Токсикология водорослей

В настоящее время нет  сомнений в том, что многие морские  и пресноводные водоросли способны образовывать биологически активные соединения, характеризующиеся высокой токсичностью для гидробионтов и теплокровных организмов. Поскольку токсины водорослей включают сильнодействующие компоненты, необходимо более серьезно осознавать опасность накопления этих соединений в водах, используемых человеком  и животными. Как свидетельствуют  работы последних лет, альготоксины играют важную роль в формировании качества воды и ее биологической  полноценности не только для гидробионтов, наземных животных, но и человека. Здоровье последнего во многом зависит от токсических  соединений водорослей, накапливающихся  в воде и морепродуктах, производство которых усиливается в связи  с освоением морского и океанического  шельфа под марикультуру.

Несмотря на важную экологическую  и токсикологическую значимость альготоксинов, наши сведения о них  весьма скромны, что объясняется: 1) значительной специфичностью и лабильностью продуцируемых водорослями соединений, особенно в условиях природных популяций, а также большими трудностями  выделения и идентификации токсинов; 2) сложностью состава биологически активных соединений водорослей и влиянием на их токсичность ряда биологических (видовой состав, наличие сопутствующих  бактерий, водорослей-антагонистов, физиологическое  состояние организмов и др.), методических трудностей и абиотических факторов (температура, комплексообразование с  металлами и другими соединениями, степень аэробности, редокс-состояние  и рН среды и др.).

Как видно из данных табл. 30, продуценты токсинов обнаружены у  представителей 4 отделов водорослей. Однако сведения о них весьма противоречивы, а химический состав известен лишь для некоторых альготоксинов. Максимальное количество видов — продуцентов  токсинов обнаружено среди синезеленых  и динофитовых водорослей. Ко второй группе водорослей относятся возбудители  «красных приливов», встречающиеся  в морских и океанических водах  и значительно реже отмеченные в  континентальных водоемах. В солоноватоводных и пресных водоемах участились случаи массового размножения золотистых водорослей, среди которых также  имеются продуценты токсинов, например Prymnesium parvum, синтезирующая примнезин.

Наиболее широкий фронт  работ по токсинам водорослей в последние  годы отмечен в США, Канаде, Японии, ЮАР, Австралии, ФРГ и некоторых  других странах. Объектом исследования чаще всего служат пресноводные синезеленые  водоросли и представители динофиТОВЫХ  — возбудители «красных приливов». Интенсификации работ по изучению токсинов водорослей способствовали следующие  обстоятельства: 1) участившиеся случаи водных токсикозов, что потребовало  исследования биологии, физиологии и  биохимии отдельных видов водорослей; 2) повышение методического уровня работ с биологически активными  веществами гидробионтов. Разработаны  новые методы обнаружения и количественного  определения альготоксинов по контролю угнетения активности холинэстеразы, по способности токсинов агглютинировать in vitro эритроциты мыши, крысы, человека, биологическое тестирование, препаративное  выделение токсинов. Это позволило  получить новую важную информацию по альготоксинам.

Считают, что «цветение» воды вызывается примерно 20 широко распространенными  видами синезеленых водорослей, хотя токсическая активность установлена  у представителей 7 родов пресноводных и 2 родов морских синезеленых  водорослей. Сравнительно полная информация по токсичности получена для Microcystis aeruginosa — основного возбудителя  «цветения» воды в пресноводных водоемах различных экологических зон, хотя способность продуцировать токсины  наряду с М. aeruginosa установлена и  у других видов синезеленых водорослей (табл. 29), интенсивно развивающихся  в водоемах. Сильный токсин VFDV, выделенный из Anabaena flosaquae, вызывал гибель белых мышей через 1—10 мин после введения минимальной летальной дозы.

Слабую способность к  токсинообразованию, зависящую от возраста, проявили лабораторные культуры Anabaena hassalii, A. variabilis, Calothrix sp., Nostoc paludosum, причем их бактерии-спутники токсичностью не обладали. Обнаружена токсичность у Hapalosiphon fontinalis. Установлена токсичность  и у Synechococcus sp., который вызывал  отмирание гуппий с такими же симптомами, как и токсины М. aeruginosa (усиление дыхания, изменение двигательной активности, наступление смерти через 3 ч). Согласно данным, токсин Synechococcus имеет гетероциклическое  строение, очень близок к птеридину  и определен как циклический  пептид. Образуется он как продукт  естественного обмена, особенно у  слабоосвещенных и старых культур.

Общеизвестны случаи гибели животных при скармливании им водорослей, не относящихся к числу токсических  форм. Например, Scenedesmus obliquus не токсичен, но кормление свежими водорослями  белых крыс приводит к гибели последних, хотя высушенные водоросли могут  использоваться как ценный продукт  питания. Причиной этого считают  наличие в клеточных оболочках  спорополленина, который обнаружен  у Scenedesmus, у одного из двух штаммов Prototheca, а также у хлорелла.

