CC BY
770
АСТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№ 1 (27) 2014. с. 68-80.
УДК 582.232
РАЗНООБРАЗИЕ ТОКСИНОВ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
Людмила Николаевна Волошко Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН [email protected] Александр Васильевич Пиневич
Санкт-Петербургский государственный университет
Цианобактерии, разнообразие токсинов, токсинообразование, биодеградация
Цианобактериальные токсины представляют значительный интерес, как для фундаментальных исследований, так и для решения проблем здоровья человека и сохранения водных ресурсов. В современных условиях многое зависит от эффективного внедрения базовых знаний по экофизиологии и токсикологии цианобактерий в практику охраны водных ресурсов и защиты здоровья. В обзоре обсуждаются проблемы разнообразия токсинов цианобактерий, а также вопросы, связанные с влиянием факторов среды на токсинообразование, биодеградацией и ролью токсинов в природе. Особое внимание уделяется биологически активным соединениям, опасным для человека и животных, а также интересным для медицины как источник различных фармацевтических препаратов.
DIVERSITY OF THE CYANOBACTERIAL TOXINS
Ludmila N. Voloshko Komarov Botanical Institute RAS [email protected] Alexander V. Pinevich St. Petersburg State University
Сyanobacteria, toxin diversity, toxin production, biodegradation
Cyanobacterial toxins present significant interest in fundamental research, in health protection of water-users and in conservation of water resources and habitats. Much now depends on the translation of basic knowledge in cyanobacterial ecophysiology and toxicology into practical use for the protection of water resources and health. The review focuses on the compounds that impact upon humans and livestock, either as toxins or as pharmaceutically useful substances. The classifiation of cyanotoxins, their role in nature, the effects of environmental factors on toxin biosynthesis by cyanobacteria, and the problems of toxin biodegradation are discussed.
В условиях растущего антропогенного загрязнения водоемов массовое развитие цианобактерий приобретает глобальный характер (Carmichael, 1994). Цианобактериальные цветения стали обычным явлением в водоемах Северной Европы (Skulberget al., 1984; Sivonen et al., 1990; Carmichael, 1994; Gromov et al., 1996; Skulberg et al., 1996; Белякова и др., 2006; Волошко и др., 2008; Voloshko et al., 2008a, b; 2010). Цианобактерии являются источником разнообразных вторичных метаболитов, в том числе токсинов и ингибиторов ферментов. Токсичные цветения могут вызывать тяжелые отравления у животных и представлять опасность для здоровья людей (Codd et al., 2005). Сообщалось об острых отравлениях токсинами цианобактерий (микроцистинами) сотен пациентов хемодиализного центра в Бразилии, из которых 52 погибли (Jochimsen et al., 1998). Экономические потери от массового развития цианобактерий включают расходы на устранение неприятного вкуса и запаха питьевой воды и очистку воды от токсинов.
Было показано, что некоторые вторичные метаболиты цианобактерий могут быть использованы в качестве медицинских препаратов (Sivonen, Jones, 1999). Уже сейчас биологически активные вещества некоторых микроорганизмов используются в косметической,
пищевой и фармацевтической промышленности. Но этот процесс еще в начальной стадии, из 30 тыс. видов микроводорослей и цианобактерий используются не более 50 видов. Поиск новых перспективных объектов представляется актуальной задачей современной биологии. В связи с высокой опасностью загрязнения водоемов продуктами метаболизма цианобактерий и необходимостью проведения эффективного экологического мониторинга цианобактериальных цветений представляется необходимым представить обзор современных публикаций по этому вопросу.
Классификация токсинов
Цианобактерии синтезируют широкий спектр токсинов, которые можно разделить с учетом скрининга их активности на две группы: биотоксины и цитотоксины. При тестировании биотоксинов обычно используются водные беспозвоночные или небольшие позвоночные животные, такие, как мыши. По химической структуре и направленности действия биотоксины подразделяются на две группы — гепатотоксичные циклические пептиды и нейротоксичные алкалоиды. Первые из них еще называют «факторами быстрой смерти», вызывающими гибель лабораторных животных (мышей) в течение 1—4 ч; вторые — «факторами очень быстрой смерти» (гибель в течение 2—30 мин).
Таблица 1.
___________________Основные группы цианобактериальных токсинов и их свойства__________
Токсины Число структурных вариантов Химическая структура и биологическая активность Токсигенные роды
Гепато токсины
Микроцистины >100 Циклические гептапептиды; гепатотоксичность, ингибиторы протеинфосфатаз, нарушают целостность цитоплазматической мембраны, канцерогены Anabaena Anabaenopsis Hapalosiphon Nostoc Microcystis Oscillatoria Planktothrix
Нодулярины 9 Цикличе ские пентапептиды; гепатотоксины, ингибиторы протеинфосфатаз, нарушают целостность цитоплазматической мембраны, канцерогены Nodularia
Цилиндроспермопсин 3 Гуанидиновый алкалоид; некротические повреждения печени (а также почек, селезенки, легких, кишечника), ингибитор синтеза белка, генотоксичный Anabaena Aphanizomenon Cylindrospermopsis Umerzakia
Нейротоксины
Анатоксин-а и Гомоанатоксин-а 5 Алкалоиды; ингибируют ацетилхолинэстеразу Anabaena Aphanizomenon Oscillatoria Phormidium
Анатоксин-а(с) 1 Алкалоид, ингибитор ацетилхолинэстеразы Anabaena
Сакситоксины 20 Карбаматные алкалоиды; блокируют натриевые каналы Anabaena Aphanizomenon Cylindrospermopsis Lyngbya Planktothrix
Дерматотоксины и цитотоксины
Лингбиатоксин-а 1 Алкалоид, воспалительный агент, активирует протеинкиназу С Lyngbya OsOscillatoria ScSchizothrix
Аплисиатоксины 2 Алкалоиды; воспалительные агенты, активируют протеинкиназу С • 2 * <з С С ^ ^ о О ^
Эндотоксины
Липополисахариды Большое разнообразие Липополисахариды, воспалительные агенты, раздражают желудочно-кишечный тракт Все цианобактерии?
