидными связями. Они имеют ту же химическую структуру, что и белки, но короче. В циклическом пептиде концы соединяются, образуя стабильное кольцо. У млекопитающих эта стабильность делает их устойчивыми к перевариванию и позволяет им накапливаться в печени. Среди всех цианотоксинов наибольшую опасность для здоровья человека представляют циклические пептиды. Микроцистины и нодулярины отравляют печень, а воздействие высоких доз может привести к летальному исходу. Длительное воздействие низких доз в питьевой воде может способствовать развитию опухолей печени и других новообразований. Цветение воды, содержащее микроцистины, является глобальной проблемой для пресноводных экосистем. Микроцистины – это циклические пептиды, которые могут быть очень токсичны для растений, животных, включая человека. Они накапливаются в печени рыб, в гепатопанкреасе моллюсков и в зоопланктоне. Они гепатотоксичны и могут вызывать серьезные повреждения печени у людей.

Нодуларины

Первым идентифицированным вариантом нодуларина был нодуларин R, вырабатываемый цианобактерией Nodularia spumigena. Эта цианобактерия образует цветение в водоемах по всему миру. В Балтийском море морские цветения Nodularia spumigena являются одними из самых масштабных явлений массового размножения цианобактерий в мире. (В Балтийское море впадают реки из девяти индустриально развитых стран, и оно имеет ограниченный водообмен с Северным морем и Атлантическим океаном. В результате это один из наиболее загрязненных водоемов в мире, богатый питательными веществами с точки зрения цианобактерий.) В глобальном масштабе наиболее распространенными токсинами, обнаруживаемыми в цветениях цианобактерий в пресных и солоноватых водах, являются циклические пептидные токсины семейства нодуларин. Подобно микроцистинам (упомянутым выше), нодуларины – это мощные гепатотоксины, способные вызывать серьезные повреждения печени. Они представляют опасность для здоровья диких и домашних животных, а также человека и во многих регионах создают значительные трудности для обеспечения безопасного водоснабжения.

Анатоксин-а

Исследования анатоксина А, также известного как "фактор очень быстрой смерти", начались в 1961 году после гибели коров, пивших воду из озера, в котором наблюдалось цветение водорослей в Саскачеване, Канада. Токсин продуцируется как минимум четырьмя различными родами цианобактерий и был зарегистрирован в Северной Америке, Европе, Африке, Азии и Новой Зеландии. Токсическое действие анатоксина А развивается очень быстро, поскольку он напрямую воздействует на нервные клетки (нейроны) как нейротоксин. Прогрессирующие симптомы отравления анатоксином А включают потерю координации, тремор, судороги и быструю смерть от паралича дыхания. Нервная ткань, взаимодействующая с мышцами, содержит рецептор, называемый никотиновым ацетилхолиновым рецептором. Стимуляция этих рецепторов вызывает сокращение мышц. Молекула анатоксина А имеет форму, позволяющую ей связываться с этим рецептором, и таким образом имитирует естественный нейромедиатор, обычно используемый рецептором – ацетилхолин. После того, как анатоксин А вызвал сокращение, он не позволяет нейронам вернуться в исходное состояние, поскольку не расщепляется холинэстеразой, которая обычно выполняет эту функцию. В результате мышечные клетки остаются в состоянии постоянного сокращения, нарушается связь между мозгом и мышцами, и дыхание останавливается. Токсин был назван "фактором очень быстрой смерти", поскольку вызывал тремор, паралич и смерть в течение нескольких минут при введении в брюшную полость мышей. В 1977 году структура VFDF была установлена как вторичный бициклический аминовый алкалоид, и он был переименован в анатоксин А. По своей структуре он схож с кокаином. Анатоксин А продолжает представлять интерес из-за опасности, которую он представляет для рекреационных и питьевых водоемов, а также потому, что это особенно полезная молекула для изучения ацетилхолиновых рецепторов в нервной системе. Высокая токсичность этого вещества обуславливает его потенциальное применение в качестве токсического оружия. Вспышка была связана с цветением Cylindrospermopsis raciborskii в местном водоснабжении, и впоследствии токсин был идентифицирован. Анализ токсина привел к предложению химической структуры в 1992 году, которая была пересмотрена после успешного синтеза в 2000 году. Было выделено или синтезировано несколько вариантов цилиндроспермопсина, как токсичных, так и нетоксичных. Цилиндроспермопсин токсичен для тканей печени и почек и предположительно ингибирует синтез белков, а также ковалентно модифицирует ДНК и/или РНК. Вызывает опасения способность цилиндроспермопсина к биоаккумуляции в организмах пресных вод. Токсичные вспытия родов, продуцирующих цилиндроспермопсин, чаще всего встречаются в водоемах тропических, субтропических и засушливых зон, и в последнее время были обнаружены в Австралии, Европе, Израиле, Японии и США. Сакситоксин также продуцируется рыбами фугу и некоторыми морскими динофлагеллятами. Сакситоксины биоаккумулируются в моллюсках и некоторых видах рыб. Употребление сакситоксина, обычно через моллюсков, зараженных токсичными водорослями, может привести к паралитическому отравлению моллюсками. Сакситоксин был впервые выделен и описан военными США, которые присвоили ему обозначение химического оружия "TZ". Сакситоксин включен в первый список Конвенции о запрещении химического оружия. Согласно книге "Spycraft", пилотам самолетов-разведчиков U-2 предоставлялись иглы, содержащие сакситоксин, для использования в случае самоубийства, если побег был невозможен.

