Информация

Почему / как цианобактерии производят токсины?

Почему / как цианобактерии производят токсины?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Я проводил некоторые исследования универсальности азотфиксирующих цианобактерий, особенно из рода Анабаена, и я часто сталкиваюсь с опасностями, и мне приходится добавлять дополнительные шаги к своим процедурам из-за токсинов, производимых этим видом. Почитав немного, я обнаружил, что большинство цианобактерий вырабатывают токсины (в совокупности называемые «цианотоксинами»). Разнообразие различных структур и механизмов воздействия токсинов из разных родов поразительно, особенно потому, что некоторые из них являются канцерогенами, которые, по логике, могли бы повлиять на хозяина, если бы не был разработан механизм предотвращения этого. Это говорит мне о том, что в эволюцию выработки токсинов цианобактериями, должно быть, было приложено много эволюционных «усилий». Первоначально я просто думал, что токсины были естественной частью их метаболизма, который развивался нормально, потому что эти соединения не влияли на них так же, как на нас. Теперь, когда я вижу огромную изменчивую тенденцию в классе, я начал думать иначе. У меня следующие вопросы:

  1. Какова эволюционная основа производства цианотоксинов цианобактериями
  2. Являются ли цианотоксины необходимой частью метаболизма бактерий, или их можно удалить с помощью генной инженерии, не влияя напрямую на успех организма?
  3. Как цианобактерии справляются с постоянным воздействием природных канцерогенов?

Это только основные вопросы, которые у меня есть, поэтому мы будем благодарны за любую дополнительную информацию.


В этой доступной статье есть несколько идей, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3736421/ Поисковые запросы цианотоксин и эволюционный дают по крайней мере еще две многообещающие статьи.

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/615542v1.full говорит: i) фотозащита за счет поглощения вредного ультрафиолетового излучения; (ii) содействие приобретению или более эффективному использованию доступных, но ограниченных ресурсов; (iii) препятствование росту или использованию ресурсов конкурентов, таких как зеленые водоросли или другие цианобактерии; и (iv) ограничение хищничества путем индукции токсичности организмов, питающихся цианобактериями. Хотя роль метаболитов цианобактерий в фотозащите, монополизации ресурсов и доминировании в среде обитания была продемонстрирована экспериментально, гипотезы относительно их роли в борьбе с хищниками не совсем согласуются.


Факты о вредоносном цветении водорослей цианобактериями для специалистов токсикологических центров

Этот информационный бюллетень представляет собой обзор воздействия цианобактерий вредоносного цветения водорослей на людей и животных. Он охватывает признаки и симптомы, лабораторные исследования, лечение, а также контактные ресурсы.

Что такое вредоносное цветение водорослей цианобактерий (cHAB)?

Цианобактерии, также называемые сине-зелеными водорослями, представляют собой микроскопические организмы, которые живут в основном в пресной и соленой воде, на поверхности и под ней. Обычно они размножаются и цветут, когда вода теплая, застойная и богата питательными веществами (фосфором и азотом) из таких источников, как сток удобрений или переполнение септических ям.

Разрастание водорослей называется «цветением водорослей». Цветки цианобактерий обычно имеют сине-зеленый цвет, но цветение водорослей может варьироваться от красного до коричневого. Когда происходит цветение, накипь (слой посторонних примесей) может плавать на поверхности воды, что приводит к появлению запаха гнилого растения. Цветение обычно происходит в конце лета или в начале осени, но может происходить в любое время года.

Не все цветения водорослей вредны. Цветение цианобактериальных водорослей может быть вредным, когда токсины (цианотоксины), которые он производит в воздухе и воде, достигают концентраций, опасных для людей, морской флоры и фауны и окружающей среды.

Какие типы токсинов обычно производятся cHAB?

  • Микроцистин
  • Нодуларин
  • Цилиндроспермопсин
  • Анатоксин-а
  • Anatoin-a (s)
  • Lyngbyatoxin
  • Сакситоксины

Воздействие ЧАВ на человека

1. Каковы возможные пути воздействия кВЧВ на человека?

  • Проглатывание: глотание загрязненной воды или употребление в пищу морепродуктов, загрязненных токсинами
  • Вдыхание: вдыхание токсинов в виде аэрозолей
  • Контакт с кожей: прямой контакт с загрязненной водой во время плавания или катания на лодке

2. Каковы зарегистрированные признаки и симптомы после контакта с чВКВ?

Многие факторы определяют, будет ли воздействие cHAB вызывать неблагоприятные последствия для здоровья. К ним относятся (но не ограничиваются ими) тип токсина, концентрация, продолжительность и путь воздействия, а также любые сопутствующие заболевания пациента. Цианотоксины могут вызывать желудочно-кишечную, нервную, печеночную или кожную токсичность.

Признаки и симптомы, о которых сообщается после воздействия, также зависят от пути воздействия.

  • Проглатывание: Эффекты со стороны желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) включают тошноту, рвоту, диарею и умеренное повышение уровня ферментов печени. Время до появления симптомов со стороны желудочно-кишечного тракта после перорального приема обычно составляет 3–5 часов, а симптомы могут длиться 1–2 дня. Воздействие может вызвать конъюнктивит, ринит, боль в ухе, боль в горле и опухшие губы. Респираторные эффекты могут включать атипичную пневмонию и синдром, подобный сенной лихорадке. Воздействие также может вызвать дисбаланс электролитов, головную боль, недомогание и мышечную слабость / боль в суставах и конечностях. Сообщалось о печеночной недостаточности у диализных пациентов, получавших диализную воду, загрязненную миркоцистинами. Сообщалось также о гликозурии, протеинурии и иногда гематурии.
  • Вдыхание: Ринит, ангина, бронхоспазм, пневмония
  • Контакт с кожей: Дерматит, периоральные волдыри
  • Воздействие на глаза: Конъюнктивит, слезотечение, отек, светобоязнь

3. Какие лабораторные тесты можно использовать для оценки заболевания, связанного с cHAB?

  • Электролиты и функциональные пробы печени
  • Функциональные тесты почек, уровень глюкозы в сыворотке, моча для проверки протеинурии и глюкозурии (при тяжелой токсичности)
  • Рентгенограмма грудной клетки при наличии респираторных симптомов

Специализированные лаборатории Cdc-pdf [PDF & ndash 6 страниц] Внешний может выполнять подтверждающее тестирование для выявления цианобактерий и цианотоксинов в кале, моче, содержимом желудка (если доступно), тканях, сыворотке и образцах воды. Это может быть полезно для государственных и местных департаментов здравоохранения.

4. Каковы возможные методы лечения предполагаемого или известного заболевания, связанного с ВЧВ?

Лечение в основном поддерживающее и симптоматическое. Специфических антидотов против токсинов цианобактерий не существует.

  • При проглатывании зараженной воды или морепродуктов: Остановите контакт, избегая зараженных морепродуктов или воды. При необходимости долейте жидкости и электролиты. Активированный уголь можно рассмотреть, если пациент прибудет в течение 1 & ndash2 часов после токсичного приема внутрь, при условии отсутствия противопоказаний. При необходимости оказывайте другую поддерживающую и симптоматическую помощь.
  • При вдыхании токсинов в виде аэрозолей: Остановите воздействие, переместившись в свежую, незагрязненную среду, и лечите респираторные симптомы соответствующим образом.
  • При попадании на кожу загрязненной воды: Снимите загрязненную одежду и украшения и промойте кожу водой с мылом в течение 10-15 минут. Можно использовать антигистаминные препараты и стероиды.
  • При попадании в глаза загрязненной воды: Снимите контактные линзы. Промывайте глаза физиологическим раствором не менее 15 минут. Направьте пациента к офтальмологу, если глазные симптомы не исчезнут после обильного орошения.