Цитотоксины влияют на отдельные функции клеток, в частности ингибируют ферменты, но не убивают многоклеточный организм. Активность цитотоксинов исследуют на культивируемых линиях клеток млекопитающих, часто на опухолевых клетках. Некоторые
цитотоксины убивают водоросли и бактерии. Те их них, которые атакуют опухолевые клетки и вирус иммунодефицита, могут использоваться с фармакологическими целями.
По химической структуре токсины цианобактерий делятся на три основные группы: пептиды (циклические и линейные), алкалоиды и липополисахариды (Табл. 1). Первые и вторые являются вторичными метаболитами, т.е. не участвуют в генеральном метаболизме. Третьи представляют собой структурные компоненты наружной клеточной мембраны.
Токсины обладают нейротоксичностью, иммунотоксичностью, генотоксичностью и мутагенностью, канцерогенностью, эмбриотоксичностью и дерматотоксичностью (Sivonen, Jones, 1999).
Гепатотоксичные циклические пептиды микроцистины и нодулярины. К
циклическим пептидам относятся гепто- и пентапептиды - микроцистин и нодуларин. Циклические пептиды - это сравнительно стабильные продукты с молекулярной массой 8001100 Да, что значительно меньше по сравнению с большинством олиго - и полипептидов (>10 кДа). Они содержат 5 (нодулярины) или 7 (микроцистины) аминокислот. После присоединения двух С-терминальных аминокислот линейный пептид формирует циклическое соединение. Циклические пептиды водорастворимы и в то же время способны проникать через липидные мембраны животных, растений и бактерий. Они содержатся внутри клеток и освобождаются при их лизисе.
Микроцистины (Рис. 1 А) являются наиболее широко распространенными токсинами (Mez et al., 1997). Они называются так, поскольку были изолированы впервые из цианобактерии Microcystis aeruginosa (Carmichael, 1997). Первая химическая структура микроцистина была описана в 1980 г., и в настоящее время количество известных вариантов этого токсина значительно возросло. Микроцистины идентифицированы у планктонных пресноводных видов, принадлежащим к родам Anabaena, Microcystis, Planktothrix, Nostoc и Anabaenopsis, а также у наземного Hapalosiphon (Carmichael, 1994). Это циклические гептапептиды с основной структурой:
cyclo-(D-Ala\-X2-D-MeAsp3-Z4- Adda5-D-Glu6-Mdha7), где
X и Z — вариабильные L-аминокислоты (X - L-Leu и Z - L-Arg);
D-MeAsp3 — D-эритро—метиласпарагиновая кислота;
Mdha — N-метилдегидроаланин;
Adda — 3-амино-9-метокси-2,6,8-триметил-10-фенилдека-4,6-диеноевая кислота (наиболее необычная структура в группе цианобактериальных циклических пептидов);
Ala - аланин, Leu - лейцин, Arg - аргинин, Glu - глутамат.
D-Asp
0
Рис. 1. Циклические пептиды: микроцистины и нодулярины.
А - структура микроцистинов. X и Z = вариабильные L аминокислоты [у микроцистина-LR: X = L-лейцин (L) и Z = L-аргинин (R)]; R1 и R2 - H (демитилмикроцистин) или CH3; D-MeAsp - D-эритро-р-метиласпарагиновая кислота; Adda - (2S, 3S, 8S, 98)-3-амино-9-метокси-2,6,8-триметил-10-фенил-дека-4,6-диеноевая кислота; Mdha -N-метилдегидроаланин (Dha- дегидроаланин).
Б - структура нодуляринов (Z = L-аргинин) и мотупорина (Z = L-валин). Mdhb - N-метил-дегидробуторин, R1 = CH3 (по: Sivonen, Jones, 1999)
Структурные варианты были описаны для всех семи аминокислот, но более частые замещения отмечены в L-аминокислотах (2 и 4), а также происходит деметилирование (3 и 7). В настоящее время описано > 100 структурных вариантов микроцистинов в цветениях и изолированных лабораторных штаммах. Наибольшее распространение из микроцистинов имеют микроцистины -LR, -RR и -YR, которые могут присутствовать все сразу или по отдельности. Наиболее токсичен микроцистин-LR, для поисков которого разработаны специальные методы. Сообщается, что он встречается в Японии (вместе c -RR и -YR), Португалии, Франции, Канаде и других странах ( Sivonen, Jones, 1999).
Нодулярины (Рис. 1 Б). Пентапептид нодулярин найден только у Nodularia. Нодуларин, как и микроцистин, проявляет гепатотоксичность через ингибирование активности протеинфосфатаз 1 и 2А и обладает канцерогенными свойствами (Namikoshi, Rinehart, 1996). Молекулярная масса известных нодуляринов составляет 810-838 Да (Sivonen et al., 1990a, b).
Химическая структура нодулярина:
сydo-(D-MeAsp1,-L-Arg2- Adda3 -D-Glu4-Mdhb5), где
Mdhb - 2-(метиламино)-2-дегидромасляная кислота.
Выявлены несколько вариантов нодуляринов: два деметилированных, где DMAdda3 замещает Adda3, и нетоксичный нодулярин, который является 6-стереоизомером Adda3 (Namikoshi et al., 1994). У морской губки Theonella swinhoei найден аналог нодулярина, названный мутопорином. Он отличается от нодулярина только одной аминокислотой -гидрофобный L-валин замещает полярный L-аргинин (de Silva et al., 1992). Токсин явно
цианобактериального происхождения, поскольку губка содержит цианобактерии в качестве симбионтов.