Таким образом, сведения о  токсических метаболитах водорослей достаточно обширны, однако химическая идентификация большинства соединений не проведена, что затрудняет установление основных закономерностей их появления  и трансформации. Поэтому остановимся  на рассмотрении вопросов токсичности  одного из наиболее распространенных возбудителей «цветения» воды в континентальных  водоемах — Microcystis aeruginosa.

Исследования показали, что  токсическое влияние на различные  компоненты гидробиоценозов могут  проявлять не только водоросли —  возбудители «цветения», и виды, связанные с «красными приливами». Токсичность зарегистрирована и  у ряда субтропических морских макрофитов. В частности, экстракты из 6 видов  водорослей (зеленые — Anadyomene stellata, Caulerpa prolifera, Penicillus capitatus; красные — Centroceras clavulatum, Laurencia papillota, L. poitel) показали летальную  токсичность для Euconistomus argenteus Baird. Girard. Экстракты из 3 видов (зеленые — A. stellata, бурые — Dictyota dichotoma, красные  — Wrangelia penicillata) лизировали эритроциты морского леща Archosargus rhomboidalts (L.)

Токсичность влияния отдельных  видов водорослей для компонентов  гидробиоценозов доказана и другими  авторами. Например, показана острая токсичность  ряда синезеленых водорослей для  инфузорий Paramecium caudatum. Установлено, что  значительную токсичность проявила Gloeotrichia echinulata, UTEX 1303, вызывавшая смерть или снижавшая двигательную активность зооорганизмов даже в концентрации 0,1 мг/мл. После обработки ультразвуком, т. е. разрушения клеток, появлялась токсичность  и у Nostoc linckia, хотя после высушивания его биомасса, как и биомасса Anabaena flos-aquae NRC-44, оказалась нетоксичной в концентрации от 0,001 до 1,0 мг/мл сухого вещества. Fisherella epiphytica проявила токсические свойства только при максимальной концентрации через 8 ч.

Сказанное выше дает основание  для заключения, что, во-первых, токсичность  зависит от вида водорослей, физиологического состояния их клеток и степени  разрушения последних; во-вторых, виды водорослей, токсичные для низших ракообразных, оказались токсичными и для простейших. При этом следует  отметить, что отдельные виды синезеленых  водорослей могут выедаться ракообразными. Например, ежедневное потребление клеток Tolypothrix 5 видами ракушковых ракообразных Cypris sp. колебалось от 340 до 0,2 мг/особь, причем потребление зависело от температуры  и размера рачка. Оно было постоянным в пределах рН 5—10. Возраст культуры в одних случаях сказывался отрицательно на потреблении, в других — не влиял  на него.

Показана также токсичность  экстрактов из М. aeruginosa на Daphnia longispina Erecypris virens, хотя живые клетки оказывали  положительное влияние на выживаемость D. longispina и не подавляли их размножение. Токсическое действие оказывали  фикобилиновые пигменты водорослей, выделенные из клеток замораживанием. Доказана токсичность ряда синезеленых  водорослей (Hapalosiphon fontinalis, Anabaena variabilis, Microcystis aeruginosa) по отношению к личинкам кровососущих насекомых (комаров родов Culex, Aedes).

В присутствии метаболитов  этих водорослей подавляется развитие личинок кровососущих комаров, причем наиболее ядовита культура Hapalosiphon font inalis: в присутствии ее погибают все  стадии личинок.

Культуры синезеленых  водорослей (Synechocystis sp., Anabaena augstumalis, A. variabilis, Merismopedia sp., Nostoc sp., N. muscorum, Microcystis aeruginosa) оказывали  ингибирующее влияние на развитие личинок  комнатной мухи, в результате чего многие из них не окончили развития в срок, а некоторые погибали. Личинки, не окончившие развития, окукливались в более мелких, чем контрольные, пупариях (масса 12,5 мг против 34,3 мг в  контроле). Мухи, вылетевшие из таких  пупариев, были также более мелких размеров. Насекомые спаривались, откладывали  яйца, однако выхода личинок не отмечалось. Большинство культур упомянутых синезеленых водорослей при добавлении их биомассы в корма вызывали 100%-ную  гибель гусениц шелкопряда уже на 3-й сутки, Synechocystis sp. и М. aeruginosa обусловливали  полную смертность гусениц непарного  шелкопряда на 5—7-й день. Это указывает  на значительную перспективность биологически активных веществ водорослей в качестве средства борьбы с вредными видами насекомых.

Таким образом, токсические  метаболиты водорослей могут быть отнесены к числу существенных факторов формирования не только качества воды, но и гидробиоценозов  за счет подавления жизнедеятельности  и отмирания отдельных его  компонентов. В связи с этим представляет интерес рассмотрение механизмов влияния  токсинов водорослей на живые организмы  и водные экосистемы в целом.