5. Какие еще болезни имитируют заболевание, связанное с cHAB?

Наиболее частыми признаками и симптомами у пациентов с подозрением на заболевание, связанное с cHAB, являются волдыри, сыпь, тошнота, рвота, слабость и утомляемость. Другие заболевания, медицинские условия и воздействие химических веществ могут вызывать эти признаки и симптомы, и их следует исключать. К ним относятся отравление фосфорорганическими соединениями, отравление грибами, передозировка лекарствами, отравление растениями, химический ожог, воздействие раздражителей и токсичность парацетамола.

6. Что люди могут сделать, чтобы защитить себя от воздействия ядовитого цветка?

  • Избегайте пить, играть, плавать, кататься на водных лыжах, кататься на лодках или заниматься другими видами деятельности в местах, где вода обесцвечена и имеет неприятный запах, или где на поверхности воды есть видимая пена, пена или маты из водорослей.

7. Что люди могут сделать, чтобы предотвратить образование токсичных цветков?

Люди могут помочь предотвратить образование цветков, следуя этим рекомендациям:

  • Используйте только рекомендованные количества удобрений для газонов и растений.
  • Правильно содержать бытовые септики
  • Поддерживайте буфер естественной растительности вокруг прудов и озер для фильтрации поступающей воды

Воздействие на животных чВКВ

1. Как животные подвергаются чВКВ?

Животные могут подвергаться воздействию cHAB так же, как и люди. Эти пути включают проглатывание, вдыхание, контакт с кожей и попадание в глаза. Воздействие может происходить во время плавания или при слизывании цианобактерий или токсинов с их шерсти или волос. Животные часто оказываются первыми, потому что они с большей вероятностью, чем люди, будут плавать или пить воду, загрязненную чВКВ, даже если она плохо выглядит или пахнет.

2. Каковы ожидаемые признаки и симптомы?

Домашние животные, особенно собаки, могут быть ранними жертвами цветения токсинов. Собаки занимаются активным отдыхом на свежем воздухе и не различают чистую и загрязненную воду. Эффекты у животных кажутся более серьезными, чем у людей. Это может быть результатом приема более высоких доз или разницы в реакции на токсины.

Наиболее частыми симптомами у собак, подвергшихся воздействию cHAB, являются желудочно-кишечные, такие как рвота и пена изо рта. Воздействие также может вызвать летаргию и неврологические симптомы, включая спотыкание, изменения поведения, спастические подергивания, потерю координации, атаксию, сильный тремор, частичный паралич и паралич дыхания.

Сообщалось о гепатоэнтерите, токсическом поражении печени, поражении печени с некрозом и петехиальных кровоизлияниях в сердце у животных. Воздействие привело к смерти рыб, собак, крупного рогатого скота и птиц.

3. Как люди могут защитить своих домашних животных и скот в случае заражения?

Люди должны использовать чистую пресную воду, чтобы немедленно смыть цианобактерии с домашних животных и скота, контактирующих с цветком. Они также должны препятствовать тому, чтобы животное слизывало цианобактерии со своей шерсти.

Людям следует не допускать, чтобы их домашние животные или домашний скот паслись рядом, не пили или не плавали в воде с цветком.

Людям следует связаться с ветеринаром, если у животного проявляются какие-либо признаки или симптомы болезни после предполагаемого или известного воздействия чВКВ или потенциально загрязненной воды. Признаки и симптомы включают потерю энергии или аппетита, рвоту, спотыкание или падение, пену изо рта, диарею, судороги, чрезмерное слюнотечение, тремор или любое другое необъяснимое заболевание.

4. Какие лабораторные тесты могут идентифицировать цианобактерии и цианотоксины у животных, подвергшихся действию cHAB?

Те же подтверждающие тесты, которые используются для людей, можно использовать и для животных (см. Раздел 3 о воздействии на человека cHAB).

Дополнительная информация

К кому следует обращаться по вопросам здоровья, связанным с cHAB?

Основная ответственность за борьбу с вредоносным цветением водорослей лежит на агентствах, таких как государственные и местные департаменты здравоохранения. Сообщайте в эти агентства обо всех случаях, связанных со здоровьем, связанных с цианобактериями. Попросите людей сообщать о любом «запахе или привкусе» в питьевой воде в местное водоканальное предприятие и подчиняться всем закрытым водным объектам, объявленным местными органами здравоохранения.

Можем ли мы ожидать изменений в кодировании и руководствах по сбору информации о подверженности ЧАВ?

Американская ассоциация центров по борьбе с отравлениями (AAPCC) и Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) работают над разработкой руководящих принципов по кодированию воздействия цианобактериальных ВЦВ и связанных с ними заболеваний. Эта информация будет выпущена и распространена в токсикологические центры, когда она будет завершена.


Цветение цианобактерий (сине-зеленых водорослей): вкусы, запахи и токсины

Вредное цветение пресноводных и морских водорослей (ВЦВ) может происходить в любое время, когда использование воды нарушается из-за чрезмерного скопления водорослей. В пресной воде большинство ВЦВ вызывается цианобактериями (также называемыми сине-зелеными водорослями). Цианобактерии вызывают множество проблем с качеством воды, в том числе их способность производить соединения и токсины, вызывающие вкус и запах, которые достаточно сильны, чтобы отравить животных и людей. Соединения вкуса и запаха и токсины вызывают особую озабоченность в озерах, водохранилищах и реках, которые используются либо для питьевой воды, либо для отдыха при полном контакте с телом. Соединения вкуса и запаха вызывают неприятный запах или неприятный запах в питьевой воде и рыбе, что приводит к увеличению затрат на лечение и потере доходов от аквакультуры и отдыха. Цианобактериальные токсины (цианотоксины) причастны к болезням и смерти людей и животных в более чем пятидесяти странах мира, включая как минимум 35 штатов США. Токсикозы человека, связанные с цианотоксинами, чаще всего возникают после воздействия через питьевую воду или рекреационные мероприятия.

Цианобактерии могут выделять соединения вкуса и запаха, которые вызывают неприятный запах или неприятный вкус питьевой воды. Водохранилище Чейни, Канзас. Июнь 2003 г. Фото любезно предоставлено KDHE.

Вредное цветение пресноводных и морских водорослей (ВЦВ) может происходить в любое время, когда использование воды нарушается из-за чрезмерного скопления водорослей. В пресной воде большинство ВЦВ вызывается цианобактериями (также называемыми сине-зелеными водорослями). Цианобактерии вызывают множество проблем с качеством воды, в том числе их способность производить соединения и токсины, вызывающие вкус и запах, которые достаточно сильны, чтобы отравить животных и людей. Соединения вкуса и запаха и токсины вызывают особую озабоченность в озерах, водохранилищах и реках, которые используются либо для питьевой воды, либо для отдыха при полном контакте с телом. Соединения вкуса и запаха вызывают неприятный запах или неприятный запах в питьевой воде и рыбе, что приводит к увеличению затрат на лечение и потере доходов от аквакультуры и отдыха. Цианобактериальные токсины (цианотоксины) причастны к болезням и смерти людей и животных в более чем пятидесяти странах мира, включая как минимум 35 штатов США. Токсикозы человека, связанные с цианотоксинами, чаще всего возникают после воздействия через питьевую воду или развлекательные мероприятия.

