Problem eutrofizacji (zakwitu wody) jest powszechny i poważny, ponieważ według UNEP (Program Narodów Zjednoczonych ds. Ochrony Środowiska) około 30-40% jezior i zbiorników wodnych na całym świecie cierpi z powodu tego zjawiska. Ponadto eutrofizacja może wystąpić zarówno w wodzie słodkiej, jak i morskiej.
„Co jest takiego złego w eutrofizacji?” – ty pytasz. Niestety warstwa glonów pokrywająca takie zbiorniki to tylko wierzchołek góry lodowej, w której kryje się prawdziwy toksyczny kocioł.
Nie trzeba nawet pytać, kto jest za to winny, bo odpowiedź jest boleśnie oczywista – działalność gospodarcza. Źródłami zanieczyszczeń są ścieki komunalne o wysokiej zawartości fosforu (witam producentów detergentów, którzy nadal stosują fosforany) oraz odpady rolnicze: myjki fosforowe i azotowe, kiszonki.
Jak rozwiązać problem eutrofizacji?
I wydaje się, że problem można łatwo rozwiązać – można zakazać detergentów zawierających fosforany i ograniczyć stosowanie nawozów azotowych i fosforanowych. Ale najpierw zastanówmy się, co dzieje się po zrzuceniu dużej ilości fosforu i azotu do warunkowego zbiornika.
Akcja 1 – Zawód
Wszystko zaczyna się od braku równowagi między pierwiastkami, takimi jak fosfor (P), azot (N) i krzem (Si). Jednak gwałtowny wzrost proporcji N/Si i P/Si (wzrost fosforu szczególnie dodaje paliwa do ognia) nie jest jedynym składnikiem, który staje się wyzwalaczem aktywnego rozmnażania fitoplanktonu. Wymaga to również optymalnej temperatury 23-28C. To właśnie ta zabójcza kombinacja stwarza wszystkie warunki do maksymalnego tempa wzrostu glonów.
Co robią mikroskopijne organizmy, które bardzo aktywnie się rozmnażają? Natychmiast tworzą dość gęstą warstwę na powierzchni wody, stopniowo zajmując cały możliwy obszar.
Pierwszymi ofiarami okupacji są zielone glony, dla których światło słoneczne jest niezbędne. Martwe rośliny są rozkładane przez bakterie zużywające tlen. Tak więc nieco później konsekwencje już doganiają ryby i inne organizmy tlenowe, gdy w zbiorniku zaczynają tworzyć się „martwe strefy” o ultraniskim stężeniu rozpuszczonego tlenu. Dodając do tego biomasę wychodzącą z samych alg, w efekcie nasz zbiornik powoli i pewnie zamienia się w „duszne cmentarzysko”.
Akcja 2 – Do góry nogami
Tak więc w ekosystemie oprócz nieuzasadnionego wzrostu produktywności pierwotnej (biomasy, którą tworzą mikroalgi), zmienia się względna liczebność gatunków, skład taksonomiczny i przestrzenne rozmieszczenie producentów pierwotnych w ekosystemie wodnym.
Zmiany w składzie i lokalizacji zasobów zmieniają dystrybucję i przepływ energii w sieci pokarmowej. Jak dokładnie? W normalnym ekosystemie wodnym fitoplankton (mikroskopijne glony i inne organizmy fotosyntetyzujące) jest wykorzystywany przez zooplankton (larwy ryb, dafnie, mięczaki). Zooplankton to pokarm dla większych drapieżników (np. ryb), a produkty przemiany materii wszystkich organizmów są wykorzystywane przez rozkładających się (bakterie). W systemie eutryfikacji głównymi konsumentami są bakterie rozkładające martwe rośliny, część glonów i ryb. W konsekwencji organizmy tracą swoją ekologiczną specjalizację.
Ale to, co nas bardziej interesuje, to wpływ eutrofizacji na zdrowie człowieka, więc przejdźmy dalej.