Нодулярины распространены в солоноватых водах: в Балтийском море, водоемах Австралии и Новой Зеландии, где цветения воды вызываются Nodularia spumigena. Показано, что основная роль в токсичности микроцистинов и нодуларинов объясняется их циклической структурой, поскольку линейные пептиды с тем же составом не проявляют биологической активности в отношении тест-объектов — мышей (Namikoshi, Rinehart, 1996). Токсичность нодуляринов и микроцистинов для млекопитающих вызвана способностью связываться с ключевыми ферментами — протеинфосфатазами. В результате ингибирования последних происходит гиперфосфорилирование белков цитоскелета клеток печени, что приводит к гибели гепатоцитов, скоплению крови в печени и смерти животного от геморрагического шока. Недавние исследования показали, что именно регион Adda -глутамат является ключевым для взаимодействия с фосфатазами и, следовательно, важнейшим для токсичности этих соединений. По патологическому эффекту и химическим свойствам микроцистин близок к термостабильному токсину бледной поганки (Carmichael, 1997). ЛД50 микроцистинов и нодуляринов для мышей колеблется в пределах 50-300 мкг-кг-1. Самым токсичными считаются микроцистины -LR и -LA с ЛД50 50 мкг-кг-1, а наименее токсичен микроцистин -RR с ЛД50 1000 мкг-кг-1. Линейные микроцистины и нодулярины в 100 раз менее токсичны по сравнению с их циклическими эквивалентами. Возможно, они являются продуктами бактериального разрушения токсинов. Всемирная организация здоровья (ВОЗ) временно установила допустимую концентрацию микроцистинов в воде — 1 мкг-л-1 (Rantala et al., 2004).
В то же время, поскольку гепатотоксины воздействуют на цитоскелет, они могут быть использованы в фундаментальных цитологических исследованиях. Известно, что эти токсины ингибируют фосфатазы 1 и 2а, и поэтому с их помощью можно изучать механизм действия этих ферментов, например, использовать их в качестве зондов. Определив аминокислотную последовательность фосфатаз, можно выявить нуклеотидную последовательность соответствующих генов и изолировать последние с целью изучения их регуляции (Carmichael, 1994).
Нейротоксичные алкалоиды — анатоксины и сакситоксины. Массовое развитие нейротоксичных цианобактерий отмечено главным образом в Северной Америке, но также они встречаются в Европе и Австралии. Нейротоксины нарушают функцию нервной системы и вызывают смерть мышей в течение нескольких минут из -за паралича дыхательных мышц.
Известны три семейства нейротоксинов:
— анатоксин-a и гомоанатоксин -a, действие которых подобно эффекту ацетилхолина;
— анатоксин^с), который является ингибитором холинэстеразы;
— сакситоксины, паралитические токсины моллюсков (PSP), которые блокируют натриевые каналы.
Рис. 2. Цианобактериальные нейротоксины: А - анатоксин-а; Б - гомоанатоксин-а; В - анатоксин-а(с); Г -сакситоксин (по: Sivonen, Jones, 1999)
Алкалоидные токсины - широкая группа гетероциклических азотистых соединений, имеющих кольцевые структуры, по крайней мере, с одной C-N связью, молекулярной массой < 1 кДа.
Анатоксин-а (Рис. 2 А) - низкомолекулярный алкалоид (165 Да), вторичный амин, 2 -ацетил-9-азабицикло(4-2-1)-нон-2-ен (Devlin et al., 1977). Анатоксин-а синтезируется разными видами Anabaena, Planktothrix, Aphanizomenon и Cylindrospermopsis. ЛД 50 анатоксина -a - 200250 мкгкг-1 (Skulberg et al., 1992) Анатоксин -a не разрушается ацетилхолинэстеразой. Он имитирует действие ацетилхолина и способен сверхстимулировать мышечные клетки, что вызывает мышечное истощение, судороги, конвульсии и удушье из-за аноксии в клетках мозга. К сожалению, противоядия анатоксину-a не существует. Единственный практический путь — это найти альтернативный нетоксичный источник воды.
Гомоанатоксин-а (Рис. 2 Б) — кетонный аналог анатоксина-а, выделен из штамма Oscillatoria formosa (Skulberg et al., 1992). ЛД50 гомоанатоксина -а - 200-250 мкг-кг-1, молекулярная масса 179 Да (Carmichael et al., 1990). Пути его биосинтеза изучены и сам токсин синтезирован. Синтетическому гомоанатоксину -а найдено применение в производстве радиоактивно меченных никотиновых лигандов (Carmichael, 1997).
Анатоксин-а(с) (Рис. 2 В) — сильный органофосфатный ингибитор ацетилхолинэстеразы, синтезируемый штаммами Anabaena flos-aque и A. lemmermannii (252 Да) (Carmichael et al., 1994; 1997). Данный вариант анатоксина вызывает избыточное слюноотделение и кровавое слезотечение у позвоночных, ЛД50 20 мкг-кг-1 (Carmichael et al., 1997). Этот пока единственный природный органофосфат с инсектицидным действием и на его основе могут быть созданы пестициды нового поколения. Дело в том, что синтетические органофосфаты, используемые уже давно, растворяются в липидах и имеют тенденцию накапливаться в клеточных мембранах различных органов человека и животных. В отличие от них анатоксин -а(с) растворяется в воде и, следовательно, более подвержен биодеградации. С другой стороны, он труднее проникает через богатые липидами кутикулы и экзоскелет насекомых. Взяв за основу структуру анатоксина-а(с) можно было бы синтезировать вещество, обладающее минимальной
способностью накапливаться в тканях позвоночных, но с сильным эффектом в отношении вредителей сельского хозяйства.