«Цианобактерии, вызывающие вкус и запах. Цианобактерии могут также производить токсины, достаточно сильные, чтобы отравить людей и животных, таких как крупный рогатый скот и собак. Озеро Мозинго, штат Миссури. Октябрь 2001 г. Фото Дж. Л. Грэма.

Цианобактериальные соединения, наиболее часто связанные с эпизодами вкуса и запаха, - это геосмин и 2-метилизоборнеол (MIB). Цианобактерии также производят химически и биоактивно разнообразную группу токсинов, все они нацелены на основные клеточные процессы и, таким образом, воздействуют на широкий круг организмов. Цианотоксины, вызывающие заболевания человека, включают микроцистин, цилиндроспермопсин, анатоксин, сакситоксин и β-метиламиноаланин (BMAA) Министерства здравоохранения и окружающей среды Канзаса. Из-за потенциальных рисков для здоровья человека цианотоксины в настоящее время включены в список кандидатов в загрязнители питьевой воды (CCL) Агентства по охране окружающей среды США.

Цианобактерии могут образовывать толстые скопления в прибрежных районах. Биндер-Лейк, штат Айова. Август 2006 г. Фото Дж. Л. Грэма.

Хотя анекдотические сообщения являются обычным явлением, лишь несколько исследований задокументировали распределение, возникновение и концентрацию соединений вкуса и запаха и токсинов в цветках цианобактерий по всей территории Соединенных Штатов. Кроме того, хотя общие факторы, влияющие на формирование цветения цианобактерий, хорошо известны, конкретные факторы, влияющие на конкретные случаи появления соединений вкуса и запаха и токсинов, остаются неясными. Соединения вкуса и запаха и цианотоксины представляют как экономические проблемы, так и проблемы общественного здравоохранения, и менеджеры ресурсов, операторы водоочистных сооружений, ассоциации озер и местные чиновники все чаще сталкиваются с решениями в отношении цианобактерий, которые влияют на осведомленность общественности, подверженность воздействию и здоровье. Понимание факторов окружающей среды, связанных с возникновением и концентрацией соединений вкуса и запаха и цианотоксинов, является ключом к принятию решений по управлению озерами и очистке питьевой воды, а также к минимизации рисков для здоровья человека.

Текущие исследования

«Цианобактерии, вызывающие вкус и запах, цветут в водохранилище Чейни, южно-центральный Канзас. Водохранилище Чейни, Канзас. Июнь 2003 г. Фото любезно предоставлено KDHE.

Эпизоды резкого привкуса и запаха в водохранилище Чейни, ключевом источнике питьевой воды для города Уичито, штат Канзас, в начале 1990-х годов побудили провести исследования качества воды для выявления и устранения потенциальных причин. Недавние исследования USGS были сосредоточены на оценке в реальном времени концентраций компонентов качества воды и их переноса из водосбора, а также на описании условий в водохранилищах, которые могут привести к образованию цианобактериями соединений вкуса и запаха. Геосмин, обладающий вкусом и запахом, вероятно, производимый цианобактериями. Анабаена, является вероятной причиной эпизодов вкуса и запаха в водохранилище Чейни. Постоянно контролируемые переменные, такие как свет, температура, проводимость и мутность, были использованы для успешного прогнозирования, когда концентрации геосмина превысят предел обнаружения человека, равный 10 нанограмм на литр (река Канзас

Сине-зеленые водоросли на реке Канзас (общественное достояние).

Цианобактерии (также называемые сине-зелеными водорослями) могут продуцировать токсины и соединения вкуса и запаха, которые вызывают серьезные экономические проблемы и проблемы со здоровьем населения и представляют особый интерес в озерах, водохранилищах и реках, которые используются для питьевого водоснабжения. Река Канзас является основным источником питьевой воды для примерно 800 000 человек на северо-востоке Канзаса. Источники, частота и причины цианобактерий и связанных с ними токсинов и соединений вкуса и запаха в реке Канзас полностью не охарактеризованы. Разработка системы заблаговременного уведомления об изменении условий качества воды, появлении цианотоксинов и вкуса и запаха позволит предприятиям по очистке питьевой воды разработать и внедрить адекватные стратегии очистки.

OGRL имеет одобренный USGS метод ГХ / МС для анализа вкуса и запаха геосмина и 2-метилизоборнеола (MIB). Кроме того, в настоящее время лаборатория проводит анализ цианотоксина-микроцистина с помощью иммуноферментного анализа (ELISA). Разрабатываются методы анализа цианотоксинов ЖХ / МС / МС, включая микроцистины, анатоксин, цилиндроспермопсин и β-метиламиноаланин (BMAA).


Риски цианотоксинов для здоровья

Эвтрофикация, а также другие факторы окружающей среды способствуют формированию цветения, например, низкая турбулентность, стоячая вода, более высокие значения pH и более высокая температура. В этих условиях цианотоксины могут достигать высоких концентраций в воде и могут представлять опасность для здоровья и окружающей среды (Кодд и другие., 2005b, Bl & # x000e1hov & # x000e1 и другие., 2008). Сообщалось о многочисленных случаях отравления животных и людей (таблица 1), связанных с цветением цианобактерий. Однако риски, связанные с цианотоксинами, не должны ограничиваться исключительно планктонными цианобактериями и эвтрофированными водами, поскольку также задокументированы смерти животных, связанные с токсичными популяциями бентосных цианобактерий (Эдвардс и другие., 1992), а смертельные случаи произошли также в олиготрофных озерах (Mez и другие., 1997).

Таблица 1

Примеры воздействия на человека цветков цианобацетрия и токсинов с соответствующими последствиями для здоровья.

