Cianobacterias,
Microorganismos del Fitoplancton,
y su Relación con la Salud Humana
Pedro
Ramírez García, Evaristo Martínez Romero,
Ma. Dolores Martínez Salgado y Carlos A. Eslava Campos
1. Introducción
En
la actualidad muchos cuerpos de agua están experimentando
la denominada eutrofización antrópica (proveniente
de la actividad humana) por efecto del incremento de la población
y en consecuencia de la urbanización, agricultura, minería,
aporte de aguas residuales y desechos de la industria alimenticia.
Uno de los fenómenos más frecuentes en los lagos
y reservorios eutróficos, en muchas partes del mundo, es
la presencia de cambios evidentes relacionados con el aspecto
y la calidad del agua. Tales alteraciones están asociadas
principalmente con la alta concentración de nutrimentos,
como el fósforo y el nitrógeno que presentan.
Los microorganismos fotosintéticos que pueblan todas las
aguas del planeta y que son el inicio de la cadena alimentaria
se conocen como fitoplancton. Entre los más antiguos identificados
en estos ambientes se encuentran las cianobacterias formando grandes
colonias, principalmente en cuerpos de agua con altos niveles
tróficos. Las cianobacterias son consideradas una liga
entre procariotes y eucariotes fotosintéticos que poseen
la capacidad de sintetizar clorofila. Como característica
particular se ha identificado su habilidad para sintetizar los
pigmentos ficobilina y ficocianina que en altas concentraciones
les confiere el color característico que ha dado lugar
a la denominación de algas azul-verde o cianobacterias.
Estos organismos tienen una larga historia evolutiva, por lo que
la mayoría de geólogos y geoquímicos están
de acuerdo en que su origen se extiende 3500 millones de años
atrás en la Era Proterozoica (2500 a 570 mA) conocida también
como era de las cianobacterias.1
Las
cianobacterias se aprecian a simple vista como manchas incrustadas
sobre la superficie húmeda de las rocas, del suelo o de
los árboles, pueden ser de color verde azuladas, pardas
o negras y, presentarse en forma de almohadillas macroscópicas
o en capas viscosas. También pueden vivir flotando libremente
(planctónicas) en cualquier tipo de medio acuático.2
Son organismos móviles, Gram-negativos,3 que presentan
velocidad y dirección de movimiento dependiendo de la iluminación
y de la temperatura en la que se encuentren. A pesar de que presentan
características de una bacteria Gram-negativa, poseen una
capa de peptidoglucanos más gruesa y componentes no comunes
en dicho grupo.4
Las cianobacterias muestran una amplia diversidad morfológica,
pueden ser unicelulares (Chroococcus) o filamentosas, éstas
últimas en ocasiones presentan ramificaciones (Anabaena).
Pueden presentarse aisladas o agrupadas en colonias (Schizothrix),
cuando las colonias se agrupan pueden observarse como manchas
o puntos cafés en rocas sumergidas (C. fuscus). La estructura
colonial se mantiene por un exo-polisacárido que se aprecia
como un mucílago o una vaina firme. Otra de las estructuras
presentes en las cianobacterias son las vacuolas de gas que les
ayudan a la flotación y que se encuentran en especies de
muy diferentes géneros (Anabaena). Todas las especies que
forman filamentos verdaderos presentan hormogonias, definidas
en 1959 por Desikachary,5 como cadenas cortas y motiles. Sin embargo,
no todas las hormogonias caen exactamente en esta definición,
esencialmente son filamentos modificados relacionados con la reproducción
y la dispersión del microorganismo y que contienen altos
niveles de nitrógeno, fósforo y otros nutrimentos.
Las colonias de algunos géneros (Rivularia) están
constituidas por la agregación de numerosas hormogonias,
mientras que otras (Nostoc) generalmente se originan de una hormogonia
simple.
Las
interacciones simbióticas entre las cianobacterias y otros
organismos son diversas, muchas cianobacterias simbiontes comparten
características en común incluyendo la formación
de hormogonias, las cuales sirven a menudo como agente infectivo.
