Особенности природы цианобактерий

биомасса, вода, патология, применение, токсины, цветение, цианобактерии.

К настоящему моменту выделено и охарактеризовано значительное количество цианотоксинов [39, 55]. Установлено, что аплисиатоксины и лингбиатоксин-а, являясь активаторами протеинкиназы-С, вызывают острые дерматиты, тяжелые воспаления кишечного тракта и способствуют возникновению опухолей. Липополисахариды, входящие в состав клеточной оболочки цианобактерий, вызывают раздражение кожи и аллергические реакции. Микроцистины и нодулярины относят к «факторам быстрой смерти» (гибель лабораторных животных в течение 1–4 ч). Анатоксины и сакситоксины – к «факторам очень быстрой смерти» (гибель в течение 2–30 мин). Характеристика наиболее опасных для человека цианотоксинов суммирована в табл. 1**, 3 и на рис. 1.

Сегодня при наличии набора стандартных образцов и хромато-масс-спектроскопического оборудования стало возможным идентифицировать в объектах окружающей среды весь перечень известных цианотоксинов [2; 25; 60]. Для определения токсигенности цианобактерий широко используется полимеразная цепная реакция с праймерами к генам, ответственным за синтез токсинов [28]. Быстро и надежно обнаруживать микроцистин-LR позволяют сенсоры из золотых наночастиц в углеродных нанотрубках, допированных соответствующим антителом [46]. Установлено, что микроцистины и нодулярины разрушаются озонированием, не распадаются даже после кипячения и в затененных местах водоемов сохраняются годами. Анатоксин-а(с) и сакситоксины гидролизуются. Анатоксин-а и гомоанатоксин-а подвергаются фотохимическому распаду. Деструкция цилинд-роспермозина происходит в воде при температурах свыше 50°С. Линейные изомеры микроцистинов и нодуляринов в 100 раз менее токсичны циклических структур.

Исследования продолжаются, и в 2000 г. появилось сообщение о продуцировании сакситоксина (табл. 1) пресноводной цианобактерией Planktothrix agardhii [51], колонии которых обнаружены в урбанизированных водоемах Санкт-Петербурга [7; 30].

По-видимому, еще до появления млекопитающих цианобактерии синтезировали токсины для защиты от конкурентов и обозначения сферы своего влияния. Их система адаптивного мутагенеза начала формироваться еще на заре развития жизни на Земле и за миллионы лет не раз совершенствовалась. Действительно, первые известные в ископаемом состоянии остатки организмов, найденные в осадочных породах кремния и строматолитах с возрастом 3,5–3,8 млрд лет, морфологически подобны современным нитчатым цианобактериям. Недавно строматолиты были обнаружены в подледном антарктическом озере Унтер-Зее. В наше время строматолиты (греч. «stroma» – подстилка, «litos» – камень) и онколиты (сферическая разновидность строматолитов) формируются сообществом цианобактерий с другими организмами, вокруг которого постепенно образуются карбонатные отложения (чаще известковые или доломитовые), а микроорганизмы частично отмирают или перемещаются наверх неорганических слоистых структур (рис. 2). Фактически, строматолиты являются продуктами жизнедеятельности альгобактериальных сообществ (матов), представляющих собой одну из самых устойчивых и сбалансированных экосистем с нулевым балансом [19].

Однако вернемся к вопросу о значительных количествах биомассы цианобактерий, образующихся в цветущих водохранилищах. Так, в Куйбышевском водохранилище на Волге она составляет 13–200 г/м3, в Цимлянском на Доне – от 37 до 280 г/м3, в Каховском на Днепре достигает 71–450 г/м3. Запасы цианобактерий в метровом слое воды Днепровского каскада водохранилищ в 1969 г. составляли 432407 т [27]. В настоящее время в условиях глобальной эвтрофикации водоемов, приводящей к

* Окончание. Начало см. № 1 за 2012 г., с. 232–238. Нумерация таблиц начинается в первой части статьи.