ГодМестоположение (источник)ЦианобактерииТоксинПоследствия для здоровья
Питьевая вода
1931США, река ОгайоМикроцистис?гастроэнтерит, боли в животе, рвота
1960 & # x020131965Зимбабве, ХарареМикроцистис?гастроэнтерит
1975США, ПенсильванияШизотрикс, Люнгбья, Формидиум?гастроэнтерит
1979Австралия, Пальмовый островЦилиндроспермописCYNгастроэнтерит, поражение печени, почек и кишечника
1981Австралия, АрмидейлМикроцистисMCповреждение печени
1977 & # x020131996КитайМикроцистисMCколоректальный рак, летальные исходы
1972 & # x020131990КитайМикроцистисMCпервичный рак печени, летальные исходы
1988Бразилия, плотина ИтапарикаMicrocystis, Anabaena?гастроэнтерит, диарея, летальные исходы
1994Швеция, Мальм & # x000f6ПланктотриксMCгастроэнтерит, лихорадка, боль в животе и мышцах
Рекреационный / профессиональный контакт с водой
1959Канада, СаскачеванMicrocystis, Anabaena circinalis?головная боль, тошнота, мышечная боль, рвота, диарея,
1980 & # x020131981США, Пенсильвания и НевадаАфанизоменон, Анабаена?раздражение глаз и ушей, симптомы гриппа
1989Великобритания, Англия, СтафордширМикроцистисMCгастроэнтерит, воспаление грудной клетки, волдыри во рту, рвота, боль в животе, лихорадка, легочное уплотнение, диарея
1995АвстралияMicrocystis, Anabaena, Aphanizomenon, Nodularia?гастроэнтерит, гриппоподобные симптомы, волдыри во рту, лихорадка, раздражение глаз и ушей, рвота, диарея
1996Соединенное КоролевствоПланктотриксMCвысыпания, лихорадка
1996 & # x020131998Австралия (прибрежное море)Lyngbya?контактный дерматит, раздражение глаз и ушей, раздражение дыхательных путей
2002 & # x020132003ФинляндияАнабаена леммерманнаSTXлихорадка, раздражение глаз, боль в животе, сыпь
Гемодиализ
1974США, Вашингтоннастоящее времяLPSлихорадка, миалгия, озноб, рвота
1996Бразилия, Каруарунастоящее времяMC, CYNнарушение зрения, тинитус, тошнота, рвота, поражение печени, летальный исход
2001Бразилия, Рио-де-ЖанейроАнабаена, МикроцистисMCнарушение зрения, тинитус, тошнота, рвота, поражение печени

Сокращения: MC - микроцистин, CYN - цилиндроспермопсин, STX - сакситоксин, LPS - липополисахариды, & # x0201c? & # X0201d - токсин неизвестен. (составлено из ВОЗ 1998b Chorus and Bartram 1999, Duy и другие. 2000 Кодд и другие. 2005a Рапала и другие. 2005 Falconer 2006).


Цианобактерии

Считается, что цианобактерии были одной из первых форм жизни на Земле и предшественниками всех растений и многих других фотосинтезирующих организмов. Они выжили миллиарды лет и могут быть найдены практически в любой среде на Земле, от океанов до пустынь и полярных регионов Арктики и Антарктиды.

Цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли, являются чрезвычайно важными организмами в глобальном масштабе. Во-первых, за их роль в качестве основных продуцентов, а во-вторых, из-за их способности превращать газообразный азот из атмосферы в соединения, которые можно использовать для производства белков.

Цианобактерии - одноклеточные организмы с прокариотическими клетками, но часто образуют колонии с отдельными клетками, работающими вместе, часто организованными в длинные волокнистые нити. Некоторые клетки цианобактерий, известные как гетероциты, обладают способностью фиксировать азот и работать в унисон с другими клетками. Гетероциты производят избыток нитратов, которые разделяются с соседними клетками. В обмен на нитраты соседние клетки снабжают гетероциты углеводами и другими соединениями.

Гетероциты

Особенностью цианобактерий, увеличивающей их глобальное значение, являются клетки цианобактерий гетероцитов. Гетероциты - это особый тип клеток, которые способны забирать азот из атмосферы и преобразовывать его в пригодные для использования азотные соединения, которые можно использовать для производства жизненно важных белков. Гетероциты позволяют колониям цианобактерий выживать в областях, где ограниченный азот в противном случае помешал бы им жить.

Размножение

Цианобактерии могут воспроизводиться разными способами. По большей части они размножаются, просто дублируя свою ДНК и разделяясь на две клетки. Некоторые виды способны воспроизводиться путем разделения на несколько фрагментов, называемых & # 8216homogonia & # 8217, которые затем регенерируют в целые клетки. У других видов есть особые клетки, известные как & # 8216akinetes & # 8217, которые могут выжить в тяжелых условиях, а затем прорастать, когда условия становятся более благоприятными.

Акинеты

Акинеты - это особый тип клеток цианобактерий, способных накапливать пищу и выживать в течение чрезвычайно долгих периодов времени. Когда колония клеток цианобактерий оказывается в стрессовой среде, виды, способные производить акинет, будут делать это, чтобы выжить достаточно долго, пока условия в окружающей среде не изменятся в соответствии с условиями цианобактерий, и акинеты затем будут воспроизводить нормальные клетки цианобактерий.

Таксономия

Цианобактерии - это подразделение королевства бактерий, царства микроскопических организмов с прокариотическими клетками. Внутри цианобактерий есть четыре отряда, каждый с разной структурой и формой.

Chroococcales & # 8211 могут быть видами одноклеточных или колониальных цианобактерий.

Ностокалес & # 8211 - нитчатые цианобактерии с оболочкой и гетероцитами.

Осцилляторы & # 8211 Нитчатые цианобактерии без гетероцитов.

Stigonematales & # 8211 Нитчатые цианобактерии с оболочкой, гетероцитами и ветвлением.

Азотная фиксация

Некоторые виды цианобактерий способны забирать азот из атмосферы и превращать его в пригодные для использования формы для производства белков. Газообразный азот, N2, имеет тройную азот-азотную связь, которую трудно разорвать и которая осуществляется специальным ферментом, называемым нитрогеназой. Фермент ингибируется кислородом, поэтому для работы нитрогеназы необходимо отделить ее от других клеточных процессов. По этой причине у многих видов есть гетероциты, которые физически отделяют процесс связывания азота от внешней среды и других клеточных процессов, в которых участвует кислород, таких как дыхание и фотосинтез. Гетероциты также часто имеют толстые клеточные стенки, чтобы предотвратить проникновение кислорода в клетку.

Виды, способные фиксировать азот, лучше приспособлены к выживанию в условиях ограниченного азота. Азот является важным элементом для производства белков, которые являются строительными блоками клеток и, следовательно, жизни. Благодаря способности использовать атмосферный азот, цианобактерии имеют преимущество перед другими бактериями в условиях, когда недостаток соединений азота (NO, NH) снижает их способность к росту, воспроизводству и выживанию. Интересное открытие, касающееся колоний цианобактерий, заключается в том, что вы можете засвидетельствовать их реакцию на изменения окружающей среды, наблюдая за изменением соотношения азотфиксирующих клеток и нормальных клеток цианобактерий в зависимости от количества доступного азота.

Цианобактерии цветут

При подходящих условиях колонии цианобактерий могут расти и накапливаться в гигантские цветения водорослей. Цветение плавающих цианобактерий может полностью покрыть поверхность озер и прибрежных морей, что делает купание в таких водах опасным. Часто эти цветы могут быть токсичными из-за химических веществ, вырабатываемых некоторыми видами цианобактерий, и они были причиной многих случаев заболеваний, а иногда и смерти людей.

Цианотоксины

Многие виды цианобактерий выделяют токсины, которые помогают предотвратить их поедание животными. Цианотоксины - это собирательное название различных типов токсинов, вырабатываемых цианобактериями. Их можно разделить на три широкие категории, каждая из которых состоит из ряда различных токсичных соединений. Гепатотоксины - это токсины, которые вызывают повреждение печени и являются наиболее распространенным классом цианотоксинов. Нейротоксины атакуют нервную систему и могут привести к потере контроля над мышцами, умственным способностям или параличу жертвы. Третий класс цианотоксинов - дерматотоксины, которые оказывают различное воздействие на кожу.

БЕСПЛАТНЫЙ 6-недельный курс

Введите свои данные, чтобы получить доступ к нашему БЕСПЛАТНО 6-недельному вводному курсу электронной почты по биологии.

