I cianobatteri, come tutti i batteri, sono organismi detti procarioti, vale a dire privi di nucleo all'interno della loro cellula. A differenza degli eucarioti (come le alghe e gli organismi composti da più cellule) non posseggono organelli come nucleo, mitocondri e cloroplasti.
Come le alghe e le piante, però, i cianobatteri per nutrirsi producono zuccheri a partire da anidride carbonica e acqua, grazie all'energia della luce, e per questo sono detti fotosintetici. L’assorbimento di energia per la fotosintesi è assicurato dalla presenza di clorofilla e di altri pigmenti che conferiscono loro diverse colorazioni, dal blu-verde (ciano, da cui il nome) al rosso.
Si riproducono asessualmente e presentano forme unicellulari o filamentose, in filamenti singoli o a colonie, formando dei ciuffetti, visibili al microscopio.
Sono stati definiti 6 ordini di cianobatteri: Chroococcales, Gloeobateales, Nostocales, Oscillatoriales, Pseudanabaenales e Synechococcales, che comprendono moltissime specie, non sempre facili da distinguere al microscopio.
Le fioriture di cianobatteri si sviluppano, generalmente ma non sempre, in presenza di un’alta concentrazione di nutrienti (fosforo e azoto), a temperatura elevata e in acque molto calme che permettono il galleggiamento delle cellule:

laghi
anse di fiumi, dove la corrente è molto ridotta

Il riscaldamento superficiale dell’acqua, dalla primavera in avanti, genera la stratificazione di una massa di acqua fredda, in profondità, sormontata da acqua calda in superficie in cui alcuni cianobatteri riescono a riprodursi più velocemente di altre alghe verdi e diventano dominanti. Durante fioriture importanti, il vento e le correnti superficiali possono causare la formazione di spesse schiume superficiali in seguito all'accumulo di cellule in aree limitate.
Una specie di cianobatterio presente in Italia, Planktothrix rubescens, è invece caratteristica di acque più fresche e meno illuminate e tende, dunque, a fiorire in profondità durante l’estate e in superficie durante l’inverno provocando, a volte, delle maree rosse, a causa del suo colore.
Gli aumenti della frequenza, dell’estensione e, in alcuni casi, della durata delle fioriture sono associati principalmente a modifiche dipendenti dall'attività umana. L’eutrofizzazione (elevata concentrazione di sostanze nutritive, specie nitrati e fosfati, in ambiente acquatico a causa di attività dell’uomo) e il riscaldamento globale legato ai cambiamenti climatici sono considerati i principali responsabili dell’aumento dello sviluppo dei cianobatteri.
In Italia, le specie cianobatteriche tossiche più importanti per frequenza e abbondanza, sia nelle regioni settentrionali che meridionali, sono Microcystis aeruginosa, Dolichospermum lemmermannii e Chrysosporum ovalisporum durante l’estate, e Planktothrix rubescens (o alga rossa) in tardo autunno-inverno.
Questi cianobatteri producono tutti delle cianotossine chiamate microcistine, tranne C. ovalisporum che produce cilindrospermopsina, e D. lemmermannii che può produrre anche anatossina-a.
Le prime tre specie sono più importanti per le attività di balneazione, mentre P. rubescens, che fiorisce d’estate in profondità e in superficie solo d’inverno, può essere rilevante per l’uso potabile dell’acqua o durante lo svolgimento di sport acquatici invernali.
Le cianotossine
Le cianotossine sono delle sostanze prodotte da molte specie di cianobatteri per motivi ancora non ben conosciuti.
Possono essere raggruppate in base alla loro struttura chimica o in base alla loro attività tossica in vari gruppi:

microcistine (MC, gruppo di più di 100 molecole simili) e nodularine (NOD), principalmente tossiche per il fegato (epatotossine). Possono favorire l’azione di altre sostanze aumentandone la capacità di provocare tumori (promotori tumorali)
cilindrospermopsina (CYN), tossica per il rene, il fegato e altri organi
anatossine e saxitossine, tossiche per cervello e sistema nervoso (neurotossiche)
tossine lipopolisaccaridiche (LPS), presenti sulle membrane esterne di tutti i batteri sono soprattutto in grado di produrre allergie e irritazioni nel punto di contatto

Quelle descritte rappresentano solo una piccola parte delle tossine prodotte dai cianobatteri; con il progresso delle tecniche di analisi chimica e l’aumentare degli studi sui cianobatteri se ne continuano a scoprire di nuove, con caratteristiche chimiche diverse. Purtroppo, la caratterizzazione tossicologica non va di pari passo e di molte non si conoscono ancora gli effetti e il livello di tossicità.
Nonostante i numerosi studi sui fattori che influenzano la produzione di cianotossine, non è ancora possibile prevedere la tossicità di una fioritura. La produzione di cianotossine da parte di una specie di cianobatteri dipende in primo luogo dalla presenza nelle cellule cianobatteriche dei geni responsabili della produzione delle tossine.
Una combinazione di più fattori ambientali (quantità di luce, temperatura, quantità di nutrienti, ecc.), diversa per ogni specie di cianobatteri e per ogni area geografica, determina l’abbondanza di queste cellule e la quantità di tossine che produrranno. In molti casi, un’elevata concentrazione di nutrienti e un’elevata temperatura tendono a favorire imponenti fioriture tossiche.