Algunas plantas producen señales químicas que inducen
a la cianobacteria a formar hormogonias o sirven como quimio-atrayente
para guiar a la hormogonia al interior de la planta. Un gran número
de cianobacterias, capaces de fijar nitrógeno atmosférico
cuando el ambiente está muy oxigenado, presentan heterocistos.6
Estos son células con una pared celular delgada y generalmente
con un nódulo de cianoficina, polímero de dos aminoácidos
situados en uno o en ambos lados de la célula. La presencia
o ausencia de heterocistos es una característica importante
para diferenciar entre géneros.
Cuando los lagos se tornan eutróficos, la diversidad del
fitoplancton disminuye, lo que conduce a que las cianobacterias
prevalezcan. Diferentes factores ambientales favorecen el predominio
de las cianobacterias, las temperaturas elevadas (18 y 20º
C), condiciones de luz-energía (óptimas de la primavera
al otoño), capacidad de fijar nitrógeno atmosférico,
pH alto (6.5 a 8.5), baja tasa de filtración por el zooplancton
y la formación de vesículas de gas.7 Aunque la diversidad
y abundancia de las cianobacterias son mayores a valores altos
de pH existen excepciones al respecto, tal es el caso de las picocianobacterias
planctónicas (< 2 ?m de diámetro) y las cianobacterias
filamentosas ramificadas que se desarrollan a pH por debajo de
4.5 y 4 respectivamente.
Aspecto
que presentan los florecimientos (Blooms) de cianobacterias en
los cuerpos de agua eutrofizados.
El
florecimiento se describe como el incremento, significativamente
mayor que el promedio, en la biomasa del fitoplancton. El florecimiento
de las poblaciones de cianobacterias se ha estudiado ampliamente
ya que representa un problema para los cuerpos de agua de uso
doméstico, industrial y de recreo, principalmente por el
incremento en la producción de metabolitos tóxicos
los cuales tienen un efecto letal sobre los diversos organismos
habitantes de dichos cuerpos.8 El que estos florecimientos generen
sustancias tóxicas, plantea su importancia como un problema
ambiental con repercusiones sobre la salud. A pesar de que se
ha generado una gran cantidad de información sobre las
toxinas producidas por cianobacterias No es fácil predecir
la toxicidad de las mismas durante cada florecimiento particular;
sin embargo, su detección oportuna permite minimizar su
efecto.9 Los florecimientos pueden ser superficiales (“florecimientos
de agua”) y están restringidos a aquellos organismos
que pueden flotar o que presentan motilidad.10 Algunas especies
que no pertenecen a las cianobacterias como Botryococcus braunii,
también pueden formar florecimientos debido a la producción
o almacenamiento de aceites; así como algunos flagelados
como Euglena. Los florecimientos generalmente están relacionados
con una o dos especies y se identifican por el tipo de fitoplancton
dominante. De ésta manera se tienen florecimientos de cianobacterias,
de diatomeas o de Anabaena.
Las toxinas pueden ser dañinas dependiendo de su concentración
y su capacidad para originar efectos agudos y crónicos
en el hombre, en animales y en vegetales. Skulberg et al.,11 describe
cerca de 40 especies toxigénicas de cianobacterias basándose
en una taxonomía morfológica. La mayoría
de las especies y cepas toxigénicas pertenecen a géneros
filamentosos multicelulares: Anabaena, Oscillatoria, Nostoc, Aphanizomenon
y Cylindrospermopsi.12, 13
Otras
especies producen compuestos citotóxicos que aunque no
son tóxicos para mamíferos, sí lo son para
aves y peces, algas, bacterias y virus o bien tienen un efecto
sobre las células tumorales de mamíferos, lo que
ha permitido su empleo como antibióticos o anticarcinógenos.
De las especies de cianobacterias unicelulares Microcystis causa
la mayoría de los problemas de toxicidad probablemente
por ser la más cosmopolita de las cianobacterias. Esto
es particularmente evidente durante el verano cuando Microcystis
domina la sucesión anual de cianobacterias.