Узнайте о животных, растениях, эволюции, древе жизни, экологии, клетках, генетике, областях биологии и многом другом.

Успех! Письмо с подтверждением было отправлено на адрес электронной почты, который вы только что указали. Проверьте свою электронную почту и убедитесь, что вы щелкнули ссылку, чтобы начать наш 6-недельный курс.

Основы биологии: введение

Также доступно в Amazon, Книжном хранилище и во всех других хороших книжных магазинах.


Сине-зеленые водоросли: цианобактерии

Примечание редактора: большая часть этого контента была автором покойного директора Florida Sea Grant Карла Хэвенса и была переиздана здесь с разрешения Florida Sea Grant. Специализация доктора Хэвенса - реакция водных экосистем на природные и антропогенные стрессоры, включая ураганы, засуху, изменение климата, эвтрофикацию, инвазивные виды и токсичные материалы. Прочтите его оригинальный пост по адресу: Вредное цветение водорослей, влияющее на Флориду и побережье # 8217.

Что это?

В пресной воде чаще всего цветут сине-зеленые водоросли или цианобактерии. Эти одноклеточные организмы используют солнечный свет для приготовления пищи и естественным образом встречаются в пресной, солоноватой и соленой воде. В теплой воде с высоким содержанием азота и фосфора цианобактерии могут быстро размножаться, создавая цветы, которые распространяются по поверхности воды.

Есть несколько разных родов, которые печально известны цветообразователями, в том числе Микроцистис, Анабаена а также Цилиндроспермопсис.

Не все цианобактерии производят токсины. И некоторые время от времени производят токсины, а другие нет.

«Мы не очень понимаем, что регулирует выработку токсинов в цианобактериях», - сказал Ханс Паерл, профессор морских наук и наук об окружающей среде из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл.

Но, добавляет Паэрл, он знает, что производство токсинов не является защитой от человека.

& # 8220Они & # 8217не очевидно, что они не производят токсины, чтобы отравить нас. «Они любят нас», - сказал Паерл. & # 8220 Чем больше нас будет, тем лучше их успех ».

На что это похоже?

Когда цианобактерии чрезмерно разрастаются в пресноводных водоемах Флориды, вода может окрашиваться в ярко-зеленый цвет, иногда образуя густую пену на поверхности воды. Видимость цветения варьируется. Иногда может быть цветок, который не совсем заметен.

Что вызывает это?

Для роста сине-зеленым водорослям необходимы определенные ингредиенты и условия:

  • Питательные вещества, особенно азот и фосфор
  • Солнечный свет
  • Углекислый газ
  • Относительно спокойная вода
  • Сильные дожди, за которыми последовала засуха

Питательные вещества, в частности азот и фосфор, имеют решающее значение для наращивания клеточной массы водорослей. По оценкам, в водоразделе к северу от озера Окичоби почвы и заболоченные земли содержат достаточно питательных веществ от прошлой сельскохозяйственной деятельности, чтобы обеспечить высокий уровень поступления азота и фосфора в озеро Окичоби в течение следующих 50 лет, даже если сельское хозяйство прекратится сегодня.

Солнечный свет и углекислый газ из воды способствуют фотосинтезу. А относительно спокойные условия не позволяют водорослям слишком глубоко погружаться в воду и лишаться солнечного света. Но в местах с очень мелкой водой спокойные условия не так важны, потому что водоросли, смешанные со дном, могут иметь достаточно света для роста.

Паерл сказал, что в местах дальше на север, таких как Европа, более высокие температуры могут повлиять на интенсивность цветения. Но во Флориде климат уже теплый, и осадки играют большую роль.

«Идеальный шторм для этих цветений - это сильные ливни, за которыми следует засуха, а также высокий уровень поступления питательных веществ из стока», - сказал Паерл. & # 8220 И это & ​​# 8217 Флорида, верно? & # 8221

Возьмем, к примеру, массивное цветение в прошлом году, которое покрыло огромные участки озера Окичоби. В 2017 году ураган Ирма обрушился на большую часть полуострова Флориды, вызвав проливные дожди над водоразделами к северу от озера и вокруг устьев Сент-Люси и Калузахатчи. Каждый из этих трех водосборов содержит источники высокого уровня азота и фосфора, полученные в результате прошлой и нынешней сельскохозяйственной деятельности и протекающих септических систем. Один проливной дождь может смыть эти питательные вещества, способствующие цветению, в озеро и эстуарии.

Именно это и произошло. Эти дожди в сочетании с очень жаркими летними днями и обилием солнечного света завершили рецепт этих массивных цветений.

Сбросы инженерных войск армии США из озера Окичоби часто обвиняют в цветении в устьях Сент-Люси и Калузахатчи. Корпус сбрасывает воду из озера, когда уровень воды становится слишком высоким и угрожает целостности дамбы Герберта Гувера. Through a set of canals, these water discharges eventually end up in the rivers and estuaries to the east and west.

However, it is hard to pinpoint whether or not the lake discharges are the direct cause of the river and estuary blooms, because the watersheds around those rivers and estuaries also contain plenty of nutrients. Those watersheds also experienced heavy rainfall and nutrient runoff in some months before the 2018 blooms surfaced, for example.

Interestingly, even during drought years, the Caloosahatchee River develops intense blue-green algae blooms, independent of discharges from Lake Okeechobee. The remedy is often a pulse of water from the lake to push the bloom out to sea where it dies because the algae cannot tolerate salt water .

How often to blooms occur?

Scientists do not have a complete understanding of the factors that trigger blooms to occur in particular years, or to become more severe or toxic in certain years. However, that information is rapidly developing.

It is known, for example, that in rivers and lakes, stagnant conditions favor blooms. This is because as long as there is an ample supply of nutrients, they are able to grow unchecked by flushing of the water. Some species need to stay right at the water surface when they grow. These species prefer calm periods when the water is not disrupted by wind mixing.

Natural variations in climate are known to affect the development of algae blooms. In Florida, some years are wetter than others. This can be linked to ocean warming patterns such as the El Niño/La Niña cycle, which affects the amount of rainfall we get in the dry winter and early spring in Florida. In some cases, high rainfall in El Niño years can result in a large input of nutrients into lakes that later can stimulate algae blooms. Tropical storms and hurricanes also can bring heavy rainfall that carries nutrients into lakes.

Where else do blue-green algae blooms occur?

Blue-green algae blooms are a worldwide problem in lakes heavily polluted with nutrients. Current research shows that if climate change causes further warming of lakes and estuaries, blooms will become more intense and more toxic. It will be easier to control blooms by curtailing nutrient inputs now than it will be in a warmer future.

When was the last bloom? How long did it last?

Lake Okeechobee and the Caloosahatchee and St. Lucie Estuaries experienced intense blooms in both 2016 and 2018 that lasted throughout the summer into the fall. There is currently a bloom in Lake Okeechobee, but it is not as large or intense as the 2018 bloom. To see the latest satellite imagery of the bloom, visit: NOAA National Centers for Coastal Ocean Science Harmful Algal Bloom Monitoring System.

What are the impacts?