Działanie 3 — Toksyczne środowisko
W rzeczywistości tylko fitoplankton i mikroorganizmy beztlenowe pozostają żywe w zbiorniku. Typowymi przedstawicielami fitoplanktonu są sinice oraz przedstawiciele innych grup taksonomicznych, które nie szkodzą innym. Ale w takim środowisku jest też miejsce dla organizmów wytwarzających toksyny, które w kontakcie z człowiekiem mogą wyrządzić szkody. Nawiasem mówiąc, słowo „kontakt” oznacza nie tylko kąpiel w takiej wodzie, ale także jej użycie.
Toksyny, które można znaleźć na otwartych przestrzeniach zeutrofizowanych zbiorników, dzielą się na kilka grup:
- Hepatotoksyny lub peptydy cykliczne (mikrocystyny i nodularyny);
- Alkaloidy (cylindrospermopsyna, toksoid-a i toksoid-a(s), saksytoksyna);
- Poliketydy (aplysiatoksyny);
- Aminokwasy (-metyloamino-L-alanina lub VMAA).
Toksyny alg, takie jak azaspiracyd, brevetoksyna, ciguatoksyna, kwas domoikowy, dinofisistoksyna, toksyna hemolityczna, homoanatoksyna, kalotoksyna, lingbiatoksyna, maitotoksyna, pektenotoksyna, primnezyna i tym podobne nie są zazwyczaj objęte tą klasyfikacją.
Nadszedł czas, aby dokładnie dowiedzieć się, w jaki sposób zeutrofizowane zbiorniki wodne mogą zaszkodzić człowiekowi, a nawet zabić.
Szkoda eutrofizacji
Mikrocystyny i nodularyny
Syntezę mikrocystyn obserwuje się u niektórych gatunków z rodzaju Anabaena (A. circinalis, A. flosa-quae, A. lemmermannii, A. millerii), Arthrospira (A. fusiformis), Microcystis (M. aeruginosa, M. botrys, M. ichthyolabe, M. viridis, M. wesenbergii), Nostoc (N. inckia, N. rivulare, N. zetterstedtii), Oscillatoria, Planktothrix oraz u niektórych gatunków (Spirulina subsalsa, Synechococcus bigranulatus). Nodularyny są syntetyzowane przez Nodularia spumigena, który jest powszechny w wodzie morskiej.
Mikrocystyny i nodularyny są czasami nazywane hepatotoksynami, ponieważ wątroba jest głównym celem dla tej grupy związków. Zdarzają się jednak przypadki akumulacji mikrocystyny w nerkach, jelicie grubym, mózgu i innych narządach, których komórki posiadają transporter anionów organicznych OATP (Organic Anion Transporter).
Dlaczego nie są neutralizowane w żołądku ani w wątrobie? Faktem jest, że te związki białkowe składają się z form D aminokwasów (a formy L aminokwasów działają jak ligandy dla enzymów), więc są odporne na trawienie.
Mikrocystyny hamują fosfatazę białkową, w wyniku czego białka komórkowe stają się fosforylujące – stwarza to warunki do powstawania nowotworów. Sytuację pogarsza fakt, że toksyna zwiększa ekspresję protoonkogenów (cfos, c-jun, c-mys, p53).
Ponadto mikrocystyny i nodularyny aktywują kinazę N-końcową c-Jun i inne enzymy, które biorą udział w stresie oksydacyjnym komórki. Jest to obarczone występowaniem krwawienia wewnętrznego, aw przypadku ostrego zatrucia wystąpieniem wstrząsu krwotocznego na tym tle.
Ponieważ mikrocystyny przekraczają barierę krew-mózg, do listy patologii dodaje się szereg chorób związanych z układem nerwowym. Należą do nich stany zapalne tkanki nerwowej, a także szereg chorób neurodegeneracyjnych.
Znaczenie dawki śmiertelnej dla ludzi nie zostało jeszcze ustalone, ponieważ różne mikrocystyny mają różne wartości lipofilności i polarności. Uważa się jednak, że średnia dawka wynosi 5-10 mcg/kg masy ciała.
Ale na szczęście mikrocystyny i nodularyny można zneutralizować. Po pierwsze, związki te są wewnątrzkomórkowe i przedostają się do środowiska tylko wtedy, gdy komórka jest uszkodzona. Pomimo tego, że są one dość stabilne w środowisku zewnątrzkomórkowym i ulegają całkowitemu zniszczeniu po 20 tygodniach, proces ten może przyspieszyć wysoka temperatura (40C) i krytyczne wartości pH. Zatem możliwymi sposobami zatrucia mikrocystynami i nodularynami jest stosowanie nieoczyszczonej termicznie wody i produktów.