Se considera que existe un florecimiento en el agua para uso potable
o recreativo, cuando las concentraciones celulares calculadas
están en niveles de 20,000 células ml-1, que corresponde
a 10mg m-3 de clorofila-a. La ocurrencia de este fenómeno
depende tanto de las condiciones ambientales como de los requerimientos
específicos del organismo.14,15 Los florecimientos de cianobacterias
tienen un registro histórico reciente,10 y han adquirido
importancia por el impacto económico que representan. La
preocupación por los efectos de las cianobacterias en aguas
continentales, principalmente por la repercusión sobre
la calidad de la misma, se intensificó en las décadas
de los ochenta y noventa debido a la información acumulada
sobre la potencia de sus toxinas.16,17,18,19,20 Desde hace mucho
tiempo se tiene conocimiento de la presencia de toxinas cianobacterianas,
pero estas sólo se habían asociado con la muerte
de animales domésticos.21 Recientemente, en Brasil la muerte
de 88 personas y el daño renal en 50 pacientes que requirieron
hemodiálisis, se asoció con la presencia de cianotoxinas
en el agua de consumo.22,23 Lo anterior apoya el efecto dañino
de estas toxinas y plantea la necesidad de reevaluar si la presencia
de estos organismos en las fuentes de abastecimiento de agua para
consumo humano constituye un peligro para la salud, y si además
son un factor de riesgo para animales silvestres y/o domésticos
que puedan estar en contacto con este tipo de aguas.24 Aunque
no todos los florecimientos de cianobacterias son tóxicos,
cuando éstos se relacionan con la producción de
toxinas su repercusión es alarmante, tal y como se ha reportado
en diferentes países (Cuadro 1).
Cuadro 1. Porcentaje de toxicidad por florecimientos
de cianobacterias en diferentes países
País
Número
de
sitios
Toxicidad
Referencia
Inglaterra
78
70%
Reporte
NRA 1990
Escandinavia
51
59%
Cood
y cols. 1989
Finlandia
188
44%
Sivoen
y cols. 1990
Mar
Báltico
25
72%
Sivoen
y cols. 1989
Wisconsin,
EUA
102
27%
Rapavich
y cols. 1990
Países
Bajos
10
90%
Leeuwang
h y cols. 1983
Países
Bajos
29
79%
RIZA
1994
Hungría
35
82%
Törökné-Kozma
& Gábor 1988
Alemania
(RDA)
6
67%
Henning
y Khol 1981
Alemania
1995-96
80
90%
Fastner
y cols. 1998
Dinamarca
96
72%
Henriksen
1997
Fuente:
Sivonene y Jones 1998.25
2.
Factores involucrados en la producción de toxinas por cianobacterias
durante los florecimientos
En
las últimas décadas se ha presentado un incremento
aparente en la ocurrencia de florecimientos de cianobacterias,
lo que en conjunto con la posible presencia de cepas productoras
de toxinas ha dado lugar a que se estudien los posibles factores
ambientales que favorecen la presencia y el incremento de las
cianobacterias. Aunque estas generalmente son comunes en los diferentes
sistemas acuáticos, presentan diferencias en la densidad
de células, composición de especies, distribución
vertical y longevidad de la población, dependiendo del
tipo de sistema. Lo anterior se puede explicar por el grado de
estratificación y mezclado, así como por la disponibilidad
de nutrimentos y de luz que prevalecen en cada sitio, características
determinadas por las condiciones climáticas de cada región.
El tamaño y profundidad de las cuencas lacustres se han
modificado en tamaño y profundidad, durante miles de años,
como resultado de eventos climáticos y geológicos
y por los mismos procesos biológicos. El “envejecimiento”
o eutrofización es el resultado del incremento en los nutrimentos
y la actividad biológica (productividad), así como
de la acumulación de sedimentos y materia orgánica
que arrastran las corrientes de agua que llenan la cuenca de un
lago. La progresión natural en los lagos es unidireccional
y va de la oligotrofia (pobreza en nutrimentos) a la eutrofia
(riqueza en nutrimentos y por lo tanto alta productividad). La
eutrofización cultural (producida por la actividad humana),
se ha convertido en un factor significativo en el envejecimiento
de los cuerpos de agua en el mundo. El término hipereutrófico
surge como resultado del efecto de las actividades humanas sobre
los cuerpos de agua.26 La información obtenida de diversas
áreas geográficas muestra que la eutrofización
cultural tanto en aguas continentales como marinas es originada
por las descargas domésticas, industriales y aguas de retorno
agrícola.
