Микроцистин
Цианотоксины, вырабатываемые сине-зелеными водорослями
Озеро Эри в октябре 2011 года во время интенсивного цветения цианобактерий [1] [2]

Микроцистины — или цианогинозины — это класс токсинов , вырабатываемых некоторыми цианобактериями, обычно известными как сине-зеленые водоросли . [3] На сегодняшний день обнаружено более 250 [4] различных микроцистинов, из которых наиболее распространенным является микроцистин-LR . Химически они представляют собой циклические гептапептиды, вырабатываемые посредством нерибосомальных пептидсинтаз . [5]

Цианобактерии могут производить микроцистины в больших количествах во время цветения водорослей , что затем представляет серьезную угрозу для запасов питьевой и оросительной воды, а также для окружающей среды в целом. [6] [7]

Характеристики

Химическая структура микроцистина-LR

Микроцистины (или цианогинозины) представляют собой класс токсинов [8], вырабатываемых некоторыми пресноводными цианобактериями ; в первую очередь Microcystis aeruginosa , но также и другими Microcystis , а также представителями родов Planktothrix , Anabaena , Oscillatoria и Nostoc .

Микроцистин-LR (т. е. X = лейцин, Z = аргинин) является наиболее токсичной формой из более чем 80 известных токсичных вариантов, а также наиболее изученной химиками, фармакологами, биологами и экологами. «Цветение», содержащее микроцистин, является проблемой во всем мире, включая Китай, Бразилию, Австралию, Южную Африку, [9] [10] [11] [12] [13 ] [14] [15] [16] США и большую часть Европы. Плотина Хартебиспурт в Южной Африке является одним из самых загрязненных мест в Африке, а возможно, и в мире.

Химия

Микроцистины имеют общую структурную структуру D-Ala 1 - X 2 - D-Masp 3 - Z 4 -Adda 5 -D-γ-Glu 6 - Mdha 7 , где X и Z являются вариабельными аминокислотами; систематическое название «микроцистин- XZ » (сокращенно MC- XZ ) затем присваивается на основе однобуквенных кодов (если они доступны; в противном случае используются более длинные коды) аминокислот. [4] Если молекула показывает какую-либо другую модификацию, различия указываются в квадратных скобках перед «MC». [4] Из них несколько являются редкими непротеиногенными аминокислотами : [ 17]

Механизм действия

Микроцистины ковалентно связываются с протеинфосфатазами PP1 и PP2A и ингибируют их, таким образом, вызывая панстеатит . [17] Остаток ADDA является ключом к этой функциональности: значительно упрощенные синтетические аналоги, состоящие из ADDA и одной дополнительной аминокислоты, могут демонстрировать ту же ингибирующую функцию. [19]

Факторы, влияющие на производство

Культура M. aeruginosa , фотосинтезирующей бактерии

Microcystis, продуцирующий микроцистин, является родом пресноводных цианобактерий и процветает в условиях теплой воды, особенно в стоячей воде. [7] В 2013 году Агентство по охране окружающей среды предсказало, что изменение климата и изменение условий окружающей среды могут привести к росту вредных водорослей и могут негативно повлиять на здоровье человека. [20] Рост водорослей также стимулируется процессом эвтрофикации (переизбытком питательных веществ). [7] В частности, растворенный реактивный фосфор способствует росту водорослей. [21] [ необходим лучший источник ]

Микроцистины могли развиться как способ борьбы с низким содержанием железа у цианобактерий: молекула связывает железо, и непродуцирующие штаммы значительно хуже справляются с низким уровнем железа. [22] Низкое содержание железа повышает активность McyD , одного из синтетических оперонов микроцистина. [23] Однако достаточное содержание железа все еще может повысить выработку микроцистина, улучшая фотосинтез бактерии, тем самым производя достаточное количество АТФ для биосинтеза MC. [24]

Выработка микроцистина также положительно коррелирует с температурой. [25] Яркий свет и красный свет усиливают транскрипцию McyD , но синий свет ее ослабляет. [26] Широкий спектр других факторов, таких как pH, также может влиять на выработку MC, но сравнение затруднено из-за отсутствия стандартных условий тестирования. [27]