Environmental & public health

During an algae bloom, millions of phytoplankton cells lurk in every milliliter of water, and sometimes they produce toxins. Some of these toxins can cause fish kills, respiratory distress and skin irritation. Blue-green algae blooms have been known to kill household pets, such as dogs and farm animals like cattle. Prolonged or high-level exposure to the blooms can also lead to liver disease and neurological problems. Just the presence of a dense algae bloom can harm other aquatic life as well. For example, dense blooms can prevent light from reaching the aquatic plants growing on the bottom of estuaries and lakes, thereby suppressing their growth.

In some Midwestern states and in California, blooms are appearing in drinking water reservoirs, limiting the drinking water supply.

Экономическая

When blue-green algae blooms spread to areas where people recreate or plan vacations, the sight and smell of the blooms can lead to canceled trips, which can impact local economies and businesses, particularly those related to fishing and tourism.

How do we monitor and forecast blue-green algae blooms?

Richard Stumpf, an oceanographer for NOAA’s National Centers for Coastal Ocean Science, uses a variety of tools that are helping scientists better forecast future blooms. His team has developed a web page showing satellite imagery of red tide blooms that will go live either in September, or at the onset of the next bloom.

When asked if enough monitoring is taking place in Florida, Stumpf responded with, “I think the correct question is what needs to be monitored. Because there could be a lot of monitoring but it may not be addressing what needs to be done.”

According to Stumpf, scientists could better forecast future blooms by having access to:

  • Systematic monitoring of phosphorus and nitrogen ( the frequency of monitoring will depend on the size, flow and amount of precipitation to a water body.)
  • Measures of toxins

Stumpf said he and his team are now processing satellite imagery from blooms in Florida since 2002 so that they can have a better idea of the environmental triggers that cause these blooms for more accurate forecasts. He added that if the U.S. Army Corps of Engineers has access to more accurate forecasts, they may be able to refrain from releasing water from lake Okeechobee at a time when there is a high risk for a bloom developing.

“If we can say with confidence that the bloom might start early this year or maybe it’ll start later, then they [the Corps] could plan a little better with their response,” Stumpf said.

How do we contribute to the problem?

Intense algae blooms reflect decades of human intervention on the land – adding fertilizer, growing crops, raising cows and cattle, fertilizing lawns and installing septic tanks – around these once-pristine water bodies.

In 1900, Lake Okeechobee was at the center of a large inter-connected Everglades wetland. Water flowed into the lake from the northeast and exited to the west, south, and southeast, either through meandering creeks or as a broad sheet flow. The swamp forest of pond apple trees and much of the sawgrass plains at the southern end have now been drained and converted to agriculture. To learn more about how the current plumbing of Lake Okeechobee differs from the state’s historic water flow, visit: http://edis.ifas.ufl.edu/sg154

Additionally, towns, cities and the Corps have installed a massive system of canals that act as a fast route for water from the land to the lake and the estuaries. Historically, rainfall slowly made its way to those waters through wetlands and meandering creeks that naturally filtered excess nutrients out of the water. Today, it quickly shoots downstream in straight drainage canals.

Much work has been done to reduce the amount of nutrients running off agricultural lands. The Corps and the South Florida Water Management District are currently working on projects to capture water after large storms and filter out legacy nutrients before the nutrients reach lakes and estuaries. These projects are decades from completion in most cases, and we will likely continue to see times of heavy rainfall followed by periods of sunshine and hot days, which will lead to more severe algae blooms on our lakes and estuaries.

What are researchers working on now?

In January, Gov. Ron DeSantis announced the creation of the state’s first Blue-Green Algae Task Force, which is composed of scientists and researchers focused on reducing blue-green algae outbreaks predominantly found in freshwater systems.

Algae scientists are also investigating the role of climate change in these blooms. We know that temperature can have a synergistic effect with nutrients in stimulating blooms – and that the relationship is complicated. When nutrient levels are low, rising water temperature leads to just a small increase in the amount of algae. But when nutrients levels are high, increases in temperature of just a few degrees can result in exponential increases in the amount of algae. This presents a challenge for those who aim to control blooms. In the future, it is clear that water temperatures will be higher due to climate change. In fact they have already increased over the last 100 years. It will be much more challenging to control algae blooms in a warm future than it is today. It is more important than ever to reduce levels of harmful nutrients now.

Paerl and other researchers are also investigating the recent proliferation of blooms into estuarine and coastal waters.

“We’re seeing more of this happening. We’ve seen a replacement of a freshwater cyanobacteria with one that can tolerate reasonable amounts of salinity,” Paerl said. “So that’s a big issue to being able to understand and predict what the likely expansion of these blooms is going to be into to the saltwater environment.”

Что мы можем сделать?

At a large scale, reducing the emission of greenhouse gases in order to slow the warming of the earth’s atmosphere and the water in the ocean, lakes and rivers is an important part of the solution to prevent more severe algae blooms in the future. However, it is becoming apparent that warming will occur by at least 2 degrees Celsius over the next 75 years. We know that this will lead to more extreme blooms where high nutrient levels already allow them to occur.

The most direct solution is to reduce nutrient inputs to estuaries, the coastal ocean, lakes and rivers before that happens.

Remediation measures include:

  • Switching old neighborhoods from septic to central sewage
  • Reducing the use of fertilizer to recommended levels on crops or capturing and cleaning the runoff water from those lands
  • Controlling the export of nutrients in manure from animal agriculture
  • Smart development solutions that integrate better stormwater management options
  • Changes in land use, including in residential neighborhoods, to species of plants that do not require addition of nutrients because they are adapted to grow in our native soil.

The overall costs are great, because there are places in Florida where past nutrient pollution has left a legacy of nutrients in wetlands, soils and on the bottom of rivers and canals – that all drain into lakes, estuaries and the ocean after heavy rainfall. Controlling that legacy pollution may take massive public works projects to capture water and treat it. Yet, inaction has the potential to allow massive highly toxic blooms to impair the use of our inland and coastal waters in the future and increase the risks to human health. It is certain that if we wait until the waters are warmer, the costs will be much higher and the outcomes less certain to be successful.

Where can I find up-to-date information?

To see the latest satellite imagery of algae blooms, in Lake Okeechobee and elsewhere, visit: NOAA National Centers for Coastal Ocean Science Harmful Algal Bloom Monitoring System.

Учить больше:

Visit Florida Sea Grant’s page, Harmful Algal Blooms in Florida, to learn more.


Cyclic Peptides

Among the different cyanobacterial toxins, MCs are the most frequently occurring cyanotoxins in surface as well as drinking water and widely investigated hepatotoxins. MCs are cyclic heptapeptides (Figure 3) produced by several strains of cyanobacteria (Sivonen and Jones, 1999 Krienitz et al., 2002 Izaguirre et al., 2007 Aboal and Puig, 2009 Rastogi et al., 2014 Table 1). Currently, more than 90 variants of MCs are known, all with the general structure cyclo-(D-Ala-X-D-MeAsp-Z-Adda- D-Glu- Mdha), X and Z being variable L-amino acids. On the basis of acute toxicity, microcystin-LR (MC-LR) is considered the most potent hepatotoxin (Funari and Testai, 2008).