Las algas y las macrofitas se utilizan frecuentemente como indicadores
de la eutrofización de los cuerpos de agua. Se llevan a
cabo análisis cualitativos y cuantitativos así como
medición de su biomasa mediante la determinación
de la concentración de la clorofila, cuyos valores se han
estimado de acuerdo a las condiciones tróficas de un cuerpo
de agua, por lo que se considera que en un lago oligotrófico
van de 1.5 a 10.5 µg/l mientras en un lago eutrófico
pueden llegar hasta 300 µg/l.27
El incremento en la biomasa además de ocasionar problemas
estéticos como la presencia de espumas y olores desagradables,
también altera el sabor del agua que ha sido potabilizada
para suministro humano. El proceso de descomposición de
los florecimientos acuáticos causa desoxigenación
alterando la química del agua, cambios que influyen en
la supervivencia de los animales acuáticos. La producción
de metabolitos secundarios bioactivos, como las hepatotoxinas
y las neurotoxinas, representan un riesgo para la salud humana
y animal.28
Las toxinas son péptidos cíclicos que incluyen potentes
alcaloides neurotóxicos (que se dividen en dos grandes
grupos: anatoxina y saxitoxina) y hepatotóxicos (microcistinas,
nodularinas y cilindrospermopsina). Las microcistinas son producidas
tanto por cianobacterias filamentosas (Anabaena, Oscillatoria,
Nostoc, Hapalosiphon) como coloniales (Microcystis). Los géneros
Anabaena y Oscillatoria producen anatoxina, la cual actúa
como un bloqueador neuromuscular. También producen dos
tipos de anatoxina: anatoxina-a y anatoxina-a(s) que no están
estructuralmente relacionadas y presentan diferentes efectos fisiológicos,
la segunda de estas es un compuesto organofosforado producido
por el género Anabaena, el único que se conoce en
estado natural. La estructura química de este compuesto
es similar a la que tienen los insecticidas sintéticos
como el paratión-malatión y al igual que este bloquea
la actividad de la acetilcolinesterasa.17
3.
Comportamiento de Microcystis productora de microcistina en el
ambiente
Microcystis
se encuentra comúnmente en cuerpos de agua eutróficos
e hipereutróficos y puede constituir el fitoplancton dominante,
a menudo, dependiendo de las condiciones climáticas, puede
estar presente durante todo el año. La microcistina se
identificó inicialmente en el género Microcystis
y a la fecha se han descrito aproximadamente 50 tipos de esta
toxina relacionados en su mayoría con casos de envenenamiento
de humanos y animales. Aunque Microcystis únicamente produce
microcistina esta siempre es toxigénica, a diferencia de
otras cianobacterias planctónicas que pueden producir tanto
microcistina como anatoxina, como en el caso de Anabaena y Oscillatoria
o microcistina y citotoxina producidas por Hapalosiphon. Rinehart
et al.,29 refieren la existencia de al menos 47 variedades de
microcistinas de éstas, 32 se identificaron en florecimientos
de Microcystis en agua y en algunos aislados de laboratorio. Con
respecto a las otras microcistinas, ocho se identificaron en Anabaena,
seis en Nostoc y una en Oscillatoria. Con excepción de
la microcistina-HtyR, las microcistinas producidas por géneros
diferentes a Microcystis contienen modificaciones en los aminoácidos
dos y cuatro, sitio en el cual se encontraron la mayoría
de los cambios. La toxicidad de las microcistinas se ha evaluado
por bioensayos en modelos animales y por una prueba de inhibición
de la actividad de la fosfatasa 1 o 2A. La dosis letal media (LD50)
de la microcistina administrada por vía intraperitoneal
en ratón es de 50 a 100 µg kg-1.30
4.
Efecto de las microcistinas sobre la salud animal
Aunque la mayoría de los envenenamientos por microcistinas
se presentan en animales terrestres después de ingerir
agua de suministros infestados con cianobacterias, los animales
marinos y particularmente los peces en cultivo también
pueden verse afectados.31 La muerte por microcistinas se presenta
como consecuencia de un shock hipovolémico secundario o
hemorragia del hígado. El estudio post-mortem muestra incremento
en el peso del hígado y en la concentración de hemoglobina
hepática y de hierro. En los animales que no mueren rápidamente
se observa hipercalemia y/o hipoglucemia, insuficiencia hepática
y la muerte en pocos días.