Пути воздействия

Существует несколько путей воздействия этих гепатотоксинов, с которыми люди могут столкнуться, один из которых — через развлекательные мероприятия, такие как плавание, серфинг, рыбалка и другие виды деятельности, связанные с прямым контактом с загрязненной водой. [28] Другой редкий, но чрезвычайно токсичный путь воздействия, который был выявлен учеными, — через операции гемодиализа. Один из смертельных случаев микроцистной интоксикации через гемодиализ был изучен в Бразилии, где 48% пациентов, перенесших операцию в определенный период времени, умерли, потому что вода, использованная во время процедуры, оказалась загрязненной. [29]

Микроцистины химически стабильны в широком диапазоне температур и pH , возможно, из-за их циклической структуры. [30] Загрязнение воды микроцистином-LR устойчиво к кипячению и микроволновой обработке. [31] Цветение водорослей, продуцирующих микроцистин, может перегрузить фильтрационные возможности водоочистных сооружений. Некоторые данные показывают, что токсин может переноситься через орошение в пищевую цепь. [32] [33]

Озеро Эри цветет

В 2011 году в озере Эри произошла рекордная вспышка цветения микроцистиса , отчасти связанная с самой дождливой весной за всю историю наблюдений, что привело к расширению мертвых зон на дне озера, сокращению популяции рыб, загрязнению пляжей и нанесению ущерба местной туристической индустрии, которая ежегодно приносит более 10 миллиардов долларов дохода. [1]

В августе 2014 года город Толедо, штат Огайо, обнаружил небезопасные уровни микроцистина в своем водоснабжении из-за вредоносного цветения водорослей в озере Эри, самом мелком из Великих озер . Город выпустил предупреждение примерно для 500 000 человек о том, что вода небезопасна для питья или приготовления пищи. [34] [35] Целевая группа штата Огайо обнаружила, что озеро Эри получило больше фосфора, чем любое другое Великое озеро, как от сельскохозяйственных угодий, из-за методов ведения сельского хозяйства, так и из городских центров очистки воды. [21]

Район залива Сан-Франциско

В 2016 году микроцистин был обнаружен в морской воде у моллюсков в районе залива Сан-Франциско, по-видимому, из-за пресноводного стока, усугубленного засухой . [36]

Айова

В 2018 году Департамент природных ресурсов Айовы обнаружил микроцистины на уровне 0,3 мкг/л, или микрограммов на литр ( ppb ), в сырой воде 15 из 26 протестированных общественных систем водоснабжения. [37]

Орегон

В 2023 году Департамент качества окружающей среды штата Орегон (DEQ) и Управление здравоохранения штата Орегон выпустили предупреждение о цианобактериях для большей части реки Уилламетт , протекающей через Портленд . [38] Предупреждение коснулось Уилламетт от лагуны острова Росс до Кафедрального парка . [39] Тестирование, проведенное DEQ, показало уровень микроцистина в 549 ppb. [38]

Влияние на здоровье человека при воздействии

Микроцистины не могут быть расщеплены стандартными протеазами, такими как пепсин , трипсин , коллагеназа и химотрипсин , из-за их циклической химической природы. [30] Они гепатотоксичны , т. е. способны нанести серьезный вред печени . После попадания в организм микроцистин перемещается в печень через систему транспортировки желчных кислот, где большая его часть хранится, хотя некоторая часть остается в кровотоке и может загрязнять ткани. [40] [41] [ нужна страница ] Острые последствия для здоровья от Microcystin-LR включают боль в животе, рвоту и тошноту, диарею, головную боль, образование волдырей вокруг рта, а также боль в горле после вдыхания, сухой кашель и пневмонию. [42] [29]

Исследования показывают, что всасывание микроцистинов происходит в желудочно-кишечном тракте. [28] Кроме того, было обнаружено, что эти гепатотоксины подавляют активность белковых ферментов фосфатазы PP1 и PP2A, вызывая геморрагический шок, и, как было обнаружено, убивают в течение 45 минут в исследованиях на мышах. [43]

Похоже, что недостаточно информации для оценки канцерогенного потенциала микроцистинов с использованием Руководства EPA по оценке канцерогенного риска. Несколько исследований предполагают, что может существовать связь между раком печени и колоректальным раком и наличием цианобактерий в питьевой воде в Китае. [44] [45] [46] [47] [48] [49] Однако доказательства ограничены из-за ограниченной возможности точно оценить и измерить воздействие.