** См. № 1 за 2012 г., с. 233.

Cреда обитания

Микроцистины:

1, D-Alanine; 2, X (variable); 3, D-MeAsp (D-érythro-b-méthyl-D-acide aspartique); 4, Z (variable); 5, Adda (acide (2S, 3S, 8S, 9S)-3-amino-9-méthoxy-2-6-8-triméthyl-10-phényldéca-4,6-diènoïque); 6, D-glutamate; 7, Mdha (N-méthyldéhydroalanine). R1 et R2 sont H (déméthylmicrocystines) ou CH3.

Анатоксины: анатоксин-a (R1=CH3, R2=R3=H), син-a (R1=C2H5, R2=R3=H)

гомоанаток-

Нодулярины:

1, Mdhb (N-méthyldéhydrobutyrine); 2, -méthyl-D-acide aspartique); 3, Z (variable); 4,βD-MeAsp (D-érythro- Adda (acide (2S,3S,8S,9S)-3-amino-9-méthoxy-2-6-8-triméthyl-10-phényldéca-4,6-diènoïque); 5 D-glutamate. R1 et R2 sont H (déméthylmicrocystines) ou CH3.

Сакситоксины:

R1=H,OH;   R2=R3=H,   OSO3-;   R5=H,OH;

R4=OCONH2, OCOCH3, OCOC6H4, OCONHSO3

Анатоксин-a(c)

Цилиндроспермозины: R1=OH, R2=H

Рис. 1. Структурные формулы токсинов цианобактерий.

Terra Humana

Таблица 3 характеристика цианотоксинов

Название	Биоактивность	Биомишень	Патология
Микроцистины и нодулярины	Гепатотоксичность	Рецептор апоптоза	Канцерогенез
Анатоксины-а, а(с) и гомоанатоксин-а	Нейротоксичность	Ацетилхолинэстераза	Удушье и судороги
Сакситоксины	Нейротоксичность	Натриевые каналы	Конвульсии и паралич
Цилиндроспермо-зины	Цитотоксичность и гепатотоксичность	Ингибитор синтеза белка	Некротические повреждения печени, почек, селезенки, легких, кишечника

(a)

(b)

Рис. 2. Современные строматолиты (a) Австралии и сферическая разновидность строматолитов – онколиты (b) [].

увеличению в них запасов питательных веществ, создаются предпосылки для еще большего увеличения биомассы цианобактерий. Главным фактором, определяющим эвтрофирование, является повышение нагрузки биогенных элементов на водоем и, прежде всего фосфора, стимулирующего рост фитопланктона [53; 59]. В пределах изменения концентрации Робщ от 0,01 до 0,15 мг/л биомасса фитопланктона увеличивается за сезон от 0,4 до 20 г/м3, а содержание хлорофилла – от 1 до 65 мг/м3 [29].

Считается, что при высокой концентрации фосфора в водной среде гепатотоксич-ные штаммы цианобактерий продуцируют наибольшее количество микроцистинов [7]. Кроме того, было показано, что в цветении водоемов ведущую роль играет аминокислотная составляющая донных отложений [8]. Ввиду перечисленных обстоятельств в последние годы проводится комплексный анализ абиотических и альгологических показателей водоемов (количество биогенных веществ азота и фосфора, прозрачность воды, освещенность, глубина, содержание хлорофилла, численность и биомасса фитопланктона, наличие токсинов цианобактерий) [2]. Так, летом 2010 г. без резкого подъема концентрации биогенных элементов и в силу аномально высокой температуры воды в водохранилищах средней Волги было зафиксировано сильное цветение, вызванное массовым размножением цианобактерий Microcystis и Oscillatoria. По сравнению с обычным термическим режимом Горьковского и Чебоксарского водохранилищ содержание хлорофилла и первичная продукция фитопланктона в воде увеличились более чем в 3 раза [17]. Если прогнозы глобального потепления окажутся верными, то впереди следует ожидать значительного ухудшения экологической ситуации. Естественно, что проводятся многочисленные изыскания по улучшению качества воды и нормализации процессов регуляции в природных биоценозах цветущих водоемов [16]. Однако существенных успехов так и не достигнуто.