En el envenenamiento por microcistina, uno de los primeros efectos
(15 a 30 min.) es la elevación en la concentración
de ácidos biliares, fostafasa alcalina, gama-glutamil-transferasa
y la aspartato amino-transferasa. La cuenta de glóbulos
blancos se incrementa (leucocitosis), se activan factores que
promueven la formación de coágulos y puede presentarse
diarrea acuosa y/o con sangre. La muerte puede presentarse en
algunas horas (4 a 24 h) o días, dependiendo del individuo
afectado y generalmente es precedida por una respuesta neuro-muscular.
5.
Efectos en la salud humana
La información con respecto al daño en humanos ocasionado
por microcistinas es escasa 32,33 Las principales fuentes de exposición
son lagos y ríos durante su uso recreativo (ruta oral o
dérmica) y el consumo de agua potable y tabletas alimenticias
de concentrados de algas (ruta oral). Una ruta de exposición
de menor importancia la constituyen las regaderas durante el baño
(inhalación). En países como Estados Unidos y Canadá
el periodo de exposición durante el año es menor
ya que el crecimiento de los florecimientos de algas son más
cortos (3 a 5 meses), comparado con el de países con climas
cálidos como Australia o Sudáfrica (6 a 10 meses).
Los síntomas observados en las personas que sufren intoxicación
por microcistinas incluyen irritación de piel y ojos, síntomas
parecidos a los producidos por la fiebre del heno, disnea, fatiga
y gastroenteritis aguda.
La toxicidad letal en humanos no se presenta con mucha frecuencia,
principalmente porque los diferentes procesos de tratamiento en
los suministros de agua contribuyen a disminuir el número
de cianobacterias tóxicas y por ende la concentración
de toxinas. Sin embargo, en ocasiones los florecimientos presentan
niveles de microcistina mayores a 1 mg g-1 de células,
lo que muestra el efecto que pueden llegar a tener las cianobacterias
en la salud del humano y otros animales. Reportes en Estados Unidos
y Australia señalan la presencia de casos al ingerir agua
proveniente del suministro municipal. Esto se produjo al pretender
eliminar con sulfato de cobre las células durante un florecimiento,
lo que suscitó la liberación de altos niveles de
toxinas hacia el sistema de distribución, ocasionando la
intoxicación de varios individuos. Solo en casos como el
antes referido es que se podría alcanzar una dosis letal
para los humanos. En estos y otros casos de ingestión accidental
los síntomas reportados incluyen dolor abdominal, náusea,
vómito, diarrea, dolor faringeo, tos seca, dolor de cabeza,
úlceras en la boca, neumonía atípica y elevación
de las enzimas hepáticas en el suero (especialmente en
la gama-glutamil transferasa).
Otro aspecto importante en relación con las cianotoxinas,
es el efecto cancerígeno de las microcistinas y nodularinas
debido al efecto de inhibición de las proteín-fosfatasas.
Este factor adicional de riesgo (promoción de tumores),
se ha determinado mediante las observaciones hechas en animales
expuestos y a datos toxicológicos y químicos. Aunque
no han sido determinados los niveles de toxinas que ocasionen
efectos adversos, algunos países han propuesto concentraciones
que pueden considerarse como aceptables, para evitar riesgos a
la salud.
En 1994, Falconer et al.,34 utilizaron diferentes procedimientos
para establecer que 1.0 µg l-1 es la concentración
máxima de microcistina o nodularina aceptable para prevenir
la inducción de tumores. Dicha concentración de
toxina corresponde a 5000 células de Mycrocistis ml-1,
determinada en experimentos con cerdos. Un estudio similar en
Canadá reportó 0.5 µg l-1 para microcistina-LR
(la más común de las microcistinas encontradas en
suministros de agua), o 1 µg l-1 del total de microcistinas
en agua potable. Este valor es el que actualmente considera la
Organización Mundial de la Salud (OMS) como valor guía
a nivel internacional.35
6.
Estructura química y características
Bishop
et al.,36 realizaron el primer reporte de una hepatotoxina de
la cepa NRC-1 de Microcystis aeruginosa identificada como un péptido.
Esta toxina fue denominada microcistina por Konst et al.,37 y
Carmichael et al.,38. Posteriormente se realizaron otros aislamientos
de microcistinas a partir de la misma cepa,39, 40 y de florecimientos
de M. aeruginosa en Sudáfrica,41 y en Australia.42 Botes
et al.,43 aislaron varias microcistinas de cepas de M. aeruginosa
en Sudáfrica y fueron los primeros en determinar la estructura
de una de ellas (denominada como cianoginosina) en 1984, al siguiente
año el mismo grupo publicó la estructura de las
demás toxinas (Fig. 1).