Регулирование

В США Агентство по охране окружающей среды выпустило рекомендации по охране здоровья в 2015 году. [50] Десятидневная рекомендация по охране здоровья была рассчитана для разных возрастов, которая считается защитой от неканцерогенных неблагоприятных последствий для здоровья в течение десятидневного воздействия микроцистинов в питьевой воде: 0,3 мкг/л для младенцев, находящихся на искусственном вскармливании, и детей дошкольного возраста и 1,6 мкг/л для детей школьного возраста и взрослых. [50] : 28–29 

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Майкл Уайнс (14 марта 2013 г.). «Весенний дождь, затем гнилые водоросли в больном озере Эри». The New York Times .
  2. ↑ Джоанна М. Фостер (20 ноября 2013 г.). «Озеро Эри снова умирает, и виноваты более тёплые воды и более влажная погода». ClimateProgress. Архивировано из оригинала 3 августа 2014 г. Получено 3 августа 2014 г.
  3. ^ "Цветение вредоносных водорослей, вызванное цианобактериями (CyanoHABs) и вода". Mass.gov . Получено 9 июня 2022 г. .
  4. ^ abcde Bouaïcha, Noureddine; Miles, Christopher; Beach, Daniel; et al. (7 декабря 2019 г.). «Структурное разнообразие, характеристика и токсикология микроцистинов». Токсины . 11 (12): 714. doi : 10.3390/toxins11120714 . PMC 6950048. PMID  31817927 . 
  5. ^ Ramsy Agha; Samuel Cirés; Lars Wörmer; Antonio Quesada (2013). «Ограниченная стабильность микроцистинов в олигопептидных композициях Microcystis aeruginosa (цианобактерий): последствия определения хемотипов». Токсины . 5 (6): 1089–1104 . doi : 10.3390/toxins5061089 . PMC 3717771. PMID  23744054 . 
  6. ^ Paerl HW, Huisman J (февраль 2009 г.). «Изменение климата: катализатор глобального расширения вредоносного цветения цианобактерий». Environmental Microbiology Reports . 1 (1): 27– 37. Bibcode : 2009EnvMR...1...27P. doi : 10.1111/j.1758-2229.2008.00004.x. PMID  23765717.
  7. ^ abc "Увеличение токсичности цветения водорослей, связанное с обогащением питательными веществами и изменением климата". Университет штата Орегон. 24 октября 2013 г.
  8. ^ Доусон, Р. М. (1998). "токсикология микроцистинов". Toxicon . 36 (7): 953– 962. doi :10.1016/S0041-0101(97)00102-5. PMID  9690788.
  9. ^ Брэдшоу Д., Гроенвальд П., Лаубшер Р. и др. (2003). «Первоначальные оценки бремени болезней для Южной Африки, 2000» (PDF) . Южноафриканский медицинский журнал . 93 (9). Кейптаун: Южноафриканский медицинский исследовательский совет: 682–688 . ISBN 978-1-919809-64-9. PMID  14635557. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-03 . Получено 2014-08-04 .[ нужна страница ]
  10. ^ Фатоки, О.С., Муйима, Н.Й.О. и Луджиза, Н. 2001. Анализ ситуации с качеством воды в водосборном бассейне реки Умтата. Water SA, (27) стр. 467–474.
  11. ^ Oberholster PJ, Botha AM, Cloete TE (2005). «Обзор токсичных пресноводных цианобактерий в Южной Африке с особым акцентом на риск, воздействие и обнаружение с помощью молекулярных маркеров». Biokemistri . 17 (2): 57– 71. doi :10.4314/biokem.v17i2.32590.
  12. ^ Oberholster PJ, Botha AM (2007). «Использование технологий на основе ПЦР для оценки риска зимнего цветения цианобактерий в озере Мидмар, Южная Африка». African Journal of Biotechnology . 6 (15): 14–21 .
  13. ^ Оберхолстер, П. 2008. Парламентский информационный документ о цианобактериях в водных ресурсах Южной Африки. Приложение «A» к отчету CSIR № CSIR/NRE/WR/IR/2008/0079/C. Претория. Совет по научным и промышленным исследованиям (CSIR).