Сакситоксины (Рис. 2 Г) — это группа алкалоидных нейротоксинов, которые или или несульфатированы (сакситоксины — STX), или содержат одну (гониатоксины — GTX), или две (C-токсины) сульфатные группы. Сакситоксины — разнообразная группа гетероциклических азотных соединений, содержащих кольцевые структуры, по крайней мере, с одной C-N связью и молекулярной массой < 1 кДа. Это одни из самых сильнодействующих цианобактериальных токсинов, имеющие ЛД50 10 мкг-кг-1 (Carmichael et al., 1997). Хотя сакситоксины найдены у пресноводных цианобактерий Anabaena circinalis, Aphanizomenon flos-aquae, Cylindrospermopsis raciborskii, Lyngbya wollei и Planktothrix agardhii, эти токсины более широко распространены у динофлагеллят, морских водорослей, вызывающих «красные приливы». Сакситоксины блокируют нервные волокна, ингибируя натриевые каналы и выделение ацетилхолина, но не влияют на проницаемость для катионов К+ и мембранный потенциал. Сакситоксины разрушают нейро-мышечный контакт. Они аккумулируются в пищевой цепи моллюсков и являются причиной паралитического отравления при их потреблении человеком (PSP). Сакситоксины широко распространены в водоемах, однако недостаток аналитических методов ограничивает их обнаружение.
Цитотоксичные алкалоиды
Цилиндроспермопсин — гепатотоксичный гуанидиновый алкалоидный цитотоксин (415 Да), который синтезируется тропическими видами из рода Anabaena, Cylindrospermopsis raciborskii и Umerzakia natans, а также Aphanizomenon ovalisporum (Sivonen, Jones, 1999). Он действует преимущественно на печень, хотя может вызывать патологические изменения в почках, селезенке и сердце. Цилиндроспермопсин стал причиной отравления 140 человек в Австралии. При его внутрибрюшинной инъекции (ЛД50 2.1 мг-кг -1) мыши погибали в течение 24 ч (Carmichael, 1994).
Дерматоксичные алкалоиды (аплисиатоксин и лингбиатоксин)
Цианобактерии из родов Cylindrospermopsis, Lyngbya, Oscillatoria и Schizothrix могут продуцировать токсины — аплисиатоксин и лингбиатоксин, являющиеся активаторами протеинкиназы С. Они вызывают острые дерматиты у купающихся и способствуют возникновению опухолей (Fujuki et al., 1990). Лингбиатоксин, полученный из Lyngbya majuscula, вызывает также тяжелые воспаления кишечного тракта.
Ирритантные токсины — липополисахариды (LPS)
LPS являются эндотоксинами и входят в состав оболочки грамотрицательных бактерий, в том числе цианобактерий, где они формируют комплексы с белками и фосфолипидами. Они пирогенны и токсичны; могут вызывать кожные раздражающие и аллергические реакции у людей и животных (Weckesser, Drews, 1979). Ирритантный эффект дает жирная кислота, входящая в состав их главного компонента — липидов.
Прочие низкомолекулярные биологически активные пептиды
Цианобактерии синтезируют биологически активные вещества, токсичные для других бактерий, водорослей и зоопланктона, которые в то же время могут быть основой медицинских препаратов с антиопухолевым, антивирусным, антибиотическим и антифунгальным эффектом (Sivonen, Jones, 1999). Среди них можно отметить депсипептиды (пептиды со сложной эфирной связью), циклические и линейные пептиды. Хотя некоторые из них являются ингибиторами протеаз, их биологическая активность еще неизвестна.
Циклические депсипептиды (криптофицины), содержащие 3-амино-6-гидрокси-2-пиперидон (Ahp), были выделены из токсичных и нетоксичных штаммов Microcystis, Oscillatoria, Anabaena и Nostoc. Ряд соединений этого класса не являются биологически активными, но некоторые из них оказывают ингибирующие воздействие на сериновые протеазы и тирозиназы (Namikoshi, Rinehart, 1996). Криптофицины, изолированные из Nostoc sp. —многообещающие кандидаты на роль антираковых препаратов (Trimurtulu et al., 1995). К числу циклических депсипептидов относятся анабенопептилиды, микропептины,
микроцистилиды, осциллопептины, цианопептолины, эругинопептины и др. (Namikoshi, Rinehart, 1996).
Микровиридины — трициклические депсипептиды, впервые были выделены из токсичного штамма Microcystis viridis (1665-1838 Да). Они являются ингибиторами тирозиназы и эластазы (Namikoshi, Rinehart, 1996).
Эругинозины — класс линейных депсипептидов с уникальным аминокислотным участком (2-карбокси-6-гидрокси-октагидроиндол), которые ингибируют сериновые протеазы. Известны семь вариантов эругинозинов (1022-1149 Да) (Namikoshi, Rinehart, 1996). Эругинозины продуцируют токсичные и нетоксичные штаммы Microcystis.
Анабенопептины — девятнадцатичленные циклические пептиды (10 вариантов), синтезируемые токсичными штаммами Anabaena, Oscillatoria, Nodularia spumigena и Microcystis (Namikoshi, Rinehart, 1996). Так, например, Anabaena flos-aquae NRC 525-17 синтезирует анабенопептины А и В (843 и 836 Да) наряду с микроцистинами и анатоксином -а(с). Уникальной структурной чертой данных соединений является наличие уреидо-группы и -амидной связи между D-лейцином и С-терминальным L-фенилаланином (Namikoshi, Rinehart, 1996).
Микрогинины — линейные пептиды, впервые выделенные из нетоксичного штамма M. aeruginosa (574-930 Да). Они ингибируют различные ферменты — протеазы и ангиотензиназу (ЛК50 7 мкгмл-1). Помимо обычных -аминокислот, в их состав входит -аминокислота (Namikoshi, Rinehart, 1996).
