Κυανοτοξίνες

Κυκλικά πεπτίδια

Τα κυκλικά πεπτίδια είναι μικρά μόρια σε σχέση με άλλα κυτταρικά ολιγοπεπτίδια και πολυπεπτίδια (πρωτεΐνες), με μοριακό βάρος περίπου 800-1100. Περιέχουν είτε πέντε (νοντουλαρίνες) είτε εφτά (μικροκυστίνες) αμινοξέα, όπου τα δύο τελευταία αμινοξέα της γραμμικής πεπτιδικής αλυσίδας ενώνονται για να σχηματίσουν μια κυκλική δομή. Είναι διαλυτά στο νερό και, εκτός ίσως από κάποιες υδρόφοβες μικροκυστίνες, αδυνατούν να διαπεράσουν άμεσα τις λιπιδικές μεμβράνες ζωικών, φυτικών ή βακτηριακών κυττάρων, οπότε για να μπουν στο κύτταρο και να ασκήσουν την τοξική τους δράση χρησιμοποιούν πρωτεΐνες-μεταφορείς της μεμβράνης, οι οποίες κανονικά μεταφέρουν απαραίτητα, για το κύτταρο, θρεπτικά. Στα υδάτινα οικοσυστήματα οι ουσίες αυτές παραμένουν μέσα στα κύτταρα των κυανοβακτηρίων και απελευθερώνονται με τη λύση των κυττάρων τους.

Μικροκυστίνες

Οι μικροκυστίνες είναι κυκλικά επταπεπτίδια (κυκλικά πεπτίδια με επτά αμινοξέα) και πήραν το όνομά τους από το κυανοβακτήριο Microcystis aeruginosa, από όπου απομονώθηκαν για πρώτη φορά. Οι περισσότερες μικροκυστίνες έχουν τη γενική χημική δομή: κυκλο-(D-alanine-X-D-MeAsp-Z-Adda-D-glutamate-Mdha), όπου Χ και Ζ είναι μεταβλητά αμινοξέα, το D-MeAsp είναι το D-ερυθρο-β-μεθυλασπαρτικό οξύ, το Mdha είναι η Ν-μεθυλδεϋδροαλανίνη και το Adda είναι το 3-αμινο-9-μεθοξυ-2,6,8-τριμεθυλ-10-φαινυλδεκα-4,6-διενικό οξύ. Έχουν αναγνωριστεί μέχρι στιγμής πάνω από 80 διαφορετικες μικροκυστίνες και όλες έχουν ηπατοτοξική δράση.

Νοντουλαρίνες

Οι νοντουλαρίνες είναι κυκλικά πενταπεπτίδια (κυκλικά πεπτίδια με πέντε αμινοξέα) και πήραν το όνομά τους από το μοναδικό κυανοβακτήριο που τις παράγει, το Nodularia spumigena. Η πλειοψηφία των νοντουλαρινών έχει γενική χημική δομή κυκλο-(D-MeAsp-L-arginine-Adda-D-glutamate-Mdhb), όπου το Mdhb είναι το 2-μεθυλαμινο-2-δεϋδροβουτυρικό οξύ. Πέρα από την παρόμοια δομή με τις μικροκυστίνες, οι δύο αυτές κατηγορίες τοξινών αναστέλλουν τις πρωτεϊνικές φωσφατάσες των κυττάρων φυτών και θηλαστικών, προκαλώντας έτσι υπερφωσφορυλίωση και μαζική αποδιοργάνωση πολλών σημαντικών κυτταρικών μηχανισμών.