Figura
1. Estructura de cinco microcistinas por Botes et al.
1985.44
Fuente:
Ken-ichi-Harada 1996,45
Una vez que se determinó la estructura básica, siguieron
rápidamente muchos reportes de microcistinas, a la fecha
se han aislado más de 50 microcistinas (Cuadro 2).
Toxina
de cianobacteria (Microcystis), Fosfatasa-1/-2A Inhibidor, NMR
Molécula: Microcistina-LR. Autor: J. R. Bagu, B. D. Sykes
46
Cuadro
2. Variaciones estructurales de microcistinas aisladas
y sus pesos moleculares
R1
R2
R3
R4
R5
PM
Microcistina
LA
Leu
Ala
CH3
CH3
CH3
909
Microcistina
LR
Leu
Arg
CH3
CH3
CH3
994
Microcistina
YR
Tir
Arg
CH3
CH3
CH3
1044
Microcistina
RR
Arg
Arg
CH3
CH3
CH3
1037
Microcistina
YM
Tir
Met
CH3
CH3
CH3
1019
Microcistina
YA
Tir
Ala
CH3
CH3
CH3
959
Microcistina
LY
Leu
Tir
CH3
CH3
CH3
1001
Microcistina
FR
Fe
Arg
CH3
CH3
CH3
1028
Microcistina
Laba
Leu
Aba
CH3
CH3
CH3
923
Microcistina
HtyR
Hty
Arg
CH3
CH3
CH3
1058
Microcistina
AR
Ala
Arg
CH3
CH3
CH3
953
Microcistina
M(O)R
Met(O)
Arg
CH3
CH3
CH3
1028
Microcistina
WR
Tir
Arg
CH3
CH3
CH3
1067
3-desmetilmicrocistina
LR
Leu
Arg
H
CH3
CH3
980
7-desmetilmicrocistina
LR
Leu
Arg
CH3
H
CH3
980
3,7-didesmetilmicrocistina
LR
Leu
Arg
H
H
CH3
966
3-desmetilmicrocistina
YR
Tir
Arg
H
CH3
CH3
1030
7-desmetilmicrocistina
YR
Tir
Arg
CH3
H
CH3
1030
3-desmetilmicrocistina
RR
Arg
Arg
H
CH3
CH3
1023
7-desmetilmicrocistina
RR
Arg
Arg
CH3
H
CH3
1023
3,7-didesmetilmicrocistina
RR
Arg
Arg
H
H
CH3
1009
3-desmetilmicrocistina
HtyR
Hty
Arg
H
CH3
CH3
1044
7-desmetilmicrocistina
HtyR
Hty
Arg
CH3
H
CH3
1044
3,7-didesmetilmicrocistina
HtyR
Hty
Arg
H
H
CH3
1030
7-desmetilmicrocistina
HphR
Hph
Arg
CH3
H
CH3
1028
(Mser7)microcistina
LR
Leu
Arg
CH3
CH3
CH3
1012
(Ser7)microcistina
LR
Leu
Arg
CH3
H
CH3
998
(Ser7)microcistina
RR
Arg
Arg
CH3
H
CH3
1041
(Ser7)microcistina
HtyR
Hty
Arg
CH3
H
CH3
1062
[Ser7)3-desmethytmicrocistina
XR
X
Arg
H
H
CH3
998
(DMAdda)
microcistina LR
Leu
Arg
CH3
CH3
H
980
(ADMAdda)
microcistina LR
Leu
Arg
CH3
CH3
COCH3
1022
(ADMAdda)3-desmetilmicrocistina
LR
Leu
Arg
H
CH3
COCH3
1008
(ADMAdda)
microcistina LHar
Leu
Har
CH3
CH3
COCH3
1036
(ADMAdda,Mser7)
microcistina LR
Leu
Arg
CH3
CH3
COCH3
1040
D-Glu(CH30)estermicrocistina
LR
Leu
Arg
CH3
CH3
CH3
1008
D-Glu(CH3O)ester
3-desmetilmicrocistina LR
Leu
Arg
H
CH3
CH3
994
D-Glu(C3H7O2)ester
microcistina LR
Leu
Arg
CH3
CH3
CH3
1052
Toxin#3
1014
(D-Ser1,ADMAdda)
microcistina LR
Leu
Arg
CH3
CH3
COCH3
1038
Fuente:
Ken-ichi-Harada 1996.45
7.