РИСУНОК 3. Chemical structure of microcystin (MC-LR) and nodularin (NOD), and their biosynthetic gene clusters, mcy and nda in the cyanobacteria Microcystis aeruginosa PCC7806 and Nodularia spumigena NSOR10, respectively. Black – tailoring enzymes, red – polyketide synthases, blue – non-ribosomal peptide synthetases, light black – non-microcystin synthetase, green – ABC transporter (adapted from Tillett et al., 2000 Moffitt and Neilan, 2004 Gehringer et al., 2012 Gehringer and Wannicke, 2014 Gene cluster not drawn to scale).

Microcystin is synthesized non-ribosomally by large multi-enzyme complexes comprising different modules including non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) as well as polyketide synthases (PKSs), and several tailoring enzymes. The gene cluster responsible for MC biosynthesis has been identified in different cyanobacteria (Tillett et al., 2000 Rouhiainen et al., 2004 Christiansen et al., 2008 Gehringer et al., 2012). In the cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC7806, the MC gene clusters spans 55 kb of DNA and is composed of 10 (mcyABCDEFGHIJ) bidirectionally transcribed open reading frames (ORFs) arranged in two divergently transcribed operons, mcyA-C а также mcyD-J (Tillett et al., 2000 Figure 3). The assembly of MC begins with the activation of a phenylalanine-derived phenyl propionate starter unit at the NRPS/PKS hybrid enzyme McyG (Hicks et al., 2006). The gene clusters encoding MC biosynthesis sequence from the Microcystis (Tillett et al., 2000), Planktothrix (Christiansen et al., 2008), and Anabaena (Rouhiainen et al., 2004) species revealed that the arrangements of ORFs in the mcy cluster vary among different genera. However, a high sequence similarity between the mcy gene clusters of different genera suggests a common ancestor for MC synthesis (Rantala et al., 2004).

Similar to MCs, cyclic pentapeptide toxic compounds, nodularins (NODs Figure 3) represent the second group of hepatotoxins produced by the cyanobacteria Nodularia а также Nostoc. At present, more than seven variants of NOD have been reported. Both hepatotoxins (MCs and NODs) contain a unique hydrophobic amino acid, Adda (2S,3S,8S,9S-3-amino-9-methoxy-2,6,8-trimethyl-10-phenyl-deca-4,6-dienoic acid). Chemically, NODs differ from MCs in terms of the absence of two core amino acids and have N-methyldehydrobutyrine (Mdhb) instead of N-methyldehydroalanine (Mdha Rinehart et al., 1998). Similar to MCs, NODs are also produced non-ribosomally from nda gene clusters by means of NRPS-PKS enzyme systems (Moffitt and Neilan, 2004 Figure 3). In the cyanobacterium Nodularia spumigena NSOR10, the locus of nda gene clusters (48 kb) consists of nine ORFs (ndaA–I) transcribed from a bidirectional regulatory promoter region (Moffitt and Neilan, 2004). Moreover, MCs and NODs show similar biological activity in spite of their different chemical structures. These cyclic peptides inhibit the specific protein serine/threonine phosphatases-1 (PP1) and -2A (PP2A) which are important regulatory enzymes in eukaryotic cells (MacKintosh et al., 1990).


Обсуждение

Microcystins are best-known from blooms in aquatic water bodies, formed by a variety of different cyanobacterial genera (6). Nodularin has previously been reported only from the genus Nodularia, most commonly from brackish water ecosystems (6). Microcystins and nodularins have caused animal poisonings (6). Previously, a small amount of microcystin was detected from one lichen specimen (11), and some cultured cyanobacterial strains isolated from terrestrial environments have been shown to be toxic (13, 14). Our results demonstrate that large amounts of microcystin and nodularin are produced in numerous lichen species in many terrestrial environments all over the world. Thus, hepatotoxic lichens are a potential health risk for a variety of lichen-consuming herbivores and humans.

Our results provide several interesting insights into the biochemistry and molecular biology of microcystins and related peptides. The common structure of microcystins is cyclo( d -Ala– l -X– d -MeAsp– l -Z-Adda– d -Glu–Mdha), abbreviated as MC-XZ, where X and Z are variable amino acids, Adda is 3-amino-9-methoxy-10-phenyl-2,6,8-trimethyl-deca-4(E),6(E)-dienoic acid, and Mdha is N-methyl-dehydroalanine. There are over 100 previously published microcystin structures varying in the type of amino acids incorporated into the peptide, demethylation of MeAsp and Mdha, and modification to the Adda side chain (15). We detected over 50 chemical variants of microcystins, and 20 of these variants had a relative intensity of over 10% in at least one of the analyzed samples (Table S2). However, the most interesting aspect is how the structure varied in lichens: d -Ala in position 1 is usually highly conserved, but in lichens it is often replaced by d -Leu. [Leu 1 ]MC-LR was reported only on a few occasions (16, 17). Furthermore, the amino acid Adda, unique to microcystin and nodularin, is often replaced by ADMAdda (О-ацетил-О-demethylAdda) in microcystins detected from lichens. In fact, only two lichen specimens had microcystins lacking both of these modifications.

Nodularin was detected from three lichen specimens collected from Argentina and Kenya. This was surprising, as nodularin has only been reported from the cyanobacterial genus Nodularia (18). An analogous compound motuporin has been isolated from the marine sponge Theonella swinhoei (19), but Nodularia or nodularin has never been reported to occur in lichens or in other terrestrial symbioses. The phylogenetic trees show that cyanobacterial 16S rRNA or mcyE gene sequences from nodularin-producing lichens did not group with those from Nodularia but were scattered among lichen-symbiotic Nostoc последовательности.

В mcyE sequences obtained from lichen specimens were highly variable, and even if some of the variability detected in the mcyE gene were to originate from more loosely associated epiphytic cyanobacteria and not from the main Nostoc symbiont, the remaining diversity is considerable. В mcyE gene was studied partly because it is involved in the synthesis of the peculiar amino acid Adda and in the formation of the bond between Adda and d -glutamate (20, 21). Adda and d -glutamate are essential for the toxicity of microcystins and vary very little between microcystin variants (22). В mcyE gene is also thought to be unaffected by horizontal gene transfer (21, 23). Consequently, it varies less than genes coding for other more variable amino acids in the molecule, and does not reflect the chemical variability of microcystins the strain produces. This explains why specimens with identical mcyE genotypes can have different microcystin compositions, but it makes the variability of the mcyE gene itself even more intriguing because it is at least partially independent from the variation of the chemical structures.

From an evolutionary perspective, the present high diversity of mcyE genes in lichen-symbiotic cyanobacteria may be partly explained by the effects of their symbiotic way of life and dispersal. When packaged into the propagules of symbiotically dispersing lichens, the Nostoc symbionts invariably experience a genetic bottleneck and their population is reduced to only a few trichomes (24 ⇓ –26). At the same time, the close association with a symbiotic host may promote the evolution of different traits from in free-living cyanobacteria (27). The recurrent bottlenecks and other lichen symbiont populations shaping effects (4, 5, 28) may explain the surprising genetic and chemical diversity we now observe.

From a physiological perspective, environmental variables such as temperature and light are known to affect the quantity of microcystins produced (6, 29), and Hrouzek and coworkers (14) recently suggested that the cytotoxicity of terrestrial Nostoc strains could vary between different climate regimes. In our present data, evidence of toxin production was most commonly found in lichen specimens from humid, temperate regions such as Argentina, Norway, Scotland, and Oregon. Fewer specimens with the mcyE gene and/or toxins were found from regions representing other climate types. For example, in cool temperate or boreal and arctic climates, the percentages of mcyE-positive specimens were only 9% and 8%, respectively, and in the tropical montane cloud forests of Kenya it was only 3%. However, more detailed studies with well-balanced taxon sampling are needed before any definite links between toxin production and geography can be proposed.

