Riva, M. Carme

Revistes Catalanes amb Accés Obert

TOXINES CIANOBACTERIALS. PART II :
FACTORS AMBIENTALS DECISIUS EN
LA PRODUCCIO I L'ESTABILITAT DE
LES MICROCISTINES
Maria del Carme Riva, Laboratori de Toxicologia Ambiental (INTEXTER, UPC),
Els factors ambientals , tant fisics com qui-
mics, son decisius en el creixement i en la pro-
duccio dels cianobacteris . Aixo implica que les
cianotoxines , i entre elles les microcistines, esti-
guin tambe influ'ides pets factors que envolten
(' habitat dels cianobacteris.
Segons la revisio feta per Christoffersen el
1996 [1] es coneix que a partir de mostres de blo-
oms tbxics naturals recollides a vint Ilocs dife-
rents d'ambdos hemisferis , les concentracions de
toxines varien entre 3 i 8.600 ug/g de pes sec de
cianobacteri . La diferencia en el rang de concen-
tracions es prou elevada, i per aixo es dedueix que
son molts els factors que influeixen en els nivells
de concentracions.
pics de produccio de biomassa cianobacterial, segons
un estudi fet en un Ilac de Dinamarca [1]. La toxicitat
dels cianobacteris varia per setmanes i per anys, i es
conclou que encara no es coneixen les influencies
que aquests factors poden tenir sobre la produccio de
les cianotoxines.
D'altra banda, moltes vegades s'han donat casos
de trencaments de blooms, a causa d'un descens de
la radiacio solar o d'una desestabilitzacio de la colum-
na d'aigua, cosa que ha permes que la toxina sigui
alliberada dins I'aigua. Hi ha poques referencies sobre
concentracions de toxines dins I'aigua, pero en alguns
estudis es parla de concentracions superiors als 19
ug/I [1].
Els factors fisicoquimics que, en general, contro-
len els blooms dels cianobacteris es mostren a la
taula 1 [1].
Molts dels afloraments d'algues o blooms han
estat detectats durant els periodes estivals i mostre-
jats de la superficie de I'aigua. En aquestes dades cal
tenir en compte el factor de dilucio per a tota la colum-
na d'aigua, per poder apreciar la concentracio real de
la toxina,
Resulta dificil poder comparar els valors de con-
centracio de toxina, ja que sempre hi ha diferencies
en la presa de mostra, en la instrumentacio i en els
metodes de deteccio. Si que es pot observar clara-
ment, pero, que la majoria d'aquests blooms contenen
hepatotoxines i, sobretot, microcistines (-RR, -LR, -
YR), i d'aquest tipus de dades prove la importancia
d'estudiar aquestes cianotoxines abans que d'altres.
Pel que sembla, la produccio de toxines varia
segons les estacions, probablement a causa de la
variacio dels factors que influeixen en la formacio i la
produccio de les toxines algars. Els pics mesurats en
la produccio de toxines coincideixen generalment amb
les mesures preses en periodes estivals, quan la
radiacio es mes gran i el moviment de I'aigua es mes
estable, factors que segurament afavoreixen el crei-
xement de cianobacteris. No obstant aixo, els pics de
concentracio de toxic no sempre coincideixen amb els
La turbulencia: in important factor rip limitacio
Un factor important en el comportament dels cia-
nobacteris es la seva capacitat de flotacio, que fa que
s'acumulin a la superficie de I'aigua i que amb el vent
aconsegueixin concentracions altes ales ribes. Els
cianobacteris tenen la capacitat de controlar la seva
flotacio variant les vacuoles de gas. Gracies a aques-
ta capacitat de controlar la seva posicio en la colum-
na d'aigua, les perdues de cianobacteris per sedi-
mentacio son negligibles [3]. L'estudi fet per
Heiskanen i Ollin indica que en condicions deficients
de nitrogen i a radiacions elevades, certes poblacions
de cianobacteris perden aquesta capacitat de flotacio
i s'enfonsen [3].