Relaciones entre estructura y toxicidad
La
relación entre las modificaciones estructurales y hepatotoxicidad
de las microcistinas se estableció por observaciones en
diferentes investigaciones.43,47,48,49 Se encontró que
existen modificaciones en diferentes sitios de la molécula
de microcistina (Cuadro 3), como es el caso de dos L-aminoácidos
variables; grupos Metil en Mdha y/o ?-Me-Asp; Adda; Glu y Mdha.
Cuadro
3. Relación entre la estructura y hepatotoxicidad
de microcistinas
Las microcistinas son heptapéptidos cíclicos muy
estables y resistentes a hidrólisis enzimática,
su vida media es de alrededor de tres semanas en solución
a pH 1 y 40° C. Para degradarlas completamente se requiere
un tratamiento a reflujo con ácido 6N-hidroxiclórico
y ácido trifluroacético. Sin embargo, en mediciones
realizadas en campo se encontró que la degradación
primaria de la microcistina-LR ocurrió en una semana.50
Experimentos realizados en laboratorio para determinar la velocidad
de degradación tanto de nodularina como microcistinas,
mostraron que la primera era más resistente a la degradación.51
Para evaluar las implicaciones que tienen las microcistinas sobre
la salud es necesario realizar estudios de campo. Para evaluar
la pérdida de toxicidad de estos metabolitos se deben tomar
en cuenta los siguientes factores:
•
Dilución
• Adsorción
• Descomposición térmica con ayuda del pH
• Fotolisis
• Degradación biológica
9. Remoción de cianotoxinas mediante los procesos
de tratamiento de aguas
Coagulación-filtración, oxidación con cloro
y ozono y, por último la adsorción con carbón
activado, son los procesos que se combinan para eliminar las microcistinas
de aguas contaminadas (Cuadro 4). Aunque previamente se había
demostrado que la cloración era ineficiente para eliminar
las toxinas provenientes de las algas,52,53,54 estudios más
recientes señalan que las microcistinas y nodularinas son
destruidas rápidamente con una solución de cloro
e hipoclorito de calcio y con menor efectividad con hipoclorito
de sodio. El cloro y el hipoclorito de calcio en una concentración
de 1 mg l-1 eliminaron cerca del 95% de las toxinas en 30 minutos.
Por otro lado el hipoclorito de sodio a la misma concentración
solo removió el 40% y con de 5 mg l-1 o más, del
70 al 80%.55 El ozono es uno de los oxidantes más poderosos
que se conocen y que se han utilizado efectivamente para la desinfección
y oxidación de una amplia gama de compuestos en el tratamiento
del agua. Keijola et al.,53 mostraron que la pre-ozonización
a 1 mg l-1 fue suficiente para eliminar completamente la toxicidad
causada tanto por las hepatotoxinas como por la anatoxina-a. Himberg
et al.,54 posteriormente observaron que la eficiencia de eliminación
dependía de la concentración de ozono.
Aunque la degradación de microcistina-LR y nodularina da
como resultado productos inactivos, es necesario asegurarse de
que no se formen productos nocivos durante este proceso. El carbón
activado es una medida efectiva para remover una gran variedad
de contaminantes, incluyendo las toxinas de las algas acuáticas.
Sin embargo, la efectividad de éste depende de factores
como la presentación (polvo o granular) y el método
de adición del mismo.