Αλκαλοειδή

Τα αλκαλοειδή είναι μια μεγάλη ομάδα ετεροκυκλικών αζωτούχων ενώσεων και παράγονται κυρίως από τα φυτά, αλλά και από κάποια βακτήρια. Είναι σταθερά βιοδραστικά και σχεδόν πάντα τοξικά. Εκτός από άνθρακα, υδρογόνο και άζωτο, τα αλκαλοειδή μπορεί να περιέχουν οξυγόνο, θείο και πιο σπάνια χλώριο, βρώμιο και φώσφορο. Οι μη-θειούχες αλκαλοειδείς τοξίνες των κυανοβακτηρίων είναι όλες νευροτοξικές (ανατοξίνες και σαξιτοξίνη), ενώ το θειούχο αλκαλοειδές κυλινδροσπερμοψίνη μπλοκάρει την πρωτεϊνική σύνθεση με επίδραση κυρίως στα ηπατικά κύτταρα. Μερικά κυανοβακτήρια παράγουν αλκαλοειδή που είναι κυρίως δερματοξικά (απλυσιατοξίνες, λυνγκμπυατοξίνη), αλλά έχουν συσχετιστεί και με τη γαστρεντερίτιδα και με πιο γενικά συμπτώματα όπως ο πυρετός.

Ανατοξίνη-α

Η ανατοξίνη-α είναι δευτεροταγής αμίνη μικρού μοριακού βάρους (ΜΒ=165) με χημικό τύπο C₁₀H₁₅NO, που παράγεται αποκλειστικά από τα κυανοβακτήρια. Απομονώθηκε για πρώτη φορά από το κυανοβακτήριο Anabaena flos-aquae. Ο τρόπος δράσης της είναι μέσω του νικοτινικού υποδοχέα της ακετυλοχολίνης, όπου ενεργεί ως ένα ανάλογο της ακετυλοχολίνης. Η ανατοξίνη-α δεν αποικοδομείται από την ακετυλοχολινεστεράση και αυτό προκαλεί μόνιμη διέγερση των μυϊκών ινών καταλήγοντας σε παράλυση και θάνατο. Έχει ονομαστεί «ταχύτατος παράγοντας θανάτου», καθώς μέσα σε 2-5 λεπτά μετά από ενδοπεριτοναϊκή έγχυση σε ποντίκια αυτά πεθαίνουν έπειτα από μυϊκούς σπασμούς, παράλυση και αναπνευστική ανακοπή.

Ανατοξίνη-α (S)

Η ανατοξίνη-α (S) είναι μια φυσική οργανοφωσφορική ένωση με χημικό τύπο C₇H₁₇N₄O₄P. Η χημική της δομή δε σχετίζεται με την ανατοξίνη-α, απομονώθηκε όμως από το ίδιο είδος κυανοβακτηρίου (Anabaena flos aquae) και παρουσιάζει παρόμοια τοξικότητα με αυτή. To (S) αντικατοπτρίζει τη σιελόρροια (salivation) που προκαλεί στα σπονδυλωτά.

Σαξιτοξίνες

Οι σαξιτοξίνες είναι ομάδα καρβαμιδικών αλκαλοειδών με χημικό τύπο C₁₀H₁₇N₇O₄ που παράγεται από κυανοβακτήρια και δινομαστιγωτά. Πήραν το όνομά τους από το οστρακοειδές Saxidomus giganteus, στο οποίο βρέθηκαν και αναγνωρίστηκαν πρώτη φορά. Τα οστρακοειδή διηθούν τροφή, η οποία συχνά αποτελείται από τοξικά δινομαστιγωτά και έτσι οι τοξίνες συσσωρεύονται σε αυτά. Για το λόγο αυτό, οι τοξίνες που συνδέονται με τα οστρακοειδή, όπως οι σαξιτοξίνες, ονομάζονται PSP (Paralytic Shellfish Poisons) τοξίνες και η δηλητηρίαση από κατανάλωσή τους PSP (Paralytic Shellfish Poisoning). Οι σαξιτοξίνες μπλοκάρουν τα κανάλια νατρίου στα νευρικά κύτταρα, αποτρέποντας τη δημιουργία κατάλληλου δυναμικού δράσης στα νεύρα και τις μυικές ίνες, οδηγώντας έτσι σε νευρομυϊκή παράλυση και θάνατο από αναπνευστική ανακοπή. Οι σαξιτοξίνες είναι από τις πιο ισχυρές φυσικές τοξίνες.