Распространение токсинов
Цианобактериальные цветения воды распространены по всему миру, особенно часто отмечаются гепатотоксичные цветения; нейротоксичные цветения встречаются реже. Тем не менее, имеются сообщения о нейротоксичных цветениях в водоемах Австралии, Европы и Северной Америки (Sivonen, Jones, 1999). В настоящее время известно свыше 40 видов потенциально токсигенных цианобактерий (Skulberg, 1993). Однако в лабораторных условиях обнаружено, что они могут включать как токсигенные, так и нетоксигенные штаммы. Информация по концентрации цианотоксинов в поверхностных водах появилась в литературе недавно. В ранних исследованиях (до 1980 г.) токсичность цветений определялась с использованием тестов на мышах, но этот метод неудобен для вычисления низких концентраций цианотоксинов. Использование новых, более точных хроматографических методов, в первую очередь хроматографии высокого давления (HPLC) и иммуносорбентного анализа (ELISA), а также тестов на протеинфосфатазы для микроцистинов и нодуляринов позволило оценить как общее количество токсинов, так и содержание их отдельных представителей. Самые высокие концентрации цианотоксинов (мг-кг-1 биомассы) обнаружены с помощью метода HPLC в пресных водах следующих стран (Sivonen, Jones, 1999):
- микроцистин, 7300 (Китай, Португалия);
- нодулярин, 18000 (Балтийское море);
- цилиндроспермозин, 5500 (Австралия);
- анатоксин-а, - 4400 (Финляндия);
- анатоксин-а(с), 3300 (США);
- сакситоксины, 400 (Австралия).
Регуляция токсинообразования факторами среды
Лабораторные опыты показывают, что при оптимальных условиях роста микроцистины и нодулярины остаются внутри клетки. Количество микроцистина в культуре увеличивается в течение логарифмической фазы, особенно на ее поздней стадии. Максимальная концентрация анатоксина-а была выявлена именно в логарифмической фазе роста (Sivonen, 1996; Watanabe,
1996). Состав микроцистинов отдельного штамма обычно постоянен, но соотношение их может меняться со временем или при изменении условий культивирования (свет, температура).
Экологические факторы среды изменяют содержание токсинов у цианобактерий, но не более чем на порядок. Большинство исследователей указывают, что цианобактерии производят наибольшее количество токсинов при условиях, наиболее благоприятных для роста (Sivonen, Jones, 1999). Например, отдельные виды цианобактерий имеют разные потребности в свете: Plankthotrix предпочитает для роста его низкую интенсивность, Anabaena — среднюю, а Aphanizomenon — высокую. Все эти штаммы производят наибольшее количество токсина при оптимальных световых условиях роста. При неблагоприятных условиях синтез токсина может снижаться в 2-3 раза (Sivonen, Jones, 1999). Содержание токсина зависит от температуры роста. Оно было наиболее высоким при 18оС и 25оС, в то время как при низких (10оС) и высоких (30оС) температурах концентрация токсина снижалась в 2-3 раза (Sivonen, Jones, 1999). Отмечено, что в экспериментах с мышами цианобактерии проявляли наибольшую токсичность при высоких и низких значениях рН (Van der Westhurizen, Elloff, 1983). При высоких концентрациях фосфора в среде гепатотоксичные штаммы производили в 3 -4 раза больше микроцистинов, но на синтез анатоксина-а фосфор не оказывал подобного действия. В полевых исследованиях была найдена положительная корреляция между содержанием микроцистина -LR в клетках Microcystis aeruginosa и концентрацией фосфора (Kotak et al., 1995). Сходная зависимость между содержанием микроцистина-LR и концентрацией фосфора в среде обнаружена в цветениях, вызванных Microcystis spp. (Lahti et al., 1997). У неазотфиксирующих видов, принадлежащих родам Microcystis и Oscillatoria, токсинообразование выше в среде с более высоким содержанием азота. У азотфиксирующих цианобактерий синтез токсина не зависел от содержания азота (Rapala et al., 1993). Данные по влиянию железа на токсинообразование противоречивы (Utkelen, Gjolme, 1995; Lyck et al., 1996). При изучении влияния микроэлементов на рост и содержание токсинов Microcystis aeruginosa было найдено, что только цинк способствовал росту и токсинообразованию (Lukac, Aegerter, 1993).
Деградация токсинов
Четыре группы цианотоксинов: микроцистины, анатоксины, сакситоксины и
цилиндроспермозины обладают разной химической стабильностью и разной биологической активностью в водном растворе.
Микроцистины, будучи циклическими пептидами, наиболее устойчивы к химическому гидролизу или окислению при нейтральных значениях рН. Микроцистины и нодулярин не разрушаются даже после кипячения. В водоемах в темноте микроцистины могут сохраняться месяцы и годы (Sivonen, Jones, 1999). При повышенной температуре (40оС) или низких значениях рН происходит медленный гидролиз, и со временем содержание токсинов снижается на 90% в течение 10 недель при рН 1 и в течение 12 недель при рН 9 (Harada et al., 1996). Микроцистины могут окисляться озоном и другими сильными окислителями, а также при облучении ультрафиолетом (Sivonen, Jones, 1999). На солнечном свету они подвергаются медленному фотохимическому разрушению и изомеризации (Tsuii et al., 1993). Реакция усиливается в присутствии водорастворимых клеточных пигментов, преимущественно фикобилипротеинов. Гуминовые вещества на свету также усиливают деградацию микроцистинов (Sivonen, Jones, 1999).
Анатоксины. Анатоксин-а относительно стабилен в темноте, Однако в растворе и на свету в отсутствии пигментов он легко подвергается фотохимической деградации. Разрушение ускоряется в щелочной среде. Период полураспада при фотохимическом разрушении анатоксина-а - 1-2 ч (Stevens, Krieger, 1991). Анатоксин-а(с) легко разрушался в растворах при нейтральных и кислых значениях рН (Matsumada et al., 1989).
Сакситоксины. В темноте при комнатной температуре они подвергаются медленному химическому гидролизу. Период полураспада составляет 1-10 недель. C-токсины теряют N-сульфокарбомильную группу и формируют декарбомильную группу гониатоксинов (dc-GTX).