Anatoksyny
Najpowszechniejszą i jednocześnie niebezpieczną toksyną wytwarzaną przez glony w słodkiej wodzie jest anatoksyna-a. Jest syntetyzowany przez przedstawicieli rodzajów Anabaena (A. flosa-quae, Anabaena lemmermannii), Aphanizomenon, Phormidium (G. willei, G. terebriforme), Planktothrix, a także niektóre pojedyncze gatunki (Arthrospira fusiformis, Spirulina subsalsa, Synechococcus bigranulatus ).
Anatoksyna jest agonistą obwodowych i ośrodkowych receptorów acetylocholiny. Wiązanie pre/postsynaptyczne z receptorami otwiera kanały sodowe/potasowe, co powoduje blokadę depolaryzacji. Tak więc po dostaniu się do krwiobiegu toksyna powoduje utratę koordynacji mięśniowej, drżenie i konwulsje, a śmierć następuje po paraliżu obwodowych dróg oddechowych (mięśnie biorące udział w oddychaniu przestają działać).
Możesz zatruć się toksoidem podczas kąpieli, picia skażonej wody i dodatków do żywności. Dawka śmiertelna wynosi od 20 mcg/g, której przyjęcie powoduje śmierć z powodu paraliżu oddechowego w ciągu 1-2 minut. Dlatego toksoid jest często określany jako czynnik bardzo szybkiej śmierci (VFDF).
A co z toksoidami-a? Faktem jest, że związek ten, w przeciwieństwie do toksoidu-a, jest niestabilny w środowisku, dlatego z reguły nie stanowi zagrożenia dla ludzi.
Saksytoksyny
Saksytoksyny tworzą niektóre gatunki z rodzaju Anabaena (A. circinalis), Aphanizomenon (A. flos-aquae), Cylindrospermopsis (C. philippinensis, C. raciborskii), Oscillatoria i gatunek Plectonema wollei. Saksytoksyny są również syntetyzowane przez bruzdnice (rodzaj Alexandrium, Gymnodinium, Pyrodinium) i gromadzą się w mięczakach żyjących w wodzie morskiej i słodkiej.
Saksytoksyny, w przeciwieństwie do mikrocystyn i nodularyn, są termostabilne, ale można je oddzielić od wody przez sorpcję na węglu aktywnym lub przez ozonowanie wody.
Ten alkaloid blokuje przewodzenie sodu w aksonach, wiążąc się z porami kanałów sodowych, zapobiegając przenoszeniu impulsów nerwowych. Innymi słowy, powoduje paraliż. Z tego powodu zatrucie saksytoksyną nazywa się „zatruciem porażennym skorupiakami”.
Osoba może bez problemu spożyć około 100 mikrogramów saksytoksyny (to około 50 mikrogramów/l przy dziennym spożyciu wody w objętości 2 litrów). Nie ma tendencji do gromadzenia się w organizmie.
Cylindrospermopsyna
Cylindrospermopsyna jest syntetyzowana przez gatunki takie jak Cylindrospermopsis raciborskii, Aphanizomenon ovalisporum i Umezakia natans. Ponieważ wymienione organizmy są charakterystyczne dla zbiorników słodkowodnych, lokalizacja toksyny nie będzie trudna do odgadnięcia.
Toksyna ta, podobnie jak mikrocystyny i nodularyny, ma szerokie spektrum działania na organizm. Głównym celem cylindrospermopsyny jest wątroba, ale wpływa ona również negatywnie na oczy, śledzionę, płuca, grasicę, serce, nerki i tym podobne. Ponadto, cylindrospermopsyna hamuje syntezę białek w komórkach, powoduje fragmentację DNA in vitro oraz powstawanie stresu oksydacyjnego w komórkach na tle hamowania syntezy glutationu (silnego endogennego przeciwutleniacza).