  14. ^ Oberholster, PJ; Cloete, TE; van Ginkel, C.; et al. (2008). «Использование дистанционного зондирования и молекулярных маркеров в качестве ранних предупреждающих индикаторов развития цианобактериальной гиперкамчатки и генотипов, продуцирующих микроцистин, в гипертрофном озере Хартебиспурт, Южная Африка» (PDF) . Претория: Совет по научным и промышленным исследованиям. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-11.
  15. ^ Oberholster, PJ; Ashton, PJ (2008). «Отчет о состоянии страны: обзор текущего состояния качества воды и эвтрофикации в реках и водохранилищах Южной Африки» (PDF) . Претория: Совет по научным и промышленным исследованиям. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-08.
  16. ^ Turton, AR 2015. Загрязнение воды и бедные в Южной Африке. Йоханнесбург: Южноафриканский институт расовых отношений. http://irr.org.za/reports-and-publications/occasional-reports/files/water-pollution-and-south-africas-poor Архивировано 12.03.2017 в Wayback Machine
  17. ^ ab Барнетт А. Раттнер, Гленн Х. Олсен, Питер К. МакГоуэн, Бетти К. Акерсон и Мойра А. МакКернан. «Вредоносное цветение водорослей и гибель птиц в заливе Чесапик: потенциальная связь?». Центр исследований дикой природы Патаксента.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Кангур, К; Мерилуото, Дж; Спуф, Л; Таннер, Р (2005). «Гепатотоксичные пептиды цианобактерий в пресноводных водоемах Эстонии и прибрежных морских водах». Труды Эстонской академии наук. Биология. Экология . 54 (1): 40. doi : 10.3176/biol.ecol.2005.1.03 . S2CID  240466873.
  19. ^ Gulledge, Brian M; Aggen, James B; Eng, Hugo; et al. (сентябрь 2003 г.). «Аналоги микроцистина, состоящие только из adda и одной дополнительной аминокислоты, сохраняют умеренную активность в качестве ингибиторов PP1/PP2A». Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters . 13 (17): 2907– 2911. doi :10.1016/S0960-894X(03)00588-2. PMID  14611855.
  20. ^ "Влияние изменения климата на возникновение вредоносного цветения водорослей" (PDF) . EPA. 2013. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-08-07 . Получено 2014-08-03 .
  21. ^ ab Suzanne Goldenberg (3 августа 2014 г.). «Практика ведения сельского хозяйства и изменение климата являются причиной загрязнения воды в Толедо». The Guardian .
  22. ^ Ceballos-Laita, Laura; Marcuello, Carlos; Lostao, Anabel; et al. (2 мая 2017 г.). «Microcystin-LR Binds Iron, and Iron Promotes Self-Assembly». Environmental Science & Technology . 51 (9): 4841– 4850. Bibcode :2017EnST...51.4841C. doi :10.1021/acs.est.6b05939. PMID  28368104.
  23. ^ Севилья, Э.; Мартин-Луна, Б.; Вела, Л.; и др. (октябрь 2008 г.). «Доступность железа влияет на экспрессию mcyD и синтез микроцистина-LR в Microcystis aeruginosa PCC7806». Environmental Microbiology . 10 (10): 2476– 83. Bibcode : 2008EnvMi..10.2476S. doi : 10.1111/j.1462-2920.2008.01663.x. PMID  18647335.
  24. ^ Ван, X; Ван, П; Ван, К; и др. (7 сентября 2018 г.). «Связь между фотосинтетической способностью и продукцией микроцистина у токсичной Microcystis Aeruginosa при различных режимах содержания железа». Международный журнал исследований окружающей среды и общественного здравоохранения . 15 (9): 1954. doi : 10.3390/ijerph15091954 . PMC 6163392. PMID  30205471 . 