Ранее было замечено, что биомасса цианобактерий легко подвержена процессам брожения. Причем, применение коагулянтов (сернокислый алюминий и его производные) не останавливает брожения и тем самым открывает определенные перспективы сгущения, консервации и транспортировки сырой массы цианобактерий к местам технической переработки. Для сбора биопленок в цветущем водоеме были апробированы насосы низкого напора, предназначенные для перекачивания взвешенных веществ. Концентрация биомассы цианобактерий и сестона в собранной пульпе достигала 160–180 кг/м3 [27]. Использование распылительных сушилок для быстрого высушивания этой пульпы повышала ценность сырья без потери технологического качества. Сухая смесь может быть использована в качестве удобрений в сельском хозяйстве или для других целей, речь о которых пойдет позже. Преимущества биомассы цианобактерий перед навозом как популярным органическим удобрением отражены в табл. 4.

Экспериментально показано, что в сравнении с другими удобрениями внесение в почву биомассы цианобактерий, собранной в период цветения воды, более существенно влияет на рост, развитие и продуктивность озимой пшеницы (прирост до 18%), капусты (до 30%) и томатов (до 20%). При этом необходимо отметить, что при использовании самой разнообразной биомассы (сухой, жидкой, свежесобранной, перегнившей, представленной различным соотношением видов Microcystis, Aphanizomenon и др.) и способов ее внесения в почву не было отмечено отрицательного воздействия на жизнедеятельность и полезность опытных растений. Правда, исследователями не были приведены сведения о влиянии этих смесей на человека и сельскохозяйственных животных. В противовес сомнениям об опасности этих удобрений авторы рекомендовали использование изъятой биомассы цианобактерий без отделения от воды в

Cреда обитания

Состав природных органических удобрений

Удобрение	Органические вещества, %	Азот (N), %	Фосфор (P), %	Калий (K), %
Навоз	20–25	0,5–1,0	0,2–0,3	0,5–0,7
Биомасса цианобактерий	до 44,0	2,5–8,0	0,7–1,2	0,6

Terra Humana

роли концентрированного раствора питательных веществ с высоким содержанием азота, взамен аммиачной воды [27].

Брожение биомассы цианобактерий наблюдается летом в местах скопления биопленок в заливах и прибрежных зонах цветущих водоемов. В числе продуктов брожения идентифицированы углекислый газ, молочная кислота, пахучие летучие органические кислоты, ацетон и спирты. Стало понятным, почему животные не обращали внимания на эти скопления, а употребляли цветущую воду с живыми микроорганизмами и затем мучились и погибали, как это описано выше. Брожению в первую очередь подвержены углеводы и при этом происходит дезактивация ирри-тантных свойств липопосахаридных токсинов цианобактерий [61]. Следовательно, применение в земледелии концентрированных суспензий цианобактерий взамен аммиачной воды не должно приводить к аллергиям и раздражениям кожи.

Важно заметить, что внесение в природную биомассу цианобактерий культуральных штаммов других микроорганизмов приводило к более низкому выходу продуктов брожения, чем в обычных условиях. Микробное сообщество цианобактерий лучше приспособлено к условиям окружающей среды и сохранению естественного баланса веществ. Не случайно, что в альгобак-териальных матах (биопленках), к примеру, щелочного термального Урчинского источника (Бурятия) обнаружено 12 видов цианобактерий, 4 вида диатомовых водорослей и 1 вид термофильных аноксигенных фотот-рофных бактерий Chloroflexus aurantiacus, делящих между собой биохимические функции без последствий для сообщества [5].