М. aeruginosa распространен в  водоемах практически всех стран  мира. Многократно описывались токсикозы, вызываемые «цветением» воды этой водорослью в Чехословакии, Канаде, Норвегии, США, ФРГ, СССР, Австралии и др. Например, в 1980—1981 гг. в Голландии М. aeruginosa стал причиной кожных заболеваний и  конъюнктивитов после купания людей  в зонах «цветения» воды. Гепатоксин М. aeruginosa (микроцистин) обнаруживался  в 9 из 10 исследованных проб, вызывая  гибель мышей в течение 3 ч. Хотя считают, что микроцистин.не секретируется  клетками водорослей в среду, а выделяется после их разрушения ультразвуком, замораживанием — оттаиванием, отмыванием лиофилизированных клеток 0,9%-ньш  раствором NaCl, негативное влияние токсинов обнаруживается достаточно четко по аллергическим заболеваниям людей.

М. aeruginosa накапливает токсины  и в чистой культуре, поэтому его  свежесобранные клетки, введенные белым  мышам внутрибрюшинно, вызывают одышку и смерть животных через 4—48 ч. Найдено, что штамм М. aeruginosa NRC-1 токсичен по отношению к белым мышам, морским  свинкам, кроликам, цыплятам, овцам  и телятам, вызывая типичное отравление при введении суспензии через  рот и внутрибрюшинно, хотя домашние утки к токсину не чувствительны. Как свидетельствуют данные, имеется  два токсина — эндотоксин FDF и  токсин SDF, химическая природа которых, биологическая активность по отношению  к животным и источники поступления  в воду отличаются. Первый синтезируется  водорослями и при минимальной  летальной дозе вызывает гибель белых  мышей через 1—2 ч после введения перорально или внутрибрюшинно; второй выделяется главным образом сопутствующими бактериями и вызывает гибель белых  мышей через 4—48 ч после введения минимальной летальной дозы. В  свежих культурах FDF почти не обнаруживается, но начинает интенсивно формироваться  при быстром замораживании и  оттаивании культуры, при разрушении ее ультразвуком или при полуанаэробном разложении. Токсин FDF представляет собой  циклический полипептид, гидролизаты  которого содержат семь аминокислот: аспарагиновую, глютаминовую, α-серин, валин, орнитин, аланин и лейцин в соотношении 1:2:1:1:1:2: 2. Структура FDF подобна структуре  антибиотиков бацитрацина и грамицидина, но не обладает антибиотической активностью.

Из М. aeruginosa штамм UV-106 выделен  нестабильный токсин, сходный с быстроубивающим  фактором FDF, который обнаружен у  М. aeruginosa штамм NRC-1. Симптомы интоксикации — летаргия и паралич, ведущий  к смерти. Минимальное время выживания  мышей после внутрибрюшинного введения вещества — примерно 40 мин, хотя в  экстрактах токсина в очищенном  состоянии его действующее начало малоустойчиво.

Токсичность лиофилизированных  клеток водорослей оказывается более  высокой, чем у других синезеленых  возбудителей «цветения» воды. LD50 лиофилизированных  клеток М. aeruginosa составляла 45— 114 мг/кг. Для сравнения можно отметить, что LД50 для Aphanizomenon flos-aquae равна 200 мг/кг, a Anabaena spiroides — 160 мг/кг, Oscillatoria redekei оказалась  нетоксичной. При инъекции животным интактных клеток М. aeruginosa симптомы отравления проявлялись при дозе 100—200 мг/кг, но животные выживали от 10 ч до 2 сут. Эффективная доза разрушения клеток была значительно меньше и  составляла примерно 50 мг/кг. В случае гибели мышей в течение 4 ч у  них наблюдалось значительное увеличение скорости дыхания, сопровождавшееся спазмами шейных и спинных мышц, а также  параличом задних конечностей. У  отравленных животных нарушалось периферическое кровообращение, печень погибших была темно-красной с частыми мелкими  светлыми точками.

Из природных популяций  М. aeruginosa, собранных в период «цветения» в одном из евтрофированных озер Японии, выделено и очищено токсическое  соединение, не изменяющее своей активности при нагревании до 80°С в течение 3 мин. Выделенное вещество содержится в клетках в небольшом количестве и характеризуется меньшей токсичностью по сравнению с другими известными токсинами, чем объясняют отсутствие случаев отравления скота в Японии. В то же время из природных популяций  М. aeruginosa, собранных у берегов  Нового Южного Уэльса (Австралия), выделяли один или два токсических низкомолекулярных  пептида, проявляющих гепатоксическое  влияние на мышей. При введении молодым  овцам с пищей биомассы М. aeruginosa животные погибали в течение 18—48 ч, причем первичным участком проявления токсичности была печень, в которой  отмечены симптомы от центрилобулярного  до почти полного некроза гепатоцитов. Интересно отметить, что три выделенных из водоросли токсических пептида  отличались как по своему химическому  составу, так и по характеру биологического влияния, что указывает на их неидентичность и достаточную сложность. В пользу сказанного свидетельствуют данные о выделении из лабораторного  клона М. aeruginosa четырех токсинов, имеющих более сложную структуру (чем можно было предполагать на основе анализа аминокислот) и содержащих неполярную боковую цепь с 20 атомами углерода.