Хотя dc-GTX, GTX и STX деградирует до нетоксичных продуктов, период их полураспада составляет 1-10 недель, и для 90% разрушения требуется более трех месяцев. Нужно отметить, что промежуточный продукт dc-GTX более токсичен, чем сами C-токсины (в 10-100 раз). Например, супернатант Anabaena circinalis, содержащий C-токсины и dc-GTX, увеличивал токсичность в течение 2-3 месяцев (Jones, Negri, 1997). Кипячение экстракта сконцентрированной биомассы или культур всегда увеличивало токсичность.
Цилиндроспермопсины относительно стабильны в темноте, хотя их медленное разрушение происходит при высоких температурах (50 оС) (Chiswell et al., 1999) На солнечном свету и в присутствии клеточных пигментов распад происходит быстрее (на 90% за 2-3 сут).
Биодеградация. Несмотря на свою стабильность и устойчивость к пептидазам бактерий и эукариотов, микроцистины эффективно разрушаются водными бактериями в реках и других водоемах (Jones et al., 1995). Штамм Pseudomonas sp. разрушал анатоксин -а со скоростью 6-10 мг-кг-1 за 3 сут (Kiviranta et al., 1991). Штамм Sphingomonas sp. разрушал кольцевую структуру микроцистина-LR и образовывал в качестве промежуточного соединения линейный (ацило-)микроцистин-LR. Это соединение обладало почти в 200 раз меньшей токсичностью, чем исходный токсин (Bourne et al., 1996). Некоторые штаммы, выделенные из озерной воды и ила в Финляндии, оказались способными к деградации микроцистинов и нодулярина (Lahti et al.,
1997).
Роль токсинов в природе
Микроцистины и нодулярины — это конечные продукты очень древнего вторичного метаболического пути, в котором принимают участие поликетидсинтазы и нерибосомальные пептидсинтазы. Оба пептида — сильнодействующие природные токсины, синтезируемые представителями эволюционно отдаленных родов цианобактерий. В прошлом гены микроцистинсинтаз были, вероятно, представлены у общего предка многих цианобактерий. Филогенетический анализ указывает на коэволюцию генов основного метаболизма и генов микроцистинсинтаз. «Горизонтальный» перенос генов, очевидно, играет роль в спорадическом распространении продуцентов микроцистина среди цианобактерий, хотя возможность переноса мсу - кластеров между отдельными родами не подтверждается (Rantala et al., 2004). Незакономерное распространение генов микроцистинсинтаз у современных цианобактерий предполагает, что способность синтезировать токсин вторично утрачивалась во многих филогенетических линиях цианобактерий. Гены, кодирующие нодуляринсинтазу, видимо, возникли недавно на основе более древних генов, кодирующих микроцистинсинтазу. Однако возможна и передача генов более раннего происхождения между штаммами внутри рода. Предполагается, что нодулярины — это «экстремальные» варианты микроцистинов, что подтверждается тем, что их производит только один род цианобактерий, и известны всего несколько структурных варианта нодуляринов по сравнению с многочисленными микроцистинами (Rantala et al., 2004).
Функции микроцистинов и нодуляринов неясны. Возможно, что это химическая защита от поедания цианобактерий зоопланктоном. Однако цианобактерии имеют значительно более раннее происхождение (2 млрд. лет), чем ракообразные (0.5 млрд. лет). Поэтому биосинтез микроцистина цианобактериями мог предшествовать появлению ракообразных. Сейчас гепатотоксины не участвуют в клеточном делении и физиологических процессах, но они могли играть такую роль на ранней стадии эволюции этих организмов и других бактерий. Первоначальные функции микроцистина, возможно, сводились к сидерофорной утилизации микроэлементов, передаче сигналов и регуляции генов (Rantala et al., 2004).
Вероятно, подобно сосудистым растениям, производящим таннины, фенолы, стеролы и алкалоиды для защиты от поедания, цианобактерии синтезируют токсины, защищаясь от планктонных животных. В подтверждение этого показано, что планктонные виды беспозвоночных не питаются цианобактериями, синтезирующими токсины, и регулируют свою численность в местах скопления цианобактерий, чтобы избежать получения летальной дозы.
Предполагается, что микроцистины и нодулярины с помощью протеинфосфатаз могут регулировать плодовитость эукариотных клеток (Carmichael, 1994).
Заключение
Цианобактерии синтезируют разнообразные биологически активные вещества, обладающие различным эффектом. По химической структуре они делятся на три основные группы: пептиды (циклические и линейные), алкалоиды и липополисахариды. Они обладают антифунгальной, антибактериальной, антивирусной активностью и ингибирующей активностью в отношении различных ферментов. Уже сейчас вторичные метаболиты некоторых микроорганизмов используются в косметической, пищевой и фармацевтической промышленности. Поиск новых перспективных объектов - продуцентов биологически активных веществ представляется актуальной задачей современной биологии.
Однако многие проблемы, связанные с исследованием токсинов цианобактерий, таких как генетическая регуляция их биосинтеза, влияние на него различных факторов среды, биодеградация и роль токсинов в природе остаются малоизученными. Токсины цианобактерий могут вызывать у человека гастроэнтериты, пневмонию, разнообразные аллергические реакции, дерматиты, раздражение глаз и хронические повреждения печени (Bell, Codd, 1994). Особенно опасен их канцерогенный эффект (Nishiwaki-Matsusshima et al., 1992). Среди известных факторов первичного рака печени особо выделяются микроцистины, сильнейшим из которых является микроцистин -LR (Bell, Codd, 1994). Обстоятельства, при которых здоровье человека может подвергнуться опасному воздействию токсигенных цианобактерий, можно сгруппировать в следующие категории: использование питьевой воды, содержащей токсины; использование рекреационных вод с токсигенными цианобактериями; использование продуктов питания, полученных на основе пищевых цепей, в состав которых входят токсигенные цианобактерии.