Природная биомасса цианобактерий после детоксикации может быть использована в качестве кормовых добавок в птицеводстве, животноводстве и рыбоводстве. В этом отношении решающую роль играет химический состав цианобактерий. В зависимости от вида этих прокариот в их органической части содержится разное количество углеводов (4–70%), липидов (2–12%) и белка (23–87%). По аминокислотному составу цианобактерии биологически полноценны и содержат в основном обычные аминокислоты. Причем в значительном количестве представлены незаменимые аминокислоты – изолейцин, тирозин, фенилаланин, валин, треонин, аргинин, гистидин и лизин. К сожалению, практически отсутствуют метионин и триптофан. Помимо незаменимых аминокислот в химическом составе цианобактерий обнаружены и другие ценные биологически активные вещества – разнообразные витамины, сульфатированные полисахариды с антитромбическим и противоопухолевым действием, полиглюканы (сорбенты токсинов и тяжелых металлов) и гамма-линолевая кислота, являющаяся прекурсором арахидоновой кислоты и простагландинов [43].

Содержание витаминов в значительной мере зависит от биологических особенностей вида цианобактерий и внешних условий их существования. По количеству бета-каротина цианобактерии уступают лишь зеленой галофильной водоросли Dunaliella salina, служащей сырьем для промышленного производства этого провитамина А. Содержание витамина В12 и его производных колеблется в пределах 6–8 мкг на 1 г сухого остатка и почти не зависит от вида цианобактерий. Кроме того, из цианобактерий были выделены рибофлавин, тиамин, пиридоксин, биотин и никотиновая кислота. В значительном количестве обнаружен витамин С. Помимо азота и фосфора цианобактерии богаты микроэлементами. Марганец, барий, титан, медь и цинк активно ими аккумулируются. В наибольшем количестве цианобактерии содержат железо, медь, марганец и особенно кобальт (в 4,5–55 раз больше, чем у растений).

Из цианобактерий были получены и внедрены в медицинскую практику новые цитостатики – апратоксин, ауридил, гек-тохлорин и лингбиябеллин [57]. Цианобактерии разных видов продуцируют широкий набор эффективных антибиотиков, так называемых цианобактеринов [52]. Носткарболин, выделенный из цианобактерий, сопоставим с эффективностью галантамина при лечении болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний [36]. В настоящее время промышленное производство ценных веществ в основном базируется на культуральных цианобактериях Spirulina platensis, о которых уже говорилось выше [37]. Сегодня этот вид цианобактерий выращивают в открытых и закрытых фотокультиваторах. Мировое производство Spirulina platensis постоянно растет и даже существуют проекты по их выращиванию в гигантских фермах на побережьи морей и океанов.

При рассмотрении всех аспектов природы токсичности цветущей воды нельзя не вспомнить о том, что реакционное равновесие всех процессов в водной среде зависит от состояния буферной емкости водоема [1]. То есть, аналогично тому, как в человеческом организме ведущее значение имеют белковый, гемоглобиновый (порфириновый аналог хлорофилла), би-карбонатный и фосфатный буфер. Способность этих буферных систем поддерживать постоянное значение рН (7,36–7,42) имеет определенные ограничения, нарушение которых приводит к патологиям. Нормальное функционирование как железо-порфирина гемоглобина млекопитающих, так и магнийпорфирина хлорофиллов цианобактерий определяется способностью этих молекулярных структур к реакциям электронного переноса и непосредственно связано с ионным составом и рН среды.

Интересно заметить, что значения рН воды, например, в Ладожском озере обычно изменяется в пределах от 7,1 до 8,4. Однако в периоды наиболее интенсивной фотосинтетической деятельности фитопланктона (1978 г. и 1984 г.) величина рН в поверхностном слое воды достигает 9,5 [18]. По сравнению с 1960 г. минерализация воды к 2000 г увеличилась в 1,2 раза и в среднем составила 63,7 мг/л. Между электропроводностью и общей минерализацией (ионизацией) водной массы озера существует прямая линейная зависимость. Многолетние наблюдения за электропроводностью воды Ладоги свидетельствуют об ее трендовом увеличении при отчетливых межгодовых (1978 г. и 1984 г.) колебаниях. Среднегодовое значение электропроводности водной массы возросло от 75,5 в 1968 г. до 85,7 мкS/см в 1989 г. К концу 90-х годов она достигла значения в 88,4 [23]. По-видимому, закономерно, что с 2004 г. в воде озера стали обнаруживать значительные количества цианотоксинов [60]. Буферная емкость природной воды Ладожского озера и условия к реакциям электронного переноса явно меняются в пользу размножения цианобактерий.

