Проблема эвтрофикации (цветение воды) является распространенной и серьезной, ведь согласно исследованиям ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде) около 30-40% озер и водохранилищ всего мира пострадали от этого явления. К тому же эвтрофикация может происходить как в пресной воде, так и в морской.
«А что же в эвтрофикации такого плохого?» – спросите вы. К сожалению, пласт водорослей, которыми покрыты такие водоемы, — это лишь верхушка айсберга, которая скрывает настоящий токсический котел.
Можете даже не спрашивать, кто в этом виноват, ведь ответ до боли очевиден – хозяйственная деятельность. К источникам загрязнения относятся коммунальные сточные воды с высоким содержанием фосфора (привет производителям моющих средств, до сих пор использующих фосфаты) и отходы сельского хозяйства: смывы фосфатных и азотных удобрений, силос.
Как решить проблему эвтрофикации?
И, вроде бы, проблема легко решается – можно запретить фосфатосодержащие моющие средства и ограничить использование азотных и фосфатных удобрений. Но давайте сначала разберемся, что происходит после того, как в условный водоем сбросили большое количество фосфора и азота.
Действие 1 — Оккупация
Все начинается с нарушения равновесия между такими элементами, как фосфор (P), азот (N) и кремний (Si). Но резкое увеличение пропорции N/Si и P/Si (увеличение фосфора особенно добавляет масла в огонь) — не единственная составляющая, которая становится спусковым крючком для активного размножения фитопланктона. Для этого необходима также оптимальная температура 23-28С. Именно это убийственное сочетание создает все условия для максимальной скорости роста водорослей.
Что делают микроскопические организмы, которые очень активно размножаются? Они сразу же образуют на поверхности воды довольно плотный пласт, постепенно оккупируя всю возможную площадь.
Первыми жертвами оккупации являются зеленые водоросли, для которых солнечный свет жизненно необходим. Отмершие растения разлагаются бактериями, потребляющими кислород. Таким образом, чуть позже последствия уже догоняют рыб и других аэробных организмов, когда в водоеме начнут образовываться «мертвые зоны» со сверхнизкой концентрацией растворенного кислорода. Добавьте еще и уходящую биомассу самих водорослей, и, в результате наш водоем медленно и верно превращается в «душный могильник».
Действие 2 — С ног на голову
Таким образом, в экосистеме, кроме неоправданного увеличения первичной продуктивности (биомасса, что создается микроводорослями), меняется относительная численность видов, таксономический состав и пространственное распределение первичных производителей в водной экосистеме.
Изменения в составе и расположении ресурсов изменяют распределение и поток энергии в пищевой сети. Как именно? В нормальной водной экосистеме фитопланктон (микроскопические водоросли и другие фотосинтезующие организмы) используется зоопланктоном (личинки рыб, дафнии, моллюски). Зоопланктон — пища для более крупных хищников (например, рыбы), а продукты жизнедеятельности всех организмов используются редуцентами (бактериями). В эвтрификационной системе основными консументами являются бактерии, которые разлагают отмершие растения, часть водорослей и рыб. Как следствие, организмы теряют свою экологическую специализацию.
Но что нас больше интересует – так это влияние эвтрофикации на здоровье человека, поэтому переходим далее.
Действие 3 — Токсичная среда
Фактически живым в водоеме остается только фитопланктон и анаэробные микроорганизмы. Типичными представителями фитопланктона являются сине-зеленые водоросли и представители других таксономических групп, которые, не несут вреда другим. Но в такой среде найдется место и для токсин-продуцирующих организмов, которые при контакте с человеком, могут нанести вред. Кстати, слово «контакт» предполагает не только купание в такой воде, но и ее употребление.
Токсины, которые можно встретить на просторах эвтрофицированых водоемов, разделяют на несколько групп:
- Гепатотоксины или циклические пептиды (микроцистины и нодулярины);
- Алкалоиды (цилиндроспермопсин, анатоксин-а и анатоксин-а(s), сакситоксин);
- Поликетиды (аплизиатоксины);
- Аминокислоты (-метиламино-L-аланин или ВМАА).
К этой классификации обычно не относятся такие токсины водорослей как азаспирацид, бреветоксин, сигуатоксин, домоевая кислота, динофизистоксин, гемолитический токсин, гомоанатоксин, калотоксин, лингбиатоксин, маитотоксин, пектенотоксин, примнезин, и им подобные.
Настало время выявить, как именно эвтрофицированные водоемы могут причинить вред человеку или даже убить.