  25. ^ Дэвис, Тимоти В.; Берри, Дианна Л.; Бойер, Грегори Л.; Гоблер, Кристофер Дж. (июнь 2009 г.). «Влияние температуры и питательных веществ на рост и динамику токсичных и нетоксичных штаммов Microcystis во время цветения цианобактерий». Вредные водоросли . 8 (5): 715–725 . Bibcode : 2009HAlga...8..715D. CiteSeerX 10.1.1.467.411 . doi : 10.1016/j.hal.2009.02.004. 
  26. ^ Kaebernick, M; Dittmann, E; Börner, T; Neilan, BA (февраль 2002 г.). «Множественные альтернативные транскрипты направляют биосинтез микроцистина, цианобактериального нерибосомального пептида». Applied and Environmental Microbiology . 68 (2): 449– 55. doi :10.1128/AEM.68.2.449-455.2002. PMC 126702 . PMID  11823177. 
  27. ^ Пирсон, Л.; Михали, Т.; Моффитт, М.; Келлманн, Р.; Нейлан, Б. (10 мая 2010 г.). «О химии, токсикологии и генетике цианобактериальных токсинов, микроцистина, нодулярина, сакситоксина и цилиндроспермопсина». Marine Drugs . 8 (5): 1650–80 . doi : 10.3390/md8051650 . PMC 2885083. PMID  20559491. 
  28. ^ ab Funari E, Testai E. 2008. Оценка риска для здоровья человека, связанного с воздействием цианотоксинов. Критические обзоры в токсикологии. 38(2). 97–125
  29. ^ ab Azevedo, Sandra MFO, Wayne W Carmichael, Elise M Jochimsen, Kenneth L Rinehart, Sharon Lau, Glen R Shaw и Geoff K Eaglesham. 2002. «Интоксикация человека микроцистинами во время лечения почечным диализом в Каруару — Бразилия». Токсикология (Амстердам) 181. 441–446.
  30. ^ ab Somdee, Theerasak; Thunders, Michelle; Ruck, John; et al. (2013). «Деградация [Dha7]MC-LR бактерией, разрушающей микроцистин, выделенной из озера Ротоити, Новая Зеландия». ISRN Microbiology . 2013 : 1– 8. doi : 10.1155/2013/596429 . PMC 3712209. PMID  23936728 . 
  31. ^ Меткалф, Джеймс С.; Кодд, Джеффри А. (2000). «Извлечение гепатотоксинов из клеток цианобактерий в микроволновой печи и кипящей водяной бане». FEMS Microbiology Letters . 184 (2): 241– 246. doi : 10.1111/j.1574-6968.2000.tb09021.x . PMID  10713428.
  32. ^ Codd GA, Metcalf JS, Beattie KA (август 1999). «Удержание Microcystis aeruginosa и микроцистина салатом-латуком (Lactuca sativa) после орошения распылением воды, содержащей цианобактерии». Toxicon . 37 (8): 1181– 5. doi :10.1016/S0041-0101(98)00244-X. PMID  10400301.
  33. ^ Абэ, Тошихико; Лоусон, Трейси; Вейерс, Джонатан ДБ; Кодд, Джеффри А. (август 1996 г.). «Микроцистин-LR подавляет фотосинтез первичных листьев Phaseolus vulgaris: последствия для современной практики орошения распылением». New Phytologist . 133 (4): 651– 8. doi : 10.1111/j.1469-8137.1996.tb01934.x . JSTOR  2558683.
  34. ^ "Цветение водорослей оставляет 500 000 человек без питьевой воды на северо-востоке Огайо". Reuters . 2 августа 2014 г.
  35. ^ Рик Джервис, USA TODAY (2 августа 2014 г.). «Токсины загрязняют питьевую воду на северо-западе Огайо». USA Today .
  36. ^ Джон Рафаэль ОСТОРОЖНО: Высокий уровень пресноводного токсина обнаружен в моллюсках из залива Сан-Франциско 28 октября 2016 г. Новости мира природы
  37. ^ Кейт Пейн. Цветение токсичных бактерий влияет на водные системы по всей Айове, показывают исследования DNR. 1 ноября 2018 г. Национальное общественное радио
  38. ^ ab "Орегонский орган здравоохранения: Текущие рекомендации по цианобактериям: Цветение цианобактерий: штат Орегон". www.oregon.gov . Получено 26.08.2023 .