Śmiertelna dawka cylindrospermopsyny wynosi 6 mg/kg. Rozpuszcza się w wodzie i jest stabilny przy niskim pH. Gdy woda zostanie podgrzana do 100C, pozostaje aktywna przez 15 minut, więc główną metodą neutralizacji tej toksyny jest długotrwała obróbka termiczna wody i produktów, które potencjalnie mogą być zakażone cylindrospermopsyną.
Aplisiatoksyny
Jest to toksyna o charakterze niebiałkowym, produkowana jest przez niektóre gatunki alg z rodzajów Lyngbya, Schizothrix (S. calcicola), Oscillatoria, Phormidium nigro-viride, które są charakterystycznymi mieszkańcami wód morskich.
Aplysiatoxin jest w stanie aktywować kinazę białkową C, co przyczynia się do zwiększonej fosforylacji białek. To z kolei przyczynia się do dalszego występowania nowotworów. Ponadto w kontakcie ze skórą może wywołać ostre zapalenie skóry, a także zapalenie błon śluzowych, jeśli toksyna zostanie połknięta z pokarmem lub przez drogi oddechowe.
Śmiertelna dawka aplysiatoksyny wynosi 0,3 mg/kg. Podczas gotowania jest niestabilny i zapada się. Jednak pozbycie się aplysiatoksyny w wodzie nie jest najlepszą opcją, ponieważ grozi to zatruciem oparami bromu.
VMAA-metyloamino-L-alanina jest aminokwasem niebiałkowym, który jest syntetyzowany przez rodzaje Nostoc, Synechococcus i Synechocystis, a także niektóre pojedyncze gatunki (Planktothrix aghardii, Anabaena variabilis, Cylindrospermopsis raciborskii) żyjące w wodzie morskiej lub słodkiej. Aminokwas ten gromadzi się w skorupiakach, niektórych rodzajach ryb, a także w samej wodzie.
VMAA może wywoływać rozwój stwardnienia zanikowego bocznego (choroba Lou Gehriga), choroby Parkinsona i Alzheimera oraz innych zaburzeń neurodegeneracyjnych. Postawiono również hipotezę, że aminokwas zwiększa ubikwitynację białek, główny proces degradacji białek.
Efekty neurotoksyczne objawiają się, gdy osoba spożywa VMAA w ilości około 4000 mg/kg masy ciała. Ale w przypadku tej toksyny ogromne niebezpieczeństwo stanowi chroniczne zatrucie.
Obróbka termiczna wody czy żywności niestety nie gwarantuje neutralizacji α-metyloamino-L-alaniny, ponieważ związek ten jest bardzo stabilny w wysokich temperaturach i niskich wartościach pH.
Przetrwaj na wolności
Można bez końca opisywać mechanizmy działania różnych toksyn, które mogą powstawać w zeutrofizowanych zbiornikach wodnych. Ale co jest tutaj najważniejsze? Zaakceptuj fakt, że zaniedbana eutrofizacja może prowadzić do smutnych, a czasem tragicznych konsekwencji. Dlatego w naszym interesie jest zrobienie wszystkiego, aby zminimalizować negatywny wpływ tego problemu środowiskowego w celu zachowania zdrowia i życia.
Aby chronić siebie i swoich bliskich, musisz przestrzegać trzech prostych, ale bardzo ważnych zasad.
- Przede wszystkim zachowaj ostrożność przy wyborze miejsca pobytu. Nie trzeba pływać w zeutrofizowanych wodach – można się zatruć nawet wdychając toksynę w postaci aerozolu.
- Po drugie, bądź ostrożny przy wyborze owoców morza (zwłaszcza jeśli jesteś fanem skorupiaków) – to właśnie te organizmy najczęściej gromadzą w sobie toksyny, których czasami po prostu nie da się pozbyć w domu.
- I po trzecie, staraj się nie pić wody z rzek, jezior, stawów i innych zbiorników wodnych. Zwłaszcza jeśli zauważysz pierwsze oznaki eutrofizacji (zmętnienie wody, warstwa glonów na powierzchni). Lepiej jest używać butelkowanej wody pitnej, ponieważ nawet długotrwałe gotowanie wody nie jest skuteczne w przypadku niektórych toksyn.