Κυλινδροσπερμοψίνες

Η κυλινδροσπερμοψίνη είναι ένα τρικυκλικό αλκαλοειδές με ηπατοτοξίκη δράση που πρώτα αναγνωρίστηκε και απομονώθηκε από το κυανοβακτήριο Cylindrospermopsis raciborskii. Η δράση της διακρίνεται σε τέσσερα στάδια: αναστέλλει την πρωτεϊνική σύνθεση, προκαλεί πολλαπλασιασμό των μεμβρανών, συσσώρευση λιπιδίων στο εσωτερικό των κυττάρων και τελικά τα κύτταρα νεκρώνονται.

Απλυσιατοξίνες

Οι απλυσιατοξίνες (απλυσιατοξίνη και διβρωμοαπλυσιατοξίνη) είναι φαινολικές δισλακτόνες. Αρχικά αναφέρθηκαν ως τοξίνες του θαλάσσιου γυμνοσάλιαγκα Stylocheilus longicauda και στη συνέχεια ως συστατικά του βενθικού κυανοβακτηρίου Lyngbia majuscule, με το οποίο τρέφεται ο θαλάσσιος γυμνοσάλιαγκας. Οι τοξίνες αυτές είναι ισχυροί προαγωγείς όγκων και ενεργοποιητές της πρωτεϊνικής κινάσης C. Προκαλούν εξανθήματα και φουσκάλες στο δέρμα, διάρροια και αίσθηση καψίματος στο στόμα και το λαιμό.

Λυνγκμπυατοξίνη-α

Η λυνγκμπυατοξίνη-α έχει παρόμοια δράση με τις απλυσιατοξίνες, προκαλώντας δερματίτιδα, ερεθισμό των ματιών, αλλά και σοβαρές στοματικές και γαστρεντερικές φλεγμονές.

Λιποπολυσακχαρίτες (LPS)

Οι λιποπολυσακχαρίτες είναι μεγάλα μόρια, αποτελούμενα από ένα λιπίδιο κι έναν πολυσακχαρίτη ενωμένα με ομοιοπολικό δεσμό. Συνήθως βρίσκονται στην εξωτερική μεμβράνη του κυτταρικού τοιχώματος των gram-αρνητικών βακτηρίων, συμπεριλαμβανομένων των κυανοβακτηρίων, όπου δημιουργούν συμπλέγματα με πρωτείνες και φωσφολιπίδια. Οι λιποπολυσακχαρίτες συμπεριφέρονται ως ενδοτοξίνες και μπορούν να προκαλέσουν ερεθισμό και αλλεργικές αντιδράσεις όταν έρθουν σε επαφή με κάποιο ιστό. Σε σχέση με τους λιποπολυσακχαρίτες άλλων παθογόνων gram-αρνητικών βακτηρίων, όπως η Salmonella, οι λιποπολυσακχαρίτες των κυανοβακτηρίων δεν έχουν τόσο ισχυρή τοξική δράση.