Массовое развитие цианобактерий (даже вне связи проблем с их токсичностью), снижает качество воды, придавая ей неприятный вкус и запах. Это усложняет проблему выбора источников питьевой воды, рекреационных озер и других водоемов.
Для того чтобы минимизировать последствия цветения воды, необходим эффективный экологический мониторинг водоемов, в том числе контроль факторов среды, вызывающих эвтрофикацию. Основой для него может быть использование новых хроматографических методов, в первую очередь хроматографии высокого давления, а также иммуносорбентного анализа и тестов на протеинфосфатазы (для микроцистинов и нодуляринов).
Литература
1.Белякова Р.Н., Волошко Л.Н., Гаврилова О.В., Гогорев Р.М., Макарова И.В., Околодков Ю.Б., Рундина Л.А. Водоросли, вызывающие «цветение» водоемов Северо-Запада России / Под ред. К.Л. Виноградовой - М.: ТНИ КМК, 2006 - 367 с.
2.Волошко Л.Н., Плющ А.В., Титова Н.Н. Токсины цианобактерий (Cyanophyta, Cyanobacteria) // Альгология - 2008. - Т. 18, №1. - С. 3-20.
3.Волошко Л.Н., Пиневич А.В., Копецкий И., Титова Н.Н., Хроузек П., Зелик П. Продуцируемые цианобактериями токсины в период «цветения» воды в Нижнем Суздальском озере (Санкт-Петербург, Россия) // Альгология. - 2010. - Т. 20, №2. - С. 210-233.
4.Bell S.G., Codd G.A. Cyanobacterial toxins and human health // Rev. Med. Microbiol. - 1994. - 5, №4. - P. 256264.
5.Bourne D., Jones G.J., Blakeley R.L. Jones A., Negri A.P., Ridles P.et al. Enzymatic pathway for the bacterial degradation of the cyanobacterial cyclic peptide toxin microcystin-LR // Appl. Env. Microbiol. - 1996. - 62. - P. 40864094.
6.Carmichael W.W. The toxins of Cyanobacteria // Sci. Amer. - 1994. - 270, №1. - P. 78-86.
7.Carmichael W.W. The cyanotoxins // Adv. Bot. Res. - 1997. - 27. - P. 211-256.
8.Carmichael W.W., Mahmood N.A., Hyde E.G. Natural toxins from Cyanobacteria (blue-green algae) // Marine toxins, Origin, Structure and Molecular Pharmacology. - Washington: Amer. Chem. Soc., 1990. - P. 21-30.
9.Chiswell R.K., Shaw G.R., Eaglesham G., Smith M.J., Norris K.R., Seawright A.A., Moore M.R. Stability of
cylindrospermopsin, the toxin from the cyanobacterium, Cylindrospermopsis raciborskii: Effect of pH, temperature and sunlight on decomposition // Environ Toxicol. - 1999. - V. 14. - P. 155 - 161.
10.Codd G.A., Lindsay J., Young F.M., Morrison L.F., Metcalf J.S. From mass mortalities to management measures // Harmful Cyanobacteria. - Netherlands: Springer, 2005. - P. 1-25.
11.Devlin J.P., Edwards O.E., Gorham P.R. Hunter M.R., Pike R.K., Stavric B. Anatoxin-a, a toxic alkaloid from
Anabaena flos-aquae NCR-44h // Canad. J. Chem - 1977. - V. 55. - P. 1367-1371.
12.Gromov B.V., Vepritsky A.A., Mamkaeva K.A., Voloshko L.N. A survey of toxicity of cyanobacterial blooms in Lake Ladoga and adjacent water bodies // Hydrobiologia. - 1996. - V. 322. - P. 129-136.
13.Harada K-I., Tsuji K., Watanabe M.F. Stability of microcystins from Cyanobacteria - III. Effect of pH and temperature // Phycologia. - 1996. - V. 35, №6. - P. 83-88.
14.Jochimsen E.M., Carmichael W.W., An J.S. et al. Liver failure and death after exposure to microcystins at a haemodialysis center in Brazil // New Engl. J. Medi. - 1998. - V. 338. - P. 873-878.
15.Jones G.J., Falcomer I.F., Wilkins R.M. Persistense of cyclic peptide toxins in dried cyanobacterial crusts from
Lake Mokoan, Australia // Environ. Toxicol. Water Qual. - 1995. - V. 10. - P. 19-24.
16.Jones G.J., Negri A.P. Persistence and degradation of cyanobacterial paralytic shellfish poisons (PSPs) in freshwaters // Water Res. - 1997. - V. 31. - P. 524-533.
17.Kiviranta J., Sivonen K., Luukhainen R. et al. Production and biodegradation of cyanobacterial toxins; a
laboratory study // Arch. Hydrobiol. - 1991. - V. 121. - P. 281-294.
18.Kotak B.G., Lam A.K.Y., Prepas E.E. et al. Variability of the hepatotoxin microcystin-LR in hypereutrophic drinking water lakes // J. Phycol. - 1995. - V. 27. - P. 248-263.
19.Lahti K., Rapala J., Färdig M., Niemelä M., Sivonen K. Persistance of cyanobacterial hepatotoxin, microcystin-LR in particulate material and dissolved in lake water // Water Res. - 1997. - 31, №5. - P. 1005-1012.
20.Lukac M., Aegerter R. Influence of trace metals on growth and toxin production of Microcystis aeruginosa // Toxicon. - 1993. - V. 31. - P. 293-305.
21.Lyck S., Gjolme N., Utkilen H. Iron-starvation increases toxicity of Microcystis aeruginosa CYA 22/1
(Chroococcales, Cyanophyceae) // Phycologia. - 1996. - V. 35, №6. - P. 120-124.