From an ecological point of view, microcystins and nodularin are known to have caused deaths of wild and domestic animals (6). In terrestrial ecosystems, cyanolichens represent a potential source of hepatotoxins for grazers, which might also introduce toxins into food chains. Many molluscs and arthropods, but also mammals such as voles, squirrels, snub-nosed monkeys, and ruminants, are known to feed on lichens (30 ⇓ ⇓ ⇓ –34). Mollusc grazing has been suggested to be the limiting ecological factor for some cyanolichens in boreal rain forests in Norway (31). Lichens are important winter feed for reindeer and caribou, which graze heavily on Cladonia species with green algal symbionts (35). Even though the relatively high nitrogen content of cyanolichens suggests a better nutritional value (36, 37), reindeer distinctly avoid eating cyanolichens even during starvation. Many lichen-forming fungi produce toxic secondary substances that play a role in defense against herbivores. Our results suggest that the cyanobacterial symbionts may also contribute to this chemical defense.

Even though microcystins should inhibit the protein phosphatases of all eukaryotes, no effects on the eukaryotic partners of cyanolichens have been identified. Possible effects on fungi in general are not known, and only a few studies have demonstrated negative effects on green algae at environmentally relevant concentrations (<50 μg L −1 ) (7, 38). On the other hand, if microcystin were to have detrimental effects on fungi, selection pressures toward host benefit in lichen symbioses might have played a role in directing evolution toward low toxicity, particularly if toxicity per se is only a secondary effect of the compounds produced by the cyanobacterial symbionts.

Finally, from a human perspective, cyanolichen species are still used in traditional medicine and eaten by humans in some parts of Asia (39). Один из Peltigera specimens analyzed in our study was obtained directly from a traditional medicine man in Hunan Province, China. Although we did not detect any microcystins from that specimen, a morphologically identical specimen from the same region did contain microcystins. Cyanobacteria are known to produce a diversity of biologically active peptides such as microcystins and nodularin (18), and perhaps the traditional use of cyanolichens is partly based on the effects caused by cyanobacterial secondary metabolites.

We conclude that lichens containing toxins of cyanobacterial origin are a global phenomenon. Lichens seem to have provided an important environment for the diversification of symbiotic cyanobacteria—presumably by compartmentalizing the symbionts into small vertically transmitted populations that are relatively susceptible to random events, disruptive selection, and genetic drift. Further studies will, we hope, help us to clarify reasons why toxin-producing Nostoc symbionts appear to be most common in lichens from humid, maritime climates, as well as many other interesting issues that lay hidden behind the vast genetic and chemical variation of lichen-associated hepatotoxins.


Toxic Cyanobacteria Bloom in the Virgin River and the Streams of Zion National Park

Cyanobacteria colonies like this will grow on rocks, sticks, and sand. Note the ribbed texture.

Updated June 2, 2021

Резюме

Since a reported pet fatality in July 2020, Zion National Park staff have been actively monitoring for the presence of harmful cyanobacteria and cyanotoxins in three major tributaries of the Virgin River within the park: North Fork of the Virgin River, North Creek, and La Verkin Creek. The Danger Advisory for the North Fork Virgin River has been downgraded to a Warning Advisory based on May 2021 monitoring results. During a Warning Advisory, visitors are advised to avoid swimming or submerging their heads in the water. North Creek retains a Warning Advisory based on the presence of cyanotoxins. La Verkin Creek retains a Health Watch based on the presence of harmful cyanobacteria which may produce cyanotoxins. Visitors should also avoid primary contact (i.e. swimming or submerging your head) with water in North Creek and La Verkin Creek. Visitors should not filter drinking water from any streams in the park until further notice. Toxin-producing cyanobacteria of the genera Microcoleus, Tychonema, а также Nostoc have been found in the North Fork of the Virgin River, North Creek, and La Verkin Creek. Colonies of cyanobacteria can be yellow, tan, green, brown, or black in color. Toxins detected in Zion NP include anatoxin-a, nodularin, and cylindrospermopsin.

How Does This Affect Your Visit?

Children are especially vulnerable to cyanotoxins - minimize risk by avoiding primary contact (i.e. swimming or submerging your head) with all waters in Zion NP.

Keep dogs on a leash while in Zion NP and out of the water. Dogs are vulnerable to cyanotoxin exposure as it is difficult to control how they interact with potentially toxic algal mats. More information about the danger to dogs from cyanotoxins can be found here.

Do not drink any instream water in Zion NP until further notice. There is no known recreational water filtration method that is effective at clearing water of cyanotoxins. If you must filter water for drinking while in the Wilderness, filter and disinfect water directly from a spring orifice.

Contact the Utah Poison Control Center at (800) 222-1222 with concerns about cyanotoxin poisoning and call 911 in the event of a medical emergency. Symptoms can include, but are not limited to, skin rash, salivation, drowsiness, tingling, burning, numbness, pain, incoherent speech, seizures, vomiting, and diarrhea.


Why/How do Cyanobacteria Produce Toxins? - Биология

The chart below shows the early events on the planet, including the formation of O2.

Цианобактерии

Cyanobacteria, also called blue-green algae, were among the earliest organisms on Earth. These primitive bacteria produce oxygen during photosynthesis as they fix CO2 dissolved in the water. Analysis of RNA and DNA for different organisms shows that all other photosynthetic organisms derived this ability from cyanobacteria through endosymbiosis. Chloroplasts are the remnants of these engulfed cyanobacteria. Photosynthesis was invented once.

Cyanobacteria also fix nitrogen and, although they make up only a tiny percentage of the ocean's biomass, they are the principle agent for nitrogen fixation. Organisms that make oxygen and fix nitrogen have a problem because the enzymes involved in N2 reduction are poisoned by oxygen. To get around the problem, the bacteria expel the oxygen they produce and divide their time in either photosynthesis or nitrogen fixation.

There are many mechanisms to separate O2 formation and N2 снижение. Триходесмий does photosynthesis in the day time but only does nitrogen fixation at night.

Early Life and Global Climate Change

.

Early life forms also produced CH4, N2O, CH3Cl, Me2S that had a major effect on global warming. In those early years, the sun was dimmer and didn't provide the solar flux we have today. Methane, produced by microorganisms was the major greenhouse gas. In the low oxygen conditions of the past, the atmospheric lifetime of methane was about 10,000 years instead of the 14 years it is today. The greenhouse effect warmed the surface of the planet and promoted an explosive growth of living things.

This simple organism changed the Earth. There was little free O2 until large quantities of cyanobacteria released it into the atmosphere 2.3 billion years ago. The large input of oxygen also oxidized the methane in the atmosphere, replacing it with CO2, a less potent greenhouse gas. For this reason, the first ice age coincided with the release of O2. The molecular oxygen also oxidized iron on the surface of the planet and created the red, oxidized iron deposits we can see beginning from that era.


Смотреть видео: Вопрос науки. Природные токсины: яды в нашей аптеке (February 2023).