A causa d'aquesta propietat de control, els pro-
cessos de mescla naturals verticals i horitzontals en
les aigues (vent o marea), en el cas de cianobacteris
marins, no generen efectes negatius en les pobla-
cions de cianobacteris. Pero s'ha comprovat que en
agues molt turbulentes aquesta capacitat de flotacio
es veu venquda per la mescla violenta, i aixo repre-
senta un problema per al creixement d'aquestes
poblacions, ja que les cel-lules es veuen obligades a
competir pels nutrients i per les fonts o focus de radia-
cio. Aquestes circumstancies no afecten la resta del
fitoplancton, ja que aquest es capaq d'adaptar-se a
condicions variables de nutrients i de Ilum. Aquest fet
ha permes desenvolupar tecniques aplicables al con-
trol dels blooms en les aigiaes. Tractant les aigues
amb un sistema d'agitacio artificial continu durant els
periodes favorables al seu creixement (primavera,
estiu) s'aconsegueix una gran reduccio de la poblacio.
En tractaments per agitacio, discontinus, no s'aconse-
gueix I'efecte desitjat, perque els cianobacteris tornen
rapidament a surar quan s'atura I'agitacio.
Si I'agitacio es Ileugera, es pot aconseguir I'efecte
contrari, ja que aquesta mescla suau promou la crea-
cio de zones en que els cianobacteris i els bacteris
heterotrofs es beneficien mutuament, suavitzant les
condicions de manta de nutrients i afavorint el creixe-
ment cellular.
En canvi, els augments inesperats de la turbulen-
cia poden inhibir el creixement, ja que una turbulencia
excessiva causa disgregacions i danys en les cel Jules
i els filaments, a mes de trencar les relations amb els
bacteris heterotrofs. L'agitacio excessiva tambe tren-
ca les unions entre els heritrocits del cianobacteri que
fixen el nitrogen i les cel Jules vegetals, per rao de la
seva feblesa. Aquesta ruptura fa que els heritrocits
perdin la capacitat de fixar el nitrogen i siguin expul-
sats.
A continuacio es mostren les Jades recollides d'un
estudi sobre I'impacte de la velocitat d'agitacid en el
trencament dels filaments que fixen el nitrogen a la
clorofil la (taula 2) [2].
Efectes de la Ilum en la descomposicio i la
isori^eritzacio de les toxinE^s
En el transcurs de I'a'illament de microcistines d'un
bloom natural, es van aillar isomers geometrics de la
microcistina-LR i de la M-RR. Aquests isomers es van
identificar tom un canvi en la disposicio geometrica
del doble enllaq (carboni 6). Es van anomenar 6(Z)-
Adda microcistina-LR i 6(Z)-Adda microcistina-RR. AI
Japo, els blooms naturals contenen normalment d'un
5 a un 15 % d'aquests isomers. En I'estudi que es va
fer sobre aquests isomers geometrics [4], es va iden-
tificar quin era I'efecte de la radiacio solar en la iso-
meritzacio i/o descomposicio de les microcistines.
Els cianobacteris tenen diversos pigments per a la
fotosintesi, entre els quals es troben la clorofil•la a i el
B-carote. Tambe s'han avaluat els efectes que
aquests pigments poden tenir a diverses concentra-
tions en la fotolisi de la microcistina durant un perio-
de de quinze dies.
Els resultats de I'estudi van indicar:
a.1) La mostra de microcistina amb I'isbmer es
estable sota les condicions de radiacio solar.
a.2) La presencia de pigments influeix favorable-
ment en la descomposicio i, segons quin sigui el pig-
ment, la descomposicio es major, malgrat que el grau
de descomposicio no sigui gaire elevat.
a.3) A mes concentracio de pigment, major grau
de descomposicio. Despres de 29 dies, en les con-
centrations de 5 i 1 mg/ml Homes restava un 5 % de
microcistina-LR.