Выше отмечалось, что марганец, барий, титан, медь и цинк активно аккумулируются цианобактериями. Недавно нитчатые цианобактерии Plectonema boryanum UTEX 485 нашли применение при синтезе золотых, серебряных и палладиевых наночастиц [49]. Цианобактерии содержат сложную смесь альдегидов, сахаров, ненасыщенных кислот, многоатомных спиртов и полифенолов, действующих в качестве эффективных восстановителей катионов, а поверхностноактивные и хелатирующие вещества в их составе способны выступать в качестве стабилизаторов соответствующих наночастиц. Количество восстановителей и стабилизаторов наномасштабных частиц у разных цианобактерий существенно колеблется. Так, содержание бета-каротина в ряду Aph-anizomenon ,Microcystis и Anabaena растет от 398 до 608 мкг (на 1 г сухого вещества) и в той же последовательности увеличивается количество аскорбиновой кислоты (рис. 3). Особо следует подчеркнуть, что концентрация этих ингредиентов зависит не только от вида цианобактерий, но и от температуры и освещенности среды обитания [27].

Сегодня методы получения наночастиц с использованием природных субстанций, подобных цианобактериям, получили особую популярность [26]. Эти достижения современной «зеленой» химии имеют существенную значимость в рассмотрении причин развития токсичного цветения водоемов и подтверждаются соответствующим распределением крупности частиц донных отложений в цветущей и нецветущей природной воде. Только при практическом отсутствии наномасштабных частиц во взвесях были зафиксированы цианотоксины. [21].

Особого внимания заслуживают гуминовые вещества, которые в пресной воде образуют комплексы с ионами металлов и являются антикоагулянтами наночастиц. Как известно, взвеси донных отложений водоемов представляют собой смесь водных и почвенных гумусовых матриц, которые образуются в процессе постмортальных превращений живых организмов [20]. Вне зависимости от происхождения компонентами гумусовых матриц являются супра- и

СН3 СН3      СН3      СН3                     н 3                         сн3       сн3       сн3 Ан3 (a)

н9 (b)

Рис. 3. Структурные формулы бета-каротина (a) и аскорбиновой кислоты (b).

Cреда обитания

макромолекулы гуминовых веществ, различные олигомерные и низкомолекулярные соединения, неорганические ионы и гид-роксополимеры, а также наночастицы минералов. Путем изучения гелевых пленок, полученных отделением от почвенных агрегатов при подъеме на поверхность воды, стало возможным зафиксировать в этих матрицах частицы гуминовых веществ размером 2–4 нм, которые представляют собой фульвокислоты, а частицы размером 8–12 нм являются гуминовыми кислотами. Эти кислоты объединены в ассоциаты размером в десятки и сотни нанометров [31–33].

Избирательность переноса питательных веществ из гумусовых матриц внутрь клеток цианобактерий обеспечивается набором в наружной мембране пор определенного радиуса. По сути, наружная мембрана цианобактерий выступает в роли сита, задерживает ненужное и пропускает внутрь клетки необходимое в соответствии с генетически заданными параметрами. Иными словами, свойства наномасштабных элементов окружающей среды имеют не последнее значение в появлении токсичных вод [24].

Подводя итог, можно утверждать, что должно быть ясным: природа цианобактерий обладает редкой многогранностью, требует осторожности и одновременно таит в себе серьезный потенциал для научно-технического прогресса.