Cuadro
4. Remoción de microcistinas por diferentes procesos
de tratamiento de agua
Proceso
de tratamiento
Condición
del tratamiento (agente, concentración, tiempo de contacto)
Toxina
Detección
Resultado(%
de eliminación)
Referencias
Floculación
FeCl3-floculación
cruda
Bioensayo
en ratón
x
Hoffman
1976
Filtración
Filtro
de arena
x
Al2
(SO4)3-floculación más filtros de arena (+Cl2)
cruda
HPLC
11-18%
Keijola
et al. 1988 Himberg et al. 1989
Cloración
Ca
(OCl)2-5 mg1-1, 30 min.
pH 8.5,
cruda
Bioensayo
en ratón
x
Hoffman
1976
NAOCl-0.5
mg·1-1, 20 min, pH5.5-6.6 (+floculación +filtro de arena)
* Polvo de carbón activado ** Carbón
activado granular
HPLC:
Cromatografía de líquidos a alta presión,
por sus siglas en inglés HPLC (High Pressure Liquid Chromatographic)
LR: Leucina-Arginina, aminoácidos que participan en la
estructura de la Microcistina-LR.
Fuente: 45
10. Experiencia en México
A la fecha existe una amplia información sobre los daños
ocasionados por cianobacterias tóxicas ?no todos los géneros
de cianobacterias son tóxicas? presentes tanto en cuerpos
de agua con fines recreativos como en aquellos que sirven de suministro
para consumo humano. Sin embargo, este problema es poco atendido
en los países latinoamericanos.
Anabaena sp. (40X) en cultivo de laboratorio (medio
BG-11)
Microfotografía: Nancy García Roa. Cyma-Lab. Bacteriología
UNAM-FESI
Email: roa_nan@yahoo.com.mx
Con
relación a la presencia de florecimientos de cianobacterias
en fuentes de abastecimiento de agua para consumo humano en México,
se ha reportado su presencia en el lago de Chapala en el estado
de Jalisco y en Valle de Bravo en el Estado de México,
de esta última se tienen registros de florecimientos de
1998 a la fecha y de la presencia de microcistina-LR. La presa
Valle de Bravo y los diferentes cuerpos de agua que conforman
el sistema Cutzamala, proveen cerca del 30% del agua potable a
los habitantes (aproximadamente 6,000000) de la ciudad de México.
En estos sitios durante casi 6 meses al año se aprecia
la presencia de cianobacterias con florecimientos durante el verano.
Se detectó la presencia de microcistina-LR en los meses
de junio, septiembre y noviembre de 1999. Las concentraciones
más altas se observaron en el mes de junio con valores
de 2551 mg kg-1, peso en base seca. El valor más bajo se
determinó en noviembre, cuando aparentemente el florecimiento
había desaparecido, en este mes el valor máximo
fue de 109 mg kg-1, peso en base seca (Figura 4).56, 57
Figura
4. Valores de microcistina obtenidos en 1999 en la presa
de Valle de Bravo.
En el 2000 no se registraron florecimientos de cianobacterias,
pero en el 2001 1as concentraciones de microcistina–LR se
incrementaron de enero a julio y la mayor concentración
fue de 3761 ?g de toxina g-1. Aunque en agosto se identificó
un decremento en la concentración de microcistina-LR, los
niveles observados en julio se alcanzaron en septiembre y octubre,
para disminuir nuevamente en noviembre (Fig. 5).
Figura
5. Valores de microcistina obtenidos en 2001 en la presa
de Valle de Bravo.
Una situación similar podría presentarse en otros
cuerpos de agua eutrofizados en nuestro país, como es el
caso del Lago de Chapala. Ante las evidencias surge la necesidad
de establecer un programa de vigilancia y monitoreo en los cuerpos
de agua ya que debido a los procesos de eutrofización es
factible la presencia de florecimientos de cianobacterias con
niveles de microcistina-LR por arriba del valor recomendado de
1 µg l-1.por la OMS.35
También es importante en el proceso de tratamiento del
agua diseñar estrategias adecuadas de remoción de
toxinas y de control de cianobacterias, con el fin de proteger
a la población a la exposición aguda o crónica.
Por otro lado, se requiere hacer un inventario a nivel nacional
de los florecimientos de cianobacterias y establecer el número
de géneros productores de toxinas y los tipos de éstas
que podrían liberar al ambiente acuático, para tomar
medidas preventivas de acuerdo al uso al que se destine el cuerpo
de agua. Se requiere el establecimiento de una método estandarizado
para la identificación y cuantificación de las toxinas
incluyendo aquellas que se han identificado recientemente.58 Finalmente,
se debe informar al público usuario de los cuerpos de agua,
tanto de uso recreativo como de abastecimiento, sobre los riesgos
que implica el hacer uso del agua con evidente presencia de cianobacterias
tóxicas.
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