Μελέτη κυανοτοξινών στα ελληνικά εσωτερικά ύδατα

Οι κυανοτοξίνες απαντώνται κυρίως στα εσωτερικά ύδατα κατά τη διάρκεια έντονων φαινομένων άνθισης τοξικών κυανοβακτηρίων. Το φαινόμενο της άνθισης  αναφέρεται για πρώτη φορά παγκοσμίως το 1878, ενώ στην Ελλάδα η πρώτη αναφορά καταγράφεται το 1987 στις λίμνες Βιστωνίδα, Κορώνεια, Βόλβης και Καστοριάς.
Κατά τα έτη 1994-1997 διεξάγεται η πρώτη συστηματική μελέτη της σύνθεσης  των ειδών κυανοβακτηρίων συσχετιζόμενη με την παρουσία και την συγκέντρωση μικροκυστινών στην λίμνη της Καστοριάς. Το 2000 καταγράφεται η παρουσία μικροκυστινών στις λίμνες Καστοριάς και Παμβώτιδας καθώς επίσης και στον  ταμιευτήρια της Κερκίνης. Το 2004 μελετούνται εκ νέου 33 υδάτινα οικοσυστήματα, όπου σε όλα παρατηρήθηκαν δυνητικά τοξικά κυανοβακτήρια και ανθίσεις αυτών. Κατά το ίδιο έτος υπήρξε µαζικός θάνατος πτηνών και ιχθύων στη Λίµνη Κορώνεια, πιθανώς ως αποτέλεσµα κυανοτοξινών, αφού εκείνο το διάστηµα το φυτοπλαγκτόν της λίµνης αποτελούνταν αποκλειστικά από κυανοβακτήρια. Το 2005 και 2006 οι Gkelis et al. κατέγραψαν συγκεντρώσεις μικροκυστινών σε αρκετά εσωτερικά ύδατα της Ελλάδας καθώς και  συγκεντρώσεις αυτών σε τοπικούς πληθυσμούς ιχθύων, αμφίβιων και ασπόνδυλων στις λίμνες της Καστοριάς, στον ταμιευτήρια της Κερκίνης και στην λίμνη Παμβώτιδα. Το 2007, μελέτες στην  τεχνητή λίμνη του Μαραθώνα (η οποία δημιουργήθηκε με σκοπό τη συγκέντρωση νερού για την ύδρευση της Αθήνας) υποδεικνύουν ότι ο συνολικός βιοόγκος των κυανοβακτηρίων, καθώς και η κυριαρχία του γνωστού παραγωγού  μικροκυστινών  Microcystis aeruginosa στο φυτοπλαγκτόν του ταμιευτήρα μπορεί να αποτελέσει δυνητικό κίνδυνο για την υγεία του ανθρώπου. Το 2010 καταγράφεται η συνύπαρξη  άνθισης κυανοβακτηρίων με την παρουσία ενός  περιορισμένου αριθμού νεκρών πτηνών στη λίμνη Κορώνεια, ενώ κατά το ίδιο έτος δείγματα νερού από τις λίμνες Βόλβης, Δοϊράνης  και Κάρλας βρέθηκαν θετικά στην παρουσία μικροκυστινών. Το 2014 δείγματα νερού από διάφορες λίμνες της Ελλάδος εξετάστηκαν ως προς την ύπαρξη κυανοτοξινών, με τα  αποτελέσματα αυτής να υποδεικνύουν πιθανή παρουσία πλην των μικροκυστινών, σαξιτοξινών και κυλινδροσπερμοψινών στην λίμνη Κάρλα, πιθανή παρουσία μικροκυστινών  και  σαξιτοξινών στις λίμνες Καστοριάς, Κερκίνης και Δοϊράνης  και τέλος, πιθανή παρουσία μικροκυστινών και κυλινδροσπερμοψινών  στις λίμνες Βόλβης  και  Παμβώτιδας.
Οι μελέτες για την συσσώρευση μικροκυστινών σε οργανισμούς ήταν μέχρι πρότινος περιορισμένες στην Ελλάδα αλλά το 2010 μελετήθηκε ιδιαίτερα η παρουσία κυανοτοξινών σε ιχθείς των ελληνικών λιμνών και παρουσιάστηκε βάση των αποτελεσμάτων σαν επιτακτική ανάγκη η μελέτη εκ νέου της συσσώρευσης κυρίως μικροκυστινών σε άλλους εδώδιμους υδρόβιους και μη οργανισμούς.
Συμπερασματικά,  οι μέχρι τώρα καταγραφές για την παρουσία  κυανοτοξινών σε Ελληνικά ύδατα  αναφέρονται  κυρίως στην παρουσία μικροκυστινών και δευτερευόντως στην πιθανή παρουσία σαξιτοξινών καθώς και κυλινδροσπερμοψινών. Βάση  ερευνών σε εύτροφες λίμνες η παρουσία μικροκυστινών οφείλεται στην ανάπτυξη ειδών του γένους  Microcystis, ενώ σε μεσοτροφικές λίμνες  η παρουσία των εν λόγο τοξινών συνδέεται συνήθως με την ανάπτυξη ειδών του γένους  Aphanizomenon.  Νεότερες έρευνες υποστηρίζουν πως σήμερα το συχνότερα εμφανιζόμενο δυνητικό τοξικό κυανοβακτήριο στην Ελλάδα είναι το Microcystis aeruginosa ενώ έχει παρατηρηθεί και η έντονη παρουσία του Cylindrospermopsis raciboskii σε ολοένα  και περισσότερα υδάτινα οικοσυστήματα. Σε όλα τα υδάτινα οικοσυστήματα της Ελλάδας που έχουν μελετηθεί για την παρουσία μικροκυστινών οι συγκεντρώσεις που μετρήθηκαν ήταν πάνω από το 1μg MC-RL/L (συγκέντρωση  που αποτελεί το ανώτερο επιτρεπτό όριο του πόσιμου νερού).