r,^^^ n 1. Factors que intervenen en el comportament dels cianobacteris
Alteracio del temps de residencia de I'aigua Eliminacio important dels blooms, si el temps de retencio n'impedeix la
taxa de regeneracio
Mescla vertical a Ilarga escala Contraresta I'acumulaci6 a la superficie dels blooms, creant forces
competitives entre els cianobacteris pels nutrients i la Ilum
Turbulencia a petita escala Trenca els filaments dels cianobacteris, les colonies i les associations que
puguin tenir amb altres especies de la microflora i la microfauna aquatics
Reduccio de la superficie de radiacio solar Pot alterar la composici6 del fitoplancton i afectar negativament la taxa
superficial de cianobacteris
Temperatura Generalment, temperatures superiors a 20 °C afavoreixen el creixement de
blooms
Modifications del pH Es pot alterar la comunitat del fitoplancton segons el pH: el pH acid (< 6)
afavoreix els organismes eucaribtics i el pH (> 8) basic afavoreix els
cianobacteris
Entrada de nutrients (N i P) A Ilarg termini, la limitacio de N i P results efectiva en la reduccio dels
blooms. Relations baixes de N:P (< 20) poden potenciar la formacio dels
blooms
Salinitat Una salinitat en exces de I'ordre de tant per cent (NaCI, p. ex.) pot ser un
impediment per al desenvolupament d'algunes especies de cianobacteris
Metalls (a escala de tra^a) Sota condicions d'altes carregues de N i P, la disponibilitat restringida de
Fe pot controlar el creixement
b) Respecte a la isoi -ritrici,
b.1) Els dos compostos es van isomeritzar gra-
dualment fins que al cap de 18 dies van arribar a una
especie d ' equilibri, amb presencia de pigments que
poden ser extrets amb aigua.
b.2) La taxa d 'isomeritzacio depen proporcional-
ment de la concentracio de pigment fins a vuit dies
d'exposicio . Despres d ' aquest temps , les dues toxines
es descomponen completament.
Tot aixo indica que, en aquestes condicions, la
microcistina -LR i la 6( Z) microcistina - LR es descom-
ponen i s'isomeritzen simultaniament . La isomeritza-
cio depen de la concentracio i del tipus de pigment i
nomes es forma aquest isomer geometric . La micro-
cistina - RR i la microcistina -YR van presentar el
mateix comportament que la microcistina-LR.
Es va determinar la toxicitat ( ratoli i. p .) de ('isomer
a'illat, de la microcistina-LR pura i de la microcistina-
LR amb I ' isomer . La prova amb la 6(Z) microcistina-
LR va donar un resultat de no toxic (aixo indica que la
posicio geometrica 4(E), 6(E ) de I'Adda es decisiva en
el seu efecte toxic). En canvi , la toxicitat de la micro-
cistina amb (' isomer va donar una toxicitat semblant a
la de la microcistina - LR pura . Aixo indica que en la
mescla I ' isomer es torna a isomeritzar com a micro-
cistina-LR.
Efectes del pH i de la temperatura
En 1'estudi fet per Harada et al. [5], I'objectiu prin-
cipal del qua] era determinar quines eren les influen-
cies que podien tenir el pH i la temperatura en la des-
composicio de les toxines, es van exposar mostres
de microcistina-LR pura (extretes d'un bloom que
contenia, majoritariament, Microcystis) a diferents
condicions de pH i de temperatura. Aquestes condi-
cions per trobar I'estabilitat de la microcistina-LR
eren a pH 1, 5, 7 i 9 i a les temperatures de 5, 20, 30
i 40 °C.
S'ha pogut observar que les condicions optimes
per a la degradacio de la toxina no son precisament
les condicions habituals a que es veu exposada dintre
('aigua (pH = 9-10 i Ta = 20-30 °C). El percentatge mes
alt de degradacio to Iloc a una temperatura de 40 °C
tant a pH = 1 corn a pH = 9 [5]. Despres d'aquestes
exposicions, es van preparar els compostos de cada
mostra i posteriorment es van identificar mitjanpant la
tecnica de la ressonancia magnetica nuclear. Els
compostos trobats son els seguents: microcistina LR,
MW 994; MW 942; MW 1008; MW 1012; MW 629 i
MW 616 [5].