Investigations into anatoxin a, also known as "Very Fast Death Factor", began in 1961 following the deaths of cows that drank from a lake containing an algal bloom in Saskatchewan, Canada. The toxin is produced by at least four different genera of cyanobacteria and has been reported in North America, Europe, Africa, Asia, and New Zealand. Toxic effects from anatoxin a progress very rapidly because it acts directly on the nerve cells (neurons) as a neurotoxin. The progressive symptoms of anatoxin a exposure are loss of coordination, twitching, convulsions and rapid death by respiratory paralysis. The nerve tissues which communicate with muscles contain a receptor called the nicotinic acetylcholine receptor. Stimulation of these receptors causes a muscular contraction. The anatoxin a molecule is shaped so it fits this receptor, and in this way it mimics the natural neurotransmitter normally used by the receptor, acetylcholine. Once it has triggered a contraction, anatoxin a does not allow the neurons to return to their resting state, because it is not degraded by cholinesterase which normally performs this function. As a result, the muscle cells contract permanently, the communication between the brain and the muscles is disrupted and breathing stops. The toxin was called the Very Fast Death Factor because it induced tremors, paralysis and death within a few minutes when injected into the body cavity of mice. In 1977, the structure of VFDF was determined as a secondary, bicyclic amine alkaloid, and it was renamed anatoxin a. Structurally, it is similar to cocaine. There is continued interest in anatoxin a because of the dangers it presents to recreational and drinking waters, and because it is a particularly useful molecule for investigating acetylcholine receptors in the nervous system. The deadliness of the toxin means that it has a high military potential as a toxin weapon. The outbreak was traced back to a bloom of Cylindrospermopsis raciborskii in the local drinking water supply, and the toxin was subsequently identified. Analysis of the toxin led to a proposed chemical structure in 1992, which was revised after synthesis was achieved in 2000. Several variants of cylindrospermopsin, both toxic and non toxic, have been isolated or synthesised. Cylindrospermopsin is toxic to liver and kidney tissue and is thought to inhibit protein synthesis and to covalently modify DNA and/or RNA. There is concern about the way cylindrospermopsin bioaccumulates in freshwater organisms. Toxic blooms of genera which produce cylindrospermopsin are most commonly found in tropical, subtropical and arid zone water bodies, and have recently been found in Australia, Europe, Israel, Japan and the USA. Puffer fish and some marine dinoflagellates also produce saxitoxin. Saxitoxins bioaccumulate in shellfish and certain finfish. Ingestion of saxitoxin, usually through shellfish contaminated by toxic algal blooms, can result in paralytic shellfish poisoning. Saxitoxin was originally isolated and described by the United States military, who assigned it the chemical weapon designation "TZ". Saxitoxin is listed in schedule 1 of the Chemical Weapons Convention. According to the book Spycraft, U 2 spyplane pilots were provided with needles containing saxitoxin to be used for suicide in the event escape was impossible.

Аэтоктонтоксин

Аэтоктонтоксин (сокращенно AETX) был обнаружен в 2021 году как цианобактериальный нейротоксин, вызывающий вакуолярную миелинопатию (ВМ). Поскольку биосинтез аэтоктонтоксина зависит от доступности бромида в пресноводных экосистемах и требует взаимодействия между продуцирующей токсин цианобактерией Aetokthonos hydrillicola и растением-хозяином, на котором она эпифитно растет (прежде всего, гидрилла), потребовалось более 25 лет, чтобы установить аэтоктонтоксин как токсин, вызывающий ВМ, после того как заболевание было впервые диагностировано у лысых орланов в 1994 году. Токсин распространяется по пищевой цепи: он поражает, среди прочих, рыб и водоплавающих птиц, таких как лысухи и утки, питающихся гидрилой, колонизированной цианобактерией. Аэтоктонтоксин передается хищным птицам, таким как лысый орлан, которые охотятся на этих пораженных животных. Вакуолярная миелинопатия характеризуется обширной вакуолизацией миелинизированных аксонов (интрамиелиническим отеком) в белом веществе головного и спинного мозга. Клинические признаки интоксикации включают в себя серьезную потерю двигательных функций и зрения. Пораженные птицы врезаются в предметы, теряют координацию при плавании, полете и ходьбе, развивают тремор головы и становятся невосприимчивыми к раздражителям. В связи с тем, что токсин биоаккумулируется, существует опасение, что он может представлять угрозу и для здоровья человека.

BMAA

Непротеиногенная аминокислота бета-метиламино-L-аланин (BMAA) повсеместно производится цианобактериями в морской, пресноводной, солоноватой и наземной среде. Точные механизмы токсичности BMAA для нейронных клеток находятся в стадии изучения. Исследования указывают на существование как острых, так и хронических механизмов токсичности. BMAA исследуется как потенциальный экологический фактор риска развития нейродегенеративных заболеваний, включая боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.