Αξιολόγηση κινδύνου των κυανοτοξινών, διαχείριση και κανονισμοί

Πολλά από τα ελληνικά εσωτερικά ύδατα αποτελούν σημεία έντονης ανθρωπογενούς δραστηριότητας (αλιεία, αθλητισμός, αναψυχή). Επίσης  ένας σημαντικός αριθμός υδατικών συστημάτων χρησιμοποιείται  για αρδευτικούς σκοπούς και ως παροχή πόσιμου νερού. Μελέτες έχουν δείξει πως στα ελληνικά εσωτερικά ύδατα όχι μόνο ευνοείται το φαινόμενο της άνθισης αλλά και παρουσιάζεται για μεγαλύτερη περίοδο από ότι συνηθίζεται, κυρίως λόγω του μεσογειακού κλίματος της χώρας με την υψηλή ακτινοβολία, την υψηλή θερμοκρασία και τις λίγες βροχόπτωσης. Ωστόσο, τα ελληνικά εσωτερικά ύδατα δεν ελέγχονται σε εθνικό επίπεδο. Τα δεδομένα που διατίθενται σήμερα για τους κινδύνους των κυανοτοξινών για τους χρήστες  του νερού είναι το αποτέλεσμα  έρευνας που διεξάγεται από ακαδημαϊκά και ερευνητικά ιδρύματα. Σε πολλές χώρες, μέτρα για την προστασία της δημόσιας υγείας, των  γεωργικών προϊόντων και ζώων από κυανοτοξίνες έχουν εφαρμοστεί σύμφωνα με τις υποδείξεις του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας. Στην Ελλάδα, αν και τα κυανοβακτήρια και οι κυανοτοξίνες έχουν προσελκύσει σημαντικό επιστημονικό ενδιαφέρον, δεν υπάρχει  υποκίνηση προγραμμάτων και  νομοθεσίας από την κυβέρνηση. Η διαχείριση των εσωτερικών υδάτων όσον αφορά τη χρήση του νερού  μέχρι σήμερα δεν περιλαμβάνει έλεγχο συγκεντρώσεων κυανοτοξινών. Ένα παράδειγμα είναι η λίμνη της Καστοριάς η οποία έχει μια μακρά ιστορία ανθίσεων τοξικών κυανοβακτηρίων και ενώ τα Τοπικά Τμήματα του Υπουργείου Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων είναι υπεύθυνα για την ασφάλεια των προϊόντων υδατοκαλλιέργειας με τελικό καταναλωτή των άνθρωπο  δεν υπάρχει έλεγχος για την παρουσία κυανοτοξινών στα εμπορικά προϊόντα υδατοκαλλιέργειας, παρά του γεγονότος ύπαρξης αποδεικτικών στοιχείων παρουσίας μικροκυστινών στους ιστούς της πανίδας της λίμνης. Στα ελληνικά γλυκά ύδατα που επηρεάζονται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες το φαινόμενο του  ευτροφισμού γίνεται όλο και πιο έντονο, ενώ η αλλαγή του κλίματος αντικατοπτρίζεται στην οικολογική κατάσταση  με την αύξηση του ποσοστού των  ανθίσεων και την κυριαρχία των επιβλαβών ειδών κυανοβακτηρίων.