En la preparativa de la microcistina per HPLC, el
toxic va estar en contacte amb la fase mobil (62:38
MeOH: H2O, 0,05 % TFC) durant set dies a la tempe-
ratura ambient. Durant aquest periode de temps es va
observar que la microcistina-LR s'isomeritzava facil-
ment en ('isomer 6-monometilo ester sota aquestes
condicions. MOs tard es va fer un test de toxicitat de
('ester (en ratoli i. p.), que va donar corn a resultat una
toxicitat menor que la microcistina-LR (DL >3 mg/kg a
una concentracio superior a 10 nM).
Les conclusions d'aquest estudi van ser les
seguents:
1. Les hidrolitzacions inicials es produeixen en el
medi del Mdha per formar uns peptids lineals; perqu0
el Mhda es una estructura namida i, per tant, facil de
trencar pel doble enllap.
2. Amb la presencia de metanol i en condicions
acides, I'esterificacio predomina sobre la hidrolisi.
3. El temps de vida mitjana de la microcistina-LR
es, aproximadament, d'unes deu setmanes, en condi-
ciones similars a les ambientals.
4. El metil ester resultant no es toxic i no provoca
efectes d'inhibicio en la proteina fosfatasa 1 i 2A.
Malgrat no haver-se assajat la toxicitat dels peptids
lineals formats, alguns peptids lineals han estat aillats
a partir de la Nodularia spumingena Mertens i de blo-
oms de Microcystis i en cap cas no han resultat toxics
[6, 7].
TAULA 2. Impacte de la velocitat d'agitacio en el trenca-
ment dels filaments que fixen el N2 a la clorofil • la a [2]
50 7,5 ± 0,5
100 7,2 ± 0,7
250 5,8 ± 1,2
400 3,2 ± 0,5
550 2,4 ± 0,7
750 1,2 ± 0,4
Es parla de la salinitat com d'un potent regulador
de la fixacio de nitrogen, ja que, pel que sembla,
aquests organismes son bastant sensibles ales con-
dicions osmotiques. Alguns blooms d'especies de cia-
nobacteris formats en aigues dolces han presentat
una alta sensibilitat respecte a concentracions de %0
de NaCl en Ilangar-se a ('interior de diverses aigues
marines [8, 9].
vc?tl niltr. ricj [ frr;r^ !p j
Juntament amb el Nz i el P, el ferro es un dels ele-
ments que mes limita el creixement dels cianobacteris
en els medis aquatics. El ferro es un component de
les proteines que formen part del proces de la fotosin-
tesi, de la respiracio biosintetica cromofora i de la sin-
tesi dels desoxiribonucleoides [10]. Les consequen-
cies sobre el cianobacteri per la variacio de la con-
centracio de Fe en les aigues son una mica contra-
dictories. Utkilen i Gjolme [11] van trobar una disminu-
lect+ologia i Ciencia dels Aliments - Num. 3 - Gener 1999 45
cio en la produccio de toxines en un cultiu de
Microcystis aeruginosa en el qual es va donar una
concentracio de Fe de 10 a 0,3 uM de FeCI3. Per una
altra banda, Lukac i Aegerter [12] van trobar que la
Microcystis aeruginosa PCC 7806 creixia mes lenta-
ment, peril produia mes toxines en haver-hi major
concentracio de Fe. Aquesta contradiccio podria ser
deguda al fet que en el primer cas el cultiu era en con-
tinu, mentre que en el segon era en discontinu. El
comportament de les cel-lules en cultius continus i dis-
continue es diferent i aixo pot ser la causa de les
diferencies esmentades.
Un estudi mes recent que pretenia aclarir aques-
tes discrepancies, efectuat per Lyck et al. [13], ha
demostrat que durant periodes de baixes concentra-
tions de Fe la quantitat de proteines en el cultiu dis-
minueix i la produccio toxina/proteina augmenta. En
epoques en que la quantitat de Fe es elevada, I'efec-
te es el contrari: la quantitat de proteina augmenta,
pero la proporcio toxina/proteina disminueix.
A dosis elevades de SO4` en aigua, es pot inhibir
la fixacio de nitrogen, ja que el sulfat to una estructu-
ra semblant a la del MoO22, que es molt necessari per
a la fixacio del nitrogen, i per aixo es crea una relacio
competitiva entre els dos anions, tot provocant una
inhibicio de la fixacio [9].