Вред эвтрофикации
Микроцистины и нодулярины
Синтез микроцистинов наблюдается у некоторых видов рода Anabaena (A. circinalis, A. flosa-quae, A. lemmermannii, A. millerii), Arthrospira (A. fusiformis), Microcystis (M. aeruginosa, M. botrys, М. ichthyoblabe, М. viridis, М. wesenbergii), Nostoc (N. inckia, N. rivulare, N. zetterstedtii), Oscillatoria, Planktothrix и у отдельных видов (Spirulina subsalsa, Synechococcus bigranulatus). Нодулярины синтезирует Nodularia spumigena, которая распространена в морской воде.
Микроцистины и нодулярины иногда называют гепатотоксинами, поскольку печень – это основная мишень для данной группы соединений. Но известны случаи накопления микроцистина в почках, толстом кишечнике, мозге и других органах, клетки которых имеют транспортер органических анионов OATP (Organic Anion Transporter).
Почему они не обезвреживаются в желудке или в печени? Дело в том, что эти белковые соединения состоят из D-форм аминокислот (а лигандами для ферментов выступают L-формы аминокислот), поэтому они являются устойчивыми к перевариванию.
Микроцистины ингибируют протеин-фосфатазу, в результате чего белки клетки становятся фосфорилирующими – это создает условия для образования опухолей. Ситуация ухудшается еще и тем, что токсин увеличивает экспрессию протоонкогенов (cfos, c-jun, c-mys, p53).
Кроме этого, микроцистины и нодулярины активируют c-Jun N-терминальную киназу и другие ферменты, которые участвуют в окислительном стрессе клетки. Это чревато возникновением внутренних кровотечений, а в случае острого отравления – возникновением на этом фоне еще и геморрагического шока.
Поскольку микроцистины пересекают гемато-энцефалический барьер, то в список патологий добавляется ряд заболеваний, связанных с нервной системой. К ним относят воспаление нервной ткани, а также ряд нейродегенеративных заболеваний.
Значение летальной дозы для человека до сих пор не определено, поскольку разные микроцистины имеют разное значение липофильности и полярности. Однако, средним значением считается доза 5-10 мкг/кг массы тела.
Но, к счастью, микроцистины и нодулярины можно обезвредить. Во-первых, эти соединения являются внутриклеточными, и попадают в окружающую среду только в случае повреждения клетки. Не смотря на то, что во внеклеточной среде они достаточно стабильны и полностью разрушаются через 20 недель, ускорить этот процесс может высокая температура (40С) и критические значения рН. Таким образом, возможными путями отравления микроцистинами и нодуляринами является употребление термически не обработанной воды и продуктов.
Анатоксины
Наиболее распространенным и одновременно опасным токсином, который продуцируется водорослями в пресных водоемах, является анатоксин-а. Он синтезируется представителями родов Anabaena (А. flosa-quae, Anabaena lemmermannii), Aphanizomenon, Phormidium (Г. willei, Г. terebriforme), Planktothrix, а также некоторыми отдельными видами (Arthrospira fusiformis, Spirulina subsalsa, Synechococcus bigranulatus).
Анатоксин является агонистом периферических и центральных ацетилхолиновых рецепторов. При пре/постсинаптическом связывании с рецепторами, он открывает натрий/калиевые каналы, что вызывает деполяризационную блокаду. Таким образом, после попадания в кровоток токсин вызывает потерю мышечной координации, тремор и конвульсии, а смерть наступает после периферического респираторного паралича (мышцы, задействованные в дыхании перестают работать).
Отравиться анатоксином можно при купании, употреблении загрязненной воды и пищевых добавок. Летальная доза – от 20 мкг/г, получение которой вызывает смерть от респираторного паралича уже через 1-2 минуты. Именно поэтому анатоксин часто называют фактором очень быстрой смерти (Very Fast Death Factor или VFDF).
А что с анатоксином-а(s)? Дело в том, что это соединение, в отличие от анатоксина-а, неустойчиво в среде, поэтому, как правило, не представляет угрозы для человека.
Сакситоксины
Сакситоксины образуют некоторые виды из рода Anabaena (A. circinalis), Aphanizomenon (A. flos-aquae), Cylindrospermopsis (С. philippinensis, С. raciborskii), Oscillatoria и вид Plectonema wollei. Сакситоксины также синтезируются динофлагелятами (рода Alexandrium, Gymnodinium, Pyrodinium) накапливаются в моллюсках, живущих в морской и пресной воде.
Сакситоксины, в отличие от микроцистинов и нодуляринов, являются термостабильными, однако могут быть отделены от воды путем сорбции на активированном угле или путем озонизации воды.
Этот алкалоид блокирует натриевую проводимость в аксонах путем связывания с порами натриевых каналов, предотвращая передачу нервных импульсов. Иначе говоря, вызывает паралич. Отравление сакситоксином из-за этого и называется «паралитическим отравлением моллюсками».