  39. ^ «Пловцам и лодочникам следует избегать токсичных водорослей в реке Уилламетт и на острове Сови». Округ Малтнома . 13.08.2023 . Получено 26.08.2023 .
  40. ^ Фалконер, Ян Р. (1998). «Водорослевые токсины и здоровье человека». В Hrubec, Йиржи (ред.). Качество и очистка питьевой воды II . Справочник по химии окружающей среды. Том 5 / 5C. С.  53–82 . doi :10.1007/978-3-540-68089-5_4. ISBN 978-3-662-14774-0.
  41. ^ Фалконер, И.Р. 2005. Цианобактериальные токсины в питьевой воде: цилиндроспермопсины и микроцистины. Флорида: CRC Press. 279 страниц.
  42. ^ Какие риски для здоровья человека возникают в результате воздействия цианотоксинов? EPA, получено 12 ноября 2018 г.
  43. ^ Carmichael, WW 1992. Вторичные метаболиты цианобактерий: цианотоксины. J. Appl. Bacteriol. 72, 445–459
  44. ^ Humpage AR, Hardy SJ, Moore EJ, et al. (октябрь 2000 г.). «Микроцистины (токсины цианобактерий) в питьевой воде усиливают рост аберрантных очагов крипт в толстой кишке мыши». Журнал токсикологии и охраны окружающей среды, часть A. 61 ( 3): 155– 65. Bibcode : 2000JTEHA..61..155A. doi : 10.1080/00984100050131305. PMID  11036504. S2CID  220439112.
  45. ^ Ito E, Kondo F, Terao K, Harada K (сентябрь 1997 г.). «Неопластическое узелковое образование в печени мышей, вызванное повторными внутрибрюшинными инъекциями микроцистина-LR». Toxicon . 35 (9): 1453– 7. doi :10.1016/S0041-0101(97)00026-3. PMID  9403968.
  46. ^ Нишиваки-Мацушима Р., Нишиваки С., Охта Т. и др. (сентябрь 1991 г.). «Структурно-функциональные связи микроцистинов, промоторов опухолей печени, во взаимодействии с протеинфосфатазой». Японский журнал исследований рака . 82 (9): 993– 6. doi :10.1111/j.1349-7006.1991.tb01933.x. PMC 5918597. PMID  1657848. 
  47. ^ Ueno Y, Nagata S, Tsutsumi T и др. (июнь 1996 г.). «Обнаружение микроцистинов, гепатотоксина сине-зеленых водорослей, в питьевой воде, отобранной в Хаймене и Фусуи, эндемичных районах первичного рака печени в Китае, с помощью высокочувствительного иммуноанализа». Канцерогенез . 17 (6): 1317– 21. doi : 10.1093/carcin/17.6.1317 . PMID  8681449.
  48. ^ Yu SZ (1989). «Питьевая вода и первичный рак печени». В ZY Tang; MC Wu; SS Xia (ред.). Первичный рак печени . Нью-Йорк: China Academic Publishers. стр.  30–7 . ISBN 978-0-387-50228-1.
  49. ^ Чжоу Л., Ю Х., Чэнь К. (июнь 2002 г.). «Связь между микроцистином в питьевой воде и колоректальным раком». Биомедицинские и экологические науки . 15 (2): 166–71 . PMID  12244757.
  50. ^ ab Рекомендации по качеству питьевой воды для цианобактериальных микроцистинов, токсинов Агентства по охране окружающей среды США, Управление водных ресурсов, Номер документа EPA: 820R15100, 75 стр., 15 июня 2015 г.

Дальнейшее чтение

  • Национальный центр оценки окружающей среды. Токсикологические обзоры токсинов цианобактерий: микроцистины LR, RR, YR и LA (NCEA-C-1765)
  • Вредное цветение водорослей (EPA), дата получения 12 ноября 2018 г.
  • Сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и их токсины (Министерство здравоохранения Канады)
  • Токсичные цианобактерии в воде: руководство по их последствиям для общественного здравоохранения, мониторингу и управлению (ВОЗ)
  • Цианобактерии и цианотоксины: информация для систем питьевой воды (EPA)
  • Цианобактерии — проблема далеко не только Толедо Автор: Карл Циммер, 7 августа 2014 г. (The New York Times)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микроцистин&oldid=1263460691"