Per tot el que s'ha exposat, es pot indicar com a
conclusio que la presencia de cianotoxines, entre les
quals les microcistines, es veu influ'ida per tots els fac-
tors ambientals que envolten ('habitat dels cianobac-
teris.
Aquest treball forma part de I'estudi finangat per la
CICYT, Projecte AMB 96 - 0987 . L'autora agraeix al
senyor Domingo Bayona i a la senyora Nelida Bofill la
seva col-laboracio en la cerca bibliografica.
1. CHRISTOFFERSEN, K. (1996). ((Ecological implica-
tions of cyanobacterial toxins in acuatic food
webs)). Phycologia, vol. 35, supt. 6, p. 42-50.
2. PEARL, H. W. (1996). <<A comparison of cyanobac-
terial bloom dynamics in freshwater estuarine and
marine environments. Phycologia, vol. 35, supl.
6, p. 25-35.
3. HEISKANEN, A.; OLLIN, K. (1996). ((Sedimentation
of Aphanizaomenon cf. flos-aquae Nostocales,
(Cyanophyta) in nutrient - replete and nutrient -
depleted coastal area of the Baltic Sea>>.
Phycologia, vol. 35, supl. 6, p. 94-101.
4. Tsuji, K.; NALTO, S.; KONDO, F.; ISHIKAWA, N.;
WATANABE, M.F.; SUZUKI, M.; HARADA, K. 1994.
((Stability of Microcistins from Cyanobacteria:
Effect of the light on Descomposition and
Isomerization». Environmental Science
Technology, vol. 28, p. 173-177.
5. Harada, K.; Tsuji, K.; WATANABE, M. F.; KONDO, F.
(1996). ((Stability of microcystins from cyanobacte-
ria-III. Effect of pH and temperature». Phycologia.
vol 35, supl. 6, p.83-88.
6. RINEHART, K. L.; NAMILOSHI, M.; CHOI, B. W. (1994).
((Structure and biosynthesis of toxins from blue-
green algae (cyanobacteria)>>. Journal of Applied
Phycology, vol. 6, p. 159-176.
7. CHOI, W.; NAMILOSHI, M.; SUN, F.; RINEHART, K. L.;
CARMICHAEL, W. W.; KAUP, A. M.; Evans, W. R.;
BEASLEY, V. R. (1993). ((Isolation of linear peptides
related to the hepatotoxines, nodularin and
microcystins>>. Tetrahedron Letters, vol. 34, p.
7881-7884.
8. PEARL, H. W.; BLAND, P. T.; BLACKWELL, J.; Bowles,
N. D. 1984. ((The effects of salinity on the poten-
tial of a blue-green algal (Microcystis aeruginosa)
bloom in the Neuse river estuary, N. C.>>. North
Carolina Sea Gran Report [Carolina del Nord;
EUA], 84-1, p. 84.
9. HOWARTH, R. W.; COLE, J. J. (1985).
((Molybdenum availavility, nitrogen limitation, and
phytoplankton growth in natural water. Science,
vol. 229, p. 653-655.
10. STRAUSS, N. A. (1994). ((Iron deprivation: physio-
logy and gene regulations. A: Bryant, D. A. [ed.].
Molecular Biology of Cyanobacteria. Amsterdam:
Kluwer Academic Publisehrs, p. 731-750.
11. UTKILEN, H.; GJOLME, N. (1995). ((Iron stimulated
toxin production in Microcystis aeruginosa>>.
Applied and Environmental Microbiology, vol. 61,
p. 797-800.
12. LUKAC, M.; AEGERTER, R. (1993). alnfluence of
trace metals on growth and toxin production of
Microcystis aeruginosas. Toxicon, vol. 31, p. 293-
305.
13. LYCK, S.; GJOLMEN, N.; UTKILEN, H. (1996). (Iron
starvation increases toxicity of Microcystis aerugi-
nosa CYA 228/1 (Chroococales, Cyanophyceae))>.
Phycologia, vol. 35, supl. 6, p. 120-124.


Toxines cianobacterials. Part II: Factors ambientals decisius en la producció i l'estabilitat de les microcistines

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Revistes Catalanes amb Accés Obert