Человек может без проблем употребить около 100 мкг сакситоксина (это около 50 мкг/л при ежедневном употреблении воды в объеме 2 литров). Не имеет тенденции к аккумуляции в организме.
Цилиндроспермопсин
Цилиндроспермопсин синтезируется такими видами как Cylindrospermopsis raciborskii, Aphanizomenon ovalisporum и Umezakia natans. Поскольку перечисленные организмы характерны для пресноводных водоемов, то и местонахождение токсина нетрудно будет угадать.
Этот токсин аналогично микроцистинам и нодуляринам имеет широкий спектр действия на организм. Главной мишенью цилиндроспермопсина является печень, но он также негативно влияет на глаза, селезенку, легкие, тимус, сердце, почки и тому подобное. К тому же цилиндроспермопсин ингибирует синтез белка в клетках, вызывает фрагментацию ДНК in vitro, образование оксидативного стресса клеток на фоне ингибирования синтеза глютатиона (мощный эндогенный антиоксидант).
Летальной дозой цилиндроспермопсина считают 6 мг/кг. Он растворяется в воде и стабилен при низких уровнях рН. При нагревании воды до 100С остается активным в течение 15 минут, поэтому основным методом обезвреживания данного токсина является длительная термическая обработка воды и продуктов, которые потенциально могут быть зараженными цилиндроспермопсином.
Аплизиатоксины
Это токсин небелковой природы, и производится он некоторыми видами водорослей родов Lyngbya, Schizothrix (S. calcicola), Oscillatoria, видом Phormidium nigro-viride, которые являются характерными обитателями морских вод.
Аплизиатоксин способен активировать протеин-киназу С, что способствует повышенной фосфориляции белков. Это, в свою очередь, способствует дальнейшему возникновению опухолей. Кроме этого, при контакте с кожей, способен провоцировать появление острого дерматита, а также воспаление слизистых оболочек в случае попадания токсина с пищей или путем вдыхания.
Летальная доза аплизиатоксина составляет 0,3 мг/кг. При кипении нестабилен и разрушается. Но так избавляться от аплизиатоксина в воде не лучший вариант, потому что так вы рискуете отравиться парами брома.
ВМАА -метиламино-L-аланин является небелковой аминокислотой, которая синтезируется родами Nostoc, Synechococcus и Synechocystis, а также некоторыми отдельными видами (Planktothrix aghardii, Anabaena variabilis, Cylindrospermopsis raciborskii), обитающих в морской или пресной воде. Эта аминокислота накапливается в моллюсках, некоторых видах рыб, а также и в самой воде.
ВМАА способна провоцировать развитие бокового амиотрофического склероза (болезнь Лу Герига), Паркинсона и Альцгеймера и других нейродегенеративных нарушений. Также предполагается, что аминокислота увеличивает убиквитинирование белков – это является главным процессом в деградации белков.
Нейротоксические эффекты проявляются при употреблении человеком ВМАА в количестве около 4000 мг/кг массы тела. Но в случае с этим токсином, большую опасность представляет именно хроническая интоксикация.
Термическая обработка воды или пищи, к сожалению, не гарантирует обезвреживания -метиламино-L-аланина, потому что это соединение характеризуется высокой стабильностью при высоких температурах и низких значениях рН.
Выжить в дикой природе
Можно без конца расписывать механизмы действия различных токсинов, которые могут образовываться в эвтрофицированных водоемах. Но что здесь самое главное? Принять тот факт, что эвтрофикация при халатном отношении может привести к печальным последствиям и иногда трагическим. Поэтому в наших же интересах сделать все, чтобы минимизировать негативное влияние этой экологической проблемы для сохранения здоровья и жизни.
Для того, чтобы защитить себя и своих близких, необходимо следовать трем простым, но очень важным правилам.
- В первую очередь будьте внимательными при выборе мест для отдыха. Необязательно купаться в эвтрофицированых водоемах – отравиться можно даже просто вдыхая токсин в виде аэрозоля.
- Во-вторых, будьте осторожны при выборе морепродуктов (особенно если вы поклонник моллюсков) – именно эти организмы чаще всего накапливают в себе токсины, от которых иногда просто невозможно избавиться в бытовых условиях.
- И, в-третьих, старайтесь не пить воду из рек, озер, прудов и других водоемов. Особенно если заметили первые признаки эвтрофикации (мутность воды, слой водорослей на поверхности). Лучше употреблять бутилированную питьевую воду, потому что даже длительное кипячение воды для некоторых токсинов неэффективно.