22.Matsumada S., Moore R.E., Niemezura W.P., Carmichael W.W. Anatoxin-a(s), a potent anticholinesterase from Anabaena flos-aquae // J. Amer. Chem. Soc. - 1989. - V. 111. - P. 8021-8023.
23.Mez K., Beattie K.A., Codd G.A., Hanselmann K., Hauser B., Naegeli H., Preisig H. Identification of a microcystin in benthic cyanobacteria linked to cattle deaths on alpine pastures an Switzerland // Eur. J. Phycol. - 1997. - V.
32. - P. 111-117.
24.Namikoshi M., Rinehart K.L. Bioactive compounds produced by cyanobacteria // J. Industr. Microbiol. Biotechn. 1996. - V. 17. - P. 373-384.
25.Nishiwaki-Matsusshima R., Ihta T., Nishiwaki S., Suganama M., Kohyama K., Ishikawa T., Carmichael W.W., Fujiki H. Liver tumor promotion by the cyanobacterial cyclic peptide toxin microcystin-LR // J. Cancer Res. Clin. Oncol. -1992. - V. 118. - P. 420-424.
26.Rantala A., Fever D.P., Hisbergues M., Rouhiainen L., Vaitomaa J., Börner T., Sivonen K. Phylogenetic evidence for the early evolution of microcystin syntesis // Proc. Nati. Acad. Sci. USA. - 2004. - V. 101, №2. - P. 568-573.
27.Rapala J., Sivonen K., Luukhainen R., Niemelä S.I. Anatoxin-a concentration in Anabaena and Aphanizomenon at different enviromental conditions and comparison of growth by toxic and non-toxic Anabaena strains, a laboratory study // J. Appl. Phycol. - 1993. - V. 5. - P. 581-591.
28.De Silva E.D., Williams D.E., Andersen R.J., Klix H., Holmes C.F.B., Allen T.M. Motuporin, a potent protein phosphatase inhibitor isolated from the Papua New Guinea sponge Theonella swinhoei Gray // Tetrahedron Lett. - 1992. -V. 33. - P. 1367-1371.
29.Sivonen K. Cyanobacterial toxins and toxin production // Phycologia. - 1996. - V. 35, No 6. - P. 12-24.
30.Sivonen K., Jones G. Cyanobacterial toxins // Toxic Cyanobacteria in water - a guide to their public health consequences, monitoring and management. - London: E & F.N. Spon, 1999. - P. 41-111.
31.Sivonen K., Niemelä S.I., Niemi R.M., Lepistö L., Luoma T.H., Räsänen L.A. Toxic Cyanobacteria (blue-green algae) in Finnish fresh and coastal waters // Hydrobiologia. - 1990. - V. 190. - P. 267-275.
32.Skulberg O.M. Taxonomy of toxic Cyanophyceae (Cyanobacteria) // Algal toxins in seafood and drinking water.
- London: Academic Press, 1993. - P. 145-164.
33.Skulberg O.M. Toxins produced by cyanophytes in Norwegian inland waters - health and environment // Chemical data as a basis of geomedical investigations. - Oslo: Norw. Inst. Water Res., 1996. - P. 179-216.
34.Skulberg O.M., Carmichael W.W., Andersen R.A., Matsunaga S., Moore R.E., Skulberg R. Investigations of a neurotoxic Oscillatorialean strain (Cyanophyceae) and its toxin. Isolation and characterization of homoanatoxin-a // Env. Toxicol. Chem - 1992. - V. 11. - P. 321-329.
35.Skulberg O.M., Codd G.A., Carmichael W.W. Toxic blue-green algal bloom in Europe: a growing problem // Ambio. - 1984. - 13. - P. 224-247.
36.Stevens D.K., Krieger R.I. Stability studies on the cyanobacterial nicotinic alkaloid anatoxin-a // Toxicon. -1991. - V. 29. - P. 167-179.
37.Trimurtulu G., Ogino J., Helsel C.E., Husebo, Jensen C.M., Larsen L.K., Patterson G.M.L., Moore R.E., Mooberry S.I., Corbett T.H., Valeriote F.A. Structure determination, conformational analysis, chemical stability studies,
and antitumor evaluation of the cryptophycins. Isolation of 18 new analogs from Nostoc sp. strain GSV 224 // J. Amer. Chem Soc. - 1995. - V. 117. - P. 12030-12049.
38.Van der Westhurizen A.J., Elloff J.N. Effect of culture age and pH of culture medium on the growth and toxicity of the blue-green alga Microcystis aeruginosa // Zeit. Planzenphysiol. - 1983 - V. 110. - P. 157-163.
39.Voloshko L.N., Kopecky J., Pljusch A.V., Safronova T.V., Titova N.N., Hrouzek P., Drabkova V.G. Toxins and other bioactive compounds produced by Cyanobacteria in Lake Ladoga // Estonian J. Ecology. - 2008a. - 57, No 2. - P. 100-110.
40.Voloshko L.N., Plushch A.A., Titova N.N. Toxins of cyanobacteria (Cyanophyta) // Intern. J. on Algae. - 2008b.
- V. 10, No 1. - P. 14-33.
41.Voloshko L.N., Pinevich A.V., Kopecky J., Titova., N.N., Hrouzek P., Zelik P. Water blooms and toxins produced by Cyanobacteria in the Lower Suzdalskoeskoe Lake (Saint-Petersburg, Russia) // Intern. J. on Algae. 2010. - V.
12, No 2. - P. 129-141.
42.Utkilen H., Gj0lme H. Iron-stimulated toxin production in Microcystis aeruginosa // Appl. Environ. Microbiol. -V. 58. - P. 189-194.
43.Watanabe M.F. Production of microcystins // Toxic Microcystis. - London: CRC Press, 1996. - 262 p.
44.Weckesser J., Drews G. Lipopolysaccharides of photosynthetic prokaryotes // Ann. Rev. Microbiol. - 1979. - V.
33. - P. 215-239.
